数据中心暖通空调水冷系统节能控制优化分析

文_王清江 福建省数字福建云计算运营有限公司

当前大型数据中心暖通空调的能耗问题已经得到社会的广泛关注，作为长期以来电能消耗的“大户”，我国相关规定中针对数据中心电能利用效率提出了更严格的要求，促使相关单位能够选择更加节能的暖通空调控制系统。例如在2019年，上海市的相关规定中明确提出所有新建数据中心的电能利用效率应小于1.3，因此面对政府部门相关能源政策紧缩的背景，则需要寻找一种更加科学有效的暖通空调水冷系统节能控制方案，这也是本次研究的主要目的。

1 数据中心暖通空调水冷系统节能改造中面临的问题

根据当前部分数据中心在空调水冷系统节能改造中的经验，发现当前工作中还存在以下几方面的问题：①能源浪费一直是暖通空调存在的问题，再加之部分暖通空调系统的建成时间长，因此系统改造的难度高、工程量大。②暖通空调系统图纸存在一图多用的问题，在系统建设过程中忽视了数据中心的实际需求，最终导致系统运行冷量明显超出实际冷量，这一现象会造成冷量冗余区间偏大，这也是加剧能源浪费问题的主要时间，而部分设备因为运行时间长，因此会出现严重的零部件磨损问题，不利于保证系统功能稳定性。

2 工程项目简介

某数据中心共有4层，包括机柜4540台，在该数据中心中共有列间空调598台，其中冷水供/回水设计温度为13℃/19℃。该数据中心暖通空调系统主要依托送风温度控制水阀开度水平；在微模块设计中使用了冷通道封闭的模式，其夏季冷风通道送风湿度超过80%。

根据案例数据中心的运行现状可知，其暖通空调水冷系统在运行期间存在参数设置不合理的问题，根据调查发现，机房冷通道湿度报警每周超过1000次，而送风温度报警次数每周更是高达2000条。这一现象不仅造成了严重的能源消耗，也增加工作人员的工作难度，并造成能源浪费等问题。

3 数据中心暖通空调水冷系统节能控制方案研究

3.1 冷源系统节能控制技术

3.1.1 控制逻辑

在数据中心运行过程中，暖通系统需要通过冷量达到快速降温的效果，因此为了满足节能控制优化的效果。本次研究研究中将配合传感器来观察数据以及输配系统的状态变化情况，借助感测信号、控制决定以及状态辨识等多种控制逻辑指令，将信号传递给执行器，最终达到调整蒸发器运行工况的效果。同时，蒸发器运行工况的变化则会带动输配系统状态变化，当传感器再次识别其状态变化信息后，即可调整设备进入到下一个循环中。根据上述过程，本文介绍了冷源系统节能控制系统的控制逻辑，详细资料如图1所示。

图1 冷凝系统节能控制技术的控制逻辑

3.1.2 节能技术分析

根据介绍的案例数据中心可知，该数据中心的空调系统设备数量多，导致暖通空调水冷系统控制难度较高，此时假设单台冷源主机的最大制冷量达到了，暖通空调的数量为N，当冷源主机的制冷量达到了N的95%时，证明冷凝主机所提供的冷量低于需求冷量，需要增加冷源主机数量。而当末端系统负荷下降，冷源主机可通过调整自身负荷的方法达到维持系统负荷的目的，这样可以维持冷源主机的出水温度相对恒定。若探测装置发现冷源主机的制冷量≤（N-1）时，则证明冷源主机所产生的冷量高于数据中心的冷需求量，需要关闭若干台主机。

同时当需要加开一台冷源主机时可以降低冷源主机出水温度来达到控制负荷的效果，相比之下较低的出水温度有助于扩大末端设备传热温差，最终达到提升传热量的效果。而假设数据中心冷源主机的出水温度允许范围为而当设备的制冷量达到N的95%，并且出水温度高于时，可考虑降低出水温度设定值约0.5℃；而当出水温度设定值下降至甚至低于该数值时，出水温度在一定时间内大于该设定值，之后系统控制另一台冷源主机启动。通过这种方法，可以有效解决传统暖空通空调水冷系统长时间高负荷运行的问题，对于减少能耗的意义重大。

最后结合案例数据中心的实际情况可发现，该数据中心共有3台冷却塔，并且每个冷却塔上分别配置了一个风机，假设每台风机的功率用表示，其风量用表示，在部分负荷时需要的风量达到了2，此时风机的耗电量达到了。而相比之下，若3台风机均采用均匀布水并且同时变速的运行方法来维持2的风量时，因为风机调节变速的影响，可以认为风机功率与转速之间存在相关性，此时风机的总耗电量为：根据这组数据可以发现，3台风机变速的耗电量仅为0.89，与两台风机全功率运行相比显然具有更强的节能效果。

3.2 新风系统的节能控制技术

在传统思维下新风系统的功能是稀释室内有害气体的浓度，而本文根据数据中心的高能耗问题，认为可以借助新风系统控制室内温度，在空调系统运行期间，当新风被送至室内房间后，凉爽的新风可以承担部分显热冷负荷，进而减少冷负荷的耗冷量，对于降低水冷系统能耗的意义重大。

3.2.1 控制逻辑

在新风系统的架构下增设室内外温湿度传感器，可以将室内外温度信息转变为可读取信号上传至调节器中，调节器采集信号后对比数据中心室内外信息，根据数据对比结果可以判断是否进行控制调节，或者做出如何调节的指令；之后系统发出调控指令，执行器按照调控指令控制送新风的过程，完成一个循环。在循环一段时间后传感器再次比较数据中心室内外的环境信息，根据参数变化判断是否需要进行下一个循环。按照上文介绍的方法，新风系统的控制逻辑如图2所示。

图2 新风系统的控制逻辑结构图

3.2.2 节能控制技术

假设案例数据中心的室外平均环境温度达到了30℃，处理值送风状态14℃时每100m3/h的需要消耗的冷量达到了1.15kW；而相比之下，空调环境下每100m3/h的需要消耗的冷量达到了2.5kW，相比之下新风系统与空调相比具有节能的优势。

（1）承担室内冷负荷的新风系统

在数据中心运行过程中，维持室内温度恒定是暖通空调水冷系统必须要解决的问题，因此新风系统可以在确保满足室内温度标准的基础上，承担室内冷负荷新风系统需承担的冷负荷，其中包含了部分室内显热负荷以及全部潜热负荷。同时考虑到室外新风温度并非恒定的，所以当室外新风温度偏低时需要引入更大的风量，相反引入的新风量较小。且风机变速调节时，风机的功率与风机转速的三次方成正比关系，而风机变速控制装置的投资成本可在较短时间内全部回收。由此可知，对于承担室内冷负荷的新风系统的风量需要采用风量连续调节方式。

同时在本次节能设计中需要注意的是，因为需要承担室内冷负荷，所以在新风系统设计中控制水量能够满足送风湿度以及送风温度的要求，并且考虑到外部环境下的湿度是动态变化的过程，因此为满足这一要求，决定该系统中的水量采用连续调节控制的方式。

根据这一研究结果可以认为，为满足节能要求，当新风系统承担室内冷负荷的情况下应采用风量与水量连续控制的模式。

（2）不承担室内冷负荷的新风系统

由于不需要承担室内冷负荷，该新风系统只需要将新风输送至指定房间即可，通过送风快速降低室内温度。此时若采用连续调节控制的方法，当室内温度下降至标准条件以下时，系统依然维持运行状态，这一情况将会加剧能源消耗，不满足本次设计的要求。所以为避免此类问题发生，最终决定采用风量通断控制的方法，即数据中心内的温度达到设定值后才会开启新风系统，将新鲜的室外空气输送至室内。

3.3 末端系统节能技术

末端系统直接接触数据中心环境，是维持室内温度的重要组成部分，目前常见的末端系统主要分为对流式以及辐射式两种类型。

3.3.1 控制逻辑分析

根据数据中心的特殊性，空调末端系统借助传感器采集室内环境后，即可将室内温度环境数据转变为信号发送至调节器，调节器根据传输的信号与给定值比较，当判断输出数据中心的室内温度超过设定值后制定调节策略；系统运行一段时间后，采集装置第二次记录室内温度信息，根据实时温度调节器改变工况运行，完成一个循环。

3.3.2 节能控制技术

在本次研究中采用了“空调处理机组＋风口末端”的节能技术，其中空调处理机组的功能是调整水量与风量变化，此时由于空气处理机具有制冷量大的特征，因此只需要较少的空气处理机组即可承担数据中心降温的要求。但如果采用了风量通断控制的方法，在关闭后会造成气流停滞，此时无论如何调节水量都不利于室内温度下降。因此在数据中心暖通空调水冷系统运行过程中只存在3种控制模式，详细资料如表1所示。

表1 3种控制模式

根据表1中介绍的三种控制模式，本文结合案例数据中心的实际情况展开判断，结果显示：①在对比编号1方案与编号2方案后，发现当其他条件相同的情况下，水量不变、风量减半情况下所减少的冷量比水量减半、风量不变时更多，根据这一结果可以认为，风量变化对空气的影响更大。②在比较编号2与编号3的方案后可以发现，当采用水量与风量均连续调节的技术方案时，换热量变换幅度更大、范围更广。同时在实验中发现空气处理机组中的送风量普遍为回风与新风相互混合的方法，假设所引入的新风量达到最小时，随着数据中心室内负荷的上升，通过先调整风量则会造成更严重的能耗，所以可选择先调整水量；而相比之下，因为编号2方案中不调节水量，单纯依托调节风量的方法控制室内负荷，会造成更大的能源消耗。

3.4 节能改造效果评价

根据案例数据中心暖通空调水冷系统的优化方案后，结果显示该技术方案在节能改造中发挥着重要作用，主要表现为：①通过使用节能控制技术，每周送风温度过高的报警数量显著下降，最低为每周57条；送风湿度过高的报警数量下降至每周81条。与改造前相比，可以通过相关节能改造技术方案有效解决报警数量偏多的问题。②有效降低了暖通空调系统的功率问题，达到了节能效果。相关数据显示，末端空调运行功率在改造前为190kW左右，能耗较高；而在改造之后，其功率下降至140kW左右，数据比较，可以发现改造后空调的功率显著下降，证明该项目在系统节能中的效果满意。从长远角度来看，本文所介绍的节能控制优化方法可以为暖通空调系统自动化控制提供支持，满足工作人员实时监测数据中心温度变化以及调控暖通空调水冷系统运行参数的工作需求，具有技术先进性。

4 结语

未来数据中心数量明显增多，本文通过实现暖通空调水冷系统节能控制优化具有一定的生态效益以及经济效益，并且实践经验也证明，本文所采取的技术应对手段取得了成功，具有可行性。而根据本次研究经验本文认为，在数据中心暖通空调系统改造过程中，还需要充分考虑数据中心实际情况，能够根据气候环境等因素合理选择节能工艺，这样才能有效降低能耗，实现可持续发展的目标。