王永濤

（中國建筑設計院有限公司智能工程中心）

某大型數(shù)據(jù)中心冷源設備監(jiān)控系統(tǒng)

王永濤

（中國建筑設計院有限公司智能工程中心）

近幾年以來，更多的大型數(shù)據(jù)中心采用冷凍水型機房空調系統(tǒng)，具有高效節(jié)能的優(yōu)點。實現(xiàn)冷源設備的集中智能化監(jiān)測控制，對數(shù)據(jù)中心高效管理與節(jié)能控制有著重要的意義。

數(shù)據(jù)中心；冷源設備監(jiān)控；運行模式；控制流程

1 引言

冷源系統(tǒng)設備的高效運行離不開控制系統(tǒng)，冷源設備監(jiān)控系統(tǒng)通過自控技術將冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風機、電動閥門及相關管道傳感器統(tǒng)籌監(jiān)控，實現(xiàn)連鎖控制、邏輯順序啟停和節(jié)能控制等功能。系統(tǒng)可使各冷站設備相互協(xié)調，運行在最佳狀態(tài)，在滿足用戶需求及穩(wěn)定性的前提下，將整個冷站系統(tǒng)能耗降到最低[1]。本文對某大型數(shù)據(jù)中心水冷冷水機組部分的單元控制進行分析探討。

2 系統(tǒng)情況

本數(shù)據(jù)中心冷源采用2N架構的冷凍水系統(tǒng)。A路冷源采用水冷冷水機組，共4臺（“三用一備”）；B路冷源采用風冷冷水機組，共15臺（“十二用三備”）。各自配備相應的一次冷凍水泵、二次冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、板式換熱器、加壓裝置、定壓裝置等輔助設備。兩個冷源均能承擔100%精密空調冷負荷，兩個冷凍站以及冷凍水輸送管路均進行物理隔離，滿足容錯要求；兩路冷源之間設置相應連通管和電動切斷閥，冷源既可以各自獨立運行，也可以相互連通，相互備用，遇到緊急情況或其中一個冷源出現(xiàn)故障時可以自動關斷連通管上的電動閥，使得未出故障的冷源獨立運行，不受另一路冷源故障的影響；兩個冷源連通以后，每個冷源承擔的空調負荷靈活調節(jié)，可以全部采用水冷冷水機組運行，也可以全部采用風冷冷水機組運行；在二次泵相互連通的情況下，每一種方式均可做到在線維護要求。

為了降低能耗和節(jié)省運行費用，應盡量多地使用水冷冷水機組供冷。冷凍水設計供回水溫度為12～18℃，實際運行時，可以根據(jù)服務器實際需求適當提高冷凍水溫度，這樣將有利于提高冷機效率，節(jié)省能耗。

3 模塊化制冷單元控制

為確保數(shù)據(jù)中心冷源的可靠性，實現(xiàn)不間斷在線式維修，將水冷冷凍站房的設備分成4個制冷單元，系統(tǒng)中相應的離心式冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、板式換熱器、加壓定壓裝置、傳感器、閥門等管路設備組成一套制冷單元，各組制冷單元相互獨立。系統(tǒng)正常運作時，在某一制冷單元中，冷凍側水流通過冷水機組，由二次冷凍泵輸送到末端制冷設備，其中有部分冷凍水會流經蓄冷罐供其蓄冷，最終由一次冷凍泵流回板式換熱器或直接到機組；冷卻側冷卻水流向冷卻塔，最終由冷卻泵流回板式換熱器或直接到冷水機組。

4 運行模式

冷源系統(tǒng)主機運行模式分為三種：電制冷模式、預自然冷卻模式（混合制冷模式）、完全自然冷卻模式。

水冷系統(tǒng)開機時，根據(jù)室外濕球溫度選擇其中一種運行模式；在運行過程中，根據(jù)室外濕球溫度及冷卻水回水溫度來判斷運行模式的切換。安裝兩個室外溫濕度傳感器，比較兩個濕球溫度時，宜采用溫度低者進行控制，這主要影響到電制冷主機是否能安全工作。為防止冷水機組凍機，冷卻水進水溫度不能過低。

4.1 電制冷模式

當室外濕球溫度≥14℃并且冷卻水回水溫度高于制冷模式設定值時，為電制冷模式，此時只開冷機，切換組合閥門，水路只走冷機，不經過板式換熱器，相應制冷單元中閥門泵組及冷卻塔開啟。（VLV5）閥門關閉，（VLV6）打開，冷卻水不經過板式換熱器，（VLV4）閥門開向主機側，以電制冷模式頻率運行（由現(xiàn)場測試決定,要求可調），此模式下完全靠冷水主機制冷（見圖1）。

電制冷時，一期單臺機組運行，到三期后由于一共4臺變頻主機，三用一備，其容量一般設計為最大負荷的150%，且同時運行，每套單元運行在33%負荷下，一旦1臺失效，剩下兩臺可以滿足100%負荷。因此，臺數(shù)控制主要是滿足安全性需要，與慣用的需求冷量控制法不同，為了實現(xiàn)備份功能，負荷再低也至少開3套制冷單元，因此此項目只有兩種情況：開3套或4套。制冷單元開啟套數(shù)切換點主要看效率，但機組的效率曲線隨著冷卻水溫的變化而變化，本項目冷卻水溫是根據(jù)室外濕球計算而來，因此最佳效率的切換點也是動態(tài)變化的，預先在系統(tǒng)軟件中輸入機組效率曲線的變化范圍，從而根據(jù)環(huán)境的變化動態(tài)選擇這個切換時機。

4.2 預自然冷卻模式

圖1 制冷單元系統(tǒng)圖

當14℃＞室外濕球溫度≥7℃,且冷卻水回水溫度低于冷凍水回水溫度2℃時，為預冷模式；此時，切換組合閥門，水路先進板式換熱器，再進冷機，冷卻水作為板式換熱器冷源為冷凍回水做預冷處理，從而減少冷機負荷，起到節(jié)能的效果。這種模式下，冷機與相對應板式換熱器成組啟停。（VLV5）閥門關閉，（VLV6）打開（VLV4）閥門開向主機側（此閥門由冷水主機控制），在此模式下，由冷凍水控制，其板式換熱器冷凍水出水溫度不低于12℃（可調），通過調節(jié)冷卻塔風扇轉速，控制冷卻水溫度，來達到冷凍水溫度的控制，或者直接控制冷卻水溫度，此溫度可考慮設在13.8℃或14℃。

預自然冷卻模式下，制冷單元臺數(shù)控制與電制冷模式相同。

4.3 完全自然冷卻模式

當室外濕球溫度＜7℃，水路只走板式換熱器，冷卻水作為板式換熱器冷源為冷凍回水提供冷量，為最節(jié)能模式：（VLV5）閥門打開（VLV6）關閉，冷卻水只經過板式換熱器，冷水主機關閉，（VLV4）閥門開向旁通，此閥門由冷水主機控制）（此模式下完全靠冷卻水制冷）。冷卻水水溫保證不低于10℃，當室外溫度低于10℃，調節(jié)冷卻塔風扇，以保證冷卻水溫度最低達到10℃。

所有模式下：冷凍水始終經過板式換熱器，當冷凍站剛開始運行時，（DF1）閥門關閉，（DF2）閥門打開，保證期初制冷的冷凍水不進入冷凍水主管。當冷水主機出水溫度達到12℃時，（DF1）閥門打開，（DF2）閥門關閉，冷凍水進入冷凍水主管道，2號、3號、4號主機開機時控制與1號相同。完全自由冷卻下，當冷凍水供水總管溫度超限，或單元控制器向統(tǒng)籌控制器提出加減載申請時，統(tǒng)籌控制器做出決定并發(fā)出命令。

4.4 三種模式間切換

1）電制冷向預自然冷卻轉換：室外濕球溫度+偏差4℃（可在軟件界面中調整）=冷卻水出水設定溫度。當這個計算出的冷卻水出水設定溫度，低于冷凍水回水溫度-偏差2℃（可在軟件界面中調整），則進入預自然冷卻。

2）預自然冷卻向完全自然冷卻轉換：室外濕球溫度低于6℃（該數(shù)值可在軟件界面中調整），或者由制冷單元DDC提供預警信號。

3）由完全自然冷卻向預自然冷卻轉換：室外濕球溫度高于8℃（該數(shù)值可在軟件界面中調整），進入預自然冷卻。

4）預自然冷卻轉換向電制冷轉換：計算出的冷卻水出水設定溫度，高于冷凍水回水溫度+偏差2℃（可在軟件界面中調整）。

退出和進入完全自由冷卻的過程，需要避免機組頻繁啟停，因此室外濕球溫度低于6℃，并非實時測量值，而是采樣某一個時間段內的平均溫度（這個范圍應根據(jù)當?shù)靥鞖鈼l件修改）。高于8℃這個條件，也是通過采樣一個時間段內的平均溫度（這個范圍應根據(jù)當?shù)靥鞖鈼l件修改）?？刂葡到y(tǒng)管理自由冷卻所需的各種模式轉換，能夠完成電制冷模式、預自然冷卻模式、完全自由冷卻模式之間的安全過渡。同時，配合機組特性，合理控制冷卻水溫，并優(yōu)化機組輸出邏輯，保障系統(tǒng)運行在最佳效率點。

5 冷凍站控制順序

制冷單元DDC接受統(tǒng)籌控制器的命令包括：開啟、停止、電制冷模式啟動、預自然冷卻模式啟動，完全自然冷卻模式啟動、維修等。

5.1單個制冷單元的開啟順序

打開冷凍水隔離閥→狀態(tài)返回后打開冷卻水隔離閥→狀態(tài)返回后打開冷卻塔蝶閥→狀態(tài)返回后延時15s啟動冷凍水泵→狀態(tài)返回后延時15s啟動冷卻水泵→狀態(tài)返回后延時15s啟動冷卻塔風機→確認水流開關狀態(tài)返回→狀態(tài)返回后延時60s啟動冷水主機

5.2 單個制冷單元的停止順序

停止冷水主機→延時60s后關閉冷卻塔蝶閥，冷卻水隔離閥，停止冷卻水泵→延時120s后關閉冷凍水隔離閥，停止冷凍水泵（其中冷凍水蝶閥，冷卻水蝶閥和冷水主機為串聯(lián)設備）。

6 蓄冷罐應急運行保障

正常狀態(tài)下，數(shù)據(jù)中心供冷部分冷凍水水冷、風冷雙路管網(wǎng)同時運行，單邊負荷率50%，單機負荷率采用臺數(shù)調節(jié)保障冷機處于高效區(qū)；當單邊系統(tǒng)發(fā)生故障時，非故障端系統(tǒng)承擔100%負荷；當冷源系統(tǒng)失電，或者也有可能每套單元都有設備問題而導致無法同時使用，此時只能利用緊急供冷。采用二次泵+蓄冷罐供冷方式，保障15min正常供冷，滿足冷水機組及一次循環(huán)泵冷卻水泵重新啟機所需時間段的供冷需求。蓄冷罐由低到高安裝5個或更多溫度傳感器，系統(tǒng)正常運作時，冷凍一次泵的量程大于二次泵的量程，以保證一次泵在運行時，蓄冷罐能處于充能狀態(tài)，冷凍水部分流進蓄冷罐中供其蓄冷。不同高度的溫度傳感器可通過溫度識別躍溫層，從而判斷罐中所蓄冷量的多少，當最上面一個溫度傳感器溫度已接近冷凍水溫度，表示此時蓄冷罐已蓄滿，但蓄滿后閥門會持續(xù)保持一個最小開度以維持蓄冷罐中的冷量；緊急供冷時，由于一次泵停用，蓄冷罐上供回水倒流，再通過二次泵將蓄冷罐中冷水作為冷源給設備提供冷量?？刂菩罾涔藜捌漤憫y門DDC應有UPS單獨電源，從而保障失電時緊急供冷設備正常運作。

7 冷卻塔風機的控制

1）在制冷單元DDC控制器執(zhí)行電制冷模式時，冷卻塔全開，滿頻，冷卻水溫度盡量低，無需追蹤設定值。

2）直到室外濕球溫度+偏差4℃，低于冷凍水回水溫度-2℃偏差，進入預冷卻模式后，在此模式下，PID控制風扇追蹤計算出的冷卻水溫度設定值。

3）當套內自由冷卻旁通閥開度達到70%上限，或主機內部參數(shù)電流百分比低于30%（這些數(shù)值都可在軟件界面下修改）時，提高冷卻水溫度設定值0.5℃，從而間接影響冷卻塔風扇調速。若繼續(xù)達到上述條件，持續(xù)提高冷卻水溫度設定值，但該值不應高于冷凍水回水溫度-偏差3℃（該偏差值可調）。

4）在完全自由冷卻下，為了保持恒定的冷凍水溫度，可通過控制冷卻塔風扇進行調節(jié)。但為了避免響應滯后的影響，同樣利用冷卻水溫度再設的方式間接控制冷卻塔風扇。即當熱交換冷凍水出水溫度超過設定值時，降低冷卻水溫度設定值，降低幅度，反之亦然。

5）當冷卻塔風扇已達最低運行狀態(tài)，但冷凍水出水與設定值依然出現(xiàn)負偏差時，單元DDC控制器向統(tǒng)籌控制器發(fā)出卸載申請。反之，若冷卻塔風扇已滿頻工作，但冷凍水出水與設定值依然出現(xiàn)正偏差時，單元控制器向統(tǒng)籌控制器發(fā)出加載申請。

8 壓差旁通閥的控制

1）制冷單元接受統(tǒng)籌控制器的模式切換命令，響應轉換對自然冷卻旁通閥的控制邏輯。

2）進入預自然冷卻模式后，根據(jù)冷機內部參數(shù)及蒸發(fā)器壓力與冷凝器壓力的壓差，PID控制旁通閥的調節(jié)。且調節(jié)范圍有下限，即保證流入主機至少30%流量。

9 二次泵組控制

1）水冷機房設一次泵4臺，與冷機一一對應。設置二次泵4臺，變頻控制。風冷機房冷源側風冷冷水機組設置循環(huán)水泵15臺，與風冷冷水機組一一對應，風冷冷水機組冷水經板式換熱器換熱后提供系統(tǒng)冷源，系統(tǒng)側設置一次水泵4臺，與板式換熱器一一對應。二次泵4臺，變頻控制。

2）采用相互冗余的DDC控制器控制二次泵組，要求壓差傳感器兩套，分別接入主用、備用DDC，以水泵變頻器為主，從控制信號配有相應的接線柱。

3）冗余DDC之間連接心跳線，通過最不利一組讀數(shù)給出警報。

10 結束語

本文僅對數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)設備的各運行模式及基本控制流程進行描述，在實際的編寫監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯中還有很多的細節(jié)。冷源設備監(jiān)控系統(tǒng)的設計實施人員需具備一定的暖通專業(yè)知識，只有掌握了工藝流程才能更好地進行監(jiān)控系統(tǒng)的實施。

[1] 彭殿貞. 綠色數(shù)據(jù)中心空調設計[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2015.

Monitoring System of Cold Source Equipment for a Large Data Center

WANG Yong-tao

(Intelligent Engineering Center, China Architecture Design Group)

In recent years, more large data centers using chilled water air conditioning system, with the advantages of high efficiency and energy saving. It is of great significance for the efficient management of the data center and the energy saving control to realize the centralized intelligent monitoring and control of the cold source equipment.

data center; cold source equipment monitoring; operation mode; control flow