精密空調(diào)控制系統(tǒng)在醫(yī)院綠色數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

楊俊

摘 要：通過(guò)在信息機(jī)房部署精密空調(diào)控制系統(tǒng)，讀取數(shù)據(jù)中心動(dòng)力和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)中心實(shí)際負(fù)載和精密空調(diào)之間，搭建以空調(diào)控制系統(tǒng)為橋梁，實(shí)現(xiàn)機(jī)房恒溫恒濕精密空調(diào)工作狀態(tài)與IT設(shè)備實(shí)際負(fù)載相匹配，從而達(dá)到減小機(jī)房溫度波動(dòng)范圍，提高空調(diào)效率的目的，最終實(shí)現(xiàn)降低機(jī)房PUE（Power Usage Effectiveness，能源效率指標(biāo)），滿足數(shù)據(jù)中心綠色節(jié)能的要求，為現(xiàn)代化智慧醫(yī)院提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)支撐。

關(guān)鍵詞：精密空調(diào)控制系統(tǒng)；機(jī)房節(jié)能；綠色節(jié)能

中圖分類號(hào)：TU831.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）17-0165-02

Abstract： By deploying the precision air conditioning control system in the information machine room and reading the data collected by the data center power and environment monitoring system， the bridge between the actual load of the data center and the precision air conditioning system is built， and the air conditioning control system is used as a bridge between the actual load of the data center and the precision air conditioning. In order to reduce the range of temperature fluctuation and improve the efficiency of air conditioning， the working state of constant temperature and humidity precision air conditioning in computer room is matched with the actual load of IT equipment. Finally， it can reduce the PUE （Power Usage Effectiveness） of the computer room， meeting the requirements of data center for green energy saving， and provide a stable support for the modern smart hospital.

Keywords： precision air conditioning control system； engine room energy saving； green energy saving

1 醫(yī)院數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)使用的現(xiàn)狀

我院北京西路院區(qū)新中心機(jī)房于2016年建成，機(jī)房按照GB 50174-2008的B級(jí)機(jī)房要求建設(shè)，總面積為70平方米，按功能區(qū)域劃分可分成設(shè)備區(qū)、工作區(qū)、氣體鋼瓶區(qū)三個(gè)區(qū)域。兩路市電經(jīng)ATS輸入后，分別為兩臺(tái)80KVAUPS主機(jī)供電，系統(tǒng)采用“安-安”模式工作，可滿足兩小時(shí)供電要求。機(jī)房?jī)?nèi)包含一臺(tái)30kW顯冷量的精密空調(diào)以及2臺(tái)5P大金空調(diào)（大金空調(diào)作為備用機(jī)）。新中心機(jī)房采用冷通道下送風(fēng)技術(shù)將冷風(fēng)直接送到封閉區(qū)域內(nèi)，達(dá)到節(jié)能減排的作用。據(jù)估算，使用冷通道可將PUE從1.91降到了1.79。

當(dāng)前我院中心機(jī)房精密空調(diào)配置現(xiàn)狀主要表現(xiàn)為，在設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)房空調(diào)所選配的制冷量是匹配機(jī)房IT設(shè)備滿負(fù)載的，且一般都會(huì)留有一定的冗余量，但在機(jī)房的實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，機(jī)房的IT負(fù)載基本都是分批、分階段上架，很多機(jī)房運(yùn)行多年仍舊處于較低負(fù)載下應(yīng)用，機(jī)房空調(diào)的制冷量長(zhǎng)期過(guò)剩，存在大馬拉小車的現(xiàn)象，為使機(jī)房的溫度保持恒定，機(jī)房空調(diào)將頻繁的啟停（精密空調(diào)實(shí)際工作過(guò)程中，是采用壓縮機(jī)的“啟動(dòng)-停止”來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)房?jī)?nèi)的溫度），引起機(jī)房溫度和濕度波動(dòng)較大，也使精密空調(diào)的效率明顯降低，存在較大的能耗浪費(fèi)。故而從綠色醫(yī)院、綠色數(shù)據(jù)中心的角度，通過(guò)改造精密空調(diào)從而降低能耗，將是我們下一步需要研究的課題。

2 精密空調(diào)控制系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造中的應(yīng)用

2.1 醫(yī)院數(shù)據(jù)中心對(duì)精密空調(diào)的要求

醫(yī)院數(shù)據(jù)中心是醫(yī)療信息化的核心基礎(chǔ)，醫(yī)院數(shù)據(jù)中心的穩(wěn)定工作是醫(yī)療工作順暢的前提和先決條件，其中電力系統(tǒng)的保障和溫濕度的保障是數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定工作的重中之重，所以一般醫(yī)院數(shù)據(jù)機(jī)房的精密空調(diào)選型基本為雙壓縮機(jī)以及2臺(tái)空調(diào)“一用一備”的方式，但無(wú)論是雙壓縮機(jī)還是“一用一備”的精密空調(diào)配置，在實(shí)際應(yīng)用中，很少有雙壓縮機(jī)同時(shí)工作或“一用一備”兩臺(tái)精密空調(diào)同時(shí)開(kāi)機(jī)的情況，所以就節(jié)減排而言并未增加機(jī)房實(shí)際的電量消耗。

任何系統(tǒng)或設(shè)備的增加不應(yīng)降低原系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是控制系統(tǒng)的加入，精密空調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，必須始終遵循渦旋壓縮機(jī)的性能特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)調(diào)速對(duì)壓縮機(jī)的泄露損耗、動(dòng)渦盤摩擦損耗和氣體流動(dòng)損失的模塊化節(jié)點(diǎn)參數(shù)檢測(cè)，分析結(jié)果為渦旋壓縮機(jī)的多變效率隨轉(zhuǎn)速而變化，轉(zhuǎn)速對(duì)多變效率、摩擦損耗影響極小，尤其是流動(dòng)損失占渦盤總功耗不到萬(wàn)分之一。同時(shí)壓縮機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在變工況的條件下，保證其在較寬的轉(zhuǎn)速范圍使機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)并具有較高的效率。所以在一定程度上對(duì)空調(diào)因散熱問(wèn)題導(dǎo)致的故障率高和單臺(tái)空調(diào)冷量過(guò)剩，都有較大的緩解作用。并且配置精密空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)后，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)和運(yùn)行的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)冷量，可以有效減少壓縮機(jī)的啟停次數(shù)，延長(zhǎng)壓縮機(jī)壽命，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整精密空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式或工藝參數(shù)，逐步逼近系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)。

2.2 控制系統(tǒng)工作原理

機(jī)房精密空調(diào)本身是一個(gè)完整的制冷系統(tǒng)，各設(shè)備及介質(zhì)間的相互關(guān)聯(lián)，相互影響關(guān)系，比較復(fù)雜。根據(jù)制冷系統(tǒng)的壓焓圖分析，空調(diào)蒸發(fā)溫度升高、冷凝溫度下降，可以有效提高空調(diào)的效率。精密空調(diào)控制系統(tǒng)正是基于這一規(guī)律，通過(guò)技術(shù)手段，有效的提高了空調(diào)的蒸發(fā)溫度、降低了冷凝溫度，從而實(shí)現(xiàn)提高空調(diào)效率，降低空調(diào)能耗的目的[2]。

精密空調(diào)控制系統(tǒng)需要安裝在機(jī)房空調(diào)邊，對(duì)空調(diào)本身改動(dòng)較小，主要是在壓縮機(jī)與室內(nèi)風(fēng)機(jī)的電氣主回路上增加一套空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)。根據(jù)空調(diào)室內(nèi)風(fēng)機(jī)類型，若為AC風(fēng)機(jī)（交流風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)一般是獨(dú)立工作，不受壓縮機(jī)控制）時(shí)，需要把壓縮機(jī)與室內(nèi)風(fēng)機(jī)的進(jìn)線電源拆除，接進(jìn)空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的動(dòng)力進(jìn)線，空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的動(dòng)力出線接回空調(diào)壓縮機(jī)與室內(nèi)風(fēng)機(jī)的供電回路；若為EC風(fēng)機(jī)（Embedded Controller，嵌入式控制器），僅需把壓縮機(jī)的進(jìn)線電源拆除，接入空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的動(dòng)力進(jìn)線，空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)的動(dòng)力出線接回空調(diào)壓縮機(jī)的供電回路；同時(shí)，把監(jiān)測(cè)空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)的信號(hào)線接入空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)，完成空調(diào)的改造實(shí)施，空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)不更改空調(diào)原控制系統(tǒng)的接線、控制方式，以保證系統(tǒng)增加后不影響原精密空調(diào)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

當(dāng)精密空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到溫濕度傳感器溫度值（溫濕度傳感器主要檢測(cè)空調(diào)的回風(fēng)溫度，一般可通過(guò)讀取動(dòng)力環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)或者在控制系統(tǒng)新增溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)）和空調(diào)本身的設(shè)定溫度值接近時(shí)，說(shuō)明空調(diào)工作處于熱負(fù)荷較低的狀態(tài)。此時(shí)通過(guò)降低壓縮機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，使單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)冷凝器和蒸發(fā)器的冷媒流量下降。從而降低冷凝溫度和提高蒸發(fā)溫度，穩(wěn)定和提升送風(fēng)的溫度精度，達(dá)到提升制冷效率、降低壓縮機(jī)功耗的效果，最終達(dá)到綠色節(jié)能的目的。

精密空調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)房空調(diào)回風(fēng)的實(shí)際運(yùn)行溫度，判斷機(jī)房冷量的實(shí)時(shí)需求，控制精密空調(diào)降低壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)壓縮機(jī)功率、轉(zhuǎn)速公式：

P=Pm（np/nm）3

得知，壓縮機(jī)功率與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。同時(shí)在負(fù)載一定的情況下，頻率與轉(zhuǎn)速成正比，與功率為3倍的關(guān)系。頻率越高，轉(zhuǎn)速就越高，功率也提高。相反頻率降低時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低，而功率卻為原功率的1/3?？梢?jiàn)精密空調(diào)控制系統(tǒng)具有較高的節(jié)能效率。

在精密空調(diào)控制系統(tǒng)后端的物流連接區(qū)域內(nèi)應(yīng)配置選擇開(kāi)關(guān)，選擇開(kāi)關(guān)由控制系統(tǒng)獨(dú)立控制或者手動(dòng)控制。當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)切換至原模式位置時(shí)，系統(tǒng)切換至原模式運(yùn)行，此時(shí)精密空調(diào)控制系統(tǒng)停止工作，由原精密空調(diào)獨(dú)立工作，空調(diào)的所有控制由空調(diào)自身控制器完成。當(dāng)選擇開(kāi)關(guān)切換至節(jié)能模式位置時(shí)，系統(tǒng)切換至節(jié)能模式運(yùn)行，此時(shí)節(jié)能柜根據(jù)空調(diào)的回風(fēng)溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)的冷量輸出。當(dāng)精密空調(diào)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，選擇開(kāi)關(guān)將自動(dòng)切換至原模式運(yùn)行時(shí)。

2.3 節(jié)能效果分析

精密空調(diào)控制系統(tǒng)完成節(jié)能改造后，顯性的變化主要包括以下三方面：

（1）空調(diào)耗電功率明顯下降。改造前，空調(diào)制冷量與機(jī)房IT設(shè)備熱負(fù)載的不平衡，導(dǎo)致空調(diào)壓縮機(jī)頻繁停機(jī)，由于機(jī)房溫度波動(dòng)幅度大，也會(huì)導(dǎo)致空調(diào)的電加熱頻繁啟動(dòng)，引起較大的能耗浪費(fèi)；改造后，可以有效減少壓縮機(jī)停機(jī)及電加熱的啟動(dòng)次數(shù)，能耗得到有效利用，空調(diào)效率得到提高，耗電量明顯下降，平均每小時(shí)可降低3.5千瓦的功耗。（2）機(jī)房溫度更穩(wěn)定。因制冷空調(diào)制冷量大于機(jī)房設(shè)備IT負(fù)載，空調(diào)將通過(guò)停止壓縮機(jī)的方式，必然導(dǎo)致機(jī)房溫度波動(dòng)，正常為設(shè)定點(diǎn)的±3℃；通過(guò)控制系統(tǒng)的介入控制，制冷量根據(jù)實(shí)際熱負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)，機(jī)房溫度更穩(wěn)定，波動(dòng)幅度為±0.5℃，實(shí)現(xiàn)冷熱平衡。（3）中心機(jī)房更加綠色環(huán)保。經(jīng)估算，按照我院北京西路院區(qū)中心機(jī)房UPS16%的負(fù)載量，完成精密空調(diào)控制系統(tǒng)改造后，PUE值可從1.79降低至約1.65。我院中心機(jī)房精密空調(diào)平均每小時(shí)可降低3.5千瓦的功耗，每年大約可為我院節(jié)約2.7萬(wàn)元的電費(fèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

使用精密空調(diào)控制系統(tǒng)既能使中心機(jī)房的溫度更加穩(wěn)定，也達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的，還產(chǎn)生了一定的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，相信隨著中心機(jī)房?jī)?nèi)新設(shè)備的陸續(xù)啟用，控制系統(tǒng)的作用會(huì)更加明顯。目前國(guó)內(nèi)在中心機(jī)房?jī)?nèi)使用精密空調(diào)控制系統(tǒng)的案例還不多，綜合以上的分析我認(rèn)為精密空調(diào)控制系統(tǒng)是值得大力推廣的。

隨著綠色節(jié)能數(shù)據(jù)中心概念的深入人心，建設(shè)具有節(jié)能環(huán)保特色的數(shù)據(jù)中心已經(jīng)貫穿于數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的全生命周期，針對(duì)數(shù)據(jù)中心能耗大戶的制冷系統(tǒng)，已經(jīng)普遍應(yīng)用的如改進(jìn)送風(fēng)方式、冷熱通道布局、冷熱通道隔離、室外自然冷源引入、雨水應(yīng)用等技術(shù)已經(jīng)發(fā)揮很大的作用，相信精密空調(diào)智能控制系統(tǒng)必然會(huì)為智慧醫(yī)院、綠色醫(yī)院的建設(shè)添磚加瓦，為醫(yī)療信息化的物理基礎(chǔ)提供有力保障。

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