數(shù)據(jù)中心列間空調(diào)最佳控制模式探索

竇海波， 陳瓊環(huán)， 楊宜楠， 劉 濤

(中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司深圳市分公司，深圳 518000)

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G等技術(shù)發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的市場需求不斷增加，2018年中國數(shù)據(jù)中心機(jī)架數(shù)總計(jì)約為271.06萬個(gè)，預(yù)計(jì)到2022年將突破400萬個(gè)。數(shù)據(jù)中心作為耗能大戶，2018年中國數(shù)據(jù)中心總用電量為1 608.89億kW·h，占全社會(huì)用電量的2.35%，預(yù)計(jì)2019～2023年數(shù)據(jù)中心總用電量將增長66%，年均增長率將達(dá)到10.64%，2023年中國數(shù)據(jù)中心總用電量將達(dá)到2 667.92億kW·h。同時(shí)，國家新基建背景下對新建數(shù)據(jù)中心能耗指標(biāo)(PUE)提出了更高的要求。2017年，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》要求新建大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心PUE值小于1.5，而北京要求新建數(shù)據(jù)中心PUE值小于1.4，上海要求新建數(shù)據(jù)中心PUE值小于1.3，深圳對于新建數(shù)據(jù)中心PUE值小于1.25的新增能源消費(fèi)量可給予實(shí)際替代量40%以上的支持。對于已投入運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心，如何通過科學(xué)的運(yùn)維技術(shù)和管理方法，最大限度保證系統(tǒng)在最佳工況運(yùn)行，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、降低PUE值，尤為重要。

數(shù)據(jù)中心用電結(jié)構(gòu)主要包括：IT設(shè)備用電，約占總用電量60%～80%；暖通系統(tǒng)設(shè)備用電，約占總用電量20%～35%；變壓器、UPS、HVDC等電力電源設(shè)備內(nèi)部損耗及辦公照明的用電，約占總用電量3%～5%；IT設(shè)備用電主要與所選用的服務(wù)器設(shè)備功率和設(shè)備效率有關(guān)，變壓器等電力電源設(shè)備損耗主要是與設(shè)備自身屬性有關(guān)，對已投入運(yùn)營的數(shù)據(jù)中心，更換或改善難度大，節(jié)能空間有限，而暖通系統(tǒng)在節(jié)能可行性上具有較大的空間。

數(shù)據(jù)中心暖通空調(diào)系統(tǒng)是以空調(diào)主機(jī)為核心，配備一系列動(dòng)力設(shè)備、換熱設(shè)備及控制輔助設(shè)備。以冷凍水型水冷空調(diào)系統(tǒng)為例，其主要耗電設(shè)備為冷水主機(jī)、冷卻水泵、冷凍水泵、冷卻塔、末端空調(diào)(精密空調(diào)、列間空調(diào)等)。各設(shè)備耗電占比分別為冷水主機(jī)62.94%、冷凍泵5.76%、冷卻泵8.80%、冷卻塔6.09%、行間空調(diào)15.48%、其他機(jī)房空調(diào)0.92%。

列間空調(diào)單體功率雖然不高，但其數(shù)量多、總功率大，在暖通系統(tǒng)中用電占比僅次于冷機(jī)。因此，在暖通系統(tǒng)全面節(jié)能的過程中，列間空調(diào)節(jié)能不可忽略。

1 列間空調(diào)控制模式及節(jié)能原理

1.1 列間空調(diào)溫度控制原理

列間空調(diào)調(diào)節(jié)微模塊冷通道溫度依靠兩種手段：水閥開度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。通過兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù)設(shè)定值并結(jié)合PID控制方式調(diào)整水閥的開度，使得進(jìn)入列間空調(diào)的冷凍水流量發(fā)生變化。同理，調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到改變冷通道風(fēng)量的目的，其工作原理如圖1所示。兩者相互作用，最終將冷通道維持在目標(biāo)溫/濕度。

圖1 列間空調(diào)工作原理簡圖

1.2 多種控制模式

列間空調(diào)設(shè)備為應(yīng)對不同場景的使用環(huán)境，水閥和風(fēng)機(jī)的控制設(shè)有多種模式，以某品牌列間空調(diào)的控制模式為例，其中水閥開度有4種控制模式(出風(fēng)平均、出風(fēng)熱點(diǎn)、回風(fēng)平均、回風(fēng)熱點(diǎn))，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有7種控制模式(回風(fēng)平均、出風(fēng)平均、回風(fēng)熱點(diǎn)、出風(fēng)熱點(diǎn)、溫差平均、溫差熱點(diǎn)、壓差控制)。微模塊每臺(tái)列間空調(diào)冷、熱通道均設(shè)有上、中、下3個(gè)溫度傳感器，“出風(fēng)平均”為所采集的3個(gè)微模塊冷通道溫度的平均值作為控制目標(biāo)；“出風(fēng)熱點(diǎn)”為所采集的3個(gè)微模塊冷通道溫度的最大值作為控制目標(biāo)。同理，“回風(fēng)平均”和“回風(fēng)熱點(diǎn)”是以微模塊熱通道的3個(gè)溫度的平均值和最大值作為控制目標(biāo)；“溫差平均”和“溫差熱點(diǎn)”中的溫差是指微模塊冷熱通道溫差，每臺(tái)列間同樣對應(yīng)3個(gè)數(shù)值；“壓差控制”為冷熱通道環(huán)境的壓力差值。

1.3 列間空調(diào)節(jié)能原理

列間空調(diào)主要的耗電設(shè)備是風(fēng)機(jī)，因此若要降低列間空調(diào)能耗，需優(yōu)先通過水閥開度來調(diào)節(jié)冷量，超出水閥開度調(diào)節(jié)范圍后再調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，盡可能保持風(fēng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行。然而暖通系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段出于安全考慮，系統(tǒng)冷量有一定冗余，且運(yùn)行服務(wù)器的類型和功率情況不同，水閥開度一般達(dá)不到100%(容易出現(xiàn)低溫)，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也不能太小(容易出現(xiàn)局部熱點(diǎn))。因此，如何在保證冷通道目標(biāo)溫度情況下，盡可能增大水閥開度，降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，是列間空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵。然而，列間空調(diào)運(yùn)行工況調(diào)整不僅是微模塊環(huán)境的參數(shù)和自身功耗的改變，還有可能會(huì)引發(fā)暖通系統(tǒng)其他主設(shè)備如冷水主機(jī)、冷凍水泵等功率發(fā)生變化。因此，針對列間空調(diào)不同控制模式下，本文將以溫度控制穩(wěn)定性、耗電量及暖通系統(tǒng)整體用電變化作為評價(jià)指標(biāo)，探索列間空調(diào)最佳控制模式。

2 列間空調(diào)多種控制模式試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)對象

深圳某數(shù)據(jù)中心微模塊機(jī)房，房間微模塊數(shù)量10個(gè)，設(shè)計(jì)機(jī)柜數(shù)量180架，單機(jī)柜功率7kW；單個(gè)模塊設(shè)有5臺(tái)列間空調(diào)(4用1備，自動(dòng)輪巡)，每臺(tái)列間空調(diào)配置14臺(tái)95W(48V)離心式風(fēng)機(jī)。機(jī)柜布置平面圖和微模塊結(jié)構(gòu)平面詳見圖2～3。

圖2 模塊機(jī)房機(jī)柜布置平面圖

圖3 微模塊結(jié)構(gòu)平面示意圖

2.2 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及方法過程

2.2.1 邊界條件

微模塊冷通道溫度平均溫度維持在21℃；優(yōu)先通過改變水閥設(shè)置參數(shù)來調(diào)整冷量，即每種模式在保持冷通道溫度工況下，水閥開度最大、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最低的工況；冷通道無高溫或低溫告警。

2.2.2 試驗(yàn)方法

在調(diào)節(jié)過程中，設(shè)置水閥控制溫度以1℃的調(diào)整幅度為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)過程中為保證設(shè)備運(yùn)行安全，出風(fēng)溫度應(yīng)該高于露點(diǎn)溫度3℃，避免服務(wù)器表面結(jié)露，冷通道平均溫度在21±0.5℃，模塊無局部熱點(diǎn)現(xiàn)象。最終比較各模式下列間空調(diào)的用電量。

每種模式切換調(diào)節(jié)后，至少觀察12h，待模塊內(nèi)冷通道溫度穩(wěn)定，每種模式運(yùn)行時(shí)間至少48h，選取IT功率、室外濕球溫度相近的列間空調(diào)用電數(shù)據(jù)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 控制模式說明

封閉冷通道的微模塊主要關(guān)注的參數(shù)是冷通道的溫度和相對濕度，即監(jiān)控列間空調(diào)的送風(fēng)溫度。水閥開度作為優(yōu)先調(diào)節(jié)微模塊溫度的方式，選擇出風(fēng)溫度控制更為直觀穩(wěn)定，若選擇回風(fēng)溫度控制容易出現(xiàn)溫度過低或過高的現(xiàn)象。實(shí)際試驗(yàn)過程中采用回風(fēng)溫度模式控制水閥開度時(shí)，若想增大水閥開度，則需降低其回風(fēng)溫度設(shè)定值，導(dǎo)致熱通道溫度降低，冷熱通道溫差下降，這有悖于封閉冷通道理念。同時(shí)若風(fēng)機(jī)為出風(fēng)溫度控制，為保證冷通道溫度，其設(shè)定點(diǎn)不能過高，即風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏高，否則容易出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，空調(diào)耗電量增加。若風(fēng)機(jī)也采用回風(fēng)溫度控制，則風(fēng)機(jī)、水閥開度均以熱通道溫度為目標(biāo)，無法保證冷通道溫度，對業(yè)務(wù)安全有很大隱患。對此，現(xiàn)場人員就該模式問題與列間空調(diào)廠家溝通，廠家答復(fù)和上述一致，也不建議采用回風(fēng)溫度控制水閥開度。因此，出于為業(yè)務(wù)的安全、穩(wěn)定和列間空調(diào)節(jié)能原理考慮，水閥控制模式不采用回風(fēng)控制。而風(fēng)機(jī)的壓差控制模式由于機(jī)房的列間空調(diào)未安裝風(fēng)壓傳感器，該項(xiàng)模式亦無法測試。

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)共完成12種列間空調(diào)控制模式參數(shù)調(diào)節(jié)，其試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

列間空調(diào)12種控制模式實(shí)測數(shù)據(jù) 表1

由表1可知，(1)在列間空調(diào)風(fēng)機(jī)控制模式相同的情況下，水閥控制模式為“出風(fēng)平均”時(shí)空調(diào)耗電量高于“出風(fēng)熱點(diǎn)”。(2)在相同的水閥控制模式下，風(fēng)機(jī)控制模式為“出風(fēng)熱點(diǎn)”時(shí)，列間空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高，耗電量最大。(3)在水閥控制模式為“出風(fēng)熱點(diǎn)”、風(fēng)機(jī)控制模式為“溫差熱點(diǎn)”和“溫差平均”時(shí)，列間空調(diào)水閥開度合理，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，列間空調(diào)耗電量最小。

分析造成上述結(jié)果主要原因：(1)相同的風(fēng)機(jī)控制模式、同樣的冷通道平均溫度下，冷通道出風(fēng)熱點(diǎn)溫度大于出風(fēng)平均，即在相同工況下，水閥控制模式為“出風(fēng)熱點(diǎn)”時(shí)，相比于水閥“出風(fēng)平均”模式，其水閥開度更早地增加其開度，保證冷通道溫度，避免風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，因此水閥控制模式為“出風(fēng)平均”時(shí)空調(diào)耗電量高于“出風(fēng)熱點(diǎn)”。(2)同理，當(dāng)風(fēng)機(jī)“出風(fēng)熱點(diǎn)”控制時(shí)，由于冷通道服務(wù)器負(fù)載率的變化，出風(fēng)熱點(diǎn)的敏感性高，只要某一測點(diǎn)溫度達(dá)到設(shè)定值，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速就會(huì)增加，而且其變化較為頻繁，所以在相同的水閥控制模式下，風(fēng)機(jī)控制模式為“出風(fēng)熱點(diǎn)”時(shí)，列間空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高，耗電量最大。(3)水閥為“出風(fēng)熱點(diǎn)”控制模式，提高水閥控制的敏感性，盡可能使水閥開度增加；同時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速采用冷熱通道溫差控制，避免了只有出風(fēng)、回風(fēng)熱點(diǎn)或出風(fēng)、回風(fēng)平均參數(shù)單一容易引起波動(dòng)的情況，微模塊冷熱通道溫差相對穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速減少突增工況，風(fēng)機(jī)耗電量減少。

2.4 其他暖通主要設(shè)備用電變化情況

列間空調(diào)作為暖通系統(tǒng)的重要組成部分，其參數(shù)調(diào)整可能會(huì)引起暖通系統(tǒng)其他設(shè)備的運(yùn)行工況。因此，測試期間同時(shí)記錄暖通系統(tǒng)其他主要設(shè)備(冷水主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、及冷卻塔)的用電情況，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

不同控制模式下用IT負(fù)載及暖通系統(tǒng)其他主要設(shè)備日用電量 表2

將主要制冷設(shè)備用電量(冷水主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、及冷卻塔用電量之和)與室外濕球溫度及機(jī)房總IT用電量分析比較，其變化情況如圖4～5所示。

圖4 主要制冷設(shè)備用電量與室外濕球溫度變化

圖5 主要制冷設(shè)備用電量與總IT用電量變化

由表1及圖4～5數(shù)據(jù)可知：(1)試驗(yàn)過程機(jī)房IT總功率和較為穩(wěn)定，室外濕球溫度變化較小。(2)暖通系統(tǒng)其他主要設(shè)備用電量變化范圍小，其變化主要跟隨室外濕球溫度的變化及IT設(shè)備用量。

因此，本次試驗(yàn)只在某一模塊機(jī)房進(jìn)行，水閥開度的變化幅度有限，對暖通系統(tǒng)其他設(shè)備的用電影響基本可以忽略。其他主要暖通設(shè)備在列間空調(diào)調(diào)試過程中，其用電量變化較小，引起變化的因素主要是室外濕球溫度及IT用電用電量的變化。

2.5 機(jī)房整體列間空調(diào)用電變化

上述試驗(yàn)因測試的列間空調(diào)數(shù)量和IT設(shè)備功率有限，“溫差熱點(diǎn)”和“溫差平均”兩種模式的列間空調(diào)用電基本相近。為更加準(zhǔn)確的對兩種模式用電情況進(jìn)行對比，將試驗(yàn)對象拓展到機(jī)房現(xiàn)有61個(gè)微模塊的所有列間空調(diào)。在水閥控制模式均為“出風(fēng)熱點(diǎn)”的情況下，對風(fēng)機(jī)控制模式為“回風(fēng)熱點(diǎn)”“溫差熱點(diǎn)” “溫差平均”3種用電情況進(jìn)行比對，各運(yùn)行7天，并取其平均值，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。

機(jī)房所有列間空調(diào)用電 表3

由表3可知，機(jī)房列間空調(diào)在水閥為“出風(fēng)熱點(diǎn)”下，在機(jī)房IT設(shè)備用電量接近情況下，風(fēng)機(jī)控制為“溫差平均”時(shí)耗電量最小，PUE因子也最低，其次為“溫差熱點(diǎn)”和“回風(fēng)熱點(diǎn)”。

3 結(jié)束語

通過在深圳某數(shù)據(jù)中心微模塊機(jī)房對列間空調(diào)12種溫度控制模式進(jìn)行試驗(yàn)對比，對于封閉冷通道、側(cè)送風(fēng)、側(cè)回風(fēng)的微模塊列間空調(diào)，以模塊冷通道溫濕度穩(wěn)定性及列間空調(diào)用電量為評價(jià)指標(biāo)，最終得出在水閥控制模式為“出風(fēng)熱點(diǎn)”、風(fēng)機(jī)控制模式為“溫差平均”時(shí)，微模塊冷通道溫度穩(wěn)定可控，且列間空調(diào)耗電量最小。