集群控制在數(shù)據(jù)中心風冷空調(diào)中的應用

上?；ヂ?lián)網(wǎng)應急中心 高福義 姚欽鋒 鄢 然 王 慧 吳瀟婷南京佳力圖機房環(huán)境技術(shù)有限公司 李遠見 吳亭柯 朱 帥

0 引言

風冷直膨型精密空調(diào)是目前數(shù)據(jù)中心機房應用最成熟也最廣泛的制冷方式，具有系統(tǒng)簡單、運維方便、故障率低、靈活配置等多種優(yōu)勢。

現(xiàn)行數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)計之初都有冗余配置，在使用過程中IT負載卻遠未達到設(shè)計標準，加之運維管理水平不高，機房過量制冷、氣流旁通、氣流再循環(huán)等情況十分常見。氣流旁通是指從IT設(shè)備旁通的冷氣流直接返回空調(diào)，造成散熱氣流浪費，空調(diào)進出口溫差降低，制冷效率變差；氣流再循環(huán)是指被加熱的空氣沒有返回空調(diào)回風口，而是重新進入機柜內(nèi)部形成再循環(huán)氣流，導致設(shè)備入口溫度升高，設(shè)備可用性降低。此外，一般機房內(nèi)的風冷直膨型精密空調(diào)多采用獨立制冷的模式，不同區(qū)域由不同空調(diào)制冷，彼此之間互為獨立且缺乏通信，常出現(xiàn)一部分空調(diào)在冷卻除濕、另一部分空調(diào)卻在加熱加濕的情況。粗放的管理方式、不合理的運行機制，這些都嚴重影響了空調(diào)的制冷效率，造成資源的大量浪費。

本文以一個獨立機房區(qū)域為研究對象，從機房制冷系統(tǒng)性整體出發(fā)，借助CFD仿真手段，以空調(diào)集群控制為突破口，通過優(yōu)化氣流組織，降低風機工作時長，降低壓縮機啟停頻率，探索出了一種適用于傳統(tǒng)風冷直膨型精密空調(diào)機房的高效運行方法。

1 M區(qū)能耗分析

1.1 M區(qū)簡介

M區(qū)機房為屏蔽機房，面積約320 m2，高架地板至天花板3 m、至底部0.4 m。機房內(nèi)設(shè)有4條隔離冷通道，內(nèi)裝100套單臺設(shè)計功率7 kW的機柜，配置10臺額定制冷量為90 kW的風冷精密空調(diào)，采用格柵地板風口地下送風方式，開孔率大于40%，機房上部是無組織回風，機房布置如圖1所示。

圖1 M區(qū)機房平面圖

1.2 空調(diào)設(shè)備

M區(qū)共計10臺ME系列空調(diào)(K01～K10)，每臺空調(diào)額定制冷量90 kW，送風量23 200 m3/h，7列機柜(A、B、C、D、E、F、G)和4個冷通道(A列、BC列、DE列和FG列)。如圖2所示，每臺空調(diào)只有1個回風溫度傳感器，位于空調(diào)上部回風口處。

圖2 M區(qū)機房立體圖

1.3 M區(qū)主要設(shè)施能耗統(tǒng)計

為了方便測算空調(diào)實際負載，以及最終冷量的區(qū)域控制，根據(jù)空調(diào)位置和送風情況，將機房熱源分為10個區(qū)域，表1列出了各區(qū)域機柜功率情況。從表1可以看出，雖然IT設(shè)施設(shè)計功率為700 kW，但實際功率只有328.9 kW，負載率只有47.0%?？傮w來看，存在制冷量過量的情況。

2 集群控制準備

表1 M區(qū)機柜功率分布情況

2.1 探測器布設(shè)與分區(qū)

除去配電柜、無源機柜和低功率機柜，每個機柜熱回風頂部布設(shè)1個溫度探頭，按照空調(diào)送風路徑，大致劃分為10個區(qū)域，區(qū)域劃分參考表1。每個分區(qū)內(nèi)有溫度采集模塊，每個模塊下連8個溫度探頭、上連PLC控制器，PLC控制器輸出端與10臺空調(diào)控制主板通過繼電器相連。每個模塊向上輸出8個探頭溫度數(shù)據(jù)及其平均值，共計9個數(shù)據(jù)。集群控制探測器布設(shè)如圖3所示。

圖3 集群控制探測器布設(shè)

2.2 控制原理

PLC控制器以溫度采集模塊的平均值為主要參考依據(jù)，工作模式如下：首先進行一次判定，當采集到的平均值高于設(shè)定值時，控制器會向?qū)獏^(qū)域的空調(diào)發(fā)送供電信號，否則發(fā)送斷電或不供電信號。被供電的空調(diào)機組通電后，風機自動開啟，加速該區(qū)域空氣流動，同時進行二次判定，若回風側(cè)溫度高于設(shè)定值，則開啟壓縮機進行制冷，若回風側(cè)溫度低于或等于設(shè)定值，則只開啟風機。集群控制判定機制如圖4所示。

圖4 集群控制判定機制

由于一次判定主要參考數(shù)據(jù)是溫度模塊平均值，為避免出現(xiàn)熱區(qū)奇點的安全隱患，還設(shè)置了安全機制，即當某奇點(8個點中的1個)溫度值高于平均值一定范圍(安全區(qū)間)后，即便平均值沒有達到設(shè)定值，控制器依然會向?qū)獏^(qū)域空調(diào)發(fā)送供電信號，隨后由空調(diào)機組進行送風和二次判定。

3 集群控制調(diào)試

調(diào)試實施前，借助CFD仿真軟件對現(xiàn)行機房氣流組織進行了模擬，針對模擬發(fā)現(xiàn)的問題，對冷通道存在的氣流旁通、泄漏情況進行了封堵優(yōu)化。對10臺空調(diào)的風量進行了測試，經(jīng)測算風量供給遠大于需求。對此過程不做重點描述。

3.1 安全性測試

為了保證集群控制系統(tǒng)平穩(wěn)運行，對群控運行安全性及穩(wěn)定性做如下測試。

1) 模擬PLC控制器斷電產(chǎn)生的影響。經(jīng)過多次反復驗證，PLC控制器斷電后，原本開機的空調(diào)并未受到任何影響，其他空調(diào)全部自動開啟。

2) 模擬機房切電、消防斷電產(chǎn)生的影響。經(jīng)過消防測試驗證，在接收到消防斷電信號后，空調(diào)機組和PLC控制器均會斷電。在恢復送電后，PLC控制器重啟，由于設(shè)有延遲等待時間，在等待時間內(nèi)，PLC控制器不下發(fā)任何控制指令，空調(diào)機組將按照通電自啟設(shè)置全部打開，延遲等待時間結(jié)束后，PLC控制器將根據(jù)現(xiàn)場狀況進行控制。

3) 集群控制溫度穩(wěn)定性測試。在熱源側(cè)溫度下降后，集群控制系統(tǒng)空調(diào)壓縮機停機正常；在平均溫度上升后，空調(diào)開啟正常。整體測試期間，機房環(huán)境沒有溫度躍變情況，機房環(huán)境溫度變化穩(wěn)定。

3.2 邊界條件的選擇

3.2.1測試前準備

1) 調(diào)整風量。

為避免空調(diào)停機后機房風量不足的情況發(fā)生，將10臺空調(diào)額定風量調(diào)整為100%，保證機房整體風量充足。

2) 空調(diào)回風溫度設(shè)定。

對各空調(diào)的回風溫度設(shè)定值進行統(tǒng)一調(diào)整，將工作溫度設(shè)置為22 ℃，加減載溫度回差設(shè)置為2 ℃，即空調(diào)工作溫度區(qū)間為20～24 ℃。

3) 安全限值。

本文所有測試均以熱通道溫度30 ℃為溫度上限，通過超限啟動溫差值變化來確保熱通道溫度在安全限值內(nèi)。在此基礎(chǔ)上開展了如圖5所示的3輪測試。

圖5 集群控制邊界限值測試

3.2.2第1輪測試

集群控制溫度設(shè)定為24 ℃?？照{(diào)本身工作設(shè)定值是22 ℃，加減載溫度回差設(shè)置為2 ℃，超限啟動溫差為6 ℃。觀測結(jié)果：空調(diào)全部開啟，控制器沒有發(fā)出控制指令。

將加減載溫度回差調(diào)整為1 ℃，其他參數(shù)不變。觀測結(jié)果：空調(diào)停機數(shù)為1～2臺，但壓縮機啟停頻繁；溫度采集模塊平均溫度在23～26 ℃區(qū)間波動。

2.2.3第2輪測試

集群控制溫度設(shè)定為25 ℃，加減載溫度回差設(shè)置為2 ℃，超限啟動溫差為5 ℃。觀測結(jié)果：空調(diào)停機數(shù)穩(wěn)定在2臺，溫度采集模塊平均溫度在24～27 ℃區(qū)間波動。

將加減載溫度回差調(diào)整為1 ℃，其他參數(shù)不變。觀測結(jié)果：空調(diào)停機數(shù)為2～3臺，溫度采集模塊平均溫度在25～28 ℃間波動。

3.2.4第3輪測試

集群控制溫度設(shè)定為26 ℃，加減載溫度回差設(shè)置為2 ℃，超限啟動溫差為4 ℃。觀測結(jié)果：空調(diào)停機數(shù)穩(wěn)定在3臺，溫度采集模塊平均溫度在26～28 ℃區(qū)間波動。

將加減載溫度回差調(diào)整為1 ℃，其他參數(shù)不變。觀測結(jié)果：空調(diào)停機數(shù)穩(wěn)定在4臺，溫度采集模塊平均溫度在27～30 ℃區(qū)間波動。

該輪測試，熱通道溫度已接近安全限值，故不再繼續(xù)進行下探測試。

3.2.5奇點的處理

雖然將安全限值設(shè)置為30 ℃，但經(jīng)過前幾輪測試，發(fā)現(xiàn)部分位置存在奇點情況，通過采取以下3類措施緩解這個情況。

1) 優(yōu)化氣流組織。

調(diào)整送風地板開孔率，避免出現(xiàn)過量送風或送風不足情況；合理設(shè)置氣流組織路徑，采用新型封堵盲板[2]對機柜側(cè)邊布線及封堵進行了優(yōu)化，減少或避免氣流旁通。

2) 加強供冷。

將奇點所在位置對應的空調(diào)設(shè)定溫度調(diào)低，適當降低奇點區(qū)域的空調(diào)送風溫度來加強冷量供應。

3) 舍棄。

部分奇點溫度雖然高于30 ℃，但跟蹤觀察沒有持續(xù)升高的現(xiàn)象，允許該情況出現(xiàn)。

4 集群控制效果

4.1 節(jié)能效果

表2為第3輪測試條件下14 d的空調(diào)能耗數(shù)據(jù)，在此期間IT設(shè)施能耗基本不變。第6日起，將空調(diào)全部打開，第12日起開始恢復集群控制。

取前5日(即第1～5日)和后2日(即第13、14日)數(shù)據(jù)作為開啟空調(diào)集群控制時的每日能耗，其平均值為3 346.1 kW·h。取中間5日(即第7～11日)數(shù)據(jù)作為關(guān)閉空調(diào)集群控制時的每日能耗，集群控制平均值為3 877.8 kW·h。集群控制節(jié)能率為(3 877.8-3 346.1) kW·h÷3 346.1 kW·h×100%=15.9%。

表2 M區(qū)14 d空調(diào)耗電量 kW·h

4.2 節(jié)能分析

第4.1節(jié)分析了第3輪條件下14 d中M區(qū)能耗曲線，為更充分論證M區(qū)實際節(jié)能情況，選擇了N區(qū)與M區(qū)能耗進行類比。N區(qū)與M區(qū)情況較為相似，均采用相同空調(diào)制冷機組，IT負載也較接近。圖6為M區(qū)和N區(qū)1月1日至7月25日的能耗曲線圖，可以明顯看出兩區(qū)能耗趨勢非常相似。根據(jù)M區(qū)調(diào)試情況，將曲線分為3個階段(1月1日至3月28日，3月29日至5月1日，5月2日至7月25日)。其中第1階段為M區(qū)采用傳統(tǒng)控制方式運行階段，第2階段為M區(qū)開啟集群控制調(diào)試階段，第3階段為M區(qū)開啟集群控制的穩(wěn)定階段，N區(qū)整個過程均采用傳統(tǒng)的機組全開模式運行。使用MATLAB對M區(qū)節(jié)能效果進行分析。

圖6 M區(qū)和N區(qū)能耗曲線

從圖6可以看出，3月28日M區(qū)能耗為階段頂峰，3月29日開始進行群控測試后能耗出現(xiàn)明顯下滑。

1) 第1階段。

對第1階段(1月1日至3月28日)數(shù)據(jù)進行了比較擬合，如圖7所示。發(fā)現(xiàn)在N區(qū)上移863 kW·h(平均值差)后，M區(qū)和N區(qū)在該階段能耗基本相同。圖8顯示了N區(qū)能耗曲線上移863 kW·h(平均值差)后與M區(qū)的能耗曲線對比。上移后N區(qū)能耗超過了M區(qū)。

圖7 N區(qū)能耗上移863 kW·h(平均值差)第1階段曲線

圖8 N區(qū)能耗上移863 kW·h(平均值差)曲線

2) 第2階段。

第2階段3月29日開始，至5月1日，為群控調(diào)試階段。圖9為此階段M區(qū)和N區(qū)能耗曲線圖。4.1節(jié)表2中的第1日即為4月11日，4月11—15日開啟群控，4月16日開始退出群控，4月22日開始重啟群控。可以明顯看出，退出群控期間，M區(qū)能耗有大幅回升。

圖9 M區(qū)和N區(qū)第2階段空調(diào)能耗曲線

3) 第3階段。

圖10為第3階段(5月2日至7月25日)能耗曲線圖，可以發(fā)現(xiàn)兩區(qū)域能耗曲線高度相似，此部分M區(qū)能耗高于N區(qū)，平均差值為167 kW·h。圖11為N區(qū)能耗上移167 kW·h(平均值差)曲線圖。

圖10 M區(qū)和N區(qū)空調(diào)能耗第3階段曲線

圖11 N區(qū)空調(diào)能耗上移167 kW·h(平均值差)第3階段曲線

按第3階段M區(qū)能耗平均值(3 607 kW·h)估算，其節(jié)能率約為：(863-167) kW·h÷[3 607+(863-167)] kW·h×100%=16.2%。據(jù)此估算，M區(qū)空調(diào)年可節(jié)約超過25萬kW·h的電能。

實際上，由于M區(qū)能耗整體高于N區(qū)(約為N區(qū)的1.2倍)，按照比例來看，M區(qū)實際節(jié)能效果可能要更好。

4.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性

本測試對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了測試。在第12日10:00開啟集群控制后，對集群控制情況進行統(tǒng)計。在經(jīng)歷了5 h調(diào)整穩(wěn)定后，集群控制開關(guān)機臺數(shù)穩(wěn)定在關(guān)閉4臺的狀態(tài)。待穩(wěn)定后，又持續(xù)觀察了7天，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

5 結(jié)論

本文所述的方法，在采用風冷直膨型精密空調(diào)的機房中具有普遍適用性，它改善了原有機房空調(diào)獨立制冷所帶來的各種低效的狀況，采用系統(tǒng)性集群控制的方式，實現(xiàn)了機房節(jié)能高效運行。

表3 集群控制自動調(diào)節(jié)情況

1) 通過數(shù)據(jù)分析表明，在本文測試環(huán)境下，開啟空調(diào)集群控制至少可實現(xiàn)節(jié)能16.2%的效果。

2) 本文所述的集群控制系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，5 h就可以實現(xiàn)集群控制環(huán)境的穩(wěn)定，并且可以保持長期穩(wěn)定運行。

3) 本文所進行的測試，對環(huán)境的安全邊界作了明確規(guī)定，隨著信息系統(tǒng)設(shè)備性能的提升，機房允許的熱濕環(huán)境空間變大，節(jié)能效率將會進一步提高。