新型空调节能控制技术分析

王海保，王铁成，陈为超

WANG Hai-bao, WANG Tie-cheng, CHEN Wei-chao

（中国移动通信集团设计院有限公司）

(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd.)

新型空调节能控制技术分析

王海保，王铁成，陈为超

WANG Hai-bao, WANG Tie-cheng, CHEN Wei-chao

（中国移动通信集团设计院有限公司）

(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd.)

首先介绍了某新型数据中心机房的基本概况，同时介绍了机房中两种节能性高的新型空调技术的原理、特点等，并对节能控制方案进行了详细阐述，以期为今后数据中心空调的节能控制设计和建设提供参考。

新型数据机房；顶置热管空调；直接新风空调；控制方案

1　工程简介

根据目前数据中心能耗统计情况，空调系统能耗占数据中心总能耗的40%左右，为了验证新型数据中心机房在低成本、高效节能、快速部署方面的优势，积累工程建设和管理经验，根据工程要求，在该机房内实施两种低能耗的空调冷却技术：热管技术和直接新风技术，即直接新风系统（模块A，单机柜平均运行功耗为5kW）和顶置热管空调系统（模块B，单机柜平均运行功耗为10kW）。

2　顶置热管空调系统

2.1热管原理

热管就是利用蒸发制冷，依靠自身内部工作液体相变来实现热量快速传导的设备。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的工质。利用毛细作用等流体原理，当热管的一端受热时吸液芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环往复，热量由热管的一端传至另—端，通过快速循环，可以持续不断传导热量。

图1是热管原理示意图。

图1　热管原理示意图

2.2顶置热管空调

针对数据中心机柜高功耗问题，为本工程研发了高效节能的顶置热管空调。设备运行原理：热管空调由室内热管机和壳管式换热器组成，壳管式换热器的冷源由室外冷水机组提供，当冬季或温度低于设置设定值时，关闭冷机压缩机充分利用自然冷源；过渡季节时，部分利用自然冷源。

在机房内，热管末端部分安装在冷通道顶上，冷风直接送入冷通道内，贴近机柜供冷，机柜采用前进后出出风方式，回风送至热管机。热管工质在冷热温差作用下通过相变实现能量交换，并依靠重力实现工质循环。

图2是热管系统示意图，图3是顶置热管末端示意图，图4是热管系统原理图。2.3 热管空调系统节能控制方案

图2　热管系统示意图

图3　顶置热管末端示意图

图4　热管系统原理图

2.3.1末端侧控制

每只机柜上部配置1只温度传感器，将这个温度值与设定温度（默认30℃，现场可调整）进行比较，通过PID运算，控制对应的1台EC风机的转速。

2.3.2冷凝侧控制

根据冷凝侧的进水温度和出水温度的差值，即 ΔT=出水温度-进水温度，将ΔT与设定温差（默认5℃，现场可调整）进行比较，通过PID运算，控制比例三通阀的开度，从而控制冷凝水的流量。

2.3.3控制设备及接口

1)控制器

控制器采用微电脑型，操作面板采用液晶显示器。控制器及操作面板放置于冷凝侧机组上。操作面板可进行运行参数、通讯参数设置，查询6个室内温度值、冷凝侧进出水温度、市电检测，并可进行温度修正。参数设置可设置为多级密码保护。

图5是控制器操作面板效果图。

2)控制器接口图（图6）

3)系统接口

系统控制器采用标准RS485接口，通讯协议为标准的MODBUS RTU协议，可以实现后台或远程监控。

图7是远程操作界面。

图5　操作面板效果图

图6　控制器接口图

3　直接新风空调系统

按工程要求，研制了适用于数据中心机房的直接新风空调系统，即2台38 000 m3/h风量新风空气处理机单独控制，正常使用时一用一备。

图8是直接新风空调原理示意图。

3.1直接新风空调系统控制方案

通过对当地（哈尔滨）气候条件分析，机组控制分为3个运行模式：冬季模式、过渡模式、夏季模式。机组实现恒温恒湿控制，温度控制精度±2℃，湿度控制精度±10%。控制器通过高精度温湿度传感器采集回风温湿度，经过逻辑计算，将回风温湿度精确控制在设定范围内。

注：图中Tf为新风温度，所示温度点可自行设定。

3.1.1冬季模式

空气处理机组将室外新风和热通道回风混合，利用风管将混合空气送入冷通道，机柜采用前进后出出风方式，交换后的热风由1层热通道顶部风口排至2层机房内。回风的一部分和新风继续混合处理，一部分通过排风机排至室外，此时室外冷水机组处于完全关闭状态，机房制冷完全由室外新风承担，此时充分利用免费自然冷源，主要控制策略如下：

①控制器采集回风温度，经PID计算，控制新风和回风间比例。如回风温度高于设定值，则增大新风量，减小回风量；如回风温度低于设定值，则减小新风量，增大回风量。

②打开表冷器旁通阀，使得大部分空气经旁通阀流通，以减小表冷器的风阻，降低风机能耗。

图7　远程操作界面

图8　直接新风空调原理示意图

③根据新风阀的开度，判断排风机的开启台数，新风开度10%以下不开排风机，10%以上开1台风机，25%以上开2台风机，40%以上开3台风机，55%以上开4台风机，70%以上开5台风机，90%以上开6台风机（具体数据现场可调整）。

④回风温度设置为35℃,送风温度22℃，温差13℃（可调整）。

3.1.2过渡季模式

空气处理机组将室外新风和热通道回风混合，利用风管将混合空气送入冷通道，机柜采用前进后出出风方式，交换后的热风由1层热通道顶部风口排至2层机房内，然后通过排风机排至室外，室外冷水机组部分时段开启，整个系统部分利用免费自然冷源，系统控制策略如下：

①首先将新风阀开度调节至100%，表冷阀开度为0%,最大限度利用自然冷源。

②运行过程中，如回风温度低于设定值，根据PID运算，减少新风阀开度，增大回风阀开度。

③运行过程中，如回风温度高于设定值，优先增大新风阀开度，如新风阀开度已达到100%，而回风温度仍高于设定值的上限时，则根据PID运算，逐渐开启表冷阀。

④运行过程中，如回风湿度低于设定湿度，则开启加湿器加湿，根据回风湿度与设定值进行PID运算，计算实际加湿量。

⑤根据新风阀的开度，判断排风机的开启台数，新风开度10%以下不开排风机，10%以上开1台风机，25%以上开2台风机，40%以上开3台风机，55%以上开4台风机，70%以上开5台风机，90%以上开6台风机（具体数据现场可调整）。

⑥回风温度设置为35℃，为提高新风的利用率，回风温度的上限可达40℃（可调整）。

3.1.3夏季模式

空气处理机组将室外新风和热通道回风混合，利用风管将混合空气送入冷通道，机柜采用前进后出出风方式，交换后的热风由1层热通道顶部风口排至2层机房内，空气处理机组表冷段冷冻水由室外冷水机组提供，冷机承担全部制冷负荷。

①将新风开度设定在3%，回风97%，风阀具有手动设定功能。

②控制器采集回风温度，根据当前回风温度与设定值的差值，控制表冷阀的开度。

③排风机关闭。

④回风温度设置（Ts）为35℃,送风温度22℃，温差13℃（可调整）。

3.2直接新风空调系统控制原理图（图9）

图9　直接新风空调系统控制原理图

表1　控制功能表

3.3空气质量处理措施

直接新风空调系统可能带来空气污染和机房洁净度技术处理措施，即在空气处理机组内安装初效过滤段、除硫段（主要是活性炭过滤器）、水洗风处理段和中效过滤段等。当室外空气品质很差、室内环境洁净度不能满足要求时，开启洗风水泵，对进入室内的空气进行洁净化处理。

图10 是空气处理机组功能段设置示意图。

4　冷源控制方案

本工程两种空调系统均选用带自然冷源旳风冷机组，系统内部的水通过三通阀分配适当的水到自然冷却器里，合适的室外气温能预先冷却系统所使用的水，这样可减少压缩机耗电。图11是冷源系统控制原理图。

4.1自然冷却动作条件

进入自然冷凝程序与外部环境温度和自然冷却凝热交换器进水温度和自然冷却差值设定之间有着密切的关系 外部环境温度＜自然冷却换热器进水温度-最小自然冷却差值。如果条件满足，通过控制相关的设备可以实现自然冷却功能。

4.2自然冷却取消条件

图10　空气处理机组功能段设置示意图

图11　冷源系统控制原理图

有两个情况可以让自然冷凝阀关闭：第一是根据室外温度，第二是根据温度控制器控制的需要。外部环境温度＞自然冷却换热器进水温度-最小自然冷却差值，如果自然冷却需要的条件不满足，自然冷却阀（三通阀）将关闭，完全采用压缩制冷。

5　PUE实测情况

5.1节能指标PUE

绿色网格（The Green Grid）提出了电能利用效率PUE（Power Usage Effectiveness的缩写），是评价数据中心能源效率的重要指标，是数据中心消耗的所有能源与IT负载使用的能源之比。PUE = 数据中心总能耗/IT设备能耗，PUE值已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率的衡量指标。PUE值越接近于1，表示一个数据中心的绿色节能化程度越高。

5.2实测PUE值

1）如图12和图13所示为顶置热管系统实测PUE动环监控界面截图，可以看出热管系统节能效果非常显著，在夏季PUE不会超过1.43，冬季PUE可以达到1.11。

2）如图14和图15所示为直接新风系统实测PUE动环监控界面截图，可以看出新风系统节能效果非常显著。

图12　热管系统实测PUE（7月20日）

图13　热管系统实测PUE（10月15日）

图14　直接新风系统实测PUE（7月20日）

图15　直接新风系统实测PUE（10月15日）

5.3节能情况

1)模块A——直接新风空调系统

通过半年的实际运行测试可以得出月均PUE如图16所示。

从图16可以看出，从2013.08～2014.01半年实测运行PUE=1.22,根据目前实际运行工况，推算大约年运行PUE=1.25。

2)模块B——顶置热管空调系统

通过半年的实际运行测试可以得出月均PUE如图17所示。

从图17可以看出，从2013.08～2014.01半年实测运行PUE=1.24,根据目前实际运行工况，推算大约年运行PUE=1.35。

图16　直接新风系统实测月PUE

图17　顶置热管空调系统实测月PUE

6　结语

通过对数据中心机房两种新型空调系统节能控制方式的设计、施工以及运行测试，对空调系统的实际运行控制、PUE影响因素有了更多的了解和数据支撑，从而为今后大型数据中心的空调节能控制设计和建设提供了参考。

Energy Saving Control Technology Discussion of Late-model Air-conditioning

This paper introduces the basic situations of a new data center room, as well as two kinds of late-model air-conditioning which have effective energy saving. The energy saving scheme details is introduced, so as to provide information for design and construction of data center air-conditioning energy saving control from now on.

late-model data center; top heat pipe air-conditioning; direct fresh air-conditioning; control scheme