数据中心水系统无负荷调试与低负荷运行方法研究

黄佳钦

（中国电信股份有限公司 绍兴分公司，浙江 绍兴 312000）

0 引 言

随着数据中心的不断建设，人们对数据中心的PUE也越发重视，而决定数据中心PUE的核心之一就是制冷系统。一套高效的制冷系统可以大大降低数据中心PUE，为企业节省运营成本。在此情况下冷冻水空调系统孕育而生，冷冻水系统具有高效省电的特性，配套离心式制冷主机的大型水系统是现阶段数据中心的主流配置。离心式冷水主机具有结构紧凑、运动部件少、运行稳定可靠、单机容量大、运行噪音低以及机组COP高等优点，是数据中心优先选用的制冷单元。但其在低负荷时会出现喘震现象是所有使用此类机组用户遇到的难题，喘震的发生是由于制冷负荷低于30%时冷凝器压力大于压缩机排气口压力，大量冷凝器内制冷剂气体反冲入压缩机内导致性能严重恶化，气体参数（压力、排量）脉动大大加剧机组震动，噪声加大。部件经受交变应力，叶轮动应力加大，电流脉动，导致密封和轴封损坏，甚至叶轮与外壳相碰磨损，严重威胁到离心机组的稳定运行与使用寿命。但只要机组稳定热负荷高于额定制冷量的15%左右（变频），机组便可发挥其特点，使制冷安全、平稳且高效。

1 数据中心水系统低负荷运行方法

在新建数据中心常常面临一个无法避免的问题，即空调系统建成后无负荷或低负荷情况下的系统前期调试与运行。由于水系统涉及相关设备众多，通过群控系统统一控制，在制冷机房建设投运后必须对水系统进行系统联调与前期低负荷运行，但因为离心式冷水主机在15%负荷率以下极易喘震的特性使得很多通信机楼和数据中心都无法顺利完成调试与前期运行。对此，一般的处理办法有图1所示的几种。

图1 水系统前期运行原理图

增配热气旁通或小制冷机组进行前期制冷时，数据中心启用前期，制冷负荷由一台小功率螺杆机或带热气旁通的离心主机来进行前期制冷，当达到大机组稳定热负荷要求时，切换到大机组运行或关闭旁通设备运行。此方式在机楼运行中后期小机组基本闲置，不但占用宝贵的机房面积，而且后期大小机运行的水力平衡也需要特殊考虑。此外，采用高低压气流短路的方式对离心主机加装热气旁通进行前期运行，此方式在工业制冷领域使用较多，也可增加冷机负荷，但电耗较高。

采用蓄冷罐方式，利用蓄冷罐的储冷特性使制冷主机间断充放冷，防止出现冷水主机低负荷工况。但此方式能否运用取决于该数据中心单机架负荷，当数据中心设计单机架功率在4 kW以下时一般不建设蓄冷罐，即无法采用此方式进行前期调试或运行。

传统增加热负荷方式是国内较多数据中心验收测试时采用的方法，其方式为将机房内放置箱式或机架式负载箱利用假负载模拟真实IT负荷，对机房空调进行测试与前期运行。

以上3种方式中，第一种方式适合前期运行，不能做到前期负载测试。第二种方式适合前期运行及负载测试，但负载测试的功率与时间有限，不能较长时间进行全负荷性能测试。尤其当蓄冷罐冷量充满时，机组便无法进行负载测试。第三种方式适合验收测试，不适合前期运行。当采用负载箱做前期运行时，系统的功耗与机房安全性将大打折扣，为运营安全带来较大风险。综上所述，前期运行选择蓄冷罐或热气旁通方式，验收测试选择假负载方式是比较好的选择。

2 新型无负荷或低负荷下系统调试与运行方法

中国电信XX枢纽楼建成于2015年，为省市级通信枢纽机房，机房单机架功耗为4 kW。此机楼由于前期建设时未配置蓄冷罐，冷机虽采用变频主机但未配置热气旁通。在对机楼前期低负荷运行方案讨论时，拟采用前期机房内安装风冷空调的方式，待机楼内负荷达到冷水主机最低负荷时再由水系统承担风冷空调的制冷需求。但此方式在实际运行中发现，机房需安装较多的风冷空调，而且由于昼夜和过渡季节的温差，导致风冷空调制冷量与配置数量需要远远大于冷水主机额定最低负荷与理论配置值，此举将带来较大的投资，后期易造成较大浪费。结合前期水系统运行经验发现，在冷机与板换并联的冷冻水架构中，如果板换侧的冷却循环与冷冻循环阀门未关闭严实，那么会出现冷水主机负荷增高的现象。根据分析得出，冷冻水循环与冷却水循环在板换内进行了热交换，从而增加了冷冻水的出水温度，引起冷机的入水温度上升，提高了冷机的负荷率。将此方式运用到低负荷的数据中心水系统中可增加冷机的负荷，使冷机负荷率高于喘震负荷率，那么就可以低负荷下安全运行。此外，一套新建成的数据中心冷冻水系统也可以采用此方式，进行无负荷的调试，只要与板换并联的冷机达到最低水量要求再调节板换内的冷却水与冷冻水流量，即可模拟热负荷，达到无负荷调试的目标。经过现场的多次测试，结合如图2所示的冷冻水系统架构总结出以下运行结论。

图2 冷冻水系统架构图

2.1 核心控制思路

由于无负荷调试与低负荷运行方式的核心是将高温的冷却循环水与低温的冷冻循环水在板换内进行热交换，从而将高温冷却循环水的热量传递给低温冷冻循环水，被升温的冷冻循环水对制冷系统而言就是提高了冷机的进水温度，促使冷机负荷率提升，增加了水系统的最低负荷，使水系统安全运行。

2.2 水流流向

无负荷调试与低负荷运行时，由于水系统需要同时为板换与冷机建立水流。架构图中的V1～V8所有电动阀门以及所有手阀均需要开启，使冷却水泵与冷冻水泵建立的水流均可到达板换与离心冷机。但如果板换与冷机的所有阀门全开，那么冷却水泵与冷冻水泵产生的水流会根据冷源的实际水阻进行流量分配，不便于人为进行流量管控。实际运行时，两者水路阀门全开，冷冻水泵与冷却水泵的水流并不能满足离心冷机的最低水量要求，冷机无法启动运行。经过多次测试得出水流流量控制时需要将冷冻水与冷却水泵高频运行，后调节板换的冷冻出水与冷却出水手阀，阀门开度以满足冷机最低流量要求为准，现场阀门开度确定后做出标记，后期阀门开度不得大于该开度，不然会导致冷机流量丢失告警，引起离心冷机的停机保护。

2.3 负荷控制方式

此运行方式中对冷水主机的负荷控制，也就是对板换中冷却循环与冷冻循环水流的控制。如果板换内冷却循环与冷冻循环水流流量大或温差大，那么也就是冷却水交换至冷冻水的热量多，此交换的热量在离心冷机中显现，提高了离心冷机的负荷率。负荷控制方式根据多次调试得出的经验，以定板换中冷冻水循环流量调整板换中冷却水流量的方式运行。此方式可防止手动调节冷冻水流量时引起冷机的流量变化，而且通过调节冷冻水流量来调整负荷时由于改变了冷冻水的系统管阻会引起冷冻水循环流量变化，使冷冻水管道中的压差阀频繁调节，不利于安全稳定运行。以冷冻水系统架构图为例，实际运行过程初次对流量进行平衡调节时，首先开启V1～V8所有电动阀与全部手阀，冷却与冷冻循环流量建立后对板式换热器的冷冻侧手阀进行调节，缓慢调小至离心冷机产生流量为止，然后再根据现场情况调小一定比例，给离心冷机的最小流量留有一定余地。

2.4 水循环控制

在冷却与冷冻循环控制中，冷却与冷冻泵均建议定频率运行，不进行变频控制，如果循环系统中具备双泵的，那么也可以开启双泵运行，实际运行流量在板式换热器阀板角度固定式，冷机实际流量必须偏大于最低流量要求。根据实际运行经验，建议单泵为45 Hz以上的高频运行，以满足离心冷机的最低流量要求，使系统尽可能稳定运行。

2.5 群控系统的控制

无负荷与低负荷运行方式对群控的依赖较高，如果在机楼水系统建成调试时群控亦完成建设，那么将为后期的无负荷与低负荷运行带来较大帮助。群控分为两部分控制逻辑，一方面是对循环冷却水的控制，在无负荷调试时由于机楼没有IT负荷，那么所有负荷均需从冷却水循环中提取，故在无负荷调试开始时群控系统前期需要快速提升冷却水温，后期需要维持冷却水温，所以在无负荷调试时，前期群控系统需根据冷却水温来控制冷却循环旁通调节阀。如果冷却水温度较低，未达到目标温度，那么需要开启旁通阀门引流，使冷却循环水不经冷却塔直接流经旁通管。当冷却水温度上升，达到或高于目标温度时，需根据设定水温动态调整旁通与冷却塔流量，从而使冷却水温达到稳定。而在低负荷运行时，较多情况下只要调节循环冷却水在冷却塔中的控制温度即可，因为机楼内存在IT负荷，加之离心冷机本身的热负荷足以使冷却水温升高，所以需要用冷却塔进行散热。在循环冷却水温控制中发现负责散热的冷却塔风机如果未采用变频风机，那么将会导致系统频繁水温震荡，引起离心冷机负荷率波动。所以为了安全稳定的使用无负荷与低负荷运行技术，需要冷却塔采用5～50 Hz的变频范围，这样才可以最大限度的保证冷却水循环水温的稳定，使板换内交换热量稳定，降低冷机的负荷率波动。冷冻水系统架构图中，冷却水供水温度T4也是群控系统控制水温控制的依据，并且根据实际经验，T4的温度检测点尽可能地靠近冷却塔塔盘或放置于冷却塔塔盘内，水温的控制精度可以非常理想，也可降低系统的水温震荡。群控对冷却水温控制温度建议为25～32 ℃。

另一方面是对循环冷冻水的控制，循环冷冻水在无负荷与低负荷运行中，分为两个温度，一个是冷机的出水温度，另一个是水系统的出水温度。由于使用此运行方式都是基于IT负荷未装或IT负荷较少时，水系统冷冻水循环的冷冻压差旁通电动阀一般都会有较大开度，以满足冷冻循环的最低流量要求。但是冷冻水循环压差阀的开度大小、冷机出水温度以及板换冷冻循环出水温度决定了冷冻水循环的出水温度，由于冷机的出水温度还需要与板换的出水温度进行温度平衡，当板换吸收的热量多时冷冻循环出水温度T1升高，该温度取决于板换吸收的热量及冷机出水温度，故在实际运行中需要尽量降低离心主机的出水设置温度，以便于尽可能降低T1的温度。在低负荷运行时，可采用群控系统根据T1温度值动态控制冷机的出水温度设置，使T1出水温度尽可能接近于设计出水温度。

3 结 论

本运行方法利用原有的设备和管路，无须管路改造，利用更改群控系统的逻辑控制和参数调整来达到需要的无负荷调试与低负荷运行的目标。调整冷冻水系统控制逻辑后利用原本隔离的板换介入到正常的循环中，板换内部将高温循环冷却水中的热量源源不断地传递到低温冷冻水中，并且通过调节循环冷却水阀门开度控制离心冷机的负荷率高低，使冷机负荷率稳定运行于喘震线上方，不仅避免了喘震，而且随着阀门开度加大还可以不断提升冷机运行负荷，甚至可以使冷水主机在零负荷或小负荷情况下接近满载功率的测试。此测试与运行方法为中大型数据中心冷冻水系统无IT负荷下的验收调试以及小负荷工况下的稳定运行提供了一种有效的解决办法，增加了数据中心水系统验收和运行的方法，降低了数据中心水系统的运行风险。