变频技术在数据中心暖通系统的应用研究

2021-01-23周利军张立江刘莉莉

通信电源技术 2020年19期

周利军，张立江，刘莉莉，高萌

（1.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080；2.中国移动通信集团有限公司，北京 100032）

0 引言

通常，公共建筑中空调系统的能耗占建筑总能耗的比例为40%～65%[1]。2020年3月，随着国家“新基建”战略的推动，大中型数据中心建设进度将逐步加快。据统计，我国数据中心年耗电量已超过全社会用电量的1.5%[2]。

数据中心IT设备热负荷大，需要全年制冷，空调能耗高，通常会采用空气-水的空调形式为数据中心供冷，而空调系统为满足数据中心安全要求，往往是按照需要满足室内热湿环境的最不利情况而设计的。文献[3]指出公共建筑实际使用中空调系统在50%负荷以下运行的时间超过了70%。数据中心负荷特性虽然与一般公共建筑或传统的民用建筑空调系统有一些差异，但数据中心建设周期长，根据业务情况，装机速度存在滞后性，其空调系统亦存在较长时间处于低负荷运行的情况。因此，数据中心的冷冻水作为供冷量输送的重要载冷介质，制冷系统存在耗能较大、长时间运行在部分负荷的特点，而提高其运行调节水平，按需供给所需冷量，进行合理的水系统调节，对降低空调系统能耗具有重要意义。由于空调冷冻水系统的主要设备（冷水机组、循环水泵、空调末端、新风机组等）是按最不利情况选取，所以在初期低负荷运行的工况下，相当长一段时间内各设备往往在其各自的低效率区域运行。基于此，需研究空调变频技术在空调水系统中的应用，以提高各主要设备在非满负荷工况下的能效。

本文将从冷水机组、输配系统以及新风系统3方面探讨数据中心暖通空调系统变频技术的设计要点。

1 变频冷水机组控制技术

1.1 变频冷水机组技术原理

变频离心式冷水机组与常规离心式冷水机组区别在于，电机的驱动装置为一交流变频驱动装置，主要部件是变频器，由整流、IGBT、电压检测装置驱动以及微处理器模块组成。离心式变频冷水机组的压缩机通过电机带动的高速旋转的叶轮所获得的离心力压缩制冷剂气体，实现动能到压力能的转变。文献[4]给出了气体获得的能量，可以用如下关系式表示：

式中，P为电机功率；D为制冷剂全压；V为制冷剂体积流量；n为电机效率；K为常数。

V与转速呈线性正比关系，D与转速的二次方呈正比关系。由式（1）可知，电机的功率与转速的三次方呈正比关系，即降低转速，将大幅降低电机功率。一般情况下，变频驱动装置（Variable Speed Drive，VSD）会根据冷冻水设定的出水温度和压缩机的压头来调整并优化电机转速和导叶开度，从而实现机组始终维持在最高效率区运转。

变频冷水机组根据冷水机组实时冷负荷大小，通过电机速度逻辑和调节导流叶片开度协调进行冷水机组出水温度控制。

（1）当机组在满负荷工况下运行时，导流叶片开度为全开状态，电机速度逻辑完成冷水出水温度实际值与设定值的温差控制。

（2）若实时冷负荷下降，电机转速减小，机组控制系统通过压缩机的压头和最小允许转速来控制电机速度，直到转速达到最优。此时，电机将保持在最小转速，并由电机转速来给导流叶片控制逻辑提供信号，使控制导流叶片的开度直至最小。

（3）若冷负荷继续下降，压缩机转速信号持续关闭导流叶片，并逐渐降低电机转速。

1.2 变频冷水机组控制策略

离心式冷水机组安装变频器后，由于变频器自身存在一定的损耗，因此机组的满负荷效率会降低［5］。通常，变频机组的满负荷能效不会低于定频机组能效的97%，部分厂家生产的机型不低于定频机组的90%。因此，变频冷水机组加载的冷负荷接近额定制冷量时，此时的能效比将低于定频冷水机组的能效比。

对某生产厂家生产的某一冷量段的定频离心式冷水机组和变频离心式冷水机组在各自部分负荷下的性能系数COP进行比较。制冷量在85%～100%时，定频机和变频机的COP差别很小，此时定频机转速和变频机转速差异不大；制冷量在10%～85%时，COP的差异就逐渐增大，变频机的COP高于定频机很多。因此，在部分负荷工况下，与定频机相比较，在其他参数一致的情况下，变频机具有明显的节能效果。

在数据中心空调水系统中，冷负荷大，根据数据中心安全等级，冷水机组设置3～5台不等。冷机群控系统如何高效协调冷水机组联合工作，建议监测冷冻水系统的如下参数：

（1）冷水机组进出水温度；

（2）各水系统分支环路流量和能量、温度；

（3）各冷机管路的流量、能量；

（4）二次泵系统中盈亏管的双向流量。

在运行中，根据各支路实时冷负荷之和与单台冷水机组额定制冷量比较，再结合变频冷水机组不同负荷率下的性能曲线，分析冷水机组开启台数和每台冷水机组承担的负荷率，以实现每台冷机均能运行在高效区。冷水机组控制器分析给出指令后，冷水机组将维持设定的冷水机组出水温度。由于空调水系统复杂，冷冻水供回水温差小，不推荐根据回水温度的大小决定冷水机组运行台数和频率。

对于应用在二次泵系统的冷水机组控制逻辑，可根据盈亏管的双向流量计测出的瞬时流量（正负流量）与冷水机组的额定流量进行比较，判断冷水机组开启台数，再通过冷水机组台数控制器根据不同负荷率下的冷机性能曲线，决定冷水机组运行的负荷率，保证变频冷水机组发挥出自己的能效优势。

在二次泵系统中，一般机组侧的流量均会大于用户侧水量，不会出现倒流的情况。因此，当盈亏管内的流量为零时，可认为需增开一台冷机。

2 输配系统变频控制技术

数据中心空调冷源多采用集中冷冻水空调系统，一般有一次泵变流量系统和二次泵变流量系统两种形式。这两种形式中与民用建筑相比，空调一次冷冻水泵、二次冷冻水泵、冷却水循环泵功率很大，在整个空调系统能耗中占比仅次于冷水机组的能耗占比。因此，研究输配系统中的变频技术，对降低输配系统能耗有重要意义。控制方法主要基于压差控制、温差控制、流量冷量控制及多种组合形式。

2.1 水泵变频技术原理

水泵变速运行可通过变频、可控硅串级、液力偶合无级调速等方法实现，而在空调水系统中常用的调节方式是变频调节。

参考水泵相似律，水泵的流量与水泵转速呈线性正比变化关系，水泵的流量和水泵轴功率分别与水泵转速的平方、转速的立方成正比关系。因此，水泵轴功率会随着水泵转速的下降而快速减小，这也是空调水系统中循环水泵采用变频调节的意义所在。

2.2 水泵变频控制策略

数据中心空调水系统根据系统规模可使用一级泵系统或二级泵系统。这两种系统中冷冻水循环的控制策略存在一定差异。

一级泵系统中冷冻水循环泵变频控制需监测如下参数：

（1）分集水器间或供回水总管间的压差；

（2）各水系统分支环路流量和能量、温度；

（3）各冷机管路的流量和能量、温度。

主要控制策略有如下3种。

（1）通过监测分集水器间的压差值与设定值进行比较，调节水泵频率。

（2）通过监测分支环路冷负荷需求判断冷机启停台数和负荷率，进而同步确定水泵运行台数和频率。

（3）通过监测回水温度和供回水总管间温差，判断冷机启停台数和负荷率，进而同步确定水泵运行台数和频率。该方法因为温差传递存在较长的时延，会导致室内温度调节滞后。

文献[6]给出了不同负荷率下，冷冻水流量变化对冷水机组COP的影响。当负荷率大于80%时，冷冻水流量的变化对机组COP影响较大。因此，推荐在每台冷水机组负荷率低于80%时，对冷冻水泵的频率进行同步调整；当负荷率超过80%，应将冷冻水泵功率调整为工频运行。

一次泵定流量二级泵变流量系统中二次冷冻水循环泵变频控制需监测如下参数：

（1）各水系统分支环路流量和能量、温度；

（2）各冷机管路的流量、能量；

（3）二次泵系统中盈亏管的双向流量。

主要控制策略有两种。一是通过监测分支环路冷负荷需求判断冷机启停台数和负荷率，进而同步确定二次水泵运行台数和频率。二是通过监测盈亏管的双向流量，确定启停泵台数和频率。

3 新风系统变频控制技术

现行国家数据中心设计规范规定，数据中心主机房要求设计新风系统，保证机房与其他房间、走廊的静压差不小于5 Pa，与室外环境静压差不小于10 Pa[7]。新风系统作为数据中心空调系统不可缺少的部分，由于夏季湿度大，冬季温度较低，多数地区均需要对新风做热湿处理送入机房。图1中，采用变频新风机组+变风量送风末端为机房供给新风。变风量送风末端可以根据机房内外压差的变化，自动调节送入机房的新风量。系统通过总送风管压力变化，变频调节新风机组的送风量，按需供给机房新风量，最大化节约新风系统能耗。