數(shù)據(jù)中心冷源控制系統(tǒng)初步探討

武允文+張大紅

摘 要：數(shù)據(jù)中心是公眾互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和企業(yè)局域網(wǎng)應(yīng)用以及云計(jì)算和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域有比較嚴(yán)格的環(huán)境溫濕度控制的要求，特別是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域中有大量的IT設(shè)備，這些IT設(shè)備發(fā)熱量巨大，冷源控制的好壞直接影響數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行。本文就此探討一下，數(shù)據(jù)中心冷源控制的意義和基本流程。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；集中冷源；冷源自控；系統(tǒng)調(diào)試

中圖分類號(hào)：TU831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）09-0055-03

1 概述

數(shù)據(jù)中心承載著IT的應(yīng)用，是公眾互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和企業(yè)局域網(wǎng)應(yīng)用以及云計(jì)算和大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)中心承載了互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的產(chǎn)品、業(yè)務(wù)、理念和夢(mèng)想、承載著企業(yè)業(yè)務(wù)運(yùn)行的重大責(zé)任。

數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域有比較嚴(yán)格的環(huán)境溫濕度控制的要求，特別是數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域中有大量的IT設(shè)備，這些IT設(shè)備發(fā)熱量巨大，即使是低功率密度的數(shù)據(jù)中心在內(nèi)部核心區(qū)域發(fā)熱量可達(dá)到每平方米1KW，而數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域面積經(jīng)常達(dá)到3000平方米以上。 因此，大型的數(shù)據(jù)中心通常會(huì)選擇采用集中的冷源中心向各區(qū)域供冷以達(dá)到滿足數(shù)據(jù)中心制冷的冷量需求的同時(shí)具有能源利用率較高、容易利用自然冷源、總體擁有成本較低、制冷連續(xù)性能力較好、運(yùn)維工作比較簡(jiǎn)單的目的。

2 數(shù)據(jù)中心冷源及控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

2.1 制冷連續(xù)性的要求

數(shù)據(jù)中心在制冷的連續(xù)性方面有極嚴(yán)格的要求，這是由于以下的原因：

（1）密閉的空間：基于物理安全的需要與空氣粉塵與腐蝕性氣體的防護(hù)需要。

（2）單位面積的高功率密度：數(shù)據(jù)中心單位面積的功率密度遠(yuǎn)大于一般民用建筑物，即使是低功率密度的數(shù)據(jù)中心在內(nèi)部核心區(qū)域發(fā)熱量可達(dá)到每平方米1KW。一旦制冷中斷，中低功率密度的核心區(qū)域溫度上升速率可達(dá)到1℃--2℃/分鐘。

（3）環(huán)境溫度容限范圍小：按照現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部核心區(qū)域溫度的控制范圍為23±2℃，環(huán)境溫度超過(guò)30℃時(shí)一些敏感的IT設(shè)備將可能發(fā)生宕機(jī)。

由于數(shù)據(jù)中心有上述的特殊要求，數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)的架構(gòu)與一般的民用建筑物有很大的不同，在冷凍機(jī)組、水泵、管路以及電力供應(yīng)等各個(gè)環(huán)節(jié)有不同于一般民用建筑物的冗余甚至容錯(cuò)的系統(tǒng)配置，應(yīng)急儲(chǔ)冷裝置、供電中斷時(shí)冷凍水泵的不間斷運(yùn)行也都是一般民用建筑物中不常見(jiàn)的。

冷源系統(tǒng)的控制系統(tǒng)也因此與一般的民用建筑物有一些不同，只有充分理解數(shù)據(jù)中心核心訴求基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)，和覆蓋于合理完善的冷源系統(tǒng)上的冷源控制系統(tǒng)才是一個(gè)能夠滿足需求的數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)，二者缺一不可。

2.2 節(jié)能的要求

冷源系統(tǒng)節(jié)能的要求在固然在所有領(lǐng)域的應(yīng)用都有其訴求。但是，由于數(shù)據(jù)中心需要全年制冷和體量巨大的原因，節(jié)能的要求更加強(qiáng)烈的同時(shí)也具有一定的可能性。例如，由于數(shù)據(jù)中心需要全年制冷使得利用大自然的自然冷源實(shí)現(xiàn)節(jié)能成為可能，其他節(jié)能或者控制運(yùn)行成本的技術(shù)手段也有大量的應(yīng)用，例如利用電力公司級(jí)差電價(jià)的冰儲(chǔ)冷技術(shù)。

機(jī)械制冷模式、自然冷源模式以及二者在過(guò)渡氣溫條件下的混合模式設(shè)置與其他節(jié)能運(yùn)行方式（例如新風(fēng)、蒸發(fā)制冷）的模式切換控制也給冷源控制系統(tǒng)帶來(lái)了新的要求。

數(shù)據(jù)機(jī)房的負(fù)荷為典型的顯熱類型負(fù)載，為了延長(zhǎng)利用自然冷源的時(shí)間，以及避免不必要的除濕，采用較高溫度的冷凍水進(jìn)回水溫度也是常用的節(jié)能手段。

3 數(shù)據(jù)中心冷源自控系統(tǒng)的方法

3.1 數(shù)據(jù)中心冷源的類型

集中冷源由于具有利用自然冷源經(jīng)濟(jì)方便的原因以及在制冷連續(xù)性具有良好的表現(xiàn)，因此在稍有規(guī)模的數(shù)據(jù)中心有大量的應(yīng)用。本文僅針對(duì)集中冷源中間接自然冷源的控制做一定的探討（表1）。

3.2 數(shù)據(jù)中心集中冷源的基本運(yùn)行模式

冷源自動(dòng)控制系統(tǒng)因歷史原因?qū)儆诮ㄖ镒钥叵到y(tǒng)（BA系統(tǒng)）中重要的一部分，經(jīng)常就被稱為BA系統(tǒng)。我們以下對(duì)數(shù)據(jù)中心冷源自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為“數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)”。

一個(gè)比較典型的數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)，如圖1，由冷凍水機(jī)組、冷凍水水泵、冷卻塔、冷卻水水泵、板式熱交換器、儲(chǔ)冷水罐、閥門與管路系統(tǒng)組成。[1]

（1）機(jī)械制冷基本的啟動(dòng)工作流程是這樣的：1）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)管路閥門的開(kāi)啟或關(guān)閉命令，冷凍水管路閥門被打開(kāi)；2）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出冷凍水水泵啟動(dòng)的命令，冷凍水水泵運(yùn)行并根據(jù)BA系統(tǒng)控制要求控制水泵轉(zhuǎn)速；3）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出冷凍機(jī)組啟動(dòng)的命令，冷凍水機(jī)組運(yùn)行；4）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出冷卻塔和冷卻水水泵啟動(dòng)的命令，冷卻塔和冷卻水水泵運(yùn)行；并通過(guò)控制冷卻水水泵和旁通閥進(jìn)行冷卻水溫度調(diào)節(jié)。

（2）自然冷源基本的啟動(dòng)工作流程是這樣的：1）室外濕球溫度低于設(shè)置控制溫度人工干預(yù)啟動(dòng)；2）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)管路閥門的開(kāi)啟或關(guān)閉命令、板式換熱器與冷卻塔和冷卻水水泵、冷凍水管路閥門被打開(kāi)；3）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)確認(rèn)冷凍水水泵已啟動(dòng)或發(fā)出冷凍水水泵的命令，并根據(jù)BA系統(tǒng)控制要求控制水泵轉(zhuǎn)速；4）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)依據(jù)冷凍水出水溫度，必要時(shí)啟動(dòng)冷凍機(jī)組實(shí)現(xiàn)混合自然冷源模式的運(yùn)行。

（3）應(yīng)急制冷的啟動(dòng)工作流程是這樣的：1）一旦電力供應(yīng)中斷，冷凍水水泵由于采用UPS/EPS供電，冷凍水水泵維持連續(xù)運(yùn)行；2）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)出相關(guān)管路閥門的開(kāi)啟或關(guān)閉命令，控制儲(chǔ)冷水罐內(nèi)部之前存儲(chǔ)的低溫冷凍水向系統(tǒng)維持供冷，直到外部電力恢復(fù)后冷凍機(jī)恢復(fù)制冷能力；3）數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)發(fā)布命令控制系統(tǒng)切換到基本機(jī)械制冷的運(yùn)行模式。

當(dāng)然，數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)完全具備例如供回水溫度控制、供回水壓力控制、加/減機(jī)組的控制、運(yùn)行模式切換的控制等等的基本功能。

3.3 數(shù)據(jù)中心集中冷源控制系統(tǒng)的特殊性

數(shù)據(jù)中心BA控制系統(tǒng)的特殊性首先表現(xiàn)在：在任何情況下，特別是在電力供應(yīng)中斷的情況下，數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)依然具有使得集中冷源系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行以及制冷凍的能力。這種能力不但表現(xiàn)集中冷源系統(tǒng)本身具有的一些能力。例如，冷凍水水泵由UPS供電，電力中斷時(shí)冷凍水繼續(xù)循環(huán)、系統(tǒng)配置有儲(chǔ)冷罐，平時(shí)蓄冷電力中斷時(shí)放冷。

這種能力還表現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心BA系統(tǒng)在發(fā)生任何單一故障時(shí)依然具有一定的能力，使得數(shù)據(jù)中心集中冷源系統(tǒng)保持一定程度的連續(xù)制冷。

可用的數(shù)據(jù)中心BA控制系統(tǒng)通常會(huì)在以下一些方面有充分的安全容錯(cuò)機(jī)制的考慮。[2]

（1）控制主機(jī)的雙機(jī)熱備，控制平臺(tái)的容錯(cuò)，確保數(shù)據(jù)中心BA控制系統(tǒng)安全運(yùn)行。

（2）控制系統(tǒng)內(nèi)部單點(diǎn)故障的容錯(cuò)。

4 數(shù)據(jù)中心冷源控制系統(tǒng)的調(diào)試

數(shù)據(jù)中心冷源控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試步驟如下：

4.1 自控設(shè)備與受控設(shè)備的單體調(diào)試

4.1.1 傳感器調(diào)試

溫度傳感器：接入DDC后，在中央站上讀出其溫濕度值，與在現(xiàn)場(chǎng)用標(biāo)準(zhǔn)溫濕度計(jì)測(cè)得的值比較，以判斷該傳感器是否準(zhǔn)確。

風(fēng)管式壓差傳感器：通常用于送風(fēng)壓差，室內(nèi)壓差等的監(jiān)測(cè)。調(diào)試時(shí)可用三通把標(biāo)準(zhǔn)壓差計(jì)與壓差傳感器并聯(lián)，在中央站上讀出傳感器的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，以判斷傳感器的好壞。

水管式壓力傳感器：常用于供水壓力的監(jiān)測(cè)，通常在安裝壓力傳感器的附近同時(shí)安裝有現(xiàn)場(chǎng)壓力表，可對(duì)照中央站讀出的數(shù)值與現(xiàn)場(chǎng)壓力表的數(shù)值，數(shù)據(jù)一致為正常。

4.1.2 驅(qū)動(dòng)器調(diào)試

模擬量調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，包括主要為閥門驅(qū)動(dòng)器和風(fēng)門執(zhí)行器。在調(diào)試時(shí)，給出0%，50%及100%開(kāi)度信號(hào)及斷電等情況，觀察閥門或風(fēng)門等被控設(shè)備是否相應(yīng)動(dòng)作，在這里需要說(shuō)明的是，閥門驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)可以是控制信號(hào)與閥門流量成正比調(diào)節(jié)或控制信號(hào)與閥門驅(qū)動(dòng)器推桿成正比調(diào)節(jié)，在默認(rèn)情況下是與閥門流量成比例調(diào)節(jié)，我們可以通過(guò)撥動(dòng)驅(qū)動(dòng)器上的拔位開(kāi)關(guān)進(jìn)行互換選擇。

4.1.3 DDC調(diào)試

第一類：現(xiàn)場(chǎng)控制器調(diào)試。

開(kāi)始調(diào)試前，先確認(rèn)變壓器電源、通訊線以模擬量點(diǎn)的跳線以及擴(kuò)展模塊地址撥碼都已跳好或撥好，且現(xiàn)場(chǎng)控制器電源處于關(guān)閉狀態(tài)。

通電后，連接手提電腦登錄至全局控制器并設(shè)定其地址、設(shè)置日期和時(shí)間。

第二類：全局控制器調(diào)試。

開(kāi)始調(diào)試前，先確認(rèn)變壓器電源、通訊線以模擬量點(diǎn)的跳線以及擴(kuò)展模塊地址撥碼都已跳好或撥好，且全局控制器電源處于關(guān)閉狀態(tài)。

通電后，連接手提電腦登錄至全局控制器并設(shè)定其地址、設(shè)置日期和時(shí)間。

4.2 系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)調(diào)試

在單體調(diào)試的完成的基礎(chǔ)上，把手提電腦接入現(xiàn)場(chǎng)控制器后，現(xiàn)場(chǎng)控制器本身直接控制的未端設(shè)備的運(yùn)行狀況，都能在手提電腦里顯示出來(lái)，并能直接控制。這條支網(wǎng)就算正常運(yùn)行。

在自控中心里，接上網(wǎng)絡(luò)控制器和計(jì)算機(jī)，在單機(jī)調(diào)試和支網(wǎng)調(diào)試的基礎(chǔ)上，整個(gè)BA系統(tǒng)都能在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上顯示出來(lái)，并能隨意操作任意一個(gè)單機(jī)上的任意一個(gè)點(diǎn)，即總體聯(lián)網(wǎng)調(diào)試成功。

4.3 系統(tǒng)檢查與測(cè)試

BA系統(tǒng)的調(diào)試將先后進(jìn)行兩大部分測(cè)試：?jiǎn)吸c(diǎn)測(cè)試和系統(tǒng)功能測(cè)試[3]。

4.3.1 單點(diǎn)測(cè)試

數(shù)字量輸入點(diǎn)（DI）測(cè)試：閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)、空調(diào)機(jī)組狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)等；

數(shù)字量輸出點(diǎn)（DO）測(cè)試：閥門開(kāi)關(guān)控制、空調(diào)機(jī)組控制、設(shè)備恢復(fù)控制等；

模擬量輸入點(diǎn)（AI）測(cè)試：測(cè)量元件的輸出電阻、電壓、電流等物理量，并換算成相應(yīng)的測(cè)量值；

模擬量輸出點(diǎn)（AO）測(cè)試：調(diào)節(jié)閥開(kāi)度控制、閥門開(kāi)度調(diào)節(jié)。

4.3.2 系統(tǒng)功能測(cè)試

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求以及各設(shè)備的工藝，對(duì)控制功能進(jìn)行模擬測(cè)試。測(cè)試對(duì)工藝和工況進(jìn)行模擬和參數(shù)調(diào)整，確保滿足系統(tǒng)要求。對(duì)于數(shù)據(jù)中心BA制冷控制系統(tǒng)不同于一般BA制冷控制系統(tǒng)有以下需要重點(diǎn)檢測(cè)與驗(yàn)證的內(nèi)容：

（1）儲(chǔ)冷系統(tǒng)儲(chǔ)冷與應(yīng)急放冷的檢測(cè)與驗(yàn)證。

（2）冷源系統(tǒng)供電中斷，一定時(shí)間過(guò)程內(nèi)通過(guò)儲(chǔ)冷系統(tǒng)維持供冷能力的檢測(cè)與驗(yàn)證。

（3）中央控制系統(tǒng)故障離線，中央控制系統(tǒng)冗余切換或控制對(duì)象保持功能、維持供冷能力的檢測(cè)與驗(yàn)證。

（4）某個(gè)DDC故障離線，維持供冷能力的檢測(cè)與驗(yàn)證。

（5）模擬向所有DDC供電UPS故障停電，DDC控制對(duì)象保持維持供冷能力的檢測(cè)與驗(yàn)證。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)由于對(duì)制冷連續(xù)性有不同于一般民用建筑物應(yīng)用的要求，不但制冷系統(tǒng)的配置有很多不同以外，數(shù)據(jù)中心BA制冷控制系統(tǒng)也有一些不同于一般BA制冷控制系統(tǒng)的考慮，數(shù)據(jù)中心BA制冷控制系統(tǒng)要求在各種情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)盡量維持連續(xù)運(yùn)行。

本文僅從維持制冷連續(xù)性的角度討論了數(shù)據(jù)中心BA制冷控制系統(tǒng)應(yīng)考慮的要點(diǎn)，為了達(dá)到這個(gè)目的，可以采用的實(shí)現(xiàn)方式與方法是多種多樣的，本文描述的可能僅是其中的若干種方法，鑒于文章探討的重點(diǎn)，未能提及的方式方法就不再贅述了。

參考文獻(xiàn)

[1]朱洪波.數(shù)據(jù)中心集中冷源空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2014.10，P15 - P26.

[2]楊世忠，邢麗娟.智能建筑中空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方法[J].智能建筑電氣技術(shù)2009.02，P32- P34.

[3]中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院主編.GB50174《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》，2008.