数据中心空调冷冻站智能控制技术及策略的研究

潘伦，林恒强

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

目前，数据中心空调中的节能措施包括利用自然冷源（寒冷天气自然冷源、湖水自然冷源）、选择高效节能的空调设备等，这些措施都是必不可少的，但还远远不够。空调冷冻站是为了保证数据中心温湿度环境，数据中心的冷湿负荷随着设备的运行情况，室外的天气情况等不断的变化，空调冷冻站智能控制能实时输出冷量，确保数据中心IT设备的安全运行，同时提高数据中心的节能效果。

本文对空调冷冻站智能控制技术进行了分析与探讨，指出空调冷冻站智能控制的重要性以及应具备的基本功能，这些功能有利于数据中心空调的节能、安全运行。

1 控制系统架构

空调冷冻站智能控制系统采用DDC或者PLC控制器，控制系统设置主群控制器、冗余群控制器、多台冷机单元控制器。为提高控制系统的通信安全，采用TCP/IP通信技术+点对点硬线（图1）。

图1 空调冷冻站智能控制系统架构图

空调冷冻站智能控制系统的点对点硬线通信为主用，是以开关量、模拟量来发控制指令及反馈信号，其特点为通信抗干扰能力强、安全性高，控制器出故障不影响其它控制器通信；TCP/IP通信为辅助通信，主要功能是实时监控运行情况、系统调试、工人远程操作控制等。

主/冗余群控制器负责空调冷冻站智能控制系统的整体运行策略。主群控制器与冗余群控制器互为热备同步运行，通过硬线检测主/冗余群控制器之间脉冲信号（硬线模拟量），若冗余群控制器检测不到主群控制器脉冲信号，则控制系统判定主群控制器出现故障，自动隔离主群控制器启用冗余群控制器运行策略。主群控制器和冗余群控制器分别独立配置水管温度、压力、末端压力（差）传感器、流量等传感器，两套控制器不能共用传感器。

冷机单元控制器负责单套冷水机组运行策略。冷机单元控制器与主/冗余群控制器通过硬线检测脉冲信号（硬线模拟量），若冷机单元控制器检测不到主/冗余群控制器脉冲信号，则控制系统判定主/冗余群控制器都出现故障，自动隔离主/冗余群控制器并按最后一次指令独立运行策略。

所有控制器采用双路UPS电源输入，并配置静态切换开关STS，无单点供电风险。

2 控制系统策略

空调冷冻站制冷的运行模式分三种：制冷模式、预冷模式、自由冷却模式。模式的转换由群控制器根据室外空气干球、湿球温度及系统运行稳定性，冷却塔风机单元的负荷，冷机及板式换热器的运行状况来综合确定。

（1）制冷模式运行：当室外空气湿球温度高于13度（按照冷却塔出水温度为16.5℃选型对应的湿球温度）（可调），控制冷却塔用的冷却水供水温度设定值应为18.5C（可调）。冷机冷却水供水温度传感器将用于冷却塔的PID控制回路。系统在纯制冷模式下运行，冷却水出水温度在18～34度之间，保证冷机正常运行。

（2）进入预冷模式：当室外湿球温度T/sh≤13℃高于5℃（按照冷却塔出水温度为16.5℃和9℃选型对应的湿球温度）（可调）的时间长达15min（可调）时，单元控制器开始检测冷却塔出水温度以及该温度与冷冻水回水温度的差值△t，若冷却塔的出水温度≤16.5℃和△t≥1.5℃（可调，板换的换热温差）的时间长达15min（可调）进入预冷模式，单元控制器将发起所需的系列操作，容许换热器与冷机串联运行，单元控制器将逐步重置冷却水出水温度为10℃（可调），此温度值应为预冷模式下最低冷却水温设定值。冷机冷却水供水温度传感器应用于冷却塔的PID控制回路。

（3）退出预冷模式：预冷模式将自动终止，无需运维者干预。当室外的湿球温度高于进入预冷模式时湿球温度的设定值13℃（按照冷却塔出水温度为16.5℃选型对应的湿球温度）（可调）长达10min(可调)，观察冷却水的出水温度以及板换冷冻侧的供回水温差，冷却塔容量加载至100%运行，冷却水的出水温度＞16.5℃（可调），且板换冷冻侧的供回水温差＜0.5℃（可调）的持续时间长达15min（可调）后，当冷机单元从预冷模式返回制冷模式时，换热器冷却水旁通阀将被打开。旁通阀验证打开状态后，换热器冷却水隔离阀将被关闭。隔离阀关闭后，冷却塔PID回路控制的输入将从冷机冷冻水回水温度切换到冷机冷却水供水温度，冷却塔将进行控制，以维持冷机冷却水供水温度设定值。冷却塔PID回路将从之前的冷机冷冻水回水温度控制切换到制冷模式的冷机冷却水供水温度控制。冷机单元仅依靠冷机进行制冷；冷机单元进入制冷模式。单元控制器顺利退出预冷模式进入制冷模式后向群控制器发出“OK”信号。

（4）进入自由冷却模式：在预冷模式下，当室外湿球温度T/sh≤5℃（按照冷却塔出水温度为9℃选型对应的湿球温度）（可调）的时间长达30min（可调）时，单元控制器开始检测冷却塔的出水温度。若≤10℃（可调）的时间长达30min（可调）时，冷水机组的负载率≤35%（可调），冷却塔风机的转速≤40Hz（可调），换热器进入冷机的冷冻水温≤13.5℃（可调）达30分钟（可调），则单元控制器将发送硬接线的输出信号至群控制器，表示节能模式就绪。首先单元控制器向群控制器发送自由冷却模式准备就绪命令，请求群控制器同意进入自由冷却模式；当群控制器接收到自由冷却模式就绪命令后，其将在前端报警提醒运维人员可以进入自由冷却模式。当群控制器同意单元控制器进入自由冷却模式时，群控制器将向单元控制器发送自由冷却模式开始命令。当单元控制器接收到自由冷却模式启动命令后，当群控制器命令单元启用节能模式时，冷机冷冻水回水温度设定值将从预冷模式下的设定值13.5℃（可调）缓慢向下重设至12℃（可调），以卸载冷机。冷机冷冻水回水温度传感器将用于冷却塔的PID回路控制。冷机单元控制器监视冷机运行产冷吨数，当冷机运行冷量降低至满载冷量的25%（可调）时，单元控制器将关闭冷机。

（5）退出自由冷却模式：节能模式将自动终止，无需运维者干预。在自由冷却模式下，群控制器将监视单元控制器的节能模式状态点。当板换冷冻水出水温度高于设定值0.5℃（可调）度长达20（可调）分钟，及任一换热器阀门的状态与命令不符，群控制器将发送命令至单元控制器，以进入预冷模式，冷机单元将有序进入预冷模式，如上所述。

3 结语

通过以上分析可知，良好的空调冷冻站智能控制系统可协调多套冷水组机合理运行，避免浪费能源的运行模式出现。通过包括备份/轮循功能、层叠功能、避免竞争运行功能、延时自启动功能等一系列节能、安全运行控制模式，使数据中心空调能耗降低15%以上，因此空调冷冻站智能控制将是现代绿色数据中心的重要组成部分。