徐東雨

（維諦技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引 言

現(xiàn)在數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)方案主要分兩種，一種是房間級空調(diào)系統(tǒng)，典型代表是地板下送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，另一種是列間級空調(diào)系統(tǒng)，典型代表是封閉冷通道空調(diào)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)機房空調(diào)配置臺數(shù)都有冗余（備份），常為N+1。數(shù)據(jù)機房空調(diào)系統(tǒng)運行的過程中存在兩個問題[1]。

（1）為了滿足機房的空調(diào)備份要求，處于備份狀態(tài)的空調(diào)要一直運行，這樣會浪費電能。

（2）由于空調(diào)是獨立工作的，彼此之間可能存在競爭運行，例如某些空調(diào)在制冷，而另一些空調(diào)卻在制熱，這樣也會浪費電能。

為了解決這兩個問題，需要對機房空調(diào)進行集中控制，這就是空調(diào)群控方案。

現(xiàn)行空調(diào)群控方案可以實現(xiàn)如下功能：

（1）避免冗余設(shè)備長期運行而帶來的能耗浪費（待機備份）。

（2）有效地均衡機組運行時間，延長其使用壽命（輪巡）。

（3）避免同一機房內(nèi)空調(diào)的競爭運行，有效地降低空調(diào)能耗（防競爭運行）[2]。

由于機房的冷負荷是動態(tài)變化的，現(xiàn)行空調(diào)群控方案存在如下缺點：

（1）不能自動對空調(diào)運行的臺數(shù)進行管理。

（2）不能對不同空調(diào)運行組合進行性能制冷負載系數(shù)（Cooling Load Factor，CLF）評估。

（3）不能對機房空調(diào)的總能效進行評估。

（4）無法發(fā)現(xiàn)最佳的空調(diào)運行組合，不能進一步提高機房的能源利用效率。

（5）不能發(fā)現(xiàn)機房空調(diào)系統(tǒng)氣流組織存在的問題。

1 新型技術(shù)方案

本文所提技術(shù)方案是一個新型的、智能的機房空調(diào)群控方案，是在既有的機房空調(diào)系統(tǒng)進行開發(fā)的，不會改變原有的空調(diào)系統(tǒng)，不僅能實現(xiàn)傳統(tǒng)空調(diào)群控方案的功能，還能有效地對空調(diào)運行的臺數(shù)進行管理，使運行空調(diào)的總制冷量與機房的冷負荷相配對，并自動選擇最優(yōu)空調(diào)組合運行，從而達到節(jié)能目的。另外，還能對機房空調(diào)總能效進行評估，發(fā)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)氣流組織存在的問題[3]。

1.1 技術(shù)方案主要功能的工作原理

（1）實時計算房間的冷負荷Q1：

式中，Qj為機房圍護結(jié)構(gòu)的冷負荷；Ks為機房面積冷負荷指標(biāo)，取90～150 W/m2；S為機房面積m2；Tw為機房室外溫度，℃；Tn為機房室內(nèi)溫度℃；Δt為設(shè)計室外溫度與設(shè)計室內(nèi)溫度差，可取12～18℃；Q1為機房的冷負荷；∑Mi為機房設(shè)備散熱形成的冷負荷，為機房配電柜（列頭柜）的智能電表的讀數(shù)之總和。

（2）根據(jù)Q1和空調(diào)的制冷量，啟動空調(diào)，使空調(diào)總的制冷量與Q1相匹配。其他未啟動的空調(diào)作為備機。

（3）當(dāng)空調(diào)存在備機時，對空調(diào)輪流運行（輪巡），并記錄不同空調(diào)組合運行的制冷負載系數(shù)CLF。

（4）選擇制冷負載系數(shù)CLF最小的空調(diào)組合，長時間運行，并定期輪流運行其他符合要求空調(diào)組合。每次輪流運行結(jié)束，都要重新選擇CLF最小的空調(diào)組合。

1.2 制冷負載系數(shù)計算方法

如圖1從智能電表中讀取實時空調(diào)的總功耗∑Wi，列頭柜的總功耗∑Mi。計算制冷負荷系數(shù)：

圖1 智能電表中功耗讀取

CLF= ∑Wi/∑Mi。

1.3 其他功能

（1）氣流組織不合理報警條件：當(dāng)空調(diào)輸出的總的額定制冷量>1.25×機房計算的冷負荷Q1，仍有機柜的進風(fēng)溫度大于設(shè)定值，或有機柜進風(fēng)高溫報警。

（2）空調(diào)系統(tǒng)運行效率低報警條件：空調(diào)組合能效比（Energy Efficiency Ratio，EER）EER=Q1/∑Wi<設(shè)定值，比如EER設(shè)定值為2.7。

（3）高溫備機功能條件：當(dāng)達到溫度設(shè)定點上限，自動啟動高溫報警點最近的備用空調(diào)，當(dāng)溫度達到高溫報警點，自動啟動剩余的備用空調(diào)[4]。

1.4 主要流程圖

運行最優(yōu)空調(diào)組合流程如圖2所示。

圖2 運行最優(yōu)空調(diào)組合流程

2 模型

機房概況如圖3所示，機房面積為17.18×12.6=216.67 m2，4排機柜，每排17個，每排機柜設(shè)計負載5 kW，配置5臺空調(diào)見表1。

圖3 機房概況

表1 5臺空調(diào)制冷量

（1）機房基本參數(shù)輸入：機房面積S=216.67 m2，冷負荷指標(biāo)Ks=100 W/ m2，空調(diào)臺數(shù)5臺，制冷量見表1?？照{(diào)編號與空調(diào)監(jiān)控地址一一對應(yīng)，見表1。

（2）讀取傳感器數(shù)據(jù)，計算機房冷負荷Q1。

讀取室內(nèi)、外溫度傳感數(shù)值Tn、Tw，本案例室內(nèi)溫度傳感數(shù)值Tn為T1的平均值25 ℃，室外溫度傳感數(shù)值Tw為T1的平均值30 ℃。計算機房結(jié)構(gòu)冷負荷:

從智能電表讀取機房設(shè)備實際功率，計算設(shè)備散熱形成的冷負荷，即為4個列頭柜PDF的智能電表的之和∑Mi=168 kW。

計算機房冷負荷：

（3）根據(jù)Q1和可運行的空調(diào)的制冷量進行空調(diào)組合, 并定義各空調(diào)運行組合名稱?？照{(diào)組合可以自動生成，也可手動輸入。本案例共5臺可能產(chǎn)生空調(diào)組合有1臺空調(diào)組合有5種、2臺空調(diào)組合有10種、3臺空調(diào)組合有10種、5臺空調(diào)組合有5種、5臺空調(diào)組合有1種，共31種空調(diào)組合如表2。

可運行空調(diào)組合原則：組合內(nèi)的空調(diào)的制冷量之和大于Q1=175.22 kW?？梢赃x取24個。

組合名稱為空調(diào)編號組合（比如135，即1號、3號、5號空調(diào)組合），如表2所示。

確定空調(diào)組合數(shù)量不能過多，可以限制組合內(nèi)的空調(diào)的制冷量之和與Q1比值不大于150%。也可以對總數(shù)進行限制。表2黑體斜字的空調(diào)組合為可運行空調(diào)組合。

表2 31種空調(diào)組合

（4） 查詢運行記錄庫。當(dāng)前機房狀態(tài)下，空調(diào)組合有無運行記錄。如果無，進入初始最優(yōu)組合選擇程序。如果有，根據(jù)運行記錄各組合的CLF值進行排序，最小CLF的空調(diào)組合為最優(yōu)組合，進入運行最優(yōu)空調(diào)組合程序。

注意：進入初始最優(yōu)組合選擇程序還是進入運行最優(yōu)空調(diào)組合程序，組合內(nèi)空調(diào)處于啟動狀態(tài)，其他空調(diào)處于待機狀態(tài)。

3 能耗分析

3.1 機房概況

假設(shè)夏季機房平均冷負荷為320 kW，春、秋兩季的平均冷負荷為270 kW，冬季的機房平均冷負荷為175 kW。空調(diào)相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 空調(diào)相關(guān)參數(shù)

3.2 機房運行模式

模式一，機房空調(diào)熱備份模式，所有空調(diào)啟動。

模式二，機房空調(diào)熱備份模式，人工關(guān)閉部分空調(diào)，但保持的有一臺空調(diào)備份。

模式三，機房空調(diào)采用現(xiàn)行群控方式，一臺空調(diào)處待機狀態(tài)（室內(nèi)風(fēng)機停止?fàn)顟B(tài)），其余4臺空調(diào)運行。

模式四，機房空調(diào)采用現(xiàn)行群控方式，人工調(diào)整群控方式，使空調(diào)運行臺數(shù)與機房冷負荷相匹配。

模式五，采用上述新型智能群控方式。

3.3 具體能耗分析

（1）模式一、模式二是明顯不節(jié)能的模式，不對其進行能耗分析。

（2）模式三能耗分析見表4。

表4 模式三能耗分析

a.單臺空調(diào)運行時長（日）：4*365/5=292日。4臺空調(diào)運行，1臺待機備份。

b.制冷能力：制冷量×運行時長（日）×24×3 600 kJ。

c.負載率：機房全年冷負荷冷量/總制冷能力。

d.室內(nèi)風(fēng)機功耗（空轉(zhuǎn)功耗）：室內(nèi)風(fēng)機功耗×運行時長（日）×（1-負載率）×24×3 600 kJ。

e.制冷功耗：制冷能力×負載率×運行時長（日）/ EER*24*3 600 kJ。

（3）模式四能耗分析。模式四（夏）能耗分析見表5。

表5 模式四（夏）能耗分析

單臺空調(diào)運行時長（日）：4×91/5=72.8日。4臺空調(diào)運行，1臺待機備份。

模式四（春秋）能耗分析見表6。

表6 模式四（春秋）能耗分析

單臺空調(diào)運行時長（日）：3×（91+92）/5 =109.8日。3臺空調(diào)運行，2臺待機備份。

模式四（冬）能耗分析見表7。

表7 模式四（冬）能耗分析

單臺空調(diào)運行時長（日）：2×91/5 =36.4日。2臺空調(diào)運行，3臺待機備份。

模式四的年耗電量（kWh）=春秋季年耗電量（kWh）+夏季年耗電量（kWh）+冬季年耗電量（kWh）= 822 749.38 kWh

（4） 模式五能耗分析。模式五夏季能耗分析見表8。

表8 模式五夏季能耗分析

單臺空調(diào)運行時長（日）見表9。最優(yōu)組合應(yīng)是制冷負荷系數(shù)最小的組合，也就是能效比EER最高的組合，且組合內(nèi)空調(diào)的制冷量之和為可運行組合的制冷量之和最小，但組合制冷量之和應(yīng)大于機房冷負荷。最優(yōu)組合運行時間，非最優(yōu)組合輪巡時間分別為5天和1天。

表9 單臺空調(diào)運行時長（日）

單臺空調(diào)運行時長（日）：空調(diào)1單臺空調(diào)運行時長（日）= 91×運行時間百分比×4=79.63日。91為夏季的天數(shù)，4為組合的空調(diào)數(shù)量。

模式五春、秋季能耗分析見表10

單臺空調(diào)運行時長（日）見表11。

模式五冬季能耗分析見表12。

表12 模式五冬季能耗分析

單臺空調(diào)運行時長（日）見表13。

表13 單臺空調(diào)運行時長

模式五年耗電量（kWh）：

春秋季年耗電量（kWh）+夏季年耗電量（kWh）+冬季年耗電量（kWh）= 814 266.83 kWh

（5）能耗分析見表14。

從表14可以看出模式四比模式三節(jié)能的原因，是增加了手動加減載功能，節(jié)能率達到6%，但模式四在現(xiàn)實機房維護過程中,因需維護人員不停地根據(jù)機房負荷的變化,手動調(diào)節(jié)空調(diào)運行臺數(shù),這很難實現(xiàn)?，F(xiàn)在的機房空調(diào)實行的群控運行方式大都采用模式三。

表14 能耗分析

從表14可看出模式五比模式四也有明顯的節(jié)能效果，是因為增加了最優(yōu)空調(diào)組合功能。如果機房空調(diào)的能效比分散度變大、空調(diào)臺數(shù)增多、最優(yōu)組合運行時間增長，優(yōu)選空調(diào)組合數(shù)量減少，這些因數(shù)會使最優(yōu)空調(diào)組合功能對節(jié)能貢獻變得更大[5]。

4 增加成本分析

新型智能群控系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。現(xiàn)行群控系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。增加成本分析如表15所示。

圖4 新型智能群控系統(tǒng)架構(gòu)

圖5 現(xiàn)行群控系統(tǒng)架構(gòu)

表15 增加成本分析

（1）數(shù)據(jù)機房一般都有室內(nèi)溫度傳感器，可以直接借用，但一般沒有室外溫度傳感器，就需要增加投入，成本很小。

（2）目前數(shù)據(jù)機房的配電柜、列頭柜、空調(diào)器大都已安裝智能電表，可以直接借用。如果沒有，就要增加投入，至少兩塊，一塊測量機柜的負載，另一塊測量空調(diào)的負載，成本也不高。

（3）如上所述，新型智能群控系統(tǒng)相比于現(xiàn)行群控系統(tǒng)投入成本增加并不多。

5 結(jié) 論

（1）新型智能群控系統(tǒng)能自動控制空調(diào)運行臺數(shù)，使空調(diào)的制冷量與機房冷負荷相匹配，相比現(xiàn)行的群控系統(tǒng)在節(jié)能方面有明顯的優(yōu)勢,提高機房運行效率。

（2）新型智能群控系統(tǒng)能自動選擇空調(diào)最優(yōu)組合（最節(jié)能組合）運行，進一步提高機房運行效率。