南京优科思软件有限公司 邹亮平

典型数据中心的机房中空调的耗电量可达到全部设备耗电的40%以上，机房空调群是机房节能减排、提高数据中心电源使用效率（PUE）的重点[1]。而机房空调特别是不具备协同控制能力的老旧机房空调群整体运行效率低下而导致得耗电大幅增加，主要表现为：各空调各自独立运行而实际区布局负荷不均，导致机房区域冷热不均，总体室内环境温度波动大；局部风短路导致空调开机后回风温度迅速波动，设备启停频繁；缺乏整体调度，负荷变化时不能及时调整值班机数量，导致过多的值班机空耗电能；各空调各自独立运行，个体参数差异可能导致空调间内耗（有的加热/湿，有的制冷/除湿），白白消耗大量电能。

1 控制系统硬件构架

机房空调机组群的集中控制系统包括主控制器、分布式温湿度传感单元、终端控制继电器、及人机界面主机。如图1所示，主控制器为基于单片机的嵌入式系统，含电源电路、MCU（单片机）、第一、二路RS485通讯电路、继电器输出电路（图3）、MCU 分别与电源电路、2路RS485通讯电路，继电器输出电路连接。主控制器内置硬件及软件看门狗，具有防死机、故障或断电后自动恢复连续运行功能，软件系统设计为专门的单任务运行模式，可靠性高。

如图2所示，分布式温湿度传感单元为基于单片机的嵌入式系统，含电源电路、MCU（单片机）、1路RS485通讯电路、带有8路NTC温度传感器输入接口的电路，内置高精度的温湿度传感器芯片，MCU 分别与电源电路、RS485通讯电路、N TC温度传感器输入接口电路，温湿度传感器芯片连接。机房空调机组群中每台空调对应1个温湿度传感单元，通过该温湿度传感单元可在该空调负责的区域内布设8只NTC 高精度温度传感器来测量该区域内的温度分布。主控制器第二路RS485通讯电路为通讯主机接口，用于与分布式温湿度传感单元连接通讯，以读取机房各采用分布点的温湿度数据。

图1 控制系统组成图

图2 分布式温湿度传感单元

图3 继电器输出

表1 使用/不使用群控系统时空调耗电量交叉对比数据

主控制器的主控制器板内置多个中间继电器（图3），每一中间继电器连接控制一个外部终端继电器。外部终端继电器安装于每一台空调配电箱内，外部终端继电器常闭触点接入机房空调的标准远程控制接口[2]。主控制器通过控制外部终端继电器的通断来控制所对应空调的启停。这种控制接口方式不插手干涉精密空调微处理器内部控制过程，可兼容不同厂家各种型号的机房空调，同时提升了高节能系统的运行安全可靠性：即使集控节能系统的主控器断电或死机，或输出信号线路在达到精密空调机组的途中出现损害或短路意外故障，终端继电器将会失去控制信号，精密空调机组会凭借终端继电器的常闭触电闭合信号立即唤醒处于启动运行状态。

人机界面采用带组态功能的工业标准彩色触摸屏人机交互界面单元，通过RS485通讯接口（采用MODBUS-RTU 协议）与主控制器的第一RS485通讯电路连接，对主控制器的配置、参数设置、运行状态及运行历史数据库查询，温度场历史数据曲线图形显示、数据导出等操作。

2 控制系统运行原理

该控制系统基本运行原理是在机房布置大量温度采集点，采集整个机房的温度场，以总体机房环境温度为控制对象，统一自动调度机房空调开启的台数（保证机房设备的冷却）。同时结合机房局部温度热点区消除功能：温度过高的区域空调优先开机，温度超高的区域空调强行开机；温度低的区域空调优先关机。这样统一自动调度机房所有空调，解决了机房空调各自为政导致的能耗增加，实现整个机房温度场的均衡，提高了机房整体温度控制精度（减少了温度波动），达到节能的目标。同时实现了机房值班机的无人值守切换，降低了管理成本[3]。

该控制系统通过主机通讯口为每个空调区域节点都配置一个网络型温湿度传感器，以采集每个空调负责区域温湿度及外置该区域8个点的温度场数据，并由该网络获取机房整体温度场数据。集控系统根据采集的数据对整个机房的温度场分布进行综合运算分析，采取智能PID 算法，自动决策投入机房空调运行台数，整体调度机房内所有空调的启停，均衡控制机房温度场，提高整体运行效率，达到节能目的。

当机房出现局部热点时，优先投入热点所在区域机房空调的制冷量输出，如果温度还是降不到安全区域，则唤醒相邻区域机房空调开启制冷，协助工作。控制系统调度顺序上，控制温度低的区域空调优先关机，以均衡控制机房温度场。机房空调机组群一般都有冗余配置，该控制系统根据用户设置的冗余量自动控制调度值班机组的切换，保证机房空调的均衡磨损运行。

对机房空调的调度只通过机房空调本身配备的遥控开机输入端口来实现，不插手干涉机房空调微处理器内部控制过程。对空调的控制采用终端控制继电器常闭触点控制方式，保证了节能系统的运行安全可靠性。即使集控节能系统的主控器断电或损坏死机，或输出信号线路在达到机房空调机组的途中出现损害或短路故障，继电器将会失去控制信号，机房空调机组会凭借终端继电器的常闭触电闭合信号立即唤醒处于启动运行状态，而且控制系统整个安装工程施工过程，可以不影响整体机房空调的正常运行。每台空调可单独调试，选择自主运行或群控运行[4]。机房群集控系统能同时兼容控制不同厂家/品牌的不同型号空调。

3 结语

该系统在浙江嘉兴某数据机房进行了使用/不使用该群控系统运行时，对机房空调总体耗电量的综合交叉对比测试。该机房内有七台机房精密空调，几个月的测试期间，采用群控节能系统运行一段时间后，紧接着采用手动模式运行一段时间，二种模式交替进行，保证机房温度基本一致。根据当年7月3日至10月28日期间对比测试所测数据（表1）进行对比综合评估节电达22%。这里基于夏季3个多月对比运行测试的数据进行的经济效益分析不能说完全准确，但可以说应该是相对保守的，因为实际后续测试中发现冬季环境温度越低，群控模式节能效果越明显。

数据中心机房采用该系统后，既可全面监控管理机房的温度场分布，又可提高温湿度场的控制精准度，有效节约了电能，提高机房PUE 指标；并且同时可省去过去需投入过多人力资源去干预调节工作，从宏观上节省了人力资源成本投入。