陈 佳，方卫东，许 晟

（中国联通东莞市分公司网络BG云网运营中心，广东 东莞 523009）

0 引 言

某运营商数据中心水冷空调系统相关动力设备自动化运行管理水平不高，运行能耗成本一直达不到最理想的效果，通过引入楼宇自动控制系统，对数据中心水冷空调系统进行节能改造，加强对空调系统动力设备自动运行的管理。利用PID调节技术、变频技术，可以有效地降低数据中心能耗成本，实现降本增效，同时可以大大降低运行维护成本。

1 研究背景

1.1 水冷空调系统概况

该数据中心水冷空调系统安装有4台额定功率为589 kW、制冷量为1100RT的离心式冷水机组，按三主一备运行，确保空调系统安全。理论设计可提供10 444 kW的制冷量，满足制冷需求。水冷空调系统配置有4台110 kW冷冻水泵、4台110 kW冷却水泵、2台55 kW蓄冷水泵、2台55 kW放冷水泵、5台补水泵、8台22 kW冷却塔、337个各类电动或手动阀门及其他附属设施如冷凝器在线清洗装置、全程水处理器、软水器等。

为确保机房供冷的安全性，本系统设置有1个4 200 m3的消防水池作为蓄冷罐，加上管路系统中的冷冻水资源，可以保证数据中心机房满负荷约6 h左右的持续供冷能力[1]。

1.2 水冷空调系统前期运行所面临的焦点问题

该数据中心水冷空调系统自投入运行以来，自动化运行水平一直不高，运行能耗成本居高不下，焦点问题主要集中在以下几个方面：

（1）冷冻水变频器控制和压差旁通阀均为独立控制，导致水泵运行与压差旁通阀调节不同步，水泵长时间高频运行，造成冷量短路而能耗增加；

（2）系统不能正常自动化开启和切换备用设备，需要依靠人工开启主机和调节冷量，无法最大化利用制冷主机冷量；

（3）冷却水温差旁通阀采用普通温控器独立控制，未同空调群控系统关联，造成冬天室外温度较低时，冷却塔风机依然高频运行，极大地增加了能耗成本；

（4）管道上冷量计安装位置不能满足测量要求，测量的数值不准确，无法精确计算冷水主机制冷量；

（5）末端没有安装压差传感器，水泵的变频调节单一的依据供水管压力传感器，造成水泵长期处在高频率运行，且无法很好地保证机房末端的供水流量。压差调节阀与水泵变频间的节能关系不匹配导致的系统耗能增加；

（6）系统冷量与水流量、供回水温差的不匹配导致系统耗能增加[2]。

2 节能改造举措

通过节能改造，实现了对冷冻机组内部参数的监测、冷冻水系统、冷却水系统、冷冻机组与膨胀水箱的监测与控制，改造后的空调群控系统按预先编好的逻辑程序来控制水冷空调系统的启停和监视各设备的工作状态。

在改造后的水冷空调自动控制系统内，多台冷水机、冷却泵、冷冻泵可以按先后有序地运行，通过执行最新的优化程序和预定时间程序，达到最大限度的节能，同时减少了人工操作可能带来的误差，并将冷源系统的运行操作简单化[3]。通过集中监视和报警及时发现设备的问题，进行预防性维修，以减少停机时间和设备的损耗，大大地降低了运行维护成本。

同时将机房内水冷空调系统现有各种机电设备的信息进行分析、归类、处理、判断，利用直接数字控制器和最优化的自动控制手段对各系统设备进行集中监控和管理，使各子系统设备始终处于有条不紊、协同一致的高效、有序状态运行[4]。通过水冷空调系统节能改造，为数据中心维护人员创造出了一个高效、舒适、安全的工作环境，同时也降低了系统运行成本。

具体的节能改造措施如下：

（1）设置冷机定时切机时间，水泵和冷机自动轮巡，实现系统设备的合理有效均衡使用；

（2）设置全自动运行模式，利用自动控制技术实现水冷空调系统全自动智能化运行，设备故障自动切机、冷机自动加减载、故障语音播报，降低维护人员操作难度，有效减少人力投资；

（3）设置最不利末端压差传感器，根据最不利末端压差利用变频技术、PID调节技术实现水泵变频运行，有效减少水泵能耗；

（4）在相关管路及合理位置加装流量计，合理分配系统冷量；

（5）冷却塔供、回水管路上加装温度传感器，利用PID调节，实现冷却塔风机降频运行甚至停机，有效减少冷却塔能耗；

（6）实现自动蓄冷和放冷，通过电价的峰谷调节，实现错峰用电，有效降低系统能耗成本；

（7）通过增加温度传感器，实现水冷空调系统与天面冷却水温控比例旁通阀联动，有效减少水冷空调系统能耗；

（8）通过有效控制冷却水回水温度和冷冻水出水温度，提高制冷主机的能效值，在制冷量相同的前提下，有效降低制冷主机能耗。

3 节能效果

通过以上的措施对数据中心水冷空调系统进行节能改造后，能够大大降低数据中心空调水冷空调系统冷水主机、水泵、冷却塔的能耗值[5]。

根据冷水主机厂家给出的冷机节能数据，冷机制冷能力随着冷冻水出水温度的升高而增大，随冷却水出水温度的升高而降低。不同冷冻出水温度与冷却水温下制冷量曲线如图1所示，不同冷冻出水温度与冷却水温下能效曲线如图2所示。

图1 不同冷冻出水温度与冷却水温下制冷量曲线

图2 不同冷冻水温与冷却水温下能效曲线

冷水主机的冷冻水出水温度每提高1 ℃，在制冷量相同情况下，理论上单台主机最高节能可达5%；冷水主机的冷却水出水温度每降低 1 ℃，在制冷量相同情况下，理论上单台主机最高节能可达20%。数据中心水冷空调系统节能改造完成后具体的节能理论数据如表1所示（按目前单套水冷空调系统供冷计算）。

表1 节能理论数据

数据中心水冷空调系统节能改造完成后，现场实测设备功耗节能数据如图3所示。

图3 改造前后设备能耗对比

水泵功率与运行频率成3次方关系：

水泵满频运行时的理论功率为110 kW,冷冻水泵现场满频运行实际功率为98 kW，冷却水泵满频运行时实际功率为103 kW，冷却塔满频运行时理论功率为44 kW，现场满频运行实际功率为48 kW。如果采用变频方式降频运行，则冷冻水泵理论运行功率为110 kW*(40 Hz/50 Hz)3=80 kW，实测功率为50 kW；冷却水泵降频后理论运行功率为110 kW×(35 Hz/50 Hz)3=38 kW，实测功率为40 kW；冷却塔理论运行功率为44 kW×(30 Hz/50 Hz)3=9.5 kW，实测功率为23kW。节能改造完成后，数据中心冷冻水出水温度设定值由7 ℃提高为8.5 ℃，改造前理论功耗为589 kW，现场实际运行功耗为453 kW，改造后冷机现场实际运行功耗为396 kW。

节能改造完成后，水冷空调系统每年实际节能数据为[(98 kW-50 kW)+(103 kW-40 kW)+(48 kW-23 kW)+(453 kW-396 kW)]×24 h×365=1.691×106kW·h。

通过节能改造数据中心水冷空调系统每年能够节省168.1万kW·h，约143.7万元（平均电价0.85元/（kW·h）），而本次节能改造项目投资约84万，工程投资静态回收期不到一年，节能改造收益可观。

4 结 论

该数据中心水冷空调系统节能改造对所有使用水冷空调且具有节能改造需求的局机房、数据中心或计划建设水冷空调的数据中心、大型通信局机房，具有普遍的借鉴意义。

（1）通过设置水泵变频器，利用PID调节以及水泵变频技术，确保最不利末端供回水压差的前提下，使系统处于最为合理的流量和温差区间，同时减少水泵运行功耗，实现系统节能，过水泵变频调节技术可以减少水泵近20%能耗。

（2）通过压差调节阀来调节系统流量与末端需求流量，通过PID调节，将压差调节阀与水泵变频配合好，通过一套完整的水泵变频与压差调节阀配合逻辑，在安全的前提下始终保证系统节能的优先级。

（3）在满足机房供冷需求的前提下，通过适当提高冷机冷冻水出水温度，降低冷却水回水温度，有效提高冷机能效化，有效降低水冷空调系统5%-20%的能耗。