冷水机组群控的设计与实现

数据机房内的设备发热量都比较大，制冷效果的好坏直接影响到机房的使用，但由于数据机房内不能有水，因此数据机房通常采用风冷方式对机房进行制冷。随着网络通信科技的飞速发展，目前大型数据机房的单机架耗电量已突破了4kW/ 架，风冷式恒温恒湿空调的单机容量及安装数量也随之不断的增加。如今，用电能效（简称“PUE”，PUE=数据中心总设备能耗/IT设备能耗，PUE 是一个比率，基准是2，越接近1 表明能效水平越好）已经成为国际上比较通行的数据中心电力使用效率衡量指标。据统计，国外先进的机房PUE 值可以达到1.7，而我们国家的PUE平均值则在2.5 以上。随着国家绿色节能计划的推出，对大型数据机房这样的用电大户提出了一个机房用电能效考核，因此，采用其它更加节能的制冷方式成为当务之急。

据测算，采用水冷机组制冷虽然一次性投资较大，而且设计、施工比较繁琐，但它的节能效果比较理想，一般能使大型数据机房的PUE 降到1.7 左右。因此在大型数据机房采用水冷机组进行制冷势在必行，如何根据机房内设备的发热情况来实时控制冷水机组的运行对机房的运行及节能都将非常关键。

1 水冷机组控制原理

现代工业过程对控制系统的要求已不局限于能实现自动数据采集和控制功能，还要求工业过程能长期在最佳状态下运行。对于一个规模庞大、结构复杂、功能综合、因素众多的大型工程系统，要解决的不是一个局部最优化问题，而是一个整体的总目标函数最优化问题，即生产过程的综合自动化问题。总目标函数不但包括产量、质量等指标，还包括能耗、成本等其他各类指标。为了实现大型工程系统的最优化控制，大系统控制理论中引入了“分解”和“协调”的设计原则。本文结合开利冷水机组群控系统I- VU 对机房冷水机组群控进行介绍（见图1）。

2 I- VU 网络的特点

I- VU 系统是开利公司应用多年空调控制领域的先进知识研发的冷冻机组能源效率管理系统。该系统以为用户提供广泛的舒适度、可操作性、空气质量调节和能源管理为目标，能够涵盖开利公司的冷水机组、非开利公司的机电设备及其它楼宇控制系统。I- VU 系统能够保证能源管理系统的所有利益，允许用户从使用的经济性和环境保护两个角度来管理系统的能源消耗。机组按时间安排运行、负荷分段卸载和加载等功能可以为用户提供最高效的能耗管理。操作者可以在非常短的时间内对系统故障报警做出反应，保持系统的稳定性和可靠性。本系统能够提供设备运行时间和能耗量等数据，为用户作能耗分析和系统决定提供有效的依据。

通过对温度、相对湿度、室外空气通风量的精确控制来提升环境的舒适度。集中控制减轻了用户的人工操作量，简化排除故障的过程，这些将为用户提供更加有效的设备管理。持续性的现场和远程监视系统，有利于延长机组的寿命，降低设备的维护成本。I- VU 系统的模块化结构，可灵活地适应现场需求及后期项目的扩展要求。依据I- VU 通讯网络体系的策略，通过专用数据模块可以实现与其它楼宇控制系统的联网。

3 数据中心冷水机组群控系统概述

数据中心选用3 台19XR 机组、4 台冷冻水泵、4 台冷却水泵、9 台冷却塔风机、1 台免费板换、流量计、全自动加药装置、真空脱气罐、蓄冷罐、附属阀门；通过使用I- VU 控制系统，建立一套完整的中央空调控制系统。

I- VU 控制网络系统将冷水机组和外围设备，包括冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔综合成一个系统，实现多台冷水机组的集中群控，同时将冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔纳入联锁管理。与系统相连接的监控计算机为冷水机组的集中群控提供人机界面，通过该界面，可了解系统的运行状态，各冷水机组运行状态及主要运行参数，可参与冷水机组的集中群控管理。另外，系统所有内部参数均可以转换成符合BACnet IP 的标准数据格式，然后通过其通讯端口传送至其它控制系统的智能终端，并实现单向数据传输。

4 数据中心冷水机组群控系统控制特点

根据能效和设备性能提供最优设备运行组合和优化每台冷水机组负荷分配，提供智能控制算法以便最大限度的根据负载需求实现节能运行，合理控制冷水机组运行台数，实现最佳系统高效节能运行。综合考虑系统冷冻水供水温度设定值偏差与系统负荷变化趋势，防止过量机组负载的发生。例如，当冷冻系统刚开始起动时，冷冻水管内的水温较高，若无此功能，系统会错误地显示比实际所需更大的冷负荷需求。实现各台冷水机组及水泵的运行时间均衡，根据要求自动切换机组的运行次序，累计每台机组运行时间，自动选择运行时间最短的机组，使每台机组运行时间基本相等，以延长机组使用寿命。对冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔实现联锁控制，并在设备损坏时自动启用备用设备，并且具备断电恢复后自动启动的功能。全面显示系统运行状态和主要参数，具有故障报警、报告及故障诊断信息的功能。专用用户界面软件具备局域网通讯能力，提供严密的安全等级及操作权限，能够设置不同权限级别的操作密码。整个系统具有自动存储档案数据及记录的功能，按照使用要求保存历史运行数据，并且能够根据需要自动编制冷水机组管理报告。全面数据传送至BAS 系统，实现楼宇集中式控制，并可接受BAS 系统发出的开关冷机指令、冷冻水出水温度和运转电流限制修改指令。

5 数据中心空调控制系统设计要点

冷水机组由Chiller SystemManager（CSM）冷水机组系统管理控制器来管理，水泵、冷却塔等设备由I- VUM系列控制器及扩展I/O 模块来管理。

根据项目需求在各类管道上（包括空调冷水供水管、空调冷水回水管、空调冷却水供水管、空调冷却水回水管、冬季板换冷却水供水管、冬季板换冷却水回水管、空调膨胀管、空调冷却塔补水管）安装温度传感器、压力传感器、管道式流量传感器、室外温湿度传感器、液位开关、开关型电动蝶阀、电动调节阀、流量开关、自力式压差控制阀、温度计、压力表、流量计等仪器仪表设备。

与调节。运行状态，故障报警。监测每台机组冷冻水供/ 回水温度，冷却水供/ 回水温度，蒸发器压力，冷凝器压力，蒸发器制冷剂温度，冷凝器制冷剂温度等机组内部运行参数。冷冻水总管温度监测。监测冷冻水旁通的压差，控制调节旁通阀开度。流量监测、能量监测。

冷冻水泵：启停控制，变频反馈。运行状态，故障报警，手自动状态，变频控制。

冷却水泵：启停控制，变频反馈。运行状态，故障报警，手自动状态，变频控制。

冷却塔：启停控制，冷却塔进水管的电动蝶阀开关控制。运行状态，故障报警，手自动状态，蝶阀状态反馈，冷却水总管温度监测。

本项目共分四个系统：冷冻系统、冷却系统、自由冷却系统及其他系统。输入/ 输出共280 点，其中开关量输出（DO）40点，包括风机水泵或设备启停、电加热器启停、风门开关。模拟量输出（AO）12 点，包括阀门调节、水泵调速、冷冻机设定。开关量输入（DI）132 点，包括风机水泵启停状态、风机水泵故障状态、风机水泵手自动状态、电加热故障状态、电加热开关状态、阀门开关状态、液位开关状态、冷冻机组监控信号。模拟量输入（AI）96 点，总出水水温、总回水水温、供回水压差、流量测量、冷冻机组监控信号、风机或水泵电流、水泵变速反馈、阀门或风门开度、室外温度、室外湿度。

7 数据中心冷水机组管理的控制特点

通常制冷机台数的控制，一般BAS 的控制是通过计算冷量，即总水量×供回水温差，得出末端的冷量多少。但是其缺点是误差很大。

①因为监测流量有±15％的误差（如果安装的不恰当，误差更大—流量传感器有很严格的安装要求与精度要求），因此通常计算出来的冷量的误差会超过15％。I- VU 系统拥有专为冷水机组研制的CSM冷水机组系统管理模块，可对每台冷机进行全面的监测与管理，CSM内部优化程序进行逻辑运算，决定开启制冷机台数；除了保证供水温度外，制冷机的制冷量也参与增加或减少台数的策略，因此在制冷的控制效果比其他控制系统更优良、更节能、更专业。

②一般BAS 加机的策略是当冷量比末端小时便需要加机，运行机组保持原运行状态，加载机组的负载逐步上升，趋于稳定状态。这样常常需要长时间的温度波动与温度接近。CSM管理系统的最大优点是加卸载管理，当系统需要增多一台机组制冷，它不止光启动后备状态机组，而是同时发出指令给正在运行的机组，将其制冷负荷至平均负载，然后2 台机组同时上载，最终达到稳定状态。这样可以最快程度的达到系统稳定，使供水温度达到波动最小，同时也平衡机组使用寿命，减低电网突增的负荷，最大限度达到节能作用。

8 冷水机组加载和卸载的流程

① 增加制冷需求Additional Cooling Required - ACR 加载的流程。当以下各项要求a~d 均能满足时，才进入机组加载程序。

a.当前运行的机组有足够的时间由0%负载至接近100%负载。

b.当ACR 温度传感器所测的冷冻水供水温度，高于当前的冷冻水供水温度设定点与一个可调整的温度偏差值相加后的所得值。

c.运行机组的负载大于某个设定值(一般为90%~95%)。

d.运行冷水机组的温度降低速率小于0.5/min。

机组加载流程：当以下各项要求e~g 均能满足时，新冷水机组立即启动。

e.新冷水机组启动的延迟时间已经结束（延迟时间可以设定）。

f.新冷水机组禁止运行的命令未激活。

g.新冷水机组没有处于出错，斜坡加载或处于断电重起阶段。

②减少制冷需求Reduce CoolingRequired- RCR 卸载的流程。当以下各项要求a~c 均能满足时，才进入机组卸载程序。

a.目前运行的机组台数多于一台。

b. 运行机组的平均负载小于某个设定值(一般为65%~69%)。

c.当RCR 温度传感器所测的冷冻水供水温度，小于当前的冷冻水供水温度设定点与一个可调整温度偏差值的0.6 倍相加后的所得值。

机组卸载流程：当以下要求d 能满足时，设定机组马上停机。

d.机组停机的延迟时间已经结束（延迟时间可以设定）。

9 数据中心冷却塔风机控制流程

①根据冷水机组开机要求，开启对应冷却水泵，冷却塔开始工作；

②冷却塔风机是否运行由各自冷却塔回水温度决定，通过冷却塔风机的启停以维持冷却水回水温度设计值（假设为32℃）；

③系统实时监测冷却水回水温度，计算实际值与设计值的差Δt（实际值- 设计值）；

④控制系统将保证在冷却塔工作时维持低速风机持续运行；

⑤当温度上升，Δt> 设定温差的75%时，开启冷却塔风机；

⑥当温度下降，Δt< 设定温差的50%时，停止冷却塔风机。

10 数据中心机组循环启停顺序

为平衡冷冻机的使用时间，使每台机组保持基本一致的运行时间以延长机组寿命，冷机群控系统为用户提供了一个循环冷冻机启停顺序的程序，可在操作平台自定义循环周期，即用户可自定义冷冻机的循环方式及循环时间。

11 数据中心机组断电重起策略

①群控系统的DDC 设备由UPS 供电，系统内部的电动阀门都采用220V 供电，由DDC 控制柜内的UPS 电源一路供电。

②市电断电时，系统必须提供群控系统一个通断信号，表征系统断电；柴油发电机供电时，系统提供群控系统一个通断的反馈信号，表征系统通电。

③断电后，电动阀门维持通电前的状态，以保证系统状态。同时启动应急状态的程序。

④柴油发电机供电后，DDC 得到反馈状态，将同时发送命令给2 台冷水机组，对应的一次冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机。

⑤冷水机组接到DDC 命令后进入开机程序。

a.启动开始，开启冷水泵（5s）

b.开启冷却水泵（5s）

c.水流验证（30s）检查冷水温度，检查导叶是否闭合，启动油泵，控制冷却塔风扇（50s）

d.油压差验证（30s）

e.压缩机开启至电流降至运行电流值（30s）

从冷水机组接到DDC 开机命令至启动过程完成总共需最短时间为2 分30 秒。2 分30 秒后，群控系统再发送命令给2台冷水机组，对应的一次冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机。