1  引言

回風溫度控制與送風溫度控制是機房溫度控制時的兩種選擇,兩者的區別在于參與控制的溫度采樣點位置不同。對于一個密閉機房,在機房內負荷一定時,若采用回風溫度控制,回風溫度為直接控制對象;當采用送風溫度控制時,送風溫度為直接控制對象。

壓差控制是在回風溫度控制或者送風溫度控制的基礎上,通過對空間內不同點的壓差進行控制,使精密空調的制冷輸出和風量更好地與實際場景匹配,以達到更優的控制效果。

實際應用中,由于實際場景的差異,這三種控制方式在不同場景下具有不同的優勢和劣勢,根據實際需求選擇合適的控制方式,是實現機房穩定運行和節能的關鍵。

本文對精密空調回風溫度控制、送風溫度控制及壓差控制這三種控制方式進行了簡單的控制邏輯說明和對應不同精密空調應用場景的分析。這些信息可為機房IT人員在選擇精密空調控制方式時提供參考。

2 三種控制方式說明

2.1術語

比例帶:符合機房內各設備使用條件的、可控的溫度區間。

溫度死區:溫度設定點附近,可近似認為機房內溫度已達到設定要求的溫度區間,分為正負死區,死區大小可根據實際場景溫度控制精度來設定,死區設定最大值為±3℃。圖1為溫度死區示意圖。

壓力基準點:通道內用于與其它壓力采集點進行比較、利用差值反饋壓力場相對分布關系的壓力點。基準壓力點可根據實際情況任意選取。

2.2 回風溫度控制

回風溫度控制是指利用機組回風側的溫度傳感器采集到的溫度值參與控制,將回風溫度值與機組設定的目標溫度值進行比較,通過計算出的冷量需求來控制機組的能力輸出以及其他部件的按需動作。回風溫度控制邏輯示意圖如圖2所示。冷量需求與回風溫度、溫度設定點、溫度死區、溫度比例帶有關,即

冷量需求=f(回風溫度、溫度設定點、溫度死區、溫度比例帶)。

2.3 送風溫度控制

送風溫度控制是指利用機組送風側的溫度傳感器采集到的溫度值參與控制,將送風側溫度值與機組設定的目標溫度值進行比較,通過計算出的冷量需求來控制機組的能力輸出以及其他部件的按需動作。圖3為送風溫度控制邏輯示意圖。冷量需求與送風溫度、溫度設定點、溫度死區、溫度比例帶有關,即

冷量需求=f(送風溫度,溫度設定點,溫度死區,溫度比例帶)

2.4 壓差控制

壓差控制是指在利用回風溫度或送風溫度控制方式使溫度場達到需求的同時,對通道內各采集點的壓差以及通道內外的壓差進行控制。

壓差控制需要與回風溫度控制或送風溫度控制配合使用,不能單獨使用。壓差控制是在滿足溫度控制需求的基礎上才會執行。

2.4.1通道內壓差控制

通過調節機組的風量輸出對通道內各采集點之間的壓差進行控制,使通道內壓力場盡可能均勻,減少通道內由于壓差而造成的氣流運動,進而使通道內溫度場均勻,從而達到系統節能的目的。一般情況下,通過控制通道內各點的壓差,使通道內最大溫差控制在3℃以下。通道內各點間的最大溫差每降低1℃,能效可提升2%左右。

通道內壓差控制實現難度大,目前業內無成熟的應用案例,是一種理論分析思路,可能成為未來數據中心精密空調控制方式的方向之一。

2.4.2通道內外壓差控制

對于房間級場景,控制送風通道內外壓差在30～80Pa以內,可提高精密空調送風量與負載的匹配性,降低能耗。

對于行級場景,密封通道時,不可避免地存在少量的漏風情況,通過調節通道內外的相對壓差,控制冷熱通道之間的氣流泄漏方向,減小因漏風而引起的能耗。

封閉冷通道時,精密空調送風側與冷通道連通。通常情況下,精密空調風量大于服務器風量,冷通道內易形成相對正壓,避免熱通道內熱量通過通道密封處進入冷通道而引起的溫度變化.一般控制在通道內壓力P內-通道外壓力P外=5～20Pa,即使冷通道內形成相對正壓。

封閉熱通道時,精密空調回風側與熱通道連通。通常情況下,精密空調風量大于服務器風量,熱通道內容易形成相對負壓,會出現少量通道外冷池內的冷空氣通過密封處泄漏進入熱通道,由于冷池占據主導,漏風對能耗影響不明顯,一般只控制通道內各點間的壓差,使通道內溫度場和壓力場相對均勻。

圖4和圖5分別給出了房間級和行級壓差控制邏輯示意圖。

3 控制方式比較分析

3.1房間級場景

3.1.1節能性比較

(1)混風對能耗的影響

對于房間級場景,通過送風通道送風,如果不對送風通道進行密封,則會存在一定程度的風道短路現象,即會有一部分冷風未經過機房設備而直接與回風混合,造成回風溫度降低。

采用回風溫度控制時,由于存在混風現象,機房設備的出風溫度高于精密空調所控制的回風溫度,為了保證機房設備工作溫度不超過其允許的上限,設置精密空調的回風溫度控制點時,需要預留一定的安全余量,安全余量的大小根據實際場景的混風情況而定。

采用送風溫度控制時,由于送風溫度是直接控制對象,混風的影響沒有直接體現到負載的控制上,只需根據機房設備的實際情況,設置合適的送風溫度控制點即可。相對來說,送風溫度控制更節能。

如果對回風通道和送風通道均進行封閉,則可以將混風的影響降低到最低。

房間級空調混風示意圖如圖6所示。

(2)冷量負載匹配度對能耗的影響

對于房間級場景,機房設備部分負載工作時,由于負載減小,空調的送回風溫差減小。對于風冷空調,采用回風溫度控制時,隨著負載的減小,其運行的蒸發溫度會相應升高,機組能效比提升;采用送風溫度控制時,隨著負載的減小,回風溫度降低,空調運行的蒸發溫度幾乎不變,能耗不變。

對于水冷空調,采用回風溫度控制或送風溫度控制時,隨著負載變化,其供水水溫均不變,只是水流量改變,對與之匹配的冷水機組來說,其供水量總是大于末端空調的需求。兩種控制方式的區別在于回風溫度控制時,可以用較高的供水溫度滿足,反應到整個制冷系統中,冷水機組可以以較高的蒸發溫度運行,相比送風溫度控制方式節能。

對于房間級架空地板下送風場景,在回風溫度控制或者送風溫度控制的基礎上,增加壓差控制,利用壓力調節空調風機轉速,保證靜壓腔壓力為正壓(一般設置在30～80Pa)和壓力恒定,使制冷量和風量輸出按需分配,大幅度提高與實際負荷的匹配度,降低能耗,并且保證了送風距離,消除機房熱點,提高了制冷的可靠性。

圖7為壓力控制調節模塊部署示意圖。

3.1.2可靠性比較(部分負載情況對設備最佳工作溫度范圍的影響)

機房設備要求在推薦工作溫度范圍內運行,工作溫度超過上限或者低于下限都會對設備的壽命、穩定性具有致命的影響。而大部分設備在其工作范圍內,溫度越高,對其壽命和穩定性越不利。

對于房間級場景,采用回風溫度控制時,回風溫度為直接控制對象,若機房設備負荷變化,處于部分負載情況下時,仍然控制設備出風溫度的上限,可能會出現設備進風溫度較高的情況,使設備較長時間內運行于較高的溫度區間,不利于其壽命和穩定性。

對于房間級場景,采用送風溫度控制時,送風溫度為直接控制對象,可以實時控制精密空調的送風溫度狀態,使設備長時間處于最優的溫度區間,有利于其穩定運行。

3.1.3成本比較

對于房間級場景,回風溫度控制或送風溫度控制,只是其直接控制對象不同,工程實現時不存在成本差異。壓差控制需要在回風溫度控制或送風溫度控制的基礎上,增加壓差控制器采集各點壓差。同時,壓差控制需要配合合理的群控邏輯才能實現,硬件和軟件的初始投入都需增加。

3.2 行級場景

3.2.1節能性比較

(1)安全溫差對能耗的影響

假設設備最高的安全工作溫度為T,采用回風溫度控制時,可以將目標溫度值設定為T-ΔT,因為回風溫度是直接控制對象,安全溫差ΔT可以設置較小,這樣可以保證機房內最高溫度都在允許的安全范圍內;假設設備最高的安全工作溫度為T,采用送風溫度控制時,送風溫度是直接控制對象,送回風溫差在各種場景下存在差異,單純控制送風溫度,經過服務器換熱后,存在服務器出風超過安全工作溫度的風險。為保證設備安全,一般會將目標送風溫度設置得相對較低,即采用送風溫度控制時,絕大多數情況下,機組回風溫度與設備最高的安全工作溫度都存在比較大的差值。

比如機房采用的風冷精密空調,若機房環境溫度安全值需求為40℃,采用回風溫度控制時,空調回風溫度可設置為38℃;若采用送風溫度控制時,設定送風溫度在22℃,其空調回風溫度一般不會超過36℃。那么其38℃的回風溫度控制機組比送風溫度控制機組能效可提高3%左右。從實際使用場景來看,采用回風控制時,絕大多數情況下機組具有更高的目標設定溫度,運行在相對更高的蒸發溫度狀態,節能性更好。

(2)冷量負載匹配度對能耗的影響

對于行級場景,機房設備部分負載工作時,由于負載降低,空調的送回風溫差減小。對于風冷空調,采用回風溫度控制時,隨著負載減小,其運行的蒸發溫度會相應升高,機組能效比提升;采用送風溫度控制時,隨著負載減小,回風溫度降低,空調運行的蒸發溫度幾乎不變,能耗不變。

對于水冷空調,采用回風溫度控制或送風溫度控制時,隨著負載變化,其供水水溫均不變,只是水流量改變。對冷水機組來說,其供水量總是大于末端空調的需求。兩種控制方式的區別在于回風溫度控制時,可以用較高的供水溫度滿足,反應到整個制冷系統中,冷水機組可以以較高的蒸發溫度運行,相比送風溫度控制方式節能。

對于行級場景,在回風溫度控制或者送風溫度控制的基礎上,增加壓差控制,控制通道內各點壓差平衡和控制通道內外存在相對正壓,使制冷量和風量輸出按需分配,大幅度提高與實際負荷的匹配度,降低能耗,降低機房PUE。

3.2.2可靠性比較(通道溫度對設備最佳工作溫度范圍的影響)

機房設備要求在推薦工作溫度范圍內運行,工作溫度超過上限或者低于下限都會對設備的壽命、穩定性具有致命的影響。而大部分設備在其工作范圍內,溫度越高,對其壽命和穩定性越不利。采用回風溫度控制時,回風溫度為直接控制對象,若機房設備負荷變化,處于部分負載情況下時,仍然控制設備出風溫度的上限,可能會出現設備進風溫度較高的情況,使設備較長時間內運行于較高的溫度區間,不利于其壽命和穩定性。

采用送風溫度控制時,送風溫度為直接控制對象,可以實時控制精密空調的送風溫度狀態,使設備長時間處于最優的溫度區間,有利于其穩定運行。

3.2.3成本比較

對于行級場景,回風溫度控制或送風溫度控制,只是其直接控制對象不同,工程實現時不存在成本差異。

壓差控制需要在回風溫度控制或送風溫度控制的基礎上,增加壓差控制器采集各點壓差,同時,壓差控制需要配合合理的群控邏輯才能實現,硬件和軟件的初始投入都需增加。

4 結束語

表1給出了房間級空調應用場景分析的總結。

當房間采用密閉冷通道時,混風對空調采用送風溫度控制還是回風溫度控制都不會產生影響。根據現在市場應用成熟度以及投資成本來說,一般建議采用回風溫度控制。

表2 給出了行級空調應用場景分析的總結。

行級精密空調常應用在密閉通道(冷/熱)高溫回風場景中,一般建議設定送風溫度控制,精確控制空調送風溫度,保障IT設備可靠運行。同樣,由于壓差控制的市場應用不夠成熟及后期會產生的高維護工作量需求,一般不建議使用。

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