精密空调回风温度、送风温度及压差控制分析白皮书

1  引言

回风温度控制与送风温度控制是机房温度控制时的两种选择,两者的区别在于参与控制的温度采样点位置不同。对于一个密闭机房,在机房内负荷一定时,若采用回风温度控制,回风温度为直接控制对象;当采用送风温度控制时,送风温度为直接控制对象。

压差控制是在回风温度控制或者送风温度控制的基础上,通过对空间内不同点的压差进行控制,使精密空调的制冷输出和风量更好地与实际场景匹配,以达到更优的控制效果。

实际应用中,由于实际场景的差异,这三种控制方式在不同场景下具有不同的优势和劣势,根据实际需求选择合适的控制方式,是实现机房稳定运行和节能的关键。

本文对精密空调回风温度控制、送风温度控制及压差控制这三种控制方式进行了简单的控制逻辑说明和对应不同精密空调应用场景的分析。这些信息可为机房IT人员在选择精密空调控制方式时提供参考。

2 三种控制方式说明

2.1术语

比例带:符合机房内各设备使用条件的、可控的温度区间。

温度死区:温度设定点附近,可近似认为机房内温度已达到设定要求的温度区间,分为正负死区,死区大小可根据实际场景温度控制精度来设定,死区设定最大值为±3℃。图1为温度死区示意图。

压力基准点:通道内用于与其它压力采集点进行比较、利用差值反馈压力场相对分布关系的压力点。基准压力点可根据实际情况任意选取。

2.2 回风温度控制

回风温度控制是指利用机组回风侧的温度传感器采集到的温度值参与控制,将回风温度值与机组设定的目标温度值进行比较,通过计算出的冷量需求来控制机组的能力输出以及其他部件的按需动作。回风温度控制逻辑示意图如图2所示。冷量需求与回风温度、温度设定点、温度死区、温度比例带有关,即

冷量需求=f(回风温度、温度设定点、温度死区、温度比例带)。

2.3 送风温度控制

送风温度控制是指利用机组送风侧的温度传感器采集到的温度值参与控制,将送风侧温度值与机组设定的目标温度值进行比较,通过计算出的冷量需求来控制机组的能力输出以及其他部件的按需动作。图3为送风温度控制逻辑示意图。冷量需求与送风温度、温度设定点、温度死区、温度比例带有关,即

冷量需求=f(送风温度,温度设定点,温度死区,温度比例带)

2.4 压差控制

压差控制是指在利用回风温度或送风温度控制方式使温度场达到需求的同时,对通道内各采集点的压差以及通道内外的压差进行控制。

压差控制需要与回风温度控制或送风温度控制配合使用,不能单独使用。压差控制是在满足温度控制需求的基础上才会执行。

2.4.1通道内压差控制

通过调节机组的风量输出对通道内各采集点之间的压差进行控制,使通道内压力场尽可能均匀,减少通道内由于压差而造成的气流运动,进而使通道内温度场均匀,从而达到系统节能的目的。一般情况下,通过控制通道内各点的压差,使通道内最大温差控制在3℃以下。通道内各点间的最大温差每降低1℃,能效可提升2%左右。

通道内压差控制实现难度大,目前业内无成熟的应用案例,是一种理论分析思路,可能成为未来数据中心精密空调控制方式的方向之一。

2.4.2通道内外压差控制

对于房间级场景,控制送风通道内外压差在30～80Pa以内,可提高精密空调送风量与负载的匹配性,降低能耗。

对于行级场景,密封通道时,不可避免地存在少量的漏风情况,通过调节通道内外的相对压差,控制冷热通道之间的气流泄漏方向,减小因漏风而引起的能耗。

封闭冷通道时,精密空调送风侧与冷通道连通。通常情况下,精密空调风量大于服务器风量,冷通道内易形成相对正压,避免热通道内热量通过通道密封处进入冷通道而引起的温度变化.一般控制在通道内压力P内-通道外压力P外=5～20Pa,即使冷通道内形成相对正压。

封闭热通道时,精密空调回风侧与热通道连通。通常情况下,精密空调风量大于服务器风量,热通道内容易形成相对负压,会出现少量通道外冷池内的冷空气通过密封处泄漏进入热通道,由于冷池占据主导,漏风对能耗影响不明显,一般只控制通道内各点间的压差,使通道内温度场和压力场相对均匀。

图4和图5分别给出了房间级和行级压差控制逻辑示意图。

3 控制方式比较分析

3.1房间级场景

3.1.1节能性比较

(1)混风对能耗的影响

对于房间级场景,通过送风通道送风,如果不对送风通道进行密封,则会存在一定程度的风道短路现象,即会有一部分冷风未经过机房设备而直接与回风混合,造成回风温度降低。

采用回风温度控制时,由于存在混风现象,机房设备的出风温度高于精密空调所控制的回风温度,为了保证机房设备工作温度不超过其允许的上限,设置精密空调的回风温度控制点时,需要预留一定的安全余量,安全余量的大小根据实际场景的混风情况而定。

采用送风温度控制时,由于送风温度是直接控制对象,混风的影响没有直接体现到负载的控制上,只需根据机房设备的实际情况,设置合适的送风温度控制点即可。相对来说,送风温度控制更节能。

如果对回风通道和送风通道均进行封闭,则可以将混风的影响降低到最低。

房间级空调混风示意图如图6所示。

(2)冷量负载匹配度对能耗的影响

对于房间级场景,机房设备部分负载工作时,由于负载减小,空调的送回风温差减小。对于风冷空调,采用回风温度控制时,随着负载的减小,其运行的蒸发温度会相应升高,机组能效比提升;采用送风温度控制时,随着负载的减小,回风温度降低,空调运行的蒸发温度几乎不变,能耗不变。

对于水冷空调,采用回风温度控制或送风温度控制时,随着负载变化,其供水水温均不变,只是水流量改变,对与之匹配的冷水机组来说,其供水量总是大于末端空调的需求。两种控制方式的区别在于回风温度控制时,可以用较高的供水温度满足,反应到整个制冷系统中,冷水机组可以以较高的蒸发温度运行,相比送风温度控制方式节能。

对于房间级架空地板下送风场景,在回风温度控制或者送风温度控制的基础上,增加压差控制,利用压力调节空调风机转速,保证静压腔压力为正压(一般设置在30～80Pa)和压力恒定,使制冷量和风量输出按需分配,大幅度提高与实际负荷的匹配度,降低能耗,并且保证了送风距离,消除机房热点,提高了制冷的可靠性。

图7为压力控制调节模块部署示意图。

3.1.2可靠性比较(部分负载情况对设备最佳工作温度范围的影响)

机房设备要求在推荐工作温度范围内运行,工作温度超过上限或者低于下限都会对设备的寿命、稳定性具有致命的影响。而大部分设备在其工作范围内,温度越高,对其寿命和稳定性越不利。

对于房间级场景,采用回风温度控制时,回风温度为直接控制对象,若机房设备负荷变化,处于部分负载情况下时,仍然控制设备出风温度的上限,可能会出现设备进风温度较高的情况,使设备较长时间内运行于较高的温度区间,不利于其寿命和稳定性。

对于房间级场景,采用送风温度控制时,送风温度为直接控制对象,可以实时控制精密空调的送风温度状态,使设备长时间处于最优的温度区间,有利于其稳定运行。

3.1.3成本比较

对于房间级场景,回风温度控制或送风温度控制,只是其直接控制对象不同,工程实现时不存在成本差异。压差控制需要在回风温度控制或送风温度控制的基础上,增加压差控制器采集各点压差。同时,压差控制需要配合合理的群控逻辑才能实现,硬件和软件的初始投入都需增加。

3.2 行级场景

3.2.1节能性比较

(1)安全温差对能耗的影响

假设设备最高的安全工作温度为T,采用回风温度控制时,可以将目标温度值设定为T-ΔT,因为回风温度是直接控制对象,安全温差ΔT可以设置较小,这样可以保证机房内最高温度都在允许的安全范围内;假设设备最高的安全工作温度为T,采用送风温度控制时,送风温度是直接控制对象,送回风温差在各种场景下存在差异,单纯控制送风温度,经过服务器换热后,存在服务器出风超过安全工作温度的风险。为保证设备安全,一般会将目标送风温度设置得相对较低,即采用送风温度控制时,绝大多数情况下,机组回风温度与设备最高的安全工作温度都存在比较大的差值。

比如机房采用的风冷精密空调,若机房环境温度安全值需求为40℃,采用回风温度控制时,空调回风温度可设置为38℃;若采用送风温度控制时,设定送风温度在22℃,其空调回风温度一般不会超过36℃。那么其38℃的回风温度控制机组比送风温度控制机组能效可提高3%左右。从实际使用场景来看,采用回风控制时,绝大多数情况下机组具有更高的目标设定温度,运行在相对更高的蒸发温度状态,节能性更好。

(2)冷量负载匹配度对能耗的影响

对于行级场景,机房设备部分负载工作时,由于负载降低,空调的送回风温差减小。对于风冷空调,采用回风温度控制时,随着负载减小,其运行的蒸发温度会相应升高,机组能效比提升;采用送风温度控制时,随着负载减小,回风温度降低,空调运行的蒸发温度几乎不变,能耗不变。

对于水冷空调,采用回风温度控制或送风温度控制时,随着负载变化,其供水水温均不变,只是水流量改变。对冷水机组来说,其供水量总是大于末端空调的需求。两种控制方式的区别在于回风温度控制时,可以用较高的供水温度满足,反应到整个制冷系统中,冷水机组可以以较高的蒸发温度运行,相比送风温度控制方式节能。

对于行级场景,在回风温度控制或者送风温度控制的基础上,增加压差控制,控制通道内各点压差平衡和控制通道内外存在相对正压,使制冷量和风量输出按需分配,大幅度提高与实际负荷的匹配度,降低能耗,降低机房PUE。

3.2.2可靠性比较(通道温度对设备最佳工作温度范围的影响)

机房设备要求在推荐工作温度范围内运行,工作温度超过上限或者低于下限都会对设备的寿命、稳定性具有致命的影响。而大部分设备在其工作范围内,温度越高,对其寿命和稳定性越不利。采用回风温度控制时,回风温度为直接控制对象,若机房设备负荷变化,处于部分负载情况下时,仍然控制设备出风温度的上限,可能会出现设备进风温度较高的情况,使设备较长时间内运行于较高的温度区间,不利于其寿命和稳定性。

采用送风温度控制时,送风温度为直接控制对象,可以实时控制精密空调的送风温度状态,使设备长时间处于最优的温度区间,有利于其稳定运行。

3.2.3成本比较

对于行级场景,回风温度控制或送风温度控制,只是其直接控制对象不同,工程实现时不存在成本差异。

压差控制需要在回风温度控制或送风温度控制的基础上,增加压差控制器采集各点压差,同时,压差控制需要配合合理的群控逻辑才能实现,硬件和软件的初始投入都需增加。

4 结束语

表1给出了房间级空调应用场景分析的总结。

当房间采用密闭冷通道时,混风对空调采用送风温度控制还是回风温度控制都不会产生影响。根据现在市场应用成熟度以及投资成本来说,一般建议采用回风温度控制。

表2 给出了行级空调应用场景分析的总结。

行级精密空调常应用在密闭通道(冷/热)高温回风场景中,一般建议设定送风温度控制,精确控制空调送风温度,保障IT设备可靠运行。同样,由于压差控制的市场应用不够成熟及后期会产生的高维护工作量需求,一般不建议使用。

文章来源：精密空调 /