数据中心空调节能控制系统的硬件要求

2022-06-17 14:25:02 来源:写作指导

摘要:数据中心空调系统的运行能耗较高,采用更为优化的控制逻辑,让其完全采用自动控制模式运行,实现AI自主学习运行,使空调系统的能耗降至最低。本文就如何实施节能优化控制,对水系统优化控制柜、水泵智能变频控制柜、冷却塔风机智能变频控制柜、现场智能采集箱、变频器、传感器等提出要求。

关键词:节能优化控制系统;控制柜;传感器

0引言

近年来,随着信息技术的高速发展,数据已成为促进现代经济社会发展的关键因素。大数据产业链日趋完善,市场前景十分广阔。我国已开始加快实施大数据国家战略。随着数据中心的改扩建、新建在全国快速落实,我国对数据中心的建设提出了节能环保的要求与规划,在《三部门关于加强绿色数据中心建设的指导意见》中明确提出:“到2022年,数据中心平均能耗基本达到国际先进水平,新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下,高能耗老旧设备基本淘汰,水资源利用效率和清洁能源应用比例大幅提升,废旧电器电子产品得到有效回收利用”。在2010~2020年这10年期间建设的中大型数据中心中,大部分冷源系统采用的都是水冷冷水系统,并且绝大部分采用的是纯手动操作或半自动控制,致使其冷源系统的耗电量要占数据中心整体能耗的30%~45%,甚至更高。随着国家碳达峰、碳中和目标的制定,数据中心对冷源系统的节能减排效果提出了更高的要求。如何提升数据中心空调系统的总体能效呢?对于新建的项目,采用目前最新的多联氟泵技术、相变冷却技术、液冷技术、间接蒸发冷技术等,均可实现数据中心空调系统能效的提升。但对于已运行的大型水冷冷水系统,设备还处于运行寿命周期内,改造和更换设备不现实,这就需要对其空调系统的运行能耗进行实测分析,改造控制系统,采用更为优化的控制逻辑,让其完全采用自动控制模式运行,实现AI自主学习运行,使空调系统的能耗降至最低。本文就对如何思考、如何实施节能优化控制提出一些硬件设备要求,为此类项目的改造提供一些建议和参考。

1数据中心节能优化控制系统总体要求

数据中心节能优化控制系统是采集空调水系统的相关环境参数,集中监视、管理和控制受控设备,应用现代计算机技术、系统建模与智能优化技术、自动控制技术、变频调速技术等,通过专业的控制算法对数据中心空调水系统中的冷水机组、冷却水泵、冷水泵、冷却塔、电动蝶阀、机房空调等设备进行优化控制,降低水系统的能源消耗,提高系统能源利用效率的一种自动化控制系统。控制产品的标准,硬件、软件的设计应充分考虑系统的先进性、可靠性、可维护性、可扩展性、开放性、标准化、通用性、兼容性并具备故障诊断、在线修改的功能。软件环境需具有很高的兼容性及可执行性,管理及多重程序诊断恢复功能。此系统总体要求如下:1)对空调水系统进行全面高效的监控和管控,使冷站设备处于高效、可靠、节能的运行状况。2)以整个空调水系统能效最高为目标(冷水机组+冷水泵+冷却水泵+冷却塔),综合协调优化各设备之间的耦合关系与相互影响,在保障室内末端负荷前提下,根据实时工况,实时、主动、动态寻找空调系统当前时刻运行的最佳能效控制参数,实现系统全局优化控制、系统能效最高。3)主要包括系统优化控制软件、节能优化控制柜、冷水泵智能控制单元、冷却水泵智能控制单元、冷却塔风机智能控制单元、水阀控制单元、现场信号采集箱、传感器等。4)突出节能降耗的特性,应具有先进的系统控制参数实时动态寻优功能,能够基于实际历史数据及系统设备性能特性,在满足服务质量的前提下,实时动态寻找整个通风空调系统运行能耗最低的系统最优控制参数。动态寻优过程可显示、可验证,以最大限度挖掘节能空间,降低通风空调系统运行能耗成本。5)具有能效仿真功能,能在线仿真系统及设备的性能特性,能够进行不同负荷、不同工况、不同控制策略条件下空调系统的能耗能效模拟计算,能够对比分析优化控制策略与常规控制策略的系统能耗,并预测优化控制所产生的系统节能量。6)具有完善的自动控制与系统保护、故障诊断、运维诊断等功能。系统基于内置的空调系统保护、诊断与报警规则,实时检测空调系统运行异常情况,自动保护或触发报警并评估其对系统安全、性能或能耗的影响,并记录故障和报警信息以备查询。7)具有移动端管理功能,包括但不限于报警工单模块、运行监测模块、设置模块等功能模块。报警模块实现实时报警工单的通知推送、处理与跟踪等,保障空调系统安全高效运行和提高运维效率。8)具备历史数据回溯诊断功能,能够重现整个空调系统历史指令控制、运行工况参数及能效监测数据变化情况,通过对空调系统的历史数据回溯、诊断系统问题与故障,为进一步的系统能效管理及优化控制提供支撑。

2对于控制系统设备的基本技术要求

水系统控制设备由水系统优化控制柜、水泵智能变频控制柜、冷却塔风机智能变频控制柜、电动阀门控制箱、就地控制箱及现场信号采集装置组成。

2.1优化控制柜

优化控制柜内应配置工业控制计算机、空调水系统优化控制软件、智能控制单元、通讯协议转换单元、保护单元、开关电源、柜体等。优化控制柜在现场应采用通讯线缆与冷水泵智能变频控制柜、冷却水泵智能变频控制柜、冷却塔风机智能(变频)控制柜、现场智能采集箱及空调冷水机组等进行连接,优化控制柜内的优化控制器通过协议解析,与各控制柜(或箱)进行通信,通过对空调水系统参数的全面采集和运算分析,实现空调水系统运行的集中监测、控制和管理。控制方式包括本地手动、远程控制、定时控制、系统自动控制。

2.2冷水/冷却水泵智能变频控制柜

1)冷水/冷却水泵智能变频控制柜由水泵智能控制单元、空气断路器、继电器、变频器、开关电源、电位器、箱体及软件等组成,可实现对各冷水/冷却水泵的变频启/停控制、频率调节、工/变频模式转换、工频启/停控制等,控制软件均内嵌于柜体内的智能控制单元中。2)每台冷水/冷却水泵智能变频控制柜内均须配置一套电气控制电路,具有良好的电气性能和运行可靠性,可实现冷水/冷却水泵的安全保护和节能管理。3)每台冷水/冷却水泵智能变频控制柜应能够经通讯线与优化控制柜连接并实现通讯,冷水/冷却水泵智能变频控制柜内均设置有智能控制单元并内嵌软件,在优化控制柜或通讯线路发生故障时,冷水/冷却水泵智能变频控制柜应能自动接管,采用独立的优化控制算法对冷水/冷却水泵进行控制,以保证冷水、冷却水系统的正常运行。4)冷水/冷却水泵智能变频控制柜应能够采集冷水机组冷水/冷却水出入口温度信号,根据优化控制柜输出信号控制水泵变频控制柜,对冷水/冷却水泵进行启停或者频率调节,并可实时调节冷水/冷却水泵于最佳工作点运行。5)冷水/冷却水泵智能变频控制柜中的智能控制单元应至少具有8输入/8输出数字量接口、4输入/4输出模拟量接口,智能控制单元应具有10M/100M自适应以太网接口及RS485总线通信接口。6)水泵控制柜应预留现场就地控制箱接口,以便于水泵检修现场操作。

2.3冷却塔风机智能变频控制柜冷却塔智能控制柜技术参数同水泵智能控制柜技术要求。

2.4现场智能采集箱

1)现场智能采集箱可根据不同的监控对象来内置各种模拟量信号采集单元和铂电阻温度信号采集单元,收集分散的流量、压差、温度传感器信号,并将其转换后通过标准通讯方式传递至优化控制柜。2)现场智能采集箱中应至少具有4输入模拟量信号接口及4输入三线制铂电阻温度信号接口,应具有10M/100M自适应以太网接口及RS485总线通信接口。

2.5变频器

1)变频器应带故障自诊断功能,能对所发生的故障类型及故障位置提供指示,能就地显示并远方报警,便于运营人员和检修人员辨别和解决所出现的问题。2)在就地监控方式下,通过变频装置上的触摸式键盘和LCD显示,可进行就地人工启动、停止变频装置,可以调整频率从而改变电动机转速。3)变频器操作面板要求配置具有图形显示功能的多行液晶显示器。具有的保护及警告显示功能应包括但不限于下列内容:过电流、接地故障、过电压、欠电压、输入缺相、散热片过热、外部警报、变频器异常、通信及通信卡异常。4)变频器具备间断自动跳跃功能,即在某些可能发生故障(如共振、电压波动等)的频率处,可以自动跳过,保护设备,并可设定。5)变频器具有缺相、短路、接地、控制电源短路和过载等保护功能。6)变频器须内置用于抑制谐波的直流电抗器,而且变频器的输出容量不能由于直流电抗器而降低。7)变频器要求内置滤波器,使其无线电发射、传导性发射满足相关规范、标准及招标人的要求,以防止变频器操作时对计算机或高灵敏仪器及周围的敏感设备造成干扰。

2.6传感器及其他技术参数传感器应选用工业级的传感器元件。

2.6.1水温传感器

温度范围:0~50℃之间的空调水系统;温度探针为铂制、绕线并以316SS为外套的传感元件,探针装有弹簧并插入不锈钢温度计套管;精度:±0.2℃;输出信号:4~20mA(DC)。2.6.2电磁流量传感器精度≥0.5%;工作压力≥1.6MPa;电源电压:24V(DC);输出信号:4~20mA(DC);防护等级≥IP65;介质温度:-20~120℃;环境温度:-20~55℃。2.6.3压差传感器量程:31.1~186.8kPa;精度:±0.25%;输出信号:4~20mA(DC)。

2.6.4室外温湿度传感器

电源电压:24V(DC);量程:相对湿度0~100%(非结露),温度-40~60℃;准确度:温度±0.5℃(0~50℃),相对湿度±3%(20%~90%,20℃,无凝露);工作环境:温度0~50℃,相对湿度0~100%;长期稳定性:相对湿度<1%/a,温度<0.1℃/a。

2.6.5冷水机组及水泵、塔风机电能表

准确度:0.5级;接入方式:经互感器接入;RS485总线输出。

3结语

基于以上对数据中心空调节能优化控制系统硬件设备的要求,再基于原空调系统的基本控制要求优化控制策略,进行算法及软件的更新,就可以完成对空调控制系统的节能优化,提升数据中心空调系统的整体能效。

作者:朱慧宾 龚雪 单位:北京市西城区车公庄大街19号2号楼7层