機(jī)房精密空調(diào)回風(fēng)溫度、送風(fēng)溫度及壓差控制分析

1 引言

回風(fēng)溫度控制與送風(fēng)溫度控制是機(jī)房溫度控制時的兩種選擇,兩者的區(qū)別在于參與控制的溫度采樣點位置不同。對于一個密閉機(jī)房,在機(jī)房內(nèi)負(fù)荷一定時,若采用回風(fēng)溫度控制,回風(fēng)溫度為直接控制對象;當(dāng)采用送風(fēng)溫度控制時,送風(fēng)溫度為直接控制對象。

壓差控制是在回風(fēng)溫度控制或者送風(fēng)溫度控制的基礎(chǔ)上,通過對空間內(nèi)不同點的壓差進(jìn)行控制,使精密機(jī)房專用空調(diào)的制冷輸出和風(fēng)量更好地與實際場景匹配,以達(dá)到更優(yōu)的控制效果。

實際應(yīng)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(yōu)勢和劣勢,根據(jù)實際需求選擇合適的控制方式,是實現(xiàn)機(jī)房穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能的關(guān)鍵。

本文對精密恒溫恒濕空調(diào)回風(fēng)溫度控制、送風(fēng)溫度控制及壓差控制這三種控制方式進(jìn)行了簡單的控制邏輯說明和對應(yīng)不同精密空調(diào)應(yīng)用場景的分析。這些信息可為機(jī)房IT人員在選擇精密空調(diào)控制方式時提供參考。

2 三種控制方式說明

2.1術(shù)語

比例帶:符合機(jī)房內(nèi)各設(shè)備使用條件的、可控的溫度區(qū)間。

溫度死區(qū):溫度設(shè)定點附近,可近似認(rèn)為機(jī)房內(nèi)溫度已達(dá)到設(shè)定要求的溫度區(qū)間,分為正負(fù)死區(qū),死區(qū)大小可根據(jù)實際場景溫度控制精度來設(shè)定,死區(qū)設(shè)定最大值為±3℃。

壓力基準(zhǔn)點:通道內(nèi)用于與其它壓力采集點進(jìn)行比較、利用差值反饋壓力場相對分布關(guān)系的壓力點?；鶞?zhǔn)壓力點可根據(jù)實際情況任意選取。

2.2 回風(fēng)溫度控制

回風(fēng)溫度控制是指利用機(jī)組回風(fēng)側(cè)的溫度傳感器采集到的溫度值參與控制,將回風(fēng)溫度值與機(jī)組設(shè)定的目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較,通過計算出的冷量需求來控制機(jī)組的能力輸出以及其他部件的按需動作。冷量需求與回風(fēng)溫度、溫度設(shè)定點、溫度死區(qū)、溫度比例帶有關(guān),即

冷量需求=f(回風(fēng)溫度、溫度設(shè)定點、溫度死區(qū)、溫度比例帶)。

2.3 送風(fēng)溫度控制

送風(fēng)溫度控制是指利用機(jī)組送風(fēng)側(cè)的溫度傳感器采集到的溫度值參與控制,將送風(fēng)側(cè)溫度值與機(jī)組設(shè)定的目標(biāo)溫度值進(jìn)行比較,通過計算出的冷量需求來控制機(jī)組的能力輸出以及其他部件的按需動作。冷量需求與送風(fēng)溫度、溫度設(shè)定點、溫度死區(qū)、溫度比例帶有關(guān),即

冷量需求=f(送風(fēng)溫度,溫度設(shè)定點,溫度死區(qū),溫度比例帶)

2.4 壓差控制

壓差控制是指在利用回風(fēng)溫度或送風(fēng)溫度控制方式使溫度場達(dá)到需求的同時,對通道內(nèi)各采集點的壓差以及通道內(nèi)外的壓差進(jìn)行控制。

壓差控制需要與回風(fēng)溫度控制或送風(fēng)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(chǔ)上才會執(zhí)行。

2.4.1通道內(nèi)壓差控制

通過調(diào)節(jié)機(jī)組的風(fēng)量輸出對通道內(nèi)各采集點之間的壓差進(jìn)行控制,使通道內(nèi)壓力場盡可能均勻,減少通道內(nèi)由于壓差而造成的氣流運(yùn)動,進(jìn)而使通道內(nèi)溫度場均勻,從而達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的目的。一般情況下,通過控制通道內(nèi)各點的壓差,使通道內(nèi)最大溫差控制在3℃以下。通道內(nèi)各點間的最大溫差每降低1℃,能效可提升2%左右。

通道內(nèi)壓差控制實現(xiàn)難度大,目前業(yè)內(nèi)無成熟的應(yīng)用案例,是一種理論分析思路,可能成為未來數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)控制方式的方向之一。

2.4.2通道內(nèi)外壓差控制

對于房間級場景,控制送風(fēng)通道內(nèi)外壓差在30～80Pa以內(nèi),可提高精密空調(diào)送風(fēng)量與負(fù)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(fēng)情況,通過調(diào)節(jié)通道內(nèi)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(fēng)而引起的能耗。

封閉冷通道時,精密空調(diào)送風(fēng)側(cè)與冷通道連通。通常情況下,精密空調(diào)風(fēng)量大于服務(wù)器風(fēng)量,冷通道內(nèi)易形成相對正壓,避免熱通道內(nèi)熱量通過通道密封處進(jìn)入冷通道而引起的溫度變化.一般控制在通道內(nèi)壓力P內(nèi)-通道外壓力P外=5～20Pa,即使冷通道內(nèi)形成相對正壓。

封閉熱通道時,精密空調(diào)回風(fēng)側(cè)與熱通道連通。通常情況下,精密空調(diào)風(fēng)量大于服務(wù)器風(fēng)量,熱通道內(nèi)容易形成相對負(fù)壓,會出現(xiàn)少量通道外冷池內(nèi)的冷空氣通過密封處泄漏進(jìn)入熱通道,由于冷池占據(jù)主導(dǎo),漏風(fēng)對能耗影響不明顯,一般只控制通道內(nèi)各點間的壓差,使通道內(nèi)溫度場和壓力場相對均勻。

3 控制方式比較分析

3.1房間級場景

3.1.1節(jié)能性比較

(1)混風(fēng)對能耗的影響

對于房間級場景,通過送風(fēng)通道送風(fēng),如果不對送風(fēng)通道進(jìn)行密封,則會存在一定程度的風(fēng)道短路現(xiàn)象,即會有一部分冷風(fēng)未經(jīng)過機(jī)房設(shè)備而直接與回風(fēng)混合,造成回風(fēng)溫度降低。

采用回風(fēng)溫度控制時,由于存在混風(fēng)現(xiàn)象,機(jī)房設(shè)備的出風(fēng)溫度高于精密空調(diào)所控制的回風(fēng)溫度,為了保證機(jī)房設(shè)備工作溫度不超過其允許的上限,設(shè)置精密空調(diào)的回風(fēng)溫度控制點時,需要預(yù)留一定的安全余量,安全余量的大小根據(jù)實際場景的混風(fēng)情況而定。

采用送風(fēng)溫度控制時,由于送風(fēng)溫度是直接控制對象,混風(fēng)的影響沒有直接體現(xiàn)到負(fù)載的控制上,只需根據(jù)機(jī)房設(shè)備的實際情況,設(shè)置合適的送風(fēng)溫度控制點即可。相對來說,送風(fēng)溫度控制更節(jié)能。

如果對回風(fēng)通道和送風(fēng)通道均進(jìn)行封閉,則可以將混風(fēng)的影響降低到最低。

 (2)冷量負(fù)載匹配度對能耗的影響

對于房間級場景,機(jī)房設(shè)備部分負(fù)載工作時,由于負(fù)載減小,空調(diào)的送回風(fēng)溫差減小。對于風(fēng)冷空調(diào),采用回風(fēng)溫度控制時,隨著負(fù)載的減小,其運(yùn)行的蒸發(fā)溫度會相應(yīng)升高,機(jī)組能效比提升;采用送風(fēng)溫度控制時,隨著負(fù)載的減小,回風(fēng)溫度降低,空調(diào)運(yùn)行的蒸發(fā)溫度幾乎不變,能耗不變。

對于水冷空調(diào),采用回風(fēng)溫度控制或送風(fēng)溫度控制時,隨著負(fù)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(jī)組來說,其供水量總是大于末端空調(diào)的需求。兩種控制方式的區(qū)別在于回風(fēng)溫度控制時,可以用較高的供水溫度滿足,反應(yīng)到整個制冷系統(tǒng)中,冷水機(jī)組可以以較高的蒸發(fā)溫度運(yùn)行,相比送風(fēng)溫度控制方式節(jié)能。

對于房間級架空地板下送風(fēng)場景,在回風(fēng)溫度控制或者送風(fēng)溫度控制的基礎(chǔ)上,增加壓差控制,利用壓力調(diào)節(jié)空調(diào)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,保證靜壓腔壓力為正壓(一般設(shè)置在30～80Pa)和壓力恒定,使制冷量和風(fēng)量輸出按需分配,大幅度提高與實際負(fù)荷的匹配度,降低能耗,并且保證了送風(fēng)距離,消除機(jī)房熱點,提高了制冷的可靠性。

3.1.2可靠性比較(部分負(fù)載情況對設(shè)備最佳工作溫度范圍的影響)

機(jī)房設(shè)備要求在推薦工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行,工作溫度超過上限或者低于下限都會對設(shè)備的壽命、穩(wěn)定性具有致命的影響。而大部分設(shè)備在其工作范圍內(nèi),溫度越高,對其壽命和穩(wěn)定性越不利。

對于房間級場景,采用回風(fēng)溫度控制時,回風(fēng)溫度為直接控制對象,若機(jī)房設(shè)備負(fù)荷變化,處于部分負(fù)載情況下時,仍然控制設(shè)備出風(fēng)溫度的上限,可能會出現(xiàn)設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度較高的情況,使設(shè)備較長時間內(nèi)運(yùn)行于較高的溫度區(qū)間,不利于其壽命和穩(wěn)定性。

對于房間級場景,采用送風(fēng)溫度控制時,送風(fēng)溫度為直接控制對象,可以實時控制精密空調(diào)的送風(fēng)溫度狀態(tài),使設(shè)備長時間處于最優(yōu)的溫度區(qū)間,有利于其穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1.3成本比較

對于房間級場景,回風(fēng)溫度控制或送風(fēng)溫度控制,只是其直接控制對象不同,工程實現(xiàn)時不存在成本差異。壓差控制需要在回風(fēng)溫度控制或送風(fēng)溫度控制的基礎(chǔ)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(xiàn),硬件和軟件的初始投入都需增加。

3.2 行級場景

3.2.1節(jié)能性比較

(1)安全溫差對能耗的影響

假設(shè)設(shè)備最高的安全工作溫度為T,采用回風(fēng)溫度控制時,可以將目標(biāo)溫度值設(shè)定為T-ΔT,因為回風(fēng)溫度是直接控制對象,安全溫差ΔT可以設(shè)置較小,這樣可以保證機(jī)房內(nèi)最高溫度都在允許的安全范圍內(nèi);假設(shè)設(shè)備最高的安全工作溫度為T,采用送風(fēng)溫度控制時,送風(fēng)溫度是直接控制對象,送回風(fēng)溫差在各種場景下存在差異,單純控制送風(fēng)溫度,經(jīng)過服務(wù)器換熱后,存在服務(wù)器出風(fēng)超過安全工作溫度的風(fēng)險。為保證設(shè)備安全,一般會將目標(biāo)送風(fēng)溫度設(shè)置得相對較低,即采用送風(fēng)溫度控制時,絕大多數(shù)情況下,機(jī)組回風(fēng)溫度與設(shè)備最高的安全工作溫度都存在比較大的差值。

比如機(jī)房采用的風(fēng)冷精密空調(diào),若機(jī)房環(huán)境溫度安全值需求為40℃,采用回風(fēng)溫度控制時,空調(diào)回風(fēng)溫度可設(shè)置為38℃;若采用送風(fēng)溫度控制時,設(shè)定送風(fēng)溫度在22℃,其空調(diào)回風(fēng)溫度一般不會超過36℃。那么其38℃的回風(fēng)溫度控制機(jī)組比送風(fēng)溫度控制機(jī)組能效可提高3%左右。從實際使用場景來看,采用回風(fēng)控制時,絕大多數(shù)情況下機(jī)組具有更高的目標(biāo)設(shè)定溫度,運(yùn)行在相對更高的蒸發(fā)溫度狀態(tài),節(jié)能性更好。

(2)冷量負(fù)載匹配度對能耗的影響

對于行級場景,機(jī)房設(shè)備部分負(fù)載工作時,由于負(fù)載降低,空調(diào)的送回風(fēng)溫差減小。對于風(fēng)冷空調(diào),采用回風(fēng)溫度控制時,隨著負(fù)載減小,其運(yùn)行的蒸發(fā)溫度會相應(yīng)升高,機(jī)組能效比提升;采用送風(fēng)溫度控制時,隨著負(fù)載減小,回風(fēng)溫度降低,空調(diào)運(yùn)行的蒸發(fā)溫度幾乎不變,能耗不變。

對于水冷空調(diào),采用回風(fēng)溫度控制或送風(fēng)溫度控制時,隨著負(fù)載變化,其供水水溫均不變,只是水流量改變。對冷水機(jī)組來說,其供水量總是大于末端空調(diào)的需求。兩種控制方式的區(qū)別在于回風(fēng)溫度控制時,可以用較高的供水溫度滿足,反應(yīng)到整個制冷系統(tǒng)中,冷水機(jī)組可以以較高的蒸發(fā)溫度運(yùn)行,相比送風(fēng)溫度控制方式節(jié)能。

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

3.2.2可靠性比較(通道溫度對設(shè)備最佳工作溫度范圍的影響)

機(jī)房設(shè)備要求在推薦工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行,工作溫度超過上限或者低于下限都會對設(shè)備的壽命、穩(wěn)定性具有致命的影響。而大部分設(shè)備在其工作范圍內(nèi),溫度越高,對其壽命和穩(wěn)定性越不利。采用回風(fēng)溫度控制時,回風(fēng)溫度為直接控制對象,若機(jī)房設(shè)備負(fù)荷變化,處于部分負(fù)載情況下時,仍然控制設(shè)備出風(fēng)溫度的上限,可能會出現(xiàn)設(shè)備進(jìn)風(fēng)溫度較高的情況,使設(shè)備較長時間內(nèi)運(yùn)行于較高的溫度區(qū)間,不利于其壽命和穩(wěn)定性。

采用送風(fēng)溫度控制時,送風(fēng)溫度為直接控制對象,可以實時控制精密空調(diào)的送風(fēng)溫度狀態(tài),使設(shè)備長時間處于最優(yōu)的溫度區(qū)間,有利于其穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.3成本比較

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

壓差控制需要在回風(fēng)溫度控制或送風(fēng)溫度控制的基礎(chǔ)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(xiàn),硬件和軟件的初始投入都需增加。

4 結(jié)束語

當(dāng)房間采用密閉冷通道時,混風(fēng)對空調(diào)采用送風(fēng)溫度控制還是回風(fēng)溫度控制都不會產(chǎn)生影響。根據(jù)現(xiàn)在市場應(yīng)用成熟度以及投資成本來說,一般建議采用回風(fēng)溫度控制。

行級精密空調(diào)恒溫恒濕機(jī)常應(yīng)用在密閉通道(冷/熱)高溫回風(fēng)場景中,一般建議設(shè)定送風(fēng)溫度控制,精確控制空調(diào)送風(fēng)溫度,保障IT設(shè)備可靠運(yùn)行。同樣,由于壓差控制的市場應(yīng)用不夠成熟及后期會產(chǎn)生的高維護(hù)工作量需求,一般不建議使用。