AHU风墙群控在数据中心的应用

自然冷却是目前国内外公认的数据中心节能重要措施之一，合理利用自然冷却技术可以明显减少数据中心的全年能耗。近十几年来，各种自然冷却技术应运而生，极大地推进了自然冷却技术在数据中心的应用和发展，其中风墙技术成为这些新型空调节能技术的应用探索之一。

  风墙技术是指利用室外的自然新风作为冷源，当室外空气温度低于室内温度并且温度差达到一定程度，引入外界冷风将机房内的热量带走，达到机房内温度降低的目的。这种自然风冷的制冷方式能使数据中心所消耗的电能比之前降低20％～30％。风墙技术的主要特点是机房无地板送风、集成新风自然冷却功能，采用冷冻水或者机械制冷作为补充冷源。集成蒸发冷却模块，具有大风量、大冷量送风特点。近些年来一些设备厂商在风墙自然新风基础上增加蒸发冷却装置进一步提升能源使用效率。

1、风墙系统组成

  风墙系统由以下单元组成：进风单元、加湿单元、风墙单元、排风单元、回风单元和控制单元，如图1所示。

  1 进风单元实现两个功能

  自然风进风控制，自然风过滤处理。进风单元由以下设备组成：进风百叶，初效过滤器，进风风阀，中效过滤器，化学过滤器。

  2 加湿单元实现的功能

  当自然风湿度低于机房湿度要求，或因机房内循环导致冷凝水排出引起机房湿度低于机房要求时，通过加湿单元增加机房内环境湿度。为节约机房运行能耗，可采用微雾加湿解决方案。

  3 风墙单元是风墙系统的核心单元

  风墙单元实现的功能是内循环的空气过滤，提供机房冷却所需要的风量，通过冷水盘管冷却进入机房。

  4 排风单元

  在自然风冷却运行模式下，将机房热通道中的空气排出机房。排风单元由

排风百叶，排风扇，排风风阀，室外出口百叶组成。

  5 回风单元

  在内循环模式或部分自然风冷却模式下，将全部或部分热通道内的空气送回风墙单元前的空气混合室。

  6 系统控制单元

  由空气质量监测器和风墙系统控制器组成。空气质量监测器安装的机房外，监测空气的化学污染情况，风墙控制器安装在风墙内，控制单元实现的功能；通过传感器采集机房外部和机房内部各个关键点的温度、湿度、压力等数据；通过控制进风风阀、排风风阀和回风风阀实现自然风冷却或内循环风冷却送风方式；通过控制风墙风扇实现机房内部风量和风压的要求；通过控制冷水盘管实现机房送风的温度要求以达到机房冷却的目标，实现普通工况、部分空气侧节能工况和全空气侧节能工况的节能目标。

2、风墙的工作模式

  风墙系统在不同工况下采取不同运行模式。

  2.1 混风冷却模式

  室外冷空气与数据机房回风热空气部分混合后送入机房区域，机械制冷停止，系统工作在完全自然制冷方式。

  2.2 全新风冷却模式

  室外冷空气全部送入机房区域，机房热空气全部排出室外，机械制冷停止或部分停止，系统工作在完全自然制冷方式或自然制冷与机械制冷的混合工作方式。

  2.3 全回风模式

  关闭室外新风进风，系统采用完全机械制冷方式。

2.4 防冻混风模式：

  一种冬季运行模式，当室外温度较低时，在混风模式下，打开AHU单元水阀和水循环系统。利用机房热空气换热，在满足机房自然冷却的基础上，适度提高冷水的水温，防止水系统设备冻结。

3 AHU风墙群控

3.1 AHU风墙群控系统的组成

  在采用AHU风墙技术的数据中心机房模块内，AHU风墙单元一般是通过N+X方式冗余配置，每套AHU风墙单元配置独立的单元控制器对单套风墙单元进行控制，单个数据中心机房模块的所有风墙单元，通过风墙群控控制器实现群控管理和控制，群控控制器采用1+1热备冗余配置。单元控制器与群控主控器、群控副控器之间采用双数据通信链路连接。单元控制器与群控控制器之间采用物理心跳信号，提高控制的可靠性。数据中心内所有机房模块的群控控制单元，通过冗余通讯链路及物理心跳链路与数据中心的冷站控制单元连接，实现整个数据中心制冷系统的集成联动控制。

  风墙群控系统由群控主控器、群控副控器、AHU单元控制器和AHU现场操控单元组成。(见图2)

1群控主控器

  采集室外安装的传感器，监测干球温度，露点温度，相对湿度和室外空气颗粒度，室外空气硫化物含量，来决定外部的空气是适合自然冷却、部分自然冷却或机械制冷，通过AHU单元控制器，进行风墙单元的起停和制冷模式的切换；根据AHU现场操控单元的设定，决定手/自动模式的切换；控制冷冻站群控单元执行机械制冷系统的起停和负荷控制；进行新风风阀、排风风阀、回风风阀的控制；负责风墙单元的设备轮值。

  2AHU单元控制器

  接受群控单元的指令进行风墙单元的起停和模式切换；通过调节水阀，控制送风温度；通过检测冷热通道温差，进行EC风机变频。控制机房内冷热通道的温度；监测空气过滤器的压差堵塞报警；监测机房内的露点温度，进行加湿控制。

  3AHU现场操控单元

  负责风墙单元工作模式和制冷模式的设定；完成风墙系统各种运行工况参数的设定；风墙系统运行参数的现场显示。

  3.2 AHU风墙群控系统的监控数据点

  (见表1)

3.3 AHU风墙系统的控制过程

  AHU风墙的群控系统启动时，检测和控制风墙相关设备上电后，群控主控器首先通过数据链路及物理心跳链路，与群控副控器、单元控制器、现场操控单元、冷站群控单元建立心跳链接，检测和验证室外空气质量传感器、室外温湿度、露点传感器、新风、同风、排风风阀、新风滤网状态，与冷站群控器进行信号应答测试，通知单元控制器、现场操控单元进行自检并反馈，如果检测过程存在故障，将故障通知BMS系统。同时在现场操控单元显示并报警，系统进入轮询等待状态，当故障解除后，通知各相关单元，系统进入就绪状态，等待操作指令，当检测正常时，直接进入就绪状态。

  单元控制器接到群控器自检指令后，检测和验证各类温湿度传感、空气压差传感、露点温度传感等的状态，并将结果反馈给群控器。

  现场操控单元接到群控器自检指令井完成自检后，反馈结果给群控器，并显示本单元相关数据。

  就绪状态下，系统根据人工操作设定，工作在自动或手动状态。

  当系统采用自动控制方式时，工作模式的切换自动完成。群控系统根据室外工况参数，来决定外部的空气是适合自然冷却、部分自然冷却或机械制冷。

  1 混风冷却模式

  当室外干球温度低于设计工况值，室外露点温度小于设计工况值，室外空气质量符合设计要求。且工况值维持一定的稳定时间后。群控制器发出进入混风冷却模式信号，系统进入混风冷却模式。新风阀部分打开，自然新风进入进风区域，回风阀部分打开，从吊顶流回的热通道空气与室外冷空气在混风区进行混风，群控器通过调节新风阀和回风阀的开度，来控制AHU出口的空气温度达到设定值。排风阀部分打开，将部分机房区域热空气排出室外，群控器通过控制排风阀的开度，保证机房与室外和走廊压差维持在5Pa~10Pa范围。单元控制器控制AHU冷水盘管上的冷冻水阀关闭，新风和热通道回风混合至设定温度送至冷通道，同时，群控控制器通知冷站群控单元延迟一定的时间后，关闭相应冷冻单元。当机房内露点温度小于设定值时，单元控制器控制开启加湿功能，保证送入机房的空气露点温度在设定的工况范围。

  AHU风墙单元采用EC风机阵列向机房内进行弥漫式水平送风，EC风机控制由单元控制器根据AHU单元对应的冷热通道的温差与设定值的比较进行送风的变频控制。温差通过冷热通道的温度传感器计算获取。

  单元控制器监测AHU段位中初、中效过滤器的压差。压差超过设定值时报警提示。

  2 全新风冷却模式：

  当室外千球温度在全新风工况值范围，室外露点温度小于设计工况值，室外空气质量符合设计要求，且工况值维持一定的稳定时间后，群控制器发出进入全新风冷却模式信号，系统进入全新风冷却模式。群控器通过冷冻站群控器启动所需冷冻单元，待冷冻站群控制器接到冷冻单元启动”OK”信号后，反馈启动完毕信号给风墙群控器，风墙群控器控制新风阀全部打开。自然新风进入进风区域，回风阀全部关闭，室外新风经过AHU单元全部进入机房区域。排风阀全部打开，机房区域内全部热空气通过热通道沿吊顶排出室外，群控器通过控制排风阀的开度，保证机房与室外和走廊压差维持在5-10Pa范围。单元控制器通过控制AHU冷水盘管上的冷冻水阀，使AHU单元出口的送风温度保持在设定值。此时，冷站群控单元根据机房热负荷，决定冷冻单元的运行负荷。当机房内露点温度小于设定值时。单元控制器控制开启加湿功能，保证送入机房的空气露点温度在设定的工况范围。EC风机及其他设备的监控同混风冷却模式。

  3 全回风模式：

  当室外室外露点温度大于设计工况值。或室外空气质量不符合设计值，且工况值维持一定的时间后，群控制器发出进入全回风模式信号，系统进入全回风冷却模式。群控器通知冷冻站群控器机械制冷启动，冷站群控器根据机房负荷情况启动所需冷冻单元。启动完毕后。反馈启动完毕信号给风墙群控器，风墙群控器控制新风阀和排风阀全部关闭，同时打开回风阀。机房区域内热空气通过热通道沿吊顶回至混风室进行室内空气循环。单元控制器控制AHU冷水盘管上的冷冻水阀达到最大开度，通过润节水阀开度，使AHU单元出口的送风温度保持在设定值，此时，冷站群控单元根据机房热负荷，决定冷冻单元的运行负荷。当机房内露点温度小于设定值时，单元控制器控制开启加湿功能，保证送入机房的空气露点温度在设定的工况范围。

  EC风机及其他设备的监控同混风冷却模式。

  4 防冻混风模式：

  防冻混风模式是风墙系统在冬季寒冷天气的一种运行模式。寒冷天气工况下，在混风模式基础上。打开AHU单元水阀和水循环系统，利用机房热空气换热，适度提高冷水的水温，防止水系统设备冻结。

  在混风模式工况下。BA系统检测到蓄冷罐内温度低于设定值，对风墙群控器发出防冻准备指令，风墙群控器确认收到命令信号后发出进入防冻混风模式信号，系统进入防冻混风模式。风墙群控器通知AHU控制单元低流量开启电动二通阀开度至设定值，确认电动二通阀已经开启到位，即向BA系统发出防冻模式准备反馈信号；BA系统开启循环泵，对蓄冷罐进行加热，检测到蓄冷罐温度达到设定要求后，通知风墙群控器取消防冻混风模式，重新进入混风模式，同时命令循环泵关机。防冻混风模式下其他设备的监控同混风冷却模式。

4 结束语

  绿色节能是数据中心的一个发展趋势，由于风墙技术自身的一些应用条件限制，以及运行数据尚不充分，在设备、材料、建筑设计配套、节能控制优化等方面仍有许多课题亟待研究、实践。在AHU风墙系统的群控控制管理上，仍有很多等待研究的课题，如可尝试自适应寻优控制算法。根据自然新风的环境条件，寻找最优的运行工况参数，通过系统一定时间运行所积累的数据，利用大数据运行分析及神经网络寻优算法，以最佳能耗模型为目标，在系统持续运行过程中，不断提高系统的能源效率。