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智能换热系统在楼宇自控中的应用

发布时间:2019-07-10 16:21:21

1 智能换热系统介绍

随着信息化进程的深入,全球每年产生的数据量以50%的规模递增,极大地带动了全球数据中心的建设和发展,我国整体规模也有较大发展,2012年,我国数据中心增长已经达到23.2%。庞大的电费成为众多新建或传统数据中心面临的巨大挑战,越来越多的数据中心运营者将节能作为未来数据中心建设的最重要因素之一。经过长期调研,中国电信选择在内蒙古建设云基地。其中,自然环境条件是个重要因素,呼和浩特全年气温10 °C以下的天数逾200 d,有利于高能耗和高发热量的云计算中心建设,结合自然风冷、封闭循环等绿色低碳技术,充分体现了绿色环保、节能减排、技术创新的云数据中心建设理念。

中国电信云计算内蒙古信息园数据中心,有一套先进的空调系统,但为了确保空调系统可靠平稳的运行,必须建立一套完善的控制系统。本工程建立完善的控制系统以应对当室外气象条件变化时,系统能自动完成电制冷与风道智能换热(为主)运行情形的组合和切换及这2 种模式所包含的空调设备之间的连锁控制。

本次控制系统采用2 层网络通讯结构;顶层为管理层,使用TCP/ IP协议,用于连接系统服务器、工作站及第三方系统。第2层为控制设备互联层,采用BACnet或LonWorks通讯协议,用于连接控制设备(DDC及I/O模块或网关)。楼宇自控系统包括冷源系统、EC/AC通风系统,集成水冷离心式冷水机组、风冷式冷水机组、EC风机、机房专用空调(AC)、蓄冷罐。通讯接口如表1。

表1 通讯接口

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2 系统设计及控制策略

2.1 模式介绍

每栋楼5 种模式选择均采用室外监测点(两处一用一备)得出湿球温度作为水系统参考,干球温度作为风系统参考。

2.1.1 水系统

采用室外监测点(两处一用一备)得出湿球温度作为水系统参考。每1 台水冷机组对应1 台冷却塔、冷冻水泵、冷却水泵、板式换热器,成为1 组制冷单元。以下各模式切换温度利用湿球温度作为标准,冷却塔出水温度校准为辅,可根据日后系统运行情况进行最佳温度选择调整。

模式1:室外湿球温度T<2 °C时,室外的极端低温会造成冷却风道的结冰(冷却效果下降和除冰困难),此时将采用板式换热器换热(制冷),启用自然冷却,关闭电制冷。

(a)板式换热器、冷却塔每组开启数由末端冷负荷决定;

(b)冷却塔根据出水温度调节变频器,预留给用户可修改出水温度设定值;

(c)冷冻水泵、冷却水泵开启,风冷机组、水冷机组关闭。

模式2:室外湿球温度T≥2 °C时,随着室外温度升高,采用电制冷,关闭自然冷却。

(a)板式换热器关闭;

(b)冷却塔根据出水温度调节变频器,预留给用户可修改出水温度设定值;

(c)冷冻水泵、冷却水泵开启;

(d)开启机组运行。

运行冷水机组、风冷机组(A3、A5楼水冷机组3 台轮换,1 台备用;A4、A6楼2 台轮换)的条件:

(a)室外湿球温度>10 °C且过去3 d平均温度>10 °C,切换模式前延时30 min。

(b)A3楼4 个制冷单元,作为备用制冷量小的1 台冷水机组不参与轮换,当冷负荷大于输出时,才考虑开启备用设备,优先开启冷水机组,负荷大于输出再开启风冷机组进行参与负荷计算。

(c)每组制冷单元启停顺序。启动:电动水阀→冷却塔风机→冷却水泵→冷冻水泵→冷水机组 。停止:冷水机组→冷冻水泵→冷却水泵→冷却塔风机→电动水阀 。如有设备出现故障,程序会自动选择另1 台设备补上。

(d)冷机根据运行时间轮换启停。

(e)电制冷模式分为全自动(群控逻辑运行状态)、半自动(增加人工操作制冷单元启停按钮)、手动(设备可单独强制启停)。

机房温湿度控制目标为:冷通道温度18~23 °C,热通道温度26~28 °C,相对湿度40%~70%。

2.1.2 风系统

采用室外监测点(两处一用一备)得出干球温度作为风系统参考,可根据日后系统运行情况进行最佳温度选择调整。

模式1:室外干球温度T<-26 °C时,考虑到风道防冻。

①末端AC空调全部开启,EC换热风机全部关闭(干球温度T≤-26 °C);

AC空调频率固定为100%,根据回风温度进行水阀调节(由AC自带控制逻辑完成),开启台数由室内负荷而定。

模式2:室外温度区间为:干球温度-26 °C ≤T≤10 °C时,利用室外自然冷源,将室内热空气经室外冷却管冷却后回送室内,AC机组将其加湿并接力推送至整个冷通道,来满足室内恒温恒湿要求。

①末端AC空调通讯机房处全部开启(用户使用界面可根据实际情况强制关闭或开启),电力电池室关,EC换热风机全部开启;

AC空调频率固定为100%,根据回风温度进行水阀调节(由AC自带控制逻辑完成),外侧AC空调根据每个机房排风温度高于28 °C(可调)超过30 min阶梯时间依次对应关闭EC风机,其对应的区域外侧AC空调开启,直至稳定在28 °C(可调)超过30 min后阶梯时间开启EC风机,其对应的区域外侧AC空调关闭。

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AC空调频率固定为100%,根据回风温度进行水阀调节(由AC自带控制逻辑完成),开启台数由室内负荷而定。

2.2 电制冷逻辑

1 组制冷单元内,包括冷水机组、冷水机组进出水阀、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、冷却塔进出水阀。A3楼备用冷水机组(600RT小套冷水机组、冷水机组进出水阀、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、冷却塔进出水阀),此制冷单元在风冷机组4 台已参与轮换的情况下,作冷负荷超过负载所需使用。

机组制冷工况下,冷水机组启停、冷水机组进出水阀启停、冷冻水泵启停、冷却水泵启停、冷却塔风机启停及风机变频、冷却塔进出水阀启停、风冷机组启停、风冷机组进水阀、风冷机组冷冻水变频泵启停及变频控制,这些命令是由统筹控制器或软件向单元控制器发出,再发向被控设备。以上命令在自动群控情况下会自行选择发出启停信号,楼宇自控图形界面上也会提供出操作员根据实际情况对被控设备发出强制控制操作命令,或进行制冷单元轮换操作。

2.3 自然冷却逻辑

使用板式换热器及冷却塔风机,对应每组单元为板式换热器、板式换热器一次侧进出水阀、二次侧进出水阀、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、冷却塔进出水阀。

自然冷却工况下,板式换热器一次侧进出水阀启停、二次侧进出水阀启停、冷冻水泵启停、冷却水泵启停、冷却塔风机启停及风机变频、冷却塔进出水阀启停,这些命令是由统筹控制器或软件向单元控制器发出,再发向被控设备。

以上命令在自动群控情况下会自行选择发出启停信号,楼宇自控图形界面上也会提供出操作员根据实际情况对被控设备发出强制控制操作命令,或进行冷却单元轮换操作。

2.4 EC风机、AC空调逻辑

每个机房内EC风机以固定频率输出,设备本身不建议频繁更换频率,故默认设定输出为60%(EC风机频率根据不同楼层设定,具体值需要EC风机厂家提供并根据日后运行情况操作员可修改),另外每层每个机房既有1 个EC风机统一输出控制键,也可在图形界面进行每台单独输出控制。

室外冷风道内部设有温湿度监测及风速监测,机房内冷热通道设有温湿度监测及室内温度监测,提供AC空调启停依据。AC空调频率固定为100%,根据回风温度进行水阀调节,外侧AC空调根据每个机房排风温度高于28 °C(可调)超过30 min阶梯时间依次对应关闭EC风机,其对应的区域外侧AC空调开启,直至稳定在28 °C(可调)超过30 min后阶梯时间开启EC风机,其对应的区域外侧AC空调关闭。以达到机房温度稳定值为准且保证节能需要。

增加预冷模式,室外干球温度低于10 °C并保证不低于-26 °C,全部EC风机开启。

2.5 加减制冷单元时的设备顺序启停逻辑

根据冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵运行时间,即1 组制冷单元的累计运行时间为基准,已累计运行时间长者先停,累计运行时间短者先开的原则进行,并提供给操作员重置轮换启停顺序的控制键。每个制冷单元内机组、水泵、水阀均根据开启关闭顺序自动启停。

2.6 冷却塔变频控制逻辑

水冷机组不运行,即自然冷却时,冷却塔风机频率控制在保证冷却水出水温度恒定10 °C。当此单元冷却塔风机频率为30 Hz时,开启此路冷却水旁通阀,满足恢复关闭条件(冷机冷却水回水温度是否升上来定是否关闭阀门)延时30 min关闭旁通阀。

水冷机组运行,即电制冷时,冷却塔风机频率控制在保证冷却水出水温度恒定20 °C,当≤18 °C且此单元冷却塔风机频率为30 Hz时,开启此路冷却水旁通阀,满足恢复关闭条件(冷机冷却水回水温度是否升上来定是否关闭阀门)延时30 min关闭旁通阀。

2.7 冷冻水泵、冷却水泵变频控制逻辑

冷却水泵在电制冷模式时根据供回水温差PID调节控制变频输出,自然冷却模式下全频率运行,当冷却塔风机转速降为30 Hz,梯度减少冷却泵频率;

冷冻水泵变频控制来源根据分集水器压差PID调节控制变频输出,冷冻水泵设为同频输出。当冷冻水泵频率反馈低至30 Hz(此频率设定根据电制冷模式下采集的此支路冷水机组冷冻水出水流量,保证不低于30%流量对应的水泵最低频率为准),此时启用旁通阀逻辑,分集水器侧进行旁通阀调节。

2.8 风冷机组冷冻水泵变频控制逻辑

根据实际情况可进行更改设定,默认输出为80%,操作员可调。

2.9 紧急制冷逻辑

蓄冷罐作用条件:

模式1:工作模式,分水器至蓄冷罐管路上的阀门及水泵停用,至集水器阀门常开,蓄冷罐实现定压功能;

模式2:充冷模式,当蓄冷罐内水温T≥14 °C,开启充冷管道上阀门充冷,当蓄冷罐内水温T=12 °C,关闭充冷管道上阀门,至集水器阀门常开,蓄冷罐正常定压;

模式3:放冷模式,当市电断电或所有制冷机组故障时,放冷泵开启,充冷管道上阀门关闭,至集水器阀门常开,蓄冷罐实现放冷、定压功能;

模式4:蓄冷罐故障,至蓄冷罐管道上所有阀门关闭,配套的空调补水泵停止工作,同时切换至常压罐全自动补水定压装置工作。

放冷水阀及放冷泵可在群控情况下自动根据需要启停,也可由操作员在楼宇自控图形界面上强制操作。

蓄冷罐每隔 0.5 m有1 个温度监测采集,一共52 个温度监测点,可有楼宇自控图形界面查看蓄冷罐充能状态,以及蓄冷罐内液位监视。

3 结语

本工程中将楼宇自控应用在智能换热系统中,保证了该空调系统的可靠平稳运行。通过对室外和室内温度、湿度的严密监控,实现5 种制冷模式的平稳切换。楼宇自控在智能换热系统中的应用实现了数据中心的节能减排、技术创新,为全社会节能减排做出了突出贡献,也降低了运营成本。


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