一
预冷模式切换及介绍
1.1 预冷的运行原理
预冷模式是板换模式与冷机模式的串联运行，通常是在秋冬或冬春过渡时节运行故又称之为过渡季模式。过渡季节单纯采用冷机模式不利于节能，而只用板换又无法100%满足机房制冷要求，这时，冷机和板换串联同时运行，先由板换提供部分冷源，不足部分由冷机补充。使用预冷模式时，在保证运行安全的情况下，尽可能多的利用自然冷源板换制冷，这样可以最大限度的节能，同时，又保证冷机模式向自由冷却模式的平稳过渡。一般室外湿球温度高于8℃低于15℃时，即可运行预冷模式（冷冻供回水12℃~18℃）。
下图是冷冻水系统管路连接方式：
图一 制冷系统运行原理图
一般情况下，通过调节V1∽V8电动阀门的开关来实现三种运行模式的切换，以下是三种模式运行时的阀门状态；
运行模式
V1
V2
V3
V4
V5
V6
V7
V8
制冷模式
开
关
关
开
关
开
开
关
预冷模式
关
关
开
开
开
开
关
关
自由冷却模式
关
开
开
关
开
关
关
开
表一 三态模式下的阀门开关状态
其中，V6和V8为电动调节阀，其他阀门为电动开关阀；
1.2 预冷模式运行条件
不同数据中心，采用不同的冷冻水供水温度，提高冷冻水供水温度能有效降低冷水机组的COP值，但过高的供水温度对数据中心运维人员提出挑战，考虑应急响应时间，蓄冷后备时间、局部热点以及较高的机房温度使IT设备耗电增加等问题，所以数据中心运维人员应当综合衡量和选择供水温度。本文讨论切入点选择冷冻水供回水温度12/18℃。
当冷却水供水温度低于冷冻水回水温度1∽2℃时，就可以开始使用预冷模式。而冷却水能被冷却塔冷却的理论极限温度是室外空气的湿球温度。所以，通常以室外湿球温度来做为系统运行模式选择的判别条件。即自由冷却模式、预冷模式和冷机模式之间的切换，是依靠室外湿球温度的变化来做出选择。以下是三种模式之间的切换条件；
三态模式
三态模式切换条件
板换模式
Tw<8℃
预冷模式
8℃≤Tw≤15℃
冷机模式
Tw＞15℃
表二 三态模式下的阀门开关状态
其中：Tw为室外湿球温度
从上表可以看出，当室外湿球在8℃≤Tw≤15℃之间，且长期处于8℃≤Tw≤15℃时，既可以运行预冷模式，当在北方地区，因昼夜温差较大，白天的湿球温度可能会处于8℃≤Tw≤15℃之间，在夜间Tw<8℃，数据中心运维人员通常会选择白天运行预冷模式，夜间运行板换模式，并且在傍晚时分完成模式切换。
在过渡季节时，运维人员通过观察室外湿球温度的变化，结合《中国建筑热环境分析专用气象数据集》或数据中心历年记录的温度数据变化，来综合判断预冷切换的最佳时间。
二
预冷模式切换前准备工作
2.1 预冷模式切换前的检查
（1）系统管路、阀门测试及检查
管路检查：Y型过滤器压差小于0.05Mpa、管路无渗漏；手动阀门检查：检查各手动阀门开关状态；
电动阀门开关及阀门开度测试：可以通过本地或远程测试电动阀门与现场实际反馈的结果进行对比，也可以在阀门控制柜上对阀门进行操作，验证其开关、调节能力；
（2）冷机及辅助设备检查制冷机组控制系统检查：界面参数、制冷剂系统、润滑油系统以及电控系统。
制冷机组运行检测及保护装置检查：压力传感器、温度传感器、流量剂，水流开关等；
（3）控制系统检查BA系统DDC箱检查：DDC箱供电、DDC模块运行状态、接线端子检查紧固；
阀门控制箱检查：控制电源、控制线路、阀门状态指示；
2.2 预冷模式切换演练
演练是提升应急处理能力的一个重要手段，切换前组织切换演练，通过演练，一是可以检验预案的实用性、可用性及可靠性；二是可以让操作者详细了解切换步骤，明确操作人员自己的职责，三是模拟在实际操作过程中可能遇到的问题进行相应的应急处理，提高现场的应急处理能力。
三
预冷模式切换操作
制冷系统架构不同，BA系统的控制逻辑不同，都会产生出不同的切换逻辑以及切换方法，以下针对如图一所示制冷系统架构介绍预冷模式的切换，并且默认冷却塔与制冷单元一一对应，而非并联运行；
3.1 手动选择运行模式的切换操作过程
当湿球温度满足8℃≤Tw≤15℃持续1h时，BA系统会根据逻辑运行开始执行自动切换，但针对模式切换的操作，运维人员一般会选择手动控制模式切换，避免自动切换，因为如果采用自动切换，在过渡季节室外湿球温度变化反复无常，系统会在模式之间来回频繁切换，此时，运维人员选择最佳的模式切换操作，即人为参与后，才能开始模式切换；（1）设置冷却水回水温度值：模式切换前，优先保证冷却水回水温度，当模式从制冷模式切换至预冷模式时，需要快速将冷却水温度降下来，此时将冷却塔高频运行，冷却塔回水温度降至13-16℃时，恢复冷却塔的自动频率控制；当自由冷却模式切换至预冷模式时，选择降冷却塔低频运行，使冷却塔回水温度升至13-16℃时，恢复冷却塔自动频率控制；（2）选择“启用预冷模式”：当选择手动启动模式切换后，制冷单元开始在线运行完成切换，即整套BA系统的控制逻辑进入预冷模式下的逻辑控制；（3）检查阀门状态变化：BA系统选择“预冷模式”后，首先是阀门开始动作， 如表一所示，运维人员观察阀门的状态变化，此时循环泵和冷却塔在线运行。（4）检查冷机运行情况：当模式从制冷模式切换至预冷模式后，冷机负荷会下降，此时观察冷机的负荷变化，以及冷机状态参数变化；当模式从自由冷却模式切换至预冷模式时，冷机会自动启动，此时观察冷机负荷加载情况，以及冷机状态参数变化；
（5）观察冷冻水末端供水温度：在模式切换过程中，会引起冷冻水温度的波动，在模式切换完成后，温度会趋于平稳；
3.2 切换过程注意事项
（1）蒸发器水温不应高于冷凝器水温
此为根据不同品牌不同型号的冷水机组的厂家要求，同时也可以根据热力学第二定律热量传递具有方向性来解释，有限温差传热过程，热量一定自动地从高温物体传向低温物体，而反向过程，热量由低温物体传回高温物体、系统恢复到原状态的过程，则不能自动进行，需要依靠外界的帮助；所以在冷机启动前，需要注意蒸发器水温高于冷凝器水温，否则机组不能启动，或者启动后处于冷凝压力太低而不能正常运行，但此条件并非必要条件。
（2）冷却水回水温度控制
从制冷模式切换至预冷模式时，冷却水回水温度较高，切换前，需要将冷却水回水温度快速降低至13-16℃之间，此时提前调整冷却塔风扇频率，以达到预冷条件下冷却水回水温度。
从自由冷却模式切换至预冷模式时，冷却水回水温度较低，切换前，需要将冷却水回水温度快速升高至13-16℃之间，此时提前采取降低冷却塔风扇频率或关闭冷却塔风扇的措施，以达到预冷条件下冷却水回水温度。
四
预冷模式运行过程控制
4.1 预冷模式运行关注数据
以下是冷冻水供回水在12℃/18℃时预冷模式下运行数据参考值：
逻辑控制
运行数据
湿球温度Tw
8℃<Tw<15℃
冷却塔出水温度T设定值
13℃＜T回＜16℃
冷却塔逼近度
2℃
冷却塔风扇频率控制
根据冷却塔出水温度进行自动调节，或者手动设定冷却塔回水温度值为13℃
冷机蒸发器出水温度
12℃
冷机蒸发器进水温度
14℃~17℃之间
冷机冷凝器出水温度
20℃~25℃之间
冷机冷凝器进水温度
17-18℃之间
板换冷冻水出水温度
14℃~17℃之间
板换冷冻水进水温度
17-18℃之间
板换冷却水出水温度
17-18℃之间
板换冷却水进水温度
13℃＜T回＜16℃
冷却塔风机变频控制
冷塔出水温度设定值控制（设定值参考湿球温度）
冷却水泵变频控制
冷却塔进出水温差控制（也可参考冷机冷凝压力控制）
冷冻水泵频率控制
供水管道末端最不利点压差控制
表三 预冷模式下运行数据参考值
4.2 预冷模式运行控制方法
（1）冷机冷凝压力的控制因冷机在出厂时，厂家会给出产品运行范围，以下是某磁悬浮变频离心式冷水机组的运行范围区间：
图二 磁悬浮变频离心式冷水机组蒸发温度与冷凝温度运行范围可以看出，当冷机蒸发器出水温度在12℃时，冷凝器温度应大于22℃，所以，预冷模式运行期间，需保证冷凝器出水在22℃以上，正常情况下，预冷模式时冷机冷却水进水温度在17-18℃之间，冷凝器出水温度在20-24℃之间，所以部分情况下是不能满足厂家建议值，通过控制V6、V8电动调节阀门的开度，即控制冷机冷却水的进水流量，来保证冷机的冷凝器温度在22℃以上。当运行时，冷机冷凝温度小于22℃时，V6阀门开度减小，V8阀门开度增大，来调整冷凝温度；但过低的冷却水流量可能导致冷机不能正常运行，所以，需要合理控制V6阀门的最大开度比例设定值，另外需要控制冷却水回水温度，不能低于13℃。当然，在控制V6、V8开度的同时，调整冷却水泵的频率也是不错的选择，应当采取阀门和水泵同调的运行策略，以达到预冷模式的最优运行；
（2）冷机负荷控制
当冷水机组负荷小于30%时，需要注意冷机是否会出现喘振的现象；
（3）防止板换反做功现象
当冷却水的回水温度超过18℃时，即超过冷冻水回水温度时，板式换热起将起不到降温的作用，反而会提升冷冻水回水温度，导致冷机负荷上升，失去预冷的作用，此时需要考虑将预冷模式切换至冷机模式；
4.3 预冷模式的逻辑控制技巧
（1）解决预冷模式和板换模式频繁切换引起的系统稳定问题
在首次将运行模式从板换模式切换至预冷模式之后，系统的阀门状态、控制逻辑都恢复为预冷模式下控制逻辑，此时，夜间温度降低时，需要切换回板换模式，在一段时间内，可能需要重复性的进行模式切换的操作，但这个问题可以从控制逻辑方面来解决。在预冷模式的控制逻辑下，因室外温度降低，冷却水回水温度同时降低，则增加冷水机组的关闭逻辑，但是阀门状态依然维持预冷模式下的阀门状态，冷机关闭后循环泵和冷却塔的控制逻辑恢复为板换模式时的控制逻辑，当白天气温上升时，冷水机组根据冷冻水的出水温度启动，循环泵和冷却塔风扇频率根据冷机的启动恢复为预冷模式下的控制逻辑，如此避免了阀门的频繁切换问题，同时避免系统的频繁波动问题。
（2）预冷模式下冷机冷凝温度的控制逻辑
前文讲到，预冷模式下，控制冷机的冷凝温度很重要，可以保证冷水机组的安全运行。如何控制冷机的冷凝温度，可以采取不同的控制逻辑：根据冷机的冷凝温度控制：设定冷机的冷凝温度为22℃以上（冷凝温度越低能耗越低，但是不能小于22℃）来调节V6、V8的阀门开度；根据冷机的冷凝压力控制：设定冷机的冷凝压力（表压）为508kpa以上，即在冷凝温度为22℃时饱和状态下的制冷剂的压力，来调节V6、V8的阀门开度；根据冷机的高低压压比：当冷冻水出水温度为12℃时，默认蒸发器小温差1℃，则知制冷剂饱和状态下的蒸发器压力为329kpa，绝对压力为429kPa，而要满足冷凝压力508kPa,绝对压力为608kPa,则压比为608kPa/429kPa=1.41，即根据压力设定值在1.41之上的设定值来调节V6、V8的阀门开度；
以上三种控制方式实际原理一致，都是为了能够满足冷机冷凝温度在22℃以上的运行目的，不同的BA系统可以选择不同的逻辑控制方式。
五
预冷模式能耗分析
断预冷模式是否节能，室外温度和预冷系统功耗是非常关键的因素，判断标准是同一室外环境温度下，冷机的能效比可以通过以下计算公式计算：
式中：EER为制冷系统能效比， Q为制冷系统制冷量（kW），Pc为压缩机功率，Pfc为冷却塔风机功率，Pb为系统循环泵功率；当已知IT设备负荷为3200kW时,可以计算出冷量需求为4200kW;定义制冷机组低温冷源为t0=12℃，高温热源为tk=25℃，则T0= 285.15K，Tk=298.15K，可以计算出理想工况下逆卡诺循环的COP值：
在综合考虑各种不利因素的情况下以及运维实践，特定义冷水机组在此工况下的COP为定值11；由此，可已计算出冷机不同温差下的冷负荷及能耗数据；
冷机不同温差下的冷负荷及其制冷综合能耗以及节能率的计算如下：
通过以上数据，得出冷机不同温差下预冷模式与冷机模式相比节能率：
以上数据是基于理论情况下的计算数据，在实际运行过程中可能会产生一定偏差，但通过数据分析，可以得知，采用预冷模式时能够极大的节能能耗，降低压缩机的耗功。
