CN106885326A - 一种动力式热管背板空调系统及其控制方法 - Google Patents

一种动力式热管背板空调系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动力式热管背板空调系统及其控制方法，系统包括制冷剂泵、储液器、冷凝器和若干背板空调；每个背板空调分别与制冷剂进液支管和制冷剂回气支管相连，背板空调与制冷剂进液支管的连接管路上设有电子膨胀阀；每个背板空调设有控制系统、换热器、空气过滤网以及多台风机，每个背板空调的风机至少分成两组，每组包括至少一台风机，每组风机作用区域的送风侧设有送风温度传感器，回风侧设有回风温度传感器。本发明使得背板空调应用于动力式系统，在系统管路上增加制冷剂泵，保证系统循环的动力；并且采用电子膨胀阀精确控制系统的循环流量，有效解决现有背板空调的不足。

Description

一种动力式热管背板空调系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种动力式热管背板空调系统及其控制方法，特别是涉及一种应用于数据中心的节能型空调系统。
背景技术
近年来，随着数据中心的发展，单个机柜的发热量越来越高，采用传统的直膨式机房空调或冷冻水机房空调已经很难解决这类高热密度机房的散热事宜，很容易在局部产生热点。背板空调安装于机柜的后门处，贴近机柜热源，可以有效解决上述问题。
但是目前背板空调方案仍存在一些问题：1、现在的背板空调基本上是为重力式热管，将水冷冷凝器高于背板空调进行安装，对安装距离与安装高度有一定的要求；2、现在的背板空调均是被动调节流量，没有主动调节流量装置；3、现有的热管背板产品多使用多风机，但是风机一起调节。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明提供一种动力式热管背板空调系统及其控制方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种动力式热管背板空调系统，包括制冷剂泵、储液器、冷凝器和若干背板空调；每个背板空调分别与制冷剂进液支管和制冷剂回气支管相连，制冷剂进液支管连接到制冷剂进液总管，制冷剂回气支管连接到制冷剂回气总管，制冷剂回气总管与冷凝器相连，制冷剂进液总管与制冷剂泵相连，储液器位于制冷剂泵和冷凝器之间；背板空调与制冷剂进液支管的连接管路上设有电子膨胀阀；每个背板空调设有控制系统、换热器、空气过滤网以及多台风机，每个背板空调的风机至少分成两组，每组对应背板空调上的一个区域，每组包括至少一台风机，每组风机作用区域的送风侧设有送风温度传感器，回风侧设有回风温度传感器；控制系统分别与送风温度传感器、回风温度传感器以及电子膨胀阀相连。
作为优选，风机采用PWM无级调速的轴流风机。
作为优选，背板空调上的风机从上至下平均分组。
一种动力式热管背板空调系统的控制系统包括：
温度检测模块，与各温度传感器连接，用于获取各个区域的回风温度检测值和送风温度检测值；
风机控制模式判定模块，输出风机控制模式信号，包括独立控制模式和均匀控制模式；
风机独立控制模块，与风机相连，用于根据各个区域的回风温度检测值与回风温度设定值进行PID调节，输出各个区域的风机转速控制信号；
风机均匀控制模块，与风机相连，用于根据所有区域的平均回风温度与回风温度设定值得到风机转速基准值，再根据各个区域的回风温度检测值与平均回风温度的差值得到各组风机的增减因子，结合风机转速基准值和增减因子确定各组风机的转速，输出各个区域的风机转速控制信号；
电子膨胀阀控制模块，与电子膨胀阀相连，用于根据所有区域的送风平均温度与送风温度设定值对电子膨胀阀开度进行PID调节，输出电子膨胀阀开度控制信号。
一种动力式热管背板空调系统的控制方法，包括如下步骤：
(1)检测获得各个区域的回风温度检测值和送风温度检测值；
(2)判断当前风机控制模式，若是独立控制模式则：每个区域的风机转速根据各自相应的回风温度检测值与回风温度设定值进行PID调节；若是均匀控制模式则：根据所有区域的平均回风温度与回风温度设定值得到风机转速基准值，再根据各个区域的回风温度检测值与平均回风温度的差值得到各组风机的增减因子，结合风机转速基准值和增减因子确定各组风机的转速；
(3)根据所有区域的送风平均温度与送风温度设定值对电子膨胀阀开度进行PID调节。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种动力式热管背板空调系统及其控制方法，可以使得背板空调应用于动力式系统，在系统管路上增加制冷剂泵，保证系统循环的动力；另一方面，背板空调机组采用电子膨胀阀精确控制系统的循环流量，有效解决现有背板空调的不足。对风机进行分组，采用分区控制，可以控制背板的送风温度不大于设定温度，且从上到下保证机组具有均匀的送风温度。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图1中，1-手动球阀，2-电子膨胀阀，3-背板空调，4-风机，11-制冷剂进液支管，12-制冷剂回气支管，13-制冷剂进液总管，14-制冷剂回气总管，21-制冷剂泵，22-储液器，24-水冷冷凝器，31-冷冻水进水管，32-冷冻水出水管。
图2为本发明实施例中背板空调风机分组示意图。
图3为本发明实施例中背板空调的控制系统原理示意图。
图4为本发明实施例的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明实施例公开的一种动力式热管背板空调系统，主要包括制冷剂泵21、储液器22、冷凝器24和若干背板空调3；每个背板空调3分别与制冷剂进液支管11和制冷剂回气支管12相连，制冷剂进液支管11连接到制冷剂进液总管13，制冷剂回气支管12连接到制冷剂回气总管14，制冷剂回气总管14与冷凝器24相连，制冷剂进液总管13与制冷剂泵21相连，储液器22位于制冷剂泵21和冷凝器24之间；背板空调3与制冷剂进液支管11的连接管路上设有电子膨胀阀2。
该背板空调3主要由换热器、多台风机4、电子膨胀阀2、温湿度传感器、空气过滤网，多组送风温度传感器和多组回风温度传感器以及控制系统组成。每个背板空调的风机4至少分成两组，每组对应背板空调上的一个区域，每组包括至少一台风机4，每组风机作用区域的送风侧设有送风温度传感器，回风侧设有回风温度传感器；控制系统分别与送风温度传感器、回风温度传感器以及电子膨胀阀2相连。
如图2所示的背板空调由24个DC轴流风机组成，风机采用PWM无级调速。24个风机从上到下分为4组，相应的将背板空调从上到下分为4个区域，每个区域的回风侧和送风侧均布置有温度传感器探头，可以探测各个区域的回风温度和送风温度。
如图3所示，动力式热管背板空调系统的控制系统设有温度检测模块，风机控制模块和电子膨胀阀控制模块，风机控制模块包括风机控制模式判定模块，风机独立控制模块和风机均匀控制模块。温度检测模块与各温度传感器连接，用于获取各个区域的回风温度检测值和送风温度检测值；风机控制模式判定模块，输出风机控制模式信号，包括独立控制模式和均匀控制模式；风机独立控制模块，与风机相连，用于根据各个区域的回风温度检测值与回风温度设定值进行PID调节，输出各个区域的风机转速控制信号；风机均匀控制模块，与风机相连，用于根据所有区域的平均回风温度与回风温度设定值得到风机转速基准值，再根据各个区域的回风温度检测值与平均回风温度的差值得到各组风机的增减因子，结合风机转速基准值和增减因子确定各组风机的转速，输出各个区域的风机转速控制信号；电子膨胀阀控制模块，与电子膨胀阀相连，用于根据所有区域的送风平均温度与送风温度设定值对电子膨胀阀开度进行PID调节，输出电子膨胀阀开度控制信号。
图4为本发明背板空调系统的控制方法流程图。控制目的：主要控制背板的送风温度不大于设定温度(默认为24℃)，且从上到下保证机组具有均匀的送风温度。风机采用分区控制，各组的风机转速根据对应的各个区域的回风温度进行调节。具有独立控制和均匀控制两种控制模式。
系统开机后，若室内有制冷需求，则循环进行风机控制和电子膨胀阀控制。若风机设定为独立控制模式，则各组的风机转速根据各组相应的回风温度检测值Tri与设定温度进行PID调节，且四个区域风机转速互不影响。具体实施方法如下：
1)控制系统的温度检测模块采集4组回风温度检测值Tri和4组送风温度检测值Tsi，i＝1,…,N，N为风机分组数，本例中N＝4；
2)根据各组的回风温度检测值Tri与回风温度设定值Trset计算相应区域的风机转速Ai：
其中，Trik为k时刻测得的第i组回风温度，Trik-1为相对于Trik前一时刻测得的第i组回风温度，采样间隔可取10s；Pr、Ir、Dr分别为比例、积分、微分常数；Max为最大输出，可取255。
若风机设定为均匀控制模式，则采用协同控制的理念，使得四个区域的风机转速相互协同工作，利用制冷剂的换热特性，使其送风温度从上到下均匀稳定。具体实施方法如下：
1)控制系统的温度检测模块采集4组回风温度检测值Tri和4组送风温度检测值Tsi；
2)计算平均回风温度Tr和平均送风温度Ts；
3)根据平均回风温度Tr与回风温度设定值Trset计算风机转速基准值Ao：
其中，Trk为k时刻的平均回风温度，Trk-1为相对于Trk前一时刻的平均回风温度。
4)根据各个区域的回风温度Tri与平均回风温度Tr的差值，计算相应的比例Aci＝(Tr-Tri)/P。其中，P为均匀比例因子，P的取值根据机柜中服务器放置的均匀性进行设定。当服务器负载从上到下比较均匀时，P值设置越大；当服务器负载从上到下不均匀时，P值设置越小。
5)各区域的风机转速为Ai＝Ao+Aci。
电子膨胀阀控制的具体实施方法如下：
1)控制系统的温度检测模块采集4组送风温度检测值Tsi；
2)计算平均送风温度Ts；
3)若|Ts-Tsset|＞ΔTs则根据平均送风温度Ts与送风温度设定值Tsset对电子膨胀阀开度进行PID调节，否则保持开度不变，其中△Ts为送风温度回差。

Claims (7)

1.一种动力式热管背板空调系统，其特征在于：包括制冷剂泵(21)、储液器(22)、冷凝器(24)和若干背板空调(3)；每个背板空调(3)分别与制冷剂进液支管(11)和制冷剂回气支管(12)相连，所述制冷剂进液支管(11)连接到制冷剂进液总管(13)，所述制冷剂回气支管(12)连接到制冷剂回气总管(14)，制冷剂回气总管(14)与冷凝器(24)相连，制冷剂进液总管(13)与制冷剂泵(21)相连，储液器(22)位于制冷剂泵(21)和冷凝器(24)之间；背板空调(3)与制冷剂进液支管(11)的连接管路上设有电子膨胀阀(2)；每个背板空调(3)设有控制系统、换热器、空气过滤网以及多台风机(4)，每个背板空调的风机(4)至少分成两组，每组对应背板空调上的一个区域，每组包括至少一台风机(4)，每组风机作用区域的送风侧设有送风温度传感器，回风侧设有回风温度传感器；所述控制系统分别与送风温度传感器、回风温度传感器以及电子膨胀阀(2)相连。
2.根据权利要求1所述的一种动力式热管背板空调系统，其特征在于：所述风机(4)采用PWM无级调速的轴流风机。
3.根据权利要求1所述的一种动力式热管背板空调系统，其特征在于：所述背板空调上的风机(4)从上至下平均分组。
4.根据权利要求1所述的一种动力式热管背板空调系统，其特征在于：所述背板空调的控制系统包括：
温度检测模块，与各温度传感器连接，用于获取各个区域的回风温度检测值和送风温度检测值；
风机控制模式判定模块，输出风机控制模式信号，包括独立控制模式和均匀控制模式；
风机独立控制模块，与风机相连，用于根据各个区域的回风温度检测值与回风温度设定值进行PID调节，输出各个区域的风机转速控制信号；
风机均匀控制模块，与风机相连，用于根据所有区域的平均回风温度与回风温度设定值得到风机转速基准值，再根据各个区域的回风温度检测值与平均回风温度的差值得到各组风机的增减因子，结合风机转速基准值和增减因子确定各组风机的转速，输出各个区域的风机转速控制信号；
电子膨胀阀控制模块，与电子膨胀阀相连，用于根据所有区域的送风平均温度与送风温度设定值对电子膨胀阀开度进行PID调节，输出电子膨胀阀开度控制信号。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种动力式热管背板空调系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)检测获得各个区域的回风温度检测值和送风温度检测值；
(2)判断当前风机控制模式，若是独立控制模式则：每个区域的风机转速根据各自相应的回风温度检测值与回风温度设定值进行PID调节；若是均匀控制模式则：根据所有区域的平均回风温度与回风温度设定值得到风机转速基准值，再根据各个区域的回风温度检测值与平均回风温度的差值得到各组风机的增减因子，结合风机转速基准值和增减因子确定各组风机的转速；
(3)根据所有区域的送风平均温度与送风温度设定值对电子膨胀阀开度进行PID调节。
6.根据权利要求5所述的一种动力式热管背板空调系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中风机均匀控制模式的具体步骤包括：
(2.1)将获得的各个区域的回风温度检测值求均值得到平均回风温度Tr；
(2.2)根据平均回风温度Tr与回风温度设定值Trset的差值计算风机转速基准值Ao；
(2.3)根据各个区域的回风温度检测值Tri与平均回风温度Tr的差值，计算相应的增减因子Aci＝(Tr-Tri)/P，其中P为均匀比例因子，i＝1,…,N，N为风机分组数；
(2.4)根据风机转速基准值和增减因子确定各区域的风机转速为Ai＝Ao+Aci。
7.根据权利要求6所述的一种动力式热管背板空调系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(2.2)中Ao的计算方法为：
A o = ( Tr k - T r s e t ) P r * M a x + Σ j = 0 k ( Tr j - T r s e t ) P r * I r * M a x + ( Tr k - 1 - Tr k ) P r * D r * M a x
其中，Trk为k时刻的平均回风温度，Trk-1为相对于Trk前一时刻的平均回风温度，Pr、Ir、Dr分别为比例、积分、微分常数，Max为最大输出。
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