CN107906640A - 一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统及其控制方法，其中，空调系统包括：制冷模块、蓄冷模块及控制模块，所述蓄冷模块包括：蓄冷装置、蓄冷泵及若干个电动二通阀，所述蓄冷装置内设置有相变材料；所述控制模块包括：送风温度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、回风温度传感器及控制板。本发明提供的用于数据中心的集成蓄冷空调系统，使得空调系统可在压缩机停止运行后，仍然可通过相变材料释放冷量保持一定时间内的相对恒定冷量输出，减少压缩机启停次数，保证数据中心机房长期稳定可靠运行。

Description

一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及数据中心的空调系统，尤其涉及的是一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统及其控制方法。

背景技术

目前数据中心行业的诸多机房，IT负载功率往往与满载运行时相差较大，在前期设计匹配空调时，一般情况是按照IT服务器满载运行时进行配置的，实际运行时，IT负载可能只输出50%左右的热负载，这就与空调的制冷量输出极度不匹配，此种情况普遍存在于目前的机柜式数据中心产品与模块化数据中心场合中，对IT服务器的正常运行产生不良影响。

对于定频空调系统而言，当负载与制冷量不匹配时，会产生压缩机频繁启停的状况，压缩机开启运行时间很短，就触发停机指令。压缩机频繁启停容易导致压缩机本体寿命缩短，且频繁启停产生的启动冲击电流，对数据中心电网稳定也不利。

对于变频空调系统而言，当数据中心IT负载过小时，压缩机长期运行在低频率段，对于压缩机本身而言，由于运行频率低，压缩机转速慢，回油效率差，长期运行亦会产生压缩机油面过低，影响压缩机本体电机散热等问题，对压缩机长期安全可靠运行不利。

可见，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统及其控制方法，旨在解决现有技术中数据中心压缩机日常运行负载与空调系统输出制冷量不匹配，导致压缩机频繁启停的问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统，包括制冷模块、热通道及冷通道，所述制冷模块包括循环连接的压缩机、冷凝器及蒸发器；其中，所述用于数据中心的集成蓄冷空调系统还包括：蓄冷模块及控制模块；

所述蓄冷模块包括：蓄冷装置、蓄冷泵及若干个电动二通阀，所述蓄冷装置内设置有相变材料，所述相变材料可在压缩机运行且电动二通阀打开时储存制冷模块所输出制冷量的裕量，以及压缩机关闭且电动二通阀打开时与热回风气流进行冷热交换，以使冷通道内的温度值处于预设范围内；若干个所述电动二通阀并列设置，受控于控制模块中的控制板；所述蓄冷泵连接于所述蓄冷装置与电动二通阀之间；

所述控制模块包括：送风温度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、回风温度传感器及控制板；所述送风温度传感器位于冷通道内，用于实时检测制冷模块的送风温度，并发送至控制板；所述第一温度传感器位于蓄冷装置内，用于实时检测相变材料的温度值，并发送至控制板；所述第二温度传感器位于机房内，用于实时检测数据中心内的温度值，并发送至控制板；所述回风温度传感器位于热通道内，用于实时检测回风气流的温度值，并发送至控制板；

所述控制板用于根据送风温度传感器所发送来的送风温度值，控制电动二通阀开度；接收第一温度传感器所发送来的相变材料温度值，判断相变材料温度值是否保持恒定，且恒定时间大于等于第一阈值，并控制电动二通阀关闭；接收第二温度传感器所发送来的数据中心温度值，判断数据中心温度值是否小于等于第二阈值，并控制压缩机停止运行，并控制电动二通阀打开；以及接收回风温度传感器发送来的回风气流温度值，判断回风气流温度值是否大于等于第三阈值，并控制压缩机重新启动。

进一步地，当制冷模块的送风温度大于等于24℃时，电动二通阀开度为0至10%；

当制冷模块的送风温度大于等于23℃且小于24℃时，电动二通阀开度为20%；

当制冷模块的送风温度大于等于22℃且小于23℃时，电动二通阀开度为30%；

当制冷模块的送风温度大于等于21℃且小于22℃时，电动二通阀开度为40%；

当制冷模块的送风温度大于等于20℃且小于21℃时，电动二通阀开度大于40%且小于等于60%；

当制冷模块的送风温度大于等于19℃且小于20℃时，电动二通阀开度大于60%且小于等于80%；

当制冷模块的送风温度大于18℃且小于19℃时，电动二通阀开度大于80%且小于100%；

当制冷模块的送风温度小于等于18℃时，电动二通阀开度为100%。

进一步地，所述蓄冷泵与电动二通阀之间设置有蓄冷盘管，所述蓄冷盘管与蒸发器皆位于接水盘上。

进一步地，所述蓄冷盘管与蒸发器相贴合，热回风气流先后经过蒸发器与蓄冷盘管。

进一步地，所述蓄冷装置用于安装在室外，所述蓄冷装置及电动二通阀经由连接管路形成有一循环回路，所述循环回路上设置有一干冷器。

进一步地，所述干冷器连接有第一电磁阀，所述第一电磁阀连接于控制板，用于在室外温度适于作为自然冷源时打开。

进一步地，所述第一电磁阀并联连接有第二电磁阀，所述第二电磁阀连接于控制板，用于在室外温度不适于作为自然冷源时打开。

进一步地，所述蒸发器设置有若干个，且若干个蒸发器与若干个电动二通阀一一对应连接，每个蒸发器皆连接有一膨胀阀。

进一步地，所述蓄冷泵具有变频功能，用于根据室内机的流量需求进行流量调节。

一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统的控制方法，其中，所述控制方法包括步骤如下：

压缩机启动，制冷模块开始制冷；

冷通道内的送风温度传感器实时检测制冷模块的送风温度，并发送至控制板；

控制板根据送风温度传感器所发送来的送风温度值，控制电动二通阀开度；

蓄冷装置内的相变材料与经过电动二通阀后的气流进行冷热交换；

蓄冷装置内的第一温度传感器实时检测相变材料的温度值，并发送至控制板；

控制板接收第一温度传感器所发送来的相变材料温度值，并判断相变材料温度值是否保持恒定，且恒定时间大于等于第一阈值；若是，则控制板控制电动二通阀关闭；

数据中心内的第二温度传感器实时检测数据中心内的温度值，并发送至控制板；

控制板接收第二温度传感器所发送来的数据中心温度值，并判断数据中心温度值是否小于等于第二阈值；若是，则控制板控制压缩机停止运行，并控制电动二通阀打开；

相变材料与热回风气流进行冷热交换，以使冷通道内的温度值处于预设范围内；

热通道内的回风温度传感器实时检测回风气流的温度值，并发送至控制板；

控制板接收回风温度传感器发送来的回风气流温度值，并判断回风气流温度值是否大于等于第三阈值；若是，则控制板控制压缩机重新启动。

与现有技术相比，本发明提供的用于数据中心的集成蓄冷空调系统，由于采用了多个电动二通阀及设置有相变材料的蓄冷装置，使得空调系统可在压缩机停止运行后，仍然可通过相变材料释放冷量保持一定时间内的相对恒定冷量输出，减少压缩机启停次数，保证数据中心机房长期稳定可靠运行。

附图说明

图1是本发明中用于数据中心的集成蓄冷空调系统较佳实施例的结构示意图。

图2是本发明中用于数据中心的集成蓄冷空调系统较佳实施例中蒸发器及蓄冷盘管位置关系示意图。

图3是本发明中用于数据中心的集成蓄冷空调系统较佳实施例中蒸发器及蓄冷盘管安装于室内机的位置示意图。

具体实施方式

本发明提供一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统及其控制方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统（以下简称空调系统），其较佳实施例如图1所示，包括：依次连接的压缩机110、冷凝器120、膨胀阀130及蒸发器140，压缩机110、冷凝器120、膨胀阀130及蒸发器140构成了本发明空调系统中的制冷模块100，压缩机110从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力，从而实现压缩→冷凝(放热)→膨胀→蒸发( 吸热 ) 的制冷循环。

本发明重点改进之处在于，还包括：蓄冷模块200及控制模块（未图示），蓄冷模块200包括图1所示的电动二通阀210、第一电磁阀220、干冷器230、第二电磁阀240、蓄冷装置250、蓄冷泵260及蓄冷盘管270，其中第一电磁阀220、干冷器230及第二电磁阀240是可以不设置的，本发明将在另一较佳实施例中详述。

所述电动二通阀210设置于蓄冷盘管270的进口端，设置有若干个，与若干个蒸发器140一一对应连接，且若干个电动二通阀210皆受控于控制模块中的控制板，用于在受控板的控制下，根据制冷模块100的送风温度调整好开度后，将制冷模块100的多余制冷量释放至蓄冷装置250。

所述蓄冷装置250内设置有相变材料，所述相变材料在用于在压缩机110运行且电动二通阀210打开时储存制冷模块100所输出制冷量的裕量，以及压缩机110关闭且电动二通阀210打开时与热回风气流进行冷热交换，以使冷通道内的温度值处于预设范围内。蓄冷装置250大小可根据数据中心IT服务器的热负载进行匹配确定，如需要更长时间的蓄冷以及后备供冷功能，则蓄冷装置250可设计的更大，可储存的冷量就越多。

所述蓄冷泵260为蓄冷变频泵，具备变频功能，可根据不同室内机的流量需求进行流量调节，节能高效。

控制模块包括：送风温度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、回风温度传感器及控制板。

所述送风温度传感器位于冷通道内，用于实时检测制冷模块100的送风温度，并发送至控制板；当控制板接收到送风温度传感器所发送来的送风温度值后，将根据送风温度传感器所发送来的送风温度值，控制电动二通阀210开度。

当制冷模块100送风温度接近或低于18℃时，说明此时空调系统的制冷能力远大于IT服务器的热负载输出，此时电动二通阀210开度为100%，以将多余的冷量最大化进行储存。此后将用到第一温度传感器，当第一温度传感器持续检测相变材料温度恒定在某个值，且超过设定稳定时间△H后，此时默认蓄冷装置250内部相变材料所储存的冷量已达到最大化，为节省资源，蓄冷泵260将停止工作，且电动二通阀210将关闭。

当制冷模块100送风温度接近或高于24℃时，说明此时空调系统的制冷能力与IT服务器热负荷输出相对匹配，此时二通阀基本全关，即此时没有过多的制冷量余量可供储存。

电动二通阀210比例开度&与其输出电压U及制冷模块100送风温度T的具体对应关系，如下表所示：

需要说明的是，当送风温度T大于等于24℃时，电动二通阀210比例开度&可为0，也就是全部关闭，那么其输出电压U也将变为0V，因此，电动二通阀210的输出电压范围为0V至5V。

当数据中心IT服务器热负荷P小于制冷模块100的制冷量最小输出值Q时，开启电动二通阀210，按照送风温度以及预设表格运算程序进行开度比例输出，此时蒸发器140不断进行吸热制冷，同时蓄冷盘管270同步进行多余冷量储存，经过蓄冷盘管270后的气流温度下降幅度将减缓，控制空调送风温度符合国标要求，当温度继续下降至停机温度值时，此时触发停机指令，控制模块输出压缩机110停止动作指令，此时电动二通阀210将全开，确保压缩机110停机后，蓄冷模块200能有较长的时间持续输出冷量，确保冷通道温度符合要求以及可完全避免压缩机110停机后产生热回风气流瞬间循环进入冷通道从而出现的凝露问题。

当蓄冷装置250储存的冷量不断被利用后，温度逐渐上升，已经不足以继续冷却热回风气流时，回风温度传感器检测到回风温度已达到开机温度时，控制模块输出压缩机110开机的指令，此时压缩机110开启，制冷模块100重新启动制冷运行。同时，控制模块根据空调送风温度检测与输出二通阀相应动作开启指令，继续执行蓄冷模块200的蓄冷功能。

当压缩机110停止运行后，蓄冷模块200开始工作，由于蓄冷模块200就只有一个蓄冷泵260输出功率，因此此时的制冷能效远高于制冷模块100，很大程度上进行了节能。

同时，在数据中心服务器出现紧急情况，如压缩机110故障等，通过蓄冷模块200亦可在较长一段时间内确保服务器的温度不会上升过快，给售后处理预留了很大的时间，数据中心机房可靠等级高。

所述第一温度传感器位于蓄冷装置250内，用于实时检测相变材料的温度值，并发送至控制板；当控制板接收到第一温度传感器所发送来的相变材料温度值后，将判断相变材料温度值是否保持恒定，且恒定时间大于等于第一阈值△H，并在得到确定结果后控制电动二通阀210关闭。

所述第二温度传感器位于机房内，用于实时检测数据中心内的温度值，并发送至控制板；当控制板接收到第二温度传感器所发送来的数据中心温度值后，将判断数据中心温度值是否小于等于第二阈值，并在得到确定结果后，控制压缩机110停止运行，并控制电动二通阀210打开。数据中心内服务器进风温度通常处于18℃至27℃之间，即第二阈值优选值为18℃。

所述回风温度传感器位于热通道内，用于实时检测回风气流的温度值，并发送至控制板；当控制板接收到回风温度传感器发送来的回风气流温度值后，将判断回风气流温度值是否大于等于第三阈值，并在得到确定结果后控制压缩机110重新启动。与第二阈值同理，第三阈值优选值为27℃。

所述蓄冷装置250及电动二通阀210经由连接管路形成有一循环回路，所述干冷器230、第一电磁阀220及第二电磁阀240皆设置于该循环回路上。

干冷器230(DRY COOLER)，即干式冷却器，其工作过程没有水的消耗，是通过管内走液体，管外走自然风来冷却管内液体，降低管内液体温度，达到冷却的目的。在冬天环境温度较低的室外区域，设置干冷器230，从而利用室外温度作为自然冷源，进行室内制冷散热，有利于进一步提高空调系统节能效果。

所述第一电磁阀220作为与干冷器230直接连接的阀门，起到启用干冷器230的作用，其连接于控制板，用于在室外温度适于作为自然冷源时打开。当第一电磁阀220打开时，蓄冷模块200运行流路（循环）为：蓄冷泵260—蓄冷盘管270—电动二通阀210—第一电磁阀220—干冷器230—蓄冷装置250—蓄冷泵260。

而所述第二电磁阀240则与第一电磁阀220并联设置，所述第二电磁阀240也连接于控制板，用于在室外温度不适于作为自然冷源时打开。当第二电磁阀240打开时，蓄冷模块200运行流路（循环）为：蓄冷泵260—蓄冷盘管270—电动二通阀210—第二电磁阀240—蓄冷装置250—蓄冷泵260。

在本发明另一较佳实施例中，所述干冷器230、第一电磁阀220及第二电磁阀240皆不设置，则循环回路上仅有连接管路（在不适宜使用干冷器230的环境中，可节省下干冷器230、第一电磁阀220及第二电磁阀240的成本），此时，蓄冷模块200运行流路（循环）为：蓄冷泵260—蓄冷盘管270—电动二通阀210—蓄冷装置250—蓄冷泵260。

如图2及图3所示，在本发明进一步地较佳实施例中，所述蓄冷盘管270与蒸发器140相贴合，二者共用接水盘，热回风气流先后经过蒸发器140与蓄冷盘管270。

本发明还提供了一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括步骤如下：

压缩机启动，制冷模块开始制冷；

冷通道内的送风温度传感器实时检测制冷模块的送风温度，并发送至控制板；

控制板根据送风温度传感器所发送来的送风温度值，控制电动二通阀开度；

蓄冷装置内的相变材料与经过电动二通阀后的气流进行冷热交换；

蓄冷装置内的第一温度传感器实时检测相变材料的温度值，并发送至控制板；

控制板接收第一温度传感器所发送来的相变材料温度值，并判断相变材料温度值是否保持恒定，且恒定时间大于等于第一阈值；若是，则控制板控制电动二通阀关闭；

数据中心内的第二温度传感器实时检测数据中心内的温度值，并发送至控制板；

控制板接收第二温度传感器所发送来的数据中心温度值，并判断数据中心温度值是否小于等于第二阈值；若是，则控制板控制压缩机停止运行，并控制电动二通阀打开；

相变材料与热回风气流进行冷热交换，以使冷通道内的温度值处于预设范围内；

热通道内的回风温度传感器实时检测回风气流的温度值，并发送至控制板；

控制板接收回风温度传感器发送来的回风气流温度值，并判断回风气流温度值是否大于等于第三阈值；若是，则控制板控制压缩机重新启动。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统，包括制冷模块、热通道及冷通道，所述制冷模块包括循环连接的压缩机、冷凝器及蒸发器；其特征在于，所述用于数据中心的集成蓄冷空调系统还包括：蓄冷模块及控制模块；

所述蓄冷模块包括：蓄冷装置、蓄冷泵及若干个电动二通阀，所述蓄冷装置内设置有相变材料，所述相变材料可在压缩机运行且电动二通阀打开时储存制冷模块所输出制冷量的裕量，以及压缩机关闭且电动二通阀打开时与热回风气流进行冷热交换，以使冷通道内的温度值处于预设范围内；若干个所述电动二通阀并列设置，受控于控制模块中的控制板；所述蓄冷泵连接于所述蓄冷装置与电动二通阀之间；

所述控制模块包括：送风温度传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、回风温度传感器及控制板；所述送风温度传感器位于冷通道内，用于实时检测制冷模块的送风温度，并发送至控制板；所述第一温度传感器位于蓄冷装置内，用于实时检测相变材料的温度值，并发送至控制板；所述第二温度传感器位于机房内，用于实时检测数据中心内的温度值，并发送至控制板；所述回风温度传感器位于热通道内，用于实时检测回风气流的温度值，并发送至控制板；

所述控制板用于根据送风温度传感器所发送来的送风温度值，控制电动二通阀开度；接收第一温度传感器所发送来的相变材料温度值，判断相变材料温度值是否保持恒定，且恒定时间大于等于第一阈值，并控制电动二通阀关闭；接收第二温度传感器所发送来的数据中心温度值，判断数据中心温度值是否小于等于第二阈值，并控制压缩机停止运行，并控制电动二通阀打开；以及接收回风温度传感器发送来的回风气流温度值，判断回风气流温度值是否大于等于第三阈值，并控制压缩机重新启动。

2.根据权利要求1所述的用于数据中心的集成蓄冷空调系统，其特征在于，当制冷模块的送风温度大于等于24℃时，电动二通阀开度为0至10%；

当制冷模块的送风温度大于等于23℃且小于24℃时，电动二通阀开度为20%；

当制冷模块的送风温度大于等于22℃且小于23℃时，电动二通阀开度为30%；

当制冷模块的送风温度大于等于21℃且小于22℃时，电动二通阀开度为40%；

当制冷模块的送风温度大于等于20℃且小于21℃时，电动二通阀开度大于40%且小于等于60%；

当制冷模块的送风温度大于等于19℃且小于20℃时，电动二通阀开度大于60%且小于等于80%；

当制冷模块的送风温度大于18℃且小于19℃时，电动二通阀开度大于80%且小于100%；

当制冷模块的送风温度小于等于18℃时，电动二通阀开度为100%。

3.根据权利要求1所述的用于数据中心的集成蓄冷空调系统，其特征在于，所述蓄冷泵与电动二通阀之间设置有蓄冷盘管，所述蓄冷盘管与蒸发器皆位于接水盘上。

4.根据权利要求3所述的用于数据中心的集成蓄冷空调系统，其特征在于，所述蓄冷盘管与蒸发器相贴合，热回风气流先后经过蒸发器与蓄冷盘管。

5.根据权利要求3所述的用于数据中心的集成蓄冷空调系统，其特征在于，所述蓄冷装置用于安装在室外，所述蓄冷装置及电动二通阀经由连接管路形成有一循环回路，所述循环回路上设置有一干冷器。

6.根据权利要求5所述的用于数据中心的集成蓄冷空调系统，其特征在于，所述干冷器连接有第一电磁阀，所述第一电磁阀连接于控制板，用于在室外温度适于作为自然冷源时打开。

7.根据权利要求6所述的用于数据中心的集成蓄冷空调系统，其特征在于，所述第一电磁阀并联连接有第二电磁阀，所述第二电磁阀连接于控制板，用于在室外温度不适于作为自然冷源时打开。

8.根据权利要求1所述的用于数据中心的集成蓄冷空调系统，其特征在于，所述蒸发器设置有若干个，且若干个蒸发器与若干个电动二通阀一一对应连接，每个蒸发器皆连接有一膨胀阀。

9.根据权利要求1所述的用于数据中心的集成蓄冷空调系统，其特征在于，所述蓄冷泵具有变频功能，用于根据室内机的流量需求进行流量调节。

10.一种用于数据中心的集成蓄冷空调系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括步骤如下：

压缩机启动，制冷模块开始制冷；

冷通道内的送风温度传感器实时检测制冷模块的送风温度，并发送至控制板；

控制板根据送风温度传感器所发送来的送风温度值，控制电动二通阀开度；

蓄冷装置内的相变材料与经过电动二通阀后的气流进行冷热交换；

蓄冷装置内的第一温度传感器实时检测相变材料的温度值，并发送至控制板；

控制板接收第一温度传感器所发送来的相变材料温度值，并判断相变材料温度值是否保持恒定，且恒定时间大于等于第一阈值；若是，则控制板控制电动二通阀关闭；

数据中心内的第二温度传感器实时检测数据中心内的温度值，并发送至控制板；

控制板接收第二温度传感器所发送来的数据中心温度值，并判断数据中心温度值是否小于等于第二阈值；若是，则控制板控制压缩机停止运行，并控制电动二通阀打开；

相变材料与热回风气流进行冷热交换，以使冷通道内的温度值处于预设范围内；

热通道内的回风温度传感器实时检测回风气流的温度值，并发送至控制板；

控制板接收回风温度传感器发送来的回风气流温度值，并判断回风气流温度值是否大于等于第三阈值；若是，则控制板控制压缩机重新启动。