CN109640604A - 增设相变模块的双蒸发器机房空调系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增设相变模块的双蒸发器机房空调系统及其控制方法，系统包括安装在机房外的室外机组和安装在机房内的室内机组，室内机组设置有第一蒸发器，室内机组还设置有集成相变模块的第二蒸发器，所述相变模块内填充有相变材料，所述第二蒸发器的进口和出口各设置有电动二通阀。所述控制方法实现功能，当系统正常工作时，制冷剂通过双蒸发器，相变模块中的相变材料吸收冷量，进行蓄冷；当系统需要检修或出现故障时，相变模块释放冷量到机房，不需要停止服务器。本发明能够有效地解决系统应急蓄冷问题，减少维护工作量，同时可保证机房空调系统的连续稳定运行，进而实现数据中心高效、安全运行，减少系统运行费用和机房空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种双蒸发器机房空调系统及其控制方法，特别是涉及一种增设相变模块的双蒸发器机房空调系统及其控制方法。
背景技术
近年来，随着互联网+的发展，数据中心、超算中心等的数目越来越多，且系统故障损失也越来越高。制冷系统用于移除服务器等设备产生的热量，保证服务器等设备舒适的工作热环境，其可靠性是服务器等设备正常工作的前提。因此，数据机房制冷系统的主要目标是最小化未知的停机时间、保持服务器工作可靠性，同时能最大化能源利用率。目前，直膨式风冷空调系统广泛应用于数据中心等的冷却，但其连续运行时间长、无法停机维护检修，且需要匹配UPS应对电网停电，存在较大的停机故障风险，难以满足数据机房极高的可靠性要求。另一方面，机房的面积及其紧张，采用应急制冷系统需占用较大的机房空间，进一步地，应急制冷系统的初投资高，对于中小型机房的广泛应用受到了限制。
发明内容
发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种增设相变模块的双蒸发器机房空调系统及其控制方法，解决了目前直膨式风冷空调系统故障停机、定期检修时的应急制冷技术难题，提高制冷系统的连续供冷能力，有效地提高了制冷系统的可靠性。
技术方案：本发明所述的增设相变模块的双蒸发器机房空调系统，包括安装在机房外的室外机组和安装在机房内的室内机组，室内机组设置有第一蒸发器，室内机组还设置有集成相变模块的第二蒸发器，所述相变模块内填充有相变材料，所述第二蒸发器的进口和出口各设置有电动二通阀。
进一步的，相变模块安装在所述第二蒸发器的外侧，第二蒸发器嵌入到相变模块中。
进一步的，所述的相变材料为相变温度在19-24℃之间的有机材料、无机材料和有机/无机复合材料的一种或多种。
进一步的，所述无机材料包括Ba(OH)2·8H2O、Zn(NO3)2·6H2O和CaBr2·6H2O的一种或多种，所述有机材料包括石蜡和脂肪酸的一种或多种。
进一步的，所述室内机组包括2个风道，分别设置在第一蒸发器和第二蒸发器上，每个蒸发器上端和下端各设置1个电动风阀。
进一步的，系统还包括设置于室内机组的蒸发风机、设置于室外机组的压缩机和冷凝风机，所述蒸发风机用于加速室内机组的风道中空气流动，所述的冷凝风机用于加速室外机组中冷凝器上的空气流动。
本发明所述的双蒸发器机房空调系统调节方法，基于上述的系统，包括以下步骤：
(1)实时监测系统内供电状态，若供电正常，进入步骤(2)，若供电不正常，进入步骤(3)；
(2)开启第一蒸发器上下端的电动风阀，关闭第二蒸发器上下端的电动风阀，进入步骤(4)；
(3)开启第二蒸发器上下端的电动风阀，关闭第一蒸发器上下端的电动风阀，返回步骤(1)；
(4)通过检测第二蒸发器进口的制冷剂温度和压力计算进口焓值Hin，通过检测第二蒸发器出口的制冷剂温度和压力计算出口焓值Hout；若Hin<Hout+S时，进入步骤(5)；否则，进入步骤(6)，其中，S为是第二蒸发器进出口制冷剂焓差的设定值，用于判断相变模块是否蓄满冷量；
(5)同时开启第二蒸发器进口和出口的电动二通阀，进入步骤(7)；
(6)关闭第二蒸发器进口和出口的电动二通阀，进入步骤(7)；
(7)判断ΔToh，ΔToh＝Toh-Toh,set，其中Toh为第二蒸发器蒸发温度过热度，Toh,set为根据压缩机性能设置的蒸发器蒸发温度过热度，当ΔToh>0时，增加压缩机电机频率，同时增加冷凝风机转速，ΔToh＝0；否则，减少压缩机电机频率和冷凝风机转速，直至ΔToh＝0，且压缩机电机频率不得低于压缩机电机最低频率，返回步骤(1)。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
实时检测机房室内回风温度Treturn，根据数据机房等级设定室内机房温度设定值Tset，计算ΔT，ΔT为机房室内回风温度Treturn与机房室内温度设定值Tset之差；
当ΔT>0且蒸发风机频率小于其运行最大频率时，增加蒸发风机的频率，直至ΔT＝0；
当ΔT<0且蒸发风机频率大于其运行最低频率时，减少蒸发风机频率，直至ΔT＝0。
进一步的，采用PID控制器对蒸发风机、压缩机电机和冷凝风机进行控制，所述PID控制器的输入参数为ΔT和ΔToh，控制器的输出信号控制蒸发风机的转速、压缩机电机频率和冷凝风机的转速。
有益效果：本系统和方法能够在空调正常运行时，对相变模块进行蓄冷，实现服务器负荷增加时缓冲负荷压力，在停机检修或在空调出现故障时，确保15分钟的应急过渡时间，保证服务器正常连续运行。本发明能够有效地节省安装空间，减少维护工作量，应用性强、效率高、效果好，可保证空调系统的长时间连续稳定运行，从而保证数据中心安全、高效运行。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所采用的技术方案是一种增设相变模块的双蒸发器数据中心机房空调，由室外机组8和室内机组9组成，室内机组9安装在数据机房内，室外机组8安装在数据机房外，包括了压缩机1、冷凝器2、冷凝风机3和膨胀阀4，冷凝风机3安装在冷凝器2的外侧。室内机组9设置两个风道，风道中分别放置第一蒸发器5和第二蒸发器6，在进风道的进风口设置过滤器16，并在两个风道两端分别设置一个电动风阀，即第一电动风阀10和第二电动风阀11设置在第一蒸发器5和第二蒸发器6的进风口，第三电动风阀12和第四电动风阀13设置在第一蒸发器5和第二蒸发器6的出风口。蒸发风机7设置在第三电动风阀12和第四电动风阀13的下方，用于调节空调系统与数据机房内的冷热气流交换。冷凝器2分别通过冷媒管连接压缩机1和膨胀阀4，压缩机1的另外一端通过冷媒管和气体分歧管分别连接第一蒸发器5和第二蒸发器6，热力膨胀阀4的另外一端通过冷媒管和液体分歧管分别连接第一蒸发器5和第二蒸发器6的另外一端。压缩机1、冷凝器2、膨胀阀4和蒸发器首尾相连形成循环系统，两个蒸发器5和6是并联连接。本实施例在蒸发器进口进行分液，一部分制冷剂进入第一蒸发器5，其第一蒸发器5为常规蒸发器，另一部分进入第二蒸发器6，第二蒸发器6采用套管式换热器，制冷剂在其内经过，套管内增设相变模块。第一电动二通阀14和第二电动二通阀15分别设置在第二蒸发器6的进出口。双蒸发器运行模式时，开启第一电动二通阀14和打开第二电动二通阀15，冷凝器2出来的制冷剂经过分流，分别进入第一蒸发器5和第二蒸发器6，实现同时向机房制冷和相变模块蓄冷功能。常规蒸发器运行模式时，关闭第一电动二通阀14和打开第二电动二通阀15，冷凝器出来的制冷剂只经过第一蒸发器5向机房室内供冷，而不经过第二蒸发器6。当系统内供电不正常时，进入应急制冷模式，开启第二蒸发器6两端的第二电动风阀11和第四电动风阀13，关闭第一蒸发器5两端第一电动风阀10和第三电动风阀12。当系统的供电正常时，以正常制冷模式运行，开启第一蒸发器5两端的第一电动风阀10和第三电动风阀12，关闭第二蒸发器6两端第二电动风阀11和第四电动风阀13。在数据机房内还可以设置架空地板，架空地板的进风口与蒸发风机7的出风口相对应，架空地板的出风口设置在机房内机架之间的通道上，这样更加有利于发挥空调系统的效果。
利用温度传感器检测机房室内回风温度Treturn、压缩机入口温度Tcom,in、第二蒸发器6的进口制冷剂温度Tin和第二蒸发器6的出口制冷剂温度Tout，利用压力传感器检测第二蒸发器6的进口压力Pin以及第二蒸发器6的出口压力Pout，利用电流传感器检测供电是否正常，利用开关量传感器检测所有电动风阀和制冷剂管道电动二通阀的状态，对本系统进行如下控制：
步骤A：根据数据机房等级设定室内机房温度设定值Tset，并采用PID控制器实现控制。进一步，所述PID控制器的输入参数ΔT是机房室内回风温度Treturn与机房室内温度设定值Tset之差，PID控制的输出信号控制蒸发风机的转速。所述机房室内温度设定值由温度传感器检测。进一步，当蒸发风机频率≤50Hz且运行ΔT>0时，则增加蒸发风机的频率，直至满足室内温度控制需求，即满足ΔT逼近于0；否则，减少蒸发风机7的频率，满足ΔT逼近于0。
步骤B：电流传感器检测供电系统。当供电不正常时，进入步骤B1；否则，进入步骤B2。
步骤B1：开启应急制冷模式，所述应急制冷模式是指开启第二电动风阀11和第四电动风阀13，关闭第一电动风阀10和第三电动风阀12。
步骤B2：开启正常制冷模式，所述正常制冷模式是指开启第一电动风阀10和第三电动风阀12，关闭第二电动风阀11和第四电动风阀13。进入步骤C。
步骤C：检测第二蒸发器6的进口制冷剂温度Tin和压力Pin，检测第二蒸发器6的出口制冷剂温度Tout和压力Pout，并基于焓湿图计算对应的第二蒸发器6的进口焓值Hin和出口焓值Hout，检测所有制冷剂管道电动二通阀的状态，进入步骤C1。
步骤C1：当Hin<Hout+S时，进入步骤C2；否则，进入步骤C3。所述的S指的是增设相变模块的蒸发器2#进出口制冷剂焓差设定值，用于判断相变模块是否蓄满冷量。
步骤C2：开启相变模块蓄冷模式，即双蒸发器运行模式，所述双蒸发器运行模式是指开启第一电动二通阀14和打开第二电动二通阀15，冷凝器出来的制冷剂经过分流，分别进入第一蒸发器5和第二蒸发器6，实现同时向机房制冷和相变模块蓄冷功能。然后进入步骤D。
步骤C3：开启常规蒸发器运行模式，所述常规蒸发器运行模式是指关闭第一电动二通阀14和打开第二电动二通阀15，冷凝器出来的制冷剂只经过第一蒸发器5向机房室内供冷，而不经过第二蒸发器6。然后进入步骤D。
步骤D：根据压缩机性能设置蒸发器蒸发温度过热度Toh,set，并采用PID控制器实现控制。所述过热度是指蒸发器制冷剂温度与蒸发器制冷剂压力对应下的饱和温度之差，其中制冷剂的饱和温度与压力一一对应，可以基于焓湿图计算获得。所述PID控制器的输入参数ΔToh是实际过热度Toh与设定过热度Toh,set之差。当ΔToh>0时，PID控制器的输出信号是增加压缩机电机频率，同时增加冷凝风机风速；否则，减少压缩机电机频率和冷凝风机转速，并不得低于风机最低频率。所述压缩机电机频率和冷凝风机转速可以实现联动控制。
通过本系统增设的一个相变模块和与之相应的控制调节方法，可以在负荷增加、停机检修或在空调出现故障时，确保数据中心的冷负荷要求和15分钟的供冷过渡时间。
Claims (9)
1.一种增设相变模块的双蒸发器机房空调系统，包括安装在机房外的室外机组和安装在机房内的室内机组，室内机组设置有第一蒸发器，其特征在于：室内机组还设置有集成相变模块的第二蒸发器，所述相变模块内填充有相变材料，所述第二蒸发器的进口和出口各设置有电动二通阀。
2.根据权利要求1所述的增设相变模块的双蒸发器机房空调系统，其特征在于：相变模块安装在所述第二蒸发器的外侧，第二蒸发器嵌入到相变模块中。
3.根据权利要求1所述的增设相变模块的双蒸发器机房空调系统，其特征在于：所述的相变材料为相变温度在19-24℃之间的有机材料、无机材料和有机/无机复合材料的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的增设相变模块的双蒸发器机房空调系统，其特征在于：所述无机材料包括Ba(OH)2·8H2O、Zn(NO3)2·6H2O和CaBr2·6H2O的一种或多种，所述有机材料包括石蜡和脂肪酸的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的增设相变模块的双蒸发器机房空调系统，其特征在于：所述室内机组包括2个风道，分别设置在第一蒸发器和第二蒸发器上，每个蒸发器上端和下端各设置1个电动风阀。
6.根据权利要求5所述的增设相变模块的双蒸发器机房空调系统，其特征在于：系统还包括设置于室内机组的蒸发风机、设置于室外机组的压缩机和冷凝风机，所述蒸发风机用于加速室内机组的风道中空气流动，所述的冷凝风机用于加速室外机组中冷凝器上的空气流动。
7.一种增设相变模块的双蒸发器机房空调系统调节方法，基于权利要求5所述的系统，其特征在于包括以下步骤：
(1)实时监测系统内供电状态，若供电正常，进入步骤(2)，若供电不正常，进入步骤(3)；
(2)开启第一蒸发器上下端的电动风阀，关闭第二蒸发器上下端的电动风阀，进入步骤(4)；
(3)开启第二蒸发器上下端的电动风阀，关闭第一蒸发器上下端的电动风阀，返回步骤(1)；
(4)通过检测第二蒸发器进口的制冷剂温度和压力计算进口焓值Hin，通过检测第二蒸发器出口的制冷剂温度和压力计算出口焓值Hout；若Hin<Hout+S时，进入步骤(5)；否则，进入步骤(6)，其中，S为是第二蒸发器进出口制冷剂焓差的设定值，用于判断相变模块是否蓄满冷量；
(5)同时开启第二蒸发器进口和出口的电动二通阀，进入步骤(7)；
(6)关闭第二蒸发器进口和出口的电动二通阀，进入步骤(7)；
(7)判断ΔToh，ΔToh＝Toh-Toh,set，其中Toh为第二蒸发器蒸发温度过热度，Toh,set为根据压缩机性能设置的蒸发器蒸发温度过热度，当ΔToh>0时，增加压缩机电机频率，同时增加冷凝风机转速，ΔToh＝0；否则，减少压缩机电机频率和冷凝风机转速，直至ΔToh＝0，且压缩机电机频率不得低于压缩机电机最低频率，返回步骤(1)。
8.根据权利要求7所述的增设相变模块的双蒸发器机房空调系统调节方法，其特征在于还包括以下步骤：
实时检测机房室内回风温度Treturn，根据数据机房等级设定室内机房温度设定值Tset，计算ΔT，ΔT为机房室内回风温度Treturn与机房室内温度设定值Tset之差；
当ΔT>0且蒸发风机频率小于其运行最大频率时，增加蒸发风机的频率，直至ΔT＝0；
当ΔT<0且蒸发风机频率大于其运行最低频率时，减少蒸发风机频率，直至ΔT＝0。
9.根据权利要求7或8所述的增设相变模块的双蒸发器机房空调系统调节方法，其特征在于：采用PID控制器对蒸发风机、压缩机电机和冷凝风机进行控制，所述PID控制器的输入参数为ΔT和ΔToh，控制器的输出信号控制蒸发风机的转速、压缩机电机频率和冷凝风机的转速。
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