CN110425666A - 一种蒸发冷却机组喷淋系统控制方法 - Google Patents

一种蒸发冷却机组喷淋系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种蒸发冷却机组喷淋系统控制方法，该方法对喷淋系统的喷淋开启控制以及喷淋流量的控制，对喷淋水滴初速度控制，对喷淋水滴的液膜厚度、喷淋接触面积控制。通过上述控制方法，能够降低数据中心机房空调的PUE、CLF和WUE。

Description

一种蒸发冷却机组喷淋系统控制方法
技术领域
本发明涉及一种数据中心节能空调控制方法，尤其涉及一种对蒸发冷机组的喷淋系统进行控制的方法。
背景技术
世界范围内的愈演愈烈的节能减排和绿色环保诉求，对作为IT行业能耗最大的数据中心建设和运营提出了更高的要求。数据中心PUE值的降低已成为业主和设计建设者的首要诉求。
对于传统的采用压缩机制冷的机房空调一般情况下PUE和CLF的值都非常高，采用自然冷源给机房供冷的方案一般情况下，PUE和CLF都比较低，而对于自然冷源水蒸发冷却技术在机房应用将能利用水的相变（液态变成气态）潜热带走机房大量的热量，一般机房的CLF能做到0.1左右。
因此，高效节能的数据中心是未来数据中心行业发展的一大必然趋势，持续且有效地降低数据中心的运营成本已经成为当务之急。空调系统用于对数据中心进行降温处理，是保持数据中心的高效率运行的条件之一；然而，现有技术中，数据中心的空调系统能耗非常高，其占数据中心总能耗的30~45%，进而导致数据中心PUE值（数据中心总能耗/IT设备能耗）居高不下，增加了数据中心的运营成本。所以蒸发冷技术在机房空调中应用，将能节约大量的能源，降低PUE，也是一个趋势所在。
所以，对于蒸发冷却技术在机房空调设备中的应用，以及提高蒸发冷却的效率对IT机房系统的整个的能耗会显得非常重要。
发明内容
本发明为了克服现有数据中心机房空调PUE和WUE较高的缺陷，提出一种蒸发冷却机组喷淋系统控制方法，通过该改方法对喷淋系统的喷淋水量的控制，来降低PUE和WUE，从而达到降低能耗的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种蒸发冷却机组喷淋系统控制方法，其特征在于：对喷淋系统的喷淋开启控制以及喷淋流量的控制，具体为：
计算出ΔT1=Th-Tc；
当ΔT1>TD，喷淋系统不开启；
当ΔT1≤ TD，喷淋系统开启，计算出ΔT2= Th-t，当ΔT2﹤ Tmin，喷淋系统以最大喷淋量直接喷淋空空换热器，不引入室外空气，当ΔT2= Tmin，喷淋系统以最大喷淋量Gmax喷淋，Gmax=G空，当ΔT2=Tmax，喷淋系统以最小喷淋量Gmin喷淋，Gmin=M*Δd，当Tmin <ΔT2< Tmax，喷淋系统喷淋量G=[（Gmax-Gmin）/（Tmin-Tmax）]*（ΔT2- Tmax）+Gmin；
其中，Th为室内回风温度，Tc为室外空气干球温度，TD 的值为20-25℃，用户可以在此范围内确定TD 的值，t为室外空气湿球温度，Tmin的值为3-7℃，用户可以在此范围内确定Tmin的值，一般为5℃，Tmax的值为22-28℃，用户可以在此范围内确定Tmax 的值，一般为25℃，Gmax为喷出的水的最大质量流量，G空为室外空气和室内空气的质量的平均值，Gmin为喷出的水的最小质量流量，M为室外空气的质量流量，Δd为加湿量，Δd=ΔT3/tanA，ΔT3=Tc-t，A为室外空气的干球温度通过喷淋之后加湿降温到湿球温度，发生等焓过程，在焓湿图上等焓线与水平轴的夹角，该夹角A是一个确定值。
还包括对喷淋水滴初速度控制，具体为：
检测出喷淋系统喷出的水的质量流量和室外风机的风量，根据室外风机的风量计算出风阻和张力，根据风阻、张力以及喷淋系统喷出的水的质量流量计算出水滴所需克服阻力的初速度，最后得出水泵的压力，根据水泵压力控制水泵即可。
还包括对喷淋水滴的液膜厚度、喷淋接触面积控制，具体为：
检测室内送风需求P=（实际室内送风温度-室内设定的送风温度-死区）/精度，当p≤0，空空换热器的转动角速度ω=0，当p≥1，则空空换热器的转动角速度ω取最大值ωmax，当0﹤p﹤1，空空换热器转动的角速度ω按0到ωmax线性控制，ω=ωmax*P，其中ωmax由转动角度β控制，β为空空换热器的转动角度，由用户设置，β的取值范围为0-30°，ωmax=(1/5-1/3)β度/秒。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过对室外干球温度、湿球温度、回风温度进行检测后进行比较判断，确定是否需要喷淋以及喷淋量的大小，可以更好的利用水的相变潜热，减少机房空调的机械制冷功率。在满足机房制冷设备的换热要求下，尽量减少水的使用量，降低了用水量以及电能，减低能耗。对喷淋谁的初速度进行控制，能给不让喷淋水出现倒吸的现象，能够让这部分水经过换热后落入到水箱，保证水能够循环回收利用，降低WUE和CLF，节约能源。对喷淋水滴的液膜厚度、喷淋接触面积进行控制，可提高整体间接蒸发冷机组的换热效率应从而可以降低CLF，节约能源。
附图说明
图1为间接蒸发冷简易装置；
图2为对喷淋系统的喷淋开启控制以及喷淋流量的控制逻辑图；
图3为喷淋水滴初速度控制逻辑图；
图4为喷淋水滴的液膜厚度、喷淋接触面积控制逻辑图；
图5为焓湿图；
附图标记1、水箱，2、水泵 ,3、喷头，4、室外风机，5、室内风机，6、空空换热器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示的间接蒸发冷简易装置，包括水箱1、水泵2、喷头3、室外风机4、室内风机5以及空空换热器6，水箱1内的水，通过水泵2抽水从喷头3喷淋在6空空换热器的表面（空空换热器的室内侧流道与室外侧流道是互不相通的），然后室外风机4同步其他器件运行中，室外低温风与喷淋水的流动方向是逆流方向，此时室外风与喷淋水是直接接触的，室外风与喷淋水发生直接蒸发冷，一般情况下，直接蒸发冷的极限温度为室外空气温度的湿球温度，然后室内风机5同步其他器件运行，室内风发生的热量交换为与喷淋后的室外风发生的间接换热和与喷淋水发生的间接蒸发。所以室内风的换热效率与间接蒸发的效率，直接蒸发的效率，间接冷却的效率有关。
1）喷淋开启控制，喷淋流量控制
对于上述整个间接蒸发冷的过程而言，当室内回风温度Th与室外干球温度Tc的温差ΔT1较大时（ΔT1>TD，一般情况下TD可取 20℃-25℃），喷淋不需要开启，因为此时ΔT1可以个整个间接蒸发冷提供一个换热的动力温差，只需要控制室内风机和室外风机的风量即可。所以当ΔT1> TD 时，喷淋不需要开启。
当室内回风温度Th与室外干球温度Tc的温差ΔT1较小时（ΔT1≤TD）,此时单独靠控制室内风机和室外风机的风量，无法满足机房设备的换热，此时需要开启喷淋。此时整个间接蒸发冷机组发生的换热情况：室外风与喷淋水发生直接蒸发冷，此时室外风经过直接蒸发冷所能达到的理论极限温度是湿球温度；室内风与室外风发生间接冷却；室内风与喷淋水发生间接蒸发。而整个间接蒸发冷机组理论上室内回风所能达到的极限温度为室外空气的湿球温度，所以可以理解为室内回风温度与室外空气湿球温度t的差值ΔT2为整个间接蒸发冷的换热动力。
ΔT2越大（ΔT2= Tmax），此时室内外风量的换热温差比较大，所需要的外界的喷淋水量就越小，主要的换热形式采用直接蒸发+间接冷却，但是此时喷淋水量应该有一个最小的喷淋量，最小喷淋量一般理论上是要把室外风直接喷淋蒸发加湿冷却到湿球温度，最小的喷淋量一般根据室外空气干球温度Tc与湿球温度t的温差ΔT3来确定所需要等焓加湿降温的喷淋水量。具体为：
如图5所示，一般情况下，室外空气的干球温度通过喷淋之后加湿降温到湿球温度，所发生的过程是一个等焓的过程，一般情况下在焓湿图上等焓线与水平轴的夹角A是一个确定值，所以说tanA是确定值，而ΔT3=干球温度Tc-湿球温度t，而加湿量就是Δd=d2-d1,而tanA=ΔT3/Δd，就能够确定出Δd的值，然后再乘以所有的需要加湿到湿球温度的室外空气质量流量M，就能确定出最小喷淋水的量Gmin=MΔd。
ΔT2越小（ΔT2= Tmin），此时室内外风量的换热温差比较小，这时需要外界的喷淋水蒸发吸热给机房间室提供冷量，主要机组主要发生的换热状况为直接蒸发冷+间接蒸发冷+间接冷却，所以需要的外界的喷淋水量就越大，一般最大的喷淋水量根据理论值计算为：Gmax=G空，其中G空为室外空气和室内空气质量的平均值；如果Gmax大于G空，这样会导致部分水无法参与换热，这样会增加水泵的功率。所以当ΔT1≤ TD时，开启喷淋水泵，然后根据ΔT2的大小，喷淋装置采用最大到最小的比例调节喷淋量，进一步说ΔT2越大，喷淋量越小，ΔT2越小，喷淋量越大；两者成反比关系。
当Tmin<ΔT2<Tmax时，调节方程为：G=[（Gmax-Gmin）/（Tmin-Tmax）]（ΔT2- Tmax）+Gmin；另外说明一点，当ΔT2< Tmin时，此时以最大喷淋量直接喷淋直接空空换热器，不引入室外空气。Tmin的值为3-7℃，用户可以在此范围内确定Tmin的值，一般为5℃，Tmax的值为22-28℃，用户可以在此范围内确定Tmax 的值，一般为25℃。
大致的控制逻辑如图2所示：
计算ΔT1，判断ΔT1是否小于等于TD，如果否，不开启喷淋，如果是，则开启喷淋，然后计算ΔT2，根据ΔT2的值对喷淋量进行反比例调节，当ΔT2﹤ Tmin，喷淋系统以最大喷淋量直接喷淋空空换热器，不引入室外空气，当ΔT2= Tmin，喷淋系统以最大喷淋量喷淋，当ΔT2=Tmax，喷淋系统以最小喷淋量喷淋，当Tmin <ΔT2< Tmax，喷淋系统喷淋量G=[（Gmax-Gmin）/（Tmin-Tmax）]*（ΔT2- Tmax）+Gmin；
对于上述控制方法的变形控制如下：1喷淋开启的可以由室外干球温度控制；2最小的喷淋量也可以根据室外干球温度和相对湿度来确定最小的等焓加湿量。
2）喷淋水滴初速度控制
一般情况下，对于间接蒸发冷机组来说，喷淋采用的水为循环水，这样可以节约水资源，降低WUE，除了每次被室外风量带走的水分外，其他的水资源都是循环利用的，而且喷淋头喷淋出来的大多都是喷淋水滴的形式，而不是喷雾的形式。这样就需要水泵给喷淋水提供一个初始压力，让喷淋水滴保持一定的初速度，这样喷淋水滴在下落的时候受液滴重力和初速度的影响主要克服室外风机的风阻、张力已经在空空换热器表面的滑动摩擦力，其中对液滴下落方向影响最大的是室外风机的风阻和张力，如果此时水泵给液滴的初速度较小，这会导致以下两方面的问题：1由于室外风与液滴是逆流直接蒸发换热，则会引起喷淋水被室外风机倒吸到室外，那么对整个间接蒸发冷机组最主要的影响是造成部分倒吸的水没有参与与室外风的直接蒸发和喷淋水与室内风的间接蒸发，同时也会引起室外风直接蒸发的效率降低，导致室外风与室内风的间接冷却效率降低，从而导致整个间接蒸发冷机组的整体效率降低；2由于部分喷淋水被室外风机倒吸到室外，导致这部分喷淋水没有落入水箱，长期下去将会浪费很多水资源，WUE（空调的耗水量/机房的能耗）和CLF（空调的能耗/机房的能耗）变大，浪费能源。所以该方法主要是通过喷淋水的流量，来确定水泵的给喷淋水的压力，给喷淋水滴足够的初速度，克服室外风阻和张力的作用，能给不让喷淋水出现倒吸的现象，能够让这部分水经过换热后落入到水箱。
具体的控制方法：通过上述确定出喷淋水的流量之后，然后通过检测模块检测喷淋水的流量，其次检测室外风机的风量，通过计算模块计算出风阻和张力；然后再根据计算模块计算出水滴所需要克服的阻力的初速度，最后通过计算模块输出水泵的压力。
大致的控制逻辑如图3所示：
检测室外风机的风量，计算出风阻和张力，检测喷淋水的喷淋量，根据风阻、张力和喷淋量计算克服阻力的初速度，根据初速度输出水泵的压力即可。
3）喷淋水滴的液膜厚度、喷淋接触面积控制
对于间接蒸发冷机组而言，一般喷淋水滴发生的直接蒸发冷和间接蒸发冷的效率与喷淋水滴的液膜厚度、水滴和空空换热器的接触面积有关，如果水滴的液膜厚度在合理范围呢，并且和空空换热器的接触面积较大，则整体间接蒸发冷机组的换热效率应该会提高，从而可以降低CLF，节约能源。所以本方法主要是通过控制给空空换热器设置一个转动的角度β（一般情况下β的取值范围可以在0°到30°之间），如果空空换热器的转到角度β>30°，则会增大室内风机和室外风机的风阻，将会提升经济成本；然后根据通过计算室内送风温度的需求P（P=（实际室内送风温度-室内设定的送风温度-死区）/精度）来控制空空换热器转动的角速度ω，如果P≤0，则角速度ω输出为0，如果P≥1,则角速度ω输出为最大值，ω最大值由转动角度β控制，ωmax=(1/5-1/3) β，例如，1/5β、1/4β、1/3β，如果取β为30°，则ωmax=6°/s、7.5°/s、10°/s；0<P<1,空空换热器转动的角速度ω按0到ωmax线性控制，ω=ωmax*P。
大致的控制逻辑如图4所示：
检测室内送风温度需求P，P≤0，输出ω=0；P≥1，输出ω=ωmax；0<P<1，ω按0到ωmax线性控制，ω=ωmax*P。

Claims (3)

1.一种蒸发冷却机组喷淋系统控制方法，其特征在于：对喷淋系统的喷淋开启控制以及喷淋流量的控制，具体为：
计算出ΔT1=Th-Tc；
当ΔT1>TD，喷淋系统不开启；
当ΔT1≤ TD，喷淋系统开启，计算出ΔT2= Th-t，当ΔT2= Tmin，喷淋系统以最大喷淋量Gmax喷淋，Gmax=G空，当ΔT2=Tmax，喷淋系统以最小喷淋量Gmin喷淋，Gmin=M*Δd，当Tmin <ΔT2<Tmax，喷淋系统喷淋量G=[（Gmax-Gmin）/（Tmin-Tmax）]*（ΔT2- Tmax）+Gmin；
其中，Th为室内回风温度，Tc为室外空气干球温度，TD 的值为20-25℃，t为室外空气湿球温度，Tmin的值为3-7℃，Tmax的值为22-28℃，Gmax为喷出的水的最大质量流量，G空为室外空气和室内空气的质量的平均值，Gmin为喷出的水的最小质量流量，M为室外空气的质量流量，Δd为加湿量，Δd=ΔT3/tanA，ΔT3=Tc-t，A为室外空气的干球温度通过喷淋之后加湿降温到湿球温度，发生等焓过程，在焓湿图上等焓线与水平轴的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却机组喷淋系统控制方法，其特征在于：还包括对喷淋水滴初速度控制，具体为：
检测出喷淋系统喷出的水的质量流量和室外风机的风量，根据室外风机的风量计算出风阻和张力，根据风阻、张力以及喷淋系统喷出的水的质量流量计算出水滴所需克服阻力的初速度，最后得出水泵的压力，根据水泵压力控制水泵即可。
3.根据权利要求1所述的一种蒸发冷却机组喷淋系统控制方法，其特征在于：还包括对喷淋水滴的液膜厚度、喷淋接触面积控制，具体为：
检测室内送风需求P=（实际室内送风温度-室内设定的送风温度-死区）/精度，当p≤0，空空换热器的转动角速度ω=0，当p≥1，则空空换热器的转动角速度ω取最大值ωmax，当0﹤p﹤1，空空换热器转动的角速度ω按0到ωmax线性控制，ω=ωmax*P，其中ωmax由转动角度β控制，β为空空换热器的转动角度，由用户设置，β的取值范围为0-30°，ωmax=(1/5-1/3) β度/秒。
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