CN111023383A - 一种临界焓差补偿控制法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了封闭式冷通道或封闭式热通道的数据中心机房中，空气能源利用技术领域的一种临界焓差补偿控制法，该控制法包括：当室外空气焓值小于热通道空气焓值与临界焓差补偿值之差，且室外空气干球温度不高于热通道空气干球温度时，系统即可由最小新风工况转全新风工况运行；当室外空气焓值大于热通道空气焓值与临界焓差补偿值之差，或室外空气干球温度高于热通道空气干球温度时，系统即可由全新风工况转最小新风工况运行，该控制法为最小新风工况和最大新风工况提供准确的转换条件，并在工况转换时达到最大的节能效果。

Description

一种临界焓差补偿控制法
技术领域
本发明涉及封闭式冷通道或封闭式热通道的数据中心机房中的空气能源利用技术领域，具体为一种临界焓差补偿控制法。
背景技术
为提高空调机制冷效率，数据中心机房多采用封闭式冷通道或封闭式热通道两种系统形式，且以封闭式冷通道系统居多。在这类机房中，冷通道与热通道用物理方式相互隔离，减少了冷/热空气在机房内的混合现象，提高了空调机的送、回风温差，使空调机的制冷效率得到提高，同时也为自然冷却技术的应用提供了更多的方法。
新风能源利用是自然冷却技术方法之一，在空气处理机组(包括VAV系统中的AHU)，当室外空气焓小于回风空气焓，即H室外≤H回风，且室外空气干球温度不高于回风干球温度时，系统即可由最小新风工况转为全新风工况运行。相反，在室外空气焓大于回风空气焓，即H室外≥H回风，或室外空气干球温度高于回风空气干球温度时，即可由全新风工况转最小新风工况运行。
在封闭式冷通道或封闭式热通道的数据中心机房中，为充分利用自然新风能源，减少制冷机能耗，亦利用类似AHU中的新/回风控制原理，但由于数据中心机房中的制冷系统和新风系统相对独立，送风机在最小新风工况运行和全新风工况运行时的能耗差较大(AHU系统中的两种工况下风机能耗无差别)，如仍采用AHU中的转换条件作为数据中心机房的新、回风控制依据，因未考虑空调机和送风机能耗此消彼长的问题，不能在两种工况转换时达到精确的节能目的。基于此，本发明设计了一种临界焓差补偿控制法，以解决上述提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种临界焓差补偿控制法，适用于采用封闭式冷通道或封闭式热通道系统形式的数据中心机房，使其在两种工况相互转换时达到真正的节能目的，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种临界焓差补偿控制法，该控制法包括：
在封闭式冷通道或封闭式热通道系统形式的数据中心机房中，当室外空气焓值小于热通道空气焓值与临界焓差补偿值之差，且室外空气干球温度不高于热通道空气干球温度时，系统即可由最小新风工况转全新风工况运行；
在封闭式冷通道或封闭式热通道系统形式的数据中心机房中，当室外空气焓值大于热通道空气焓值与临界焓差补偿值之差，或室外空气干球温度高于热通道空气干球温度时，系统由全新风工况转最小新风工况运行。
优选的，所述临界焓差补偿值通过计算法或测量法两种方式获取。
优选的，所述临界焓差补偿值计算法公式为：
H△＝p全η/(103η1η2ρ)
式中，H△为临界焓差补偿值，单位kj/kg；p全为全新风工况下送风机的送风压力，取测量值，单位Pa；η为空调机效能比，根据空调机负荷取值；η1为送风机传动效率；η2为送风机效率；ρ为空气密度，单位kg/m3。
优选的，所述临界焓差补偿值测量法步骤如下：
1)维持主机房内的各项参数恒定，包括冷通道温湿度、热通道温湿度、IT设备热负荷稳定不变。
2)实时测量并计取室外空气焓值H室外1并与热通道空气焓值H热通道进行对比，当H室外1＝H热通道时，系统在最小新风工况运行，同时测量空调机电功率值W空调1和送风机电功率值P送风1。
3)当室外温度为下降趋势时，系统转全新风工况运行，测量并计取送风机电功率值P送风2，持续测量并计取空调机电功率值W空调2，当W空调1-W空调2＝P送风2-P送风1时，测量并计取室外空气焓值H室外2，即有临界焓差补偿值H△＝H热通道-H室外2。
优选的，所述封闭式冷通道或封闭式热通道系统形式的数据中心机房内设有最小新风工况、全新风工况运行所需的1号风阀、2号风阀、3号风阀、4号风阀、5号风阀、6号风阀、冷通道、热通道、空调冷却器、空调机本体风机、送风机。
优选的，所述最小新风工况运行时，1号风阀、4号风阀关闭，6号风阀进行开度调节，以保持数据中心机房为微正压，2号风阀、3号风阀、5号风阀全开，空调冷却器、空调机本体风机处于运行状态，送风机转速按满足最小新风工况的新风量需求运行。
优选的，所述全新风工况运行时，1号风阀、4号风阀、5号风阀关闭，6号风阀进行开度调节，以保持数据中心机房为微正压，2号风阀、3号风阀全开，空调冷却器、空调机本体风机处于运行状态，送风机转速按满足全新风工况的新风量需求运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在封闭式冷通道或封闭式热通道的数据中心机房中，为最小新风工况和最大新风工况提供准确的转换条件，并在工况转换时达到最大的节能效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明控制方法流程图；
图2为公知的工况转换条件下空调机、送风机和总电功率曲线图；
图3为本发明的工况转换条件下空调机、送风机和总电功率曲线图；
图4为本发明的转换条件下与公知的转换条件下总电功率曲线对比图；
图5为本发明最小新风工况时的气流组织结构示意图；
图6为本发明全新风工况时的气流组织结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种临界焓差补偿控制法，该控制法包括：
当室外空气焓值小于热通道空气焓值与临界焓差补偿值之差，且室外空气干球温度不高于热通道空气干球温度时，系统即可由最小新风工况转全新风工况运行；当室外空气焓值大于热通道空气焓值与临界焓差补偿值之差，或室外空气干球温度高于热通道空气干球温度时，系统由全新风工况转最小新风工况运行。
所述临界焓差补偿值计算法公式为：H△＝p全η/(103η1η2ρ)
式中，H△为临界焓差补偿值，单位kj/kg；p全为全新风工况下送风机的送风压力，取测量值，单位Pa；η为空调机能效比，根据空调机负荷情况取值；η1为送风机传动效率；η2为送风机效率；ρ为空气密度，单位kg/m3。
其中，临界焓差补偿值计算法公式推理过程为：
1)当H室外＝H热通道-H△……①时，作为最小新风工况与全新风工况相互转换的室外空气焓设定值。
式中，H室外为室外空气焓值，单位Kj/Kg，H热通道为热通道空气焓值，单位Kj/Kg，H△临界焓差补偿值，单位Kj/Kg。
2)冷通道与热通道之间的热交换量可按式：Q1＝Mρ(H热通道-H冷通道)……②计算。
式中，Q1为冷通道与热通道之间的热交换量，等于最小新风工况时空调机的制冷量，亦等于机房IT设备的热负荷量，单位kj/s；M为冷通道与热通道之间的空气交换量，单位m3/s；ρ为空气平均密度值，单位kg/m3；H冷通道为冷通道空气焓值，单位Kj/Kg。
3)全新风工况时，空调机制冷量可按式：Q2＝Mρ(H室外-H冷通道)……③计算。
式中，Q2为全新风工况时空调机的制冷量，M为空调本体风机的总送风量，其值等于全新风工况的新风风量，亦等于冷通道与热通道之间的空气交换量。
4)最小新风工况转全新风工况时，制冷负荷的递减值Q△＝Q1-Q2，代入式①②③式得Q△＝Mρ(H热通道-H室外)＝MρH△……④。
5)最小新风工况转全新风工况时，空调机电功率递减值W△＝Q1/η’-Q2/η≈Q△/η，代入式④有W△＝MρH△/η……⑤。
推理5)中，η’为最小新风工况时的空调机能效比，η全新风工况时的空调机能效比，由于空调机在该负荷条件下能效比差别不大，即认为η’≈η。
6)最小新风工况转全新风工况时，送风机电功率递增值P△＝(Mp全-M最小p最小)/(103η1η2)……⑥
式中，M为全新风工况时送风机送风量，即全新风风量，亦等于冷/热通道空气交换量，单位m3/s；M最小为最小新风工况时的新风引入量，即最小的新风风量，取设计值，单位m3/s；p全为全新风工况时送风机的送风风压，单位Pa，取测量值；p最小为最小新风工况时送风机的送风风压，单位Pa，取设计值；η1为传动效率；η2为风机效率。
7)当W△＝P△时，总电功率最小，代入式⑤和式⑥得：MρH△/η＝(Mp全-M最小p最小)/(103η1η2)，换项得H△＝(Mp全-M最小p最小)η/(103η1η2ρM)…⑦，实际计算中，因M>>M最小，M最小可忽略不计，即忽略最小新风工况下的风机能耗，当忽略M最小不计时有：临界焓差补偿值H△＝p全η/(103η1η2ρ)…⑧。
8)式⑧中，H△仅与全新风工况时的送风压力、风机传动效率、风机效率、空气密度值和空调机能效比相关，其中风机传动效率、风机效率、空气密度值为恒值，全新风工况下的送风压力p全随送风机送风量变化而变化，空调机能效比η随空调机制冷负荷变化而变化。因此，在实际应用中，可通过测取一组与送风量对应的送风压力和一组与制冷负荷对应的能效比，然后根据送风量和制冷负荷的实际需求在数据库中调用相应的送风压力和空调机能效比。由于全新风工况下的送风量、制冷负荷与冷、热通道之间的热交换量相关，而冷、热通道之间的热交换量等于IT设备的热负量，IT设备的实时热负荷约等于IT设备的实时电功率。因此，在自动化控制系统当中，通过实时测量IT设备的电功率，调用数据库中相应的或最接近的送风压力和能效比，然后通过式⑧的运算，计算出实时的临界焓差补偿值。
所述临界焓差补偿值测量法步骤如下：
1)维持主机房内的各项参数恒定，包括冷通道温湿度、热通道温湿度、IT设备热负荷稳定不变。
2)实时测量并计取室外空气焓值H室外1和热通道空气焓值H热通道进行比较，当H室外1＝H热通道时，系统在最小新风工况运行，同时测量空调机电功率W空调1和送风机电功率P送风1。
3)当室外温度为下降趋势时，系统转全新风工况运行，测量并计取送风机电功率值P送风2，持续测量并计取空调机电功率值W空调2，当W空调1-W空调2＝P送风2-P送风1时，测量并计取室外空气焓值H室外2，即有临界焓差补偿值H△＝H热通道-H室外2。
冷通道温湿度、热通道温湿度恒定作为数据信息机房空气环境的控制主要参数，由步骤1)可知，H△值仅与IT设备热负荷直接相关。因此，在实际应用当中，测量法多用于IT设备热负荷(即IT设备实时电功率)比较稳定的数据中心机房。如数据中心机房热负荷不稳定，测量条件允许，可通过选择多组相对稳定的热负荷值，并通过上述步骤测量相应的H△值，然后应用于热负荷变化的数据中心机房。
根据数据中心机房IT设备的运行情况，通过计算或测量方法获取对应的临界焓差补偿值H△，用于最小新风工况与全新风工况的转换；
1)当室外空气焓H室外≤H热通道-H△，且室外空气干球温度不高于热通道空气干球温度时，系统即可由最小新风工况转全新风工况运行；
2)当室外空气焓H室外≥H热通道-H△，或室外空气干球温度高于热通道空气干球温度时，系统即可由全新风工况转最小新风工况运行。
为便于对比，图2、图3、图4是基于数据中心机房热负荷为恒定的假设条件所时绘制，实际的热负荷往往随IT设备的用电负荷变化而变化，但由于公知工况转换和本发明的工况转换的假设条件相同，故对比结果成立。
图2为公知的工况转换条件下，空调机、送风机和总电功率曲线图。图中，在工况转换处，送风机电功率发生突变，空调机电功率发生渐变，总电功率发生突变。
图3为本发明的工况转换条件下，空调机、送风机和总电功率曲线图。图中，在工况转换处，送风机电功率发生突变，空调机电功率发生突变，但两突变增减相互抵消，总电功率最小。
图2和图3中，最小新风工况运行时，新风量最小，送风机电功率最低，由于空调机的回风基本上由热通道空气代替，热通道空气焓基本恒定，故空调机电功率基本恒定，其电功率曲线为一条水平直线。全新风量工况运行时，空调机回风全部由室外新风代替，送风机电功率最大，空调机电功率随室外空气焓降低而下降。
图4为公知的转换条件下和本发明的转换条件下，总电功率曲线对比图。图中，曲线在H室外>H热通道和H室外<H热通道-H△段，两种条件下的总电功率曲线相互重合，而曲线在H热通道-H△≤H室外≤H热通道段，公知转换条件下的总电功率曲线在本发明转换条件下的总电功率曲线之上，说明本发明的转换条件比公知的转换条件下，总电功率更低，系统更节能。
图5为实施例在最小新风工况时的气流组织图。图中，1、4号风阀关闭，6号风阀进行开度调节，以维持数据中心机房为微正压，2、3、5号风阀全开，空调冷却器、空调机本体风机处于运行状态，送风机转速按满足最小新风工况的新风量需求运行。送风机按满足最小新风量需求的转速运行，最小新风量按满足机房卫生条件要求确定，取设计值。
图6为实施例在全新风工况时的气流组织图。图中，1、4、5号风阀关闭，6号风阀进行开度调节，以保持数据中心机房为微正压，2、3号风阀全开，空调冷却器、空调机本体风机处于运行状态，送风机转速按满足全新风工况的新风量需求运行。该工况下机房热通道空气经回风风道和排风口直接排出，不再作为空调机(冷却器)的回风，全部由室外新风代替。
实施例一，某数据中心机房IT设备负荷属变化性负荷，现采用计算法获取H△值。
1)该数据中心机房的送风机采用直接传动方式，传动效率η1取1，送风机的风机效率η2取值0.65，空气密度ρ取值1.29kg/m3，根据IT设备的实时负荷量，调用系统数据库中对应的全新风送风压力p全为400Pa，调用系统数据库中对应的空调机效能比η为1.75，按式H△＝p全η/(103η1η2ρ)＝400x1.75/(103x1x0.65x1.29)＝0.83(kj/kg)。
2)由机房环境需求条件有：热通道温湿度35～40℃/16～23％RH，热通道平均温湿度37.5℃/19.5％RH，平均空气焓约63.5kj/kg。
3)当室外空气焓H室外≥H热通道-H△＝63.5-0.83＝62.67(kj/kg)，或室外空气干球温度大于37.5℃时，系统在最小新风工况运行。
4)当室外空气焓H室外≤H热通道-H△＝62.67(kj/kg)，且室外空气干球温度不高于37.5℃时，系统在全新风工况运行。
实施例二，某数据中心机房IT设备负荷属稳定性负荷，现采用测量法获取H△值。
1)开启机房环境控制系统，维持冷通道平均温湿度22.5℃/47.5％RH、热通道平均温湿度37.5℃/19.5％RH稳定不变(热通道平均空气焓值H热通道＝63.5kj/kg)，IT设备负荷为30kW。
2)实时测量并计取室外空气焓值并与热通道空气焓值对比，当H室外＝H热通道时，系统在最小新风工况运行，测得空调机电功率W空调1＝17kW，测得送风机电功率P送风1＝0.2kW。
3)当室外温度为下降趋势时，系统转全新风工况运行，此时测得送风机电功率值P送风2＝2.0kW，有P送风2-P送风1＝2-0.2＝1.8(kW)，持续测量并计取空调机电功率值W空调2，当W空调2＝15.2kW时，即W空调1-W空调2＝P送风2-P送风1＝1.8kW时，测得室外空气焓值H室外2＝62.5kj/kg，即临界焓差补偿H△＝H热通道-H室外2＝63.5-62.5＝1.0(kj/kg)。
4)当室外空气焓H室外≥H热通道-H△＝63.5-1.0＝62.5(kj/kg)，或室外空气干球温度大于37.5℃时，系统即可在最小新风工况运行。
5)当室外空气焓H室外≤H热通道-H△＝62.5(kj/kg)，且室外空气干球温度不高于37.5℃时，系统即可在全新风工况运行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种临界焓差补偿控制法，其特征在于：该控制法包括：
在封闭式冷通道或封闭式热通道的数据中心机房中，当室外空气焓值小于热通道空气焓值与临界焓差补偿值之差，且室外空气干球温度不高于热通道空气干球温度时，系统即可由最小新风工况转全新风工况运行；
在封闭式冷通道或封闭式热通道的数据中心机房中，当室外空气焓值大于热通道空气焓值与临界焓差补偿值之差，或室外空气干球温度高于热通道空气干球温度时，系统即可由全新风工况转最小新风工况运行。
2.根据权利要求1所述的一种临界焓差补偿控制法，其特征在于：所述临界焓差补偿值通过计算法或测量法两种方式获取。
3.根据权利要求2所述的一种临界焓差补偿控制法，其特征在于：所述临界焓差补偿值计算法公式为：
H△＝p全η/(103η1η2ρ)
式中，H△为临界焓差补偿值，单位kj/kg；p全为全新风工况下送风机的送风压力，取测量值，单位Pa；η为空调机的效能比，根据空调机负荷取值；η1为送风机传动效率；η2为送风机效率；ρ为空气密度，单位kg/m3。
4.根据权利要求2所述的一种临界焓差补偿控制法，其特征在于：所述临界焓差补偿值测量法步骤如下：
1)维持主机房内的各项参数恒定，包括冷通道温湿度、热通道温湿度、IT设备热负荷稳定不变。
2)实时测量并计取室外空气焓值H室外1并与热通道空气焓值H热通道进行对比，当H室外1＝H热通道时，系统在最小新风工况运行，同时测量空调机电功率W空调1和送风机电功率P送风1。
3)当室外温度为下降趋势时，系统转全新风工况运行，测量并计取送风机电功率P送风2，持续测量并计取空调机电功率W空调2，当W空调1-W空调2＝P送风2-P送风1时，测量并计取室外空气焓值H室外2，即有临界焓差补偿值H△＝H热通道-H室外2。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种临界焓差补偿控制法，其特征在于：所述封闭式冷通道或封闭式热通道的数据中心机房内设置有最小新风工况和全新风工况运行所需的1号风阀、2号风阀、3号风阀、4号风阀、5号风阀、6号风阀、冷通道、热通道、空调冷却器、空调机本体风机、送风机。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种临界焓差补偿控制法，其特征在于：所述最小新风工况运行时，1号风阀、4号风阀关闭，6号风阀进行开度调节，以保持数据中心机房为微正压，2号风阀、3号风阀、5号风阀全开，空调冷却器、空调机本体风机处于运行状态，送风机的风机转速按满足最小新风工况的新风量的需求运行。
7.根据权利要求1-5任一所述的一种临界焓差补偿控制法，其特征在于：所述全新风工况运行时，1号风阀、4号风阀、5号风阀关闭，6号风阀进行开度调节，以保持机房为微正压，2号风阀、3号风阀全开，空调冷却器、空调机本体风机处于运行状态，送风机的风机转速按满足全新风工况的新风量需求运行。
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