CN111140950A - 一种数据中心间接蒸发冷却系统及控制方法 - Google Patents

一种数据中心间接蒸发冷却系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数据中心间接蒸发冷却系统及控制方法，本发明数据中心间接蒸发冷却系统，包括室外水系统和室内压缩机系统，所述室外水制冷组件，包括换热芯体、水槽和循环水泵，所述水槽设在换热芯体的下方，所述换热芯体的顶部设有喷淋管，水槽的出水口通过循环水泵和管道与喷淋管循环连接，所述水槽还设有进水管等部件。本发明解决了目前数据中心间接蒸发冷系统的优化控制问题，以便达到综合节能控制、有效降低数据中心PUE值的效果。

Description

一种数据中心间接蒸发冷却系统及控制方法
技术领域
本发明属于数据中心机房空调控制技术领域，尤其涉及数据中心间接蒸发冷却系统控制方法和装置。
背景技术
据数据中心机房的能耗调研分析可知，制冷和空调所产生的功耗约占数据中心机房所需的总功耗的37％左右，制冷和空调的能耗成为影响数据中心PUE值的关键因素。为了降低数据中心的PUE值，通过对传统的采用压缩机制冷的机房空调的改造，采用自然冷源给机房供冷的方案成为了目前数据中心制冷的追逐热点。间接蒸发源系统正是当前比较热门的节能方案。
对于间接蒸发冷机组来说，通常三种运行模式。室外外风机模式、喷淋模式、喷淋模式+压缩机模式的混合模式。在室外风机模式下，室外风机开启通过空空换热器将室外空气和室内空气直接进行换热。在喷淋模式下，开启喷淋水泵，通过喷淋至空空换热器上的水雾对室外空气进行降温，然后再通过风机进行换热。喷淋模式+压缩机模式是首先通过喷淋至空空换热器上的水雾对室外空气进行降温，然后在通过室外风机将室外空气和室内空气进行换热，降低室内空气温度，最后在满足不了设定温度需求的情况下，压缩机系统开启，室内空气再经过蒸发器获取冷量给室内送风。从上述过程可以得出，整个间接蒸发冷系统对于控制方面需要做到精确处理。目前市场上大多数间接蒸发冷机组的室外风机、喷淋水泵以及压缩机多采用定频的方式，没有综合考虑三种工况情况下如何最优化控制系统，保证系统总能耗最低，同时又能够满足预定的制冷需求。如果处理三种工况的合理切换，充分利用自然冷源，确保间接蒸发冷系统能够在全年的运行中能够总能耗最低，并有效的降低数据中心的PUE值成为目前系统的关键所在。
发明内容
发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供了一种数据中心间接蒸发冷却系统及控制方法，解决了目前数据中心间接蒸发冷系统的优化控制问题，以便达到综合节能控制、有效降低数据中心PUE值的效果。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种数据中心间接蒸发冷却系统，包括室外水系统和室内压缩机系统，其中：
所述室外水制冷组件，包括换热芯体、水槽和循环水泵，所述水槽设在换热芯体的下方，所述换热芯体的顶部设有喷淋管，水槽的出水口通过循环水泵和管道与喷淋管循环连接，所述水槽还设有进水管；
所述室内压缩机制冷组件包括蒸发器，所述蒸发器的出口通过管道依次连接有压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述膨胀阀的出口与蒸发器的入口循环连接；所述压缩机的入口前端还设有气液分离器，所述冷凝器与膨胀阀之间还依次设有储液器和干燥过滤器；
所述压缩机的吸气口和排气口分别还设有吸气温度传感器和排气温度传感器，所述冷凝器的出口管道设有冷凝温度传感器，所述换热芯体的底部和顶部分别设有室外进风温度传感器和室外出风温度传感器，所述换热芯体的两侧面分别设有室内回风温湿度传感器和室内出风温度传感器。
所述换热芯体包括方形的壳体，设在壳体内的多层室内风道管，以及与壳体顶部连接的室外出风段，所述室内风道管具有伸出壳体的两个伸出端，且伸出端采用U型管进行连接形成串联或并联的通路，相邻层的室内风道管的朝向相互垂直，且每层室内风道管均设有相同的倾斜角，所述室外出风段为设有用于安装喷淋管的安装架的方形法兰，所述室外出风段的纵截面为梯形，所述冷凝器固定在室外出风段的顶部，且冷凝器上还设有外风机。所述室内风道管采用翅片换热管。所述室内风道管的部分伸出端与上层室内风道管的伸出端通过汇集管并联，部分伸出端与上层室内风道管的伸出端串联，所述汇集管采用竖直设置，且汇集管的底部设有集液段。
本发明还提供了一种基于上述数据中心间接蒸发冷却系统的控制方法，包括以下步骤：
(1)获取蒸发冷系统对应的室外干湿球温度，根据室外的干湿球温度将系统控制模式划分成三个控制模式，分别为室外风机模式、喷淋模式、喷淋+压缩机混合模式；
首先通过式(1)确定和计算系统启动温度TSta,
TSta＝TRat-ΔT (1)
式(1)中，Tsta为用于判断系统启动后进入模式的系统启动温度，TRat为室内回风温度，ΔT为室内回风温度与室外温度TOut的差值；
当室外干湿球温度在启动温度区间范围1时，启动第一种模式即室外风机模式；
当室外干湿球温度在启动温度区间范围2时，启动第二种模式即喷淋模式；
当室外干湿球温度在启动温度区间范围3时，启动第三种模式即喷淋+压缩机混合模式；
(2)获取室内风机的送风温度，在室外风机模式中，根据送风温度对室外风机进行启停和调速控制；
当室外环境干球温度TDry≤系统启动温度Tsta时，首先开启室内风机，检测室内送风温度，如果送风温度TSat＞送风温度设定值TSet+2℃，此时将室外风机按照最大转速RMax运行；如果送风温度TSet<TSat<TSet+2℃，通过PID对室外风机进行调速，室外风机运行在最低转速RMin和最高转速RMax之间；如果送风温度设定值TSet-2℃<TSat<TSet,此时室外风机将按照最小转速RMin运行；如果送风温度TSat<TSet-2℃则关闭室外风机；当送风温度TSat＞送风温度设定值TSet时，重新开启室外风机；
(3)在喷淋模式中，根据送风温度对喷淋水泵启停和调速控制：
当室外环境干球温度TDry＞系统启动温度Tsta，且室外湿球温度TWet＜系统启动温度Tsta时，
如果室外风机在步骤(2)中的最高转速RMax运行模式下，连续运行5分钟后，如果送风温度TSat＞送风温度设定值TSet+2℃，此时将喷淋水泵开启，水泵按照最高转速Vmax运行；如果送风温度TSet<TSat<TSet+2℃，通过PID对变频水泵进行调速，变频水泵运行在最低转速VMin和最高转速Vmax之间；如果送风温度设定值TSet-2℃<TSat<TSet,此时变频水泵将按照最小转速VMin运行；如果送风温度TSat<TSet-2℃时关闭水泵；当送风温度TSat＞送风温度设定值TSet时，重新开启水泵；
(4)在喷淋+压缩机混合模式中，根据送风温度对变频压缩机进行启停和频率控制：
当室外湿球温度TWet＞系统启动温度Tsta时，如果室外风机和变频水泵在步骤(3)中的在最高转速RMax和Vmax运行模式下，连续运行5分钟后，如果送风温度TSat>送风温度设定值TSet+2℃，此时将变频压缩机将会开启，变频压机按照最高频率HMax运行；如果送风温度TSet<TSat<TSet+2℃，通过PID对变频压缩机进行变频调节，变频压缩机运行在最低频率HMin和最高频率HMax之间；如果送风温度设定值TSet-2℃<TSat<TSet,此时变频压缩机将按照最低频率HMin运行；如果送风温度TSat<TSet-2℃时关闭变频压缩机。当送风温度TSat＞送风温度设定值TSet时，重新开启变频压缩机；
(5)在任何一种模式下，室内风机根据回风温度进行调速控制：
在步骤(2)至步骤(4)中，室内风机控制模式均根据回风温度TRat及回风温度设定值TRset按比例调节，当回风温度TRat<回风温度设定值TRset时，室内风机按照最低转速运行，当回风温度TRset<TRat<TRset+回风温度制冷比例带P，室内风机按照比例输出，比例输出0％-100％对应风机最小风量到最大风量；当回风温度>TRset+回风温度制冷比例带P时，室内风机按照最大转速运行。
有益效果：与现有技术相比，本发明解决目前数据中心间接蒸发冷系统的优化控制问题，以便达到综合节能控制、有效降低数据中心PUE值的效果。
附图说明
图1为本发明所述数据中心间接蒸发冷却系统的结构示意图；
图2为本发明所述数据中心间接蒸发冷却系统的控制流程图；
图3为本发明所述换热芯体的结构示意图。
其中，室外水系统100、换热芯体110、壳体111、室内风道管112、室外出风段113、伸出端114、U型管115、外风机116、方形法兰117、汇集管118、水槽120、循环水泵130、喷淋管140、进水管150、流量开关160、室外风机170、室内压缩机系统200、蒸发器210、压缩机220、冷凝器230、膨胀阀240、气液分离器250、储液器260、干燥过滤器270、室内风机280。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，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。
本发明的目的是提供一种间接蒸发冷系统控制方法及装置，解决目前数据中心间接蒸发冷系统的优化控制问题，以便达到综合节能控制、有效降低数据中心PUE值的效果。如图1和3所示，本发明数据中心间接蒸发冷却系统，包括室外水系统和室内压缩机系统，所述室外水制冷组件，包括换热芯体、水槽和循环水泵，所述水槽设在换热芯体的下方，所述换热芯体的顶部设有喷淋管，水槽的出水口通过循环水泵和管道与喷淋管循环连接，所述水槽还设有进水管；
所述室内压缩机制冷组件包括蒸发器，所述蒸发器的出口通过管道依次连接有压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述膨胀阀的出口与蒸发器的入口循环连接；所述压缩机的入口前端还设有气液分离器，所述冷凝器与膨胀阀之间还依次设有储液器和干燥过滤器；
所述压缩机的吸气口和排气口分别还设有吸气温度传感器和排气温度传感器，所述冷凝器的出口管道设有冷凝温度传感器，所述换热芯体的底部和顶部分别设有室外进风温度传感器和室外出风温度传感器，所述换热芯体的两侧面分别设有室内回风温湿度传感器和室内出风温度传感器，用于采集室内送风温度TSat，回风温度TRat，室外环境干球温度TDry，室外湿球温度TWet等数据。
所述换热芯体包括方形的壳体，设在壳体内的多层室内风道管，以及与壳体顶部连接的室外出风段，所述室内风道管采用翅片换热管且具有伸出壳体的两个伸出端，所述室内风道管的部分伸出端与上层室内风道管的伸出端通过汇集管并联，部分伸出端与上层室内风道管的伸出端串联，所述汇集管采用竖直设置，且汇集管的底部设有集液段；相邻层的室内风道管的朝向相互垂直，且每层室内风道管均设有相同的倾斜角，所述室外出风段为设有用于安装喷淋管的安装架的方形法兰，所述室外出风段的纵截面为梯形，所述冷凝器固定在室外出风段的顶部，且冷凝器上还设有外风机。
本装置中，由于换热芯体采用方形结构(相对于圆形)，流通室内气流的室内风道管能密集设在壳体内(尺寸一致降低加工成本)，且不存在逸流区域避免气流无效换热区，同时根据每层换热管的出气温度，可以设置每层室内风道管的间隔距离，从而确保各处的温度一致，并能最大限度的降低进出口处压差从而具有更高的气流交换速度提高了换热效率，倾斜的设置有利于室外气流从壳程进入冷凝成水以及下喷淋水的快速汇集流出，避免堆积降低换热效率。
如图2所示，具体详细介绍供了基于上述数据中心间接蒸发冷却系统的控制方法，包括以下步骤：
(1)获取蒸发冷系统对应的室外干湿球温度，根据所述室外的干湿球温度对系统进行控三个控制区域划分，分别为室外风机模式、喷淋模式、喷淋+压缩机混合模式。
(2)获取室内风机的送风温度，在室外风机模式中，根据送风温度对室外风机进行启停和调速控制。
(3)在喷淋模式中，根据送风温度对喷淋水泵启停和调速控制。
(4)在喷淋+压缩机混合模式中，根据送风温度对变频压缩机进行启停和频率控制。
(5)在任何一种模式下，室内风机根据回风温度进行调速控制。
在步骤(1)中，所述根据室外干湿球温度进行控制区域划分包括：
首先确定和计算系统启动温度TSta＝TRat-ΔT
其中Tsta为系统启动温度用于判断系统启动后进入的模式，TRat为室内回风温度，ΔT为室内回风温度于室外温度TOut的差值。
室外干湿球温度在启动温度区间范围1时，启动第一种模式即室外风机模式。
室外干湿球温度在启动温度区间范围2时，启动第二种模式即喷淋模式。
室外干湿球温度在启动温度区间范围3时，启动第三种模式即喷淋+压缩机混合模式。
在步骤(2)中，当室外环境干球温度TDry≤系统启动温度Tsta：
首先开启内循环风机，检测送风温度，如果送风温度TSat＞送风温度设定值TSet+2℃，此时将室外风机按照最大转速RMax运行。如果送风温度TSet<TSat<TSet+2℃，通过PID对室外风机进行调速，风机运行在最低转速RMin和最高转速RMax之间。如果送风温度设定值TSet-2℃<TSat<TSet,此时室外风机将按照最小转速RMin运行。如果送风温度TSat<TSet-2℃则关闭室外风机。当送风温度TSat＞送风温度设定值TSet时，重新开启室外风机。
在步骤(3)中，当室外环境干球温度TDry＞系统启动温度Tsta，室外湿球温度TWet＜系统启动温度Tsta
如果室外风机在步骤二中的最高转速RMax运行模式下，连续运行5分钟后，如果送风温度TSat＞送风温度设定值TSet+2℃，此时将喷淋水泵开启，水泵按照最高转速Vmax运行。如果送风温度TSet<TSat<TSet+2℃，通过PID对变频水泵进行调速，变频水泵运行在最低转速VMin和最高转速Vmax之间。如果送风温度设定值TSet-2℃<TSat<TSet,此时变频水泵将按照最小转速VMin运行。如果送风温度TSat<TSet-2℃时关闭水泵。当送风温度TSat＞送风温度设定值TSet时，重新开启水泵。
在步骤(4)中，当室外湿球温度TWet＞系统启动温度Tsta
如果室外风机和变频水泵在步骤(3)中的在最高转速RMax和Vmax运行模式下，连续运行5分钟后，如果送风温度TSat>送风温度设定值TSet+2℃，此时将变频压缩机将会开启，变频压机按照最高频率HMax运行。如果送风温度TSet<TSat<TSet+2℃，通过PID对变频压缩机进行变频调节，变频压缩机运行在最低频率HMin和最高频率HMax之间。如果送风温度设定值TSet-2℃<TSat<TSet,此时变频压缩机将按照最低频率HMin运行。如果送风温度TSat<TSet-2℃时关闭变频压缩机。当送风温度TSat＞送风温度设定值TSet时，重新开启变频压缩机。
在步骤(5)中，定义了室内风机的转速控制模式
在以上步骤(2)到步骤(4)中，室内风机控制模式均根据回风温度TRat及回风温度设定值TRset按比例调节，当回风温度TRat<回风温度设定值TRset时，室内风机按照最低转速运行，当回风温度TRset<TRat<TRset+回风温度制冷比例带P，室内风机按照比例输出，比例输出0％-100％对应风机最小风量到最大风量。当回风温度>TRset+回风温度制冷比例带P时，室内风机按照最大转速运行。

Claims (2)

1.一种数据中心间接蒸发冷却系统，其特征在于：包括室外水系统和室内压缩机系统，其中：
所述室外水制冷组件，包括换热芯体、水槽和循环水泵，所述水槽设在换热芯体的下方，所述换热芯体的顶部设有喷淋管，水槽的出水口通过循环水泵和管道与喷淋管循环连接，所述水槽还设有进水管；
所述室内压缩机制冷组件包括蒸发器，所述蒸发器的出口通过管道依次连接有压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述膨胀阀的出口与蒸发器的入口循环连接；所述压缩机的入口前端还设有气液分离器，所述冷凝器与膨胀阀之间还依次设有储液器和干燥过滤器；
所述压缩机的吸气口和排气口分别还设有吸气温度传感器和排气温度传感器，所述冷凝器的出口管道设有冷凝温度传感器，所述换热芯体的底部和顶部分别设有室外进风温度传感器和室外出风温度传感器，所述换热芯体的两侧面分别设有室内回风温湿度传感器和室内出风温度传感器。
所述换热芯体包括方形的壳体，设在壳体内的多层室内风道管，以及与壳体顶部连接的室外出风段，所述室内风道管具有伸出壳体的两个伸出端，且伸出端采用U型管进行连接形成串联或并联的通路，相邻层的室内风道管的朝向相互垂直，且每层室内风道管均设有相同的倾斜角，所述室外出风段为设有用于安装喷淋管的安装架的方形法兰，所述室外出风段的纵截面为梯形，所述冷凝器固定在室外出风段的顶部，且冷凝器上还设有外风机；所述室内风道管采用翅片换热；
所述室内风道管的部分伸出端与上层室内风道管的伸出端通过汇集管并联，部分伸出端与上层室内风道管的伸出端串联，所述汇集管采用竖直设置，且汇集管的底部设有集液段。
2.一种基于权利要求1所述数据中心间接蒸发冷却系统的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)获取蒸发冷系统对应的室外干湿球温度，根据室外的干湿球温度将系统控制模式划分成三个控制模式，分别为室外风机模式、喷淋模式、喷淋+压缩机混合模式；
首先通过式(1)确定和计算系统启动温度TSta,
TSta＝TRat-△T (1)
式(1)中，Tsta为用于判断系统启动后进入模式的系统启动温度，TRat为室内回风温度，△T为室内回风温度与室外温度TOut的差值；
当室外干湿球温度在启动温度区间范围1时，启动第一种模式即室外风机模式；
当室外干湿球温度在启动温度区间范围2时，启动第二种模式即喷淋模式；
当室外干湿球温度在启动温度区间范围3时，启动第三种模式即喷淋+压缩机混合模式；
(2)获取室内风机的送风温度，在室外风机模式中，根据送风温度对室外风机进行启停和调速控制；
当室外环境干球温度TDry≤系统启动温度Tsta时，首先开启室内风机，检测室内送风温度，如果送风温度TSat＞送风温度设定值TSet+2℃，此时将室外风机按照最大转速RMax运行；如果送风温度TSet<TSat<TSet+2℃，通过PID对室外风机进行调速，室外风机运行在最低转速RMin和最高转速RMax之间；如果送风温度设定值TSet-2℃<TSat<TSet,此时室外风机将按照最小转速RMin运行；如果送风温度TSat<TSet-2℃则关闭室外风机；当送风温度TSat＞送风温度设定值TSet时，重新开启室外风机；
(3)在喷淋模式中，根据送风温度对喷淋水泵启停和调速控制：
当室外环境干球温度TDry＞系统启动温度Tsta，且室外湿球温度TWet＜系统启动温度Tsta时，
如果室外风机在步骤(2)中的最高转速RMax运行模式下，连续运行5分钟后，如果送风温度TSat＞送风温度设定值TSet+2℃，此时将喷淋水泵开启，水泵按照最高转速Vmax运行；如果送风温度TSet<TSat<TSet+2℃，通过PID对变频水泵进行调速，变频水泵运行在最低转速VMin和最高转速Vmax之间；如果送风温度设定值TSet-2℃<TSat<TSet,此时变频水泵将按照最小转速VMin运行；如果送风温度TSat<TSet-2℃时关闭水泵；当送风温度TSat＞送风温度设定值TSet时，重新开启水泵；
(4)在喷淋+压缩机混合模式中，根据送风温度对变频压缩机进行启停和频率控制：
当室外湿球温度TWet＞系统启动温度Tsta时，如果室外风机和变频水泵在步骤(3)中的在最高转速RMax和Vmax运行模式下，连续运行5分钟后，如果送风温度TSat>送风温度设定值TSet+2℃，此时将变频压缩机将会开启，变频压机按照最高频率HMax运行；如果送风温度TSet<TSat<TSet+2℃，通过PID对变频压缩机进行变频调节，变频压缩机运行在最低频率HMin和最高频率HMax之间；如果送风温度设定值TSet-2℃<TSat<TSet,此时变频压缩机将按照最低频率HMin运行；如果送风温度TSat<TSet-2℃时关闭变频压缩机。当送风温度TSat＞送风温度设定值TSet时，重新开启变频压缩机；
(5)在任何一种模式下，室内风机根据回风温度进行调速控制：
在步骤(2)至步骤(4)中，室内风机控制模式均根据回风温度TRat及回风温度设定值TRset按比例调节，当回风温度TRat<回风温度设定值TRset时，室内风机按照最低转速运行，当回风温度TRset<TRat<TRset+回风温度制冷比例带P，室内风机按照比例输出，比例输出0％-100％对应风机最小风量到最大风量；当回风温度>TRset+回风温度制冷比例带P时，室内风机按照最大转速运行。
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