CN115190754A - 一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法 - Google Patents

一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法，涉及电器设备控制技术领域。本发明是为了在数据中心利用直接式风侧冷却时，对新风风门、循环风风门、排风风门的开度进行优化控制。本发明在明晰直接式风侧经济器物理结构的基础上，根据关键组成物理特性做出了部分简化及合理假设，分析了各风门控制指令、风门开度、风门流阻系数之间的函数关系，将之与新风比这一参数建立联系，得到了风机功率是流量与新风比的复合函数，反映了引入新风所需的代价。同时，考虑到新风比是风门开度的函数，以风机功耗总和最小为目标函数、各风门开度为决策变量、风量及新风比为外部输入量、风门开度上下限、新风比上下限为约束，得出了三风门的最优控制规律。

Description

一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法
技术领域
本发明属于电器设备控制技术领域。
背景技术
随着云计算、大数据等信息技术的兴起，数据中心作为相关技术的辅助设施，其数量与规模也在飞速增长。从广义上讲，数据中心是指所有含有服务器、通信设备、冷却及供电设备的建筑、厂房，都属于高能耗建筑，预计到2025年，数据中心耗电量可占全社会用电量的4.1％，因此降低数据中心能耗是提高经济效益、实现“双碳目标”的重要举措。
数据中心能耗主要由IT设备能耗、制冷系统能耗、供电能耗以及照明能耗四部分构成，其中制冷系统能耗占到了总能耗的40％左右，因此，自然冷却技术因其可以有效降低制冷系统能耗而被认为是数据中心节能的一种理想方法，尤其是近年来数据中心环境控制标准的放宽更是为其发展提供了机会。自然冷却技术旨在利用自然界低温冷源对数据中心进行冷却，按照冷源种类，又可划分为：风侧自然冷却、水侧自然冷却及热管自然冷却等。
以风侧自然冷却为例，其原理是利用户外新风对数据中心循环风进行冷却，并按照新风是否进入室内循环又分为直接式和间接式风侧冷却。其中，直接式风侧冷却需要在原有设备基础上增设一台风机用以引入新风，并增设三个风门分别为新风风门、循环风风门、排风风门用以控制新风、循环风、排风流量。但是由于户外新风的湿度、温度等会随时间变化，数据中心供风流量也会因IT设备计算载荷变化而变化，因此，三个风门的开度如何控制是一个有待优化的问题。
发明内容
本发明是为了在数据中心利用直接式风侧冷却时，对新风风门、循环风风门、排风风门的开度进行优化控制，现提供一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法。
一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法，包括以下步骤：
步骤一：在理想状态下风门压降Δpdp的表达式为：
Figure BDA0003797688600000011
其中，风门阻力系数Kdp为风门开度θdq的函数：
Figure BDA0003797688600000012
Figure BDA0003797688600000021
为空气流量，K'dq为风门全开时的流阻系数，Wf为加权因子，
Figure BDA0003797688600000022
为泄露参数；
步骤二：分别将新风、排风和循环风风门开度θodq、θedq和θrcdq带入公式二中获得：
Figure BDA0003797688600000023
其中，Kodp、Kedp和Krcdp分别为新风、排风和循环风风门的流阻系数，K'odq、K'edq和K'rcdq分别为Kodp、Kedp和Krcdp的初始值；
步骤三：依照公式一建立新风与混风风门压强差ΔpO2M、排风与新风风门压强差ΔpE2O以及排风与混风风门压强差ΔpE2M的表达式：
Figure BDA0003797688600000024
则有：
Figure BDA0003797688600000025
其中，pOA、pEA和pMA分别为新风、排风和混风风门压强，Kodt、Kedt和Krcdt分别为为新风、排风和混风管道的流阻系数，
Figure BDA0003797688600000026
和
Figure BDA0003797688600000027
分别为新风、排风和混风流量；
步骤四：当送风流量等于混风流量且湿空气中干空气密度恒定时，存在以下关系：
Figure BDA0003797688600000028
其中，
Figure BDA0003797688600000029
和
Figure BDA00037976886000000210
分别为供风流量和回风流量；
步骤五：定义新风比γ为新风流量
Figure BDA00037976886000000211
在供风流量
Figure BDA00037976886000000212
中的占比：
Figure BDA00037976886000000213
步骤六：结合公式五、六和七，则有：
(Kodp+Kodt)γ2+(Kedp+Kedt)γ2＝(Krcdp+Krcdt)(1-2γ+γ2) 公式八，
对上式进行求解，获得新风比γ的表达式为：
Figure BDA0003797688600000031
步骤七：将公式七和公式九带入公式四，则有：
Figure BDA0003797688600000032
其中，KO和KE分别为新风风道和排风风道的等效流阻系数；
步骤八：建立供风与回风风机的能耗PSF和PRF的表达式：
Figure BDA0003797688600000033
其中，ΔpSF和ΔpRF分别为供风和回风风机的风门压降，ηSF和ηRF分别为供风风机和回风风机整体效率；
则数据中心自然冷却的风机总能耗PVAV,fan为：
Figure BDA0003797688600000034
其中，ηSF＝ηRF＝ηVAV,fan；
步骤九：结合公式三、七、九、十和十二获得数据中心自然冷却的风机总能耗PVAV,fan与新风比γ以及θodq、θedq和θrcdq之间的关系，之后调整新风比γ，并在θodq∈[0,1]、θedq∈[0,1] 和θrcdq∈[0,1]条件下使得风机总能耗PVAV,fan最小，完成数据中心自然冷却系统中风门的控制。
进一步的，上述步骤一所述理想状态为：
(1)、空气密度恒定；
(2)、忽略风道及风门中速度压力的变化；
(3)、新风入口处及排风出口处压力恒为大气压；
(4)、送风流量等于混风流量；
(5)、湿空气中干空气密度恒定。
进一步的，上述步骤六中结合公式五、六和七获得公式八的具体过程为：
利用公式六中的等式关系将公式五改写为以下形式：
Figure BDA0003797688600000041
在上式两边均除以
Figure BDA0003797688600000042
获得：
Figure BDA0003797688600000043
将公式七代入上式，获得：
(Kodp+Kodt)γ2+(Kedp+Kedt)γ2＝(Krcdp+Krcdt)(1-2γ+γ2)。
进一步的，上述步骤八所述供风和回风风机的风门压降ΔpSF和ΔpRF表达式分别如下：
Figure BDA0003797688600000044
其中，KSA,com和KRA,dt分别为供风和回风管道各部件的总流阻系数，pCSH为供风管道总压力，
Figure BDA0003797688600000045
为防空气渗透所需的机房压力。
本发明提出了一种应用于数据中心直接式风侧经济器(Direct Air-sideEconomizer， DAE)的三风门控制方法。本发明在明晰直接式风侧经济器物理结构的基础上，根据关键组成物理特性做出了部分简化及合理假设，分析了各风门控制指令、风门开度、风门流阻系数之间的函数关系，将之与新风比这一参数建立联系，得到了风机功率是流量与新风比的复合函数，反映了引入新风所需的代价。同时，考虑到新风比是风门开度的函数，以风机功耗总和最小为目标函数、各风门开度为决策变量、风量及新风比为外部输入量、风门开度上下限、新风比上下限为约束，得出了三风门的最优控制规律。
附图说明
图1为本发明所述一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法的流程图；
图2为回风机式DAE系统结构示意图；
图3为直接式风侧经济器各部分压强示意图；
图4为利用GA间接优化各风门开度得到的优化结果曲线图，其中(a)表示新风风门开度，(b)表示排风风门开度，(c)表示循环风风门开度。
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的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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：目前，相关技术认为直接式风侧冷却中所用风机功耗仅与流量呈三次方关系，其关系式中未体现出引入新风所需付出的代价；并且当处于变供风流量、变新风流量情况时，三个风门开度如何实现最优控制亦尚未有相关研究。参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：假设理想状态为：
(1)、空气密度恒定；
(2)、忽略风道及风门中速度压力的变化；
(3)、新风入口处及排风出口处压力恒为大气压；
(4)、送风流量等于混风流量；
(5)、湿空气中干空气密度恒定。
在理想状态下建立风门压降Δpdp的表达式：
Figure BDA0003797688600000051
其中，风门阻力系数Kdp为风门开度θdq的函数：
Figure BDA0003797688600000052
Figure BDA0003797688600000061
为空气流量，K'dq为风门全开时的流阻系数，Wf为加权因子，
Figure BDA0003797688600000062
为泄露参数；
步骤二：分别将新风、排风和循环风风门开度θodq、θedq和θrcdq带入公式二中获得：
Figure BDA0003797688600000063
其中，Kodp、Kedp和Krcdp分别为新风、排风和循环风风门的流阻系数，K'odq、K'edq和K'rcdq分别为Kodp、Kedp和Krcdp的初始值；
步骤三：依照公式一建立新风与混风风门压强差ΔpO2M、排风与新风风门压强差ΔpE2O以及排风与混风风门压强差ΔpE2M的表达式：
Figure BDA0003797688600000064
则有：
Figure BDA0003797688600000065
其中，pOA、pEA和pMA分别为新风、排风和混风风门压强，Kodt、Kedt和Krcdt分别为为新风、排风和混风管道的流阻系数，
Figure BDA0003797688600000066
和
Figure BDA0003797688600000067
分别为新风、排风和混风流量；
步骤四：当送风流量等于混风流量且湿空气中干空气密度恒定时，存在以下关系：
Figure BDA0003797688600000068
其中，
Figure BDA0003797688600000069
和
Figure BDA00037976886000000610
分别为供风流量和回风流量；
步骤五：定义新风比γ为新风流量
Figure BDA00037976886000000611
在供风流量
Figure BDA00037976886000000612
中的占比：
Figure BDA00037976886000000613
步骤六：利用公式六中的等式关系将公式五改写为以下形式：
Figure BDA0003797688600000071
在上式两边均除以
Figure BDA0003797688600000072
获得：
Figure BDA0003797688600000073
将公式七代入上式，获得：
(Kodp+Kodt)γ2+(Kedp+Kedt)γ2＝(Krcdp+Krcdt)(1-2γ+γ2) (8)。
对上式进行求解，获得新风比γ的表达式为：
Figure BDA0003797688600000074
步骤七：将公式七和公式九带入公式四，则有：
Figure BDA0003797688600000075
其中，KO和KE分别为新风风道和排风风道的等效流阻系数；
步骤八：建立供风和回风风机的风门压降ΔpSF和ΔpRF表达式：
Figure BDA0003797688600000076
其中，KSA,com和KRA,dt分别为供风和回风管道各部件的总流阻系数，pCSH为供风管道总压力，
Figure BDA0003797688600000077
为防空气渗透所需的机房压力。
建立供风与回风风机的能耗PSF和PRF的表达式：
Figure BDA0003797688600000081
其中，ΔpSF和ΔpRF分别为供风和回风风机的风门压降，ηSF和ηRF分别为供风风机和回风风机整体效率；
则数据中心自然冷却的风机总能耗PVAV,fan为：
Figure BDA0003797688600000082
其中，ηSF＝ηRF＝ηVAV,fan；
步骤九：结合公式三、七、九、十和十二获得数据中心自然冷却的风机总能耗PVAV,fan与新风比γ以及θodq、θedq和θrcdq之间的关系，之后调整新风比γ，并在θodq∈[0,1]、θedq∈[0,1] 和θrcdq∈[0,1]条件下使得风机总能耗PVAV,fan最小，完成数据中心自然冷却系统中风门的控制。
为了验证本实施方式所提方法的有效性，本实施方式现针对某三风门回风机式DAE系统进行如下仿真优化：
目标函数如下式所示：
Figure BDA0003797688600000083
约束如下式所示：
Figure BDA0003797688600000091
输入外部参数变化范围如下式所示，
Figure BDA0003797688600000092
利用遗传算法(Genetic Algorithm，GA)优化后结果如图4所示。
本实施方式提出了一种应用于直接式风侧经济器的三风门最优控制策略。在明晰直接式风侧经济器物理结构的基础上，根据关键组成物理特性做出了部分简化及合理假设，分析了各风门控制指令、风门开度、风门流阻系数之间的函数关系，将之与新风比这一参数建立联系，建立了基于压力通道的风机功耗模型。在该模型中，风机功率是流量与新风比的复合函数，因此该模型可以反映出引入新风所需的代价，同时，考虑到新风比是风门开度的函数，本实施方式利用优化算法，以功耗总和最小为目标函数，以各风门开度为决策变量，以供风量及新风比为外部输入量，以风门开度上下限、新风比上下限为约束，得出了三风门的控制规律。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (4)

1.一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在理想状态下风门压降Δpdp的表达式为：
Figure FDA0003797688590000011
其中，风门阻力系数Kdp为风门开度θdq的函数：
Figure FDA0003797688590000012
Figure FDA0003797688590000013
为空气流量，K'dq为风门全开时的流阻系数，Wf为加权因子，
Figure FDA0003797688590000014
为泄露参数；
步骤二：分别将新风、排风和循环风风门开度θodq、θedq和θrcdq带入公式二中获得：
Figure FDA0003797688590000015
其中，Kodp、Kedp和Krcdp分别为新风、排风和循环风风门的流阻系数，K'odq、Ke'dq和Kr'cdq分别为Kodp、Kedp和Krcdp的初始值；
步骤三：依照公式一建立新风与混风风门压强差ΔpO2M、排风与新风风门压强差ΔpE2O以及排风与混风风门压强差ΔpE2M的表达式：
Figure FDA0003797688590000016
则有：
Figure FDA0003797688590000017
其中，pOA、pEA和pMA分别为新风、排风和混风风门压强，Kodt、Kedt和Krcdt分别为为新风、排风和混风管道的流阻系数，
Figure FDA0003797688590000018
和
Figure FDA0003797688590000019
分别为新风、排风和混风流量；
步骤四：当送风流量等于混风流量且湿空气中干空气密度恒定时，存在以下关系：
Figure FDA0003797688590000021
其中，
Figure FDA0003797688590000022
和
Figure FDA0003797688590000023
分别为供风流量和回风流量；
步骤五：定义新风比γ为新风流量
Figure FDA0003797688590000024
在供风流量
Figure FDA0003797688590000025
中的占比：
Figure FDA0003797688590000026
步骤六：结合公式五、六和七，则有：
(Kodp+Kodt)γ2+(Kedp+Kedt)γ2＝(Krcdp+Krcdt)(1-2γ+γ2)公式八，
对上式进行求解，获得新风比γ的表达式为：
Figure FDA0003797688590000027
步骤七：将公式七和公式九带入公式四，则有：
Figure FDA0003797688590000028
其中，KO和KE分别为新风风道和排风风道的等效流阻系数；
步骤八：建立供风与回风风机的能耗PSF和PRF的表达式：
Figure FDA0003797688590000029
其中，ΔpSF和ΔpRF分别为供风和回风风机的风门压降，ηSF和ηRF分别为供风风机和回风风机整体效率；
则数据中心自然冷却的风机总能耗PVAV,fan为：
Figure FDA0003797688590000031
其中，ηSF＝ηRF＝ηVAV,fan；
步骤九：结合公式三、七、九、十和十二获得数据中心自然冷却的风机总能耗PVAV,fan与新风比γ以及θodq、θedq和θrcdq之间的关系，之后调整新风比γ，并在θodq∈[0,1]、θedq∈[0,1]和θrcdq∈[0,1]条件下使得风机总能耗PVAV,fan最小，完成数据中心自然冷却系统中风门的控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法，其特征在于，步骤一所述理想状态为：
(1)、空气密度恒定；
(2)、忽略风道及风门中速度压力的变化；
(3)、新风入口处及排风出口处压力恒为大气压；
(4)、送风流量等于混风流量；
(5)、湿空气中干空气密度恒定。
3.根据权利要求1所述的一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法，其特征在于，步骤六中结合公式五、六和七获得公式八的具体过程为：
利用公式六中的等式关系将公式五改写为以下形式：
Figure FDA0003797688590000032
在上式两边均除以
Figure FDA0003797688590000033
获得：
Figure FDA0003797688590000034
将公式七代入上式，获得：
(Kodp+Kodt)γ2+(Kedp+Kedt)γ2＝(Krcdp+Krcdt)(1-2γ+γ2)。
4.根据权利要求1所述的一种用于数据中心自然冷却的风门控制方法，其特征在于，步骤八所述供风和回风风机的风门压降ΔpSF和ΔpRF表达式分别如下：
Figure FDA0003797688590000041
其中，KSA,com和KRA,dt分别为供风和回风管道各部件的总流阻系数，pCSH为供风管道总压力，
Figure FDA0003797688590000042
为防空气渗透所需的机房压力。
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