CN206724424U - 机房运行能耗实时监测调控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述实时监测调控系统包括中央计算机以及分别与所述中央计算机相连接的制冷系统PLC控制器、末端空调PLC控制器、环境监测PLC控制器，其中，所述环境监测PLC控制器连接布置于IDC机房中的环境监测组件，所述环境监测组件包括热量扫描装置、温度传感器以及湿度传感器。本实用新型的优点是，实时监测调控系统结构组成简单，能够实时在线监控IDC机房内的环境情况和冷冻机房中制冷系统的运行工况，并通过中央计算机建立制冷系统中各设备的能耗模型，从而进行控制寻优找出各设备实现冷冻机房最低能耗的运行工况并进行主动调节控制，以降低冷冻机房的能耗，节约电费支出。

Description

机房运行能耗实时监测调控系统

技术领域

本实用新型涉及节能控制系统，具体涉及一种机房运行能耗实时监测调控系统。

背景技术

随着电子商务和企业信息化的发展，IDC（Internet Data Center，互联网数据中心，简称IDC）机房建设的数量及规模不断扩大。机房作为各单位信息交换及存储的枢纽，科学管理尤为重要。

随着机房设备高度的集成化，机房散热量日渐增高的现象开始受到了各界强烈关注。IDC机房的热负荷主要来源于机柜内的IT设备，而IT设备中服务器、工作站里的CPU发热量尤其高。例如，英特尔公司2000年11月发布的Pentium4 CPU的功率在50W以上，发热量很大，满负荷工作时芯片温度接近80℃，从而形成了CPU热点。如果未能及时发现IDC机房中的异常热源点并及时采取散热措施，作为“大脑或心脏”的CPU将无法正常工作，并将导致其所属IT设备发生死机等现象。

目前IDC机房中的温度调控主要通过冷冻机房中的制冷系统实现，一个冷冻机房主要由冷水机组、冷冻水泵组、冷却水泵组、冷却塔组构成，其整体能耗受到多种因素的影响。例如，影响冷水机组效率的主要因素有机组制冷量、冷冻水供水温度（或冷水机组蒸发压力）、冷却水进水温度/出水温度（或冷水机组冷凝压力）等。同样，离心水泵组的整体效率也是其流量和台数的函数，且一般在水泵流量75%～90%的范围内，水泵效率出现峰值。同时，控制方式和水泵转速也会影响水泵效率。

根据以上描述，对于相同的室内制冷负荷要求，可以有不同的满足方法。既可以采用较低的冷冻水供水温度及较小的冷冻水流量，此时冷水机组的能耗较高，但冷冻水泵的能耗较低，或者采用较高的冷冻水供水温度和较大的冷冻水流量。同样，对于相同的冷水机组出力要求，可以选择较高的冷却水流量使冷水机组工作在较低的冷凝压力下而使能耗较低；或者相反，采用冷水机组能耗较高而冷却水泵能耗较低的工作方式。当多台冷水机组并联运行时，将有更多的选择可能。相同的制冷负荷要求可以用较多的冷水机组同时工作，而每台工作在较低负荷下来满足，也可以用较少的冷水机组同时工作，而每台冷水机组工作在接近满负荷下来满足。冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔之间也可以不按照“一一对应”的方式进行工作。

由于冷水机组、冷冻水泵和冷却水泵的效率都有峰值存在，而在实际运行时，这些设备的工况一般不会恰好运行在各自的峰值效率点上。同时，冷冻水的温度与流量及冷却水的温度与流量都允许在一定的范围内变化，而不会对满足制冷需求造成影响。这样，就有可能通过统筹考虑，通过合理选择冷水机组出力、冷冻水供水温度及流量、冷却水进水温度以及冷却塔工作状态等参数，调整各设备的工作状态，达到使整个冷冻机房设备运行效率最高的优化目标。

发明内容

本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种机房运行能耗实时监测调控系统，该实时监测调控系统通过环境监测组件实时监测IDC机房中的各项环境参数以实现末端空调的精密控制，同时通过制冷系统PLC控制器采集制冷系统中各项参数从而建立各设备的能耗模型，并应用中央计算机进行控制寻优找出各设备实现机房最低能耗的运行工况，进行主动调节控制。

本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述实时监测调控系统包括中央计算机以及分别与所述中央计算机相连接的制冷系统PLC控制器、末端空调PLC控制器、环境监测PLC控制器，其中，所述环境监测PLC控制器连接布置于IDC机房中的环境监测组件，所述环境监测组件包括热量扫描装置、温度传感器以及湿度传感器。

所述热量扫描装置包括监测轨道、走行机构以及红外热视扫描装置，所述走行机构可移动式设置于所述监测轨道上，所述红外热视扫描装置固定安装在所述走行机构上并指向所述IDC机房中的各排机柜。

所述监测轨道水平安装于所述IDC机房的墙壁上。

所述监测轨道安装于所述IDC机房的室内天花板上。

所述监测轨道的数量为二，分为定频监测轨道和实时监测轨道，两者水平并行安装于所述IDC机房的墙壁上。

所述制冷系统PLC控制器经若干传感器和执行机构连接控制所述制冷系统中的冷水机组、冷冻水泵组、冷却塔组以及冷却水泵组。

所述传感器包括设置于所述制冷系统连接管路中的温度传感器、压力传感器、流量传感器以及智能电表。

所述执行机构包括电动调节阀、电动开关阀、冷冻水泵变频器、冷却水泵变频器以及冷却塔变频器。

所述末端空调PLC控制器连接控制布置于IDC机房中的空调。

本实用新型的优点是，实时监测调控系统结构组成简单，能够实时在线监控IDC机房内的环境情况和冷冻机房中制冷系统的运行工况，并通过中央计算机建立制冷系统中各设备的能耗模型，从而进行控制寻优找出各设备实现冷冻机房最低能耗的运行工况并进行主动调节控制，以降低冷冻机房的能耗，节约电费支出。

附图说明

图1为本实用新型中机房运行能耗实时监测调控系统的示意框图；

图2为本实用新型中制冷系统PLC控制器连接控制制冷系统的示意图；

图3为本实用新型中环境监测组件的示意图；

图4为本实用新型中IDC机房内热量扫描装置的平面布置示意图；

图5为本实用新型图4中的A向视图；

图6为本实用新型图4中的B向视图；

图7为本实用新型图4中安装有空中监测导轨的A向视图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本实用新型的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-7，图中标记1-21分别为：中央计算机1、制冷系统PLC控制器2、末端空调PLC控制器3、环境监测PLC控制器4、制冷系统5、空调6、环境监测组件7、冷却塔组8、冷却水泵组9、冷水机组10、冷冻水机组11、IDC机房12、走行机构13、红外热视扫描装置14、定频监测轨道15、实时监测轨道16、机柜17、空中监测轨道18、热量扫描装置19、温度传感器20、湿度传感器21。

实施例1：

如图1所示，本实施例具体涉及一种机房运行能耗实时监测调控系统，此处的机房涉及冷冻机房和IDC机房，该实时监测调控系统包括中央计算机1、制冷系统PLC控制器2、末端空调PLC控制器3以及环境监测PLC控制器4，各PLC控制器分别同中央计算机1相连接，其中，制冷系统PLC控制器2连接控制制冷系统5（即冷冻机房），末端空调PLC控制器3连接控制位于IDC机房中的各空调6，环境监测PLC控制器4则连接控制安装在IDC机房中的环境监测组件7。

如图1所示，本实施例中的中央计算机1作为中央控制站使用，在其内安装并运行有PPMS能耗监测控制软件，中央计算机1通过该PPMS能耗监测控制软件可读取各PLC控制器所采集的数据并能够向各PLC控制器发送相应的控制指令。

如图1、3、4所示，在IDC机房12内间隔布置有若干排的机柜17，机柜17中的IT设备（即服务器、工作站等）将会产生大量的热量，对IDC机房12内的温、湿度影响较大，且由于部分机柜17中的IT设备始终处于高速运行状态，将会产生局部的异常热源点，为了能够及时监测到IDC机房12中的温、湿度参数以及异常热源点，在IDC机房12中设置有环境监测组件7，且中央计算机1通过环境监测PLC控制器4连接本实施例中的环境监测组件7。

如图3、4、5、6所示，该环境监测组件7包括安装在IDC机房12中的热量扫描装置19、温度传感器20以及湿度传感器21；其中，热量扫描装置19包括安装在IDC机房12墙壁上的两条监测轨道，分别是定频监测轨道15和实时监测轨道16，两者在水平方向上并行设置，监测轨道的安装高度应居于墙壁中间高度，以确保其上的红外热视扫描装置14扫描范围能够恰好覆盖到IDC机房12的整个高度范围；一般情况下，IDC机房12中的各面墙壁上均需设置上述的两条监测轨道，当然，也可以根据实际情况，只选择在与各排机柜17相垂直的两面墙壁上设置监测轨道；在定频监测轨道15上设置有可沿其轨道自由滑动的走行机构13，在走行机构3上固定有红外热视扫描装置14；而在实时监测轨道16上，同样设置有可沿其轨道自由滑动的走行机构13以及安装在走行机构13上的红外热视扫描装置14；需要说明的是，走行机构13以及红外热视扫描装置14均同环境监测PLC控制器4构成通信连接，也就是说，环境监测PLC控制器4能够控制走行机构13的走行，并能够接收红外热视扫描装置4所采集到红外热成像图。当然，根据IDC机房12中的具体需求，在墙壁上也可仅设置一条定频监测轨道15。

如图3、4、5、6所示，在环境监测组件7的工作过程中，温度传感器20和湿度传感器21将所采集到的IDC机房12内的温度参数和湿度参数经环境监测PLC控制器4发送至中央计算机1中；红外热视扫描装置14在走行机构13的驱动下以固定频率在定频监测轨道15上进行巡检，红外热视扫描装置14在移动过程中进行红外热成像扫描，从而获取IDC机房12中各排机柜2在每个时刻的红外热成像图，并经环境监测PLC控制器4发送至中央计算机12中进行数据分析处理，以及时获知IDC机房12中的热量分布以及产生异常热源的位置，此外，通过将各个时刻的红外热成像图叠加组合后形成热量流动图，可获知热量在IDC机房12的室内空间中的实时流动路径以及之后的流动趋势。与此同时，中央计算机1根据红外热成像图获知异常热源的发生位置后，向环境监测PLC控制器4发送控制指令，使其控制实时监测轨道16上的走行机构13驱动其上的红外热视扫描装置14移动至异常热源的发生位置并静止在该处，红外热视扫描装置14对该异常热源实行实时监控，也就是说，实时监测轨道16上的红外热视扫描装置14用于对IDC机房1中的局部位置进行实时热成像扫描监测，直至异常热源位置处降温至正常水平为止。

如图1、2、4所示，在IDC机房12中还间隔布置有若干空调6，用于调节IDC机房12中的温湿度，中央计算机1通过末端空调PLC控制器3连接控制各空调6。当中央计算机1对所接收到的红外热成像图、温度参数和湿度参数进行数据分析处理之后，可获取IDC机房12内的制冷负荷，并可产生优化后的末端空调6的控制策略发送至末端空调PLC控制器3，从而降低IDC机房12中各空调6的能耗，营造温度适宜、热量分布均匀的机房环境。例如，针对红外热成像图中所显示出来的异常热源位置，可通过末端空调PLC控制器3控制对应位置处的空调6调低制冷温度，此外，还可根据热量流动图中热量的流动趋势，提前控制对应位置处的空调6调低制冷温度，确保IDC机房12内的温度适宜，避免局部位置的异常高温出现，且可避免IDC机房12内空调6全部调低制冷温度造成能耗浪费的情况。

本实施例中的制冷系统5（即冷冻机房）主要由冷却塔组8、冷却水泵组9、冷水机组10以及冷冻水机组11所组成，各机组均由多个设备组成，而相互之间的连接关系为常规技术手段，如图2所示，在此不再赘述。如图1、2所示，中央计算机1利用制冷系统PLC控制器2连接制冷系统5，更具体的，制冷系统PLC控制器2经若干传感器和执行机构连接控制冷却塔组8、冷却水泵组9、冷水机组10以及冷冻水机组11，前述的传感器具体包括设置于制冷系统5的各连接管路中的温度传感器、压力传感器、流量传感器以及智能电表，前述的执行机构具体包括电动调节阀、电动开关阀、冷冻水泵变频器、冷却水泵变频器以及冷却塔变频器。制冷系统PLC控制器2通过各传感器采集数据并上传至中央计算机1中之后，PPMS能耗监测控制软件分别对各设备建立能耗模型，并应用中央计算机1联合计算求解出制冷系统2中各设备的最低总能耗，然后进行控制寻优找出各设备实现制冷系统最低能耗的运行工况，并对其进行主动式控制而非传统的被动式反馈控制。

在具体的主动式控制策略中，首先根据制冷系统5内各设备的特性建立各自的能耗模型，并在此基础上建立整个制冷系统的能量平衡模型及能耗模型；在制冷系统运行时，控制中央计算机1以一定的时间间隔利用环境监测PLC控制器4测量制冷负荷的实时值，并据此进行各能耗模型的联合求解，找出能够满足此制冷负荷的、且整个制冷系统5总能耗最低（即整体效率最高）的工作状态；在此基础上，控制中央计算机1确定各受控变量的设定值，并将之传送到对应的制冷系统PLC控制器2中，再由制冷系统PLC控制器2控制各台设备的运行状态，使得整个制冷系统运行在效率最高的状态下；优化计算中所涉及到的能耗模型有：冷水机组能耗模型、冷却水泵能耗模型、冷冻水泵能耗模型和冷却塔能耗模型。

（1）冷水机组10的能耗模型及其控制：

通过建立冷水机组10的能耗模型，以精确计算出冷水机组10在各运行工况下(如：不同的冷冻水进出水温、冷却水进出水温、部分负荷率等)的能效COP，从而得到各种系统工况下冷水机组10的能耗；

冷水机组10的台数控制和加减机策略是基于优化程序的计算结果来执行的；即在满足不同的冷负荷需求的前提下，以制冷系统5的整体能效比最高为控制目标，在不同运行组合中寻优而确定冷水机组10运行的台数，并进行加减机判断；

当中央计算机1完成加减机判断后，即向下层的制冷系统PLC控制器2发出指令；制冷系统PLC控制器2向冷水机组10发出加/减机的信号，并向冷水机组10中的蒸发器和冷凝器进水管上的电动开关阀发出开/关信号；冷水机组10将根据来自PLC信号进入自身的加减机自检程序。

（2）冷冻水泵组11的能耗模型及其控制

通过建立冷冻水泵组11的能耗模型，可以精确计算出冷冻水泵组11在各运行工况下(如：不同的冷冻水流量、扬程和运行频率等)的能耗；

冷冻水泵组11的能耗计算公式仅考虑冷冻水泵根据差压信号进行变频调速，根据优化算法找到其优化后的工作点；冷冻水供水压差设定值根据末端需求流量重置，冷冻水泵根据重置后的压差设定值工作，通过优化算法计算得到所需流量，通过变频控制运行在此优化后的工作点；

当中央计算机1完成当前所需冷冻水泵台数的寻优计算后，即向下层的制冷系统PLC控制器2发出指令；制冷系统PLC控制器2向冷冻水泵组11的各台冷冻水泵发出相应的启/停信号。

（3）冷却水泵组9的能耗模型及其控制

通过建立冷却水泵组9的能耗模型，可以精确计算出冷却水泵组9在各运行工况下(如：不同的冷却水流量、扬程和运行频率等)的能耗；

冷却水泵组9的台数和运行频率控制都是基于流量优化及温度控制来执行的，以制冷系统5整体能效比最高为控制目标，在不同的组合中寻优而确定冷却水泵组9的运行方式；

当中央计算机1完成当前所需冷却水泵台数的寻优计算后，即向下层的制冷系统PLC控制器2发出指令；制冷系统PLC控制器2向冷却水泵组9中的各台冷却水泵发出相应的启/停信号。

（4）冷却塔组8的能耗模型及其控制

通过建立冷却塔组8的热湿交换模型，可以精确计算出冷却塔组8在各工况下(如：不同的冷却水进出水温、冷却水流量、排热量、室外湿球温度等)的运行参数。

冷却塔组8的台数控制是基于优化程序的计算结果来执行的，即在满足不同的排热量需求的前提下，以制冷系统5的整体能效比最高为控制目标，在不同运行组合中寻优而确定冷却塔组8运行的台数。

当中央计算机1完成当前所需冷却塔台数的寻优计算后，即向下层的制冷系统PLC控制器2发出指令；制冷系统PLC控制器2向冷却塔组8中的各冷却塔风机发出相应的启/停信号，并向冷却塔进水管上的电动开关阀发出相应的开/关信号。

（5）冷水机组10的冷冻水供水温度选择

冷水机组10中的冷冻水供应至IDC机房12中的空调6中，而冷冻水供水设定温度的上限根据室外温度，具体如下：

a.当室外干球温度高于27℃时，供水温度上限为7℃；

b.当室外干球温度低于16℃时，供水温度上限为8℃；

c.当室外干球温度介于16℃和27℃之间时，供水温度上限介于7℃-8℃之间；

冷冻水供水温度上限这样地分区间选择即可以进一步为降低机房能耗提供机会，也同时确保了不同室外条件下的除湿要求。中央计算机1在不同室外干球温度条件下优化选择对应区间内的冷冻水供水温度，所选之该温度即能对应最低的制冷系统5的整体能耗。

本实施例中机房运行能耗实时监测调控系统的有益效果在于：降低机房的运行能耗，节能率预计可达7.4%，减少环境污染，并能够实现系统的自动监测和自动优化运行，制冷系统中的各设备科自动加减，同时也支持操作人员手动控制，在界面上远程启停设备；降低了对维护人员的技术要求以及操作故障的可能性。从而提高了冷水机房运行的安全性。

该实时监测调控方法能使IDC机房及冷冻机房运行更安全可靠，对IDC机架房内的环境/湿度/温都/空气质量坏境等数据都能在时视情地不断得到更完整周全的记录，以便于系统根据情况运行，包括在系统内时刻实时监测和优化整个中心的运行。这是通过PPMS软件根据在时采集当时IDC架房对冷量的需求、当时室内外天气温度和湿球温度数据、当时所选各主设备的运行的组合和自动优化组合及优化各设备在时机组运行匹配率去实现在时运行完美化，并同时把所有各项现场数据和设备运行数据，包括各时段因现场需求变化及天气变化系统自动选择更改设备运转率的优化组合记录等。

实施例2：

如图1、3、4、6、7所示，本实施例具体涉及一种机房运行能耗实时监测调控系统，该实时监测调控系统与实施例1的不同之处在于：在IDC机房12的室内天花板上还安装有至少一条空中监测轨道18，空中监测轨道18的布设方向与各排机柜17相垂直，且在空中监测轨道18上设置有可沿其轨道自由滑动的走行机构13以及固定在走行机构13上的红外热视扫描装置14。需要说明的是，空中监测轨道18上的红外热视扫描装置14采用与定频监测轨道15上的红外热视扫描装置14相同的巡检频率，从而实现同步扫描监测。

如图1、3、4、6、7所示，装在IDC机房12中墙壁上的红外热视扫描装置14扫描所获得的热成像图是竖直平面上的，也就是说，实施例1中所获得的热成像图仅仅是二维图像，工作人员无法获知其沿机柜17纵深方向上的具体位置；为此，本实施例通过在IDC机房12的室内天花板上增设空中监测轨道18，以实现对IDC机房12内水平平面上的热成像图扫描；中央计算机1在接收到竖直平面上的热成像图以及水平平面上的热成像图之后，将两者进行组合，可获得IDC机房12内的三维热成像图，以便于精确获知IDC机房12内的热量分布和异常热源的发生位置，从而使末端空调PLC控制器3能够更加精确的控制空调6在IDC机房12内进行差异化降温调控，降低能耗。

Claims (9)

1.一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述实时监测调控系统包括中央计算机以及分别与所述中央计算机相连接的制冷系统PLC控制器、末端空调PLC控制器、环境监测PLC控制器，其中，所述环境监测PLC控制器连接布置于IDC机房中的环境监测组件，所述环境监测组件包括热量扫描装置、温度传感器以及湿度传感器。

2.根据权利要求1所述的一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述热量扫描装置包括监测轨道、走行机构以及红外热视扫描装置，所述走行机构可移动式设置于所述监测轨道上，所述红外热视扫描装置固定安装在所述走行机构上并指向所述IDC机房中的各排机柜。

3.根据权利要求2所述的一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述监测轨道水平安装于所述IDC机房的墙壁上。

4.根据权利要求2所述的一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述监测轨道安装于所述IDC机房的室内天花板上。

5.根据权利要求2所述的一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述监测轨道的数量为二，分为定频监测轨道和实时监测轨道，两者水平并行安装于所述IDC机房的墙壁上。

6.根据权利要求1所述的一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述制冷系统PLC控制器经若干传感器和执行机构连接控制所述制冷系统中的冷水机组、冷冻水泵组、冷却塔组以及冷却水泵组。

7.根据权利要求6所述的一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述传感器包括设置于所述制冷系统连接管路中的温度传感器、压力传感器、流量传感器以及智能电表。

8.根据权利要求6所述的一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述执行机构包括电动调节阀、电动开关阀、冷冻水泵变频器、冷却水泵变频器以及冷却塔变频器。

9.根据权利要求1所述的一种机房运行能耗实时监测调控系统，其特征在于所述末端空调PLC控制器连接控制布置于IDC机房中的空调。