CN105222439A - 数据中心空调末端节能控制装置及控制方法 - Google Patents

数据中心空调末端节能控制装置及控制方法 Download PDF

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冉义兵
肖峰
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Abstract

本发明提供一种数据中心空调末端的节能控制装置及控制方法，应用在由冷水盘管、风机、调节阀、调速执行装置、冷冻水进水管路、冷冻水出水管路、送风通道及回风通道构成的数据中心空调末端结构上。所述节能控制装置包括：送风温度传感器，送风静压传感器，回风温度传感器，优化控制模块，送风温度控制模块，静压控制模块等。本发明不仅能够提高回风温度控制精度、避免局部热点以及控制送风温度在绿色安全区间，还能够节省数据中心空调末端风机的能耗，提升整个水冷空调***的能效。

Description

数据中心空调末端节能控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及数据中心空调***的节能控制，具体涉及一种通常称之为“机房空调”的数据中心空调末端的节能控制装置及控制方法。
背景技术
数据中心空调末端为机房IT设备提供热环境。典型的数据中心能耗结构中空调***消耗占40％左右，其中数据中心空调末端占10％左右。在水冷空调***中，数据中心空调末端的运行工况不仅关乎身能效还影响着冷源端冷冻站的能耗。
所述数据中心空调末端是以冷冻水为制冷媒介，通过冷盘管与空气进行热交换，应用在数据中心机房的一种空调，其工作原理是：由冷源端输送来的冷冻水进入盘管对热空气(回风)进行冷却，风机把冷却后的冷空气(送风)输送到机房IT设备端，冷空气对运行发热的负荷设备(IT设备)进行冷却，冷却后变成高温的热空气回流到数据中心空调末端，如此循环，不断维持IT设备正常运行所需热环境。
现有的数据中心空调末端控制方法主要有：回风温度控制法和送风温度控制法。回风温度控制法是通过调节冷冻水流量控制回风温度达到回风温度设定值，控制装置结构如图2所示。送风温度控制法是通过调节冷冻水流量控制送风温度达到送风温度设定值，控制装置结构如图3所示。
回风温度控制法的控制原理：回风温度传感器208监测回风温度，回风温度信号214传至回风温度控制器211，回风温度控制器211比较回风温度值与回风温度设定值比较，通过PI/PID运算出冷冻水阀控制量值，由冷冻水阀控制量信号215驱动冷冻水阀执行器203调节冷冻水量，循环执行维持回风温度恒定到回风温度设定值；静压感器210监测送风静压，送风静压信号217传至静压控制器213，静压控制器213比较静压值与静压设定值比较，通过PI/PID运算出风量控制量值，由风量控制量信号218驱动风机调速执行装置219调节风机风量，循环执行维持静压恒定到静压设定值。
送风温度控制法的控制原理：送风温度传感器309监测送风温度，送风温度信号320传至送风温度控制器312，送风温度控制器312比较送风温度值与送风温度设定值比较，通过PI/PID运算出冷冻水阀控制量值，由冷冻水阀控制量信号321驱动冷冻水阀执行器303调节冷冻水量，循环执行维持送风温度恒定到送风温度设定值；静压感器310监测送风静压，送风静压信号317传至静压控制器313，静压控制器313比较静压值与静压设定值比较，通过PI/PID运算出风量控制量值，由风量控制量信号318驱动风机调速执行装置319调节风机风量，循环执行维持静压恒定到静压设定值。
上述两种现有控制方法的主要不足之处在于：①只能控制一个温度，要么只有回风温度控制，要么只有送风温度控制，无法控制另一温度的变化对所控环境的影响，易出现局部热点；②静压控制回路调节风量与温度控制回路调节水量，两控制回路相互独立，“各自为政”，不能协调水侧和空气侧能效优化；③温度控制回路的温度设定值(回风温度设定值或送风温度设定值)、静压控制回路的静压设定值在程序内部为常数，不能跟随负荷变化而动态调节，使得部分负荷运行时冷量过剩、温差下滑，严重降低***能效。
发明内容
本发明提供一种数据中心空调末端的节能控制装置及控制方法，其目的是提高热环境控制效果，节省数据中心空调末端风机能耗、降低冷源端能耗。
数据中心空调末端的节能控制装置，应用在由冷水盘管、风机、调节阀、调速执行装置、冷冻水进水管路、冷冻水出水管路、送风通道及回风通道等构成的数据中心空调末端结构上，本发明节能控制装置包括：
送风温度传感器，安装于风机的出风口处，用于获取送风温度值；
送风静压传感器，安装于风机的出风口与负荷设备的进风口之间，用于获取静压值；
回风温度传感器，安装于负荷设备的出风口处，用于获取回风温度值。
优化控制模块，用于对回风温度值与回风温度设定值的差进行积分，实时获得制冷需求量比，并根据送风温度设定值约束边界、静压设定值约束边界和制冷需求量比计算新的送风温度设定值和静压设定值；
送风温度控制模块，根据来自优化控制模块输出的送风温度设定值和反馈的送风温度值计算并输出控制量来调节冷冻水流量，以控制送风温度达到并维持送风温度设定值；
静压控制模块，根据来自优化控制模块输出的静压设定值和反馈的静压值计算并输出控制量驱动调速执行装置来调节风机的转速，以控制静压达到并维持静压设定值。
数据中心空调末端的节能控制方法，采用以下流程方法：
(a)回风温度传感器检测回风温度值，回风温度值传输至优化控制模块；
(b)优化控制模块对回风温度值与回风温度设定值的差进行积分，实时获得制冷需求量比；
(c)优化控制模块根据送风温度设定值约束边界、静压设定值约束边界和制冷需求量比计算新的送风温度设定值和静压设定值；
(d)送风温度控制模块根据来自优化控制模块输出的送风温度设定值和反馈的送风温度值计算并输出控制量来调节冷冻水流量，以控制送风温度达到并维持送风温度设定值；
(e)静压控制模块，根据来自优化控制模块输出的静压设定值和反馈的静压值计算并输出控制量驱动调速执行装置来调节风机的转速，以控制静压达到并维持静压设定值。
所述的送风温度设定值约束边界指设定的允许最高和最低送风温度设定值。
所述的送风静压设定值约束边界指设定的允许最高和最低静压设定值。
所述制冷量需求，根据下述公式计算：
[γ]＝∫([RAT]-[RAT.set])；
所述送风温度设定值，优选地，根据下述公式计算：
[SAT.sp]＝[SAT.sp.max]，0≤[γ]＜[α1]；
[SAT.sp]＝[SAT.sp.max]-([SAT.sp.max]-[SAT.sp.min])*([γ]-[α1])/([α2]-[α1])，[α1]≤[γ]＜[α2]；
[SAT.sp]＝[SAT.sp.min]，0≤[γ]＜[α2]；
所述静压设定值，优选地，根据下述公式计算：
[P.sp]＝[P.sp.min]+([P.sp.opt]-[P.sp.min])*[γ]/[α1]，0≤[γ]＜[α1]；
[P.sp]＝[P.sp.opt]，[α1]≤[γ]＜[α2]；
[P.sp]＝[P.sp.opt]+(1-[P.sp.opt])*([γ]-[α2])/(1-[α2])，0≤[γ]＜[α2]；
上述公式中，
[SAT.sp]：送风温度设定值，℃；
[SAT.sp.max]：最高送风温度设定值，℃；
[SAT.sp.min]：最低送风温度设定值，℃；
[γ]：制冷量需求比，[0，1]；
[α1]：参数，[0，1]，[α1]＜[α2]；
[α2]：参数，[0，1]，[α1]＜[α2]；
[P.sp]：静压设定值信号；
[P.sp.min]：最小静压设定值信号；
[P.sp.opt]：优化静压设定值。
本发明的有益效果在于：①实时获取冷量需求；②精准地控制回风温度；③精准地控制送风温度在安全(绿色)区间；④通过动态调节送风静压设定值，降低空调风机能耗；⑤通过根据制冷量需求比动态调节送风温度和静压设定值，精准控制较高的回风温度值，可避免水侧温差下滑，还能够提高冷冻水回水温度，从而延长自然冷却时长，充分利用自然冷源而节能；⑥部分负荷率下，制冷量需求比小，送风温度设定较高，可以提高水侧冷冻水供水温度，从而通过提升冷机效率而节能。
将本发明与现有技术相比，还具有以下区别：
1、本发明对回风温度、静压和送风温度都有控制；
2、本发明能通过优化模块对送风温度模块的送风温度设定值和静压控制模块的静压设定值进行再设定；
3、本发明送风温度设定值不是一个固定不变的值，而是设定约束边界内的区间，送风温度控制模块当前执行周期内的送风温度设定值取值为上一周期由优化控制模块传送的送风温度设定值；
4、本发明静压设定值不是一个固定不变的值，而是设定约束边界内的区间，静压控制模块当前执行周期内的静压设定值取值为上一周期由优化控制模块传送的静压设定值；
5、本发明回风温度的控制不是直接依靠调节冷冻水阀开度而改变冷冻水流量来实现，而是通过改变送风温度设定值和静压设定值，间接地改变冷冻水流量和风量而实现。
综上所述，本发明的有益效果不仅在于能够提高回风温度控制精度、避免局部热点以及控制送风温度在绿色安全区间，还在于能够节省数据中心空调末端风机的能耗，还能够提升整个水冷空调***的能效。
附图说明
图1为本发明控制装置的原理示意图。
图2为现有控制装置的原理示意图一。
图3为现有控制装置的原理示意图二。
图1中：冷水盘管101、风机102、调节阀103，冷冻水进水104、冷冻水出水105、送风106、回风107、回风温度传感器108、送风温度传感器109、送风静压传感器110、优化控制模块111、送风温度控制模块112、静压控制模块113、回风温度值114、送风温度设定值115、静压设定值116、静压值117、风机变频控制量118、调速执行装置119、送风温度值120、冷冻水阀控制量121。
图2中：冷水盘管201、风机202、调节阀203，冷冻水进水204、冷冻水出水205、送风206、回风207、回风温度传感器208、送风静压传感器210、回风温度控制模块211、静压控制模块213、回风温度值214、送风温度设定值215、静压值217、风机变频控制量218、调速执行装置219、冷冻水阀控制量221。
图3中：冷水盘管301、风机302、调节阀303，冷冻水进水304、冷冻水出水305、送风306、回风307、送风温度传感器309、送风静压传感器310、送风温度控制模块312、静压控制模块313、送风温度设定值315、静压设定值316、静压值317、风机变频控制量318、调速执行装置319、送风温度值320、冷冻水阀控制量321。
具体实施方式
如图1所示的数据中心空调末端的节能控制装置，应用在由冷水盘管101、风机102、调节阀103、调速执行装置119、冷冻水进水管路、冷冻水出水管路、送风通道及回风通道构成的数据中心空调末端结构上，本发明节能控制装置包括：
送风温度传感器109，安装于风机102的出风口处，用于获取送风温度值120；
送风静压传感器110，安装于风机102的出风口与负荷设备122的进风口之间，用于获取静压值117；
回风温度传感器108，安装于负荷设备122的出风口处，用于获取回风温度值114。
优化控制模块111，用于对回风温度值114与回风温度设定值的差进行积分，实时获得制冷需求量比，并根据送风温度设定值约束边界、静压设定值约束边界和制冷需求量比计算新的送风温度设定值115和静压设定值116；
送风温度控制模块112，根据来自优化控制模块111输出的送风温度设定值115和反馈的送风温度值120计算并输出控制量来调节冷冻水流量，以控制送风温度达到并维持送风温度设定值115；
静压控制模块113，根据来自优化控制模块111输出的静压设定值116和反馈的静压值117计算并输出控制量来驱动调速执行装置119来调节风机102的转速，以控制静压达到并维持静压设定值116。
数据中心空调末端的节能控制方法，采用以下流程方法：
(a)回风温度传感器108检测回风温度值114，回风温度值114传输至优化控制模块111；
(b)优化控制模块111对回风温度值114与回风温度设定值的差进行积分，实时获得制冷需求量比；
(c)优化控制模块111根据送风温度设定值约束边界、静压设定值约束边界和制冷需求量比计算新的送风温度设定值115和静压设定值116；
(d)送风温度控制模块112根据来自优化控制模块111输出的送风温度设定值115和反馈的送风温度值120计算并输出控制量来调节冷冻水流量，以控制送风温度达到并维持送风温度设定值115；
(e)静压控制模块113，根据来自优化控制模块111输出的静压设定值116反馈的静压值117计算并输出控制量驱动调速执行装置119来调节风机102的转速，以控制静压达到并维持静压设定值116。
所述的送风温度设定值约束边界指设定的允许最高和最低送风温度设定值。
所述的送风静压设定值约束边界指设定的允许最高和最低静压设定值。
所述制冷量需求，根据下述公式计算：
[γ]＝∫([RAT]-[RAT.set])；
所述送风温度设定值，优选地，根据下述公式计算：
[SAT.sp]＝[SAT.sp.max]，0≤[γ]＜[α1]；
[SAT.sp]＝[SAT.sp.max]-([SAT.sp.max]-[SAT.sp.min])*([γ]-[α1])/([α2]-[α1])，[α1]≤[γ]＜[α2]；
[SAT.sp]＝[SAT.sp.min]，0≤[γ]＜[α2]；
所述静压设定值，优选地，根据下述公式计算：
[P.sp]＝[P.sp.min]+([P.sp.opt]-[P.sp.min])*[γ]/[α1]，0≤[γ]＜[α1]；
[P.sp]＝[P.sp.opt]，[α1]≤[γ]＜[α2]；
[P.sp]＝[P.sp.opt]+(1-[P.sp.opt])*([γ]-[α2])/(1-[α2])，0≤[γ]＜[α2]；
上述公式中，
[SAT.sp]：送风温度设定值，℃；
[SAT.sp.max]：最高送风温度设定值，℃；
[SAT.sp.min]：最低送风温度设定值，℃；
[γ]：制冷量需求比，[0，1]；
[α1]：参数，[0，1]，[α1]＜[α2]；
[α2]：参数，[0，1]，[α1]＜[α2]；
[P.sp]：静压设定值信号；
[P.sp.min]：最小静压设定值信号；
[P.sp.opt]：优化静压设定值。
本发明在应用时，冷源端输送来的冷冻水104流经冷冻水阀103进入盘管对热空气(回风)107进行冷却，风机102把冷却后的冷空气(送风)106输送到负荷设备(IT设备)205端，冷空气对运行发热的负荷设备(IT设备)进行冷却，带走热量，变成高温的热空气(回风)107回流到数据中心空调末端，如此循环，动态调节控制，不断维持IT设备正常运行所需热环境。
应用本发明所述的控制方法能够使送风量动态地匹配负荷变化，从而大大地节省数据中心空调末端风机能耗；能够有效提升冷冻水回水温度，进而可以延长自然冷却时长，减少冷机使用时间；还可以通过提升冷冻水供水温度，提高冷机能效，从而节省冷机能耗。

Claims (5)

1.数据中心空调末端的节能控制装置，应用在由冷水盘管(101)、风机(102)、调节阀(103)、调速执行装置(119)、冷冻水进水管路、冷冻水出水管路、送风通道及回风通道等构成的数据中心空调末端结构上，其特征在于本发明节能控制装置包括：
送风温度传感器(109)，安装于风机(102)的出风口处，用于获取送风温度值(120)；
送风静压传感器(110)，安装于风机(102)的出风口与负荷设备(122)进风口之间，用于获取静压值(117)；
回风温度传感器(108)，安装于负荷设备(122)的出风口处，用于获取回风温度值(114)。
优化控制模块(111)，用于对回风温度值(114)与回风温度设定值的差进行积分，实时获得制冷需求量比，并根据送风温度设定值约束边界、静压设定值约束边界和制冷需求量比计算新的送风温度设定值(115)和静压设定值(116)；
送风温度控制模块(112)，根据来自优化控制模块(111)输出的送风温度设定值(115)和反馈的送风温度值(120)计算并输出控制量来调节冷冻水流量，以控制送风温度达到并维持送风温度设定值(115)；
静压控制模块(113)，根据来自优化控制模块(111)输出的静压设定值(116)和反馈的静压值(117)计算并输出控制量驱动调速执行装置(119)来调节风机(102)的转速，以控制静压达到并维持静压设定值(116)。
2.数据中心空调末端的节能控制方法，其特征在于采用以下流程方法：
(a)回风温度传感器(108)检测回风温度值(114)，回风温度值(114)传输至优化控制模块(111)；
(b)优化控制模块(111)对回风温度值(114)与回风温度设定值的差进行积分，实时获得制冷需求量比；
(c)优化控制模块(111)根据送风温度设定值约束边界、静压设定值约束边界和制冷需求量比计算新的送风温度设定值(115)和静压设定值(116)；
(d)送风温度控制模块(112)根据来自优化控制模块(111)输出的送风温度设定值(115)和反馈的送风温度值(120)计算并输出控制量来调节冷冻水流量，以控制送风温度达到并维持送风温度设定值(115)；
(e)静压控制模块(113)，根据来自优化控制模块(111)输出的静压设定值(116)和反馈的静压值(117)计算并输出控制量驱动调速执行装置(119)来调节风机(102)的转速，以控制静压达到并维持静压设定值(116)。
3.如权利要求2所述的数据中心空调末端的节能控制方法，其特征在于：所述的送风温度设定值约束边界指设定的允许最高和最低送风温度设定值。
4.如权利要求2所述的数据中心空调末端的节能控制方法，其特征在于：所述的送风静压设定值约束边界指设定的允许最高和最低静压设定值。
5.如权利要求2所述的数据中心空调末端的节能控制方法，其特征在于：所述制冷量需求，根据下述公式计算：
[γ]＝∫([RAT]-[RAT.set])；
所述送风温度设定值，优选地，根据下述公式计算：
[SAT.sp]＝[SAT.sp.max]，0≤[γ]＜[α1]；
[SAT.sp]＝[SAT.sp.max]-([SAT.sp.max]-[SAT.sp.min])*([γ]-[α1])/([α2]-[α1])，[α1]≤[γ]＜[α2]；
[SAT.sp]＝[SAT.sp.min]，0≤[γ]＜[α2]；
所述静压设定值，优选地，根据下述公式计算：
[P.sp]＝[P.sp.min]+([P.sp.opt]-[P.sp.min])*[γ]/[α1]，0≤[γ]＜[α1]；
[P.sp]＝[P.sp.opt]，[α1]≤[γ]＜[α2]；
[P.sp]＝[P.sp.opt]+(1-[P.sp.opt])*([γ]-[α2])/(1-[α2])，0≤[γ]＜[α2]；
上述公式中，
[SAT.sp]：送风温度设定值，℃；
[SAT.sp.max]：最高送风温度设定值，℃；
[SAT.sp.min]：最低送风温度设定值，℃；
[γ]：制冷量需求比，[0，1]；
[α1]：参数，[0，1]，[α1]＜[α2]；
[α2]：参数，[0，1]，[α1]＜[α2]；
[P.sp]：静压设定值信号；
[P.sp.min]：最小静压设定值信号；
[P.sp.opt]：优化静压设定值。
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