CN108507115A - 一种机房或基站漫灌式空调适应性节能控制***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机房或基站漫灌式空调适应性节能控制***及方法，通过采用适应性节能控制模块有效实现机房或基站空调***的节能运行改造；有效地解决IT发热设备存在的热点问题。通过监测机房或基站内温/湿度，充分利用空调定频压缩机、定频风机或定频水泵的设计冗余，在压缩机、风机或水泵可承受频率上下限之间调节压缩机、风机或水泵运行频率，使得机房或基站在不更换空调机组和***设备的情形下，有效降低***运行能耗，大大节省机房或基站空调***节能运行及改造成本；为机房及基站空调节能改造提供新型思路，大大降低节能和热点消除改造成本。

Description

一种机房或基站漫灌式空调适应性节能控制***及方法
技术领域
本发明涉及一种机房或基站漫灌式空调适应性节能控制***及方法。
背景技术
在计算机机房和基站中的设备主要由大量的微电子、精密机械设备等组成，而这些设备使用了大量的易受温度、湿度影响的电子元器件、机械构件及材料。机房和基站精密空调可实现严格、精准地控制机房温度及相对湿度，从而大大提高了设备的寿命及可靠性。随着信息技术的发展，当前的计算机房和基站规模在不断的发展，因拥有大规模、高密度的设备部署，机房和基站空调的能源消耗也是巨大的。尤其对于数据中心而言，机房空调的运行耗电占到机房电费总量的50％以上。因此，实现机房和基站空调节能运行具有重要意义。
目前，我国现有机房和基站中，大量采用了漫灌式送风的方式，该送风方式是空调机组通过其上端风帽直接向IT发热设备间送风(无风管)，再从空调设备的下端或侧面风通过其上端风帽直接向IT发热设备间送风(无风管)，再从空调机组通过其上端风帽直接向IT发热设备间送风(无风管)，再从空调设备的下端或侧面风的下端或侧面风口直接回风(无风管)。这种送风方式的气流组织比较混乱，冷、热存在无序混合，导致机房区域的冷量分配不均，空调机组通过其上端风帽直接向IT发热设备间送风(无风管)，再从空调设备的下端或侧面风的制冷量不能被充分利用，***能耗偏高。同时，局部IT设备不能被充分冷却，出现局部过热，影响IT设备的安全运行。
另一方面，我国在役漫灌式机房和基站所使用的空调机组通过其上端风帽直接向IT发热设备间送风(无风管)，再从空调设备的下端或侧面风中仍大量使用定速运转的柜式空调机或定速柜式风机盘管。其中的制冷压缩机、风机或水泵按照工频运行，通过监测IT设备温度数据、进行空调机台数的开停控制，从而实现对机房热负荷的响应调节。这种开停控制的变容量调节方式，一方面由于频繁启停时能耗大、对空调运行寿命损害大；另一方面无法适时的消除局部设备热点，影响IT设备的运行可靠性，且空调机组和***设备运行节能效果很不理想。
现有技术中存在处理数据中心机房热点消除的解决方案：是将负荷空间进行多节点划分，节点区域温度由空调***控制，基于每个空间节点的表面送风、排风气流的温度传感输出信号，通过网络***调整空调机组通过其上端风帽直接向IT发热设备间送风(无风管)，再从空调设备的下端或侧面风送风能力、进一步降温，通过风管将风送到相应节点，以实现节点所在区域的设备热点的消除。这是针对风管送风式机房及基站空调***热点消除的解决方式之一，但该方案无法解决无风管送风的漫灌式机房及基站的热点和节能。采用该方案无法实现对在役的大量定速运行空调***在不更换空调机组和***设备的前提下实施节能改造的要求。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种机房或基站漫灌式空调适应性节能控制***及方法。本发明根据IT发热设备温度控制需求，考虑充分利用压缩机、风机和水泵可工作频率上下限，配合阀的调节，可以有效降低空调***能耗、解决房间局部过热问题、提高***运行可靠性，实现对现有机房及基站空调机组和***设备的节能运行和消除热点的改造。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种机房或基站漫灌式空调适应性节能控制***，用于对机房或基站内的空调***设备进行节能控制，所述空调***设备包括单台或多台空调机组，单台或多台***设备；所述***设备包括***的泵、阀、冷却塔等。该漫灌式空调适应性节能控制***包括人机交互界面模块、至少1个空调适应性节能控制模块以及至少1个空间温度传感器。
所述空调适应性节能控制模块包括依次通信连接的通讯子模块、CPU以及至少1个控制子模块组；所述通讯子模块与所述人机交互界面模块通信连接。
所述控制子模块组包括：
环境温度输入子模块：与设置在所述机房或基站内的一个或多个空间温度传感器通信连接，用于获取所述空间温度传感器采集的所述机房或基站内的温度数据，并将所述温度数据传送给所述CPU。
报警状态输入子模块：与设置在所述机房或基站内的空调***设备通信连接，用于获取空调***设备的报警信号，并将所述报警信号传送给所述CPU。
变频驱动子模块：内部包含变频器，与所述空调***设备中的一台或多台压缩机、风机和水泵连接，用于调整所述压缩机、风机或水泵的输入电压或频率。
阀门调节子模块：内部包含位置控制机构，与所述空调***设备中的调节阀通信连接，用于调整所述调节阀的位置控制信号。
报警状态输出子模块：用于接收所述CPU的报警控制信号，并据此进行输出报警。
所述CPU对所述温度数据和所述报警信号进行分析处理，并根据分析处理的结果控制所述变频驱动子模块、所述阀门调节子模块和所述报警状态输出子模块的工作。
利用漫灌式空调适应性节能控制***实现节能控制的方法，包括如下步骤：
步骤S1：利用所述CPU获取所述温度数据，并根据所述温度数据进行判断：若所述温度数据超过预设的高温阈值，则进入步骤S2；若所述温度数据低于预设的低温阈值，则进入步骤S3。
步骤S2：利用所述CPU发送升频指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述升频指令控制所述压缩机提高运行频率直至达到压缩机超频上限值，控制所述水泵提高运行频率直至达到水泵安全运行上限值；若温度数据仍持续上升则进入步骤S4。
步骤S3：利用所述CPU发送降频指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述降频指令控制所述压缩机降低运行频率直至达到压缩机降频下限值，控制所述水泵降低运行频率直至达到水泵安全运行下限值；若温度数据仍持续下降则进入步骤S5。
步骤S4：利用所述CPU发送升速指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述升速指令控制所述风机提高转速直至达到风机转速上限值。
步骤S5：利用所述CPU发送降速指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述降速指令控制所述风机降低转速直至达到风机转速下限值；若温度数据仍不能有效控制并持续下降，则进入步骤S6。
步骤S6：利用所述CPU发送调阀指令给所述阀门调节子模块；所述阀门调节子模块根据所述调阀指令减小相应调节阀的开度或直接关闭该组空调***设备。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
本发明在充分调研在役漫灌式机房和基站空调***各设备运行现状和可靠性的基础上，利用***对定速空调压缩机、风机、水泵的可靠性设计冗余，发明本适应性节能***。针对频率为50Hz/60Hz的定频压缩机，经大量实验验证其允许承受频率可在50Hz/60Hz的上下范围内变化，该定频压缩机可承受不同频率变化冲击，在保证压缩机供油的前提下降频运转，且在压缩机高频运转时设置过热保护，并监测空调机组和压缩机电流，保证电流无报警。针对定频风机和定频水泵，大量实验证明，风机和水泵在其所配备的电机允许的范围内，可以高频运行和降频运行。本发明根据IT发热设备温度控制需求，考虑充分利用压缩机、风机和水泵可工作频率上下限，配合阀的调节，可以有效降低空调***能耗、解决房间局部过热问题、提高***运行可靠性，实现对现有机房及基站空调机组和***设备的节能运行和消除热点的改造。
本发明通过采用适应性节能控制模块有效实现机房或基站空调***的节能运行改造；有效利用空调机组和***设备的压缩机、风机或水泵的设计冗余，辅之以控制模块的调节，实现机房或基站空调适应性控制，有效地解决IT发热设备存在的热点问题。
通过监测机房或基站内温/湿度，充分利用空调定频压缩机、定频风机或定频水泵的设计冗余，在压缩机、风机或水泵可承受频率上下限之间调节压缩机、风机或水泵运行频率，使得机房或基站在不更换空调机组和***设备的情形下，有效降低***运行能耗，大大节省机房或基站空调***节能运行及改造成本；为机房及基站空调节能改造提供新型思路，大大降低节能和热点消除改造成本。
在机房或基站空调***运行时，本发明有效利用***中的控制模块，实现空调机组和***设备的压缩机、风机或水泵的可変容量调节；通过调节空调机组和***设备中的压缩机、风机或水泵频率，使得机房或基站空调***实现高效、节能运行。
本发明在不更换漫灌式空调机组和***设备的情形下，为机房及基站空调节能改造提供新型思路，大大降低节能和热点消除改造成本。
附图说明
图1是实施例1提供的机房或基站漫灌式空调适应性节能控制***的结构框图。
空调适应性节能控制***1、人机交互界面模块11、空调适应性节能控制模块12、通讯子模块121、CPU122、控制子模块组123、环境温度输入子模块1231、环境湿度输入子模块1232、报警状态输入子模块1233、变频驱动子模块1234、阀门调节子模块1235、报警状态输出子模块1236、***监测子模块1237、空间温度传感器13、空间温度传感器14、空调***设备2。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一种机房或基站漫灌式空调适应性节能控制***，用于对机房或基站内的空调***设备进行节能控制，所述空调***设备包括单台或多台空调机组和/或单台或多台***设备；所述***设备包括***的泵、阀、冷却塔等。即本发明提供的漫灌式空调适应性节能控制***，可以单独对单台或多台空调机组进行节能控制，也可以单独对单台或多台***设备进行节能控制，还可以同时对单台或多台空调机组以及单台或多台***设备进行节能控制。
如图1所示，该漫灌式空调适应性节能控制***包括人机交互界面模块11、至少1个空调适应性节能控制模块12、至少1个空间温度传感器13以及至少1个空间湿度传感器14。
所述空调适应性节能控制模块12包括依次通信连接的通讯子模块121、CPU122以及至少1个控制子模块组123；所述通讯子模块121与所述人机交互界面模块11通信连接。所述控制子模块组123包括：
环境温度输入子模块1231：与设置在所述机房或基站内的一个或多个空间温度传感器13通信连接，用于获取所述空间温度传感器13采集的所述机房或基站内的温度数据，并将所述温度数据传送给所述CPU122。
在具体实施本发明时，环境温度输入子模块1231的具体结构可包括集成块、采样电阻和稳压二极管。集成块的型号可选用LM358/AC393/LM2904J等，采样电阻的规格为250Ω等，稳压二极管的型号IN5241B/IN4625/IN473等。
环境湿度输入子模块1232：与设置在所述机房或基站内的一个或多个空间湿度传感器14通信连接，用于获取所述空间湿度传感器14采集的所述机房或基站内的湿度数据，并将所述湿度数据传送给所述CPU122。
在具体实施本发明时，环境湿度输入子模块1232的具体结构可包含1路或多路采样电阻，采样电阻的规格为250Ω等。
报警状态输入子模块1233：与设置在所述机房或基站内的空调***设备通信连接，用于获取空调***设备2的报警信号，并将所述报警信号传送给所述CPU122。在实际应用中，所述报警信号具体可包括：压缩机排气高压、压缩机吸气低压、排气温度高、压缩机电流过大，风机电流过大，水泵电流过大。
在具体实施本发明时，报警状态输入子模块1233的具体结构可包括1路或多路挂高电阻，挂高电阻的型号RT14等。判断各种报警状态的具体技术原理如下：
1.压缩机排气高压、压缩机吸气低压、排气温度高：
由现有的空调机组的压力开关和温度开关直接产生信号，通过报警状态输入子模块1233的RT14-10K±5％挂高电阻转换为高、低电压信号直接进CPU。
2.压缩机电流过大，风机电流过大，水泵电流过大：
1)由现有的空调机组外接检测开关，通过报警状态输入子模块1233的RT14挂高电阻转换为高、低电压信号直接进CPU。
2)通过电流监测单元对电流进行监测并将信号传给CPU，根据电流值进行判断。
变频驱动子模块1234：内部包含变频器，与所述空调***设备2中的压缩机、风机和水泵通信连接，用于调整所述压缩机、风机或水泵的输入电压或频率。
阀门调节子模块1235：内部包含位置调整机构，与所述空调***设备2中的调节阀通信连接，用于调整所述调节阀的位置控制信号。
在具体实施本发明时，位置调整机构具体结构包含信号输出电路和信号反馈电路。
信号输出电路包括集成块、可调电阻；集成块的型号LM358/AC393/LM2904J等，可调电阻的规格包括50K±1％，100Ω±1％等。信号反馈电路包括光耦、反向三极管和挂高电阻。光耦的型号P521/P421/P817等，反向三极管的型号S9013/S9014/C1815等，挂高电阻的型号RT14等。
报警状态输出子模块1236：用于接受所述CPU122的报警控制信号，并据此进行输出报警。
在实际应用中，报警状态输出子模块1236可以一种直接发出警报的设备，也可以是一种报警接口，连接到外部设备发出警报。本实施例给出一种报警状态输出子模块1236的具体实例，其包含文本显示器上LCD屏、集成块、继电器、指示灯、蜂鸣器，集成块的型号可选用ULN2003A/PMX-4821/NULN2013A等。
***监测子模块1237：用于对空调***设备2***运行参数进行监测并将监测数据传送给所述CPU；所述***运行参数包括：空调***设备电压数值、空调***设备运行电流以及空调***设备相序状态。
所述***监测子模块1237进一步包括：
电压监测单元：用于监测所述空调***设备2电压数值，防止空调***设备2因过压及欠压损坏。
电压监测单元的具体硬件结构可以根据实际需要进行选择。本实施例给出一种电压监测单元的具体实例。电压监测单元可包括变压器、可调电阻和分压电阻。其中变压器可选用非标定制的具有1路专用电压监测输出回路的变压器，可调电阻的规格为10K±1％，分压电阻的为20K±1％可调电阻。
电流监测单元：用于监测所述空调***设备2运行电流，防止空调***设备2因过载损坏。
电流监测单元的具体硬件结构可以根据实际需要进行选择。本实施例给出一种电流监测单元的具体实例。电流监测单元可包括电流互感器、整流二极管和分压电阻。其中，电流互感器的型号可选用0057W/0057U/PSA-JID300B等，整流二极管的型号为IN4007/IN4004/IN5408等，分压电阻的规格为20K±1％可调电阻。
相序监测单元：用于监测所述空调***设备2相序状态，防止因人为误操作造成的相序错误而损坏***。
相序监测单元的具体硬件结构可以根据实际需要进行选择。本实施例给出一种相序监测单元的具体实例。相序监测单元可包括光耦、功率电阻和反向三极管。其中光耦的型号可选用P521/P421/P817等，功率电阻的规格43K±5％/1W，反向三极管的型号可选用S9013/S9014/C1815等。
在实际应用中，所述空间温度传感器13选用数字式温度传感器、热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器或铂电阻温度传感器中的一种或多种；所述空间湿度传感器14选用湿敏电阻传感器。空间温度传感器13和空间湿度传感器14的数量可以不限于一个，为了提高温度数据和湿度数据的采集精度，在实际应用中，可以为所述节能控制***1配备多个空间温度传感器13，采集的温度数据以多路空间温度传感器13中的最高值为准；所述节能控制***1配备多个空间湿度传感器14，采集的湿度数据以多路空间湿度传感器14中的最高值为准。
所述CPU122对所述监测数据、所述温度数据、所述湿度数据和所述报警信号进行分析处理，并根据分析处理的结果控制所述变频驱动子模块1234、所述阀门调节子模块1235和所述报警状态输出子模块1236的工作。本实施例提供的空调适应性节能控制***的具体工作原理和工作过程将在实施例2中结合控制方法一并说明，在此不再赘述。
实施例2：
本实施例提供一种利用如实施例1提供的漫灌式空调适应性节能控制***实现节能控制的方法，包括如下步骤：
步骤S1：利用所述CPU获取所述温度数据，并根据所述温度数据进行判断：若所述温度数据超过预设的高温阈值，则进入步骤S2；若所述温度数据低于预设的低温阈值，则进入步骤S3。
步骤S2：利用所述CPU发送升频指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述升频指令控制所述压缩机提高运行频率直至达到压缩机超频上限值，控制所述水泵提高运行频率直至达到水泵安全运行上限值；若温度数据仍持续上升则进入步骤S4。
步骤S3：利用所述CPU发送降频指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述降频指令控制所述压缩机降低运行频率直至达到压缩机降频下限值，控制所述水泵降低运行频率直至达到水泵安全运行下限值；若温度数据仍持续下降则进入步骤S5。
步骤S4：利用所述CPU发送升速指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述升速指令控制所述风机提高转速直至达到风机转速上限值。
步骤S5：利用所述CPU发送降速指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述降速指令控制所述风机降低转速直至达到风机转速下限值；若温度数据仍不能有效控制并持续下降，则进入步骤S6。
步骤S6：利用所述CPU发送调阀指令给所述阀门调节子模块；所述阀门调节子模块根据所述调阀指令减小相应调节阀的开度或直接关闭该组空调***设备。所述CPU通过所述通讯模块将空调设备运行状态实时反馈给人机交互界面模块。
为了保证控制***工作的准确性和安全性，控制方法还可以进一步包括如下步骤：
步骤S7：利用所述CPU根据所述报警信号进行判断，若漫灌式空调适应性节能控制***内部故障或漫灌式空调适应性节能控制***单独断电，则进入步骤S8；当漫灌式空调适应性节能控制***内部故障时，利用所述CPU将空调***设备的控制电路切换回空调***设备的原***控制状态，并控制所述人机交互界面模块和所述报警状态输出子模块进行报警。当漫灌式空调适应性节能控制***单独断电时，利用所述报警状态输出子模块将空调***设备的控制电路切换回空调***设备的原***控制状态。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机房或基站漫灌式空调适应性节能控制***，用于对机房或基站内的空调***设备进行节能控制，所述空调***设备包括单台或多台空调机组，单台或多台***设备；所述***设备包括***的泵、阀、冷却塔；其特征在于，该漫灌式空调适应性节能控制***包括人机交互界面模块、至少1个空调适应性节能控制模块以及至少1个空间温度传感器；
所述空调适应性节能控制模块包括依次通信连接的通讯子模块、CPU以及至少1个控制子模块组；所述通讯子模块与所述人机交互界面模块通信连接；
所述控制子模块组包括：
环境温度输入子模块：与设置在所述机房或基站内的一个或多个空间温度传感器通信连接，用于获取所述空间温度传感器采集的所述机房或基站内的温度数据，并将所述温度数据传送给所述CPU；
报警状态输入子模块：与设置在所述机房或基站内的空调***设备通信连接，用于获取空调***设备的报警信号，并将所述报警信号传送给所述CPU；
变频驱动子模块：内部包含变频器，与所述空调***设备中的一台或多台压缩机、风机和水泵连接，用于调整所述压缩机、风机或水泵的输入电压或频率；
阀门调节子模块：内部包含位置控制机构，与所述空调***设备中的调节阀通信连接，用于调整所述调节阀的位置控制信号；
报警状态输出子模块：用于接收所述CPU的报警控制信号，并据此进行输出报警；
所述CPU对所述温度数据和所述报警信号进行分析处理，并根据分析处理的结果控制所述变频驱动子模块、所述阀门调节子模块和所述报警状态输出子模块的工作。
2.根据权利要求1所述的漫灌式空调适应性节能控制***，其特征在于：
所述控制子模块组进一步包括***监测子模块：用于对空调***设备运行参数进行监测并将监测数据传送给所述CPU；所述***运行参数包括：空调***设备电压数值、空调***设备运行电流以及空调***设备相序状态；
所述***监测子模块进一步包括：
电压监测单元：用于监测所述空调***设备电压数值；
电流监测单元：用于监测所述空调***设备运行电流；
相序监测单元：用于监测所述空调***设备相序状态。
3.根据权利要求1或2所述的漫灌式空调适应性节能控制***，其特征在于：还包括至少1个空间湿度传感器；
所述控制子模块组进一步包括：环境湿度输入子模块：与设置在所述机房或基站内的一个或多个空间湿度传感器通信连接，用于获取所述空间湿度传感器采集的所述机房或基站内的湿度数据，并将所述湿度数据传送给所述CPU。
4.根据权利要求3所述的漫灌式空调适应性节能控制***，其特征在于：
所述空间温度传感器选用数字式温度传感器、热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器或铂电阻温度传感器中的一种或多种；所述空间湿度传感器选用湿敏电阻传感器；
所述节能控制***配备多个空间温度传感器，采集的温度数据以多路空间温度传感器中的最高值为准；
所述节能控制***配备多个空间湿度传感器，采集的湿度数据以多路空间湿度传感器中的最高值为准。
5.根据权利要求1所述的漫灌式空调适应性节能控制***，其特征在于：
所述报警信号具体包括：压缩机排气高压、压缩机吸气低压、排气温度高、压缩机电流过大，风机电流过大，水泵电流过大。
6.利用如权利要求1所述的漫灌式空调适应性节能控制***实现节能控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：利用所述CPU获取所述温度数据，并根据所述温度数据进行判断：若所述温度数据超过预设的高温阈值，则进入步骤S2；若所述温度数据低于预设的低温阈值，则进入步骤S3；
步骤S2：利用所述CPU发送升频指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述升频指令控制所述压缩机提高运行频率直至达到压缩机超频上限值，控制所述水泵提高运行频率直至达到水泵安全运行上限值；若温度数据仍持续上升则进入步骤S4；步骤S3：利用所述CPU发送降频指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述降频指令控制所述压缩机降低运行频率直至达到压缩机降频下限值，控制所述水泵降低运行频率直至达到水泵安全运行下限值；若温度数据仍持续下降则进入步骤S5；步骤S4：利用所述CPU发送升速指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述升速指令控制所述风机提高转速直至达到风机转速上限值；
步骤S5：利用所述CPU发送降速指令给所述变频驱动子模块；所述变频驱动子模块根据所述降速指令控制所述风机降低转速直至达到风机转速下限值；若温度数据仍不能有效控制并持续下降，则进入步骤S6；
步骤S6：利用所述CPU发送调阀指令给所述阀门调节子模块；所述阀门调节子模块根据所述调阀指令减小相应调节阀的开度或直接关闭该组空调***设备。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，进一步包括如下步骤：
步骤S7：利用所述CPU根据所述报警信号进行判断，若所述漫灌式空调适应性节能控制***内部故障或所述漫灌式空调适应性节能控制***单独断电，则进入步骤S8；当所述漫灌式空调适应性节能控制***内部故障时，利用所述CPU将所述空调***设备的控制电路切换回空调***设备的原***控制状态，并控制所述人机交互界面模块和所述报警状态输出子模块进行报警；当所述漫灌式空调适应性节能控制***单独断电时，利用所述报警状态输出子模块将空调***设备的控制电路切换回空调***设备的原***控制状态。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：
所述CPU通过所述通讯模块将空调***设备运行状态实时反馈给人机交互界面模块。
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