數據中心空調末端節能控制裝置及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及數據中心空調系統的節能控制，具體涉及一種通常稱之為“機房空調”的數據中心空調末端的節能控制裝置及控制方法。
【背景技術】
[0002]數據中心空調末端為機房IT設備提供熱環境。典型的數據中心能耗結構中空調系統消耗占40%左右，其中數據中心空調末端占10%左右。在水冷空調系統中，數據中心空調末端的運行工況不僅關乎身能效還影響著冷源端冷凍站的能耗。
[0003]所述數據中心空調末端是以冷凍水為制冷媒介，通過冷盤管與空氣進行熱交換，應用在數據中心機房的一種空調，其工作原理是:由冷源端輸送來的冷凍水進入盤管對熱空氣(回風)進行冷卻，風機把冷卻后的冷空氣(送風)輸送到機房IT設備端，冷空氣對運行發熱的負荷設備(IT設備)進行冷卻，冷卻后變成高溫的熱空氣回流到數據中心空調末端，如此循環，不斷維持IT設備正常運行所需熱環境。
[0004]現有的數據中心空調末端控制方法主要有:回風溫度控制法和送風溫度控制法。回風溫度控制法是通過調節冷凍水流量控制回風溫度達到回風溫度設定值，控制裝置結構如圖2所示。送風溫度控制法是通過調節冷凍水流量控制送風溫度達到送風溫度設定值，控制裝置結構如圖3所示。
[0005]回風溫度控制法的控制原理:回風溫度傳感器208監測回風溫度，回風溫度信號214傳至回風溫度控制器211，回風溫度控制器211比較回風溫度值與回風溫度設定值比較，通過PI/PID運算出冷凍水閥控制量值，由冷凍水閥控制量信號215驅動冷凍水閥執行器203調節冷凍水量，循環執行維持回風溫度恒定到回風溫度設定值；靜壓感器210監測送風靜壓，送風靜壓信號217傳至靜壓控制器213，靜壓控制器213比較靜壓值與靜壓設定值比較，通過PI/PID運算出風量控制量值，由風量控制量信號218驅動風機調速執行裝置219調節風機風量，循環執行維持靜壓恒定到靜壓設定值。
[0006]送風溫度控制法的控制原理:送風溫度傳感器309監測送風溫度，送風溫度信號320傳至送風溫度控制器312，送風溫度控制器312比較送風溫度值與送風溫度設定值比較，通過PI/PID運算出冷凍水閥控制量值，由冷凍水閥控制量信號321驅動冷凍水閥執行器303調節冷凍水量，循環執行維持送風溫度恒定到送風溫度設定值；靜壓感器310監測送風靜壓，送風靜壓信號317傳至靜壓控制器313，靜壓控制器313比較靜壓值與靜壓設定值比較，通過PI/PID運算出風量控制量值，由風量控制量信號318驅動風機調速執行裝置319調節風機風量，循環執行維持靜壓恒定到靜壓設定值。
[0007]上述兩種現有控制方法的主要不足之處在于:①只能控制一個溫度，要么只有回風溫度控制，要么只有送風溫度控制，無法控制另一溫度的變化對所控環境的影響，易出現局部熱點靜壓控制回路調節風量與溫度控制回路調節水量，兩控制回路相互獨立，“各自為政”，不能協調水側和空氣側能效優化溫度控制回路的溫度設定值(回風溫度設定值或送風溫度設定值)、靜壓控制回路的靜壓設定值在程序內部為常數，不能跟隨負荷變化而動態調節，使得部分負荷運行時冷量過剩、溫差下滑，嚴重降低系統能效。

【發明內容】

[0008]本發明提供一種數據中心空調末端的節能控制裝置及控制方法，其目的是提高熱環境控制效果，節省數據中心空調末端風機能耗、降低冷源端能耗。
[0009]數據中心空調末端的節能控制裝置，應用在由冷水盤管、風機、調節閥、調速執行裝置、冷凍水進水管路、冷凍水出水管路、送風通道及回風通道等構成的數據中心空調末端結構上，本發明節能控制裝置包括:
[0010]送風溫度傳感器，安裝于風機的出風口處，用于獲取送風溫度值；
[0011]送風靜壓傳感器，安裝于風機的出風口與負荷設備的進風口之間，用于獲取靜壓值；
[0012]回風溫度傳感器，安裝于負荷設備的出風口處，用于獲取回風溫度值。
[0013]優化控制模塊，用于對回風溫度值與回風溫度設定值的差進行積分，實時獲得制冷需求量比，并根據送風溫度設定值約束邊界、靜壓設定值約束邊界和制冷需求量比計算新的送風溫度設定值和靜壓設定值；
[0014]送風溫度控制模塊，根據來自優化控制模塊輸出的送風溫度設定值和反饋的送風溫度值計算并輸出控制量來調節冷凍水流量，以控制送風溫度達到并維持送風溫度設定值；
[0015]靜壓控制模塊，根據來自優化控制模塊輸出的靜壓設定值和反饋的靜壓值計算并輸出控制量驅動調速執行裝置來調節風機的轉速，以控制靜壓達到并維持靜壓設定值。
[0016]數據中心空調末端的節能控制方法，采用以下流程方法:
[0017](a)回風溫度傳感器檢測回風溫度值，回風溫度值傳輸至優化控制模塊；
[0018](b)優化控制模塊對回風溫度值與回風溫度設定值的差進行積分，實時獲得制冷需求量比；
[0019](C)優化控制模塊根據送風溫度設定值約束邊界、靜壓設定值約束邊界和制冷需求量比計算新的送風溫度設定值和靜壓設定值；
[0020](d)送風溫度控制模塊根據來自優化控制模塊輸出的送風溫度設定值和反饋的送風溫度值計算并輸出控制量來調節冷凍水流量，以控制送風溫度達到并維持送風溫度設定值；
[0021](e)靜壓控制模塊，根據來自優化控制模塊輸出的靜壓設定值和反饋的靜壓值計算并輸出控制量驅動調速執行裝置來調節風機的轉速，以控制靜壓達到并維持靜壓設定值。
[0022]所述的送風溫度設定值約束邊界指設定的允許最高和最低送風溫度設定值。
[0023]所述的送風靜壓設定值約束邊界指設定的允許最高和最低靜壓設定值。
[0024]所述制冷量需求，根據下述公式計算:
[0025][γ] = / ([RAT]-[RAT.set])；
[0026]所述送風溫度設定值，優選地，根據下述公式計算:
[0027][SAT.sp] = [SAT.sp.max]，0< [γ] < [ α I]；
[0028][SAT.sp] = [SAT.sp.max] - ([SAT.sp.max] - [SAT.sp.min] )*([γ]-[α I])/([α 2]-[α 1])，[α I] ( [γ] < [ α 2];
[0029][SAT.sp] = [SAT.sp.min]，0< [γ] < [ α 2]；
[0030]所述靜壓設定值，優選地，根據下述公式計算:
[0031 ] [P.sp] = [P.sp.min] + ([P.sp.0pt]-[P.sp.min])*[ γ ]/[ α I],O ^ [ γ ] < [ α I]；
[0032][P.sp] = [P.sp.0pt]，[ α I] < [ γ ] < [ α 2];
[0033][P.sp] = [P.sp.0pt] + (l_[P.sp.0pt])*([ γ ]_[ α 2])/(1-[ α 2])，0 ^ [γ]< [α 2];
[0034]上述公式中，
[0035][SAT.sp]:送風溫度設定值，V ；
[0036][SAT.sp.max]:最高送風溫度設定值，°C ；
[0037][SAT.sp.min]:最低送風溫度設定值，°C ；
[0038][γ]:制冷量需求比，[O, I]；
[0039][ α I]:參數，[0，I]，[ α I] < [ α 2];
[0040][ α 2]:參數，[0，I]，[ α I] < [ α 2];
[0041][P.sp]:靜壓設定值信號；
[0042][P.sp.min]:最小靜壓設定值信號；
[0043][P.sp.0pt]:優化靜壓設定值。
[0044]本發明的有益效果在于:①實時獲取冷量需求精準地控制回風溫度；③精準地控制送風溫度在安全(綠色)區間；④通過動態調節送風靜壓設定值，降低空調風機能耗；⑤通過根據制冷量需求比動態調節送風溫度和靜壓設定值，精準控制較高的回風溫度值，可避免水側溫差下滑，還能夠提高冷凍水回水溫度，從而延長自然冷卻時長，充分利用自然冷源而節能；?部分負荷率下，制冷量需求比小，送風溫度設定較高，可以提高水側冷凍水供水溫度，從而通過提升冷機效率而節能。
[0045]將本發明與現有技術相比，還具有以下區別:
[0046]1、本發明對回風溫度、靜壓和送風溫度都有控制；
[0047]2、本發明能通過優化模塊對送風溫度模塊的送風溫度設定值和靜壓控制模塊的靜壓設定值進行再設定；
[0048]3、本發明送風溫度設定值不是一個固定不變的值，而是設定約束邊界內的區間，送風溫度控制模塊當前執行周期內的送風溫度設定值取值為上一周期由優化控制模塊傳送的送風溫度設定值；
[0049]4、本發明靜壓設定值不是一個固定不變的值，而是設定約束邊界內的區間，靜壓控制模塊當前執行周期內的靜壓設定值取值為上一周期由優化控制模塊傳送的靜壓設定值；
[0050]5、本發明回風溫度的控制不是直接依靠調節冷凍水閥開度而改變冷凍水流量來實現，而是通過改變送風溫度設定值和靜壓設定值，間接地改變冷凍水流量和風量而實現。
[0051]綜上所述，本發明的有益效果不僅在于能夠提高回風溫度控制精度、避免局部熱點以及控制送風溫度在綠色安全區間，還在于能夠節省數據中心空調末端風機的能耗，還能夠提升整個水冷空調系統的能效。
【附圖說明】
[0052]圖1為本發明控制裝置的原理示意圖。
[0053]圖2為現有控制裝置的原理示意圖一。
[0054]圖3為現有控制裝置的原理示意圖二。
[0055]圖1中:冷水盤管101、風機102、調節閥103，冷凍水進水104、冷凍水出水105、送風106、回風107、回風溫度傳感器108、送風溫度傳感器109、送風靜壓傳感器110、優化控制模塊111、送風溫度控制模塊112、靜壓控制模塊113、回風溫度值114、送風溫度設定值115、靜壓設定值116、靜壓值117、風機變頻控制量118、調速執行裝置119、送風溫度值120、冷凍水閥控制量121。
[0056]圖2中:冷水盤管201、風機202、調節閥203，冷凍水進水204、冷凍水出水205、送風206、回風207、回風溫度傳感器208、送風靜壓傳感器210、回風溫度控制模塊211、靜壓控制模塊213、回風溫度值214、送風溫度設定值215、靜壓值217、風機變頻控制量218、調速執行裝置219、冷凍水閥控制量221。
[0057]圖3中:冷水盤管301、風機302、調節閥303，冷凍水進水304、冷凍水出水305、送風306、回風307、送風溫度傳感器309、送風靜壓傳感器310、送風溫度控制模塊312、靜壓控制模塊313、送風溫度設定值315、靜壓設定值316、靜壓值317、風機變頻控制量318、調速執行裝置319、送風溫度值320、冷凍水閥控制量3