数据中心制冷系统节能控制方法与流程

本发明属于数据中心冷源供应的技术领域，尤其涉及一种数据中心制冷系统节能控制方法。

背景技术：

数据中心内的it设备安装在机柜内，在安装这种机柜的房间内，平均每台机柜占地面积约2.5-3㎡。目前大部分数据中心内每台机柜的it设备的发热量超过了3kw，一旦空调系统停止运行，房间内的温度将在几分钟内超过35℃，局部温度可能超过40℃，it设备一般在环境温度超过40℃时就会宕机。因此，数据中心需要保证空调制冷系统不间断运行。

大型数据中心一般采用水冷空调系统，当外市电停电时，需要切换到数据中心的备用发电机供电，电源切换时冷水机组会重启，重启时间一般超过10分钟。为维持冷机重启的这段时间内向数据中心不间断供冷，制冷系统都需要设计蓄冷罐提供后备冷源。数据中心的制冷系统的冷机、水泵、冷却塔等关键设备都要做冗余设计，以保证设备维护维修过程中不间断供冷。而且数据中心建设完成并不能很快达到设计负荷，制冷系统负荷率较低时制冷效率较低。

在正常的工作状态下，没有将蓄冷罐纳入控制逻辑内，只有出现停电、设备故障等紧急情况下才会控制蓄冷罐放冷。数据中心在大多数时间内不会用到蓄冷罐，蓄冷罐的利用率极低且有冷量损失，降低了数据中心能源利用效率。数据中心的所有冷机都处于工作状态，耗能较大，并且无法对冷机进行停机检修。

技术实现要素：

针对相关技术中存在的不足之处，本发明提供了一种数据中心制冷系统节能控制方法，将蓄冷罐内冷凝纳入控制逻辑中，以解决现有数据中心中蓄冷罐利用率极低、耗能大且不便于检修的问题。

本发明提供一种数据中心制冷系统节能控制方法，包括：

冷负荷计算步骤：根据室内外环境的温差、建筑围护结构的传热系数以及建筑围护结构的总面积得出建筑负荷，将建筑负荷与数据中心中it设备的冷负荷求和，得出数据中心的冷负荷；

蓄冷量计算步骤：根据蓄冷罐内制冷剂的容量、比热容、密度以及供回水温差得出蓄冷罐内的蓄冷量；

制冷机工作模式判断步骤：开机的制冷机同步运行，通过制冷机中制冷剂的比热容、密度、供回水流量以及供回水温差得出制冷机的供冷量，根据制冷机的用电量和供冷量得出制冷机的实际制冷效率，将制冷机的实际制冷效率与最高制冷效率进行比较，若制冷机的实际制冷效率小于最高制冷效率的90％，则认定制冷机处于非高效运行模式，进行可停机时间计算步骤；若制冷机的实际制冷效率大于等于最高制冷效率的90％，则认定制冷机处于高效运行模式；

可停机时间计算步骤：将蓄冷罐的蓄冷量减去数据中心当前冷负荷在第一设定时长的需求量得到蓄冷罐的可用冷量，根据数据中心的冷负荷、当前制冷机的开机数量以及制冷机处于高效运行模式时的制冷功率得到制冷机停机一台时的减机冷量差，根据蓄冷罐的可用冷量以及减机冷量差得到可停机时间；

制冷机启停控制步骤：若可停机时间大于等于第二设定时长，则将制冷机停机一台，开机的制冷机运行至高效运行模式，蓄冷罐供冷，其中第二设定时长大于第一设定时长；若可停机时间小于等于第一设定时长，将一台制冷机开机，开机的制冷机运行至高效运行模式，蓄冷罐充冷。

本技术方案利用了蓄冷罐中的蓄冷量，提高了能源利用率，使部分制冷机能够停机，从而能够进行检修，并且降低耗能。

在其中一些实施例中，冷负荷计算步骤中：

qz＝qd+s×r×(tw-tn)；

其中，qz为数据中心的冷负荷，qd为it设备的冷负荷，s为数据中心围护结构的总面积，r为数据中心围护结构的传热系数，tw为数据中心外的温度，tn为数据中心内的温度。本技术方案实现了数据中心冷负荷的获取。

在其中一些实施例中，蓄冷量计算步骤中：

wx＝cs×v×ρ×(th-tx)；

其中，wx为蓄冷罐的蓄冷量，cs为制冷剂的比热容，v为蓄冷罐的容积，ρ为制冷剂的密度，th为蓄冷罐的回水温度，tx为蓄冷罐内制冷剂的温度。本技术方案实现了蓄冷罐蓄冷量的获取。

在其中一些实施例中，制冷机工作模式判断步骤中：

cops＝cs×m×ρ×(tb-tg)÷(qc×n)；

其中，cops为制冷机的实际运行效率，cs为制冷剂的比热容，m为供回水的流量，tb为制冷机的回水温度，tg为制冷机的供水温度，qc为制冷机的实际运行功率，n为当前制冷机的开机数量。本技术方案实现了制冷机实际运行效率的获取，从而能够获得制冷机的工作模式。

在其中一些实施例中，可停机时间计算步骤中：

其中，t为可停机时间，wx为蓄冷罐的蓄冷量，qz为数据中心的冷负荷，t1为第一设定时长，n为当前制冷机的开机数量，qg为制冷机处于高效运行模式时的制冷功率。本技术方案通过停机后产生的冷量差实现了可停机时间的计算。

在其中一些实施例中，可停机时间计算步骤中，获取制冷机停机x台时的减机冷量差，根据储冷罐的可用量以及该减机冷量差获得可停机时间；

制冷机启停控制步骤中，若可停机时间大于等于第二设定时长，则将制冷机停机x台；若可停机时间小于等于第一设定时长，将x台制冷机开机。

本技术方案通过增加启停的制冷机数量，增加调节幅度，进一步降低停机后的耗能。

在其中一些实施例中，可停机时间计算步骤中：

其中，t为可停机时间，wx为蓄冷罐的蓄冷量，qz为数据中心的冷负荷，t1为第一设定时长，n为当前制冷机的开机数量，qg为制冷机处于高效运行模式时的制冷功率。本技术方案将启停机的数量与停机后产生的冷量差相关联，从而实现增加了启停数量的情况与可停机时间相匹配。

在其中一些实施例中，制冷机启停控制步骤中，将制冷机停机时，停机运行时长最长的一台制冷机；将制冷机开机时，开机运行时长最短的制冷机。本技术方案通过选择性的启停制冷机，使更需要检修的制冷机停机，使检修更有针对性。

在其中一些实施例中，制冷剂为水，制冷剂为冷水机。本技术方案通过水作为冷媒，实现了制冷的低成本。

在其中一些实施例中，第一设定时长为15分钟，第二设定时长为30分钟。本技术方案通过时长设定满足制冷机电源切换重启的要求，蓄冷罐能够保证数据中心不宕机。

基于上述技术方案，本发明实施例中通过利用蓄冷罐内的冷能，使制冷机能够灵活的开机或者关机，提高了蓄冷罐内冷能的利用率，使蓄冷罐不断的充冷和放冷，提高数据中心整体的能源利用率，并且制冷机的启停能够减少不必要的耗能，为制冷机的检修提供停机条件，同时能够保证数据中心的正常运转，解决了数据中心蓄冷罐利用率极低、耗能大且不便于检修的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明数据中心制冷系统节能控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，在本发明数据中心制冷系统节能控制方法的一个示意性实施例中，该数据中心制冷系统节能控制方法包括：冷负荷计算步骤、蓄冷量计算步骤、制冷机工作模式判断步骤、可停机时间计算步骤和制冷机启停控制步骤。

数据中心的建筑内具有it设备，并配备制冷系统对it设备进行散热。制冷系统中具有制冷机和蓄冷罐，制冷机通过作为冷媒的制冷剂，将冷能传递至it设备，从而带走it设备运行产生的热量，实现散热；蓄冷罐中充满低温的制冷剂，从而在制冷机停止运行时，向it设备提供冷能，持续保持对it设备的散热，避免it设备宕机。此外，开机的制冷机同步运行，即全部运行中的制冷机处于相同的工作模式，并且实际运行功率相同。

冷负荷计算步骤中，根据室内外环境的温差、建筑围护结构的传热系数以及建筑围护结构的总面积得出建筑负荷，将建筑负荷与数据中心中it设备的冷负荷求和，得出数据中心的冷负荷。其中，建筑围护结构的总面积为数据中心内墙面、顶面以及底面的总面积，将it设备的用电量作为冷负荷。

蓄冷量计算步骤中，根据蓄冷罐内制冷剂的容量、比热容、密度以及供回水温差得出蓄冷罐内的蓄冷量。其中，蓄冷罐内制冷剂的供回水温差为蓄冷罐回水温度与蓄冷罐内液温的差值，即流回蓄冷罐的制冷剂温度与蓄冷罐内的制冷剂温度的差值。

制冷机工作模式判断步骤中，通过制冷机中制冷剂的比热容、密度、供回水流量以及供回水温差得出制冷机的供冷量，根据制冷机的用电量和供冷量得出制冷机的实际制冷效率。将制冷机的实际制冷效率与最高制冷效率进行比较，若制冷机的实际制冷效率小于最高制冷效率的90％，则认定制冷机处于非高效运行模式；若制冷机的实际制冷效率大于等于最高制冷效率的90％，则认定制冷机处于高效运行模式。当前制冷机处于非高效运行模式时，则说明数据中心当前的冷负荷较低，数据中心无须制冷机提供较多的冷量，即可满足it设备正常运转的散热要求，具有蓄冷罐供冷以便部分制冷机停机的条件，从而进行可停机时间计算步骤；当前制冷机处于高效运行模式时，则说明数据中心当前的冷负荷较高，数据中心仍需要制冷机高效运行提供更多的冷量，才能够满足it设备正常运转的散热要求，制冷系统维持现状，并回到冷负荷计算步骤。制冷机会采用现有变频技术，根据数据中心的冷负荷、冷却液温度变化以及设定的室内温度，自行调节其实际制冷效率。

其中，制冷机的供水流量为制冷机流出制冷剂的流量，制冷剂的回水流量为流回到制冷机中制冷剂的流量，由于制冷系统为封闭的循环系统，制冷机的供水流量与回水流量相同，制冷机的供回水流量即为制冷机的供水流量或者回水流量。制冷机的供回水温差为回水温度于供水温度的差值，即制冷机流入的制冷剂温度与流出的制冷剂温度的差值。制冷机的最高制冷效率为制冷机本身的性能参数，本发明将最高制冷效率的90％作为是否处于高效运行模式的阈值，并非对该阈值的限定。

可停机时间计算步骤中，将蓄冷罐的蓄冷量减去数据中心当前冷负荷在第一设定时长的需求量得到蓄冷罐的可用冷量，根据数据中心的冷负荷、当前制冷机的开机数量以及制冷机处于高效运行模式时的制冷功率得到制冷机停机一台时的减机冷量差，根据蓄冷罐的可用冷量以及减机冷量差得到可停机时间。

制冷机启停控制步骤中，若可停机时间大于等于第二设定时长，则将制冷机停机一台，开机的制冷机运行至高效运行模式，蓄冷罐供冷，并依次进行冷负荷计算步骤、蓄冷量计算步骤和可停机时间计算步骤，从而实时获得当前的可停机时间；若可停机时间小于第二设定时长，则回到冷负荷计算步骤。蓄冷罐供冷时，若可停机时间小于等于第一设定时长，将一台制冷机开机，开机的制冷机运行至高效运行模式，蓄冷罐充冷，并回到冷负荷计算步骤开始进行循环；若可停机时间大于第一时长，蓄冷罐继续供冷。其中，第二设定时长大于第一设定时长。

在上述示意性实施例中，数据中心制冷系统节能控制方法将蓄冷罐中的冷能纳入了控制逻辑，通过假定部分制冷机停机，从而计算出制冷机部分停机后产生的冷量差，从而确定蓄冷罐辅助供冷所能产生的可停机时间，进而根据可停机时间的长短，实际进行制冷机的停机和开机，以及蓄冷罐的供冷和充冷，实现制冷机运行数量的灵活调节，避免全部制冷机开启而造成不必要的能源消耗，达到节能减排的作用；充分利用了蓄冷罐中的冷能，提高了能源利用效率；制冷机运行数量的调节时，启停机的数量与可停机时间计算时制冷机假定的停机数量相同，从而保证制冷机的运行数量调节准确，保证数据中心中it设备稳定运行；控制方法中制冷机的停机能够为检修提供窗口时间，从而便于进行数据中心制冷系统的维护。最终，解决了数据中心蓄冷罐利用率极低、耗能大且不便于检修的问题。

在一些实施例中，制冷剂为水，制冷机为冷水机。水作为冷媒，成本低廉且容易获得，响应配套采用冷水机作为制冷机。

在一些实施例中，冷负荷计算步骤中：qz＝qd+s×r×(tw-tn)。

其中，qz为数据中心的冷负荷，qd为it设备的冷负荷，s为数据中心围护结构的总面积，r为数据中心围护结构的传热系数，tw为数据中心外的温度，tn为数据中心内的温度。

由于数据中心的冷负荷主要来自it设备的发热量，通过数据中心内配电柜中的电量仪采集it设备的用电量，将it设备的用电量作为冷负荷，以反应it设备运行时的发热量。数据中心的冷负荷也包括建筑负荷，建筑负荷即数据中心检出本身所处环境所带来的热量，通过数据中心围护结构的传热系数、总表面积以及室内外温差能够求得准确的建筑负荷。将建筑负荷于it设备冷负荷合并，即可获得数据中心当前准确的冷负荷。冷负荷的计算可实时进行。

在一些实施例中，蓄冷量计算步骤中，wx＝cs×v×ρ×(th-tx)。

其中，wx为蓄冷罐的蓄冷量，cs为制冷剂的比热容，v为蓄冷罐的容积，ρ为制冷剂的密度，th为蓄冷罐的回水温度，tx为蓄冷罐内制冷剂的温度。

数据中心的制冷系统中，蓄冷罐内充满制冷剂，利用蓄冷罐的容积、供回水温差以及制冷剂的性质参数，即可获得蓄冷罐的蓄冷量，蓄冷量的计算可实时进行。

在一些实施例中，制冷机工作模式判断步骤中，

cops＝cs×m×ρ×(tb-tg)÷(qc×n)。

其中，cops为制冷机的实际运行效率，cs为制冷剂的比热容，m为供回水的流量，tb为制冷机的回水温度，tg为制冷机的供水温度，qc为制冷机的实际运行功率，n为当前制冷机的开机数量。

通过检测制冷机当前的运行状态以及制冷剂的性质参数，即可获得制冷机当前的实际运行效率，从而确定制冷机当前是否运行在非高效模式上，进而确定当前制冷系统是否具备蓄冷罐供冷部分制冷机停机的调节条件。

在一些实施例中，可停机时间计算步骤中，由于需要根据制冷机停机一台时的减机冷量差进行计算，

其中，t为可停机时间，wx为蓄冷罐的蓄冷量，qz为数据中心的冷负荷，t1为第一设定时长，n为当前制冷机的开机数量，qg为制冷机处于高效运行模式时的制冷功率。

制冷机停机会使冷量的消耗大于冷量的产生，从而产生冷量缺口，即冷量差。通过设定数量的制冷机停机产生的冷量差进行可停机时间的计算，能够确保制冷机按照设定数量停机，可以在可停机时间内由蓄冷罐供冷，保证数据中心的it设备正常运行。

在一些实施例中，可停机时间计算步骤中设定制冷机停机x台，获取制冷机停机x台时的减机冷量差，根据储冷罐的可用量以及该减机冷量差获得可停机时间。

制冷机启停控制步骤中，若可停机时间大于等于第二设定时长，则将制冷机停机x台；若可停机时间小于等于第一设定时长，将x台制冷机开机。

可停机时间计算中减机冷量差的停机设定数量于制冷机启停控制中制冷机的启停机数量相对应，从而保证可停机时间内蓄冷罐供冷能够保证数据中心内it设备正常运行。x为大于1的正整数，即根据可停机时间对制冷机进行停机或者开机的数量至少为两台。通过增加控制方式中制冷机启停机的数量，提高调节幅度，使蓄冷罐供冷时运行的制冷机数量更少，进一步节省能源消耗。

在一些实施例中，由于制冷机启停控制时，制冷机的启停机数量至少为两台，则可停机时间计算步骤中可停机时间t的计算公式对应调整为：

其中，t为可停机时间，wx为蓄冷罐的蓄冷量，qz为数据中心的冷负荷，t1为第一设定时长，n为当前制冷机的开机数量，qg为制冷机处于高效运行模式时的制冷功率。

在一些实施例中，制冷机启停控制步骤中，将制冷机停机时，停机运行时长最长的一台制冷机；将制冷机开机时，开机运行时长最短的制冷机。若制冷机启停机数量为多台，以两台为例，在制冷机停机时，选择停机运行时长最长和第二长的制冷机进行停机；在制冷机开机时，选择停机运行时长最短和第二短的制冷机进行开机。

通过停机运行时间较长的制冷机，能够避免单个制冷机运行时间过长，降低故障率，而且运行时间较长的制冷机容易出现故障隐患，使停机检修的成效更佳，能够最大程度的及时发现故障隐患。通过开机运行时间较短的制冷机，能够缩短制冷机启动并运行至平稳状态的时间，使开机的制冷机快速达到最佳运行状态，更快完成蓄冷罐充冷，以便更早进行制冷机停机，增强节能效果。

在一些实施例中，第一设定时长为15分钟，第二设定时长为30分钟，从而满足制冷机电源切换重启的要求，蓄冷罐中具有足够的冷能，能够保证数据中心不宕机。

下面结合附图1对本发明数据中心制冷系统节能控制方法的一个实施例的工作过程进行说明：

进行冷负荷计算步骤，数据中心内it设备的总用电量(即冷负荷)qd为1000kw，数据中心围护结构的传热系数r为0.3w/(m²·k)，当前室内温度tn为22℃，当前室外温度tw为30℃，数据中心建筑的墙面、顶面、地面的总面积s为10000m²。

根据公式qz＝qd+s×r×(tw-tn)，

进行蓄冷量计算步骤，蓄冷罐的容积v＝100m³，制冷剂采用水，水的比热容cs为4.2kj/(kg·℃)，水的密度ρ为1000kg/m³，蓄冷罐的回水温度th为15℃，蓄冷罐内的水温tx为10℃。

根据公式wx＝cs×v×ρ×(th-tx)，wx＝4.2×100×1000×(15-10)＝2100000kj。

进行制冷机工作模式判断步骤，制冷机的最高制冷效率cop为5，制冷机的供回水流量m为0.05m³/s，制冷机的供水温度tg为10℃，制冷机的回水温度tb为15℃，当前制冷机的制冷功率(即实际运行功率)qc为150kw，当前制冷机的开机数量n为2。

根据cops＝cs×m×ρ×(tb-tg)÷(qc×n)，

cops＝4.2×0.3×1000×(15-10)÷(150×2)＝3.5，cops÷cop＝70％＜90％，因此制冷机处于非高效模式。

进行可停机时间计算步骤，第一设定时长t1为15分钟，制冷机高效运行模式时的制冷功率qg为730kw。

根据

进行启停控制步骤，第二设定时长t2为30分钟，大于可停机时间66.8分钟，通过人工或者自动控制，将一台制冷机停机，另一台制冷机保持开机状态并运行在高效运行模式，蓄冷罐向数据中心内的it设备供冷，释放蓄冷罐内的冷能，为it设备散热降温，保证数据中心内it设备运行稳定。

持续依次循环进行冷负荷计算步骤、蓄冷量计算步骤、制冷机工作模式判断步骤、可停机时间计算步骤和启停控制步骤，使数据中心利用蓄冷罐中的冷能，部分制冷机能够停机修整，使整个制冷系统能够长时间稳定运行。

通过对本发明数据中心制冷系统节能控制方法的多个实施例的说明，可以看到本发明数据中心制冷系统节能控制方法实施例至少具有以下一种或多种优点：

1、充分利用蓄冷罐内冷能，提高能源利用效率，使制冷机能够停机检修，制冷系统能够长时间稳定运行。

2、制冷机停机数量能够为多台，增加调节幅度，使蓄冷罐中冷能能够更快的使用，提高蓄冷罐的充冷放冷频率，进一步提高能源利用率。

3、制冷机停机时选择运行时长最长的，制冷机开机选择运行时长最短的，提高检修效率，加快制冷系统反应速度。

最后应当说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。