一种数据中心供冷系统及控制方法与流程

本发明涉及数据中心冷源供应系统技术领域，特别涉及一种数据中心供冷系统及控制方法。

背景技术：

数据中心是为电子信息设备提供运行环境的场所，其重要性的衡量标准主要是依据基础设施故障造成网路信息中断或重要数据丢失在经济和社会上造成的损失和影响程度。互联网、金融、云计算、政府等从事信息和数据服务的数据中心基本都要求数据中心等级为a级，可保证一次意外事故发生后或单系统设备维护或检修时，基础设施能够满足电子信息设备基本运行要求。

当市电出现故障时，为保证数据中心业务不中断，且能预留足够的时间进行数据存储等，需保证数据中心供冷不间断。设计一般采用在冷冻水系统中设置储水装置，储水时间能满足柴发启动时间、冷机启动及其加载时间。数据中心中常用的系统架构有一级泵变流量系统和二级泵变流量系统，连续供冷设备装置可采用开式蓄冷罐和闭式蓄冷罐。

近些年来，数据中心业主为实现机柜数量最大化，冷源系统常采用一级泵变流量系统，该系统虽能节省制冷机房的建筑面积，但在连续供冷系统上采用开式蓄冷罐，会额外增加一套释冷泵。此系统在蓄冷罐平时充冷模式下不能控制旁通蓄冷罐的流量；在蓄冷罐应急放冷模式下需开启的设备和阀门部件较多；在蓄冷罐超级充冷模式下会影响末端的负荷调节，控制相对复杂，可靠性会降低，同时增加了运维难度。

技术实现要素：

本发明公开了一种数据中心供冷系统及控制方法，用于提供系统运行的稳定性和可靠性。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种数据中心供冷系统，包括：末端供水环路、末端回水环路、冷冻水供水环路、冷冻水回水环路、多个冷冻单元、多个二级冷冻水泵、蓄冷罐、流量传感器以及控制装置，各所述冷冻单元包括依次连通的冷水机组、板式换热器以及一级冷冻水泵；其中：

所述末端供水环路与所述末端回水环路用于为数据中心循环供冷，所述末端回水环路与所述冷冻水回水环路连通；各所述二级冷冻水泵的进水端与所述冷冻水供水环路连通，各所述二级冷冻水泵的出水端与所述末端供水环路连通；

各所述冷冻单元中，所述冷水机组的进水端与所述冷冻水供水环路连通，所述一级冷冻水泵的出水端与所述冷冻水回水环路连通；所述二级冷冻水泵配置不间断电源；

所述蓄冷罐的第一开口与所述冷冻水供水环路连通，所述蓄冷罐的第二开口与所述冷冻水回水环路连通，且所述蓄冷罐的第一开口与所述冷冻水供水环路之间的管路上设有第一流量计和第一电动阀，所述蓄冷罐的第二开口与所述冷冻水回水环路之间的管路上设有第二流量计和第二电动阀；

所述末端供水环路与所述冷冻水回水环路之间设有末端旁通管路，且所述冷冻水旁通管路上设有末端电动阀；所述流量传感器用于监测所述数据中心的供冷需求流量；

所述控制装置分别与所述一级冷冻水泵、所述二级冷冻水泵、所述流量传感器、所述末端电动阀、所述第一流量计、所述第一电动阀、所述第二流量计、所述第二电动阀线连接，以根据所述流量传感器的反馈控制所述二级冷水泵以及末端电动阀，或根据所述第一流量计、所述第二流量计的反馈控制所述一级冷冻水泵。

上述数据中心供冷系统正常运行时，冷冻单元为数据中心进行供冷，冷冻单元的冷冻水通过冷冻水供水环路自末端供水环路进入数据中心进行水冷降温，温度升高后的水经末端回水环路进入冷冻水回水环路回到冷冻单元进行再次冷却实现整个系统的水冷循环，在此过程中，第一流量计、第二流量计能够监测蓄冷罐流向以及流量，而第一电动阀和第二电动阀则可以控制蓄冷罐的流量，根据蓄冷罐内水的流向和流量控制冷冻单元中一级冷冻水泵的频率以满足数据中心的供冷需求流量；当市电故障，冷冻单元停机，二级冷冻水泵启动，根据数据中心的供冷需求流量调节二级冷冻水泵的频率以将蓄冷罐中的水输送到数据中心为数据中心供冷。

可以看出，该数据中心供冷系统中，冷冻单元的一级冷冻水泵的频率由蓄冷罐内的水流向以及流量控制，二级冷冻水泵的频率则由末端负荷变化需求调节，蓄冷罐运行模式与数据中心的供冷需求流量调节完全独立，互不影响，控制架构简单，系统运行的稳定性和可靠性相对较高且维护方便。

可选地，所述控制装置包括群控制器以及与所述群控制器信号连接的蓄冷罐控制器、两个单元控制器，两个所述单元控制器均控制连接多个所述二级冷冻水泵。

可选地，所述群控制器还设置有报警器。

一种应用于如上述技术方案所述的数据中心供冷系统的控制方法，包括：

监测所述冷冻单元的工作状态；

根据冷冻单元的工作状态判断所述冷冻单元是否正常运转；

若所述冷冻单元正常运转，监测所述蓄冷罐的流量与流向并根据所述蓄冷罐的流量与流向调节所述一级冷冻水泵的频率以向所述数据中心供冷；

若所述冷冻单元停机，监测数据中心的供冷需求流量并根据所述供冷需求流量调节所述二级冷冻水泵的频率以及所述末端电动阀的开度以向所述数据中心供冷。

可选地，所述监测数据中心的供冷需求流量并根据所述供冷需求流量调节所述二级冷冻水泵的频率以及所述末端电动阀的开度包括：

当所述供冷需求流量大于单台所述二级冷冻水泵的最低运转频率所提供的流量时，所述数据中心的最不利环路所需的压差由所述二级冷冻水泵的频率控制；

当所述供冷需求流量小于单台所述二级冷冻水泵的最低运转频率所提供的流量时，所述数据中心的最不利环路所需的压差由所述末端电动阀控制。

可选地，所述监测所述蓄冷罐流量与流向并根据所述蓄冷罐的流量与流向调节所述一级冷冻水泵的频率包括：

当所述蓄冷罐内的水自第一开口流向第二开口，且所述蓄冷罐第一开口的流量大于所述蓄冷罐第二开口的流量正向流量设定值，控制所述一级冷冻水泵的频率以满足所述数据中心的供冷需求流量；

当所述蓄冷罐内的水自第二开口流向第一开口，所述第一流量计和所述第二流量计报警，监控所述第二开口与第一开口的流量差，根据所述流量差控制冷冻单元的供冷状态至所述蓄冷罐内的水自第一开口流向第二开口且保持正向设定时长。

可选地，所述根据反向流量大小控制冷冻单元的供冷状态包括：

当所述蓄冷罐第二开口的流量大于所述蓄冷罐第一开口的流量第一反向流量设定值并保持反向设定时长，调节所述一级冷冻水泵的频率至最大；

当所述蓄冷罐第二开口的流量大于所述蓄冷罐第一开口的流量第二反向流量设定值并保持所述反向设定时长，重新启动一所述冷冻单元为所述蓄冷罐充冷供水。

可选地，所述正向流量设定值为0-100³/h，所述正向设定时长为5-30min。

可选地，所述第一反向流量值为0-50m³/h，所述第二反向流量值为50-100m³/h，所述反向设定时长为5-30min。

可选地，在所述冷冻单元停机后重启过程中：

控制所述冷冻单元内的水自循环至所述一级冷冻水泵的出水端的出水温度符合水冷要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种数据中心供冷系统的蓄冷罐处于微充冷模式的工作示意图；

图2为本发明实施例提供的一种数据中心供冷系统的蓄冷罐处于应急充冷模式的工作示意图；

图3为本发明实施例提供的一种数据中心供冷系统的蓄冷罐处于超级充冷模式的工作示意图；

图4为本发明实施例提供的一种数据中心供冷系统的控制方法原理图。

图标：11-末端供水环路；12-末端回水环路；21-冷冻水供水环路；22-冷冻水回水环路；3-冷冻单元；31-冷水机组；32-板式换热器；33-一级冷冻水泵；4-二级冷冻水泵；5-蓄冷罐；511-第一流量计；512-第一电动阀；521-第二流量计；522-第二电动阀；6-末端旁通管路；61-末端电动阀；7-冷冻水旁通管路；71-第一冷冻水电动阀；72-第二冷冻水电动阀；8-供回水旁通管路；81-供回水流量计；82-供回水电动阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。

如图1至图3所示，本发明实施例提供了一种数据中心供冷系统，包括：末端供水环路11、末端回水环路12、冷冻水供水环路21、冷冻水回水环路22、多个冷冻单元3、多个二级冷冻水泵4、蓄冷罐5、流量传感器以及控制装置。

具体地，末端供水环路11与末端回水环路12用于为数据中心循环供冷，末端回水环路12与冷冻水回水环路22连通；每个冷冻单元3包括依次连通的冷水机组31、板式换热器32以及一级冷冻水泵33，其中，冷水机组31的进水端与冷冻水供水环路21连通，一级冷冻水泵33的出水端与冷冻水回水环路22连通。

末端回水环路12将于数据中心热交换后的水输送至冷冻水回水环路22，经冷冻水回水环路22输送至冷冻单元3，在一级冷冻水泵33的作用下依次经板式换热器32和冷水机组31换热后降温至满足供冷需求的温度，经冷水机组31的出水端进入冷冻水供水环路21，并通过二级冷水泵到达末端供水环路11，由末端供水环路11输送至数据中心为数据中心供冷降温，与数据中心热交换后的水又进入末端回水环路12，实现数据中心的供冷循环。

在冷冻水供水环路21与冷冻水回水环路22之间设置有蓄冷罐5，蓄冷罐5的第一开口与冷冻水供水环路21连通，蓄冷罐5的第二开口与冷冻水回水环路22连通，且蓄冷罐5的第一开口与冷冻水供水环路21之间的管路上设有第一流量计511和第一电动阀512，蓄冷罐5的第二开口与冷冻水回水环路22之间的管路上设有第二流量计521和第二电动阀522。此处的第一流量计511、第二流量计521、第一电动阀512、第二电动阀522以及一级冷冻水泵33均与控制装置的群控制器线连接。

其中，第一流量计511和第二流量计521均为双向流量计，既能监测蓄冷罐5的水流方向还能监测蓄冷罐5内水流的流量。在冷冻单元3正常运转的情况下，冷冻水供水环路21的水自蓄冷罐5的第一开口进入并自第二开口流出到冷冻水回水环路22。在此过程中，根据蓄冷罐5内的水流向以及流量大小控制冷冻单元3的一级冷冻水泵33的频率，以满足数据中心的供冷需求流量。同时，可以通过群控制器控制第一电动阀512和第二电动阀522的开合设定蓄冷罐5第一开口和第二开口的流量差，以对蓄冷罐5进行微充冷作业，如图1所示。

在末端供水环路11与冷冻水回水环路22之间设有末端旁通管路6，且冷冻水旁通管路7上设有末端电动阀61，并且，流量传感器用于监测数据中心的供冷需求流量。此处的末端电动阀61、流量传感器与控制装置的群控制器线连接，二级冷冻水泵4与控制装置的单元控制器线连接，当冷冻单元3停机时，由于二级冷冻水泵4配置不间断电源，控制装置根据流量传感器的反馈控制末端电动阀61二级冷冻水泵4可以对末端供水管路与冷冻水回水管路的流量进行调节，将蓄冷罐5内的水输送到末端供水环路11中为数据中心供冷，蓄冷罐5处于应急充冷模式，如图2所示。

其中，单元控制器为两个，均控制连接多个二级冷冻水泵4。这样设置的原因在于，在冷冻单元3故障的情况下，两个单元控制器程序完全一致、互相热备，可以实现“一用一备”的控制模式，当其中一个单元控制器故障，立即采用另一个单元控制器，保证系统的正常运转，可提高整个系统控制的可靠性。

上述群控制器还设置有报警器，当控制装置根据各项数据反馈认为系统出现异常，发出报警信号通知操作人员。此处的报警信号可以通过操作人员手动解除。

继续参照图1，在一级冷冻水泵33用于连通冷冻水回水环路22管道和冷水机组31用于连通冷冻水供水环路21的管道之间设置有冷冻水旁通管路7，该冷冻水旁通管路7上设置有第一冷冻水电动阀71；在冷水机组31用于冷冻水供水环路21的管道与冷冻水旁通管路7的连接点与冷冻水供水环路21之间的管道上设置有第二冷冻水电动阀72。第一冷冻水电动阀71和第二冷冻水电动阀72分别与控制装置的群控制器线连接，当冷冻单元3的供水温度达不到供冷需求的温度，群控制器通过控制第一冷冻水电动阀71和第二冷冻水电动阀72开度，使得冷水机组31输出的水经冷冻水旁通管路7进入一级冷冻水泵33实现冷冻单元3内的水冷循环，直至冷水机组31出水端的供水温度满足供冷需求。

可以看出，该数据中心供冷系统中，冷冻单元3的一级冷冻水泵33的频率由蓄冷罐5内的水流向以及流量控制，二级冷冻水泵4的频率则由末端负荷变化需求调节，蓄冷罐5运行模式与数据中心的供冷需求流量调节完全独立，互不影响，控制架构简单，系统运行的稳定性和可靠性相对较高且维护方便。

在冷冻水供水环路21与冷冻水回水环路22之间还设置有至少一条供回水旁通管路8，各供回水旁通管路8上设置有供回水流量计81和供回水电动阀82，供回水流量计81也是双向流量计，且供回水流量计81和供回水电动阀82分别与控制装置线连接。在对蓄冷罐5进行检修时，控制装置可以根据供回水流量计81的反馈中指供回水电动阀82的开度，以保证供冷系统的正常运行，方便运维人员有组织有计划地进行蓄冷罐5检修工作，不影响系统的可靠运行。

需要说明的是，蓄冷罐5第二开口用于连接冷冻水回水环路22的管道与冷冻水回水环路22的连接点位于冷冻水回水环路22与冷冻单元3连接点的最远端，由于冷冻单元3设置有多个，则蓄冷罐5第二开口用于连接冷冻水回水环路22的管道与冷冻水回水环路22的连接点远离冷冻水回水环路22与各冷冻单元3的连接点，如图1所示p点所示的位置，确保平时运行时从蓄冷罐5出来的低温水与回水混合均匀后再进入冷冻单元3的冷水机组31，避免进入冷水机组31的回水温度偏低，影响冷机运行。并且，蓄冷罐5用于连接冷冻水供水环路21的管道、蓄冷罐5用于连接冷冻水回水环路22的管道进水管、冷冻水供水环路21的管道、所述回水环路的管道管径相同。

并且，在蓄冷罐5上还设置有相连接的蓄冷罐控制器和多个温度传感器，其中，蓄冷罐控制器与群控制器线连接，多个所述温度传感器沿设定方向均匀设置，且任意两个相邻的所述温度传感器之间的距离为0.5m。多个温度传感器用于监视蓄冷罐5内温跃层的变化，以测定蓄冷罐5内可用冷冻水的量，并将测定结果反馈到蓄冷罐控制器，蓄冷罐控制器根据反馈信息向群控制器反馈蓄冷罐5状态，以切换蓄冷罐5的运行模式。

例如，当市电故障解除，冷冻单元3重启并加载到断电前的负载，且出水温度为设定值时，数据中心由冷冻单元3供冷，蓄冷罐控制器发送信号至群控制器，要求进入超级充冷模式，如图3所示。群控制器将向处于备用状态冷冻单元3所对应的第一单元控制器发出启动命令为蓄冷罐5充冷。当距离蓄冷罐5的罐顶或罐尾约10％处的温度传感器读数为设计回水温度值，其余温度传感器度数均为设计供水温度时，蓄冷罐控制器将自动退出超级充冷模式，群控制器向该备用冷冻单元3的第一单元控制器发出关闭命令关闭该冷冻单元3。

在上述数据中心供冷系统的系统架构基础上，本发明实施例还提供一种数据中心供冷系统的控制方法，如图4所示，该控制方法包括：

s1：监测冷冻单元3的工作状态，此步骤中对冷冻单元3的监测是控制装置的群控制器监测，主要监测冷冻单元3的供电状态。

s2：根据冷冻单元3的工作状态判断冷冻单元3是否正常运转；

若冷冻单元3正常运转，执行步骤s3：监测蓄冷罐5的流量与流向并根据蓄冷罐5的流量与流向调节一级冷冻水泵33的频率以向数据中心供冷；

该步骤s3具体包括以下步骤：

当蓄冷罐5内的水自第一开口流向第二开口，即蓄冷罐5的水流向为正向，控制装置的群控制器控制第一电动阀512和第二电动阀522，使蓄冷罐5第一开口的流量大于蓄冷罐5第二开口的流量，当蓄冷罐5第一开口的流量大于蓄冷罐5第二开口流量正向流量设定值0-100³/h，执行步骤s31：控制装置的群控制器控制一级冷冻水泵33的频率以满足所述数据中心的供冷需求流量；

当蓄冷罐5内的水自第二开口流向第一开口，即蓄冷罐5的水流向为反向，第一流量计511和第二流量计521报警，执行步骤s32：监控第二开口与第一开口的流量差，控制装置的群控制器控制冷冻单元3的供冷状态至蓄冷罐5内的水自第一开口流向第二开口且保持正向设定时长5-30min，第一流量计511和第二流量计521的报警解除，冷冻单元3恢复之前的供冷状态。

其中，步骤s32具体包括以下步骤：

当蓄冷罐5第二开口的流量大于蓄冷罐5第一开口的流量第一反向流量设定值0-50m³/h并保持反向设定时长5-30min，执行步骤s321：控制装置的群控制器调节一级冷冻水泵33的频率至最大，同时控制装置报警，通知操作人员；

当蓄冷罐5第二开口的流量大于蓄冷罐5第一开口的流量第二反向流量设定值50-100m³/h并保持反向设定时长5-30min，执行步骤s322：控制装置的群控制器重新启动一冷冻单元3为蓄冷罐5充冷供水。此套冷冻单元3将由操作人员在蓄冷罐5不再出现反向流15min且充冷完毕后手动关闭。

需要说明的是，上述正向流量设定值、正向设定时长、第一反向流量设定值、第二反向流量设定值以及反向设定时长具体的数据选择可以根据该系统具体的使用环境进行个性化设置，以满足不同的供冷需求。

若冷冻单元3停机，在此过程中，控制装置的群控制器可监测到冷冻单元3的掉电信号，冷冻单元3停机，控制装置的第二单元控制器启动二级冷冻水泵4，将蓄冷罐5内的冷水向末端供水环路11供冷，系统自动进入蓄冷罐5应急供冷模式，此时执行步骤s4：监测数据中心的供冷需求流量,根据供冷需求流量调节二级冷冻水泵4的频率以及末端电动阀61的开度以向数据中心供冷。

需要说明的是，在此模式下，蓄冷罐5管路上的第一流量计511和第二流量计521会监测到蓄冷罐5出现反向流而报警，应解除报警。

该步骤s4具体包括以下步骤：

当所供冷需求流量大于单台二级冷冻水泵4的最低运转频率所提供的流量时，执行步骤s41：数据中心的最不利环路所需的压差由二级冷冻水泵4的频率控制；

当所述供冷需求流量小于单台所述二级冷冻水泵4的最低运转频率所提供的流量时，执行步骤s41：数据中心的最不利环路所需的压差由末端电动阀61控制。

数据中心会设置有多台设备，末端供水环路11输送的冷水需要依次经过多台设备进行热交换，冷水在距离末端供水环路11最近的设备和冷水在距离末端供水环路11最远的设备的压力发生变化，这两处之间的压差即上述最不利环路所需的压差。

另外，在冷冻单元3停机后重启过程中，控制冷冻单元3内的水自循环至一级冷冻水泵33的出水端的出水温度符合水冷要求。具体过程为，每一组冷冻单元3中，当冷水机组31的供水温度超过设定温度值2度，第一单元控制器控制第一冷冻水电动阀71完全开启，第二冷冻水电动阀72完全关闭，冷水机组31输出的水经冷冻水旁通管路7完全进入一级冷冻水泵33实现冷冻单元3内的水冷循环；当冷水机组31的供水温度与设定温度值差值为0.5度，第一单元控制器控制第一冷冻水电动阀71逐渐关闭，第二冷冻水电动阀72逐渐开启，冷水机组31输出的水逐渐不再进入冷冻水旁通管路7而开始进入冷冻水供水环路21。需要说明的是，第一冷冻水电动阀71和第二冷冻水电动阀72的调节过程中需要监测经过冷水机组31的流量，必须满足进入冷水机组31的最小流量要求。

当市电故障解除，冷冻单元3重启并加载到断电前的负载，且出水温度为设定值时，数据中心由冷冻单元3供冷，蓄冷罐5控制器发送信号至群控制器，要求进入超级充冷模式。群控制器将向处于备用状态冷冻单元3所对应的第一单元控制器发出启动命令为蓄冷罐5充冷。当距离蓄冷罐5顶或罐尾约10％处的温度传感器读数为设计回水温度值，其余温度传感器度数均为设计供水温度时，蓄冷罐5控制器将自动退出超级充冷模式，群控制器向该备用冷冻单元3的第一单元控制器发出关闭命令关闭该冷冻单元3。

综上所述，本实施例中的蓄冷罐5在微充冷模式、应急放冷模式、超级充冷模式下的控制与数据中心末端供冷需求的控制完全分割，互不影响，且在三个模式控制中，切换的阀门数量最少。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。