一种基于变频策略的数据中心冷却系统及控制优化方法与流程

本发明涉及数据中心用制冷领域，具体是一种基于变频策略的数据中心冷却系统及控制优化方法。

背景技术：

1、数据中心是现代信息技术的关键组成部分，扮演着存储、处理和传输大规模数据的重要角色。而这些高密度部署的服务器、网络设备和存储设备在运行时会产生几十至上百千瓦的热量，过高的温度会对其性能和寿命造成负面影响。因此，数据中心用的冷却系统得到广泛应用，它们可将产生的热量及时排出，并维持各设备的稳定运行。

2、目前现有的数据中心采用液冷方式散热的冷却系统中，多数采用单一液冷源搭配一组动力单元的方式，同时为多个数据中心内的机组设备输送低温冷却水进行散热，每个数据中心设备分配到的冷却水流量往往以最大工况时冷却水需求量为原则。然而，在实际应用中每个数据中心的工况和发热量并不相同，对冷却水的流量需要也各有差异。当每个数据中心以相同或最大化的冷却水流量进行散热时，对于部分负荷运行的数据中心而言，造成了极大资源的浪费；相反，当冷却水流量较低时，对于满负荷运行的数据中心则可能存在工作温度过高，导致机组设备电子元器件受损的情况，无法实时调整使各数据中心换热量达到平衡，因此亟待解决。

技术实现思路

1、为了避免和克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于变频策略的数据中心冷却系统。本发明可实时调整各变频泵的最优工作频率，使各数据中心换热量达到平衡。本发明还提供了一种控制优化方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于变频策略的数据中心冷却系统，冷却塔通过换热回路与各数据中心的冷却水系统换热，各换热回路均包括板式换热器，各板式换热器的热端通过换热器主要回路与数据中心的冷却水系统连通并构成循环，各板式换热器的冷端通过换热器次要回路与冷却塔连通并构成循环；冷却塔的进出口处、换热器次要回路以及换热器主要回路上均安装有检测单元，以检测不同位置处的温度、流量以及压差参数。

4、作为本发明进一步的方案：换热器主要回路包括板式换热器热端出口管路以及板式换热器热端进口管路，板式换热器热端出口管路上并联布置有第一变频泵以及第一旁通阀，板式换热器热端进口管路上布置有第一电动调节阀，第一电动调节阀的下游端安装有流量传感器；检测系统包括用于检测第一变频泵前后压差的压差传感器，检测系统还包括用于检测板式换热器热端进出口温度的温度传感器。

5、作为本发明再进一步的方案：换热器次要回路包括板式换热器冷端出口管路以及板式换热器冷端进口管路，板式换热器冷端出口管路上布置有第二变频泵、第二电动调节阀、止回阀以及流量传感器，第二变频泵与第二旁通阀并联布置，检测系统包括用于检测第二变频泵前后压差的压差传感器，检测系统还包括用于检测板式换热器冷端进出口温度的温度传感器。

6、作为本发明再进一步的方案：所述冷却塔的冷却水出口处布置有过滤器以及流量传感器，冷却塔的进出口处均安装有温度传感器。

7、一种控制优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

8、s1、搭建所述的一种基于变频策略的数据中心冷却系统；

9、s2、计算各板式换热器的全局传热约束；

10、s3、建立全局流体流动约束；

11、s4、以全局流体流动约束以及全局传热约束为条件建立拉格朗日函数：

12、；

13、其中， pt表示流体输送总功耗；

14、 α1 、β1 、γ1 、α i 、β i 、γ i 、α n 、β n 、γ n均为拉格朗日乘子；

15、 n表示换热回路的总数；

16、 t p,1 ,in表示第1组换热回路中换热器主要回路的冷却水入口温度；

17、 t p,i,in表示第 i组换热回路中换热器主要回路的冷却水入口温度；

18、 t p,n,in表示第 n组换热回路中换热器主要回路的冷却水入口温度；

19、 t s,in表示冷却塔的冷却水出口温度；

20、 q1表示第1组换热回路中板式换热器的传热速率；

21、 r1表示第1组换热回路中板式换热器的热阻；

22、 q i表示第 i组换热回路中板式换热器的传热速率；

23、 r i表示第 i组换热回路中板式换热器的热阻；

24、 q n表示第 n组换热回路中板式换热器的传热速率；

25、 r n表示第 n组换热回路中板式换热器的热阻；

26、 h pu,p,1表示第1组换热回路中第一变频泵的压头；

27、 h pu,p,i表示第 i组换热回路中第一变频泵的压头；

28、 h pu,p,n表示第 n组换热回路中第一变频泵的压头；

29、 h pu,s,1表示第1组换热回路中第二变频泵的压头；

30、 h pu,s,i表示第 i组换热回路中第二变频泵的压头；

31、 h pu,s,n表示第 n组换热回路中第二变频泵的压头；

32、 h p,1表示第1组换热回路中换热器主要回路的压头；

33、 h p,i表示第 i组换热回路中换热器主要回路的压头；

34、 h p,n表示第 n组换热回路中换热器主要回路的压头；

35、 h s,1表示第1组换热回路中换热器次要回路的压头；

36、 h s,i表示第 i组换热回路中换热器次要回路的压头；

37、 h s,n表示第 n组换热回路中换热器次要回路的压头；

38、s5、在热导率恒定不变的前提下，令拉格朗日函数相对于 m p,i、 ω p,i、 m s,i、以及 ω s,i的偏导数为零，搭建如下优化方程：

39、；

40、；

41、；

42、；

43、其中，表示拉格朗日函数对 ω p,i求偏导数；

44、表示拉格朗日函数对 ω s,i求偏导数；

45、表示拉格朗日函数对 m p,i求偏导数；

46、表示拉格朗日函数对 m s,i求偏导数；

47、 ω p,i表示第 i组换热回路中第一变频泵的工作频率；

48、 ω s,i表示第 i组换热回路中第二变频泵的工作频率；

49、 m p,i表示第 i组换热回路中换热器主要回路的质量流量；

50、 m s,i表示第 i组换热回路中换热器次要回路的质量流量；

51、 a 0,p,i表示第 i组换热回路中第一变频泵的第一特征参数；

52、 a 1,p,i表示第 i组换热回路中第一变频泵的第二特征参数；

53、 a 2,p,i表示第 i组换热回路中第一变频泵的第三特征参数；

54、 a 0,s,i表示第 i组换热回路中第二变频泵的第一特征参数；

55、 a 1,s,i表示第 i组换热回路中第二变频泵的第二特征参数；

56、 a 2,s,i表示第 i组换热回路中第二变频泵的第三特征参数；

57、 c p表示冷却水的比热容；

58、 exp表示以自然常数 e为底的指数函数；

59、 k表示传热系数；

60、 d s,in,n表示冷却塔总管道中第 n段的分段特性；

61、 d s,in,n－ i表示冷却塔总管道中第 n－ i段的分段特性；

62、 d s,in,i表示冷却塔总管道中第 i段的分段特性；

63、 d s,in,2表示冷却塔总管道中第2段的分段特性；

64、 d s,in,1表示冷却塔总管道中第1段的分段特性；

65、 a i表示第 i组换热回路中板式换热器的传热面积；

66、表示重力加速度；

67、 d p,i表示第 i组换热回路中换热器主要回路的管路特征；

68、 d s,i表示第 i组换热回路中换热器次要回路的管路特征；

69、s6、根据步骤s5中的优化方程计算得到 ω p,i以及 ω s,i。

70、作为本发明再进一步的方案：在步骤s2，全局传热约束为 q i r i；

71、；

72、其中， q i表示第 i组换热回路中板式换热器的传热速率；

73、 t p,i,in表示第 i组换热回路中换热器主要回路的冷却水入口温度；

74、 t s,i,in表示第 i组换热回路中换热器次要回路的冷却水入口温度；

75、；

76、其中， t s,in表示冷却塔的冷却水出口温度；

77、；

78、。

79、作为本发明再进一步的方案：在步骤s3中，以 h p,i 、h s,i 、h pu,p,i 、h pu,s,i建立全局流体流动约束；

80、；

81、；

82、；

83、；

84、其中， ρ p,i表示通过第 i组换热回路中第一变频泵的冷却水密度；

85、 ρ s,i表示通过第 i组换热回路中第二变频泵的冷却水密度。

86、作为本发明再进一步的方案：在步骤s4中，

87、；

88、其中， pt s,i表示第 i组换热回路中第二变频泵的变频泵功耗；

89、 pt p,i表示第 i组换热回路中第一变频泵的变频泵功耗。

90、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

91、1、本发明通过第一变频泵驱动冷却水在数据中心和换热器之间循环流动，并将吸收数据中心热量的高温冷却水输送到换热器的热侧；与此同时第二变频泵驱动冷却水在冷却塔和换热器之间循环流动，将换热器热侧的热量带走并传递至冷却塔，最后热沉到大气中，各个数据中心的换热器主要回路彼此独立互不影响，各数据中心的换热器次要回路彼此并联，且共用冷却塔，冷却效率较高，通过实时调整各变频泵的最优工作频率，可使各数据中心换热量达到平衡。

92、2、本发明通过计算推导得到各数据中心变频泵的最佳工作频率，使冷却水流量最优化，使各数据中心在不同发热量下都能得到最佳换热量的冷却水，确保各数据中心工作温度稳定，不会造成冷却系统电力资源的浪费。

93、3、各个数据中心的工况发生变化时，发热量随之变化，导致第一变频泵的工作频率变化，但是各数据中心的换热器主要回路的水循环管路彼此独立，互不影响，不会导致其它数据中心的换热器主要回路的水循环管路的变频泵工作频率变化。但是对于换热器次要回路来说，因各换热器次要回路共用冷却塔的总管路，当某一换热器次要回路的第二变频泵频率增加时，冷却塔总管路的流体流量也增加，流体阻力也会增加，这样其余换热器次要回路的第二变频泵频率也要增加以平衡冷却塔总管路中流动阻力的增加。反之，某数据中心热负荷降低，其换热器主要回路的第一变频泵频率降低，各换热器次要回路的第二变频泵的频率也可降低。当然各数据中心的热负荷是彼此独立的，有的数据中心热负荷增加，有的热负荷降低。因此通过构建整个冷却系统的全局传热分析和流体流动约束，可以有效确定不同变频泵的最优工作频率。