多模块冷水机组及其调度控制方法与流程

1.本发明涉及空调技术领域，尤其涉及一种带自然冷却的多模块冷水机组及其调度控制方法。


背景技术：

2.随着互联网技术的高速发展，大数据应用成为了现阶段信息工程的核心，数据中心的规模和数量也在不断的发展。数据中心服务器对大量数据进行存储处理的过程中会产生非常高的热量，为了保证数据中心服务器设备的高效可靠运行，需保证对服务器设备进行有效稳定的降温措施。传统的空调系统使用压缩机组制冷，在数据中心这种需要全年制冷的工程应用上存在能耗大的问题。因此,有了自然冷却冷水机组的应用。在环境温度较低的过渡季节和冬季，自然冷却机组使用液泵代替压缩机进行制冷，极大程度的降低冷水机组的运行能耗。
3.对于大型的数据中心，一般包括多台制冷机组模块。常规的带有自然冷却的机组没有考虑多模块的协调调度控制，而是采用各机组模块统一控制的策略，即当检测环境温度满足自然冷却功能开启条件时，所有的模块将同时执行切换为自然冷却功能的命令。这样的控制方式比较简单，并不能将自然冷却机组运行节能的特点发挥到最大，同时也容易使输出冷量出现波动，存在运行不稳定的问题，从而导致数据中心服务器设备存在发生故障的危险。


技术实现要素：

4.本发明提出一种带自然冷却的多模块冷水机组及其调度控制方法，以解决现有技术中多模块控制导致的负荷调节不稳定、能效无法达到最优的技术问题。
5.本发明提出一种多模块冷水机组的调度控制方法，其中，开机后，控制器根据各模块的累计运行时间，按照“少运行，先开启”的原则依次对各模块发出开启或加载指令；当冷水机组满足卸载或关闭条件时，按照“多运行，先关闭”的原则依次对各模块的发出卸载或关闭指令；若所有模块的累计运行时间相同，则按照模块的命名或拨码地址顺序依次控制。
6.如果轮到开启的模块处于故障状态或者不满足开启条件时，则开启跟随其后的模块。
7.所述冷水机组的控制器实时检测冷水机组的负荷偏差值，并根据该负荷偏差值向对应模块发出负荷调节指令。
8.所述负荷偏差值为实际制冷出水温度与制冷出水设置温度的差值，当负荷偏差值大于设定值c时，则进行加载;当负荷偏差值小于d时，则进行卸载；其他情况则保持当前状态运行。
9.所述冷水机组的运行模式包括：压缩制冷模式，自然冷却模式或混合制冷模式。
10.本发明提出的调度控制方法，包括以下步骤：当冷水机组开机后，判断是否满足自然冷却模式运行条件，若满足则进入自然冷
却模式运行；若不满足则进入压缩制冷模式运行；进入自然冷却模式运行后，实时监控并判断是否满足压缩机开启条件，若不满足，则维持自然冷却模式运行；若满足，则进入混合制冷模式运行；进入压缩制冷模式运行后，实时监控并判断是否满足液泵开启条件，若不满足，则维持压缩制冷模式运行；若满足，则进入混合制冷模式运行；进入混合制冷模式运行后，实时监控并判断是否满足压缩机关闭条件，若不满足，则维持混合制冷模式运行；若满足，则判断是否满足液泵关闭条件，若不满足，则维持自然冷却模式运行；若满足，则停机待命。
11.在混合制冷模式中，当控制器检测负荷偏差值满足加载条件时，优先对液泵进行加载，当所有液泵都加载至满载后，再对压缩机进行加载；当负荷偏差值满足载卸载条件时，优先对压缩机进行卸载，压缩机卸载至最小频率后进行保持运行，然后对下一顺序的压缩机进行卸载，当所有压缩机卸载至最小频率并累计运行n2分钟后，若还满足卸载条件，则依次关闭压缩机，进入自然冷却模式。
12.所述自然冷却模式运行条件是：（1）实际制冷出水温度t
出
＞制冷出水设置温度b （空调压缩机开启温度偏差δt3/压缩机数量） 制冷修正值a；（2）自然冷却液泵关闭时间超过n1分钟；（3）实际制冷出水温度下降速率v≤启动水温变化率限定值δtt1；（4）对应的制冷压缩机状态为关闭状态。
13.所述压缩机开启条件是：所有液泵加载至满载后，实际制冷出水温度仍达不到制冷出水设置温度b，则开启压缩机，进入混合制冷模式运行。
14.所述液泵开启条件是：当连续n1分钟检测到制冷出水设置温度b
‑
环境温度t
环
＞液泵关闭设置温差δt5
‑
t1时，则开启对应液泵，进入混合制冷模式运行。
15.所述压缩机关闭条件是：当所有压缩机卸载至最小频率并累计运行n2分钟后，若还满足卸载条件，则依次关闭压缩机，进入自然冷却模式运行。
16.所述液泵关闭条件是：当连续n3分钟检测到制冷出水设置温度b 制冷修正值a
‑
环境温度t
环
≤液泵关闭设置温差δt5
‑
t2，则开始卸载并关闭各模块液泵，直至所有液泵关闭。
17.本发明还提出一种多模块冷水机组，每个模块由压缩制冷循环和自然冷却循环组成，所述多模块冷水机组采用上述的调度控制方法运行。
18.与现有技术相比，本发明提出的带自然冷却的多模块冷水机组的调度控制方法增强了机组运行的稳定性，更好地发挥其高效节能的优点，同时提高了机组运行的寿命。
附图说明
19.图1为本发明冷水机组中模块的系统图；图2为开机或加载时模块调度控制流程图；图3为卸载或关机时模块调度控制流程图；图4为冷水机组运行模式切换控制流程图。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。应当理解，以下具体实施例仅用以解释本发明，并不对本发明构成限制。
21.本发明提出一种带自然冷却的多模块冷水机组调度控制策略，该控制策略通过检测判断各模块的累计运行时间，对机组的多模块进行协同调度，使得机组全工况平稳运行，同时根据冷水机组的负荷偏差、选择较为节能的运行模式运行，提升运行性能，进一步减小能耗。
22.冷水机组包括多个模块，每个模块作为一个制冷单元，包括一台压缩机和一台液泵，压缩机负责在压缩制冷模式和混合制冷模式进行工作；液泵负责在自然冷却模式和混合制冷模式进行工作。每个模块通过拨码地址区分并进行命名。例如，可使用二进制两拨码区分模块，拨码00为模块一，拨码01为模块二，拨码10为模块三、拨码11为模块四等。
23.如图1所示，每个模块包括压缩制冷循环和自然冷却循环。压缩制冷循环由压缩机1、冷凝器2、膨胀阀3和蒸发器4组成。该实施例中，压缩机采用风冷螺杆冷水机组。自然冷却循环由换热器5、液泵6和表冷器7组成。该实施例中，换热器5采用板式换热器，设置在蒸发器4冷冻水的回水管道中，自然冷却循环中的水与冷冻水的回水进行换热。表冷器与冷凝器设置在一起并共用风机，以减少设备成本。自然冷却循环产生的冷量通过换热器5和冷冻水管道输送至末端装置。
24.本发明提出的多模块调度控制方法如下：开机后，控制器根据各模块的累计运行时间，按照“少运行，先开启”的原则依次对各模块发出开启或加载指令；当冷水机组满足卸载或关闭条件时，按照“多运行，先关闭”的原则依次对各模块的发出卸载或关闭指令；若所有模块的累计运行时间相同，则按照模块的命名或拨码地址顺序依次控制。
25.当用户操作开机后，控制器会记录各模块的累计运行时间，并根据各模块的累计运行时间进行判断，优先开启累计运行时间少的模块，保证各模块之间运行时间相近，不会出现各模块之间累计运行时间差异较大的情况。若所有模块的累计运行时间相同，则按照模块的命名或拨码地址由小到大的顺序依次开启或加载模块，如图2所示。当模块满足卸载或关闭条件时，各模块动作顺序则与开启/加载顺序相反，按照模块累计运行时间从多到少的顺序依次卸载或关闭。若所有模块的累计运行时间相同，则按照模块的命名或拨码地址由大到小顺序依次卸载或关闭，如图3所示。各模块动作间隔时间不少于2分钟，以避免各模块同时启动时电流大，对机组电路和电网造成冲击，间隔时间可以根据具体情况设置。如果轮到开启的模块存在故障或者不满足开启条件，则开启跟随其后的模块。
26.模块的加卸载按负荷偏差条件进行控制，模块之间按上述开启或关闭调度原则进入待机。
27.冷水机组的负荷调节：控制器根据负荷偏差值对压缩机或液泵发出加载、保持或卸载的指令，由此对机组模块的负荷进行调节。负荷偏差值为实际制冷出水温度(指蒸发器出水温度）t
出
与制冷出水设置温度b的差值。当负荷偏差值大于设定值c时，该实施例c为2，则进行加载；当负荷偏差值小于设定值d时，该实施例d为0，则进行卸载；其他情况则保持现有运行模式。
28.冷水机组运行模式包括：压缩制冷模式，自然冷却模式和混合制冷模式。在压缩制
冷模式中，机组只通过压缩机进行制冷，所有自然冷却液泵不工作。在自然冷却模式中，机组只通过液泵进行制冷，所有压缩机不工作。在混合制冷模式中，机组液泵和压缩机同时参与制冷运行。
29.在环境温度较高时，采用压缩机制冷满足用户需求，该模式技术成熟、冷量稳定；在环境温度较低时采用混合制冷模式利用自然冷源减小能耗，提高能效；在环境温度再降低后进入自然冷却模式，此模式压缩机侧关闭，不会出现低温压缩机制冷时系统压差低的情况，系统运行稳定性高，充分利用自然冷源，能效高。
30.图4为冷水机组的运行模式切换控制流程图。开关机指令是由用户控制的，待机后启动按照“少运行，先开启”的原则协调，各模块的加载指令由控制器根据负荷偏差触发。
31.用户在显示板上操作发出开机指令时，空调水泵（指用户侧冷冻水水泵，非机组配置，系统图中未体现）立即开启运行一段时间δtk，该时间为空调水泵提前开启时间，默认为3min。机组控制器开始检测是否满足自然冷却模式运行条件，当满足时，机组进入自然冷却模式运行，否则进入压缩机制冷模式运行。自然冷却模式运行条件为：（1）实际制冷出水温度＞制冷出水设置温度b （空调压缩机开启温度偏差δt3/压缩机数量） 制冷修正值a；（2）自然冷却液泵关闭时间超过n1分钟；（3）实际制冷出水温度下降速率≤启动水温变化率限定值δtt1；（4）对应的制冷压缩机状态为关闭状态。
32.以上4个条件同时满足进入自然制冷模式运行。在自然冷却模式，冷水机组只通过液泵进行制冷，所有压缩机不工作。
33.在自然冷却模式下，控制器根据负荷偏差值对各模块的液泵发出动作指令，当所有液泵加载至满载后，如实际制冷出水温度仍达不到制冷出水设置温度b时，则开启压缩机，进入混合制冷模式。
34.开机后不满足自然冷却模式运行条件时，进入压缩制冷模式运行。在压缩机制冷模式下，当第一个模块压缩机按初始频率启动运行1分钟后，控制器开始检测自然冷却功能开启条件。当连续n1分钟检测制冷出水设置温度b
‑
环境温度t
环
＞液泵关闭设置温差δt5
‑
t1时，该实施例中，t1为5度，则对应开启自然冷却液泵，机组进入混合制冷模式。
35.在混合制冷模式中，液泵和压缩机同时参与制冷运行。当控制器检测负荷偏差值满足加载条件时，优先对液泵进行加载，当所有液泵都加载至满载后，再对压缩机进行加载。当负荷偏差值满足载卸载条件时，优先对压缩机进行卸载，压缩机卸载至最小频率后保持运行，然后对下一顺序的压缩机进行卸载，当所有压缩机卸载至最小频率并累计运行n2分钟后，若还满足卸载条件，则依次关闭压缩机，进入自然冷却模式。压缩机最少须运行3分钟后，才允许关闭。混合制冷模式下，控制器检测自然冷却液泵关闭条件，当连续n3分钟检测到制冷出水设置温度b 制冷修正值a
‑
环境温度t
环
≤液泵关闭设置温差δt5
‑
t2时，该实施例中t2为10度，则开始卸载并关闭各模块液泵，直至所有液泵关闭，机组停机进入待机状态。
36.以上涉及的参数可设置，该实施例中：a是制冷修正值，默认为1；b是制冷出水设置温度，默认为7℃；
δtk是空调水泵提前开启时间，默认为3minδt3是空调压缩机开启温度偏差，默认为5℃；δtt1是启动水温变化率限定值，默认为0.5℃；δt5是液泵关闭温差设置，默认为15℃。
37.设定值c为2，d为0，n1为1分钟，n2为3分钟，n3为5分钟，t1为5度，t2为10度。
38.在一实施例中，本发明提出的多模块冷水机组调度控制方法包括以下步骤：当冷水机组开机后，判断是否满足自然冷却模式运行条件，若满足则进入自然冷却模式运行；若不满足则进入压缩制冷模式运行；进入自然冷却模式运行后，实时监控并判断是否满足压缩机开启条件，若不满足，则维持自然冷却模式运行；若满足，则进入混合制冷模式运行；进入压缩制冷模式运行后，实时监控判断是否满足液泵开启条件，若不满足，则维持压缩制冷模式运行；若满足，则进入混合制冷模式运行；进入混合制冷模式运行后，实时监控判断是否满足压缩机关闭条件，若不满足，则维持混合制冷模式运行；若满足，则判断是否满足液泵关闭条件，若不满足，则维持自然冷却模式运行；若满足，则停机待命。
39.本发明提出的带自然冷却多模块冷水机组的调度控制策略通过检测负荷偏差、液泵和压缩机的累计运行时间等数据进行判断，对机组多模块进行协同调度，选择较为节能的运行模式组合，使得机组全工况平稳运行，同时提升运行性能，减小能耗，提升机组运行寿命。
40.以上所述仅为本发明的具体实施方式。应当指出的是，凡在本发明构思的精神和框架内所做出的任何修改、等同替换和变化，都应包含在本发明的保护范围之内。