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节能调控温湿度空调及调控方法与流程

花匠小妙招
2025-11-01 03:35

本发明属于节能空调，具体涉及一种节能调控温湿度空调及调控方法。

背景技术：

1、随着数字化、信息化的迅速发展，数据中心作为核心基础设施，其规模和能耗不断增长。数据中心的稳定运行对室内环境的温湿度要求极为严格，通常需要将温湿度维持在特定的阈值范围内，以保障服务器和其他电子设备的性能与寿命。然而，传统的空调系统在温湿度调控过程中存在以下问题：1)、高能耗问题：数据中心空调系统耗能占总能耗的比例超过30％，尤其是在高温高湿的夏季或低温低湿的冬季，对新风的加热、冷却或加湿需求极高。传统空调系统通常采用恒定模式运行，不根据外界环境的动态变化调整策略，导致过度加热、冷却或加湿，造成大量能源浪费。2)、控制精度不足现有空调系统在处理复杂环境时，温湿度控制难以达到高精度要求，尤其在南北方季节交替或突发气候变化的情况下，室内环境可能短时间内偏离理想阈值。不精准的控制可能导致设备在高湿或过干条件下运行，增加故障风险和维护成本。3)、设备磨损与寿命问题频繁的开关或高负荷运行会加速冷水盘管、热水盘管及其他关键部件的老化，导致设备维护和更换成本大幅增加。长期高负荷运行还可能影响空调系统整体效率，进一步增加运营成本。4)、智能化与自动化程度不足传统空调系统大多依赖于预设程序和人工调控，难以实现动态优化和实时响应。在不同季节、不同区域气候条件下，未能充分利用外界新风的热交换能力，导致能源利用率低。

2、因此，迫切需要一种基于动态温湿度调控、高效热交换和智能控制的节能空调系统。该系统能够根据不同季节、不同区域的环境条件，动态调整新风和回风的比例及温湿度处理策略，从而在保障数据中心运行稳定性的同时，实现节能降耗的目标。

技术实现思路

1、本发明针对上述缺陷，提供一种节能调控温湿度空调的调控方法。本发明提供如下技术方案：节能调控温湿度空调的调控方法，所述方法应用于进入数据中心室内空气的新风温湿度调控，包括以下步骤：

2、s1：实时监测回风进入部、回风流出口、新风流入口以及新风流出部的实时空气质量流速、干球温度和相对湿度；

3、s2：计算经过气体叉流交换部热交换后的混风的干球温度tmix、含湿量wmix和相对湿度rhmix，确定理想露点温度最低阈值理想干球温度最高阈值理想干球温度最低阈值理想相对湿度最高阈值rhex，max、理想相对湿度最低阈值rhex，min；

4、s3：判断混风的干球温度tmix处于s2步骤中各个温度阈值所组成的不同温度阈值区间中的位置，确定混风的干球温度tmix处于何温度阈值区间内后，再进一步判断混风的相对湿度rhmix处于各个相对湿度阈值组成的何种湿度阈值区间内，进而根据混风的干球温度tmix和相对湿度rhmix所处的不同区间位置确定混风状态，选择开启热水盘管、冷水盘管或喷雾系统或中的任意一个或两个组合，对混风进行进一步温湿度的处理后，从新风流出部流出；或选择均不开启，仅采用混风直接从新风流出部流出并输送至室内。

5、进一步地，所述s2步骤中计算混风的干球温度tmix、含湿量wmix和相对湿度rhmix的公式如下：

6、

7、

8、其中，win,new为分别为根据所述s1步骤实时监测得到的新风流入口流入的新风的相对湿度rhin,new和干球温度tin,new计算得到的新风流入口流入的新风的含湿量，win,re为根据所述s1步骤实时监测得到的回风流入部流入的回风的相对湿度rhin,re和干球温度tin,re计算得到的回风流入部流入的回风的含湿量：

9、

10、根据计算得到的混风的含湿量wmix，进一步计算混风的相对湿度：

11、

12、其中，tin,new和win,new分别为实时监测得到的新风流入口的新风流入速度、流入新风干球温度和流入新风相对湿度，tin,re和win,re分别为实时监测得到的回风进入部的回风流入速度、流入回风干球温度和流入回风相对湿度；分别为新风流出部处的新风流出速度、回风流出口处的回风流出速度；es(tmix)为混风在干球温度tmix下的饱和水汽压、es(tin,re)为回风流入部流入的回风在干球温度tin,re下的饱和水汽压，es(tin,new)为新风流入口流入的新风在干球温度tin,new下的饱和水汽压；p为气压，p＝101325pa。

13、进一步地，所述s3步骤中对于混风的干球温度tmix和相对湿度rhmix所处的不同温度阈值区间和湿度阈值区间之间的混风处理方法包括以下情况：

14、1)、若则控制开启热水盘管，对混风进行等湿加热后，再开启喷雾系统(5)继续对加热后的混风进行等温加湿；

15、2)、若且rhmix>rhex,max，则控制开启冷水盘管对混风进行冷却除湿后，再开启热水盘管对冷却除湿后的混风进一步加热；

16、3)、若且rhex,min≤rhmix≤rhex,max，则开启热水盘管对混风进行等湿加热；

17、4)、若且rhmix<rhex,min，则则开启热水盘管对混风进行等湿加热后，再开启喷雾系统继续对加热后的混风进行等温加湿；

18、5)、若且rhmix>rhex,max，则开启冷水盘管对混风进行冷却除湿；

19、6)、若且rhex,min≤rhmix≤rhex,max，则构建叉流气体热交换芯体冷热风动态热交换平衡方程，求解最优的新风和回风流入流出速度；

20、7)、若且rhmix<rhex,min，则仅开启喷雾系统，对混风进行等温加湿；

21、8)、若且rhmix>rhex,max，则仅开启冷水盘管对混风进行冷却除湿；

22、9)、若且rhex,min≤rhmix≤rhex,max，则同时开启冷水盘管，对混风进行冷却降温；

23、10)、若且rhmix<rhex,min，则开启冷水盘管和喷雾系统，对混风进行加湿冷却降温。

24、进一步地，当混风的干球温度tmix和相对湿度rhmix所处的不同温度阈值区间和湿度阈值区间之间的情况为且rhex,min≤rhmix≤rhex,max时，构建叉流气体热交换芯体冷热风动态热交换平衡方程，求解最优的新风和回风流入流出速率，包括以下步骤：

25、s301：计算新风流入口流入气体叉流交换部的新风的焓值iin,new、流出气体交叉交换部的混风的焓值imix，回风进入部流入气体叉流交换部的回风的焓值iin,re、回风流出口流出气体叉流交换部的空气焓值iout,re：

26、iin,new＝catin,new+win,new(cstin,new+ifg)；

27、imix＝catmix+wmix(cstmix+ifg)；

28、iin,re＝catin,re+win,re(cstin,re+ifg)；

29、iout,re＝catout,re+wout,re(cstout,re+ifg)；

30、其中，ca为干空气的比热容，ca＝＝1.005kj/(kg·℃)；cs为水蒸气的比热容，cs＝1.82kj/(kg·℃)，ifg为水的汽化潜热，ifg＝2500kj/kg；tout,re和wout,re分别为实时监测得到的回风流出口处的流出回风干球温度和流出回风含湿量；

31、s302：构建叉流气体热交换芯体冷热风动态热交换平衡方程：

32、

33、htr为对流换热系数，其中，nuin,new为新风流入口流入的新风的努塞尔数，nuin,re为回风进入部流入的回风的努塞尔数，k为空气的导热系数，k＝0.026w(m·k)；l为叉流气体热交换芯体的正方形截面边长；rein,new、prin,new分别为新风流入口流入的新风的雷诺数和普朗特数，prin,new＝(ca+win,newca)μ/k；rein,re、prin,re分别为回风进入部流入的回风的雷诺数和普朗特数，prin,re＝(ca+win,reca)μ/k；μ为空气动力粘度，μ＝18.1＝μpa·s；ρin,new为为新风流入口流入的新风的密度，ρin,re为回风进入部流入的回风的密度；

34、其中，＝r为空气的比气体常数，r＝287j/(kg·k)；

35、s303：在所述s302步骤构建的平衡方程的限定下，构建冷热风焓值交换最大化模型，求解最优的新风和回风流入流出速度：

36、

37、其中，为新风和回风在气体叉流交换部(11)处进行气体叉流热交换的气体耦合流动速度；

38、

39、进而根据求解得到的最优新风流入速度最优新风流出速度最优回风流入速度最优回风流出速度分别控制新风流入口处的新风流入速度、新风流出部处的新风流出速度、回风流入部处的回风流入速度和回风流出口处的回风流出速度。

40、进一步地，对于除第6)种情况和第2)种情况的温湿度处理过程中，只开启冷水盘，只开启热水盘管，只开启喷雾系统，同时开启冷水盘管和喷雾系统，或者先开启热水盘管然后开启喷雾系统时，控制新风流出部流出新风的最优干球温度和最优相对湿度和/或喷雾系统最优喷雾速度的求解模型如下：

41、

42、其中，ifg为水的汽化潜热，ifg＝2500kj/kg；ca为干空气的比热容，ca＝1.005kj/(kg·℃)；和分别为新风流出部流出的新风的期望新风干球温度、期望新风相对湿度和期望新风含湿量，tout,new为实时监测得到的新风流出部流出的新风的干球温度；为喷雾系统的喷雾速度；α为喷雾系统开启系数；β为对混风潜热或蒸发热量损失计算系数；

43、

44、根据求解结果进一步控制热水盘管和/或冷水盘管相应的工作时长和/或喷雾系统的喷雾速度。

45、进一步地，对于第2)种情况，构建使空调能耗调节最低的新风流出部流出的最优新风干球温度最优新风相对湿度和调控中间点干球温度tter求解方程：

46、

47、18℃≤tout,new≤27℃

48、45％≤rhout,new≤60％；

49、其中，wter为调控中间点含湿量，为新风流出部(16)流出的新风的期望新风含湿量。

50、按照求解得到的新风流出部(16)流出最优干球温度最优相对湿度和最优调控中间点干球温度据此进一步控制热水盘管和冷水盘管相应的工作时长。

51、进一步地，所述所述理想露点温度最低阈值5.5℃，所述理想干球温度最高阈值为27℃和最低阈值分别，所述理想干球温度最低阈值18℃，所述理想相对湿度最高阈值rhex,max为60％和，所述理想相对湿度最低阈值rhex,min45％。

52、本发明还提供一种采用如上所述调控方法的节能调控温湿度空调，所述空调用于根据新风与数据中心的回风经过热交换后的混风温湿度，进一步对其进行温湿度调控后排入数据中心室内，所述空调包括设备柜体、所述设备柜体分为气体叉流交换部、设置于气体叉流交换部一侧的回风流出口和新风流入口，所述气体叉流交换部内设置有叉流气体热交换芯体，所述空调还包括回风进入部、新风加热部以及新风冷却部以及新风流出部，所述回风进入部和所述新风流出部内分别设置有第一负压风机和第二负压风机，所述回风进入部和所述新风流出部均与数据中心室内连通，所述回风流出口和所述新风流入口均与数据中心室外连通；

53、所述空调还包括中央控制单片机、设置在回风进入部处的第一空气质量流量计、第一温湿度监测传感器，设置在回风流出口处的第二空气质量流量计、第二温湿度监测传感器，设置在新风流入口处的第三空气质量流量计、第三温湿度监测传感器，以及设置在新风流出部处的第四空气质量流量计和第四温湿度监测传感器；所述第一空气质量流量计、第一温湿度监测传感器、第二空气质量流量计、第二温湿度监测传感器、第三空气质量流量计、第三温湿度监测传感器第四空气质量流量计和第四温湿度监测传感器均与中央控制单片机通信连接；

54、所述空调还包括设置在新风加热部内的热水盘管，设置在新风冷却部内的冷水盘管和喷雾系统；所述热水盘管通过热水流入管和热水回流管与热水器连通，所述热水器设置在所述回风进入部的前侧，所述冷水管盘通过冷水流入管和冷水回流管与冷水机连通。

55、进一步地，在所述气体叉流交换部内还设置有回风进入导流板，在所述新风加热部内还设置有混风过滤装置。

56、本发明的有益效果为：

57、1、本发明通过优化温湿度控制方法和设备运行方式，实现精准调节室内环境，从而降低空调的能耗，提升能源利用效率，减少运行成本。优化的运行模式减少了设备频繁启停和高负荷运行，降低了机械部件的磨损和老化速度，从而延长了空调的使用寿命。由于设备在更佳工况下运行，故障率降低，从而减少了维护和更换部件的频率，降低了后期维护成本。通过节能技术减少电力消耗和制冷剂的使用，间接降低了温室气体排放，符合可持续发展和环保要求。

58、2、本发明通过对混风的温湿度的精准调控能够维持数据中心在设备最佳运行范围内，避免因过热或过冷导致的硬件故障，显著提高服务器和其他设备的稳定性。通过节能温湿度控制技术，可以减少制冷设备的负载，从而降低整体能耗，实现绿色运营。避免了突发的温湿度变化可能导致数据中心设备停机甚至损坏。稳定的温湿度控制能够有效避免此类风险，确保数据中心7×24小时连续稳定运行。

59、3、本发明对外界进入的新风经过叉流气体热交换芯体与回风热交换的后得到的混风的干球温度、相对湿度和含湿量的计算后，通过分别与理想露点温度最低阈值、理想干球温度最高阈值理想干球温度最低阈值组成的不同温度阈值，以及理想相对湿度最高阈值理想相对湿度最低阈值rhex,min组成的湿度阈值依次进行比较，进而得到如图5所示的10种不同的空调的新风加热部的热水盘管以及新风冷却部的冷水盘管和/或喷雾系统的开启或关闭的控制方法，进一步根据10种不同情况构建叉流气体热交换芯体冷热风动态热交换平衡方程，进而求解最优的新风和回风流入流出速率；或者对于除第6)种情况和第2)种情况的温湿度处理过程中，构建控制新风流出部流出新风的最优干球温度和最优相对湿度和/或喷雾系统最优喷雾速度的求解模型，进而根据不同的情况进行不同的控制，动态调整新风加热部、冷却部和喷雾系统的开启或关闭状态，避免不必要的制热或制冷操作，精确控制湿度提升，同时节省水资源。同时，通过控制新风流出的最优干球温度和最优相对湿度，进而使冷水机和/或热水机的工作时长最小，以最低的能耗实现流入室内的新风的温湿度调控，减少关键设备(如热水盘管、冷水盘管、喷雾系统)的频繁启停，降低设备磨损。有效优化运行策略，避免设备长期高负荷运行，延长系统寿命。

60、4、本发明通过实时监测数据中心室内回风的流入和流出速度以及新风从外界流入和流出至室内的速度，进而对新风和回风在叉流气体热交换芯体内的气体耦合流动速度进行准确计算后，进而对第6)中情况无需对混风在新风加热部和/或新风冷却部加热和/或冷却的情况下，直接将混风输入至室内时的回风和新风流入流出速率进行最优化控制，进而实现了精准控制新风与回风的比例，确保混风的温湿度始终处于理想范围，从而保证数据中心设备在最佳环境条件下运行。此外，当外界环境或室内负荷发生变化时，能够快速调整流速，缩短响应时间，保持进入数据中心的混风温湿度的稳定性。