CN101949613A - 一种计算机房制冷-热泵联合运行系统 - Google Patents

Abstract

一种计算机房制冷-热泵联合运行系统，含压缩机1，风冷冷凝器3，蒸发器4，热膨胀阀及控制器17、汽液分离器18，其特征是在压缩机1与风冷冷凝器3间串联一个热量利用与安全平衡保护系统，含水冷冷凝器2和水泵11，热量利用系统含储热水罐7、电动阀8、供暖系统9、电动阀10，变频衡压泵19；安全平衡保护系统含热交换器5，电动阀6。可高效利用冷凝热及并使制冷安全可靠运行；用热末端既节能又保证用热舒适；控制简单可靠，元件可拆卸，安全易维护。热量利用系统周年提供热量；热负荷波动时，风冷冷凝器排热平衡冷凝散；热量利用系统停用时，安全平衡保护系统辅助风冷冷凝器工作保障制冷降温，避免出现高压保护停机的危险。

Description

一种计算机房制冷-热泵联合运行系统

技术领域

本发明涉及一种计算机房制冷-热泵联合运行的废热综合利用系统。该系统为一蒸汽压缩制冷-致热循环模式，该模式中的蒸发器吸收机房排热，产冷空气对机房降温，水冷冷凝侧可产生活、供暖用热水并可辅助风冷冷凝器散热保障制冷系统正常工作；在热水需求减少或无需求时，风冷冷凝器再向大气环境排放。

背景技术

计算机房周年不间断运行，运行中服务器等设备向机房放热，目前机房发热元件热流密度已高达10₅w/m₂，而且有继续快速攀升的趋势。必须对机房进行良好控温(主要是降温)，否则数据处理系统出现烧毁、运转失灵。数据中心在运行中产生大量废热，这些废热目前大多通过空冷型蒸汽压缩制冷循环向室外环境排放，计算机房单位建筑面积产热量目前已达到单位平方米产生350-650w甚至更多的热量，基本排向大气没有加以利用，文献(Juan Abanto.etal，Air flow modeling in a computer room.Building and Environment 39(2004)1393-1402)等对机房热负荷进行了描述。

目前机房空调蒸汽压缩制冷系统多采用如图1循环模式(以下内容涉及制冷循环均以R22压焓图为背景图为例描述)，其结构组成主要为：A-B过程曲线为压缩机1的工作过程，B-C曲线为风冷冷凝器3的工作过程，C-D曲线为热膨胀阀的工作过程，D-A曲线为蒸发器4的工作过程，系统设备通常还包括干燥器，汽液分离器(分流器或分流管)，压力控制传感器，液镜，针阀等各类辅助配件。

也有一些改进型制冷热泵装置，如专利1(Yamazaki et al，Room-warming/cooling and hot-water supplying heat-pump apparatus.United States Patent 4,592,206，June 3，1986)描述了室内加热、制冷和热水供应热泵装置；专利2(Take et al，Refrigeration system，compressingand heat-releasing apparatus and heat-releasing device，United StatesPatent，7,690,217，April 6，2010)提及一种制冷系统、压缩和散热元件与装置；专利3(Weng，et al.Apparatus for making hot-water by airconditioner/heater()，United States Patent  6,357,245，March 19，2002)涉及一种利用空调制热水装置。上述专利提及制冷系统元件及热水利用元件，但针对计算机房制冷系统周年运行，热利用模式及制冷安全保障，没有文献提及。

如上述传统机房空调模式运行时，夏天空冷型制冷机的放热侧(风冷冷凝器)周围环境温度可高达50℃，导致小环境的过热，造成局部热污染；而机房废热在直接向环境排放的同时，机房的邻近建筑需要生活热水，在冬季需要供暖，目前多采用额外的锅炉供暖或其他独立的热泵式制热空调系统供暖，几乎没有对机房的废热加以综合利用。这是极大的浪费。

将机房废热综合利用既严格保障机房降温目标，又将废热(可产生35-50℃热水)利用来生产生活用热水及冬季供暖，在当今节能型社会将有积极意义。对机房及其邻近房屋的用能综合考虑，可以实现在满足计算机房的恒温环境要求，运行费用降到目前技术条件下的极低。

发明内容

本发明的目的是要提供一种计算机房制冷-热泵联合运行系统。它既有制冷降温的功能，又有热量利用与安全平衡保护功能；其热量利用系统提供生产生活与供暖用热水；在热负荷需求减少或没有的情况下，现有风冷冷凝器正常工作排热对高温冷凝散热波动起平衡作用；热量利用系统停用时，安全平衡保护系统辅助风冷冷凝器工作保障制冷降温的首要目标；安全平衡保护系统保障制冷循环的安全可靠运行散热并使制冷系统避免出现高温高压保护停机的危险。

为了达到本发明所阐述的目的，计算机房用制冷-热泵联合运行系统采用技术包括：

系统包括如图2所述的现有的压缩机1，风冷冷凝器3，蒸发器4，热膨胀阀及控制器17、汽液分离器18，上述发明的特征在于：在压缩机1与风冷冷凝器3之间串联一个热量利用与安全平衡保护系统，系统包括水冷冷凝器2和水泵11，其中热量利用系统包括储热水罐7及与之串联的电动阀8和供暖系统9与之串联的电动阀10，热水利用变频衡压泵19；安全平衡保护系统包括热交换器5，与之串联的电动阀6。

上述计算机房用制冷-热泵联合运行系统，其应该包含如下特征：

上述水冷冷凝器2额定散热负荷应与风冷冷凝器3额定散热负荷相等。

上述计算机房用制冷-热泵联合运行系统所述安全平衡保护系统的热交换器5换热额定负荷必须与水冷冷凝器2额定负荷相匹配。

上述计算机房用制冷-热泵联合运行系统其特征在于热交换器5换热量与水冷冷凝器2额定散热量匹配比例是：最大为制冷循环最高设计冷凝压与最高设计温度确定的过热蒸汽焓与相应设计压力干饱和蒸汽焓的差值与额定冷凝器散热量之比；最小不小于该比例的50％以内。

上述计算机房用制冷-热泵联合运行系统其热量利用系统与安全平衡保护系统热交换器5并联，热交换器5串联相应电动阀6；热量利用系统包括储热水罐7及与之串联的电动阀8，供暖系统9与之串联的电动阀10；储热水罐7(及与之串联的电动阀8)与供暖系统9(及与之串联的电动阀10)必须满足二者有其一或并存。

上述计算机房用制冷-热泵联合运行系统，应满足热量利用系统启动优先于安全平衡保护系统，使冷凝热得到最高效利用；热量利用系统中供暖系统9(及与之串联的电动阀10)优先于储热水罐9(及与之串联的电动阀8)的启动。其功能由控制电路实现，图6为一种控制方案。

上述计算机房用制冷-热泵联合运行系统其控制电路图图6包括如下元件：设置于供暖系统9的房间代表点环境温度的温度传感器及温控仪21，与供暖系统9串联的电动阀10对应的负载22；安装在变频衡压泵19出口与末端热水出口之间的压差控制开关23，安装在储热水罐7内的温度传感器及温控仪24，电动阀8对应的负载25；热水利用变频衡压泵19对应负载26，安装在储热水罐7内的温度传感器及温控仪28，与温控仪28串联的继电器27；安全平衡保护系统电动阀6对应负载29，与之串联的热交换器负载30；安装在水冷冷凝器2水路出口处的温度传感器及温控仪31，风冷冷凝器3上的风扇负载32。

上述计算机房用制冷-热泵联合运行系统，其风冷冷凝器3启动由温度传感器及温控仪31输出的开关信号控制。

上述计算机房用制冷-热泵联合运行系统，其变频衡压泵19的负载26的接通由温度传感器与温控仪28的输出信号及继电器27控制。

本发明的有益效果是，对机房蒸汽压缩制冷循环进行改进，在压缩机1与风冷冷凝器3之间串接入热量利用系统与安全平衡保护系统，其热量利用系统可以周年产热水供生活及供暖使用，实现冷凝废热全部或部分利用，变废为宝，减少生活热水系统及供暖系统的主机设备投入，并减少需热端的额外耗能；同时采用的水冷冷凝方式较风冷冷凝换热系数高，可改进普通计算机房蒸汽压缩制冷循环的制冷效率，节约能源并延长压缩机的寿命。安全平衡保护系统设置热交换器5，可在没有热需求时，水冷冷凝器2换出过热态蒸汽热并及时散热，保证制冷系统安全工作不引起高温高压报警而停机；风冷冷凝器3风扇依据水冷冷凝制冷剂出口温度开关，在无需热利用或水冷冷凝器2散热较少时及时启动向环境排热，这可对高温冷凝热排放波动起平衡作用，保障低温制冷安全可靠运行。

上述计算机房用制冷-热泵联合运行系统的有益之处还在于，通过控制电路图6的逻辑控制，可保证冷凝热最大效率的利用，并对制冷系统冷凝散热进行平衡，使制冷安全可靠运行；热量用户端衡压水泵通过电路控制既节能又可保证用户用热的舒适度。控制电路简单可靠，仅用到压力控制器、温度传感器与温控仪、继电器、电磁阀等元件，各元件可拆卸，工作安全，易维护。

附图说明

图1是机房空调蒸汽压缩制冷循环普通模式；

图2是计算机房制冷-热泵联合运行系统示意图；

图3是循环1-机房制冷-热水生产过程的蒸汽压缩制冷循环；

图4是循环2-机房制冷-热交换器辅助散热的蒸汽压缩制冷循环；

图5为循环3-机房制冷-部分热负荷需求的蒸汽压缩制冷循环；

图6是系统控制电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

图2中：1压缩机，2水冷冷凝器，3风冷冷凝器，4蒸发器，5热交换器，6电动阀，7储热水罐，8电动阀，9地板采暖，10电动阀，11水泵，12针阀1，13电磁阀，14针阀2，15干燥器，16液镜，17热膨胀阀及控制器，18汽液分离器，19变频衡压泵

图3，图4，图5中循环曲线表示：A-B压缩机工作过程，B-C’水冷冷凝器工作过程，C’-C，风冷冷凝器工作过程，C-D热膨胀阀工作过程，D-A蒸发器工作过程

图6控制电路元件：21为温度传感器及温控仪，其设置于供暖系统9的房间代表点监测环境温度；22为电动阀10对应的负载；23为安装在变频衡压泵19出口与末端热水出口之间的压差控制开关，24为安装在储热水罐7内的温度传感器及温控仪，25为电动阀8对应的负载；26变频衡压泵19对应负载，28为安装在储热水罐7内的温度传感器及温控仪，27为与温控仪28串联的继电器；29为电动阀6对应负载，30为热交换器负载；31为安装在水冷冷凝器2水路出口的温度传感器及温控仪，32风冷冷凝器3上的风扇负载。

上述发明的实施例中，控制电路图6的控制逻辑是这样的：当温度传感器与温控仪21的测值Ta小于设定值Tas1(如18℃)，表明需要对房间供暖，温控仪接通供暖系统电路(图6中21温控仪箭头向上接通)，电动阀22开启，水冷冷凝器2水侧循环泵11将出口高温水泵入供暖系统9，供机房临近建筑采暖使用；当Ta大于设定值Tas2(如22℃)，表明房间没有供暖需求，温控仪输出电压，接通压差判别电路(图6中21温控仪箭头向下接通)，压差控制开关23将判别设置于变频泵出口与用户端的压差信号ΔP是否大于设定值ΔPs，当ΔP＞ΔPs，表明有用户用热水，压差控制开关23打向图6箭头向下的方向，接通电动阀25电路，高温水将泵入储热水罐7，将冷凝热存储起来供热水用户使用并弥补用户耗热；当ΔP＜ΔPs表明没有用户用热水，此时压差控制开关23接通温度传感器与温控仪24，判别储热水罐温度Tw1是否达到设定温度Tw1s(如60℃)，当Tw1＜Tw1s，表明储热水罐尚有储热能力，温控仪24打向图6箭头向下的方向，出口高温水泵入仍将泵入储热水罐7，将冷凝热存储起来待热水用户使用；Tw1＞Tw1s，表明储热水罐不再有储热能力，为保障制冷系统安全运行并平衡风冷冷凝器散热，热交换器5开始散热，此时温控仪24打向图6箭头向上的方向，电动阀6对应负载29接通，热交换器5负载30接通，此功能辅助风冷冷凝器3进行散热，保障在既无供暖需求又无热水需求时向环境散热以避免制冷回路冷凝散热不畅导致系统高压保护中断制冷系统运行。

上述发明的实施例中，控制电路图6的温度传感器与温控仪31探测到水冷冷凝器2水路出口水温TL＜TL1(设定值如50℃)，输出常断的信号，风冷冷凝器3的风扇负载32电路不启动，不向环境散热；TL＞TL1，温度传感器与温控仪31输出开通信号，图6中31箭头打向上，保障风冷冷凝器3风扇负载启动。这可保障风冷冷凝器在需要散热时即时启动，实现节能与安全运行。

上述发明的实施例中，其热量用户水路变频衡压泵19的负载26接通由安装于储热水罐7中的温度传感器与温控仪28的输出信号及继电器27控制，当温度传感器Tw2＜Tw2s(设定值如40℃)，则表明储热水罐温度太低不适合用户使用，负载26通路被继电器27切断，变频衡压泵19断开，末端不出水；Tw2＞Tw2s，则储热水罐7热水可供用户使用。此电路保证变频衡压泵19节能并保证用户用热温度适宜。

上述发明的计算机房用制冷-热泵联合运行系统的制冷剂在水冷冷凝器2产热水的工作状态可描述为如图3的循环。图3是循环1-机房制冷-热水生产过程的蒸汽压缩制冷循环，曲线A-B为压缩机1工作过程，高温高压蒸汽进行B-C’曲线为水冷冷凝器2放热过程，到达C点有3-5℃过冷，热利用的供暖系统9、电动阀10或储热水罐7、电动阀按控制电路图6自动工作；过冷的制冷液经过曲线C’-C进行风冷冷凝器3工作过程；此时温度传感器与温控仪31探测水冷冷凝器2水路出口水温TL＜TL1(设定值如50℃)，输出常断的信号，风冷冷凝器3的风扇负载32电路不启动，不向环境散热；曲线C’-C风冷冷凝器3制冷剂管内产生压降，C点压力略低于C’点；从C点出来的过冷的制冷液进入C-D曲线进行热膨胀阀17降压降温过程，之后进入汽液分离器18；液体进入D-A曲线为蒸发器4工作过程，蒸发过热后进入A-B曲线进行压缩机1工作过程，进行下次循环。

上述发明的计算机房用制冷-热泵联合运行系统的制冷剂在外界无需供暖与热水消耗时，水冷冷凝器2产高温热水通过热交换器5辅助风冷冷凝器3进行散热，保障机房制冷正常工作不致高温报警，其工作状态可描述为图4的制冷循环。图4为循环2-机房制冷-热交换器辅助散热的蒸汽压缩制冷循环，曲线A-B为压缩机1工作过程，高温高压蒸汽进入曲线B-C’进行水冷冷凝器2的散热工作。按控制电路图6逻辑，经过温控仪21，压差控制开关23，温控仪24的逻辑判别，电动阀6对应负载29及热交换器5负载30的电路接通，热交换器5向环境排热；制冷剂在水冷冷凝器管内为由过热汽态B点转变为干饱和状态C’点，汽态热通过热交换器5排热；干饱和状态C’点的制冷剂从水冷冷凝器2出口进入风冷冷凝器3，风冷冷凝器3风扇工作，其散热量主要为制冷剂由干饱和蒸汽C’到过冷液C的冷凝热；C点压力略低于C’点；从C点出来的过冷的制冷液进入曲线C-D进行热膨胀阀17降压降温过程，之后进入汽液分离器18；液体进入曲线D-A进行蒸发器4工作过程，蒸发过热后进入曲线A-B进行压缩机1工作过程，进行下一次循环。

上述发明的计算机房用制冷-热泵联合运行系统在外界热负荷，如供热负荷少于设计能力、生活热水消耗不足使水冷冷凝器2进出水温差减小，水冷冷凝器2散热未达到额定值，剩余冷凝热则通过风冷冷凝器3进行散热，既可保障机房所需额定制冷负荷提供又能提供外界所需的热量。其制冷循环的工作状态可描述为图5循环。图5为循环3-机房制冷-部分热负荷需求的蒸汽压缩制冷循环，曲线A-B为压缩机1工作过程，高温高压蒸汽进入曲线B-C’进行水冷冷凝器2工作过程放热；依据控制电路图6控制逻辑，水冷冷凝器2热交换产的高温热水泵入供暖系统9或储热水罐7，由于热负荷波动导致水冷冷凝器进出口水温差波动，制冷剂在水冷冷凝器2制冷管路出口的热力状态依据热负荷的波动而变化，热负荷少时则可能是汽态，热负荷大时可能处于汽液共存状态(如图5所示C’点状态)，热负荷达到最大冷凝热时则为过冷液。制冷剂从水冷冷凝器2末端C’进入曲线C’-C进行风冷冷凝器3工作过程，31温度传感器与温控仪测得TL＜TL1(设定值如50℃)，风冷冷凝器3风扇负载32电路处于常断，风扇不工作；TL＞TL1，负载32电路接通，风冷冷凝器3向环境排热，其散热量为水冷冷凝器2剩余冷凝热；C点压力略低于C’点；从C点出来的过冷的制冷液进入曲线C-D，热膨胀阀17降压降温，然后进入汽液分离器18；液体进入曲线D-A进行蒸发器4的工作过程，制冷剂经蒸发过热后进入曲线A-B进行压缩机1工作过程，进行下一次循环。

下面再以一个实现的实施示例匹配设备数据加以分析说明。以某机房空调原机技术数据为基础进行匹配改造。

空冷型制冷系统原技术指标如下：

按本发明专利模式匹配制冷及水循环系统示例方案技术指标：

*实施例中制冷循环最高设计冷凝压P＝21bar，T＝92℃，过热蒸汽焓H1＝456kj/kg，冷凝器末端过冷度3℃，其H2＝260kj/kg，额定冷凝器散热量Q1＝9.705kw，额定制冷剂流量qm＝51.2g/s；干饱和蒸汽焓H3＝418.1kj/kg，按

配置负荷Qr＝1.88kw。实施例可采用更小负荷的热交换器，但不小于比例的50％，否则可能引起散热不畅导致高压保护停机。

在图2所示的实施例中，安装测试过程是这样：按图2所示元件顺序接入系统所有设备元件并充入相应制冷剂、润滑油、相应水循环系统，并在一个20m2的正在进行数据处理的机房运行，对1吨储热水罐和1个167m2房屋供暖。按图6控制电路运行调控。

1、热量利用于供暖模式。实施例为北京某建筑，房屋面积167m²。2009年11月6-12日制冷系统及控制电路供电后，Ta＜Tas1(18℃)，当供暖循环正常运行后，房屋室内温度监测点高于20℃低于22℃。

2、热量利用于储热水罐蓄热模式。2010年5月25日，Ta＞Tas1，供暖系统9的电动阀关闭，但有热用户使用需求，显示ΔP＞ΔPs(ΔPs设为500Pa)，监测到电动阀8负载25电路接通，电动阀8开通，热利用系统对储热水罐7蓄热补充用户耗热。用户停用时，监测压差控制开关满足ΔP＜ΔPs，接通24温度传感器与温控仪电路，此时储热水罐温度Tw1＜Tw1s(60℃)，电动阀8负载25电路接通，对储热水罐7蓄热待用，同时在运行后期，监测到TL＜TL1(50℃)，风冷冷凝器3风扇负载32电路接通，风扇启动辅助散热。经过3.5小时，罐内平均水温从20℃升至50℃。

3、无热量利用需求启动安全平衡保护系统。2010年6月2日，供暖及热用户均停用，监测压差控制开关满足ΔP＞ΔPs，接通24温度传感器与温控仪电路，此时储热水罐温度Tw1＞Tw1s(60℃)，负载29与负载30接通，此时热交换器向环境散热，监测水流量qm＝200kg/h，监测热交换器5进出口水温，温差ΔTw＝8.9℃；风扇风量Q＝600m3/h

上述发明的实施中，监测到温度传感器Tw2＜Tw2s(设定值40℃)，负载26通路被继电器27切断，变频衡压泵19断开，末端不出水；Tw2＞Tw2s，储热水罐7热水供用户使用。

上述运行测试数据表明，上述调节工况不影响机房制冷降温目标的实现，且有助于机房降温，压缩机1耗功减少。

最后应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明专利的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明专利方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明专利的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种计算机房制冷-热泵联合运行系统，包括现有的压缩机1，风冷冷凝器3，蒸发器4，热膨胀阀及控制器17、汽液分离器18，上述发明的特征在于：在压缩机1与风冷冷凝器3之间串联一个热量利用与安全平衡保护系统，系统包括水冷冷凝器2和水泵11，其中热量利用系统包括储热水罐7及与之串联的电动阀8和供暖系统9与之串联的电动阀10，热水利用变频衡压泵19；安全平衡保护系统包括热交换器5，与之串联的电动阀6。

2.根据权利要求1所述的计算机房制冷-热泵联合运行系统，其特征在于，水冷冷凝器2额定散热负荷应与风冷冷凝器3额定散热负荷相等。

3.根据权利要求1所述的计算机房制冷-热泵联合运行系统，其特征在于，所述安全平衡保护系统的热交换器5换热额定负荷必须与水冷冷凝器2额定负荷相匹配。

4.根据权利要求1、3所述的计算机房用制冷-热泵联合运行系统，其特征在于热交换器5换热量与水冷冷凝器2额定散热量匹配比例是：最大为制冷循环最高设计冷凝压与最高设计温度确定的过热蒸汽焓与相应设计压力干饱和蒸汽焓的差值与额定冷凝器散热量之比；最小不小于该比例的50％以内。

5.根据权利要求1所述的计算机房制冷-热泵联合运行系统，其特征在于，其热量利用系统与安全平衡保护系统热交换器5并联，热交换器5串联相应电动阀6；热量利用系统包括储热水罐7及与之串联的电动阀8，供暖系统9与之串联的电动阀10；储热水罐7(及与之串联的电动阀8)与供暖系统9(及与之串联的电动阀10)必须满足二者有其一或并存。

6.根据权利要求1-5所述的计算机房制冷-热泵联合运行系统，其特征在于，应满足热量利用系统启动优先于安全平衡保护系统，使冷凝热得到高效利 用；热量利用系统中供暖系统9(及与之串联的电动阀10)优先于储热水罐9(及与之串联的电动阀8)的启动，其功能由控制电路实现。

7.根据权利要求1-6所述的计算机房制冷-热泵联合运行系统，其特征在于实现权利要求6的控制电路包括如下元件：设置于供暖系统9的房间代表点环境温度的温度传感器及温控仪21，与供暖系统9串联的电动阀10对应的负载22；安装在变频衡压泵19出口与末端热水出口之间的压差控制开关23，安装在储热水罐7内的温度传感器及温控仪24，电动阀8对应的负载25，热水利用变频衡压泵19对应负载26，安装在储热水罐7内的温度传感器及温控仪28，与温控仪28串联的继电器27，安全平衡保护系统电动阀6对应负载29，与之串联的热交换器负载30，安装在水冷冷凝器2水路出口处的温度传感器及温控仪31，风冷冷凝器3上的风扇负载32。

8.根据权利要求1-7所述的计算机房用制冷-热泵联合运行系统，其特征在于风冷冷凝器3启动由温度传感器及温控仪31输出的开关信号控制。

9.根据权利要求1-7所述的计算机房用制冷-热泵联合运行系统，其特征在于变频衡压泵19的负载26的接通由温度传感器与温控仪28的输出信号及继电器27控制。 

Images