CN102705939B

CN102705939B - 应用于idc机房的闭式冷却塔制冷系统及其制冷方法

Info

Publication number: CN102705939B
Application number: CN201210205485.9A
Authority: CN
Inventors: 李静; 陆明刚
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: CN102705939A

Abstract

本发明提供一种应用于IDC机房的闭式冷却塔制冷系统及其制冷方法。本发明的制冷系统包括闭式冷却塔、水冷制冷机组、冷水罐、冷冻水泵、冷却水泵、IDC机房末端装置、嵌入式控制系统、水冷制冷机组回水温度传感器、闭式冷却塔回水温度传感器、闭式冷却塔进风干湿球温度传感器。本发明的制冷方法是在冬季闭式冷却塔干工况运行，避免水冷制冷机组开机，节能，防冻；过渡季闭式冷却塔湿工况运行，避免水冷制冷机组开机，节能；夏季夜间闭式冷却塔湿工况运行，避免水冷制冷机组开机，节能；夏季日间水冷制冷机组开机；利用冷水罐蓄能，推迟水冷制冷机组运行时间；停水期利用冷水罐的储水功能，保障停水期间IDC机房空调系统的正常运行。

Description

应用于IDC机房的闭式冷却塔制冷系统及其制冷方法

技术领域

本发明涉及IDC机房的空气调节领域，具体涉及一种应用于IDC机房的闭式冷却塔制冷系统及其制冷方法。

背景技术

IDC（Internet Data Center，互联网数据中心）机房中由于设备运行散热量大，为保证设备的正常运行，机房温度需要常年控制在22℃±2℃。IDC机房的特殊性如下：（1）全年都是冷负荷，所以需要全年开启制冷系统，并全天24小时不间断运行；（2）IDC机房空调系统由于冷负荷大，制冷系统能耗很高；（3）为保证IDC机房在停水情况下依然能正常运行，要求配备蓄水池。

现有IDC机房由于规模的扩大，采用水冷制冷机组配合IDC末端装置的系统形式越来越多。传统采用水冷制冷机组配合IDC末端装置的系统采用的开式冷却塔，需要配备的蓄水池容积要求大，占地面积大，耗水量大；且由于IDC机房全年都需开启水冷制冷机组，运行费用极高。

为降低运行费用，目前推广的免费制冷技术主要采用风冷自然冷却。采用风冷自然冷却系统存在如下缺点：（1）IDC机房内的洁净度难以保证；（2）IDC机房内的湿度难以控制；（3）风道大，占地面积大，费用高；（4）使用时间有限，节能节电效果有限。

发明内容

针对现有IDC机房空调系统技术的上述缺陷，申请人经过研究改进，提供一种应用于IDC机房的闭式冷却塔制冷系统及其制冷方法，通过闭式冷却塔和冷水罐配合水冷制冷机组，解决目前技术中存在的上述缺陷。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种应用于IDC机房的闭式冷却塔制冷系统，包括由管道连接的闭式冷却塔、水冷制冷机组、冷水罐、冷冻水泵、冷却水泵和IDC机房末端装置，以及电连接的嵌入式控制系统、水冷制冷机组回水温度传感器、闭式冷却塔回水温度传感器、闭式冷却塔进风干湿球温度传感器、闭式冷却塔风机变频器、闭式冷却塔循环水泵变频器以及各电动阀门；

自来水管、冷水罐的第一出水口由管道分别经第一电动阀门、第二电动阀门与闭式冷却塔的补水口连接，闭式冷却塔的出水口由管道经第三电动阀门与冷水罐的进水口连接，闭式冷却塔的出水口又由管道经顺序连接的第四电动阀门和第五电动阀门与冷却水泵的进水口连接，闭式冷却塔的出水口还由管道经顺序连接的第四电动阀门和第六电动阀门与冷冻水泵的进水口连接，水冷制冷机组的第一出水口由管道经第七电动阀门与冷冻水泵的进水口连接，冷冻水泵的出水口由管道直接与IDC机房末端装置的进水口连接，IDC机房末端装置的出水口由管道分别经第八电动阀门、第九电动阀门与水冷制冷机组的第一进水口、闭式冷却塔的进水口连接，冷却水泵的出水口由管道直接与水冷制冷机组的第二进水口连接，水冷制冷机组的第二出水口由管道直接与闭式冷却塔的进水口连接；冷水罐的第二出水口由管道分别经第五电动阀门、第六电动阀门与冷却水泵的进水口、冷冻水泵的进水口连接；

水冷制冷机组回水温度传感器安装在水冷制冷机组的第一进水口处，闭式冷却塔回水温度传感器安装在闭式冷却塔的进水口处，闭式冷却塔进风干湿球温度传感器安装在闭式冷却塔的进风口处；水冷制冷机组回水温度传感器、闭式冷却塔回水温度传感器以及闭式冷却塔进风干湿球温度传感器采集的信号输入嵌入式控制系统，嵌入式控制系统输出的信号控制各电动阀门以及闭式冷却塔风机变频器、闭式冷却塔循环水泵变频器；闭式冷却塔风机变频器输出的信号控制闭式冷却塔中的风机，闭式冷却塔循环水泵变频器输出的信号控制闭式冷却塔中的喷淋循环水泵。

本发明还提供一种应用于IDC机房的闭式冷却塔制冷方法，1）在冬季不开启水冷制冷机组的基础上，利用处于干工况运行的闭式冷却塔，获得足够低温的冷冻水，对IDC机房进行制冷；2）在过渡季不开启水冷制冷机组的基础上，利用处于湿工况运行的闭式冷却塔，获得足够低温的冷冻水，对IDC机房进行制冷；3）在夏季夜间不开启水冷制冷机组的基础上，利用处于湿工况运行的闭式冷却塔，获得足够低温的冷冻水，对IDC机房进行制冷；4）在夏季日间利用开启的水冷制冷机组，获得足够低温的冷冻水，对IDC机房进行制冷；5）在停水的紧急情况下，利用冷水罐内向闭式冷却塔补水。

本发明的有益技术效果是：

本发明采用闭式冷却塔工况运行模式可以在冬季不开启水冷制冷机组的基础上，利用处于干工况运行的闭式冷却塔，获得足够低温的冷冻水，满足IDC机房的需求。同时，闭式冷却塔的冷却盘管与IDC机房末端装置组成闭式系统，有效避免与外界空气的接触，保持系统运行的稳定性和设备的洁净程度。此外，闭式冷却塔在温度接近或低于0℃的情况下干工况运行，避免喷淋水冻结造成的对闭式冷却塔的损坏，有效保障系统的正常运行。

本发明采用闭式冷却塔工况运行模式可以在过渡季（春、秋季）不开启水冷制冷机组的基础上，利用处于湿工况运行的闭式冷却塔，获得足够低温的冷冻水，满足IDC机房的需求。

本发明采用闭式冷却塔工况运行模式可以在夏季夜间不开启水冷制冷机组的基础上，利用处于湿工况运行的闭式冷却塔，获得足够低温的冷冻水，满足IDC机房的需求。有效缩短水冷机组的运行时间，节能、节电、经济。

在上述水冷制冷机组不开启，利用闭式冷却塔制冷的时候，把冷却后的水通到冷水罐，可以保证流量，并延长利用闭式冷却塔供冷的时间。

当夏季日间的温度逐渐升高时，冷水罐内的水温已经不能满足IDC机房末端装置的空调需求的时候，才开启制冷机组，获得足够低温的冷冻水，满足IDC机房的需求。

本发明采用紧急停水模式可以在停水的紧急情况下，利用冷水罐内的水满足闭式冷却塔的喷淋补水需要，保障系统的正常运行，从而保障IDC机房不间断、正常的运行。

附图说明

图1是本发明制冷系统的结构框图。

图2是本发明制冷系统的运行方式总图。

图3是正常情况下，闭式冷却塔冷却运行方式的环路图。

图4是正常情况下，水冷制冷机组制冷运行方式下的冷冻水循环环路图。

图5是正常情况下，水冷制冷机组制冷运行方式下的冷却水循环环路图。

图6是正常情况下，本发明制冷系统的供水图。

图7是紧急停水情况下，本发明制冷系统的供水图。

【附图符号说明】1．闭式冷却塔；2．水冷制冷机组；3．冷水罐；4．冷冻水泵；5．冷却水泵；6．IDC机房末端装置；7．嵌入式控制系统；8．水冷制冷机组回水温度传感器；9．闭式冷却塔回水温度传感器；10．闭式冷却塔进风干湿球温度传感器；11．电动阀门；12．电动阀门；13．电动阀门；14．电动阀门；15．电动阀门；16．电动阀门；17．电动阀门；18．电动阀门；19．电动阀门；20．闭式冷却塔风机变频器；21．闭式冷却塔循环水泵变频器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

如图1所示，本发明的制冷系统包括闭式冷却塔1、水冷制冷机组2、冷水罐3、冷冻水泵4、冷却水泵5、IDC机房末端装置6、嵌入式控制系统7、水冷制冷机组回水温度传感器8、闭式冷却塔回水温度传感器9、闭式冷却塔进风干湿球温度传感器10、闭式冷却塔风机变频器20、闭式冷却塔循环水泵变频器21以及多个电动阀门11～19。

见图1，自来水管、冷水罐3的第一出水口由管道分别经电动阀门11、电动阀门12与闭式冷却塔1的补水口连接，闭式冷却塔1的出水口由管道经电动阀门13与冷水罐3的进水口连接，闭式冷却塔1的出水口又由管道经顺序连接的电动阀门14和电动阀门15与冷却水泵5的进水口连接，闭式冷却塔1的出水口还由管道经顺序连接的电动阀门14和电动阀门16与冷冻水泵4的进水口连接，水冷制冷机组2的第一出水口由管道经电动阀门17与冷冻水泵4的进水口连接，冷冻水泵4的出水口由管道直接与IDC机房末端装置6的进水口连接，IDC机房末端装置6的出水口由管道分别经电动阀门18、电动阀门19与水冷制冷机组2的第一进水口、闭式冷却塔1的进水口连接，冷却水泵5的出水口由管道直接与水冷制冷机组2的第二进水口连接，水冷制冷机组2的第二出水口由管道直接与闭式冷却塔1的进水口连接；冷水罐3的第二出水口由管道分别经电动阀门15、电动阀门16与冷却水泵5的进水口、冷冻水泵4的进水口连接。

见图1，水冷制冷机组回水温度传感器8安装在水冷制冷机组2的第一进水口处，获取水冷制冷机组的回水温度t1；闭式冷却塔回水温度传感器9安装在闭式冷却塔1的进水口处，获取闭式冷却塔1的回水温度t2；闭式冷却塔进风干湿球温度传感器10安装在闭式冷却塔1的进风口处，获取闭式冷却塔1进风口处空气的干球温度t3和湿球温度ts3。水冷制冷机组回水温度传感器8、闭式冷却塔回水温度传感器9以及闭式冷却塔进风干湿球温度传感器10将以上传感信号输入嵌入式控制系统7，由嵌入式控制系统7以此作为判断依据，输出控制信号，控制各电动阀门11～19以及闭式冷却塔1上的闭式冷却塔风机变频器20、闭式冷却塔循环水泵变频器21。来满足各工况下最优控制，起到节能、节电的目的。其中，闭式冷却塔风机变频器20控制闭式冷却塔1的风量。闭式冷却塔循环水泵变频器21控制闭式冷却塔1的喷淋水量。

本发明制冷系统总的运行方式如图2所示，分为正常情况、紧急情况两种。

见图2，正常情况下，制冷系统又分为“闭式冷却塔冷却”和“水冷制冷机组制冷”两种运行方式。其控制方式分别如下：

1、闭式冷却塔冷却：闭式冷却塔进风干湿球温度传感器10温度中湿球温度ts3低于判据温度tp3时，嵌入式控制系统7输出控制信号，控制各电动阀门形成如下开闭组合：

电动阀11	开	电动阀12	闭
				电动阀13	开	电动阀14	闭
电动阀15	闭	电动阀16	开
				电动阀17	闭
电动阀18	闭	电动阀19	开

上述开闭组合下，制冷系统的运行环路如图3所示。

制冷机组不开，利用冷却塔制冷的时候，把冷却后的水通到冷水罐，可以保证流量，并延长利用冷却塔供冷的时间。

“闭式冷却塔冷却”运行方式又可分为“闭式冷却塔干工况运行”和“闭式冷却塔湿工况运行”两种情况。

（1）闭式冷却塔进风干湿球温度传感器10温度中干球温度t3低于0℃时，闭式冷却塔1有冻结的危险，系统应运行于“闭式冷却塔干工况”，闭式冷却塔1的风机正常运行，喷淋循环水泵停止工作。水冷制冷机组2停机。嵌入式控制系统7根据闭式冷却塔回水温度传感器9的数据t2确定控制信号，控制闭式冷却塔风机变频器20的频率，从而控制风量，满足变工况运行。

（2）闭式冷却塔进风干湿球温度传感器10温度中干球温度t3高于0℃且闭式冷却塔进风干湿球温度传感器10温度中湿球球温度ts3低于判据温度tp3时，闭式冷却塔1无冻结的危险，系统应运行于“闭式冷却塔湿工况”，闭式冷却塔1的风机正常运行，喷淋循环水泵正常工作。水冷制冷机组2停机。嵌入式控制系统7根据闭式冷却塔回水温度传感器9的数据t2确定控制信号，控制闭式冷却塔风机变频器20的频率，从而控制风量；控制闭式冷却塔喷淋循环水泵变频器21的频率，从而控制喷淋水量，满足变工况运行。

2、水冷制冷机组制冷：闭式冷却塔进风干湿球温度传感器10温度中湿球温度ts3高于判据温度tp3时，嵌入式控制系统7输出控制信号，控制各电动阀门形成如下开闭组合：

电动阀11	开	电动阀12	闭
				电动阀13	闭	电动阀14	开
电动阀15	开	电动阀16	闭
				电动阀17	开
电动阀18	开	电动阀19	闭

上述开闭组合下，制冷系统的运行环路如图4、图5所示：

闭式冷却塔1的风机正常运行，喷淋循环水泵正常工作。水冷制冷机组2开机。嵌入式控制系统7根据水冷制冷机组回水温度传感器8的数据t1确定控制信号，控制闭式冷却塔风机变频器20的频率，从而控制风量；控制闭式冷却塔喷淋循环水泵变频器21的频率，从而控制喷淋水量。

综合上述1、2运行方式来看，当冷水罐3内的水温满足要求（系统没有以室外气温作为判据，而是以回水温度作为判据），就可以不开启水冷制冷机组2。只有当回水温度高于设定温度，说明冷水罐3内的冷水已经不能满足IDC机房的需求了，才需要开启水冷制冷机组2。

见图2，“紧急情况”是指紧急停水的情况。

3.紧急停水。

上述1、2正常情况下，系统的运行情况如图6所示。而紧急停水情况下，系统的运行情况则如图7所示。此时，嵌入式控制系统7输出控制信号，控制各电动阀门形成如下开闭组合：（其他电动阀门的动作不变）

电动阀11	闭	电动阀12	开
				电动阀13	闭	电动阀14	开

基于上述制冷系统，本发明所提出的制冷方法如下：

1）冬季，闭式冷却塔干工况运行，避免水冷制冷机组开机，节能，防冻。

2）过渡季，闭式冷却塔湿工况运行，避免水冷制冷机组开机，节能。

3）夏季夜间，闭式冷却塔湿工况运行，避免水冷制冷机组开机，节能。

4）夏季日间，水冷制冷机组开机；利用冷水罐蓄能，推迟水冷制冷机组运行时间。

5）停水期，利用冷水罐的储水功能，保障停水期间IDC机房的正常运行。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种应用于IDC机房的闭式冷却塔制冷系统，其特征在于：包括由管道连接的闭式冷却塔（1）、水冷制冷机组（2）、冷水罐（3）、冷冻水泵（4）、冷却水泵（5）和IDC机房末端装置（6），以及电连接的嵌入式控制系统（7）、水冷制冷机组回水温度传感器（8）、闭式冷却塔回水温度传感器（9）、闭式冷却塔进风干湿球温度传感器（10）、闭式冷却塔风机变频器（20）、闭式冷却塔循环水泵变频器（21）以及各电动阀门（11～19）；

自来水管、冷水罐（3）的第一出水口由管道分别经第一电动阀门（11）、第二电动阀门（12）与闭式冷却塔（1）的补水口连接，闭式冷却塔（1）的出水口由管道经第三电动阀门（13）与冷水罐（3）的进水口连接，闭式冷却塔（1）的出水口又由管道经顺序连接的第四电动阀门（14）和第五电动阀门（15）与冷却水泵（5）的进水口连接，闭式冷却塔（1）的出水口还由管道经顺序连接的第四电动阀门（14）和第六电动阀门（16）与冷冻水泵（4）的进水口连接，水冷制冷机组（2）的第一出水口由管道经第七电动阀门（17）与冷冻水泵（4）的进水口连接，冷冻水泵（4）的出水口由管道直接与IDC机房末端装置（6）的进水口连接，IDC机房末端装置（6）的出水口由管道分别经第八电动阀门（18）、第九电动阀门（19）与水冷制冷机组（2）的第一进水口、闭式冷却塔（1）的进水口连接，冷却水泵（5）的出水口由管道直接与水冷制冷机组（2）的第二进水口连接，水冷制冷机组（2）的第二出水口由管道直接与闭式冷却塔（1）的进水口连接；冷水罐（3）的第二出水口由管道分别经第五电动阀门（15）、第六电动阀门（16）与冷却水泵（5）的进水口、冷冻水泵（4）的进水口连接；

水冷制冷机组回水温度传感器（8）安装在水冷制冷机组（2）的第一进水口处，闭式冷却塔回水温度传感器（9）安装在闭式冷却塔（1）的进水口处，闭式冷却塔进风干湿球温度传感器（10）安装在闭式冷却塔（1）的进风口处；水冷制冷机组回水温度传感器（8）、闭式冷却塔回水温度传感器（9）以及闭式冷却塔进风干湿球温度传感器（10）采集的信号输入嵌入式控制系统（7），嵌入式控制系统（7）输出的信号控制各电动阀门（11～19）以及闭式冷却塔风机变频器（20）、闭式冷却塔循环水泵变频器（21）；闭式冷却塔风机变频器（20）输出的信号控制闭式冷却塔（1）中的风机，闭式冷却塔循环水泵变频器（21）输出的信号控制闭式冷却塔（1）中的喷淋循环水泵。