CN102818326A - 一种用于数据中心排热的大温差空调系统及其使用方法 - Google Patents

一种用于数据中心排热的大温差空调系统及其使用方法 Download PDF

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刘晓华
张涛
江晶晶
�田�浩
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Abstract

本发明涉及一种用于数据中心排热的大温差空调系统及其使用方法，它包括空气-水表冷器、一冷却塔单元、至少两级机械压缩式制冷单元；冷却塔单元包括一换热器、一循环泵和一冷却塔；每一级机械压缩式制冷单元包括一蒸发器、一压缩机、一冷凝器和一节流阀；空气-水表冷器壳体的进、出风口连接数据中心的排、进风口；空气-水表冷器换热管的出水口连接冷却塔单元的换热器壳体的进水口，换热器壳体的出水口连接第一级机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的进水口，该蒸发器壳体的出水口连接下一级蒸发器壳体的进水口，最后一级蒸发器壳体的出水口经另一循环泵连接空气-水表冷器壳体的进水口。本发明有效地降低了循环供水流量和耗电量，它可以广泛的用于各种大中型数据中心的排热过程中。

Description

一种用于数据中心排热的大温差空调系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种空调系统及其使用方法，特别是关于一种用于数据中心排热的大温差空调系统及其使用方法。
背景技术
随着信息产业的不断发展，数据中心的规模和数量都在飞速增长。数据中心具有发热密度高、需全年开启空调系统排除室内产热等特点，除IT设备的电耗外，用于空调系统的电耗是数据中心电耗的主要组成部分。通过各种手段提高空调系统的运行能效、降低空调系统的耗电，对降低整个数据中心电耗和推进节能减排工作具有重要意义。
目前新建的数据中心大多都设置了冷、热通道，冷、热通道通过装有服务器的机柜进行隔离。在空调系统运行过程中，经过降温处理的送风被送入冷通道，送风经由冷通道流经机柜中的各层服务器，与服务器中的芯片等换热，流经服务器后的送风温度上升并进入热通道成为排风，排风与送风的温差超过10℃。排风在热通道统一被送回到空调箱的表冷器中进行降温处理，处理后再作为送风送入冷通道进行排热。在空调箱表冷器中，尽管送风与排风实现了大温差（超过10℃）运行，但是目前供水、回水温差一般仍按照普通民用建筑中的5℃温差设计，因而整个空调系统的供水、回水温差也为5℃。与室内送排风超过10℃的温差相比，水运行的温差明显偏小。较小的水温差使得供水流量偏大，供水输配能耗较大；若通过合理设计实现水大温差运行，在相同供冷量需求的情况下就能够有效降低循环供水流量，有助于降低输配系统能耗。
另一方面，当室外温度较低如冬季时，目前新建的数据中心的空调系统大都采用冷却塔方式来降低空调系统的能耗。利用冷却塔供冷具有较优的能效水平，但目前在水的小温差（5℃左右）运行时的空调系统中，冷却塔运行时间有限：只有冷却塔产生的冷却水温度足够低时才可以利用冷却塔来实现供冷，当冷却塔产生的冷却水不能全部满足供冷需求时就无法利用冷却塔供冷。若能实现水的大温差（超过10℃）运行，通过合理设计可使与排风换热后的回水温度较高，就有可能在过渡季时利用冷却塔供冷来满足部分供冷需求，延长利用自然冷源供冷的时间，改善系统能效，进一步降低数据中心排热过程的空调能耗。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种循环供水量低、运行能效高、耗电量低的用于数据中心排热的大温差空调系统及其使用方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于数据中心排热的大温差空调系统，其特征在于：它包括一个空气-水表冷器、一个冷却塔单元、至少两级机械压缩式制冷单元和一第一循环泵；所述冷却塔单元包括一换热器、一第二循环泵和一冷却塔，所述换热器的换热管出水口连接所述第二循环泵的进口，所述第二循环泵的出口连接所述冷却塔进水口，所述冷却塔的出水口连接所述换热器的换热管进水口；每一级所述机械压缩式制冷单元包括一蒸发器、一压缩机、一冷凝器和一节流阀；制冷剂经所述压缩机进入所述冷凝器的换热管散热后，经所述节流阀进入所述蒸发器的换热管吸热；所述空气-水表冷器壳体的进风口连接数据中心的排风口，所述空气-水表冷器壳体的出风口连接数据中心的进风口；所述空气-水表冷器的换热管出水口连接所述冷却塔单元的换热器壳体的进水口，所述换热器壳体的出水口连接第一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的进水口，第一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的出水口连接下一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的进水口，最后一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的出水口经所述第一循环泵连接所述空气-水表冷器的换热管进水口。
所述空气-水表冷器包括一个壳体，所述壳体内设置有若干平行排列的翅片，所述翅片垂直穿设有若干列蛇形换热管，各列所述蛇形换热管的进口并联在同一根进水集管上，所述进水集管作为穿出所述空气-水表冷器壳体的换热管进水口；各列所述蛇形换热管的出口并联在同一根出水集管上，所述出水集管作为穿出所述空气-水表冷器壳体的换热管出水口。
每列所述蛇形换热管由从上到下、穿过各翅片的若干直管，以及连接两相邻直管的弯头组成，每一所述弯头在所述翅片上的投影均与垂直方向具有一倾斜角。
所述冷却塔采用带有预冷模块的冷却塔。
所述机械制冷压缩式单元设置为三级以上。
一种用于数据中心排热的大温差空调系统的使用方法，其分为以下运行形式：冬季运行时，关闭各级所述机械压缩式制冷单元，在所述冷却塔单元的换热器壳体的出水口与所述第一循环泵进口之间连通一水管，并启动所述冷却塔单元和第一循环泵；夏季运行时，关闭所述冷却塔单元，在所述空气-水表冷器的换热管出水口与第一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的进水口之间连通一水管，开启各级所述机械压缩式制冷单元和第一循环泵；冬、夏之间的过渡季运行时，在第一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的出水口与所述第一循环泵进口之间连通一水管，开启所述冷却塔单元、第一级所述机械压缩式制冷单元和第一循环泵。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在系统中设置了一空气-水表冷器，将空气-水表冷器的换热管依次与一冷却塔单元、至少两级机械压缩式制冷单元和一循环泵连接，同时将空气-水表冷器壳体的进、出风口与数据中心的排、进风口连接，在空气-水表冷器中，水与空气总体上呈逆流换热，因此实现了水和空气的超过10℃的大温差换热过程。2、本发明由于同时设置了一冷却塔单元和至少两级机械压缩式制冷单元，因此可以根据不同季节温度的变化，采用不同的供冷方式产生冷却水，比如在夏季仅开启各级机械压缩式制冷单元，在冬季仅开启冷却塔单元，而在冬、夏的过渡季节可以根据情况开启冷却塔单元同时，再开启一定级数的机械压缩式制冷单元，从而实现更匹配的换热过程，在相同供冷量需求的情况下，有效降低循环供水流量和输配系统能耗。3、本发明的冷却塔选用带有预冷模块的冷却塔，可以有效降低冷却水的出水温度，延长利用自然冷源供冷的时间，因此本发明可以有效的提高空调系统的运行能效。4、本发明在蛇形换热管的每一弯头在翅片上的投影与垂直方向具有一倾斜角，因此，蛇形换热管的相邻直管不是在同一个平面上，而是有些类似螺旋盘管状，可以增大与空气的换热面积。本发明运行能效高，且有效地降低了循环供水流量和耗电量，它可以广泛的用于各种大中型数据中心的排热过程中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图
图2是空气-水表冷器结构的主视示意图
图3是空气-水表冷器结构的侧视示意图
图4是本发明在冬季运行时的结构示意图
图5是本发明在冬、夏之间的过渡季运行时的结构示意图
图6是本发明在夏季运行时的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明系统包括一个空气-水表冷器1、一个冷却塔单元2、至少两级机械压缩式制冷单元3和第一循环泵4。其中：冷却塔单元2包括第二循环泵4、一冷却塔5和一换热器6；换热器6的换热管出水口连接第二循环泵4的进口，第二循环泵4的出口连接冷却塔5的进水口，冷却塔5的出水口连接换热器6的换热管进水口。每一级机械压缩式制冷单元3包含一压缩机7、一冷凝器8、一节流阀9和一蒸发器10，其中冷凝器8可以采用风冷或者水冷冷凝器；制冷剂经压缩机7进入冷凝器8的换热管散热后，经节流阀9进入蒸发器10的换热管吸热。
如图2、图3所示，空气-水表冷器1包括一个壳体11，在壳体11的顶部设置有进风口12，在壳体的底部设置有出风口13。在壳体11内设置有若干平行排列的翅片14，与各翅片14垂直穿设有若干列蛇形换热管15。各列蛇形换热管15的进口并联在同一根进水集管16上，进水集管16作为穿出壳体11的换热管进水口；各列蛇形换热管15的出口并联在同一根出水集管17上，出水集管17作为穿出壳体11的换热管出水口。
上述蛇形换热管15是由从上到下、穿过各翅片14的若干直管，以及连接两相邻直管的弯头18组成。本发明的每一弯头18在翅片14上的投影均可以不采取垂直设置，而与垂直方向具有一倾斜角，这样形成的蛇形换热管15的相邻直管不是在同一个平面上，而是有些类似螺旋盘管状，可以增大与空气的换热面积。
如图1、图2所示，空气-水表冷器1用于实现空气的降温以及空气和水的大温差运行；冷却塔单元2和机械压缩式制冷单元3用于实现对回水的降温。空气-水表冷器1的壳体11的进风口12连接数据中心的排风口，壳体11的出风口13连接数据中心的进风口。空气-水表冷器1的出水集管17连接冷却塔单元2的换热器6壳体的进水口，换热器6壳体的出水口连接第一级机械压缩式制冷单元3的蒸发器10壳体的进水口，该蒸发器10壳体的出水口连接下一级机械压缩式制冷单元3的蒸发器10壳体的进水口，最后一级机械压缩式制冷单元3的蒸发器10壳体的出水口经第一循环泵4连接空气-水表冷器1的进水集管16。
约25℃的回水从空气-水表冷器1的出水集管17流入冷却塔单元2的换热器6壳体的进水口，回水在换热器6中与冷却塔5产生的冷却水进行换热，回水温度降低。当回水的温度不能达到15℃时，需要开启第一级机械压缩式制冷单元3。从冷却塔单元2中的换热器6壳体的出水口流出的回水进入第一级机械压缩式制冷单元3中的蒸发器10壳体的进水口，回水在蒸发器10与制冷剂进行热交换，回水再次被降温。当回水的温度仍不能达到15℃时，需要开启下一级的机械压缩式制冷单元3，对回水进一步进行降温。当回水的温度达到15℃时，回水成为供水，供水通过第一循环泵4进入空气-水表冷器1的进水集管16。
如图1、图3所示，在空气-水表冷器1中，约15℃的供水由进水集管16分流到各列蛇形换热管15的进口，供水自下而上在各列蛇形换热管15中流动，供水与各列蛇形换热管15外的空气进行热交换后成为约25℃回水，回水则通过各列蛇形换热管15的出口汇集到出水集管17中。数据中心排出的约30℃的排风由壳体11的进风口12进入壳体11中，排风自上而下流动，排风与各列蛇形换热管15中的供水进行热交换后成为约为20℃送风，由壳体11的出风口13进入数据中心，与数据中心中的发热设备进行热交换。
在空气-水表冷器1中，约15℃的供水与约30℃的排风进行换热，水的流向自下而上，空气的流向自上而下，水与空气总体上呈逆流换热，送风换热后成为温度约为20℃的排风，供水换热后成为温度约25℃的回水，送风与排风间的温差超过10℃，同时供水与回水间的温差也达到或超过10℃。在空气-水表冷器1中，水和空气的逆流换热保证了换热效果，实现了水和空气的大温差换热过程。
上述实施例中，冷却塔5可以采用常规的或者带有预冷模块的冷却塔。采用后者时，通过设置预冷模块，可以使得冷却塔5的最低冷水出水温度理论上达到进口空气的露点温度，实际出水温度可能低于进口空气的湿球温度。冷却塔5设置预冷模块后，可以有效降低冷却水的出水温度，延长利用自然冷源免费供冷的时间，改善排热过程的全年运行性能。
上述实施例中，机械压缩式制冷单元3可以根据外界环境温度，设置两级或多级。以设置两级机械压缩式制冷单元3为例，温度约25℃的回水首先在第一级机械压缩式制冷单元3的蒸发器10中，温度降低到20℃左右；然后，再进入第二级机械压缩式制冷单元3的蒸发器10中，回水继续被降温到15℃左右，回水成为供水，供水通过第一循环泵4被送回到空气-水表冷器1中的进水集管16。
本发明可以根据不同季节的室外温度不同的特点，通过将冷却塔供冷方式和机械压缩式供冷方式有效地结合起来，以提高空调系统的运行能效、降低空调系统的耗电。下面分别加以说明：
如图4所示，当室外温度较低如冬季时，冷却塔单元2可以满足全部供冷需求，可以关闭各级机械压缩式制冷单元3。在冷却塔单元2的换热器6壳体的出水口与第一循环泵4进口之间连通一水管，启动冷却塔单元2和第一循环泵4。此时约25℃的回水在换热器6中与冷却塔5产生的冷却水进行热交换，回水温度降低到约15℃，即满足了供冷需求。
如图5所示，在冬、夏之间的过渡季，冷却塔单元2无法满足全部供冷需求，可以开启一级机械压缩式制冷单元3对回水进行降温，实现了冷却塔方式与机械压缩式供冷方式的有效结合。首先在第一级机械压缩式制冷单元3的蒸发器10的壳体的出水口与第一循环泵4进口之间连通一水管，开启冷却塔单元2、第一循环泵4和第一级机械压缩式制冷单元3。此时约25℃的回水先在换热器6中与冷却塔5产生的冷却水进行热交换，回水温度降低到约20℃后，回水在机械压缩式制冷单元3中的蒸发器10进一步进行降温，达到15℃左右，即满足了供冷需求。
如图6所示，当夏季无法应用冷却塔方式供冷时，须全部采用机械压缩式供冷方式对回水进行降温。首先关闭冷却塔单元2；然后在空气-水表冷器1出水集管17的出水口与第一级机械压缩式制冷单元3的蒸发器10的壳体的进水口之间连通一水管；最后开启各级机械压缩式制冷单元3和第一循环泵4。从空气-水表冷器1出水集管17流出的回水依次在各级机械压缩式制冷单元3中的蒸发器10中被逐步降温，达到15℃左右，即满足了供冷需求。由于回水运行在大温差下，各级机械压缩式制冷单元3可以实现不同的蒸发压力，有助于提高处理过程的能效。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (7)

1.一种用于数据中心排热的大温差空调系统，其特征在于：它包括一个空气-水表冷器、一个冷却塔单元、至少两级机械压缩式制冷单元和一第一循环泵；
所述冷却塔单元包括一换热器、一第二循环泵和一冷却塔，所述换热器的换热管出水口连接所述第二循环泵的进口，所述第二循环泵的出口连接所述冷却塔进水口，所述冷却塔的出水口连接所述换热器的换热管进水口；
每一级所述机械压缩式制冷单元包括一蒸发器、一压缩机、一冷凝器和一节流阀；制冷剂经所述压缩机进入所述冷凝器的换热管散热后，经所述节流阀进入所述蒸发器的换热管吸热；
所述空气-水表冷器壳体的进风口连接数据中心的排风口，所述空气-水表冷器壳体的出风口连接数据中心的进风口；
所述空气-水表冷器的换热管出水口连接所述冷却塔单元的换热器壳体的进水口，所述换热器壳体的出水口连接第一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的进水口，第一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的出水口连接下一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的进水口，最后一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的出水口经所述第一循环泵连接所述空气-水表冷器的换热管进水口。
2.如权利要求1所述的一种用于数据中心排热的大温差空调系统，其特征在于：所述空气-水表冷器包括一个壳体，所述壳体内设置有若干平行排列的翅片，所述翅片垂直穿设有若干列蛇形换热管，各列所述蛇形换热管的进口并联在同一根进水集管上，所述进水集管作为穿出所述空气-水表冷器壳体的换热管进水口；各列所述蛇形换热管的出口并联在同一根出水集管上，所述出水集管作为穿出所述空气-水表冷器壳体的换热管出水口。
3.如权利要求2所述的一种用于数据中心排热的大温差空调系统，其特征在于：每列所述蛇形换热管由从上到下、穿过各翅片的若干直管，以及连接两相邻直管的弯头组成，每一所述弯头在所述翅片上的投影均与垂直方向具有一倾斜角。
4.如权利要求1或2或3所述的一种用于数据中心排热的大温差空调系统，其特征在于：所述冷却塔采用带有预冷模块的冷却塔。
5.如权利要求1或2或3所述的一种用于数据中心排热的大温差空调系统，其特征在于：所述机械制冷压缩式单元设置为三级以上。
6.如权利要求4所述的一种用于数据中心排热的大温差空调系统，其特征在于：所述机械制冷压缩式单元设置为三级以上。
7.如权利要求1～6任一项所述的一种用于数据中心排热的大温差空调系统的使用方法，其分为以下运行形式：
冬季运行时，关闭各级所述机械压缩式制冷单元，在所述冷却塔单元的换热器壳体的出水口与所述第一循环泵进口之间连通一水管，并启动所述冷却塔单元和第一循环泵；
夏季运行时，关闭所述冷却塔单元，在所述空气-水表冷器的换热管出水口与第一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的进水口之间连通一水管，开启各级所述机械压缩式制冷单元和第一循环泵；
冬、夏之间的过渡季运行时，在第一级所述机械压缩式制冷单元的蒸发器壳体的出水口与所述第一循环泵进口之间连通一水管，开启所述冷却塔单元、第一级所述机械压缩式制冷单元和第一循环泵。
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