CN104197446A - 一种动态双冷源预冷节能空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于数据中心制冷的动态双冷源预冷节能空调系统，包括蒸发器、经济盘管、风机、水流量调节阀、水温传感器、温湿度传感器、内置板式冷凝换热器等内机结构，还包括水泵、冷却塔等。本发明采用变冷量压缩机，检测冷却塔出水温度来控制压缩机输出，实现在高水温情况下同时开启经济盘管制冷和压缩机制冷的目的，从而最大化的利用了自然冷源。本空调系统占地面积小，室外占地空间小。按照目前设计计算，在上海地区，初投资较冷冻水系统下降30％以上，相对风冷空调节能36％以上，是传统方案的有力补充和替代，具备广泛的适应性。本发明节能效果显著。

Description

一种动态双冷源预冷节能空调系统

技术领域

本发明涉及一种数据中心用空调系统，可极大化利用室外自然冷源，起到节能降耗的目的。

背景技术

随着信息化飞速发展，互联网数据中心(Internet Data Center)已经成为各行各业最重要的一环，数据中心能耗非常巨大，其中制冷系统能耗可占据整个数据中心35％-50％甚至更多。数据中心制冷系统节能降耗的方法和思路很多，比如采用冷热电联供、清洁能源利用、溴化锂无电空调、热回收、冰蓄冷、热管等，但这些方案工程非常复杂，涉及到的决策方面较多，其效果如何也受多种条件限制而无法保障。越来越多的客户和设计方聚焦于如何利用室外自然冷源的技术达到节能的目的。本发明另辟蹊径，采用动态制冷技术原理，结合预冷概念，最大化利用自然冷源，大幅增加数据中心利用自然冷的时间，从而大幅提高节能性。

通常的数据中心采用自然冷的方法为在精密空调末端中增加经济盘管，在室外温度较低时，由室外换热源提供换热后的低温冷媒介质进入经济盘管运行。通常的形式为采用冷却塔将换得的低温水作为低温冷媒。一般开启温度很低，在长江流域不具有节能经济价值。

本发明提出数据中心预冷概念。预冷概念通常指将初始温度(30℃左右)迅速降至所需要的终点温度(0～15℃)的过程。即在冷藏运输和高温冷藏之前的冷却以及快速冻结前得快速冷却工序统称为预冷。在数据中心行业中，预冷可以被引申为对制冷设施蒸发器盘管的预先降温和冷却。在蒸发器和进风口之间增加经济盘管，经济盘管中运行的载冷剂温度通常高于蒸发器温度而低于进风温度，这样和高温的进风之间可以产生热量交换，将进风温度预先降低，从而减少蒸发器的冷量需求。

预冷系统能效比主要是由经济盘管所能带来的自然冷源冷量和其功耗之比来决定的。而这两个数据基本都是在变动的，特别是自然冷源冷量，随着室外环境温度变化非常之大。本发明提出一个全新的定义来衡量这个指标，预冷经济权衡指数EEP(Economy Exponent of Pre-Cooling)，其定义如下：

$\mathrm{EEP}=\frac{\mathrm{EERP}}{\mathrm{EERC}}=\frac{\mathrm{Qp}}{\mathrm{Qc}}\×\frac{\mathrm{\ΣPc}+\mathrm{Pfi}+\mathrm{Pfo}+\mathrm{Pb}1}{\mathrm{\ΣPfi}+\mathrm{Pb}2+\mathrm{Pfo}}$

式中，

EEP-预冷经济权衡指数，无量纲单位；

EERP-预冷系统能效比，kW/kW；

EERC-正常制冷系统能效比，kW/kW；

Qp-预冷系统制冷量，kW；

Qc-E常制冷系统冷量，kW；

Pc-压缩机功率，可以是离心机，也可以是涡旋压缩机，kW；

Pfi-室内风机功率，kW

Pfo-室外风机功率，可以是干冷器，也可以是冷却塔风机，kW；

Pb1-正常制冷系统循环水泵功率，kW；

Pb2-预冷系统循环水泵功率，kW。

当EEP大于等于1时，预冷系统能效比超过正常制冷系统，具有节能意义和经济价值，此时应尽可能的延长预冷系统工作时间；

当EEP小于1时，预冷系统不具有节能的经济价值，此时应关闭预冷系统。

因此在数据中心预冷系统中，需要尽可能的增大Qp，即预冷系统制冷量，也就是说，在优化结构，尽可能不增加风阻的前提下，需要最大化的扩展经济盘管的面积，从而使得在很高的室外环境下，经济盘管能够达到和正常制冷系统相近的冷量，从而实现在高环境温度下可替代压缩机制冷，达到节能的目的。

传统的采用自然冷的方案中，要么开经济盘管，要么开压缩机制冷系统，二者并不同时运行。

由于传统思路中经济节能运行可提供冷量很小，通常需要在室外温度低于0度时才可完全代替机组冷量，因此可开启时间短，节能价值低。

发明内容

本发明所要解决技术问题就是为了实现大幅增加自然冷可运行的时间，将经济盘管和压缩机系统同时运行，达到经济盘管在室外温度低于室内温度时即可运行，进行预冷节能的目的。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种用于数据中心制冷的动态双冷源预冷节能机组系统，包括蒸发器、经济盘管、风机、三通水流量调节阀、水温传感器、回风温湿度传感器、内置板式冷凝换热器、控制器、电气空开、风机接触器、冷媒铜管，还包括放气阀、进水管、出水管、水泵、冷却塔等。共同组成本预冷节能机组。

所述空调系统内置双盘管换热器，其中一种为蒸发器，其中运行氟利昂制冷剂，和内置的压缩机、板式冷凝换热器组成压缩机制冷系统。其中压缩机采用动态变冷量压缩机，可采用数码涡旋压缩机、变频压缩机或其他变容量技术的压缩机，压缩机冷量可根据需求进行10％-100％之间线性调整输出，在冷量降低时，压缩机的功率也随之降低。另外一种盘管换热器为经济盘管，其中运行低温的水，经济盘管的进水口设置三通水流量调节阀，调节进水走旁路直接进入板式冷凝换热器或进入经济盘管换热升温后再进入板式冷凝换热器。

本系统自然冷和正常制冷冷源均通过冷却塔供水来实现，冷却塔换热的极限温度可接近当地室外的湿球温度，而湿球温度通常大大低于干球温度，因此，以上海地区为例，在足量配置冷却塔的情况下，冬季可通过冷却塔和空气直接换热，可获得4℃左右的冷水，此时可直接通过经济盘管，压缩机不运行，达到完全免费制冷的目的。在夏季室外温度较高时，此时室外湿球温度也高于机房控制温度24-27℃，此时可将冷却塔供水直接通过三通阀导入板式冷凝换热器，此时压缩机开启，形成正常的冷却水系统，保证机房正常散热。

本发明的控制逻辑如下：

机房控制设定温度为T₀，一般取24-27℃；室外湿球温度为T_湿，冷却塔换热后出水温度为T_出，T_出≥T_湿，机组通过设计的经济盘管可达10％冷量的进水温度为T₁₀，经济盘管可达100％冷量的进水温度为T₁₀₀。其中，T_出由安装在精密空调机组内的三通水流量调节阀前的水温传感器来检测，T₁₀和T₁₀₀由机组根据结构情况进行设计，和T₀有关，如T₀较高，则同样大小盘管冷量更大，T₁₀和T₁₀₀都可更高，经济预冷性能更好。

当T_出＞T₁₀，压缩机系统保持100％输出，此时功率为压缩机系统运行功率；

当T₁₀₀≤T_出≤T₁₀，时，压缩机根据水温减少输出，经济盘管处于预冷状态，压缩机同时运行，对经济盘管工作不足冷量进行补足，如：经济盘管冷量达到20％，则压缩机按照80％冷量输出，经济盘管制冷达到50％，压缩机按照50％冷量输出，压缩机输出由计算值根据检测到的水温进行控制。当进水温度达到T₁₀₀时，压缩机完全停机；

当T_出≤T₁₀₀时，压缩机完全停机，此时冷水通过经济盘管换热，完全满足机组制冷需求，然后通过板式冷凝换热器回流到冷却塔。

当系统采用开式冷却塔时，为了保证系统的水质，可采用高效集中板式换热器对水系统进行隔离，从而保证水质。

所述末端空调风机形式包括轴流风机和离心风机，其驱动方式可为定频或变频风机，或EC直流外转子风机。

所述末端空调蒸发器盘管形式可为“/”形或“V”型布置，进水口可在蒸发器左侧或右侧。

所述末端空调可为上送风或下送风或列间水平送风模式。

所述空调流量调节阀可为电动或机械调节阀。

所述空调控制器可安装在机组内部，通过无线远程控制，也可通过有线外置控制屏幕。

所述空调用于数据中心、通信机房、服务器机房。

本发明适用于小型数据中心，代替风冷方案，也适合大型数据中心，代替冷冻水系统。

本发明与现有技术对比的有益效果体现在以下几个方面；1、通过预冷技术概念，可将T₁₀₀到T₁₀中间段的自然冷源完全利用起来，达到最大化利用自然冷源的目的，经测算，目前，按照24℃，50％回风温度设计，此系统目前可实现在T₁₀₀＝9℃，T₁₀＝18℃，水温控制在此期间，可最大化利用室外自然冷源，在上海地区全年可启动时间达到150天左右，比同样的风冷系统可节能36％；如回风温度提高到27℃，可将此区间再提高3度，从而可将全年节能运行时间提高到200天左右，进一步大幅节能；2、机组为双冷源机组，机房占地空间并未必传统冷冻水系统增加，但省出了安装冷水主机的空间，节省整体数据中心占地面积；3、采用集中式冷却塔，相较于传统风冷系统也节省室外机占地空间，降低了建筑要求；4、机组造价较冷冻水系统下降30％，15年节能收益加初投资金额和冷冻水系统基本持平，但考虑金融成本，初投资下降30％带来的金融成本下降更加巨大，因而节能收益远超过冷冻水系统；5、系统维护简单方便，每台末端机组冷量在100kW以下，类似于传统风冷系统，由单人即可维护，更换小压缩机、风机速度迅速，成本较低；6、本系统安全性能更高，通过配置备机和备用冷却塔、水泵，主管，即可实现较高的可靠性，简单方便，安全可靠性高。7、本系统无需建筑特别配合预留高度放置大型设备，因此适应性极广，改造的建筑作为机房也可使用此系统；8由于节能利用室外自然冷源碎片化的特性，大幅提高自然冷的经济性，因此广泛适用于我国南方地区，可改变以前南方地区不应用自然冷技术的局面。因此，本发明更优于传统的其他制冷系统方案。

附图说明

图1是本发明系统结构图。

图2是本发明动态双冷源预冷节能机组节能控制逻辑。

图3是本发明根据24度回风设计的单机75kW制冷量机组在不同水温下的压缩机制冷量和自然冷制冷量曲线，其中随水温下降增长的曲线为经济盘管的自然冷制冷量。

图4是本发明根据24度回风设计的单机75kW制冷量机组在不同水温下的总制冷量和功率曲线，其中随水温下降增长的曲线为机组总制冷量，上升的原因是当水温降低到9度以下时，全部为经济盘管制冷，随水温下降冷量会继续增大。

图5是本发明根据24度回风设计的单机75kW制冷量机组在不同水温下的EER曲线，随水温下降机组能效比逐渐增高。

图6是上海2001-2010年十年的上海平均逐月气象数据和冷却塔计算出水温度，其中冷却塔换热抬升水温和空气湿球温度按照1.5℃计算。。

图7是本发明在75kW机组在上海气象数据下的年功耗计算，压缩机按照每年开启60％计算。

图8是同型号机组按照风冷工况运行的功耗计算。

图9是根据图7和图8计算的功耗的对比，并由其差值计算出的节能收益曲线。

图1中图示：1变冷量压缩机；2水冷板式冷凝换热器；3系统板式换热器；4冷却塔；5冷却水泵；6蒸发器；7经济盘管；8三通水流量调节阀；9进风过滤网；10制冷剂铜管；11末端机组进水钢管；12末端机组出水钢管；13系统主回水管；14系统主出水管。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

具体实施结构：

如图1所示，一种动态双冷源预冷节能机组系统，包含1变冷量压缩机；2水冷板式冷凝换热器；3系统板式换热器；4冷却塔；5冷却水泵；6蒸发器；7经济盘管；8三通水流量调节阀；9进风过滤网；10制冷剂铜管；11末端机组进水钢管；12末端机组出水钢管；13系统主回水管；14系统主出水管。

所述的空调系统形式如图1所示，末端机组安装于数据中心机房内，水泵、冷却塔安装于室外，可安装于楼顶或其他空旷处。

根据本系统控制原理设计机组，目前按照机房常用的机组体积2553*874*1970进行设计，压缩机采用双压缩机，双板换，机房控制温度按照24℃，50％为控制目标，压缩机系统设计制冷量可达75kw，以75kW为设计目标冷量，经济盘管在18℃时可达10％冷量，在9℃时刻达100％制冷量。机组风量25500m³/h。

所述的空调系统控制逻辑如图2所示，进水温度高于18℃时，经济盘管不工作，压缩机系统输出100％冷量；进水温度在9度和18度之间时，经济盘管和压缩机系统同时工作，利用每一点室外自然冷源冷量；进水温度低于9度时，压缩机停机，完全依靠经济盘管换热，形成冷冻水风机盘管形式，达到完全自然冷工作模式。

所述的空调系统如图3所示，压缩机制冷量随水温下降逐渐减小输出，到9度时完全停止工作，压缩机制冷量减少为0；自然冷经济盘管制冷在18度时开启，冷量随水温下降逐渐上升，到9度时完全达到机组设计制冷量，此时仅有风机、水泵、冷却塔工作。

所述空调系统如图4所示，机组总制冷量在9到18度之间为压缩机+经济盘管同时工作的冷量，机组总制冷量随水温下降逐渐增长；机组的制冷功率随水温下降逐渐减小压缩机功率，最后完全为风机功率。

图5为末端空调机组的能效比，随水温下降，自然冷增大而逐渐上升。

图6为上海地区2001-2010年十年来的平均逐月气象参数和湿球温度，并以1.5度的冷却塔换热差值进行计算。

所述空调系统如图7所示，本发明机组逐月计算功耗，最终计算得出年能耗总值。

图8为同型号制冷量风冷精密空调的年度能耗计算。

图9为根据图7和图8计算出的年度能耗进行对比，计算出其年度节能收益，可达36％。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种数据中心用节能空调系统，其特征在于所述的结构形式，(1)双制冷盘管，含压缩机循环的蒸发器和冷水循环的经济盘管，可利用室外自然冷源(2)采用变冷量压缩机(3)经济盘管冷冻水预冷和压缩机同时工作，达到对进风进行预冷的作用(4)依靠冷却塔提供冷水，不依靠冷水主机。

2.如权利要求1所表述的空调系统，其特征是在(1)经济盘管安装于末端机组内部(2)经济盘管和内置板式水冷冷凝器串联(3)经济盘管前安装三通水流量调节阀，可直接将冷水通过旁路直接导入水冷冷凝器(4)压缩机采用可变冷量压缩机，按照水温控制输出(6)机组采用控制器控制(7)经济盘管中采用低温水或其他水溶液制冷(7)单机制冷量在1-200kW(8)用于数据中心，为服务器机柜制冷(9)出风形式可为下送风、上送风、列间水平送风等形式。

3.如权利要求1或2所表述的空调系统，其特征在于末端空调中采用经济盘管，使用自然冷源对于进风温度进行预冷，从而降低进入蒸发器的风的温度，从而减小压缩机制冷需求，减少压缩机功率。

4.如权利要求1或2所表述的空调系统，其特征在于所描述的风机转速控制方式可采用定速风机或调速风机，风机形式可采用轴流风机或离心风机或EC外转子风机。

5.如权利要求1或2所表述的空调系统，其特征在于所描述的机组高度，可根据机组制冷量设计不同选择不同冷量的表冷器而有所变化。

6.如权利要求1或2所表述的空调系统，其特征在于所描述的机组控制器，可根据需要安装于机组上或外置。

7.如权利要求1或2所表述的空调系统，其蒸发器(表冷器)形式可采用“/”型或”V“型或其他形式，安装形式可采用平行安装或倾斜安装。

8.如权利要求1或2所表述的空调系统，其设计的变冷量压缩机可采用数码涡旋变频等其他方式。

9.如权利要求1或2所表述的空调系统，用于数据中心、通信机房、服务器机房。