CN104534598A - 采用双水源热泵的机房空调热水系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用双水源热泵的机房空调热水系统及其控制方法，包括：机房，机房为密闭结构；机房内设置有若干机柜，用于放置发热设备；双水源热泵，用于调控冷却水温度；进水口和出水口，用于通入和排出冷却水；还包括智能控制器，用于控制整个系统的工作；双水源热泵包括冷却器和蒸发器，进水口连接到双水源热泵的蒸发器，进而连接到冷水管，热水管连接到双水源热泵的冷却器，进而连接出水口；冷水管与热水管分别连接到每个机柜的冷却系统。本发明在降低机柜设备温度的同时将发热设备的热能回收，作为热源供应给用热单位，大大降低机房PUE值至小于1，实现节能环保。

Description

采用双水源热泵的机房空调热水系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种温度控制装置，尤其涉及一种采用双水源热泵的机房空调热水系统及其控制方法。
背景技术
由于电子计算机与数据处理机房内设备密度大、发热量大，计算机系统对环境的温、湿度及含尘浓度等都有一定要求，机房中的设备在实际使用过程中会散发大量的废热，如果无法及时排除这些热量，高温环境可能会降低设备的运行效率、甚至导致设备运行故障等问题；因此，该类机房需要常年供冷，机房必须在与外界隔绝的条件下，通过空调系统降低机组温度。
目前现有的机房普遍采用舒适性空调连续运行来调控室内的温度。这种温控方式虽然能够满足机房温控的要求，但是耗能较大，造成运行成本较高。随着网络科技规模的不断扩大，机房的用电成本也在逐年上长，而空调系统是机房耗电的主要设备，在耗能量方面甚至达到了与机组相同的比例，致使营运成本居高不下，机房中庞大的空调耗能成了企业最为棘手的事情。面对机房用户的需求，机房空调实现节能减排已成为业界共识，如何采用正确合理的综合解决方案可以有效减少空调的功率和运行时间，在节约空调用电的同时延长空调的使用寿命，保证机房电子设备正常工作，提高能源利用率，保护环境，减轻国家能源的供需压力，已成为亟待解决的问题。
另外，机房的周围一般会有相关的办公区，为了保证办公人员的工作环境，办公区域有供暖的需求。一般情况下，在安装空调机组以满足机房区的冷负荷的同时，还需要安装热泵机组以满足办公区的冷热负荷。这样的组合系统完全浪费了机房机组所产生的热量。因此，当室外温度较低时，如何更有效的利用机房热量也是需要解决的问题。
按照国际通行的机房能耗指标PUE，PUE＝数据中心总设备能耗/IT设备能耗衡量，国外先进的机房PUE值可以达到1.7据称，谷歌最好的机房达到1.2，而我们国家的PUE平均值则在2.5以上，这意味着IT设备每耗一度电，就有多达1.5度的电被机房设施消耗掉了。特别是中小规模的机房PUE值更高，测量数值普遍在3左右，这说明有大量的电实际都被电源、制冷、散热这些设备给消耗了，而用于IT设备中的电能很少。
发明内容
本发明利用双水源热泵的热泵原理，在机房冷却的同时，将发电设备的热能回收，提供了一种高效、节能、环保，并且不会损害设备的机房空调热水系统。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种采用双水源热泵的机房空调热水系统，包括：机房，机房为密闭结构；机房内设置有若干机柜，用于放置发热设备；双水源热泵，用于调控冷却水温度；进水口和出水口，用于通入和排出冷却水；还包括智能控制器，用于控制整个系统的工作；双水源热泵包括冷却器和蒸发器，进水口连接到双水源热泵的蒸发器，进而连接到冷水管，热水管连接到双水源热泵的冷却器，进而连接出水口；冷水管与热水管分别连接到每个机柜的冷却系统。
双水源热泵的原理来源于水源热泵，具体工作原理如下：高温高压的制冷剂气体从压缩机出来进入冷凝器，制冷剂向热水管中放出热量形成高温高压液体，并使热水管中的冷却水水温升高。制冷剂再经过膨胀阀膨胀成低温低压液体，进入蒸发器吸收冷水管中的热量，蒸发成低压蒸汽，并使冷水管水温降低。低压制冷剂蒸汽又进入压缩机压缩成高温高压气体，如此循环在蒸发器中获得冷水，在冷凝器中获得热水。同时产生的冷水和热水，冷水用于机房机柜降温，热水用于办公室供暖或生活用水。
进一步的，所述冷却系统包括水冷散热器，水冷散热器一端连接冷水管，另一端接通连接管；水冷散热器配置有对应的风扇。由于热空气上升的原理，实践中，为防止小功率发热设备二次受热，大功率的发热设备都会设置在机柜上方，小功率发热设备放置在大功率发热设备的下方。为保护机柜中的设备，我们将水冷散热器放置在机柜下方的出风风道中，风扇设置在水冷散热器的下方，并向上吹，从而对发热设备进行降温冷却。
进一步的，所述冷却系统包括集热散热器，集热散热器一端接连接管进水，另一端连接热水管，集热散热器连接若干热超导管，热超导管的另一端连接发热设备。由于大功率发热设备中的热量很难散去，因此在大功率发热设备的上方设置热超导管，快速将热量传导给集热散热器，集热散热器中的热量进而被冷却水带走。为保护机柜设备，我们将集热散热器设置在机房上方的水冷通道中，并且在热超导管通孔处设置密封圈，保证机柜密封性，防止机柜受潮。
进一步的，所述冷水管或/和热水管或/和连接管外层带有水管保温层，防止冷却系统受到外界干扰。
进一步的，机柜内部设有机柜温度传感器，机柜温度传感器连接智能控制器。智能控制器通过机柜温度传感器检测的机柜温度高低，控制风扇的风速。
进一步的，集热散热器内部设有散热器温度传感器，散热器温度传感器连接智能控制器。
进一步的，所述的冷却系统还包括设置在管路上的水流量调节阀。智能控制器通过散热器温度传感器检测的温度大小，控制水流控制阀的开启大小，从而控制流速。
进一步的，进水口处设置有进水水泵。开启进水水泵，从而使冷却水流入系统。
本发明的另一实施例提供了一种采用双水源热泵的机房空调热水系统的控制方法，用于在冷却机房设备的同时，吸收机柜设备的热量。
本发明具体技术方案包括以下步骤：
(一)智能控制器开启进水水泵、风扇和水流控制阀，并监控机柜温度传感器和散热器温度传感器检测到的温度；
(二)冷却水通过进水水泵的作用进入进水口，从进水口流入的冷却水通过双水源热泵的蒸发器降低温度；
(三)降温后的冷却水通过冷水管进入水冷散热器，并通过风扇的作用对机柜进行降温，冷却水一次升温并进入连接管；
(四)热超导管将发热设备的热量传导给集热散热器，一次升温后的冷却水进入集热散热器，通过冷却集热散热器，进而冷却发热设备，冷却水二次升温并进入热水管；
(五)二次升温的冷却水通入双水源热泵并通过冷却器，进一步升温，成为热水后从出水口流出系统，完成机柜降温和机柜热能回收。
进一步的，步骤(一)还包括以下步骤：
I、在智能控制器处分别设定机柜和集热散热器的标准温度；
II、若智能控制器发现机柜温度传感器检测到的机柜温度高于标准温度时，智能控制器控制风扇提高风速；反之，若智能控制器发现机柜温度传感器检测到的机柜温度低于标准温度时，智能控制器控制风扇提高风速；
III、若智能控制器发现散热器温度传感器检测到的集热散热器温度高于标准温度时，智能控制器控制水流量调节阀加大水流量；反之，若智能控制器发现散热器温度传感器检测到的集热散热器温度低于标准温度时，智能控制器控制水流量调节阀减小水流量。
本发明具有以下有益效果：
1.对于每个机组独立进行温度控制；
2.冷却系统与机柜可以完全独立设置，不会对机柜和设备造成影响；
3.利用水冷散热器和集热散热器快速高效冷却发热设备；
4.在降低机柜设备温度的同时将发热设备的热能回收，作为热源供应给用热单位，大大降低机房PUE值至小于1，实现节能环保。
附图说明
图1为本发明实施例示意图；
图2为本发明实施例双水源热泵示意图；
其中：1-机房，2-机柜，3-双水源热泵，4-水冷通道，5-热超导管，6-发热设备，7-集热散热器，8-出风风道，9-风扇，10-水流量调节阀，11-机柜温度传感器，12-智能控制器，13-散热出风口，14-水冷散热器，15-冷水管，16-水管保温层，17-热水管，18-进水水泵，19-进水口，20-出水口，21-散热器温度传感器，22-连接管，31-冷凝器，32-蒸发器，33-压缩机，34-电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
一种采用双水源热泵的机房空调热水系统，包括：机房1，机房1为密闭结构；机房1内设置有若干机柜2，用于放置发热设备6，其中大功率发热设备放置在机柜2上部，小功率发热小的发热设备放置在机柜2的下部；双水源热泵3，用于调控冷却水温度；进水口19和出水口20，用于通入和排出冷却水；还包括智能控制器12，用于控制整个系统的工作。机房1上部设置有水冷通道4，水冷通道4是完全密封结构，与机房1之间没有空气流通。水冷通道4内部设置有与机柜2一一对应的集热散热器7。机房1上部设置有出风风道8，出风管道8内部设置有与机柜2一一对应的水冷散热器14。
双水源热泵3包括冷却器31、蒸发器32、压缩机33以及电磁阀34，进水口19连接到双水源热泵3的蒸发器32，进而连接到冷水管15，热水管17连接到双水源热泵3的冷却器31，进而连接出水口20；冷水管15与热水管17分别连接到每个机柜2的冷却系统，即每个机柜2的冷却系统并联在冷水管15和热水管17之间。
所述冷却系统包括水冷散热器14、连接管22和集热散热器7。
水冷散热器14一端连接冷水管15，另一端接通连接管2。水冷散热器14位于机柜2下方的出风风道8中，下方配置有对应的风扇9，风扇9向上吹风，使水冷散热器14向上吹出冷风。
集热散热器7设置在与机房1完全密封的水冷通道4中，一端接连接管22进水，另一端连接热水管17。集热散热器7集热散热器7连接若干热超导管5，热超导管5的另一端连接发热设备6。由于大功率发热设备中的热量很难散去，因此在大功率发热设备的上方设置热超导管5，快速将热量传导给集热散热器7，集热散热器7中的热量进而被冷却水带走。在集热散热器7于热水管17之间设置有水流量调节阀10，可以通过水流调节阀10调节流过集热散热器7的水流速度，从而控制散热效率。
机柜2内部设有机柜温度传感器11，机柜温度传感器11连接智能控制器12。集热散热器7内部设有散热器温度传感器21，散热器温度传感器21连接智能控制器12。
智能控制器12通过控制调节阀10开度和强制通风风扇9的转速控制机柜内温度25±5℃。当风扇9的转速已达到100％、调节阀10开度大于80％，机柜内温度超过35℃时智能控制器12通过无线发出远程报警，报至管理中心维护人员前来处理。当调节阀10开度大于90％，集热散热器7温度超过45℃时智能控制器12通过无线发出远程报警，报至管理中心维护人员前来处理。智能控制器12还具有远程通信功能，可以将机房内各个点的温度记录传输到基站管理中心，也可以接受来自基站管理中心的控制指令。
所述冷水管15、热水管17以及连接管22外层带有水管保温层16，用于保温和防止管壁结露。进水口19处设置有进水水泵18。
实施例2：
一种采用双水源热泵的机房空调热水系统的控制方法，包括以下步骤：
(一)智能控制器12开启进水水泵18、风扇9和水流控制阀10，并监控机柜温度传感器11和散热器温度传感器21检测到的温度；
(二)作为冷却水的10-20℃的自来水通过进水水泵18的作用进入进水口19，从进水口19流入的冷却水通过双水源热泵3的蒸发器32抽取温度，温度降低到5-15℃；
(三)降温后的冷却水通过冷水管15进入水冷散热器14，并通过风扇9将冷风送入机柜2，对机柜2进行降温，保证机柜2内温度25±5℃，冷却水一次升温至20-30℃并进入连接管22；
(四)热超导管5将发热设备6的热量传导给集热散热器7，一次升温后的冷却水穿过密闭水冷通道4进入集热散热器7，通过冷却集热散热器7，进而冷却发热设备6，冷却水二次升温至30-40℃并经过水流调节阀10进入热水管17；
(五)二次升温的冷却水通入双水源热泵3并通过冷却器31，进一步升温到60℃，成为热水后从出水口20流出系统，供给热水用户，从而完成机柜2降温和设备热能回收。
同时，还有可编程的智能控制器12，每个智能控制器12可以控制8个机柜，各个智能控制器12可以实现联网群控。智能控制器12连接布置在多个机柜2内与集热散热器7的温度传感器，控制调节阀10开度和强制通风风扇9的转速。
因此，步骤一还包括以下步骤：
I、在智能控制器12处分别设定机柜2和集热散热器7的标准温度；
II、若智能控制器12发现机柜温度传感器11检测到的机柜2温度高于标准温度时，智能控制器12控制风扇9提高风速；反之，若智能控制器12发现机柜温度传感器11检测到的机柜2温度低于标准温度时，智能控制器12控制风扇9提高风速；
III、若智能控制器12发现散热器温度传感器21检测到的集热散热器7温度高于标准温度时，智能控制器12控制水流量调节阀10加大水流量；反之，若智能控制器12发现散热器温度传感器21检测到的集热散热器7温度低于标准温度时，智能控制器12控制水流量调节阀10减小水流量。
采用双水源热泵的机房空调和抽热热水系统在解决机房空调的同时，因为该系统抽出50-70％大部分设备发热主要发热是电源、传输设备，实现了高效热水产出；同时由于采用双水源热泵，在热泵制取热水时的冷端热能用于降低进水温度，将制取的5-15℃冷水当做空调冷源送入各个机柜2，用于降低机柜2内环境温度；对于一次升温的冷却水再用于抽取主发热设备的热量，具体是通过超导热管5将主发热设备的热量收集到集热换热器7，用一次升温的冷却水带走集热换热器7的热量；经过集热换热器7二次升温的冷却水变成了30-40℃低温热水，再经过双水源热泵3的加热变成60℃商品热水出售或使用。
本发明在实现机房空调的同时又有商品热水产生，商品热水热能的50-70％是来自与设备发热，其余的30-50％热能又同时产生冷源送入机房机柜2，所以商品热水热的能源几乎全部来自机房设备发热。将此商品热水用于抵消机房设备耗能在国内大部分使用的是普通空气源热泵热水系统，每吨热水可解决几十元能源成本，而双水源热泵效率是普通空气源热泵的2倍，不但可以将PUE值降到1.2，甚至可以降至1以下。
以上对本发明所提供的一种采用双水源热泵的机房空调热水系统及其控制方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，例如附图中所给出的只是本实施例的一种情况。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种采用双水源热泵的机房空调热水系统，包括：机房(1)，机房(1)为密闭结构；机房(1)内设置有若干机柜(2)，用于放置发热设备(6)；双水源热泵(3)，用于调控冷却水温度；进水口(19)和出水口(20)，用于通入和排出冷却水；还包括智能控制器(12)，用于控制整个系统的工作；
其特征在于，双水源热泵(3)包括冷却器(31)和蒸发器(32)，进水口(19)连接到双水源热泵(3)的蒸发器(32)，进而连接到冷水管(15)，热水管(17)连接到双水源热泵(3)的冷却器(31)，进而连接出水口(20)；冷水管(15)与热水管(17)分别连接到每个机柜(2)的冷却系统。
2.根据权利要求1所述的采用双水源热泵的机房空调热水系统，其特征在于，所述冷却系统包括水冷散热器(14)，水冷散热器(14)一端连接冷水管(15)，另一端接通连接管(22)；水冷散热器(14)配置有对应的风扇(9)。
3.根据权利要求1所述的采用双水源热泵的机房空调热水系统，其特征在于，所述冷却系统包括集热散热器(7)，集热散热器(7)一端接连接管(22)进水，另一端连接热水管(17)，集热散热器(7)连接若干热超导管(5)，热超导管(5)的另一端连接发热设备(6)。
4.根据权利要求2或3所述的采用双水源热泵的机房空调热水系统，其特征在于，所述冷水管(15)或/和热水管(17)或/和连接管(22)外层带有水管保温层(16)。
5.根据权利要求1或2或3所述的采用双水源热泵的机房空调热水系统，其特征在于，机柜(2)内部设有机柜温度传感器(11)，机柜温度传感器(11)连接智能控制器(12)。
6.根据权利要求4所述的采用双水源热泵的机房空调热水系统，其特征在于，集热散热器(7)内部设有散热器温度传感器(21)，散热器温度传感器(21)连接智能控制器(12)。
7.根据权利要求1或2或3所述的采用双水源热泵的机房空调热水系统，其特征在于，所述的冷却系统还包括设置在管路上的水流量调节阀(10)。
8.根据权利要求1或2或3或6所述的采用双水源热泵的机房空调热水系统，其特征在于，进水口(19)处设置有进水水泵(18)。
9.一种采用双水源热泵的机房空调热水系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一)智能控制器(12)开启进水水泵(18)、风扇(9)和水流控制阀(10)，并监控机柜温度传感器(11)和散热器温度传感器(21)检测到的温度；
(二)冷却水通过进水水泵(18)的作用进入进水口(19)，从进水口(19)流入的冷却水通过双水源热泵(3)的蒸发器(32)降低温度；
(三)降温后的冷却水通过冷水管(15)进入水冷散热器(14)，并通过风扇(9)的作用对机柜(2)进行降温，冷却水一次升温并进入连接管(22)；
(四)热超导管(5)将发热设备(6)的热量传导给集热散热器(7)，一次升温后的冷却水进入集热散热器(7)，通过冷却集热散热器(7)，进而冷却发热设备(6)，冷却水二次升温并进入热水管(17)；
(五)二次升温的冷却水通入双水源热泵(3)并通过冷却器(31)，进一步升温，成为热水后从出水口(20)流出系统，供给给热水用户，从而完成机柜降温和机柜热能回收。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，步骤(一)还包括以下步骤：
I、在智能控制器(12)处分别设定机柜(2)和集热散热器(7)的标准温度；
II、若智能控制器(12)发现机柜温度传感器(11)检测到的机柜(2)温度高于标准温度时，智能控制器(12)控制风扇(9)提高风速；反之，若智能控制器(12)发现机柜温度传感器(11)检测到的机柜(2)温度低于标准温度时，智能控制器(12)控制风扇(9)提高风速；
III、若智能控制器(12)发现散热器温度传感器(21)检测到的集热散热器(7)温度高于标准温度时，智能控制器(12)控制水流量调节阀(10)加大水流量；反之，若智能控制器(12)发现散热器温度传感器(21)检测到的集热散热器(7)温度低于标准温度时，智能控制器(12)控制水流量调节阀(10)减小水流量。
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