CN104864532A - 地埋管自然冷源数据机房自然冷却热管系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地埋管自然冷源数据机房自然冷却热管系统，属于制冷技术领域，该系统中：室内侧蒸发器的出口端的管道上依次连接温度传感装置、压力传感装置、节流阀、温度传感装置和压力传感装置后与气液相变连接管相连，气液相变连接管与室外侧地埋管冷凝器入口端相连，室外侧地埋管冷凝器的出口端依次连接温度计、压力表后通过管道阀门与储液罐的入口端相连，储液罐的出口端的管道依次连接道阀门、温度传感装置和压力传感装置后与工质泵的入口端相连；工质泵还连接注液阀门，工质泵的出口端的管道通过管道阀门再依次连接温度传感装置和压力传感装置后与室内侧蒸发器的入口端管道相连。本系统可降低电能利用效率，提高服务器运行的稳定性。

Description

地埋管自然冷源数据机房自然冷却热管系统

技术领域

本发明属于制冷技术领域，涉及一种数据机房自然冷却热管系统。特别涉及地埋管自然冷源数据机房自然冷却热管系统。

背景技术

随着移动互联网、物联网、云计算、大数据、互联网+等为代表的新一代信息通信技术(ICT)创新活跃，发展迅猛，正在全球范围内掀起新一轮科技革命和产业变革。物联网通过与其它ICT技术的不断融合，正加速与制造技术、新能源、新材料等其他领域的渗透。

在当今的数据机房中，制冷系统中的风机、压缩机、水泵等设备的压缩机能耗占比较高。如果能够利用自然界稳定的较低的环境温度，则无需制冷压缩机工作，达到节约电能的目的。因此，如何利用天然、稳定的自然冷源，满足数据机房自然冷却系统，来降低数据机房PUE值成为人们急需解决的问题。

现有自然冷却的精密空调主要是直接自然冷却，间接自然冷却。

直接自然冷却：当室外空气温度较低时，可以直接将室外低温空气送至室内，为室内降温。当室外温度高，不足以带走室内热量时，则开启机械制冷。

间接自然冷却：室外侧冷源通过某种热换工质将机房热量转移到室外侧，可分为乙二醇干冷器式间接自然冷却、氟泵式间接自然冷却和风冷冷水机组间接自然冷却。

综上，常规的直接自然冷却及间接自然冷却都直接或间接利用工质与室外空气进行热交换，室外温度与室内温度温差较低时，换热效率较低，依靠空气自然冷却系统夏季无法使用。在夏季室外温度与室内温度相差不大的情况下，自然冷却无法进行。利用风冷冷水机进行间接换热时，风冷系统需要利用风扇将室内热量排至大气进行换热，风扇长期运行，无形中又增加了电量能耗等。

发明内容

本发明的目的为解决常规的直接自然冷却及间接自然冷却都直接或间接利用工质与室外空气进行热交换。室外温度与室内温度温差较低时，换热效率较低，依靠空气自然冷却系统夏季无法使用的问题。提出一种地埋管自然冷源数据机房自然冷却热管系统，本发明可利用地下土壤自然冷源大大降低数据机房空调制冷系统的能耗；降低PUE(Power UsageEffectiveness电能利用效率)，提高服务器运行的稳定性；

本发明提出的一种地埋管自然冷源数据机房自然冷却热管系统，其特征在于，该系统包括室外侧地埋管冷凝器、储液罐、工质泵、室内侧蒸发器、节流阀以及连接在管道上的温度计、压力表、三个管道阀门、注液阀门、四个温度传感装置、四个压力传感装置、气液相变连接管；其连接关系为：室内侧蒸发器的出口端的管道上依次连接第一温度传感装置15、第一压力传感装置16、节流阀、第二温度传感装置18和第二压力传感装置19后与气液相变连接管一端相连，气液相变连接管另一端与室外侧地埋管冷凝器入口端相连，室外侧地埋管冷凝器的出口端依次连接温度计、压力表后通过第一管道阀门4与储液罐的入口端相连，储液罐的出口端的管道依次连接第二管道阀门7、第三温度传感装置8和第三压力传感装置9后与工质泵的入口端相连；工质泵还连接注液阀门，工质泵的出口端的管道通过第三管道阀门再依次连接第四温度传感装置和第四压力传感装置后与室内侧蒸发器的入口端管道相连。

本发明的优点及效果：

为了保证充分利用自然冷源，降低系统能耗，该系统利用地下土壤作为自然冷源。地埋管自然冷源数据机房自然冷却热管系统对原有系统进行大胆改进、创新，成功解决了夏季常规系统需要机械制冷辅助才能运行的缺点；将工质重力循环与动力循环相结合，降低动力循环的耗电量；通过地埋管缓冲、贮存作用将制冷工质充分从气态转化成液态，完全避免了气液态混合导致氟泵气蚀等问题。利用地下土壤自然冷源保证了系统运行的稳定性，避免了空气冷源波动性大的缺点。浅层地下土壤温度一般都比空气温度要低，更能够保证系统换热能效。

发明从技术上，1)解决了常规空气自然冷源要求室外空气温度必须低于室内空气温度阈值；2)机房内部为相变冷却，提升了换热效果，工质泵流量小，系统阻力小，因而泵功率远低于压缩机的功率，一年四季均可使用，具有明显节能效益；3)泵的驱动力远大于重力，能适应较复杂的管路，蒸发器和地埋管冷凝器布置比较灵活，结构形式灵活多样，可以根据具体情况进行优化，甚至可以将地埋管作为储液罐，节省初投资；4)机房外利用地埋管代替空气冷却风扇，冬季室外不需要防冻措施，降低初投资和运行费用；5)机房内部设备无需用水冷却，消除漏水隐患；6)系统构成简单，可靠性高，易操作维护，成本较低。

从施工上，系统管道、设备等制作、安装方便；从社会效益上，系统整体节能、环保。从既有工程试验项目检测结果来看，系统运行效果良好！

附图说明

图1地埋管自然冷源的数据机房自然冷却热管系统示意图；

其中：

1——室外侧地埋管冷凝器(竖直U型)        2——管道温度计

3——压力表                             4——管道阀门

5——注液阀门                           6——储液罐

7——管道阀门                           8——温度传感装置

9——压力传感装置                       10——工质泵

11——管道阀门                          12——温度传感装置

13——压力传感装置                      14——室内侧蒸发器

15——温度传感装置                      16——压力传感装置

17——节流阀                            18——温度传感装置

19——压力传感装置                      20——气液相变连接管

图中虚线框的2、3、4、5、6、7、8、9、10可设置在室外检查井内。

具体实施方式

本发明系统结合附图及实施例进一步说明如下：

本发明的地埋管自然冷源数据机房自然冷却热管系统组成如图1所示，主要由室外侧地埋管冷凝器(竖直U型)1、储液罐6、工质泵10、室内侧蒸发器14、节流阀17以及连接在管道上的温度计2、压力表3、三个管道阀门4、7、11，注液阀门5、四个温度传感装置8、12、15、18，四个压力传感装置9、13、16、19，气液相变连接管20；其连接关系为：室内侧蒸发器14的出口端的管道上依次连接温度传感装置15、压力传感装置16、节流阀17、温度传感装置18和压力传感装置19后与气液相变连接管20一端相连，气液相变连接管20另一端与室外侧地埋管冷凝器1入口端相连，室外侧地埋管冷凝器1的出口端依次连接温度计2、压力表3后通过管道阀门4与储液罐6的入口端相连，储液罐6的出口端的管道依次连接管道阀门7、温度传感装置8和压力传感装置9后与工质泵10的入口端相连；工质泵10还连接注液阀门5，工质泵10的出口端的管道通过管道阀门11再依次连接温度传感装置12和压力传感装置13后与室内侧蒸发器14的入口端管道相连。

本发明还设有室外检查井管道上的温度计2、压力表3、管道阀门4、7、注液阀门5、储液罐6、工质泵10、温度传感装置8、压力传感装置9可设置在室外检查井内，如图1中虚线框所示。

其工作过程是：将系统内部抽真空后充注低沸点工质，如R134A，R410A等。工质泵10将过冷工质输送到室内蒸发器14，工质在室内蒸发器14内吸收数据机房室内热空气的热量，自然冷却系统中的工质温度升高并伴随部分工质汽化，即工质在室内蒸发器14内既有显热换热、又有相变吸热；从室内蒸发器14出来的两相工质通过气液相变连接管20流入室外侧地埋管冷凝器1进行冷凝放热，工质将自身携带的热量散到土壤中，同时由于工质自身重力作用，工质在室外侧地埋管冷凝器1中充分转化成过冷液体；液体汇集到储液罐6或者直接被吸入工质泵10中，工质泵再次将过冷工质输送到室内蒸发器14，周而复始，不断完成整个制冷循环。

上述系统各设备均采用本领域常规产品组装而成。

上述系统可根据系统中压力表和管道温度计显示的压力和温度对各阀门进行开、关开启度的人工调节；还可设置智能控制系统与系统的各阀门、压力传感装置、温度传感装置相连，以保证系统自动安全运行。

设置智能控制系统的控制方法为：首先通过温度传感装置8及压力传感装置9智能监测溶液的温度、压力，判断溶液浓度符合系统工质流量及浓度要求，不符合要求时系统报警提醒，通过注液阀门5进行自动注液。符合要求的工质溶液通过工质泵被输送到室内，通过管道阀门11调节溶液通过温度传感装置12、压力传感装置13检测符合要求后进入室内侧蒸发器14，室内侧蒸发器14吸收数据机房的热量后，工质由液态蒸发后变为气态，通过温度传感装置15、压力传感装置16检测气态工质的气化状态反馈给节流阀17进行调节的适当的开度，保证系统工质从气态向液态转化。在转化过程中通过温度传感装置18、压力传感装置19检测液化效果。符合要求的液化工质逐渐通过气液相变连接管汇集到地埋管冷凝器1中，工质溶液在地埋管冷凝器1中通过重力回流及工质泵10的吸力又将溶液通过储液罐6逐步送入室内蒸发器，周而复始，不断完成整个制冷循环。

上述智能控制系统采用由欧姆龙CP1H-XA40DR-A系列的CPU单元，欧姆龙CP1W-CIF01系列的RS232串口及台达电子声场的DOP-B系列的人机界面组成先进的PLC控制系统。控制方法是用常规编程技术编制成控制程序预先储存在智能控制系统中。

本发明的优点及效果：

浅层地下土壤温度一直低于室内空温度，泵驱动工质在系统内循环，一年四季均可以将室内侧IT设备的发热量，携带到地埋管中并散发给土壤，通过土壤扩散或者地下径流散发到土壤中。达到节能环保的作用。

发明技术上，1)解决了常规空气自然冷源要求室外空气温度必须低于室内空气温度阈值；2)机房内部为相变冷却，提升了换热效果，工质泵流量小，系统阻力小，因而泵功率远低于压缩机的功率，一年四季均可使用，具有明显节能效益；3)泵的驱动力远大于重力，能适应较复杂的管路，蒸发器和地埋管冷凝器布置比较灵活，结构形式灵活多样，可以根据具体情况进行优化，甚至可以将地埋管作为储液罐，节省初投资；4)机房外利用地埋管代替空气冷却风扇，冬季室外不需要防冻措施，降低初投资和运行费用；5)机房内部设备无需用水冷却，消除漏水隐患；6)系统构成简单，可靠性高，易操作维护，成本较低。

从施工上，系统管道、设备等制作、安装方便；从社会效益上，系统整体节能、环保。从既有工程试验项目检测结果来看，系统运行效果良好！

本发明数据机房如果在高层设置，应用本系统时管道从高层到地下布置管路比较长，工质泵扬程会比较高。

本发明的地埋管自然冷源的数据机房自然冷却热管系统在施工中，和常规做法不同，具体体现在以下几个方面。

一、室外侧地埋管冷凝器施工中，需要根据数据中心的平面位置进行布置。地埋管可以根据计算溶液流量需求设计成竖直单U型，竖直双U型或者水平埋管形式。小型机房一般1～2个60米即可，大型系统可以将钻孔深度加深或者增加孔数。水平联络管可以敷设在地下不易破坏的深度。

二、储液罐及工质泵可以放置在室外检查井内或者安放到室内也可，如图中虚线框的各设备所示。储液罐要设有可以补充溶液的注液阀，保证系统运行若干年后可以补充溶液。

三、各个设备通过联络管进行连接，最终由主管道与室内侧蒸发器相连接。从而保证了整个系统的良好运行。

尽管为说明目的公开了本发明的实例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种地埋管自然冷源数据机房自然冷却热管系统，其特征在于，该系统包括室外侧地埋管冷凝器、储液罐、工质泵、室内侧蒸发器、节流阀以及连接在管道上的温度计、压力表、三个管道阀门、注液阀门、四个温度传感装置、四个压力传感装置、气液相变连接管；其连接关系为：室内侧蒸发器的出口端的管道上依次连接第一温度传感装置(15)、第一压力传感装置(16)、节流阀、第二温度传感装置(18)和第二压力传感装置(19)后与气液相变连接管一端相连，气液相变连接管另一端与室外侧地埋管冷凝器入口端相连，室外侧地埋管冷凝器的出口端依次连接温度计、压力表后通过第一管道阀门(4)与储液罐的入口端相连，储液罐的出口端的管道依次连接第二管道阀门(7)、第三温度传感装置(8)和第三压力传感装置(9)后与工质泵的入口端相连；工质泵还连接注液阀门，工质泵的出口端的管道通过第三管道阀门再依次连接第四温度传感装置和第四压力传感装置后与室内侧蒸发器的入口端管道相连。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，该系统还设有室外检查井，管道上的温度计、压力表、第一、二管道阀门、注液阀门、储液罐、工质泵、第一温度传感装置、第一压力传感装置设置在室外检查井内。

3.如权利要求1所述系统，其特征在于，该系统还设置智能控制系统与系统的各阀门、压力传感装置、温度传感装置相连，以保证系统自动安全运行。