CN105003968A - 一种带自然冷却的机架式空调系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带自然冷却的机架式空调系统及其实现方法，其系统包括压缩机系统提供冷源，还包括热管系统来提供冷源。该机架式空调系统包括两个部分，室内机和室外机，以及两部分之间的连接管。本发明的空调系统，因为在普通空调的压缩制冷循环系统之外还增加了热管制冷循环系统，当室外环境温度较高的时候，利用压缩机制冷来提供冷源；当室外环境温度较低的时候，自动切换到热管系统充分利用室外的自然冷源来提供冷源，减少了压缩机开启的时间，延长了空调压缩机设备使用寿命，降低了能耗，实现机柜数据中心节能运行，显著减少了用户运行成本。

Description

一种带自然冷却的机架式空调系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种空调系统及其实现方法，尤其涉及的是一种带自然冷却功能的空调系统及其实现方法。

背景技术

在现有技术的机房数据中心设备中，通常需要设置空调进行温度控制，防止设备过热；而在设备能耗中，空调的能耗占了总能耗的40%多，占有相当大的比重，空调的节能运行，是各个运营商节能减排行动的重要突破点。由于机房空调需要全天候运行的特点，在室外环境温度较低的时候，尤其是在北方或冬天，充分利用自然冷源散热来代替压缩机运行，是降低机房空调能耗的重要方向。

现有技术的机柜式数据中心设备一般为前后通风型，采用外部空调对机柜电气设备进行冷却，采用的散热措施主要有：内置分体空调室内机或一体式空调、侧置空调、背置空调等方式，即通常的空调压缩机的方式。

上述散热方式存在以下缺点：压缩机全天候运行，能耗大、制冷能力偏小，而且其效率低，尤其是在室外环境温度较低的时候，机柜数据中心设备还需要开压缩机制冷，压缩机功耗较大，节能性不好。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明目的在于提供一种带自然冷却的机架式空调和实现方法，能够利用自然冷却。

本发明的技术方案如下：

一种带自然冷却的机架式空调系统，包括一压缩机系统，包括用于向外散热的压缩机系统冷凝器，从机柜内吸热的压缩机系统蒸发器，所述压缩机系统冷凝器与所述压缩机系统蒸发器之间通过管道连接，在所述管道中设置有合适的制冷剂；以及在该管道上并设置在所述压缩机系统冷凝器之前的压缩机；其中，在所述压缩机系统上还复合设置有一热管系统，所述热管系统包括一热管系统冷凝器，一热管系统蒸发器，分别与所述压缩机系统的相应功能部件一起设置，所述热管系统冷凝器与所述热管系统蒸发器通过管道连接，在该热管系统的管道上设置有一用于控制管道开关的电磁阀；

该带自然冷却的机架式空调系统还包括一控制单元，用于读取室外温度传感器的数据并当室外温度低于预定温度条件时，选择开启电磁阀并关闭所述压缩机。

所述的该带自然冷却的机架式空调系统，其中，该空调系统包括室内机，在所述室内机中设置所述热管系统蒸发器和所述压缩机系统蒸发器，并且该两蒸发器相互并排固定设置，且共用一室内风机。

所述的该带自然冷却的机架式空调系统，其中，设置包括室外机，在所述室外机中设置所述热管系统冷凝器和所述压缩机系统冷凝器，并且该两冷凝器相互并排固定设置，且共用一室外风机。

所述的机架式空调系统，其中，室外机的外侧设置有用于热管系统系统连接的液侧管快速接头和气侧管快速接头，以及，用于压缩机系统连接的液侧管快速接头和气侧管快速接头。

所述的机架式空调系统室内机的外侧设置有用于热管系统连接的液侧管快速接头和气侧管快速接头，以及，用于压缩机系统连接的液侧管快速接头和气侧管快速接头。

所述的机架式空调系统，其中，所述室内机的位置低于所述室外机的位置进行安装设置。

所述的机架式空调系统，其中，在所述压缩机系统蒸发器与其对应的液侧管快速接头之间还设置有一节流元件。

一种所述机架式空调系统的实现方法，包括以下步骤：

A、 所述控制单元读取室外温度传感器的数据并判断是否低于预定温度条件，如是，则开启所述电磁阀并关闭所述压缩机；

B、 所述控制单元读取室外温度传感器的数据并判断是否低于预定温度条件，如否，则关闭所述电磁阀并开启所述压缩机。

上述一种所述机架式空调系统的实现方法，其中，所述预定温度条件为5摄氏度或10摄氏度。

上述一种所述机架式空调系统的实现方法，其中还包括所述控制单元对外部电源的检测，并在所述空调系统中设置有蓄电池，在外部电源断电时，控制切换由所述蓄电池维持所述电池磁阀的开启。

本发明所提供的一种带自然冷却的机架式空调系统及其实现方法，由于采用了在普通空调的压缩制冷循环系统外增加了热管制冷循环系统，在室外环境温度较高的时候，利用压缩机制冷来提供冷源；在室外环境温度较低的时候，自动切换到热管系统充分利用室外的自然冷源来提供冷源，减少了压缩机开启的时间，延长了空调压缩机设备使用寿命，降低了能耗，实现机柜数据中心节能运行，显著减少了用户运行成本，通过采用压缩机系统与热管系统并行设置方式，并受控选择来提供冷源，从而利用了自然冷却，降低了系统能耗。

附图说明

图1是本发明所述的带自然冷却的机架式空调循环流路示意图。

图2是本发明所述的带自然冷却的机架式空调室内机示意图。

图3是本发明所述的带自然冷却的机架式空调室外机示意图。

图4是本发明所述的带自然冷却的机架式空调气流组织示意图。

图5是本发明所述的带自然冷却的机架式空调总装示意图。

图6为本发明所述带自然冷却的机架式空调系统实现方法的系统框图。

具体实施方式

本发明提供一种带自然冷却的机柜式数据中心的机架式空调系统及其实现方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

本发明所述的一种带自然冷却的机柜式数据中心的机架式空调系统，如图1所示的原理结构，其包括室内机100和室外机200，空调系统的外形与现有技术区别不大，即图1中的外侧环绕管路：室外机200中的压缩机201通过机械能将制冷剂进行压缩，释放热量形成高温高压液体，并经过压缩机系统冷凝器211及其对应的冷凝器风扇即室外风机212向外散热。液体的制冷剂经过压缩机系统室外机的液侧管快速接头221、压缩机系统液侧连接管222，以及压缩机系统室内机的液侧管快速接头121流入室内机100中。

在该室内机100中，连接所述液侧管快速接头121的连接管上设置有适当的节流元件122，经过该节流元件122后接通一压缩机系统的蒸发器123，在该蒸发器123中，制冷剂有液态蒸发为气态或气液混合态，并吸收热量，经由室内风机124吹出低温空气，形成制冷。

从所述蒸发器123回流的主要是气态低温制冷剂，经压缩机系统室内机的气侧管快速接头125，连接室内机100和室外机200的气侧连接管322，压缩机系统室外机的气侧管快速连接接头223，最终回流到压缩机201，从而形成制冷工作的循环。

上述工作过程为现有技术的空调常见原理，机架式空调系统是数据中心机柜设备常用的空调结构，外形与现有技术常见结构类似，如图2至图5所示，其室内机通常采用与机柜方便连接的机架连接方式。当然，在扩展的技术方案实施例中，机架式空调系统并不限于室内机和室外机分离的结构，也可以采用一体式结构，在此不再赘述。

本发明的改进之处在于，在上述现有常见的空调系统基础上，并线设置有利用自然环境温度进行冷却的热管系统，并相应在热管系统和原有的压缩机系统中设置有控制单元，对热管系统的启动条件进行控制。

本发明所述的带自然冷却的机架式空调系统及其实现方法，其主要针对的是室外环境温度达到条件要求的情况下，比如冬天或北方较低温度的环境，为节省长时间启动压缩机系统所造成的能耗损耗，降低成本，并且更加环保。

在本发明的较佳实施例中，如图1所示，其在现有技术常见的空调系统基础上设置了复线的制冷系统即热管系统，所设置的热管系统包括：一热管系统冷凝器411，通常与所述压缩机系统的冷凝器211并行设置，例如可以通过盘管和夹具固定在压缩机系统的冷凝器211装置之上，并列设置或间隔设置；从该热管系统冷凝器411流出的制冷剂须采用相应的制冷剂，例如R22，无须压缩机的情况下，在室外较低温度下也会为液态；热管系统中的较低温度的液态制冷剂通过相应的液侧管快递接头421，液侧连接管422，连接到室内机侧热管系统的液侧管快速接头521，从而进入室内机100内的热管系统蒸发器523。

该热管系统蒸发器523也采用附加固定在所述压缩机系统的蒸发器123上的方式，可以采用现有的盘管或散热片结构方式，并列或间隔与所述压缩机系统的蒸发器123一同设置。从所述热管系统蒸发器523中经过热交换的制冷剂即变成稍高温度的气态，并经过相应的热管系统中室内机的气侧管快速接头525，气侧连接管522，室外机的热管系统气侧管快速接头423，连通接入所述室外机的所述热管系统冷凝器411中。

在上述热管系统的制冷管路中，还设置有一电磁阀526用于控制该热管系统的工作与否，较佳地是设置在所述热管系统气侧管快速接头524与所述热管系统冷凝器411之间。当然，为增加热管系统的驱动，也可以设置驱动泵。

在本发明所述空调系统与所述热管系统上还设置有控制单元，用来控制所述热管系统的电磁阀工作时机，以及，空调系统的压缩机的工作时机，并可以设置在室外机上设置有温度传感器，用来感知室外温度是否达到条件要求，例如室外温度低于5摄氏度或10摄氏度时关闭所述压缩机同时启动所述电磁阀。

本发明所述热管系统中的设置，为简化结构和降低成本，可以将所述室内机设置在较低的位置，由于机架式空调通常设置在机柜的底部，因此，其水平位置通常接近楼层的地面，而其对应的室外机应设置在较高的位置，例如相对该楼层的天花板水平之室外。由此，可以保证热管系统中的制冷剂液态可以通过重力作用向所述室内机内流动，而在气侧受重力影响较低，从而实现在所述热管系统中无须外在驱动即可实现循环制冷。

本发明所述控制单元用来实现本发明的实现方法，其判断室外温度条件是否满足预先设定的温度条件，例如5摄氏度或10摄氏度，在满足该条件的情况下，启动电磁阀526从而使热管系统开始工作，同时关闭压缩机，从而停止空调系统。

由于压缩机的功率通常在几千瓦，例如3KW，而同样规模的热管系统中没有大功率工作设备，其功率只有几百瓦，例如300W，对系统的能耗降低效果就非常明显，而整个机器的设置外表与现有技术一样，只是循环连接管路做了复合设置，从长远使用来说，硬件成本的略微增加能够大大降低实际的能耗成本，实现对自然冷却的充分利用，实现节能减排。

本发明的空调系统及其实现方法通过热管系统与压缩机系统共用室内风机和室外风机的方式来换热，整机系统紧凑高效；将压缩机系统与热管系统结合，在室外环境温度较高的时候，则与市场上普通空调一样，压缩机运作，驱动压缩机系统制冷循环，并由电磁阀关闭热管系统循环；而当室外环境温度较低的时候，本空调系统自动在压缩机系统和热管系统之间进行智能切换运行，关闭压缩机，从而停止压缩机系统循环，并打开电磁阀，运行热管系统循环；而当室外温度升高的时候，本空调系统则又自动运行压缩机，驱动压缩机系统制冷循环，同时由电磁阀关闭热管系统循环。

同时，本发明的空调系统在室内机和室外机管道上均设有快速插拔接头并通过两端带有快速插拔接头的制冷管道连接，可实现工程快速安装维护；而当市电掉电或者突发故障时，空调室内外风机可转由备用的蓄电池组给室内外风机供电，保证正常制冷，防止机柜设备高温危险运行。

本发明的较佳实施例中，带自然冷却的机架式空调机组由压缩机系统与热管系统组成，如图1所示是本发明所述的带自然冷却的机架式空调循环流路示意图。本发明所述机架式空调机组中包含室内机100、室外机200、及连接该室内外机的连接管。所述室内机100包含压缩机系统蒸发器123、热管系统蒸发器523、室内风机124、节流元件122、压缩机系统的快速接头121/125，热管系统的快速接头524/525；所述室外机200包括压缩机系统冷凝器211、热管系统冷凝器411、室外风机212、压缩机201、电磁阀526、压缩机系统的快速接头221/223，热管系统的快速接头421/423；压缩机系统室内机和室外机的制冷剂循环连接管路通过气侧连接管322和液侧连接管222连接；热管系统室内机和室外机的制冷剂循环连接管路通过气侧连接管522与液侧连接管422连接；并且室内机安装高度低于室外机的安装高度；整个热管系统根据内外机高度上的落差产生重力来提供动力，完成制冷剂循环；整个压缩机系统由压缩机201提供动力，来完成制冷循环。

在本发明空调系统及实现方法的较佳实施例中，在室内机的热管系统蒸发器523卡合在压缩机系统蒸发器123表面上，共用室内风机124进行蒸发换热；在室外机的热管系统冷凝器411卡合在压缩机系统冷凝器211的表面上，共用室外风机212进行冷凝散热，从而结构紧凑高效。

在室外环境温度较低的时候，例如温度低于预定的温度如5摄氏度或10摄氏度，所述控制单元即控制所述压缩机201关闭，所述电磁阀526开启，使所述热管系统工作。在经热管系统蒸发器523吸热蒸发的制冷剂循环至热管系统冷凝器411中时，与室外温度较低的空气进行热交换，冷凝成液态冷媒，通过重力作用回流到室内机的热管系统蒸发器523进行制冷换热；在室外环境温度较高的时候，所述控制单元控制所述电磁阀526关闭，同时所述压缩机201开启，转由压缩机系统提供制冷量。由于本发明空调系统所应用的机器为全密封式运行的机架式空调系统，可以通过控制单元控制送风速度，从而可以在较高的空调送风温度下工作，大大提高空调系统的制冷效率；高于柜内空气露点的送风温度，不会破坏机柜内湿度平衡，可使大部分的应用不需加湿或除湿，减少能源浪费。

如图2所示本发明所述的带自然冷却的机架式空调室内机具体实施例，其外形与现有技术的室内机区别不大，较为明显的区别是外部具有比现有技术机架式空调系统多的液侧和气侧管快速接头，即热管系统的管快速接头524/525，而现有技术的空调系统通常仅包括压缩机系统的管快速接头121/125。所述室内机包括安装 于空调正面一侧的空调出风口131，另一侧的空调回风口132，设置在一侧侧面的各快速接头121/125/524/525，用于分别与相应连接管进行快速连接，从而与室外机相通。

如图3所示为本发明所述的带自然冷却的机架式空调室外机的具体实施例，其在外形上包括室外侧出风口231和安装于一侧的快速接头，即压缩机系统的快速接头221/223，热管系统的快速接头421/423，分别用于与连接管快速连接，从而与室内机相通，分别形成工作通道。

如图4所示为本发明所述的带自然冷却的机架式空调的具体实施例工作原理示意图，所述的机架式空调室内机100置于该封闭式机柜600的下方，其出风口131在该空调一侧，而回风口132则安装在该空调另一侧，由于室内风机124的驱动控制，冷空气在风机作用下沿机柜的一侧冷通道601向上循环，而热空气则在另一侧热通道602向下循环到达回风口132，热气流再被强制通过所述空调系统中的压缩机系统蒸发器123和热管系统蒸发器523而被冷却，再从另一侧的出风口131被吹向上，从而循环降低该封闭式机柜内部温度。

如图5所示是本发明所述的带自然冷却的机架式空调一个实施例的总装示意图，其中，所述的带自然冷却机架式空调室内机100置于该机柜600的下方，冷气流在风机作用下按照箭头方向向上循环，对整个机柜式数据中心设备进行冷却。

如图6为本发明所述带自然冷却的机架式空调系统实现方法的系统框图，所述控制单元根据室外温度条件进行选择控制开启空调系统的压缩机或者热管系统的电磁阀。

在本发明的一个具体实施例中，可以体现出显著的节能效果。以3kW的机组为例，在室外环境温度低于10℃时，可以完全关闭压缩机系统的运行，采用热管系统来提供冷源。压缩机系统制冷的能效比在3.0～3.5，热管系统利用自然冷源的能效比可以达到10.0以上，节能效果明显，可显著减少用户的运行成本。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，例如，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种带自然冷却的机架式空调系统，其包括一压缩机系统，包括用于向外散热的压缩机系统冷凝器，从机柜内吸热的压缩机系统蒸发器，所述压缩机系统冷凝器与所述压缩机系统蒸发器之间通过管道连接，在所述管道中设置有合适的制冷剂；以及在该管道上并设置在所述压缩机系统冷凝器之前的压缩机；

其特征在于，在所述压缩机系统上还复合设置有一热管系统，所述热管系统包括一热管系统冷凝器，一热管系统蒸发器，分别与所述压缩机系统的相应功能部件一起设置，所述热管系统冷凝器与所述热管系统蒸发器通过管道连接，在该热管系统的管道上设置有一用于控制管道开关的电磁阀；

所述带自然冷却的机架式空调系统还包括一控制单元，用于读取室外温度传感器的数据并根据室外温度低于预定温度条件时，选择开启电磁阀并关闭所述压缩机。

2.根据权利要求1所述的机架式空调系统，其特征在于，设置包括室内机，在所述室内机中设置所述热管系统蒸发器和所述压缩机系统蒸发器，并且该两蒸发器相互并排固定设置，且共用一室内风机。

3.根据权利要求2所述的机架式空调系统，其特征在于，设置包括室外机，在所述室外机中设置所述热管系统冷凝器和所述压缩机系统冷凝器，并且该两冷凝器相互并排固定设置，且共用一室外风机。

4.根据权利要求3所述的机架式空调系统，其特征在于，所述室外机的外侧设置有用于热管系统连接的液侧管快速接头和气侧管快速接头，以及，用于压缩机系统连接的液侧管快速接头和气侧管快速接头。

5.根据权利要求4所述的机架式空调系统，其特征在于，所述室内机的外侧设置有用于热管系统连接的液侧管快速接头和气侧管快速接头，以及，用于压缩机系统连接的液侧管快速接头和气侧管快速接头。

6.根据权利要求3至5任一所述的机架式空调系统，其特征在于，所述室内机的位置低于所述室外机的位置进行安装设置。

7.根据权利要求6所述的机架式空调系统，其特征在于，在所述压缩机系统蒸发器与其对应的液侧管快速接头之间还设置有一节流元件。

8.一种如权利要求1所述机架式空调系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、 所述控制单元读取室外温度传感器的数据并判断是否低于预定温度条件，如是，则开启所述电磁阀并关闭所述压缩机；

B、 所述控制单元读取室外温度传感器的数据并判断是否低于预定温度条件，如否，则关闭所述电磁阀并开启所述压缩机。

9.根据权利要求8所述的实现方法，其特征在于，所述预定温度条件为5摄氏度或10摄氏度。

10.根据权利要求8或9所述的实现方法，其特征在于，还包括所述控制单元对外部电源的检测，并在所述空调系统中设置有蓄电池，在外部电源断电时，控制切换由所述蓄电池维持所述电池阀电磁阀的开启。