CN105135577B - 风冷自然冷却与冷水机组相结合的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心机房利用自然冷却机组与风冷冷水机组相结合的制冷系统，该系统下自然冷却机组与风冷冷水机组单独设置，串联在整个空调水系统中，在不同的室外温度下，采用不同的运行模式为末端空调装置提供满足设计参数要求的冷水。该系统的主要特点是在冬季和过渡季室外温度较低时，通过低能耗的自然冷却机组利用室外天然冷源代替高能耗风冷冷水机组为系统制冷，起到节能效果，降低数据中心PUE值。另外，该系统采用闭式循环系统，无飘逸率影响，耗水量很小，适合缺水地区，起到节水的目的。因此，该系统运行方便、可靠，利用智能化控制，节能环保。

Description

风冷自然冷却与冷水机组相结合的冷却系统

技术领域

本发明涉及一种数据中心制冷系统。

背景技术

随着互联网的不断发展，数据中心建设速度惊人，由此产生的巨额耗电量已然成为数据中心发展不可回避的问题，亟待解决。作为数据中心主要能耗包括四个部分：IT设备能源消耗、UPS转化能源消耗、制冷设备能源消耗及照明和新风系统能源消耗。其中，制冷设备能耗占到数据中心总能耗的30％。

为了降低数据中心能耗，一部分专家学者便提出了免费冷却(Free Colling)的概念。目前，业内人士普遍看好换热效率高、系统简单、投资少且节能效果好的水冷空调系统。但是由于IDC建成初期，长期处于低负载工况，离心式水冷空调系统一般先要安装一台小型螺杆式水冷机组或风冷机组作为过渡，以解决离心式冷冻机组在小负荷时容易发生的喘振问题。再是水冷空调系统的离心机无论是大型、小型还是螺杆机，电力负荷都很大，一般还需要与其配套独立的配电室，该配电室和螺杆式水冷机组一是会增加项目投资，二是水冷机组设备复杂，维修、保养费用较高。更为重要的是，水冷系统的冷却塔在寒冷的冬季存在结冻的高风险，同时由于其需要一定量水源，在缺水地区同样存在局限性。例如，申请号为CN201210205485.9利用自然冷却方式将离心机组与冷却塔结合在不同季节采用不同的制冷方式，该方式适合于气候温和且不缺水的地区。然而，在北方地区由于冬季夜间最低温度为-20～-30℃，出现极端天气时甚至更低温度时，采用水冷方式冷却塔必须考虑防冻措施，且防冻效果一般并不理想，为此业主需向冷却塔循环水及管路内均加入高浓度的防冻液，其不仅增加业主方的投资而且对管路和设备也有腐蚀。另外，在西北等缺水地区，由于IDC空调系统需要一年四季运行，因此冷却塔喷淋会耗费大量淡水资源，在目前国家水资源短缺，提倡节约用水的大环境下，该方式在缺水地区推广仍有很多顾虑。因此，水冷系统的自然冷却方式在寒冷地区和缺水地区存在其先天性的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种业主投资少、对设备及管路无腐蚀且节能、节水的风冷自然冷却与冷水机组相结合的冷却系统。该系统主要是将单独设置的自然冷却机组与风冷冷水机组串联在整个空调水系统中，在不同的室外温度下，采用不同的运行模式为末端空调装置提供满足设计参数要求的冷水。

本发明主要包括：自然冷却机组，风冷冷水机组，末端空调装置，水泵，水箱，蓄冷装置，换热器以及连接各个装置设备的管路和阀门。其中，并列的若干自然冷却机组(现有的自然冷却机组或干冷器即可)，其各出水口均通过管路与风冷冷水机组(现有的风冷冷水机组即可)进水口相连，该风冷冷水机组的出水口通过管路与供水环管进水侧相连。该供水环管的出水侧通过管路与末端空调装置进水口相连，该末端空调装置的出水口与回水环管进水侧通过管路相连，回水环管出水侧均通过设有循环泵的管路与上述各自然冷却机组的进水口相连，构成完整的循环回路。最好，在回水环管和进水环管出水侧各设一根支管，这两支管的另一端分别与蓄冷装置进、出水口连接，即蓄冷装置进水口与回水环管连接，蓄冷装置出水口与供水环管连接。又在上述自然冷却机组进、出口管之间设有旁通管，旁通管上设置有阀门V2，在自然冷却机组进口管上设置阀门V1；在风冷冷水机组进、出口管之间也设有旁通管，旁通管上设有阀门V3，在风冷冷水机组出口管上设置阀门V4，在蓄冷装置进出口管之间设置旁通管，在旁通管和进、出口管上均设置阀门，进口管阀门为V5，出口管阀门为V6，旁通管阀门为V7，以上设置的阀门可以是电动阀门，也可以是手动阀门。上述每个循环泵入口处各通过一根支管与同一干管相连，该干管与定压补水装置(现有的定压补水装置即可)连接，该定压补水装置与补水箱等连接。另在供水环管上设温度传感器，用于监测系统供水温度。

最好，在上述技术方案的基础上增加一套供、回水环管及补水定压装置并由换热器相连，其具体结构如下：并列的若干自然冷却机组(现有的自然冷却机组或干冷器即可)，其各出水口均通过管路与风冷冷水机组(现有的风冷冷水机组即可)进水口相连，该风冷冷水机组的出水口通过管路与一次侧水系统供水环管进水侧相连。该一次侧水系统供水环管的出水侧通过管路与换热器的一次侧进口相连，该换热器的一次侧出口又通过管路与一次侧循环泵相连，该一次侧循环泵通过管路与一次侧水系统回水环管进水侧相连，该一次水系统回水环管出水侧通过管路与上述各自然冷却机组的进水口相连，构成完整的一次侧循环回路；换热器的二次侧出口又通过管路与二次侧水系统供水环管进水侧相连，该二次侧水系统供水环管出水侧通过管路与末端空调装置进水口相连，该末端空调装置的出水口与二次侧水系统回水环管进水侧通过管路相连，该回水环管出水侧均通过设有二次侧循环泵的管路与各自的换热器二次侧进口相连，构成完整的二次侧循环回路。最好，在一次侧水系统回水环管和进水环管的出水侧各设一根支管，这两支管的另一端分别与蓄冷装置进、出水口连接，即蓄冷装置进水口与回水环管连接，蓄冷装置出水口与供水环管连接。又在上述自然冷却机组进、出口管之间设有旁通管，旁通管上设置有阀门V2，在自然冷却机组进口管上设置阀门V1；在风冷冷水机组进、出口管之间也设有旁通管，旁通管上设有阀门V3，在风冷冷水机组出口管上设置阀门V4，在蓄冷装置进出口管之间设置旁通管，在旁通管和进、出口管上均设置阀门，进口管阀门为V5，出口管阀门为V6，旁通管阀门为V7，以上设置的阀门可以是电动阀门，也可以是手动阀门。上述每个一次侧循环泵入口处各通过一根支管与同一根一次干管相连，该一次干管与一次侧定压补水装置(现有的定压补水装置即可)连接，该一次侧定压补水装置与一次补水箱等连接。另在一次供水环管上设温度传感器，用于监测系统供水温度。同理，上述每个二次侧循环泵入口处各通过一根支管与同一根二次干管相连，该二次干管与二次侧定压补水装置(现有的定压补水装置即可)连接，该二次侧定压补水装置与二次补水箱等连接。另在二次供水环管上设温度传感器，用于监测系统供水温度。

本发明的工作过程简述如下：自然冷却机组与冷水机组的运行切换是根据室外温度进行判断的。

在冬季时，风冷冷水机组关闭，自然冷却机组单独运行。此时，自然冷却机组进水管上的电动阀门开启，旁通阀门关闭，风冷冷水机组旁通阀开启，风冷冷水机组出口管上的阀门关闭。在第二种方案下，系统一次侧的循环水不经过冷水机组，仅由自然冷却机组利用室外天然冷空气对一次侧循环水进行降温，一、二次循环水通过换热器进行热交换，从而保证供向末端空调装置的二次侧循环水温度达到设计参数要求。在第一种方案下，整个系统循环水不经过冷水机组，仅有自然冷却机组利用室外天然冷空气对系统循环水进行降温，保证供水水温达到设计要求后，直接供向末端空调装置。

在夏季时，自然冷却机组关闭，风冷冷水机组单独运行。此时，自然冷却机组进水管上的电动阀门关闭，旁通阀门开启，风冷冷水机组旁通电动阀关闭，风冷冷水机组出口管上的电动阀门开启。在第二种方案下，系统一次侧的循环水不经过自然冷却机组，仅由风冷冷水机组对一次侧循环水进行降温，一、二次循环水通过换热器进行热交换，从而保证供向末端空调装置的二次侧循环水温度达到设计参数要求。在第一种方案下，系统循环水不经过自然冷却机组，仅由冷水机组对循环水降温，达到设计水温后直接供向末端空调装置。

在春、秋季的过渡季时，自然冷却机组和风冷冷水机组联合运行。此时，自然冷却机组进水管上的阀门开启，旁通阀门关闭，风冷冷水机组旁通阀门关闭，风冷冷水机组出口管上的阀门开启，系统循环水先经过自然冷却机组，再经过风冷冷水机组，在过渡季室外温度较低的工况下，仍单独由自然冷却机组为系统制取符合设计参数要求的冷水，在流经冷水机组时，冷水机组并不工作。当过渡季室外温度较高时，自然冷却机组制取的冷水温度已经无法满足设计参数，此时自然冷却机组作为风冷冷水机组的预冷器，将循环水的温度降低一定程度，剩余的热量由风冷冷水机组承担，由冷水机组制取符合设计参数要求的冷水。在第二种方案下，一、二次循环水通过换热器进行热交换，从而保证供向末端空调装置的二次侧循环水温度达到设计参数要求。在第一种方案下，自然冷却机组与冷机联合运转制取符合设计要求的水温后，直接供向末端空调装置。

在实行昼夜电价差的城市，可以利用夜间电费较低的特点，制取大量系统所需的低温水并存入蓄冷装置，待白天用电高峰，电价较高的时段，关闭制冷机组，利用蓄冷装置内的低温水为系统供冷。另外，当由于系统制冷机组出现故障或其他不可测的原因导致系统环路水温升高达不到设计参数要求时，作为应急方式也可以开启蓄冷装置，为系统在线供冷，保证机房在系统出现故障的情况下，仍可以维持室内温度在一定时间内符合设计参数要求。

本发明与现有技术相比有益效果如下：

1、本发明使用温度范围广，换热效果好，本发明中采用的自然冷却机组可以在室外温度16℃以下的环境工作，在北方大部分地区可以使用7个月左右的时间，有5个月左右的时间可以单独使用，完全利用室外天然冷源为系统提供冷负荷；在过渡季夜间，温度较低时，仍可以单独使用，在过渡季白天温度较高时可以作为冷水机组的预冷器使用，减少冷水机组压缩机使用频率，同时使冷水机组处于低功率状态运行，因此节能效果明显。以1100kw制冷量为例，冷水机组的额定功率为300kw左右，本发明采用的自然冷却机组功率仅为80kw，经统计计算，采用本发明的系统形式比单独使用冷机的系统每年每千瓦冷负荷节省0.08万元，则对于总冷负荷5000kw的中型IDC机房每年节电约电费400万左右。

2、本发明全部采用闭式循环系统，因此更适合用于严寒及寒冷的地区。无论是开式冷却塔还是闭式冷却塔都需要采用喷淋水，则必然需要整个系统采用更为安全的防冻保温措施，而且还需另设除冰方案等。因此，与水冷方式相比，本发明可以为业主在保温防冻方面节省大量的时间和资金。

3、由于本发明采用闭式循环系统，因此系统耗水量很小，即使与闭式冷却塔形式相比，由于闭式冷却塔同样需要采用喷淋水，其飘逸率在1％左右，而本发明完全采用闭式循环，无任何循环水与室外空气接触的环节，因此如果系统不存在漏水点的前提下，补水量很小。在缺水的地区该方式比闭式冷却塔形式更节水，以7000kw制冷负荷数据中心为例，每年可以节约用水量约为300t左右。

4、本发明的蓄冷装置，在夏季工况下，可以利用昼夜电价差，采用“移峰填谷”的方式，减少白天制冷机组开启时间，为业主节约运行成本。同时，利用蓄冷装置在不同状态下的阀门切换，可以实现系统的在线充冷，离线蓄冷，节能供冷及系统出现故障情况下的紧急供冷等方式，以保证IDC机房的运行稳定。

5、本发明控制原理清晰，在不同季节交替时，仅需切换相应阀门即可实现不同工况下的运行状态。同时本发明的系统形式也十分简单，因此维修保养费用也很低。

附图说明

图1为本发明方案1制冷系统流程图。

图2为本发明方案2制冷系统流程图。

图中：1、风冷冷水机组，2、自然冷却机组，3、蓄冷罐，4、换热器，5、循环泵，6、一次侧循环泵，7、二次侧循环泵，8、末端空调装置，9、补水定压装置、10、一次侧补水定压装置，11、二次侧补水定压装置，12、补水箱，13、一次侧补水箱，14、二次侧补水箱，15、软化水装置，16、温度传感器，17、供水环管，18、回水环管，19、一次侧供水环管，20、一次侧回水环管，21、二次侧供水环管，22、二次侧回水环管。

具体实施方式

实施例1

用于IDC数据中心空调水系统。在图1所示的风冷自然冷却与冷水机组相结合的冷却系统流程图中，并列的5个自然冷却机组2(名称:《一种应用于数据中心制冷系统的自然冷却机组》，专利号：201520393433.8，制冷量为1400kw)，其各出水口均通过管路与风冷冷水机组1(名称:螺杆式风冷冷水机组，制冷量为1400kw)进水口相连，该风冷冷水机组的出水口通过管路与一次侧水系统供水环管19进水侧相连。该一次侧水系统供水环管的出水侧通过管路与换热器4的一次侧进口相连，该换热器的一次侧出口又通过管路与一次侧循环泵6相连，该一次侧循环泵通过管路与一次侧水系统回水环管20进水侧相连，该一次水系统回水环管出水侧通过管路与上述各自然冷却机组的进水口相连，构成完整的一次侧循环回路；换热器的二次侧出口又通过管路与二次侧水系统供水环管21进水侧相连，该二次侧水系统供水环管出水侧通过管路与末端空调装置8进水口相连，该末端空调装置的出水口与二次侧水系统回水环管22进水侧通过管路相连，该回水环管出水侧均通过设有二次侧循环泵7的管路与各自的换热器二次侧进口相连，构成完整的二次侧循环回路。在一次侧水系统回水环管和进水环管的出水侧各设一根支管，这两支管的另一端分别与蓄冷装置3进、出水口连接，即蓄冷装置进水口与回水环管连接，蓄冷装置出水口与供水环管连接。又在上述自然冷却机组进、出口管之间设有旁通管，旁通管上设置有阀门V2，在自然冷却机组进口管上设置阀门V1；在风冷冷水机组进、出口管之间也设有旁通管，旁通管上设有阀门V3，在风冷冷水机组出口管上设置阀门V4，在蓄冷装置进出口管之间设置旁通管，在旁通管和进、出口管上均设置阀门，进口管阀门为V5，出口管阀门为V6，旁通管阀门为V7，以上设置的阀门是电动阀门。上述每个一次侧循环泵入口处各通过一根支管与同一根一次干管相连，该一次干管与一次侧定压补水装置10连接，该一次侧定压补水装置与一次侧补水箱13连接，该一次侧补水箱与自来水管相连。另在一次供水环管上设温度传感器16。同理，上述每个二次侧循环泵7入口处各通过一根支管与同一根二次干管相连，该二次干管与二次侧定压补水装置11连接，该二次侧定压补水装置与二次侧补水箱14连接，该二次侧补水箱与软化水装置15相连，该软化水装置又与自来水管相连。另在二次供水环管上设温度传感器16。

实施例2

用于IDC数据中心空调水系统。在图2所示的风冷自然冷却与冷水机组相结合的冷却系统流程图中，并列的5个自然冷却机组2(名称:《一种应用于数据中心制冷系统的自然冷却机组》，专利号：201520393433.8制冷量为1100kw，其各出水口均通过管路与风冷冷水机组1(名称:螺杆式风冷冷水机组，制冷量为1100kw)进水口相连，该风冷冷水机组的出水口通过管路与供水环管17进水侧相连。该供水环管的出水侧通过管路与末端空调装置8进水口相连，该末端空调装置的出水口与回水环管18进水侧通过管路相连，回水环管出水侧均通过设有循环泵5的管路与上述各自然冷却机组的进水口相连，构成完整的循环回路。在回水环管和进水环管出水侧各设一根支管，这两支管的另一端分别与蓄冷装置3进、出水口连接，即蓄冷装置进水口与回水环管连接，蓄冷装置出水口与供水环管连接。又在上述自然冷却机组进、出口管之间设有旁通管，旁通管上设置有阀门V2，在自然冷却机组进口管上设置阀门V1；在风冷冷水机组进、出口管之间也设有旁通管，旁通管上设有阀门V3，在风冷冷水机组出口管上设置阀门V4，在蓄冷装置进出口管之间设置旁通管，在旁通管和进、出口管上均设置阀门，进口管阀门为V5，出口管阀门为V6，旁通管阀门为V7，以上设置的阀门是电动阀门。上述每个循环泵入口处各通过一根支管与同一干管相连，该干管与定压补水装置9连接，该定压补水装置与补水箱12连接，该补水箱与软化水装置15相连，该软化水装置与自来水管相连。另在供水环管上设温度传感器16。

Claims (4)

1.一种风冷自然冷却与冷水机组相结合的冷却系统，其特征在于：并列的自然冷却机组，其各出水口均通过管路与风冷冷水机组进水口相连，该风冷冷水机组的出水口通过管路与供水环管进水侧相连，该供水环管的出水侧通过管路与末端空调装置进水口相连，该末端空调装置的出水口与回水环管进水侧通过管路相连，回水环管出水侧均通过设有循环泵的管路与上述各自然冷却机组的进水口相连，构成完整的循环回路，又在上述自然冷却机组进、出口管之间设有旁通管，旁通管上设置有阀门V2，在自然冷却机组进口管上设置阀门V1；在风冷冷水机组进、出口管之间也设有旁通管，旁通管上设有阀门V3，在风冷冷水机组出口管上设置阀门V4，在蓄冷装置进出口管之间设置旁通管，在旁通管和进、出口管上均设置阀门，进口管阀门为V5，出口管阀门为V6，旁通管阀门为V7，每个循环泵入口处各通过一根支管与同一干管相连，该干管与定压补水装置连接，该定压补水装置与补水箱连接，另在供水环管上设温度传感器。

2.根据权利要求1所述的风冷自然冷却与冷水机组相结合的冷却系统，其特征在于：在回水环管和进水环管出水侧各设一根支管，这两支管的另一端分别与蓄冷装置进、出水口连接，即蓄冷装置进水口与回水环管连接，蓄冷装置出水口与供水环管连接。

3.一种风冷自然冷却与冷水机组相结合的冷却系统，其特征在于：并列的自然冷却机组，其各出水口均通过管路与风冷冷水机组进水口相连，该风冷冷水机组的出水口通过管路与一次侧水系统供水环管进水侧相连，该一次侧水系统供水环管的出水侧通过管路与换热器的一次侧进口相连，该换热器的一次侧出口又通过管路与一次侧循环泵相连，该一次侧循环泵通过管路与一次侧水系统回水环管进水侧相连，该一次水系统回水环管出水侧通过管路与上述各自然冷却机组的进水口相连，构成完整的一次侧循环回路；换热器的二次侧出口又通过管路与二次侧水系统供水环管进水侧相连，该二次侧水系统供水环管出水侧通过管路与末端空调装置进水口相连，该末端空调装置的出水口与二次侧水系统回水环管进水侧通过管路相连，该回水环管出水侧均通过设有二次侧循环泵的管路与各自的换热器二次侧进口相连，构成完整的二次侧循环回路；又在上述自然冷却机组进、出口管之间设有旁通管，旁通管上设置有阀门V2，在自然冷却机组进口管上设置阀门V1；在风冷冷水机组进、出口管之间也设有旁通管，旁通管上设有阀门V3，在风冷冷水机组出口管上设置阀门V4，在蓄冷装置进出口管之间设置旁通管，在旁通管和进、出口管上均设置阀门，进口管阀门为V5，出口管阀门为V6，旁通管阀门为V7，每个一次侧循环泵入口处各通过一根支管与同一根一次干管相连，该一次干管与一次侧定压补水装置连接，该一次侧定压补水装置与一次补水箱连接，另在一次供水环管上设温度传感器，同理，每个二次侧循环泵入口处各通过一根支管与同一根二次干管相连，该二次干管与二次侧定压补水装置连接，该二次侧定压补水装置与二次补水箱连接，另在二次供水环管上设温度传感器。

4.根据权利要求3所述的风冷自然冷却与冷水机组相结合的冷却系统，其特征在于：在一次侧水系统回水环管和进水环管的出水侧各设一根支管，这两支管的另一端分别与蓄冷装置进、出水口连接，即蓄冷装置进水口与回水环管连接，蓄冷装置出水口与供水环管连接。