CN106642799A - 一种数据中心冷热联供系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种数据中心冷热联供系统，包括太阳能吸收式辅助供冷系统、液冷散热系统、液冷热回收辅助供热系统和控制系统；所述控制系统用于控制所述太阳能吸收式辅助供冷系统、所述液冷散热系统和所述液冷热回收辅助供热系统的运行方式的切换。本发明利用太阳能吸收式制冷技术与液冷技术良好的互补性，通过利用液冷热回收辅助供热系统回收液冷散热量为太阳能空调系统辅助供热，克服了传统太阳能空调系统需要电能、化学能等辅助能源供热，从而造成经济成本过高的难题，在冷热联供节能的同时减少数据中心热量排向大气的浪费，有利于促进太阳能制冷技术和液冷技术在数据中心的实际应用。
Description
技术领域
本发明涉及机房采暖散热系统，尤其是涉及一种数据中心冷热联供系统及其控制方法。
背景技术
液冷致冷技术采用液体作为机房的散热介质，具有比热容大，热阻低，供冷精确性高的特点，是一种新型节能高效的数据中心致冷方式。但是由于受到实际工艺实现复杂度、工程造价、维护便利性等方面因素的影响，液冷致冷系统不能将服务器发热量100%排走。通常情况下，液冷系统可以带走服务器主要发热元件——CPU的发热量（约占服务器总散热量60%～80%），服务器中其他部件的散热量则通过传统的电压缩制冷方式的机房精密空调实现。对超大型、超高密度数据中心而言，液冷服务器单机柜功率高达20～50kW，每个机柜需要机房精密空调处理4～20kW以上的热量（服务器总散热量的20%～40%）。如果辅助制冷装置仍然采用传统的电压缩制冷方式，则其巨大的能耗、噪声、使用非环保含氟利昂制冷剂等因素会严重限制了数据中心节能减排的进一步提高。
太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色可再生能源。太阳能吸收式制冷技术的应用可以显著降低空调能耗、有效减少化石能源消耗量，产生积极的社会和经济效益。除此之外，太阳能吸收式制冷系统还具有采用环境友好工质、清洁无污染、安全等诸多优点。因此，太阳能吸收式制冷技术被认为是降低能耗和减少温室效应的理想方案。但是太阳辐射具有季节性变化和昼夜交替的不稳定性特点，采用太阳能作为唯一的驱动热源通常难于满足冷负荷的需求。为保证太阳能空调系统的持续稳定运行，需要在系统中设置辅助加热装置，一般采用天然气、石油等化石能源或者电能作为辅助能源，这将会导致系统运行成本过高，使系统丧失经济性，限制了太阳能空调的实际应用。
发明内容
为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种采用太阳能吸收式制冷技术与液冷技术互补的一种数据中心冷热联供系统。
本发明还提供了一种上述数据中心冷热联供系统的控制方法。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种数据中心冷热联供系统，包括太阳能吸收式辅助供冷系统和液冷散热系统，还包括液冷热回收辅助供热系统和控制系统；所述太阳能吸收式辅助供冷系统包括太阳能集热器、与所述太阳能集热器形成第一热循环回路的蓄热箱、与所述蓄热箱形成第二热循环回路的吸收式制冷机、与所述吸收式制冷机形成第一冷循环回路的空调末端；所述液冷散热系统包括液冷服务器机柜、与所述液冷服务器机柜形成内循环回路的中间换热器、与所述中间换热器形成外循环回路的冷却单元；所述液冷热回收辅助供热系统包括高温水源热泵机组，所述高温水源热泵机组包括依次连接并形成循环回路的冷凝器、节流阀、蒸发器和压缩机；所述冷凝器与所述蓄热箱连接形成循环回路，所述蒸发器与中间换热器连接形成循环回路；所述控制系统用于控制所述太阳能吸收式辅助供冷系统、所述液冷散热系统和所述液冷热回收辅助供热系统的运行方式的切换。
通过以上连接，可以将液冷散热系统的余热通过中间换热器转换至高温水源热泵机组的蒸发器，再通过高温水源热泵机组的循环系统由冷凝器将热量转换至蓄热箱中，由此达到利用液冷散热系统的余热为太阳能空调系统辅助供热，从而降低能源的浪费，提高能源利用率。
在本发明中，液冷散热系统用于带走机房中主要散热元部件CPU的热量，而太阳能吸收式辅助供冷系统用于吸收机房中液冷散热系统无法带走的剩余热量，液冷热回收辅助供热系统用于利用液冷散热系统的余热对太阳能吸收式辅助供冷系统进行辅助供热，如此利用太阳能与热回收技术，实现了数据中心冷热联供。本发明利用太阳能吸收式制冷技术与液冷技术良好的互补性，通过利用液冷热回收辅助供热系统回收液冷散热量为太阳能空调系统的辅助供热，克服了传统太阳能空调系统需要电能、化学能等辅助能源供热，从而造成经济成本过高的难题，在冷热联供节能的同时减少数据中心热量排向大气的浪费，有利于促进太阳能制冷技术和液冷技术在数据中心的实际应用。
进一步地，所述控制系统包括温度传感器、电动阀以及分别与所述温度传感器和电动阀连接的控制器；所述温度传感器用于采集所述蓄热箱和所述蒸发器的温度，所述电动阀用于切换中间换热器与所述蒸发器或所述冷却单元换热。
进一步地，所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器设于所述蓄热箱的出口处，所述第二温度传感器设于所述蒸发器的出口处。
进一步地，所述电动阀包括第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀和第四电动阀；所述第一电动阀设于所述冷却单元的进口处，所述第二电动阀设于所述冷却单元的出口处，所述第三电动阀设于所述蒸发器的进口处，所述第四电动阀设于所述蒸发器的出口处。
进一步地，所述控制系统还包括变频器，所述变频器与所述控制器相连；所述第一热循环回路连接有第一热源泵，所述第一热源泵与所述变频器相连。控制器可根据接收到的温度传感器的信息控制变频器，以改变第一循环回路中循环介质的流量和流速，从而改变从蓄热箱出口的温度。
优选地，所述空调末端为冷水背板或者列间空调。
优选地，所述冷却单元为冷却塔或者干冷器；所述中间换热器为板式换热器。
一种实现数据中心冷热联供系统的控制方法，启动数据中心冷热联供系统时默认启动太阳能吸收式辅助供冷系统和液冷散热系统，第一电动阀和第二电动阀为打开状态，第三电动阀和第四电动阀为关闭状态；
根据控制器所接收到的第一温度传感器的温度信号，控制器的动作如下：
a：第一温度传感器的温度信号处于控制器设定的范围内时，控制器保持第一电动阀和第二电动阀为打开状态，第三电动阀和第四电动阀为关闭状态，即高温水源热泵机组停止工作，冷却单元开启工作；
b：第一温度传感器的温度信号高于控制器设定的范围内时，控制器降低变频器的频率，从而降低第一热源泵的流量，进而减少从太阳能集热器传递到蓄热箱的热量；
c：第一温度传感器的温度信号低于控制器设定的最小值时，控制器关闭第一电动阀和第二电动阀，打开第三电动阀和第四电动阀，同时高温水源热泵机组启动工作，由高温水源热泵机组为吸收式制冷机提供辅热。
进一步地，控制器执行动作c后，当第二温度传感器的温度信号高于控制器设定的最大值时，控制器打开第一电动阀和第二电动阀，由冷却单元带走部分外循环热负荷。
与现有技术比较，本发明的有益效果如下：
1. 本发明提供了一种数据中心冷热联供系统，利用太阳能吸收式制冷技术与液冷技术良好的互补性，通过利用液冷热回收辅助供热系统回收液冷散热量为太阳能空调系统的辅助供热，克服了传统太阳能空调系统需要电能、化学能等辅助能源供热，从而造成经济成本过高的难题，在冷热联供节能的同时减少数据中心热量排向大气的浪费，有利于促进太阳能制冷技术和液冷技术在数据中心的实际应用。同时，利用了太阳能与热回收技术，实现了数据中心冷热联供。
2. 本发明还提供了一种上述数据中心冷热联供系统的控制方法，能根据太阳辐射的变化自动切换不同的工作方式，保证吸收式辅助供冷系统持续不断运行，满足数据中心24h供冷的需求，具有节能环保，高效经济的特点。
附图说明
图1为本发明所提供的数据中心冷热联供系统示意图。
附图说明：1. 太阳能集热器；2. 第一热源泵；3. 蓄热箱；4. 第二热源泵；5. 吸收式制冷机；6. 冷冻水泵；7. 空调末端；8. 液冷服务器机柜；9. 内循环泵；10. 中间换热器；11. 第一电动阀；12. 冷却单元；13. 第二电动阀；14. 外循环泵；15. 第三电动阀；16.高温水源热泵蒸发器；17. 第四电动阀；18. 压缩机；19. 高温水源热泵冷凝器；20. 节流阀；21. 第三热源泵；22. 第一温度传感器；23. 第二温度传感器；24. 变频器；25. 控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。
实施例
如图1所示，一种数据中心冷热联供系统，包括太阳能吸收式辅助供冷系统、液冷散热系统、液冷热回收辅助供热系统和控制系统。液冷散热系统用于带走机房中主要散热元部件CPU的热量，而太阳能吸收式辅助供冷系统用于吸收机房中液冷散热系统无法带走的剩余热量，液冷热回收辅助供热系统用于利用液冷散热系统的余热对太阳能吸收式辅助供冷系统进行辅助供热，控制系统用于控制所述太阳能吸收式辅助供冷系统、所述液冷散热系统和所述液冷热回收辅助供热系统的运行方式的切换。
太阳能吸收式辅助供冷系统包括太阳能集热器1、与所述太阳能集热器1形成第一热循环回路的蓄热箱3、与所述蓄热箱3形成第二热循环回路的吸收式制冷机5、与所述吸收式制冷机5形成第一冷循环回路的空调末端7，其中第一热循环回路还包括第一热源泵2，第二热循环回路还包括第二热源泵4，第一冷循环回路还包括冷冻水泵6。
液冷散热系统包括液冷服务器机柜8、与所述液冷服务器机柜8形成内循环回路的中间换热器10、与所述中间换热器10形成外循环回路的冷却单元12，其中内循环回路还包括内循环泵9，外循环回路还包括外循环泵14。
液冷热回收辅助供热系统包括高温水源热泵机组，所述高温水源热泵机组包括依次连接并形成循环回路的冷凝器19、节流阀20、蒸发器16和压缩机18；冷凝器19与蓄热箱3连接形成第三热循环回路，蒸发器16与中间换热器10连接形成循环回路，其中第三热循环回路还包括第三热源泵21。
控制系统包括控制器25、温度传感器、电动阀和变频器24；其中，蓄热箱3出口处设有第一温度传感器22，所述高温水源热泵机组的蒸发器16出口处设置有第二温度传感器23；冷却单元12的进口和出口分别设有第一电动阀11和第二电动阀13，所述高温水源热泵机组的蒸发器16的进口和出口分别设有第三电动阀15和第四电动阀17；变频器24与第一热源泵2相连；第一温度传感器22、第二温度传感器23、第一电动阀11、第二电动阀13、第三电动阀15、第四电动阀17和变频器24分别与控制器25相连。
其中，中间换热器10为板式换热器或者其他形式的换热器，优选板式换热器。
优选地，空调末端7为冷水背板或者列间空调。
优选地，冷却单元12为冷却塔或者干冷器。
一种实现数据中心冷热联供系统的控制方法，启动数据中心冷热联供系统时默认启动太阳能吸收式辅助供冷系统和液冷散热系统，第一电动阀和第二电动阀为打开状态，第三电动阀和第四电动阀为关闭状态；
根据控制器25所接收到的第一温度传感器22的温度信号，控制器25的动作如下：
a：第一温度传感器22的温度信号处于控制器25设定的范围内时，控制器25保持第一电动阀11和第二电动阀13为打开状态，第三电动阀15和第四电动阀17为关闭状态，即高温水源热泵机组停止工作，冷却单元12开启工作；
b：第一温度传感器22的温度信号高于控制器25设定的范围内时，控制器25降低变频器24的频率，从而降低第一热源泵2的流量，进而减少从太阳能集热器传递到蓄热箱3的热量；
c：第一温度传感器22的温度信号低于控制器25设定的最小值时，控制器25关闭第一电动阀11和第二电动阀13，打开第三电动阀15和第四电动阀17，同时高温水源热泵机组启动工作，由高温水源热泵机组为吸收式制冷机5提供辅热。
当夏季白天，太阳辐射充足时，且第一温度传感器22的温度信号处于控制器设定的范围内时，控制器25执行动作a，太阳能集热器1吸收太阳能，使流经其中的工作介质温度升高，在第一热源泵2的驱动下将热量传递至蓄热箱3，蓄热箱3内的工作流体被同步加热后，由第二热源泵4输送到吸收式制冷机5的发生器中，在热源的驱动下，吸收式制冷机5制取的冷冻水由冷冻水泵6输送到空调末端7中，吸收机房中液冷散热系统无法带走的其余热量。机房中主要散热元部件CPU的热量则由液冷系统带走：工作流体吸收液冷服务器机柜内CPU的发热量后，温度升高，在内循环泵9的作用下进入中间换热器10，与来自冷却单元12的低温冷却介质换热降温后重新进入液冷服务器机柜8内吸收CPU的发热量。低温冷却介质在中间换热器10中吸热升温后由外循环泵14输送到冷却单元12中，与大气环境换热降温后重新进入中间换热器10，如此循环，最终将服务器CPU的发热量传递到大气环境中。如此实现利用太阳能制冷技术与液冷技术共同为数据中心散热降温的目的。
当第一温度传感器22接受到的温度信号高于控制器25设定的最大值时，控制器执行动作b，则通过控制器25降低变频器24的频率，从而降低第一热源泵2的流量，进而减少从集热器1传递到蓄热箱3的热量，避免吸收式制冷机5因发生温度过高出现结晶风险；当第一温度传感器22接受到的温度信号低于控制器5设定的最小值，则通过控制器5关闭第一电动阀11和第二电动阀13，打开第三电动阀15和第四电动阀17，同时启动压缩机18和第三热源泵21，由高温水源热泵机组为吸收式制冷机5提供辅佐热能。
太阳辐射量不足或无太阳辐射时，控制器执行动作c，工作流体吸收液冷服务器CPU的发热量，在内循环泵9的作用下将所吸收的热量传递到中间换热器10中，中间换热器10中的低温冷却介质吸收这部分热量升温，由外循环泵14输送到高温水源热泵蒸发器16中，在其中被高温水源热泵机组制冷剂蒸发吸热，降温后重新进入中间换热器10。吸热蒸发后的制冷剂蒸汽经过压缩机18升温升压后，在冷凝器19中冷凝成饱和液态制冷剂，并释放出冷凝热，加热来自蓄热箱3的工作流体。蓄热箱3内的工作流体被加热后由第二热源泵4输送到吸收式制冷机5的发生器中。最终实现将液冷服务器CPU的散热量传递至吸收式制冷机发生器中加以利用的目的，从而保证机房24h不间断供冷的需求。另外，在冬季的时候，数据中心除了有供冷的需求，与数据中心配套的周边办公、运维、宿舍等建筑还有采暖和生活热水的需要，则蓄热箱3不仅向吸收式制冷机5提供驱动热源，还同时为数据中心周边建筑提供采暖和生活热水。
控制器执行动作c后，当第二温度传感器23接受到的温度信号高于控制器25设定的最大值时，则通过控制器25打开第一电动阀11和第二电动阀13，由冷却单元12带走部分外循环热负荷。
本实施例提供了一种数据中心冷热联供系统，利用太阳能吸收式制冷技术与液冷技术良好的互补性，通过利用液冷热回收辅助供热系统回收液冷散热量为太阳能空调系统的辅助供热，克服了传统太阳能空调系统需要电能、化学能等辅助能源供热，从而造成经济成本过高的难题，在冷热联供节能的同时减少数据中心热量排向大气的浪费，有利于促进太阳能制冷技术和液冷技术在数据中心的实际应用。同时，利用了太阳能与热回收技术，实现了数据中心冷热联供。本实施例还提供了一种上述数据中心冷热联供系统的控制方法，能根据太阳辐射的变化自动切换不同的工作方式，保证吸收式辅助供冷系统持续不断运行，满足数据中心24h供冷的需求，具有节能环保，高效经济的特点。
Claims (8)
1.一种数据中心冷热联供系统，包括太阳能吸收式辅助供冷系统和液冷散热系统，其特征在于，还包括液冷热回收辅助供热系统和控制系统；
所述太阳能吸收式辅助供冷系统包括太阳能集热器、与所述太阳能集热器形成第一热循环回路的蓄热箱、与所述蓄热箱形成第二热循环回路的吸收式制冷机、与所述吸收式制冷机形成第一冷循环回路的空调末端；
所述液冷散热系统包括液冷服务器机柜、与所述液冷服务器机柜形成内循环回路的中间换热器、与所述中间换热器形成外循环回路的冷却单元；
所述液冷热回收辅助供热系统包括高温水源热泵机组，所述高温水源热泵机组包括依次连接并形成循环回路的冷凝器、节流阀、蒸发器和压缩机；所述冷凝器与所述蓄热箱连接形成循环回路，所述蒸发器与中间换热器连接形成循环回路；
所述控制系统用于控制所述太阳能吸收式辅助供冷系统、所述液冷散热系统和所述液冷热回收辅助供热系统的运行方式的切换。
2.根据权利要求1所述的数据中心冷热联供系统，其特征在于，所述控制系统包括温度传感器、电动阀以及分别与所述温度传感器和电动阀连接的控制器；所述温度传感器用于采集所述蓄热箱和所述蒸发器的温度，所述电动阀用于切换中间换热器与所述蒸发器或所述冷却单元换热。
3.根据权利要求2所述的数据中心冷热联供系统，其特征在于，所述温度传感器包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器设于所述蓄热箱的出口处，所述第二温度传感器设于所述蒸发器的出口处。
4.根据权利要求2所述的数据中心冷热联供系统，其特征在于，所述电动阀包括第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀和第四电动阀；所述第一电动阀设于所述冷却单元的进口处，所述第二电动阀设于所述冷却单元的出口处，所述第三电动阀设于所述蒸发器的进口处，所述第四电动阀设于所述蒸发器的出口处。
5.根据权利要求2所述的数据中心冷热联供系统，其特征在于，所述控制系统还包括变频器，所述变频器与所述控制器相连；所述第一热循环回路连接有第一热源泵，所述第一热源泵与所述变频器相连。
6.根据权利要求1所述的数据中心冷热联供系统，其特征在于，所述空调末端为冷水背板或者列间空调。
7.一种实现数据中心冷热联供系统的控制方法，其特征在于，启动数据中心冷热联供系统时默认启动太阳能吸收式辅助供冷系统和液冷散热系统，第一电动阀和第二电动阀为打开状态，第三电动阀和第四电动阀为关闭状态；
根据控制器所接收到的第一温度传感器的温度信号，控制器的动作如下：
a：第一温度传感器的温度信号处于控制器设定的范围内时，控制器保持第一电动阀和第二电动阀为打开状态，第三电动阀和第四电动阀为关闭状态，即高温水源热泵机组停止工作，冷却单元开启工作；
b：第一温度传感器的温度信号高于控制器设定的范围内时，控制器降低变频器的频率，从而降低第一热源泵的流量，进而减少从太阳能集热器传递到蓄热箱的热量；
c：第一温度传感器的温度信号低于控制器设定的最小值时，控制器关闭第一电动阀和第二电动阀，打开第三电动阀和第四电动阀，同时高温水源热泵机组启动工作，由高温水源热泵机组为吸收式制冷机提供辅热。
8.根据权利要求7所述的实现数据中心冷热联供系统的控制方法，其特征在于，控制器执行动作c后，当第二温度传感器的温度信号高于控制器设定的最大值时，控制器打开第一电动阀和第二电动阀，由冷却单元带走部分外循环热负荷。
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-
2016
- 2016-12-26 CN CN201611219186.5A patent/CN106642799A/zh active Pending
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