CN106679245A - 一种基于热管传热的双温混合冷源空调系统 - Google Patents

一种基于热管传热的双温混合冷源空调系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于热管传热的双温混合冷源空调系统，该空调系统包括室内侧和室外侧两部分，包括风冷冷却系统、液冷冷却系统和控制系统；风冷冷却系统用于保障数据中心机房整体环境，安装于数据中心机柜列间，通过蒸汽压缩制冷的方式带走机房环境的热量；液冷冷却系统直接用于通信机柜内发热设备的降温，通过冷却液体的蒸发带走发热设备的发热量；风冷冷却系统包压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置、蒸发器风机和热管蒸发段；液冷冷却系统包括冷量分配单元(CDU)、液冷单元；所述控制系统包括室内侧温度传感器、室外侧温度传感器和微处理器。本发明针对机房内不同环境进行独立控制，适用于多种冷源设备，提高能源利用率。

Description

一种基于热管传热的双温混合冷源空调系统
技术领域
本发明特别涉及一种基于热管传热的双温混合冷源空调系统。
背景技术
目前，数据中心机房常用的空调有空气压缩式制冷系统、水冷前门空调系统和背板热管空调系统。空气压缩式制冷系统通过冷却整体机房内的环境温度来降低服务器内的温度，冷量的二次转换造成冷量的浪费，且受空调送风距离的限制，容易造成机房内的局部热点；水冷前门空调系统将换热模块直接安装于服务器出风口处，降低服务器的出风温度，但该系统通过冷冻水来降低服务器的出风温度，冷冻水直接送入机柜前门，具有极大的泄露风险，且该系统虽然能降低服务器的出风温度，但服务器的出风并非完全是服务器的回风，造成部分的冷量浪费；背板热管空调系统通过背板热管单元内的工质相变实现冷量的传递，避免冷冻水直接进机房带来的泄露风险，且直接处理服务器进风口处的热空气，保证所有冷量均被服务器利用，避免冷量的浪费；但背板热管系统与机柜为二次连接，结构复杂，实施成本高。
从以上几个方案可以看出，上述方案均通过冷却机房空气实现通信设备的降温，冷量传输过程中存在较大能量损失。因此，有必要设计一种直接针对通信设备降温的空调系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于热管传热的双温混合冷源空调系统，该空调系统包括两种不同方式不同工作温度的制冷系统，其中液冷冷却系统直接针对通信设备降温，避免冷量传输过程的损失；风冷冷却系统通过蒸汽压缩式制冷方式带走数据中心内的其他热量。该双温混合冷源列间空调系统能显著提高能源利用率。
发明的技术解决方案如下：
一种基于热管传热的双温混合冷源空调系统，包括室外侧设备、室内侧设备和控制系统；
(1)室内侧设备包括风冷室内侧设备和液冷室内侧设备；
(1.1)风冷室内侧设备包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置、直流蒸发器风机和热管蒸发段；其中蒸发器风机安装在蒸发器侧，热管蒸发段与冷凝器融合在一起，通过热管内工质的蒸发带走冷凝器的热量。
(2.1)液冷室内侧设备包括冷量分配单元(CDU)和液冷单元；
压缩机、蒸发器、节流装置和冷凝器依次串联形成风冷通路；
液冷单元为2个，分别与冷凝器和冷量分配单元相连；
(2)室外测设备包括水冷机组、冷却水泵、冷却塔、中间换热器、冷冻水泵、定压膨胀罐和除垢仪，还包括其他辅助设备；
所述的中间换热器与水冷机组通过三通阀并联，中间换热器和水冷机组共用冷却水供回水管路和冷冻水供回水管路；
冷冻水供水管路上设有所述的除垢仪和冷冻水泵；定压膨胀罐与除垢仪和冷冻水泵之间的管路相连；冷冻水供水管路和回水管路之间设有旁通阀；
中间换热器与水冷机组通过冷却水供回水管路与冷却塔相连；所述的冷却水泵设置在冷却水回水管路上；
冷冻水供回水管路与冷量分配单元相连；
所述的控制系统包括室内侧温度传感器、室外侧温度传感器和微处理器；室内侧温度传感器和室外侧温度传感器均与微处理器相连；室外侧设备、室内侧设备均受控于控制系统。
所述的冷却塔包括冷凝风机、布水器、喷淋装置和填料层；冷却塔上设有进风口；冷凝风机、布水器、喷淋装置、填料层和进风口自上而下依次布置；布水器与喷淋装置相连；所述的冷却塔底部设有除垢装置。
水冷机组采用螺杆式水冷机组、涡旋式水冷机组；
所述的中间换热器为板式换热器或壳管式换热器；
冷却水泵采用叶片式泵、容积式泵或喷射式泵；
冷却塔采用开式冷却塔；
冷冻水泵采用叶片式泵、容积式泵或喷射式泵；
定压膨胀罐采用囊式定压罐或隔膜式定压罐；
除垢仪采用电子除垢仪；
所述的冷媒分配器采用板式换热器或壳管式换热器；所述的制冷终端采用铜管铝翅片结构或微通道平行流结构。
所述的冷凝风机采用轴流风机；
填料层中的填料采用S波填料、斜交错填料、台阶式梯形斜波填料、差位式正弦波填料、点波填料、六角蜂窝填料、双向波填料或斜折波填料。冷却塔填料为PVC或UPVC。
所述的风冷冷却系统室内侧冷凝器安装于室内侧机柜内，与冷媒分配单元通过管路连接，通过冷媒的蒸发带走冷凝器散发的热量。
所述的液冷单元直接安装于发热设备表面，通过循环工质的沸腾吸收发热设备的发热量。
室外测设备还包括降温模块；降温模块通过阀门与冷冻水的供回水管路相连；降温模块受控于控制系统；降温模块为风-水换热器，用于采用室外的空气为冷冻水系统中的冷冻水降温；降温模块中设有风机。
当室外环境温度小于等于T3时，关闭水冷机组和冷却塔，开启降温模块，此时无冷却水循环；T3为-8～-12℃中的某一温度值。
所述的室内侧设备为一套或多套；室内侧设备为多套时，多套室内侧设备并联。
室内侧设备均安装在一个室内机柜内。
控制方法如下：
设置温度控制点T1和T2；且T1＞T2；T1为15-25℃中的某一值；T2为-2～2℃中的某一值；
(1)当室外温度大于T1时，开启水冷机组和冷却塔，此时冷却水在水冷机组和冷却塔之间循环；此时冷冻水泵与水冷机组接通，通过三通阀的设置，降温模块和中间换热器不接入系统(即不参与工作)；
(2)当室外温度大于T2且小于等于T1时，关闭水冷机组，开启冷却塔和中间换热器，此时冷却水在中间换热器和冷却塔之间循环；利用冷却塔内的循环冷却水为中间换热器提供冷量；冷凝风机开启；利用冷却塔内的循环冷却水为中间换热器提供冷量；冷凝风机开启；此时冷冻水泵与中间换热器接通，利用冷却塔内的循环冷却水为中间换热器提供冷量；冷凝风机开启；此时，通过三通阀的设置，降温模块和冷水主机不接入系统(即不参与工作)；
(3)当室外环境温度小于等于T2时，关闭水冷机组和冷却塔的风机，开启冷却塔的喷淋装置和中间换热器，此时冷却水在中间换热器和冷却塔之间循环，冷凝风机关闭；此时冷冻水泵与中间换热器接通；此时，通过三通阀的设置，降温模块和冷水主机不接入系统(即不参与工作)；
作为优选，T1和T2分别为20℃和0℃。
(4)当室外环境温度小于等于T3时，关闭水冷机组和冷却塔，开启降温模块，此时无冷却水循环；T3为-8～-12℃中的某一温度值。
优选值为-10℃；此时，通过三通阀的设置，中间换热器和主机以及冷却塔不接入系统(即不参与工作)。
有益效果：
本发明的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，与现有的技术相比，将水冷单元直接安装于发热设备表面，避免了冷量的二次转换造成冷量的浪费；采用多冷源设计，满足系统在不同季节不同温度下的节能运行；根据室外温度环境参数通过三通阀实现多冷源的切换运行，能在提供良好冷却效果的同时还能实现最大限度的节约能耗。
附图说明
图1为双温混合冷源空调系统室外侧示意图；
图2为双温混合冷源空调系统室内侧示意图；
附图标记说明：
1-水冷机组，2-冷却水泵，3-冷却塔，4-除垢装置，5-进风口，6-填料层，7-喷淋装置，8-布水器，9-冷凝风机，10-中间换热器；11-冷冻水泵，12-定压膨胀罐，13-除垢仪，14-旁通阀，19-降温模块，20-冷量分配单元，21-水冷单元。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
实施例1：
图1-2，一种基于热管传热的双温混合冷源空调系统，包括室外侧设备、室内侧设备和控制系统；
(1)室内侧设备包括风冷室内侧设备和液冷室内侧设备；
(1.1)风冷室内侧设备包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置、直流蒸发器风机和热管蒸发段；其中蒸发器风机安装在蒸发器侧，热管蒸发段与冷凝器融合在一起，通过热管内工质的蒸发带走冷凝器的热量。
(2.1)液冷室内侧设备包括冷量分配单元(CDU)20和液冷单元21；
压缩机、蒸发器、节流装置和冷凝器依次串联形成风冷通路；
液冷单元为2个，分别与冷凝器和冷量分配单元相连；
(2)室外测设备包括水冷机组1、冷却水泵2、冷却塔3、中间换热器10、冷冻水泵11、定压膨胀罐12和除垢仪13；
所述的中间换热器与水冷机组通过三通阀并联，中间换热器和水冷机组共用冷却水供回水管路和冷冻水供回水管路；
冷冻水供水管路上设有所述的除垢仪和冷冻水泵；定压膨胀罐与除垢仪和冷冻水泵之间的管路相连；冷冻水供水管路和回水管路之间设有旁通阀14；
中间换热器与水冷机组通过冷却水供回水管路与冷却塔相连；所述的冷却水泵设置在冷却水回水管路上；
冷冻水供回水管路与冷量分配单元相连；
所述的控制系统包括室内侧温度传感器、室外侧温度传感器和微处理器；室内侧温度传感器和室外侧温度传感器均与微处理器相连；室外侧设备、室内侧设备均受控于控制系统。
所述的冷却塔包括冷凝风机9、布水器8、喷淋装置7和填料层6；冷却塔上设有进风口5；冷凝风机、布水器、喷淋装置、填料层和进风口自上而下依次布置；布水器与喷淋装置相连；所述的冷却塔底部设有除垢装置。
水冷机组采用螺杆式水冷机组、涡旋式水冷机组；
所述的中间换热器为板式换热器或壳管式换热器；
冷却水泵采用叶片式泵、容积式泵或喷射式泵；
冷却塔采用开式冷却塔；
冷冻水泵采用叶片式泵、容积式泵或喷射式泵；
定压膨胀罐采用囊式定压罐或隔膜式定压罐；
除垢仪采用电子除垢仪；
所述的冷媒分配器采用板式换热器或壳管式换热器；所述的制冷终端采用铜管铝翅片结构或微通道平行流结构。
所述的冷凝风机9采用轴流风机；
填料层中的填料采用S波填料、斜交错填料、台阶式梯形斜波填料、差位式正弦波填料、点波填料、六角蜂窝填料、双向波填料或斜折波填料。
所述的风冷冷却系统室内侧冷凝器安装于室内侧机柜内，与冷媒分配单元通过管路连接，通过冷媒的蒸发带走冷凝器散发的热量。
所述的液冷单元21直接安装于发热设备表面，通过循环工质的沸腾吸收发热设备的发热量。
室外测设备还包括降温模块19；降温模块通过阀门与冷冻水的供回水管路相连；降温模块受控于控制系统；降温模块为风水换热器，用于采用室外的空气为冷冻水系统中的冷冻水降温；降温模块中设有风机。
当室外环境温度小于等于T3时，关闭水冷机组和冷却塔，开启降温模块，此时无冷却水循环；T3为-8～-12℃中的某一温度值。
室内侧设备均安装在一个室内机柜内。
控制方法如下：
设置温度控制点T1和T2；T1和T2分别为20℃和0℃。
(1)当室外温度大于T1时，开启水冷机组和冷却塔，此时冷却水在水冷机组和冷却塔之间循环；
(2)当室外温度大于T2且小于等于T1时，关闭水冷机组，开启冷却塔和中间换热器，此时冷却水在中间换热器和冷却塔之间循环；利用冷却塔内的循环冷却水为中间换热器提供冷量；冷凝风机开启；
(3)当室外环境温度小于等于T2时，关闭水冷机组和冷却塔的风机，开启冷却塔的喷淋装置和中间换热器，此时冷却水在中间换热器和冷却塔之间循环，冷凝风机关闭；
(4)当室外环境温度小于等于T3时，关闭水冷机组和冷却塔，开启降温模块，此时无冷却水循环；T3为-10℃。
降温模块中设有风机。
实施例2
在实施例1的基础上，风冷冷却系统和液冷冷却系统联合运行保证数据中心内的环境，风冷冷却系统保证房间大环境内的温度，液冷冷却系统保证通信设备表面的温度。
实施例3
在实施例1的基础上，为了实现液冷单元的冷却功能，液冷单元采用平板式沟槽结构，直接布置于发热设备上，通过底部制冷液的泡状蒸发带走发热设备散发的热量，蒸发后的制冷液在上层制冷液内冷凝；为促进冷凝过程的进行，在平板顶部布置吸附柱；且平板上表面设置保温层，避免热量向外部环境中散失。
实施例4
在实施例3的基础上，进一步优选地，一个室外机部分可对应一个或多个室内机部分，室外侧冷冻水在冷量分配单元和水冷机组、冷量分配单元和中间换热器或冷量分配单元和降温模块间循环；室内侧分三个循环回路，其中两个循环回路为液冷冷却系统，液冷单元的冷却液在冷量分配单元中集中降温后重新分配给两个液冷单元，冷却液在液冷单元内吸收电子设备的热量；一个循环回路为风冷冷却系统，该系统内的冷凝器通过热管的方式和冷量分配单元连接，通过热管蒸发段内工质的蒸发带走冷凝器的热量。
本发明专利直接将冷量输送至服务器内，避免传统空气冷却技术的冷量浪费；且通过循环工质的相变带走服务器内的热量，避免水进机房带来的泄露风险；采用多冷元多温控的设计，满足系统一年四季不同环境温度下的节能运行，满足不同区域内的温度控制需求；液冷单元与冷量分配单元采用即插即用的结构设计，灵活方面，安全可靠。
本发明专利的运行工况为：
设置温度控制点T1和T2；T1和T2分别为20℃和0℃。
(1)当室外温度大于T1时，开启冷水主机和冷却塔，此时冷却水在冷水主机和冷却塔之间循环；此时冷冻水泵与水冷机组接通，通过三通阀的设置，降温模块和中间换热器不接入系统(即不参与工作)；
(2)当室外温度大于T2且小于等于T1时，关闭冷水主机，开启冷却塔和中间换热器，此时冷却水在中间换热器和冷却塔之间循环；利用冷却塔内的循环冷却水为中间换热器提供冷量；冷凝风机开启；此时冷冻水泵与中间换热器接通，利用冷却塔内的循环冷却水为中间换热器提供冷量；冷凝风机开启；此时，通过三通阀的设置，降温模块和冷水主机不接入系统(即不参与工作)；
(3)当室外环境温度小于等于T2时，关闭冷水主机和冷却塔的风机，开启冷却塔的喷淋装置和中间换热器，此时冷却水在中间换热器和冷却塔之间循环，冷凝风机关闭。此时冷冻水泵与中间换热器接通；此时，通过三通阀的设置，降温模块和冷水主机不接入系统(即不参与工作)；
作为优选，T1和T2分别为20℃和0℃。
(4)当室外环境温度小于等于T3时，关闭冷水主机和冷却塔，开启降温模块，此时无冷却水循环；此时冷冻水泵与降温模块接通；T3为-8～-12℃中的某一温度值，优选值为-10℃；此时，通过三通阀的设置，中间换热器和主机以及冷却塔不接入系统(即不参与工作)。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明专利，然而应意识到，在不背离本发明专利的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明专利范围内的所有这些变化和修改。

Claims (11)

1.一种基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，包括室外侧设备、室内侧设备和控制系统；
(1)室内侧设备包括风冷室内侧设备和液冷室内侧设备；
(1.1)风冷室内侧设备包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置、蒸发器风机和热管蒸发段；其中蒸发器风机安装在蒸发器侧，热管蒸发段与冷凝器融合在一起，通过热管内工质的蒸发带走冷凝器的热量；
(2.1)液冷室内侧设备包括冷量分配单元(20)和液冷单元(21)；
压缩机、蒸发器、节流装置和冷凝器依次串联形成风冷通路；
液冷单元为2个，分别与冷凝器和冷量分配单元相连；
(2)室外测设备包括水冷机组(1)、冷却水泵(2)、冷却塔(3)、中间换热器(10)、冷冻水泵(11)、定压膨胀罐(12)和除垢仪(13)；
所述的中间换热器与水冷机组通过三通阀并联，中间换热器和水冷机组共用冷却水供回水管路和冷冻水供回水管路；
冷冻水供水管路上设有所述的除垢仪和冷冻水泵；定压膨胀罐与除垢仪和冷冻水泵之间的管路相连；冷冻水供水管路和回水管路之间设有旁通阀(14)；
中间换热器与水冷机组通过冷却水供回水管路与冷却塔相连；所述的冷却水泵设置在冷却水回水管路上；
冷冻水供回水管路与冷量分配单元相连；
所述的控制系统包括室内侧温度传感器、室外侧温度传感器和微处理器；室内侧温度传感器和室外侧温度传感器均与微处理器相连；室外侧设备、室内侧设备均受控于控制系统。
2.根据权利要求1所述的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，所述的冷却塔包括冷凝风机(9)、布水器(8)、喷淋装置(7)和填料层(6)；冷却塔上设有进风口(5)；冷凝风机、布水器、喷淋装置、填料层和进风口自上而下依次布置；布水器与喷淋装置相连；所述的冷却塔底部设有除垢装置。
3.根据权利要求1所述的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，水冷机组采用螺杆式水冷机组、涡旋式水冷机组；
所述的中间换热器为板式换热器或壳管式换热器；
冷却水泵采用叶片式泵、容积式泵或喷射式泵；
冷却塔采用开式冷却塔；
冷冻水泵采用叶片式泵、容积式泵或喷射式泵；
定压膨胀罐采用囊式定压罐或隔膜式定压罐；
除垢仪采用电子除垢仪；
所述的冷媒分配器采用板式换热器或壳管式换热器；所述的制冷终端采用铜管铝翅片结构或微通道平行流结构。
4.根据权利要求2所述的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，所述的冷凝风机(9)采用轴流风机；
填料层中的填料采用S波填料、斜交错填料、台阶式梯形斜波填料、差位式正弦波填料、点波填料、六角蜂窝填料、双向波填料或斜折波填料。
5.根据权利要求1所述的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，所述的风冷冷却系统室内侧冷凝器安装于室内侧机柜内，与冷媒分配单元通过管路连接，通过冷媒的蒸发带走冷凝器散发的热量。
6.根据权利要求1所述的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，所述的液冷单元(21)直接安装于发热设备表面，通过循环工质的沸腾换热直接带走发热设备的热量。
7.据权利要求1所述的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，室外测设备还包括降温模块(19)；降温模块通过阀门与冷冻水的供回水管路相连；降温模块受控于控制系统；降温模块为风-水换热器，用于采用室外的空气为冷冻水系统中的冷冻水降温；降温模块中设有风机。
8.根据权利要求7所述的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，当室外环境温度小于等于T3时，关闭水冷机组和冷却塔，开启降温模块，此时无冷却水循环；T3为-8～-12℃中的某一温度值。
9.根据权利要求7所述的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，所述的室内侧设备为一套或多套；室内侧设备为多套时，多套室内侧设备并联。
10.根据权利要求9所述的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，室内侧设备均安装在一个室内机柜内。
11.根据权利要求7-10任一项所述的基于热管传热的双温混合冷源空调系统，其特征在于，控制方法如下：
设置温度控制点T1和T2；且T1＞T2；T1为15-25℃中的某一值；T2为-2～2℃中的某一值；
(1)当室外温度大于T1时，开启水冷机组和冷却塔，此时冷却水在水冷机组和冷却塔之间循环；
(2)当室外温度大于T2且小于等于T1时，关闭水冷机组，开启冷却塔和中间换热器， 此时冷却水在中间换热器和冷却塔之间循环；利用冷却塔内的循环冷却水为中间换热器提供冷量；冷凝风机开启；
(3)当室外环境温度小于等于T2时，关闭水冷机组和冷却塔的风机，开启冷却塔的喷淋装置和中间换热器，此时冷却水在中间换热器和冷却塔之间循环，冷凝风机关闭；
(4)当室外环境温度小于等于T3时，关闭水冷机组和冷却塔，开启降温模块，此时无冷却水循环；T3为-8～-12℃中的某一温度值。
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