CN106765771A - 一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统及其操作方法 - Google Patents

一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统及其操作方法 Download PDF

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张新利
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Abstract

一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统及其操作方法，属于空调制冷技术领域，包括机房专用末端空调、板式换热器、风阀和排风机；其特征在于：所述蒸发冷却系统还由制冷水装置、第三循环水泵、第四循环水泵和新风机组连接组成；本发明装置结构新颖，工作原理清晰，本装置解决了数据中心及通信机房的降温，充分利用西部干空气能，采用蒸发冷却技术及自由冷换热完成机房温度控制要求，替代了传统机械制冷系统，提高了机房制冷降温的安全性能。

Description

一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统及 其操作方法
技术领域
本发明属于空调制冷技术领域，涉及一种蒸发冷却系统及其操作方法，具体的说是涉及一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统及其操作方法。
背景技术
在我国西部地区，夏季室外空气干燥，在通信机房和数据中心里，通信设备要求全年不间断运行，故机房空调必须全年稳定可靠运行。通常，机房中空调所占的能耗比高达35-45%以上，是机房中动力设备最大的能耗来源，而压缩机的能耗占整个空调系统的70%～80%。目前数据机房大多采用机械制冷，即电制冷利用压缩机压缩冷媒的方式为数据中心提供冷量，随着通信行业的高速发展，传输的数据量和运算次数迅速增长，设备的发热量指数呈曲线上升，如何优化气流组织、提高空调效率、利用自然冷源降低机房PUE值成为关键。
发明内容
本发明的目的是为了针对上述现有技术存在的缺陷和不足，提出一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统及其操作方法，为解决数据中心及通信机房降温，充分利用西部干空气能，采用蒸发冷却技术及自由冷换热完成机房温度控制要求，可替代传统机械制冷系统，可提高机房制冷降温的安全性能。
本发明的技术方案是：一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统，包括机房专用末端空调、板式换热器、风阀和排风机；其特征在于：所述蒸发冷却系统还由制冷水装置、第三循环水泵、第四循环水泵和新风机组连接组成；
所述制冷水装置由过滤净化装置、自由冷表冷器、第一级立管间接换热器、布水器、循环水泵、循环水箱、第二级立管间接换热器、湿式过滤器和制冷水填料构成；所述第一级立管间接换热器的下方设有第一循环水箱，所述第一级立管间接换热器的上方设有第一布水器和第一挡水板，所述第一挡水板的上方设有第一级排风机，所述第一布水器通过第一循环水泵与所述第一循环水箱相连；所述第二级立管间接换热器与所述第一级立管间接换热器紧邻设置，所述第二级立管间接换热器的下方设有第二循环水箱，所述第二级立管间接换热器的上方设有第二布水器和第二挡水板，所述第二挡水板的上方设有第二级排风机，所述第二布水器通过第二循环水泵与所述第二循环水箱相连；所述湿式过滤器设置在第二级立管间接换热器的右侧，所述湿式过滤器的下方设有接水盘，所述接水盘通过水管与所述第二循环水箱相连，所述湿式过滤器的上方设有与所述第二级立管间接换热器共用的第二布水器；制冷水专用填料设置在所述第二级立管间接换热器的右侧，所述制冷水专用填料下方设有第三循环水箱，所述制冷水专用填料的上方设有第三布水器和第三挡水板，所述主排风机设置在所述第三挡水板的上方；
所述新风机组依次由机组过滤装置、机组自由冷表冷器、湿式过滤器、机组直接蒸发冷却机芯和机组风阀组成；所述湿式过滤器的下方设有机组第一循环水箱，所述湿式过滤器的上方设有机组第一布水器，所述机组第一循环水箱通过机组第一循环水泵与所述机组第一布水器相连；所述机组直接蒸发冷却机芯的下方设有机组第二循环水箱，所述机组直接蒸发冷却机芯的上方设有机组第二布水器，所述机组第二循环水箱通过机组第二循环水泵与所述机组第二布水器相连；
所述机房专用末端空调、新风机组、第四循环水泵、板式换热器、第三循环水泵、制冷水装置、风阀以及排风机连接构成循环回路，所述板式换热器前端设有换热器前阀门，所述板式换热器后端设有换热器后阀门；所述第三循环水泵前端设有第三循环水泵前阀门，所述第三循环水泵后端设有第三循环水泵后阀门；所述第四循环水泵前端设有第四循环水泵前阀门，所述第四循环水泵后端设有第四循环水泵后阀门；所述制冷水装置上的出水管与所述换热器前阀门作用连接，所述制冷水装置上的回水口与所述第三循环水泵前阀门作用连接，所述机房专用末端空调上的表冷器一端与所述第四循环水泵作用连接，所述机房专用末端空调上的表冷器另一端与所述制冷水装置上的自由冷表冷器出水口作用连接；所述机房专用末端空调中的送风机直接作用于服务机柜。
所述制冷水装置的数量不少于3个。
所述第一级立管间接换热器和第二级立管间接换热器中的立管为圆形铝管，立管管径为16～25mm，立管呈梅花型布置，立管横向间距为35mm，立管纵向间距为30mm。
所述湿式过滤器的数量为1～3级。
所述蒸发冷却系统中的第三循环水泵和板式换热器为一用一备模式。
一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统的操作方法，其特征在于，操作步骤如下：
(1)制冷水装置制取冷水通过回水口进入第三循环水泵；
(2)冷水通过管道进入板式换热器的一侧进行热交换；
(3)热交换后的热水再通过出水管流回制冷水装置，实现循环往复运行；
(4)从机房专用末端空调中表冷器的回水口流回的热水通过第四循环水泵进入板式换热器的另一侧实现换热；
(5)换热后产生的冷水通过表冷器的进水口供给机房专用末端空调中的表冷器，实现循环往复运行；
(6)通过自由冷表冷器换热后的冷水通过自由冷表冷器出水口，通过表冷器(12-b)的进水口流入机房专用末端空调中的表冷器进行换热；
(7)换热后的热水通过表冷器的回水口进入第四循环水泵，通过自由冷表冷器回水口流回制冷水装置中的自由冷表冷器，实现循环往复运行；
(8)在机房专用末端空调不能满足机房冷量需求的情况下，开启新风机组中风阀，并关闭机房专用末端空调中的风阀，同时开启风阀及排风机，实现机房降温；
(9)开启新风机组中风阀的同时，关闭阀门7、9，开启阀门8、10，使系统冷水进入新风机组中的表冷器进行循环，经过处理后室外空气进入表冷器进行预冷，再进入新风机组的其他功能段进行处理，最后送入机房。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统及其操作方法，装置结构新颖，工作原理清晰，本装置解决了数据中心及通信机房的降温，充分利用西部干空气能，采用蒸发冷却技术及自由冷换热完成机房温度控制要求，替代了传统机械制冷系统，提高了机房制冷降温的安全性能。
具体优点如下：
1)装置采用两级立管间接蒸发冷却，制取的冷风温度更低；
2)本系统无机械制冷无压缩机在制冷量相同的情况下用电量少；
3)本系统蒸发冷却冷水机侧，采用开式循环系统，数据中心末端采用闭式循环系统，管路中的水质有保证，管路中的冷水换热效率高，减小了末端堵塞的可能；
4)用新风机组作为极端天气的冷量储备，提高了系统的安全性能；
5)末端的闭式循环水系统内充注一定比例的乙二醇防止管路系统冻伤，提高了管路系统的安全性；
6)冬季或者过度季节，温度在5℃以下完全实现自由冷来冷却换热，极大的提高了整个系统的节能率；
7)系统运行压力小、安全稳定。
附图说明
图1是本发明蒸发冷却系统结构示意图。
图2是本发明中制冷水装置的结构示意图。
图3是本发明中新风机组的结构示意图。
图4是本发明中带有两个制冷水装置的系统结构示意图。
图5是本发明装置立管间接换热器中立管分布结构示意图。
图6是本发明装置中空气流经立管间接换热器内外通道示意图。
图中：制冷水装置1、过滤净化装置1-1、自由冷表冷器1-2、第一循环水泵1-3、第一循环水箱1-4、第二循环水箱1-5、水管1-6、第二循环水泵1-7、第三循环水箱1-8、接水盘1-9、制冷水填料1-10、第三布水器1-11、第三挡水板1-12、主排风机1-13、湿式过滤器1-14、第二布水器1-15、第二挡水板1-16、第二级排风机1-17、第二级立管间接换热器1-18、第一级排风机1-19、第一挡水板1-20、第一布水器1-21、第一级立管间接换热器1-22、分隔板1-23、自由冷表冷器出水口1-a、自由冷表冷器回水口1-b、出水管1-c、出水管阀门1-c1、回水口1-d、回水口阀门1-d1、第三循环水泵2、第三循环水泵前阀门2-1、第三循环水泵后阀门2-2、板式换热器3、换热器前阀门3-1、换热器后阀门3-2、第四循环水泵4、第四循环水泵前阀门4-1、第四循环水泵后阀门4-2、阀门5、阀门6、阀门7、阀门8、阀门9、阀门10、新风机组11、机组过滤装置11-1、机组自由冷表冷器11-2、机组第一循环水泵11-3、机组第一循环水箱11-4、湿式过滤器11-5、机组第二循环水箱11-6、机组第二循环水泵11-7、直接蒸发冷却机芯11-8、机组第二布水器11-9、机组第一布水器11-10、表冷器回水口11-a、表冷器进水口11-b、机组风阀11-c、机房专用末端空调12、送风机12-a、表冷器12-b、空调风扇12-c、服务机柜13、风阀14、排风机15。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-6所示，一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统，包括机房专用末端空调12、板式换热器3、风阀14和排风机15；蒸发冷却系统还由制冷水装置1、第三循环水泵2、第四循环水泵4和新风机组11连接组成；
制冷水装置1由过滤净化装置1-1、自由冷表冷器1-2、第一级立管间接换热器1-22、布水器、循环水泵、循环水箱、第二级立管间接换热器1-18和湿式过滤器1-14构成；第一级立管间接换热器1-22的下方设有第一循环水箱1-4，第一级立管间接换热器1-22的上方设有第一布水器1-21和第一挡水板1-20，第一挡水板1-20的上方设有第一级排风机1-19，第一布水器1-21通过第一循环水泵1-3与第一循环水箱1-4相连；第二级立管间接换热器1-18与第一级立管间接换热器1-22紧邻设置，第二级立管间接换热器1-18的下方设有第二循环水箱1-5，第二级立管间接换热器1-18的上方设有第二布水器1-15和第二挡水板1-16，第二挡水板1-16的上方设有第二级排风机1-17，第二布水器1-15通过第二循环水泵1-7与第二循环水箱1-5相连；湿式过滤器1-14设置在第二级立管间接换热器1-18的右侧，湿式过滤器1-14的下方设有接水盘1-9，接水盘1-9通过水管1-6与第二循环水箱1-5相连，湿式过滤器1-14的上方设有与第二级立管间接换热器1-18共用的第二布水器1-15；制冷水专用填料1-10设置在湿式过滤器1-14的右侧，制冷水专用填料1-10下方设有第三循环水箱1-8，制冷水专用填料1-10的上方设有第三布水器1-11和第三挡水板1-12，主排风机1-13设置在第三挡水板1-12的上方；
新风机组11依次由机组过滤装置11-1、机组自由冷表冷器11-2、湿式过滤器11-5、机组直接蒸发冷却机芯11-8和机组风阀11-c组成；湿式过滤器11-5的下方设有机组第一循环水箱11-4，湿式过滤器11-5的上方设有机组第一布水器11-10，机组第一循环水箱11-4通过机组第一循环水泵11-3与机组第一布水器11-10相连；机组直接蒸发冷却机芯11-8的下方设有机组第二循环水箱11-6，机组直接蒸发冷却机芯11-8的上方设有机组第二布水器11-9，机组第二循环水箱11-6通过机组第二循环水泵11-7与机组第二布水器11-9相连；
机房专用末端空调12、新风机组11、第四循环水泵4、板式换热器3、第三循环水泵2、制冷水装置1、风阀14以及排风机15连接构成循环回路，板式换热器3前端设有换热器前阀门3-1，板式换热器后端设有换热器后阀门3-2；第三循环水泵2前端设有第三循环水泵前阀门2-1，第三循环水泵2后端设有第三循环水泵后阀门2-2；第四循环水泵4前端设有第四循环水泵前阀门4-1，第四循环水泵4后端设有第四循环水泵后阀门4-2；制冷水装置1上的出水管1-c与换热器前阀门3-1作用连接，制冷水装置1上的回水口1-d与第三循环水泵前阀门2-1作用连接，机房专用末端空调12上的表冷器12-b一端与第四循环水泵4作用连接，机房专用末端空调12上的表冷器12-b另一端与制冷水装置1上的自由冷表冷器出水口1-a作用连接；机房专用末端空调12中的送风机12-a直接作用于服务机柜13。
如图1-6所示，一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统，所述制冷水装置1的数量不少于3个；第一级立管间接换热器1-22和第二级立管间接换热器1-18中的立管为圆形铝管，立管管径为16～25mm，立管呈梅花型布置，立管横向间距为35mm，立管纵向间距为30mm；湿式过滤器11-5的数量为1～3级；蒸发冷却系统中的第三循环水泵2和板式换热器3为一用一备模式。
如图1-6所示，一种利用应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统的操作方法，操作步骤如下：
(1)制冷水装置1制取冷水通过回水口1-d进入第三循环水泵2；
(2)冷水通过管道进入板式换热器3的一侧进行热交换；
(3)热交换后的热水再通过出水管1-c流回制冷水装置1，实现循环往复运行；
(4)从机房专用末端空调12中表冷器12-b的回水口流回的热水通过第四循环水泵4进入板式换热器3的另一侧实现换热；
(5)换热后产生的冷水通过表冷器12-b的进水口供给机房专用末端空调12中的表冷器12-b，实现循环往复运行；
(6)通过自由冷表冷器换热后的冷水通过自由冷表冷器出水口1-a，进入表冷器12-b的进水口流入机房专用末端空调12进行换热；
(7)换热后的热水通过表冷器12-b的回水口进入第四循环水泵4，通过自由冷表冷器回水口1-b流回制冷水装置1中的自由冷表冷器1-2，实现循环往复运行；
(8)在机房专用末端空调12不能满足机房冷量需求的情况下，开启新风机组11中风阀11-c，并关闭机房专用末端空调12中的风阀12-c，同时开启风阀14及排风机15，实现机房降温；
(9)开启新风机组11中风阀11-c的同时，关闭阀门7、9，开启阀门8、10，使系统冷水进入新风机组11中的表冷器12-b进行循环，经过处理后室外空气进入表冷器12-b进行预冷，再进入新风机组11的其他功能段进行处理，最后送入机房。
如图1-6所示，一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统的工作原理如下：
(1)夏季系统运行工作原理：制冷水装置1制取冷水通过出水接口1-d进入循环水泵2，然后通过管道进入板式换热器3的一侧进行热交换，热交换后的热水再通过回水接口1-c流回制冷水装置1；从机房专用末端空调12中表冷器12-b的回水口流回的热水通过循环水泵4进入板式换热器3的另一侧实现换热，换热后产生的冷水通过表冷器12-b的进水口供给机房专用末端空调12中的表冷器12-b，实现循环往复运行；(在本系统运行期间，阀门1-c1、1-d1、2-1、2-2、3-1、3-2、4-1、4-2、7、9根据系统具体情况常启，阀门5、6、8、10常闭)；如果夏季机房专用末端空调12不能满足机房冷量需求，开启新风机组11中风阀11-c，并关闭机房专用末端空调12中的风阀12-c，同时开启风阀14及排风机15，实现机房降温；在新风机组中设置表冷器，开启新风机组11中风阀11-c的同时，关闭阀门7、9，开启阀门8、10，使系统冷水进入新风机组11中的表冷器进行循环，经过处理后室外空气进入表冷器进行预冷，再进入新风机组11的其他功能段进行处理，最后送入机房。
(2)冬季系统运行工作原理：在制冷水装置1进风口处设有自由冷表冷器，通过自由冷表冷器换热后的冷水通过自由冷表冷器出水口1-a，进入表冷器12-b的进水口流入机房专用末端空调12进行换热，换热后的热水通过表冷器12-b的回水口进入循环水泵4，通过自由冷表冷器回水口1-b流回冷水机组1中的自由冷表冷器。

Claims (6)

1.一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统，包括机房专用末端空调(12)、板式换热器(3)、风阀(14)和排风机(15)；其特征在于：所述蒸发冷却系统还由制冷水装置(1)、第三循环水泵(2)、第四循环水泵(4)和新风机组(11)连接组成；
所述制冷水装置(1)由过滤净化装置(1-1)、自由冷表冷器(1-2)、第一级立管间接换热器(1-22)、布水器、循环水泵、循环水箱、第二级立管间接换热器(1-18) 湿式过滤器(1-14)和制冷水填料(1-10)构成；所述第一级立管间接换热器(1-22)的下方设有第一循环水箱(1-4)，所述第一级立管间接换热器(1-22)的上方设有第一布水器(1-21)和第一挡水板(1-20)，所述第一挡水板(1-20)的上方设有第一级排风机(1-19)，所述第一布水器(1-21)通过第一循环水泵(1-3)与所述第一循环水箱(1-4)相连；所述第二级立管间接换热器(1-18)与所述第一级立管间接换热器(1-22)紧邻设置，所述第二级立管间接换热器(1-18)的下方设有第二循环水箱(1-5)，所述第二级立管间接换热器(1-18)的上方设有第二布水器(1-15)和第二挡水板(1-16)，所述第二挡水板(1-16)的上方设有第二级排风机(1-17)，所述第二布水器(1-15)通过第二循环水泵(1-7)与所述第二循环水箱(1-5)相连；所述湿式过滤器(1-14)设置在第二级立管间接换热器(1-18)的右侧，所述湿式过滤器(1-14)的下方设有接水盘(1-9)，所述接水盘(1-9)通过水管(1-6)与所述第二循环水箱(1-5)相连，所述湿式过滤器(1-14)的上方设有与所述第二级立管间接换热器(1-18)共用的第二布水器(1-15)和第二挡水板(1-16)；制冷水填料(1-10)设置在所述第二级立管间接换热器(1-18)的右侧，所述制冷水填料(1-10)下方设有第三循环水箱(1-8)，所述制冷水填料(1-10)的上方设有第三布水器(1-11)和第三挡水板(1-12)，所述主排风机(1-13)设置在所述第三挡水板(1-12)的上方；
所述新风机组(11)依次由机组过滤装置(11-1)、机组自由冷表冷器(11-2)、湿式过滤器(11-5)、机组直接蒸发冷却机芯(11-8)和机组风阀(11-c)组成；所述湿式过滤器(11-5)的下方设有机组第一循环水箱(11-4)，所述湿式过滤器(11-5)的上方设有机组第一布水器(11-10)，所述机组第一循环水箱(11-4)通过机组第一循环水泵(11-3)与所述机组第一布水器(11-10)相连；所述机组直接蒸发冷却机芯(11-8)的下方设有机组第二循环水箱(11-6)，所述机组直接蒸发冷却机芯(11-8)的上方设有机组第二布水器(11-9)，所述机组第二循环水箱(11-6)通过机组第二循环水泵(11-7)与所述机组第二布水器(11-9)相连；
所述机房专用末端空调(12)、新风机组(11)、第四循环水泵(4)、板式换热器(3)、第三循环水泵(2)、制冷水装置(1)、风阀(14)以及排风机(15)连接构成循环回路，所述板式换热器(3)前端设有换热器前阀门(3-1)，所述板式换热器后端设有换热器后阀门(3-2)；所述第三循环水泵(2)前端设有第三循环水泵前阀门(2-1)，所述第三循环水泵(2)后端设有第三循环水泵后阀门(2-2)；所述第四循环水泵(4)前端设有第四循环水泵前阀门(4-1)，所述第四循环水泵(4)后端设有第四循环水泵后阀门(4-2)；所述制冷水装置(1)上的出水管(1-c)与所述换热器前阀门(3-1)作用连接，所述制冷水装置(1)上的回水口(1-d)与所述第三循环水泵前阀门(2-1)作用连接，所述机房专用末端空调(12)上的表冷器(12-b)一端与所述第四循环水泵(4)作用连接，所述机房专用末端空调(12)上的表冷器(12-b)另一端与所述制冷水装置(1)上的自由冷表冷器出水口(1-a)作用连接；所述机房专用末端空调(12)中的送风机(12-a)直接作用于服务机柜(13)。
2.一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统，其特征在于：所述制冷水装置(1)的数量不少于3个。
3.一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统，其特征在于：所述第一级立管间接换热器(1-22)和第二级立管间接换热器(1-18)中的立管为圆形铝管，立管管径为16～25mm，立管呈梅花型布置，立管横向间距为35mm，立管纵向间距为30mm。
4.一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统，其特征在于：所述湿式过滤器(11-5)的数量为1～3级。
5.一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统，其特征在于：所述蒸发冷却系统中的第三循环水泵(2)和板式换热器(3)为一用一备模式。
6.一种利用如权利要求1所述的一种应用在数据中心无机械制冷的高效节能蒸发冷却系统的操作方法，其特征在于，操作步骤如下：
(1)制冷水装置(1)制取冷水通过回水口(1-d)进入第三循环水泵(2)；
(2)冷水通过管道进入板式换热器(3)的一侧进行热交换；
(3)热交换后的热水再通过出水管(1-c)流回制冷水装置(1)，实现循环往复运行；
(4)从机房专用末端空调(12)中表冷器(12-b)的回水口流回的热水通过第四循环水泵(4)进入板式换热器(3)的另一侧实现换热；
(5)换热后产生的冷水通过表冷器(12-b)的进水口供给机房专用末端空调(12)中的表冷器(12-b)，实现循环往复运行；
(6)通过自由冷表冷器换热后的冷水通过自由冷表冷器出水口(1-a)，通过表冷器(12-b)的进水口流入机房专用末端空调(12)中的表冷器(12-b)进行换热；
(7)换热后的热水通过表冷器(12-b)的回水口进入第四循环水泵(4)，通过自由冷表冷器回水口(1-b)流回制冷水装置(1)中的自由冷表冷器(1-2)，实现循环往复运行；
(8)在机房专用末端空调(12)不能满足机房冷量需求的情况下，开启新风机组(11)中风阀(11-c)，并关闭机房专用末端空调(12)中的风阀(12-c)，同时开启风阀(14)及排风机(15)，实现机房降温；
(9)开启新风机组(11)中风阀(11-c)的同时，关闭阀门(7)、(9)，开启阀门(8)、(10)，使系统冷水进入新风机组(11)中的表冷器(12-b)进行循环，经过处理后室外空气进入表冷器(12-b)进行预冷，再进入新风机组(11)的其他功能段进行处理，最后送入机房。
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