CN108758914A - 一种数据中心空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数据中心空调系统，包括热管系统、机械制冷系统和备份系统。本系统有三种运行模式，分别是热管模式、机械制冷模式、机械制冷与热管同时运行模式，根据不同的室外温度条件选择最佳的运行模式，保证系统高效节能的运行。在系统中增加蓄冷罐，系统正常工作时对蓄冷罐蓄冷，当市电发生故障时蓄冷罐的冷量再提供给数据中心，保证系统安全运行，同时，系统采用模块化的分散系统，进一步提高了系统的安全性。
Description
技术领域
本发明属于数据中心制冷技术领域，尤其涉及一种数据中心空调系统。
背景技术
随着互联网、移动互联网、云计算以及大数据等应用的快速发展，全球数据中心的建设步伐正在加快。与此同时，数据中心的节能降耗问题也进一步凸显。据统计，数据中心空调用电约占整个数据中心耗能的40%。空调的用量愈大，消耗电力也愈多，直接造成夏季限电危机及大量能源消耗的问题。
针对机房空调全天候运行的特点，在室外湿球温度较低的时候，尤其是在北方或者冬天，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。
此外，数据中心内制冷量越来越大，一旦电源发生故障，此时服务器虽然能依靠UPS系统继续运行，但由于制冷设备停止运行，致使机房温度迅速上升，仍会导致服务器过热而停止运行。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，而提供一种同时有自然冷源装置和备份装置的高效、安全、低能耗的数据中心空调系统。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
一种数据中心空调系统，包括热管系统、机械制冷系统和备份系统。
所述热管系统包括水侧和冷媒侧，其中水侧由冷却塔、第一液泵、第一阀门、第一热管换热器、第二阀门通过管路依次相连形成热管冷却水第一循环回路，由冷却塔、第一液泵、第五阀门、第二热管换热器、第六阀门通过管路依次相连形成热管冷却水第二循环回路，由冷却塔、第一液泵、第九阀门、第三热管换热器、第十阀门通过管路依次相连形成热管冷却水第三循环回路；冷媒侧由第一热管换热器、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成热管冷媒第一循环回路，由第二热管换热器、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成热管冷媒第二循环回路，由第三热管换热器、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成热管冷媒第三循环回路。
所述机械制冷系统包括水侧和冷媒侧，其中水侧由冷却塔、第一液泵、第三阀门、第一冷水机组通过管路依次相连形成机械制冷冷却水第一循环回路，由冷却塔、第一液泵、第七阀门、第二冷水机组通过管路依次相连形成机械制冷冷却水第二循环回路，由冷却塔、第一液泵、第十一阀门、第三冷水机组通过管路依次相连形成机械制冷冷却水第三循环回路；冷媒侧由第一冷水机组、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成机械制冷冷媒第一循环回路，由第二冷水机组、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成机械制冷冷媒第二循环回路，由第三冷水机组、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成机械制冷冷媒第三循环回路；所述第二阀门的输入端与第三阀门的输出端之间串联有第四阀门；所述第六阀门的输入端与第七阀门的输出端之间串联有第八阀门；所述第十阀门的输入端与第十一阀门的输出端之间串联有第十二阀门。
所述备份系统包括蓄冷系统和放冷系统；所述蓄冷系统包括水侧和冷媒侧，其中水侧由冷却塔、第一液泵、备份冷水机组通过管路依次相连形成机械制冷冷却水备份循环回路；冷媒侧由备份冷水机组、第十九阀门、蓄冷罐、第二十阀门、第三液泵通过管路依次相连形成冷媒备份循环回路；所述放冷系统由蓄冷罐、第二十阀门、第四液泵、第十三阀门、第一热管换热器、第十四阀门、第十九阀门通过管路依次相连形成第一放冷循环回路，由蓄冷罐、第二十阀门、第四液泵、第十五阀门、第二热管换热器、第十六阀门、第十九阀门通过管路依次相连形成第二放冷循环回路，由蓄冷罐、第二十阀门、第四液泵、第十七阀门、第三热管换热器、第十八阀门、第十九阀门通过管路依次相连形成第三放冷循环回路。
本系统有三种运行模式，分别为热管模式、机械制冷模式、机械制冷与热管同时运行模式；当系统单独运行机械制冷模式时，第三阀门、第七阀门、第十一阀门、第一液泵、第二液泵、第一冷水机组、第二冷水机组、第三冷水机组开启，第一阀门、第二阀门、第四~第六阀门、第八~第二十阀门、第三液泵、第四液泵、备份冷水机组关闭；当系统单独运行热管模式时，第一阀门、第二阀门、第五阀门、第六阀门、第九阀门、第十阀门、第一液泵、第二液泵开启，第三阀门、第四阀门、第七阀门、第八阀门、第十一~第二十阀门、第三液泵、第四液泵、第一冷水机组、第二冷水机组、第三冷水机组、备份冷水机组关闭；当系统同时运行机械制冷与热管时，第一阀门、第四阀门、第五阀门、第八阀门、第九阀门、第十二阀门、第一液泵、第二液泵、第一冷水机组、第二冷水机组、第三冷水机组开启，第三阀门、第四阀门、第六阀门、第七阀门、第十~第二十阀门、第三液泵、第四液泵、备份冷水机组关闭。
备份系统在市电正常工作时，通过冷却塔和备份机组对蓄冷罐进行蓄冷，此时开启第三液泵、备份冷水机组、第十九阀门、第二十阀门；当市电出现故障时，开启备份系统，蓄冷罐中的冷水释放冷量，带走热管换热器中释放的热量，液泵耗电由机房UPS提供，此时第十三~第二十阀门、第二液泵、第四液泵开启，第一~第十二阀门、第一液泵、第三液泵、第一~第三冷水机组、备份冷水机组关闭。
进一步的，冷却塔可根据冷量需求设置为一台、两台或者多台。
进一步的，热管换热器和冷水机组均可根据冷量需求设置为一台、两台或者多台。
进一步的，室内机可根据冷量需求设置为一台、两台或者多台。
进一步的，第一~第二十阀门均为电动阀。
进一步的，第一液泵和第四液泵为水泵，第二液泵和第三液泵为冷媒泵。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1.采用热管系统和机械制冷系统耦合的形式，可根据不同的室外温度条件选择最佳的运行模式，保证系统高效节能的运行；
2.在系统中增加蓄冷罐，确保在电力系统出现故障时及时供冷，提高了整个系统的安全性；
3.系统采用模块化的分散系统，进一步提高了系统的安全性。
附图说明
图1为数据中心空调系统的实施例。
图中：（1）冷却塔；（201）第一热管换热器；（202）第二热管换热器；（203）第三热管换热器；（301）第一冷水机组；（302）第二冷水机组；（303）第三冷水机组；（304）备份冷水机组；（401）第一液泵；（402）第二液泵；（403）第三液泵；（404）第四液泵；（5）蓄冷罐；（6）储液罐；（701）第一室内机；（702）第二室内机；（703）第三室内机；（704）第四室内机；（705）第五室内机；（706）第六室内机；（801）第一膨胀阀；（802）第二膨胀阀；（803）第三膨胀阀；（804）第四膨胀阀；（805）第五膨胀阀；（806）第六膨胀阀；（901）第一阀门；（902）第二阀门；（903）第三阀门；（904）第四阀门；（905）第五阀门；（906）第六阀门；（907）第七阀门；（908）第八阀门；（909）第九阀门；（9010）第十阀门；（9011）第十一阀门；（9012）第十二阀门；（9013）第十三阀门；（9014）第十四阀门；（9015）第十五阀门；（9016）第十六阀门；（9017）第十七阀门；（9018）第十八阀门；（9019）第十九阀门；（9020）第二十阀门。
具体实施方式
图1所示是一种数据中心空调系统的实施例，包括热管系统、机械制冷系统和备份系统。
所述热管系统包括水侧和冷媒侧，其中水侧由冷却塔1、第一液泵401、第一阀门901、第一热管换热器201、第二阀门902通过管路依次相连形成热管冷却水第一循环回路，由冷却塔1、第一液泵401、第五阀门905、第二热管换热器202、第六阀门906通过管路依次相连形成热管冷却水第二循环回路，由冷却塔1、第一液泵401、第九阀门909、第三热管换热器203、第十阀门9010通过管路依次相连形成热管冷却水第三循环回路；冷媒侧由第一热管换热器201、储液罐6、第二液泵402、膨胀阀8、室内机7通过管路依次相连形成热管冷媒第一循环回路，由第二热管换热器202、储液罐6、第二液泵402、膨胀阀8、室内机7通过管路依次相连形成热管冷媒第二循环回路，由第三热管换热器203、储液罐6、第二液泵402、膨胀阀8、室内机7通过管路依次相连形成热管冷媒第三循环回路。
所述机械制冷系统包括水侧和冷媒侧，其中水侧由冷却塔1、第一液泵401、第三阀门903、第一冷水机组301通过管路依次相连形成机械制冷冷却水第一循环回路，由冷却塔1、第一液泵401、第七阀门907、第二冷水机组302通过管路依次相连形成机械制冷冷却水第二循环回路，由冷却塔1、第一液泵401、第十一阀门9011、第三冷水机组303通过管路依次相连形成机械制冷冷却水第三循环回路；冷媒侧由第一冷水机组301、储液罐6、第二液泵402、膨胀阀8、室内机7通过管路依次相连形成机械制冷冷媒第一循环回路，由第二冷水机组302、储液罐6、第二液泵402、膨胀阀8、室内机7通过管路依次相连形成机械制冷冷媒第二循环回路，由第三冷水机组303、储液罐6、第二液泵402、膨胀阀8、室内机7通过管路依次相连形成机械制冷冷媒第三循环回路；所述第二阀门902的输入端与第三阀门903的输出端之间串联有第四阀门904；所述第六阀门906的输入端与第七阀门907的输出端之间串联有第八阀门908；所述第十阀门9010的输入端与第十一阀门9011的输出端之间串联有第十二阀门9012。
所述备份系统包括蓄冷系统和放冷系统；所述蓄冷系统包括水侧和冷媒侧，其中水侧由冷却塔1、第一液泵401、备份冷水机组304通过管路依次相连形成机械制冷冷却水备份循环回路；冷媒侧由备份冷水机组304、第十九阀门9019、蓄冷罐5、第二十阀门9020、第三液泵403通过管路依次相连形成冷媒备份循环回路；所述放冷系统由蓄冷罐5、第二十阀门9020、第四液泵404、第十三阀门9013、第一热管换热器201、第十四阀门9014、第十九阀门9019通过管路依次相连形成第一放冷循环回路，由蓄冷罐5、第二十阀门9020、第四液泵404、第十五阀门9015、第二热管换热器202、第十六阀门9016、第十九阀门9019通过管路依次相连形成第二放冷循环回路，由蓄冷罐5、第二十阀门9020、第四液泵404、第十七阀门9017、第三热管换热器203、第十八阀门9018、第十九阀门9019通过管路依次相连形成第三放冷循环回路。
本系统有三种运行模式，分别为热管模式、机械制冷模式、机械制冷与热管同时运行模式。
当室外温度较高时系统单独运行机械制冷模式，第三阀门903、第七阀门907、第十一阀门9011、第一液泵401、第二液泵402、第一冷水机组301、第二冷水机组302、第三冷水机组303开启，第一阀门901、第二阀门902、第四~第六阀门904~906、第八~第二十阀门908~9020、第三液泵403、第四液泵404、备份冷水机组304关闭。此时系统有三个循环回路，分别为机械制冷冷媒循环回路、冷水机组循环回路和机械制冷冷却水循环回路。其中冷水机组由水侧换热器、节流阀、冷媒侧换热器、压缩机组成。此时储液罐6中的液态室内冷媒被第二液泵402抽出后分别经过膨胀阀8输送到室内机7，液态冷媒吸收室内高温环境的热量后蒸发成气态回到第一、第二、第三冷水机组301；302；303的冷媒侧换热器降温，降温后液态冷媒继续被第二液泵402抽出为室内环境降温。第一、第二、第三冷水机组301；302；303内低温的液态冷媒经过节流阀后进入冷媒侧换热器蒸发吸热为室内侧冷媒降温，升温后的气态冷媒被吸入压缩机变成高温高压气体，之后进入水侧换热器与冷却水热交换，冷凝成低温高温的液态冷媒，再经节流阀减压后回到冷媒侧换热器内。低温冷却水从冷却塔1下部流经第一液泵401后分三路流经第三、第七、第十一阀门903；907；9011分别进入第一、第二、第三冷水机组301；302；303内的水侧换热器为冷水机组内循环的冷媒降温，升温后的冷却水回到冷却塔1继续降温。
当室外温度较低时系统单独运行热管模式，第一阀门901、第二阀门902、第五阀门905、第六阀门906、第九阀门909、第十阀门9010、第一液泵401、第二液泵402开启，第三阀门903、第四阀门904、第七阀门907、第八阀门908、第十一~第二十阀门9011~9020、第三液泵403、第四液泵404、第一冷水机组301、第二冷水机组302、第三冷水机组303、备份冷水机组304关闭。此时系统有两个循环回路，分别为热管冷媒循环回路和热管冷却水循环回路。储液罐6中的液态室内冷媒被第二液泵402抽出后分别经过膨胀阀8输送到室内机7，液态冷媒吸收室内高温环境的热量后蒸发成气态回到第一、第二、第三热管换热器201；202；203降温，降温后液态冷媒继续被第二液泵402抽出为室内环境降温。低温冷却水从冷却塔1下部流经第一液泵401后分三路流经第一、第五、第九阀门901；905；909分别进入第一、第二、第三热管换热器201；202；203为室内循环的冷媒降温，升温后的冷却水分别流经第二、第六、第十阀门902；906；9010后回到冷却塔1继续降温。
当系统同时运行机械制冷与热管时，第一阀门901、第四阀门904、第五阀门905、第八阀门908、第九阀门909、第十二阀门9012、第一液泵401、第二液泵402、第一冷水机组301、第二冷水机组302、第三冷水机组303开启，第三阀门903、第四阀门904、第六阀门906、第七阀门907、第十~第二十阀门9010~9020、第三液泵403、第四液泵404、备份冷水机组304关闭。运行此模式的条件为冷却水温度已低于室内冷媒温度，可利用免费自然冷源，但热管换热器产生的冷量又达不到系统的要求，因此同时开启热管模式和机械制冷模式，冷却水先经过热管换热器换热，再经过冷水机组换热，用机械制冷模式来补足剩余的冷量，使节能利用率达到最大化。
备份系统在市电正常工作时，通过冷却塔1和备份机组对蓄冷罐5进行蓄冷，此时开启第三液泵403、备份冷水机组304、第十九阀门9019、第二十阀门9020。此时系统有三个循环回路，分别为蓄冷冷冻水循环回路、冷水机组循环回路和蓄冷冷却水循环回路。蓄冷罐5中的高温水流经第二十阀门9020和第三液泵403后输送到备份冷水机组304的冷冻水侧换热器降温，降温后变成低温水流经第十九阀门9019回到蓄冷罐5。备份冷水机组304内低温的液态冷媒经过节流阀后进入冷冻水侧换热器蒸发吸热为冷冻水降温，升温后的气态冷媒被吸入压缩机变成高温高压气体，之后进入冷却水侧换热器与冷却水热交换，冷凝成低温高温的液态冷媒，再经节流阀减压后回到冷冻水侧换热器内。低温冷却水从冷却塔1下部流经第一液泵401后进入备份冷水机组304内的冷却水侧换热器为备份冷水机组304内循环的冷媒降温，升温后的冷却水回到冷却塔1继续降温。
当市电出现故障时，开启备份系统，蓄冷罐5中的冷水释放冷量，带走热管换热器中释放的热量，液泵耗电由机房UPS提供，此时第十三~第二十阀门9013~9020、第二液泵402、第四液泵404开启，第一~第十二阀门901~9012、第一液泵401、第三液泵403、第一~第三冷水机组301~303、备份冷水机组304关闭。蓄冷罐5中的冷水经过第二十阀门9020和第四液泵404后分为三路，第一路经过第十三阀门9013进入第一热管换热器201换热降温后流经第十四阀门9014、第十九阀门9019回到蓄冷罐5；第二路经过第十五阀门9015进入第二热管换热器202换热降温后流经第十六阀门9016、第十九阀门9019回到蓄冷罐5；第三路经过第十七阀门9017进入第三热管换热器203换热降温后流经第十八阀门9018、第十九阀门9019回到蓄冷罐5。
当系统其中任意一台冷水机组发生故障时，同样启动备份系统和相对应的热管换热器备份，此时热管换热器即作为冷水机组的备份。例如，系统第一冷水机组301故障，第三阀门903关闭，第四液泵404、第十三阀门9013、第十四阀门9014、第十九阀门9019、第二十阀门9020开启，蓄冷罐5中的冷水经过第二十阀门9020和第四液泵404后经过第十三阀门9013进入第一热管换热器201换热降温后流经第十四阀门9014、第十九阀门9019回到蓄冷罐5。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种数据中心空调系统，其特征在于，包括热管系统、机械制冷系统和备份系统；
所述热管系统包括水侧和冷媒侧，其中水侧由冷却塔、第一液泵、第一阀门、第一热管换热器、第二阀门通过管路依次相连形成热管冷却水第一循环回路，由冷却塔、第一液泵、第五阀门、第二热管换热器、第六阀门通过管路依次相连形成热管冷却水第二循环回路，由冷却塔、第一液泵、第九阀门、第三热管换热器、第十阀门通过管路依次相连形成热管冷却水第三循环回路；冷媒侧由第一热管换热器、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成热管冷媒第一循环回路，由第二热管换热器、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成热管冷媒第二循环回路，由第三热管换热器、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成热管冷媒第三循环回路；
所述机械制冷系统包括水侧和冷媒侧，其中水侧由冷却塔、第一液泵、第三阀门、第一冷水机组通过管路依次相连形成机械制冷冷却水第一循环回路，由冷却塔、第一液泵、第七阀门、第二冷水机组通过管路依次相连形成机械制冷冷却水第二循环回路，由冷却塔、第一液泵、第十一阀门、第三冷水机组通过管路依次相连形成机械制冷冷却水第三循环回路；冷媒侧由第一冷水机组、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成机械制冷冷媒第一循环回路，由第二冷水机组、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成机械制冷冷媒第二循环回路，由第三冷水机组、储液罐、第二液泵、膨胀阀、室内机通过管路依次相连形成机械制冷冷媒第三循环回路；所述第二阀门的输入端与第三阀门的输出端之间串联有第四阀门；所述第六阀门的输入端与第七阀门的输出端之间串联有第八阀门；所述第十阀门的输入端与第十一阀门的输出端之间串联有第十二阀门；
所述备份系统包括蓄冷系统和放冷系统；所述蓄冷系统包括水侧和冷媒侧，其中水侧由冷却塔、第一液泵、备份冷水机组通过管路依次相连形成机械制冷冷却水备份循环回路；冷媒侧由备份冷水机组、第十九阀门、蓄冷罐、第二十阀门、第三液泵通过管路依次相连形成冷媒备份循环回路；所述放冷系统由蓄冷罐、第二十阀门、第四液泵、第十三阀门、第一热管换热器、第十四阀门、第十九阀门通过管路依次相连形成第一放冷循环回路，由蓄冷罐、第二十阀门、第四液泵、第十五阀门、第二热管换热器、第十六阀门、第十九阀门通过管路依次相连形成第二放冷循环回路，由蓄冷罐、第二十阀门、第四液泵、第十七阀门、第三热管换热器、第十八阀门、第十九阀门通过管路依次相连形成第三放冷循环回路。
2.根据权利要求1所述的一种数据中心空调系统，其特征在于，所述系统有三种运行模式，分别为热管模式、机械制冷模式、机械制冷与热管同时运行模式；当系统单独运行机械制冷模式时，第三阀门、第七阀门、第十一阀门、第一液泵、第二液泵、第一冷水机组、第二冷水机组、第三冷水机组开启，第一阀门、第二阀门、第四~第六阀门、第八~第二十阀门、第三液泵、第四液泵、备份冷水机组关闭；当系统单独运行热管模式时，第一阀门、第二阀门、第五阀门、第六阀门、第九阀门、第十阀门、第一液泵、第二液泵开启，第三阀门、第四阀门、第七阀门、第八阀门、第十一~第二十阀门、第三液泵、第四液泵、第一冷水机组、第二冷水机组、第三冷水机组、备份冷水机组关闭；当系统同时运行机械制冷与热管时，第一阀门、第四阀门、第五阀门、第八阀门、第九阀门、第十二阀门、第一液泵、第二液泵、第一冷水机组、第二冷水机组、第三冷水机组开启，第三阀门、第四阀门、第六阀门、第七阀门、第十~第二十阀门、第三液泵、第四液泵、备份冷水机组关闭。
3.根据权利要求1所述的一种数据中心空调系统，其特征在于，所述备份系统在市电正常工作时，通过冷却塔和备份机组对蓄冷罐进行蓄冷，此时开启第三液泵、备份冷水机组、第十九阀门、第二十阀门；当市电出现故障时，开启备份系统，此时第十三~第二十阀门、第二液泵、第四液泵开启，第一~第十二阀门、第一液泵、第三液泵、第一~第三冷水机组、备份冷水机组关闭。
4.根据权利要求1所述的一种数据中心空调系统，其特征在于，所述冷却塔可根据冷量需求设置为一台、两台或者多台。
5.根据权利要求1所述的一种数据中心空调系统，其特征在于，所述热管换热器和冷水机组均可根据冷量需求设置为一台、两台或者多台。
6.根据权利要求1所述的一种数据中心空调系统，其特征在于，所述室内机可根据冷量需求设置为一台、两台或者多台。
7.根据权利要求1所述的一种数据中心空调系统，其特征在于，所述第一~第二十阀门均为电动阀。
8.根据权利要求1所述的一种数据中心空调系统，其特征在于，所述第一液泵和第四液泵为水泵，第二液泵和第三液泵为冷媒泵。
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