CN109163399A - 减少主机运行时间的冷水系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少主机运行时间的冷水系统，包括机械制冷系统和自然冷源系统；其中，机械制冷系统包括冷源设备、数据机房用精密空调、冷却塔、第一循环水泵以及冷却水泵，机械制冷系统通过冷源设备提供温度介于5℃至23℃的第一冷冻水，第一冷冻水通过冷冻水管路被输送至数据机房用精密空调中的低温冷水盘管，第一循环水泵为第一冷冻水提供动力；其中，自然冷源系统包括换热设备、数据机房用精密空调、冷却塔第二循环水泵以及冷却水泵，自然冷源系统通过冷却塔提供冷却水，换热设备将冷却水转换为温度介于5℃至23℃的第二冷冻水，第二冷冻水通过冷冻水管路输送至数据机房用精密空调中的高温冷水盘管，第二循环水泵为第二冷冻水提供动力。
Description
技术领域
本发明是关于暖通空调领域，特别是关于一种减少主机运行时间的冷水系统。
背景技术
目前，大型数据机房运行过程中产生大量的热量，为支持数据机房的正常运转，需要将机房内的余热排出，这就需要制冷空调系统来实现。降温排热的过程往往需要大量的电力、燃气等能耗的费用支出，该支出占比庞大，限制了大型数据中心的赢利水平。
通常的排出余热方式，主要分为风冷、水冷、液冷三种方式，其中水冷方式为大型数据中心通常采用方式。减少数据中心能耗的重要方式之一，就是减少机械制冷方式的小时数、增加自然方式制冷小时数。在水冷方式中，自然冷源与机械制冷冷源通常会在同一的冷却水系统、同一的冷冻水系统上实现设备间的串联、并联。该连接方式，在一定程度上增加了自然降温、预冷的小时数，不过，该方式在阻力控制、预冷潜力上还存在一定的缺陷。另外，还有一种利用热导管对数据机柜中的CPU进行散热的方式，该方式具大幅提供自然冷却的小时数，但是该方式对机房布置、机柜等带来极大的不便，实际项目中很少采用。
本发明是在考量了常规水冷制冷系统、热导管对CPU降温系统的实际应用问题的基础上，提出了一种减少主机运行时间的冷水系统。该系统克服了串并联时的阻力调节缺陷，也避免了对数据机房、机柜、服务器等设备带来布局、布置、操作上的困难，同时，相对于常规水冷制冷系统，具有大幅提升利用自然冷源的小时数，具有很高的节能潜力。
本发明面向于现阶段社会技术发展水平，能够很容易的推广和应用。同时，无论是对于位于北方的大型数据中心，还是对于位于南方的大型数据中心，该发明均具有大幅提高可利用的自然小时数，激发气候利用潜力，大幅降低空调系统的能耗，提升数据中心能源能效。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少主机运行时间的冷水系统，其能够克服现有技术的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种减少主机运行时间的冷水系统，该冷水系统包括机械制冷系统和自然冷源系统；其中，机械制冷系统包括冷源设备、数据机房用精密空调、冷却塔、第一循环水泵以及冷却水泵，机械制冷系统通过冷源设备提供温度介于5℃至23℃的第一冷冻水，第一冷冻水通过冷冻水管路被输送至数据机房用精密空调中的低温冷水盘管，第一循环水泵用于为第一冷冻水提供动力以便第一冷冻水从低温冷水盘管流回冷源设备；其中，自然冷源系统包括换热设备、数据机房用精密空调、冷却塔第二循环水泵以及冷却水泵，自然冷源系统通过冷却塔提供冷却水，换热设备将冷却水转换为温度介于5℃至23℃的第二冷冻水，该第二冷冻水通过冷冻水管路输送至数据机房用精密空调中的高温冷水盘管，第二循环水泵用于为第二冷冻水提供动力以便第二冷冻水从高温冷水盘管流回换热设备。
在一优选的实施方式中，数据机房用精密空调为双冷源风冷精密空调，双冷源风冷精密空调包括低温冷水盘管以及高温冷水盘管。
在一优选的实施方式中，低温冷水盘管是位于数据机房用精密空调中气流下游的冷水盘管；对于采取下送上回送风气流组合的数据机房用精密空调，低温冷水盘管位于数据机房用精密空调下侧；对于采取上送下回式送风气流组合的数据机房用精密空调，低温冷水盘管位于数据机房用精密空调的上侧。
在一优选的实施方式中，高温冷水盘管是位于数据机房用精密空调中气流上游的冷水盘管；对于采取下送上回送风气流组合的数据机房用精密空调，高温冷水盘管位于数据机房用精密空调的上侧；对于采取上送下回式送风气流组合的数据机房用精密空调，高温冷水盘管位于数据机房用精密空调的下侧。
在一优选的实施方式中，冷冻水管路被设置在冷却塔与冷源设备之间，并且冷冻水管路被设置在冷却塔与换热设备之间，其中，冷却水泵为冷冻水管路中的水提供循环动力。
在一优选的实施方式中，冷却塔是开式塔、闭式塔，或者是多级蒸发冷却设备。
在一优选的实施方式中，第一循环水泵以及第二循环水泵放置于对应系统的回水段上，或者第一循环水泵以及第二循环水泵放置于对应系统的供水段上。
在一优选的实施方式中，在数据机房用精密空调中，数据中心机房的热空气先通过高温冷水盘管进行降温后，再通过低温冷水盘管进一步降温。
与现有技术相比，本发明的减少主机运行时间的冷水系统具有如下优点：1）本发明对两套冷源系统采取并联方式，避免了两套冷源系统既可串联又可并联，减少串并联转换式冷冻水管路、冷却水管路中压力损失变化不适应工况需求的缺陷。2）本发明对两套冷源系统的冷冻水管路分别设置，避免了冷冻水之间的混合，能够发挥不同温度品质的冷源的内在特性，分级利用，能够大幅提高能效，同时也为采取天然的冷源提供了便利的条件，减少采取机械制冷方式。3）通过合理匹配两套冷源系统，可以在不大幅度降低（或变动）冷源温度品质的前提条件下，大幅度的提高（或调节）冷水系统的运行能耗费用，从而，在不同气候区下，轻易地为实现降低数据中心的PUE值。4）本发明对冷源机房内改动不大，对数据机房、机柜等区域均无影响，且投资成本很低，却能够带动空调系统能耗的大幅降低，具有很高的推广价值。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的减少主机运行时间的冷水系统的结构示意图；
图2是根据本发明一实施方式的减少主机运行时间的冷水系统的结构示意图；
图3是根据本发明一实施方式的减少主机运行时间的冷水系统的结构示意图；以及
图4是根据本发明一实施方式的减少主机运行时间的冷水系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
下面结合附图1、图2详细描述本发明的技术方案。
如图1和图2所示，本发明优选实施方式的冷水系统在冷冻水管路侧，冷源设备1的两端与数据机房用精密空调3的低温盘管的两端相连接，构成一个循环管路，第一循环水泵5放置于冷源设备1与数据机房用精密空调3之间管路的一分支上。换热设备2的两端与数据机房用精密空调3的高温盘管的两端相连接，构成一个循环管路，第二循环水泵6放置于冷源设备1与数据机房用精密空调3之间管路的一分支上。
在冷却水管路侧，冷源设备1的两端与冷却塔4的两端相连接，构成一个循环管路。同样的，换热设备2的两端与冷却塔4的两端相连接，构成一个循环管路。冷却水泵7放置于这两个循环管路的公共分支上。
第一循环水泵5可放置于供水管上，也可以放置于回水管上；同样地，第二循环水泵6可放置于供水管上，也可以放置于回水管上。
对于冷却塔4为开式系统时，冷却水泵7只能放置于冷却塔4的进水端；对于冷却塔4为闭式系统时，冷却水泵7既可以放置于冷却塔4的进水端，也可以放置于冷却塔4的出水端。
下面结合附图3、图4详细描述本发明的技术方案：
如图3和图4所示，本发明的优选实施方式的冷水系统在冷冻水管路侧，冷源设备1的两端与数据机房用精密空调3的低温盘管的两端相连接，构成一个循环管路，第一循环水泵5放置于冷源设备1与数据机房用精密空调3之间管路的一分支上。换热设备2的两端与数据机房用精密空调3的高温盘管的两端相连接，构成一个循环管路，第二循环水泵6放置于冷源设备1与数据机房用精密空调3之间管路的一分支上。
在冷却水管路侧，冷源设备1的两端与第二冷却塔4a的两端相连接，构成一个循环管路，第二冷却水泵7a放置于冷源设备1与第二冷却塔4a之间，为该循环管路提供循环动力。换热设备2的两端与第二冷却塔4b的两端相连接，构成一个循环管路，第二冷却水泵7b放置于换热设备2与第二冷却塔4b之间，为该循环管路提供循环动力。
第一循环水泵5可放置于供水管上，也可以放置于回水管上；同样地，第二循环水泵6可放置于供水管上，也可以放置于回水管上。
对于第一冷却塔4a为开式系统时，第一冷却水泵7a只能放置于第一冷却塔4a的进水端；对于第一冷却塔4a为闭式系统时，第一冷却水泵7a一既可以放置于第一冷却塔4a的进水端，也可以放置于第一冷却塔4a的出水端。
对于第二冷却塔4b为开式系统时，第二冷却水泵7b二只能放置于第二冷却塔4b的进水端；对于第二冷却塔4b为闭式系统时，第二冷却水泵7b既可以放置于4第二冷却塔4b的进水端，也可以放置于第二冷却塔4b的出水端。
本发明的冷水系统的工作原理具体如下：
如图1和图2所示，低温冷源由冷源设备1通过机械制冷产生，并在冷源设备1的蒸发器内将冷量传递至机械制冷系统侧的冷冻水中，该冷冻水通过冷冻水管路输送至1数据机房用精密空调中的低温冷水盘管；低温冷水盘管将数据中心机房中吸收的热量，通过冷冻水管路输送回冷源设备1，第一循环水泵5提供该冷冻水管路中冷水循环的动力。冷源设备1的冷凝器将回收的热量，通过冷却水管路中7冷却水泵输送至冷却塔4，冷却塔4通过蒸发机理将该热量散失到大气中后，冷却塔4出口处的冷却水水温响应降低，该降低的冷却水再流回到冷源设备1的冷凝器中，进行再次的吸走热量，以此循环。
自然冷源系统由冷却塔4，通过蒸发机理，提供温度很低的冷却水，然后经过2换热设备的换热，将该冷却水中携带的冷量输送至冷冻水管路侧的冷冻水中，该冷冻水通过冷冻水管路被输送至1数据机房用精密空调中的高温冷水盘管；高温冷水盘管将数据中心机房中吸收的热量，通过冷冻水管路输送回2换热设备，第二循环水泵6提供该冷冻水管路中冷水循环的动力。该回收的热量，经过2换热设备的换热，被7冷却水泵输送至冷却塔4，冷却塔4通过蒸发机理将该热量散失到大气中，以此循环。
在数据机房用精密空调3中，从数据中心机房中吸收了热量的热空气，优先通过高温冷水盘管进行降温，然后，再通过低温冷水机组进一步地降温。通过两次降温处理的空气，再次被送回数据中心机房中吸收热量，以此循环。
如图3、图4所示，低温冷源由冷源设备1通过机械制冷产生，并在冷源设备1的蒸发器内将冷量传递至机械制冷系统侧的冷冻水中，该冷冻水通过冷冻水管路输送至1数据机房用精密空调中的低温冷水盘管；低温冷水盘管将数据中心机房中吸收的热量，通过冷冻水管路输送回冷源设备1，第一循环水泵5提供该冷冻水管路中冷水循环的动力。冷源设备1的冷凝器将回收的热量，通过冷却水管路中第一冷却水泵7a输送至第一冷却塔4a，第一冷却塔4a通过蒸发机理将该热量散失到大气中后，第一冷却塔4a出口处的冷却水水温响应降低，该降低的冷却水再流回到冷源设备1的冷凝器中，进行再次的吸走热量，以此循环。
自然冷源系统由第二冷却塔4b，通过蒸发机理，提供温度很低的冷却水，然后经过2换热设备的换热，将该冷却水中携带的冷量输送至冷冻水管路侧的冷冻水中，该冷冻水通过冷冻水管路被输送至1数据机房用精密空调中的高温冷水盘管；高温冷水盘管将数据中心机房中吸收的热量，通过冷冻水管路输送回2换热设备，第二循环水泵6提供该冷冻水管路中冷水循环的动力。该回收的热量，经过2换热设备的换热，被第二冷却水泵7b输送至第二冷却塔4b，第二冷却塔4b通过蒸发机理将该热量散失到大气中，以此循环。
在1数据机房用精密空调中，从数据中心机房中吸收了热量的热空气，优先通过高温冷水盘管进行降温，然后，再通过低温冷水机组进一步地降温。通过两次降温处理的空气，再次被送回数据中心机房中吸收热量，以此循环。
综上所述，本发明的冷水系统在冷源分级利用、能效等关键节点上进行了很大的研究和提升，大幅降低了空调系统能耗和费用支出，尤其对于数据中心的节能降耗尤为重要。
需要说明的是，本发明优选实施方式的冷水系统的结构均为最基本、最核心的结构。对于不同等级数据中心在冗余、可用度等方面的要求，可根据本发明的结构进行扩展，但基本结构相同的冷水系统，均在本发明保护范围内。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (8)
1.一种减少主机运行时间的冷水系统，其特征在于，所述冷水系统包括机械制冷系统和自然冷源系统；
其中，所述机械制冷系统包括冷源设备、数据机房用精密空调、冷却塔、第一循环水泵以及冷却水泵，所述机械制冷系统通过所述冷源设备提供温度介于5℃至23℃的第一冷冻水，所述第一冷冻水通过冷冻水管路被输送至所述数据机房用精密空调中的低温冷水盘管，所述第一循环水泵用于为所述第一冷冻水提供动力以便所述第一冷冻水从所述低温冷水盘管流回所述冷源设备；
其中，所述自然冷源系统包括换热设备、数据机房用精密空调、冷却塔第二循环水泵以及冷却水泵，所述自然冷源系统通过所述冷却塔提供冷却水，所述换热设备将所述冷却水转换为温度介于5℃至23℃的第二冷冻水，该第二冷冻水通过冷冻水管路输送至所述数据机房用精密空调中的高温冷水盘管，所述第二循环水泵用于为所述第二冷冻水提供动力以便所述第二冷冻水从所述高温冷水盘管流回所述换热设备。
2.如权利要求1所述的减少主机运行时间的冷水系统，其特征在于，所述数据机房用精密空调为双冷源风冷精密空调，所述双冷源风冷精密空调包括低温冷水盘管以及高温冷水盘管。
3.如权利要求1所述的减少主机运行时间的冷水系统，其特征在于，所述低温冷水盘管是位于所述数据机房用精密空调中气流下游的冷水盘管；对于采取下送上回送风气流组合的数据机房用精密空调，所述低温冷水盘管位于所述数据机房用精密空调下侧；对于采取上送下回式送风气流组合的数据机房用精密空调，所述低温冷水盘管位于所述数据机房用精密空调的上侧。
4.如权利要求1所述的减少主机运行时间的冷水系统，其特征在于，所述高温冷水盘管是位于数据机房用精密空调中气流上游的冷水盘管；对于采取下送上回送风气流组合的数据机房用精密空调，所述高温冷水盘管位于所述数据机房用精密空调的上侧；对于采取上送下回式送风气流组合的数据机房用精密空调，所述高温冷水盘管位于所述数据机房用精密空调的下侧。
5.如权利要求1所述的减少主机运行时间的冷水系统，其特征在于，所述冷冻水管路被设置在所述冷却塔与所述冷源设备之间，并且所述冷冻水管路被设置在所述冷却塔与所述换热设备之间，其中，所述冷却水泵为所述冷冻水管路中的水提供循环动力。
6.如权利要求1所述的减少主机运行时间的冷水系统，其特征在于，所述冷却塔是开式塔、闭式塔，或者是多级蒸发冷却设备。
7.如权利要求1所述的减少主机运行时间的冷水系统，其特征在于，所述第一循环水泵以及所述第二循环水泵放置于对应系统的回水段上，或者所述第一循环水泵以及所述第二循环水泵放置于对应系统的供水段上。
8.如权利要求1所述的减少主机运行时间的冷水系统，其特征在于，在所述数据机房用精密空调中，数据中心机房的热空气先通过所述高温冷水盘管进行降温后，再通过所述低温冷水盘管进一步降温。
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