CN109282338A - 一种数据中心废热回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及暖通空调领域，公开了一种数据中心废热回收系统，包括：蒸发器、第一换热器、第二换热器和供热末端；第一换热器和第二换热器分别包括内管通道和套设在内管通道外侧的环形通道，在环形通道的外侧设置有风机；蒸发器设置在机房内部，蒸发器与第一换热器的环形通道连通形成回路，第一换热器的内管通道与第二换热器的环形通道连通形成回路，第二换热器的内管通道与供热末端连通形成回路。本发明提供的一种数据中心废热回收系统，通过在第一换热器和第二换热器中配置风机，当回收的废热量大于周边建筑所需的供暖量时，开启风机可将多余的废热排放至环境中，可避免设置冷却塔等装置，减少设备占地面积，节约系统初投资。

Description

一种数据中心废热回收系统

技术领域

本发明涉及暖通空调领域，特别是涉及一种数据中心废热回收系统。

背景技术

随着我国大数据、云计算等互联网技术的飞速发展，数据中心的数量也迅速增加，其耗电量已占总社会耗电量的1.5％，并保持快速增长势头。与此同时，我国北方地区正大力推广清洁供暖技术和设备，数据中心常年需要向外散热，是一个稳定的热源。目前，数据中心机房内使用的空调主要形式之一为空气源热泵制冷。数据中心的废热通过空气源热泵的冷凝器端被排放至周围环境，得不到有效利用。并且空气源热泵的性能受室外环境温度影响较大，结霜和除霜都会降低舒适性、增加能耗。

为了回收数据中心的废热用以供暖，目前已有采用水冷机组，并利用水-水热泵机组加热供暖热水的废热回收方案。该方案对节能减排、节约水资源和缓解城市热岛效应具有显著的效果。

但现有的数据中心废热回收方案中水冷型机房专用机大多利用冷却塔排出多余的冷凝热，然而冷却塔的安装需要较大的占地面积，且增加了系统的初投资。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种数据中心废热回收系统，用于解决或部分解决现有的数据中心废热回收方案中水冷型机房专用机大多利用冷却塔排出多余的冷凝热，冷却塔的安装需要较大的占地面积，且增加了系统初投资的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种数据中心废热回收系统，包括：蒸发器、第一换热器、第二换热器和供热末端；所述第一换热器和所述第二换热器分别包括内管通道和套设在所述内管通道外侧的环形通道，在环形通道外侧设置有风机；所述蒸发器设置在机房内部，所述蒸发器与所述第一换热器的环形通道连通形成回路，所述第一换热器的内管通道与所述第二换热器的环形通道连通形成回路，所述第二换热器的内管通道与所述供热末端连通形成回路。

在上述方案的基础上，在所述第一换热器和所述第二换热器的环形通道外侧壁上分别设置有翅片。

在上述方案的基础上，在所述蒸发器处设置风机。

在上述方案的基础上，在所述第一换热器的内管通道出口与所述第二换热器的环形通道入口之间串联设置压缩机；在所述第二换热器的环形通道出口与所述第一换热器的内管通道入口之间串联设置节流器。

在上述方案的基础上，在所述第二换热器的内管通道出口与所述供热末端入口之间串联设置第一阀门和泵；在所述供热末端出口与所述第二换热器的内管通道入口之间串联设置第二阀门。

在上述方案的基础上，在所述第二换热器的内管通道与所述供热末端形成的回路上串联设置储液器，所述储液器顶端连接设置空气分离器和定压装置。

在上述方案的基础上，所述蒸发器包括：热管蒸发器。

在上述方案的基础上，所述供热末端包括：暖气片辐射采暖换热器、风机盘管、空调箱和热管换热器以及冷凝末端的至少一种。

在上述方案的基础上，在所述第二换热器的内管通道出口与所述供热末端入口之间设置分水器；在所述供热末端出口与所述第二换热器的内管通道入口之间设置集水器。

在上述方案的基础上，所述第二换热器内管通道内部介质包括：冷却水或制冷剂。

(三)有益效果

本发明提供的一种数据中心废热回收系统，通过设置第一换热器和第二换热器为三介质换热器，在第一换热器和第二换热器中配置风机，当回收的废热量大于周边建筑所需的供暖量时，开启风机可将多余的废热排放至环境中，可避免设置冷却塔等装置，减少了系统设备的占地面积，节约了系统的初投资。

附图说明

图1为本发明实施例的一种数据中心废热回收系统的示意图；

图2为本发明实施例的一种数据中心废热回收系统实施例一的示意图；

图3为本发明实施例的一种数据中心废热回收系统实施例二的示意图；

图4为本发明实施例的一种数据中心废热回收系统实施例三的示意图；

图5为本发明实施例的一种数据中心废热回收系统实施例四的示意图。

附图标记说明：

1—储液器； 2—空气分离器； 3—定压装置；

4—供热末端； 5—第二换热器； 6—第一换热器；

7—节流器； 8—压缩机； 9—泵；

10—蒸发器； 11—第一阀门； 12—第二阀门；

13—机房； 14—周围建筑； 15—集水器；

16—分水器； 17—其他建筑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例根据本发明提供一种数据中心废热回收系统，参考图1，该系统包括：蒸发器10、第一换热器6、第二换热器5和供热末端4；第一换热器6和第二换热器5分别包括内管通道和套设在内管通道外侧的环形通道，在环形通道外侧设置有风机；蒸发器10设置在机房13内部，蒸发器10与第一换热器6的环形通道连通形成回路，第一换热器6的内管通道与第二换热器5的环形通道连通形成回路，第二换热器5的内管通道与供热末端4连通形成回路。

本实施例提供的一种数据中心废热回收系统，主要包括三个回路：蒸发器10与第一换热器6相连形成的对机房13的吸热冷却回路，第一换热器6与第二换热器5相连形成的将蒸发器10内部介质的热量传递给第二换热器5内部介质的回路，以及第二换热器5与供热末端4相连形成的供暖回路。

该废热回收系统回收数据中心的废热用于周围建筑14供暖的具体过程为：在机房13内设置蒸发器10，可快速有效吸收机房13内的热量。蒸发器10内的介质流至第一换热器6的环形通道中，与第一换热器6内管通道中的介质换热降温之后流回蒸发器10中。第一换热器6内管通道中的介质吸热后流至第二换热器5的环形通道，与第二换热器5内管通道中的介质换热降温，之后流回第一换热器6中。第二换热器5内管通道中的介质吸热升温流至供热末端4进行供暖，之后流回第二换热器5中。

第一换热器6和第二换热器5分别主要包括内管通道和环形通道。在第一换热器6和第二换热器5外部分别设置风机。使得第一换热器6和第二换热器5分别形成三介质换热器。三种换热的介质分别为内管通道内部的介质、环形通道内部的介质以及环形通道外部由风机引入的空气。

通过设置风机，在环形通道的外侧引入空气，可实现第一换热器6和第二换热器5与外界的换热，可直接实现第一换热器6和第二换热器5向外界的散热。设置第一换热器6和第二换热器5分别为三介质换热器，可灵活选择相互换热的介质，以实现该废热回收系统的不同功能，使该回收系统的使用更加灵活。

在供热末端4所需热量较少或者不需要供热时，可启动第一换热器6和第二换热器5中的风机，且通过调节风机运行的功率大小来调节第一换热器6和第二换热器5中向外界散发热量的大小，使得供热末端4的热量满足使用要求，且多余的热量可顺利排至外界。

本实施例提供的一种数据中心废热回收系统，通过设置第一换热器6和第二换热器5为三介质换热器，在第一换热器6和第二换热器5中配置风机，当回收的废热量大于周围建筑14所需的供暖量时，开启风机可将多余的废热排放至环境中，避免了设置现有方案中的冷却塔等装置，减少了系统设备的占地面积，节约了系统的初投资。

另外，供暖回路中的介质通过第二换热器5吸收热量，即可制备得到供暖用的热流体，减少了现有技术中的水-水源热泵机组，提高了换热效率，减少系统投资。

该数据中心废热回收系统，在供暖期内不仅满足了数据中心的供冷需求，并且高效便捷地回收了数据中心机房13制冷系统的冷凝废热，将其利用于周边建筑供热。与现有技术相比，该废热回收系统不但能够减少周边建筑的供热能耗，而且减少了废热回收系统的初投资，适用于周边有冬季供暖需求建筑的数据中心机房13，可以显著节约供暖能耗，带来良好的经济效益。

在上述实施例的基础上，进一步地，在第一换热器6和第二换热器5的环形通道外侧壁上分别设置有翅片。在环形通道的外侧壁上设置翅片，可提高环形通道内介质与外界换热的效率，可加速第一换热器6和第二换热器5向外界散发热量，提高系统向外界排放废热的效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，在蒸发器10处设置风机。可进一步加速蒸发器10吸收机房13内的热量，提高蒸发器10在机房13内的吸热效率，提高数据中心机房13的制冷效率。

在上述实施例的基础上，进一步地，在第一换热器6的内管通道出口与第二换热器5的环形通道入口之间串联设置压缩机8；在第二换热器5的环形通道出口与第一换热器6的内管通道入口之间串联设置节流器7。

第一换热器6的内管通道、压缩机8、第二换热器5的环形通道和节流器7串联设置，形成蒸汽压缩制冷回路，即热泵回路。蒸发器10内介质降温至所需温度且将热量传递至供暖回路中的介质中，使得供暖回路中介质升温至所需温度。

在热泵回路中，第一换热器6作为蒸发端，第二换热器5作为冷凝端。

在上述实施例的基础上，进一步地，在第二换热器5的内管通道出口与供热末端4入口之间串联设置第一阀门11和泵9；在供热末端4出口与第二换热器5的内管通道入口之间串联设置第二阀门12。

设置第一阀门11和第二阀门12可控制供暖回路中的介质在第二换热器5和供热末端4之间的流动。泵9用于驱动供暖回路中介质的流动。在需要供暖时，可打开第一阀门11和第二阀门12，启动泵9，使得高温介质流至供热末端4进行供暖；在不需要供暖时，可关闭第一阀门11和第二阀门12。

进一步地，第一阀门11、第二阀门12可为电动调节阀或电磁阀，或采用两个流量调节阀为一体的电动三通阀或电磁三通阀。

进一步地，设置控制器分别与第一阀门11、第二阀门12、泵9以及压缩机8相连，用于对供暖回路以及热泵回路的运行进行智能控制调节。

在上述实施例的基础上，进一步地，在第二换热器5的内管通道与供热末端4形成的回路上串联设置储液器1，储液器1顶端连接设置空气分离器2和定压装置3。

在上述实施例的基础上，进一步地，第二换热器5的内管通道内部介质包括：冷却水或制冷剂。即供暖回路中的介质，第二换热器5内管通道中的介质可为冷却水或者制冷剂。

储液器1可为蓄热水箱或者储液罐。当供暖回路中的介质为水时，在供暖回路上串联设置蓄热水箱，存储多余的热水以供灵活调节。可以改善系统性能，在一天或更长的时间内，实现回收冷凝废热和供暖房间所需热量之间的平衡，减少压缩机8的启停次数，可提高系统稳定性。

当供暖回路的介质为制冷剂时，在供暖回路上串联设置储液罐，用于收集制冷剂液体。当制冷剂气体在供热末端4放热后，会从气体状态冷凝为液体状态。需要储液罐将冷凝后的制冷剂收集起来，再通过第二换热器5吸收热量变为气体。设置储液罐可以改善系统性能，储存多余的冷凝液，避免冷凝液在冷凝器中积存过多而使传热面积变小，影响传热效果。

进一步地，蓄热水箱可设置在第一阀门11与供热末端4的入口之间。储液罐可设置在供热末端4的出口和第二阀门12之间。

在上述实施例的基础上，进一步地，蒸发器10包括：热管蒸发器。

采用热管蒸发器可提高吸热效率，实现数据中心机房13的快速降温。蒸发器10内的介质可为适宜用于热管的介质。

进一步地，热泵回路中的介质，即第一换热器6内管通道以及第二换热器5环形通道中的介质可为制冷剂。

在上述实施例的基础上，进一步地，供热末端4包括：暖气片辐射采暖换热器、风机盘管、空调箱和热管换热器与冷凝末端的至少一种。

在上述实施例的基础上，进一步地，参考图2，在第二换热器5的内管通道出口与供热末端4入口之间设置分水器16；在供热末端4出口与第二换热器5的内管通道入口之间设置集水器15。

在供热末端4的入口之前设置分水器16，储液器1中的采暖用水，可通过分水器16被分配到不同的周围建筑14或者其他建筑17中，最终在周边建筑的供热末端4进行供暖。供暖回水通过集水器15被收集起来，再流回第二换热器5中吸热，产生高温供暖热水。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种数据中心废热回收系统包括第一换热器6、节流器7、第二换热器5、压缩机8、泵9、储液器1、空气分离器2、定压装置3以及供热末端4；机房13内蒸发器10与第一换热器6的环形通道相连；第一换热器6的内管通道和压缩机8、第二换热器5的环形通道、节流器7串联设置。第二换热器5的内管通道，通过第一阀门11和第二阀门12，与泵9、储液器1和供热末端4串联。

工质在机房13内蒸发器10中吸收热量，在第一换热器6的环形通道内释放热量；冷却水或制冷剂在第二换热器5的内管通道吸收废热，制得热水或高温制冷剂，经过第一阀门11和泵9，进入储液器1，再进入供热末端4进行散热；降温后的热水或制冷剂经过第二阀门12返回第二换热器5的内管通道中。

第一换热器6和第二换热器5分别为三介质换热器，在第一换热器6和第二换热器5的内部分别设置有风机，用于与外界交流散热。数据中心机房13内蒸发器10为热管蒸发器，且同样设置有风机。在储液器1上部设置有空气分离器2和定压装置3，可保证热水或者高温制冷机的换热效率以及提高系统的稳定性。

当周围建筑14需要供暖时，开启第一阀门11和第二阀门12，冷却水或制冷剂在第二换热器5的内管通道吸收废热，制得热水或高温制冷剂。根据周围建筑14所需的供热量和第二换热器5所提供的冷凝废热量，来选择不同的工作模式。

当周围建筑14所需的供热量约等于回收的冷凝废热量时，开启压缩机8和泵9，开启机房13内部蒸发器10的风机。制得的热水或高温制冷剂通过泵9进入储液器1后，再进入供热末端4进行散热。蓄热水箱的作用是改善系统性能，在一天或更长的时间内，实现回收冷凝废热和周围建筑14所需热量之间的平衡，减少压缩机8的启停次数。

当周围建筑14所需的供热量小于回收的冷凝废热量时，可暂时关闭压缩机8和泵9，暂时停止向供热末端4输送热量；同时开启机房13内部蒸发器10的风机和第一换热器6的风机，将机房13内的废热排放至周围环境中。若排热量不足以满足数据中心的散热需求，则再开启压缩机8，获得较低温度的蒸发器10工质，从而提高蒸发器10在机房内的吸热降温效率；且同时开启第二换热器5的风机，将热量散发至周围环境中。

当周围建筑14不需要供暖时，关闭第一阀门11和第二阀门12，根据机房13设定温度和室外温度选择以下不同的工作模式：

当室外温度较高时运行制冷模式：启动压缩机8，启动第二换热器5的风机和机房13内蒸发器10的风机，机械制冷回路内的制冷工质在第一换热器6内从蒸发器10工质吸热；蒸发器10内工质在机房13内吸收排热蒸发后流入第一换热器6的环形通道，向机械制冷回路的制冷工质放热冷凝，冷凝后的冷凝液在重力作用下回流至蒸发器10，以便于继续蒸发。

当在室外温度足够低时运行热管模式：关闭压缩机8，仅开启第一换热器6的风机和机房13内蒸发器10的风机，此时蒸发器10的工质在第一换热器6的环形通道内仅与室外空气通道中的冷空气进行换热冷凝，并在重力作用下回流。

在中间温度时运行双启模式：启动压缩机8，开启第一换热器6的风机、第二换热器5的风机和机房13内蒸发器10的风机，利用制冷工质和室外冷空气同时冷却蒸发器10工质，即回路热管制冷量的不足由机械制冷来补充。

该数据中心废热回收系统设置的三介质第一换热器6和第二换热器5，可根据不同的需要来灵活选择换热模式，既可不启动风机，单纯使回路内工质间进行换热，也可单纯通过风机与周围环境进行换热，还可同时既通过回路间工质进行换热，又通过风机与周围环境换热，可适应多种需求以及不同的周围环境，提高系统的灵活性和适用性。

下面结合不同的实施例进一步说明：

实施例一，参考图2，采暖的回水在第二换热器5中吸收热量，产生55-60℃的采暖供水，再进入蓄热水箱中进行储存，蓄热水箱中的采暖用水，通过分水器16被分配到不同的周边建筑或者其他建筑17中，最终在周边建筑的供热末端4中进行供暖。供暖回水通过集水器15被收集起来，再经过第二换热器5吸热，产生高温供暖热水。供热末端4为暖气片辐射采暖换热器、风机盘管、空调箱中的一种，或者其中几种的组合。

实施例二，参考图3，在供暖回路中进行循环的介质为制冷剂。制冷剂在第二换热器5中吸收热量，产生高温制冷剂蒸气，并在供热末端4放热，冷凝为制冷剂液体，回流至储液罐，在制冷剂泵的作用下，重新进入到第二换热器5中吸收热量产生供热用的制冷剂蒸汽。供暖末端采用热管换热器与冷凝末端、或者是配有风机的热管换热器与冷凝末端。冷凝末端与高效传热热管辐射散热器耦合成一体，相较于传统的暖气片辐射换热器，热管可以扩大传热面积，并且削弱多个冷凝器带来的阻力增大问题，具有更高的传热效率。

实施例三，参考图4，在供暖环路中进行循环的介质为制冷剂。供暖末端采用热管换热器与冷凝末端、或者是配有风机的热管换热器与冷凝末端。供热回路配有一个储液罐。

实施例四，参考图5，在供暖环路中进行循环的介质为制冷剂。供暖末端采用热管换热器与冷凝末端、或者是配有风机的热管换热器与冷凝末端。供暖回路配有一个制冷剂泵。

该数据中心废热回收系统，涉及一种回收数据中心废热的供暖系统，适用于数据中心附近需要供暖的民用建筑、商用建筑，属于暖通空调领域。

该废热回收系统基于三介质换热器的热泵/热管一体式机组，既可以利用室外自然冷源实现数据中心的高效散热，又可以回收数据中心排放的废热，并将其利用在冬季住宅、商用建筑的供暖方面。即在周边建筑需要供热时，通过热泵/热管式一体机组，将数据中心机房13的冷凝器端水温加热到供热热水温度，对周边建筑进行供热；当周边建筑不需要供热时，开启数据中心机房13的第二换热器5处的风机，将冷凝废热排放至外部环境中。

在周围环境温度较低时，还可直接通过启动第一换热器6处的风机对蒸发器10内介质进行降温冷却，不用启动压缩机8，可充分利用外界自然冷源，节约能源消耗。

采用三介质换热器作为冷凝器端和蒸发器端的换热装置，构建了基于三介质换热器的热泵/热管一体式机组，在蒸气压缩制冷回路和重力热管回路中都无须阀门既可实现蒸气压缩制冷、自然冷源制冷、废热回收等运行模式，保证气液两相制冷剂回路中都保持优化的制冷剂分布状态，达到全年高效运行，特别是提高了机房13废热的品位，可在冬季为建筑高效稳定供暖。

该废热回收系统直接利用第一换热器6对蒸发器10中介质进行换热，可减少回收废热回收过程中的换热环节，提高废热回收效率，减少系统的初投资。设置三介质的第一换热器6和第二换热器5，可不用设置冷却塔，减少占地面积。

可根据数据中心较为稳定的废热量，来匹配计算可进行供热的周围建筑14区域，使得回收的废热与周围建筑14供暖所需的热量相匹配，可无需另外设置辅助供热源，可避免不同热源的耦合，减少供暖热水温度的波动，提高系统的稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (10)

1.一种数据中心废热回收系统，其特征在于，包括：蒸发器、第一换热器、第二换热器和供热末端；所述第一换热器和所述第二换热器分别包括内管通道和套设在所述内管通道外侧的环形通道，在环形通道外侧设置有风机；所述蒸发器设置在机房内部，所述蒸发器与所述第一换热器的环形通道连通形成回路，所述第一换热器的内管通道与所述第二换热器的环形通道连通形成回路，所述第二换热器的内管通道与所述供热末端连通形成回路。

2.根据权利要求1所述的数据中心废热回收系统，其特征在于，在所述第一换热器和所述第二换热器的环形通道外侧壁上分别设置有翅片。

3.根据权利要求1所述的数据中心废热回收系统，其特征在于，在所述蒸发器处设置风机。

4.根据权利要求1或2或3所述的数据中心废热回收系统，其特征在于，在所述第一换热器的内管通道出口与所述第二换热器的环形通道入口之间串联设置压缩机；在所述第二换热器的环形通道出口与所述第一换热器的内管通道入口之间串联设置节流器。

5.根据权利要求1或2或3所述的数据中心废热回收系统，其特征在于，在所述第二换热器的内管通道出口与所述供热末端入口之间串联设置第一阀门和泵；在所述供热末端出口与所述第二换热器的内管通道入口之间串联设置第二阀门。

6.根据权利要求5所述的数据中心废热回收系统，其特征在于，在所述第二换热器的内管通道与所述供热末端形成的回路上串联设置储液器，所述储液器顶端连接设置空气分离器和定压装置。

7.根据权利要求1所述的数据中心废热回收系统，其特征在于，所述蒸发器包括：热管蒸发器。

8.根据权利要求1所述的数据中心废热回收系统，其特征在于，所述供热末端包括：暖气片辐射采暖换热器、风机盘管、空调箱和热管换热器以及冷凝末端的至少一种。

9.根据权利要求5所述的数据中心废热回收系统，其特征在于，在所述第二换热器的内管通道出口与所述供热末端入口之间设置分水器；在所述供热末端出口与所述第二换热器的内管通道入口之间设置集水器。

10.根据权利要求1所述的数据中心废热回收系统，其特征在于，所述第二换热器内管通道内部介质包括：冷却水或制冷剂。