CN109548378A - 一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统，其特征在于：包括蓄冰池、第一电磁阀、第二电磁阀、热源塔、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第一水泵、第六电磁阀、蒸发器、节流阀、第七电磁阀、第二水泵、冷凝器、第八电磁阀、热水蓄水箱、用户、第九电磁阀、第三水泵、第四水泵、第十电磁阀、压缩机、第十一电磁阀、第十二电磁阀、第十三电磁阀和数据中心。本发明采用数据中心、热源塔或蓄冰池作为热源塔热泵系统的低温热源，提高热泵机组能效，冬季蓄冰池作为低温热源进行供热的同时，可以制备冰，储存到夏季，作为数据中心冷却系统的冷源，减少了夏季热泵机组的运行时间，减少机组能耗。
Description
技术领域
本发明属于制冷空调系统技术领域，具体涉及一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统。
背景技术
随着云计算、大数据业务的快速发展，设有大量服务器等IT设备的数据中心发展迅速。为保证数据中心高效稳定运行，需要控制室内温湿度。我国2017年数据中心总耗电量达1200亿kW·h，其中空调系统能耗占40％～50％。目前我国的数据中心领域具有较大的节能空间。数据中心具有高发热量和低散湿量的负荷特性，全年只有冷负荷，而没有热负荷。目前的数据中心冷却系统夏季采用空调系统制冷，春季、秋季和冬季三个季节采用自然冷却。夏季空调系统一般采用冷水机组作为冷源，需要消耗大量电能。冬季数据中心需要散热，存在热量的浪费。
数据中心周围的办公区、生活区都需要集中供热。目前，区域集中供热的热源主要有锅炉、空气源热泵、水源热泵等。这些方案在实际运行过程中存在一些问题：锅炉的燃烧会带来环境污染问题；空气源热泵在冬季容易结霜；地源热泵受地理位置的限制较大。为了解决上述问题，一些学者提出了热源塔热泵系统，在冬季工况下，利用热却塔从空气吸收热量，作为热泵系统的低温热源。热源塔热泵系统在长江中下游地区得到一定程度的应用。而在工作过程中热源塔热泵系统的循环溶液因吸收空气中的水蒸气而浓度降低，危害系统的运行，需要进行溶液再生，溶液再生的过程需要消耗能量。另外，热源塔热泵系统以外界低温空气作为低温热源，热泵机组能效较低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统，其采用数据中心、热源塔或蓄冰池作为热源塔热泵系统的低温热源，提高热泵机组能效，冬季蓄冰池作为低温热源进行供热的同时，可以制备冰，储存到夏季，作为数据中心冷却系统的冷源，减少了夏季热泵机组的运行时间，减少机组能耗。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统，其特征在于：包括蓄冰池、第一电磁阀、第二电磁阀、热源塔、第三电磁阀、第四电磁阀、第五电磁阀、第一水泵、第六电磁阀、蒸发器、节流阀、第七电磁阀、第二水泵、冷凝器、第八电磁阀、热水蓄水箱、用户、第九电磁阀、第三水泵、第四水泵、第十电磁阀、压缩机、第十一电磁阀、第十二电磁阀、第十三电磁阀和数据中心，所述的热源塔底部通过管路分别与第十二电磁阀上端和第十三电磁阀右端连接，所述的第十二电磁阀下端通过管路分别与冷凝器底部右侧接口和第四水泵左端连接，所述的第十三电磁阀左端通过管路分别与第一电磁阀右端和数据中心右侧上端接口连接，所述的数据中心右侧下端接口通过管路分别与第四电磁阀下端和第十一电磁阀下端连接，所述的第十一电磁阀上端通过管路与蒸发器下端左侧接口连接，所述的第一电磁阀左端通过管路与蓄冰池右侧下端接口连接，所述的蓄冰池右侧上端接口通过管路分别与第二电磁阀上端和第三电磁阀左端连接，所述的第二电磁阀下端通过管路与第一电磁阀右端连接，所述的热源塔右端通过管路分别与第五电磁阀上端和第七电磁阀上端连接，所述的第三电磁阀右端和第五电磁阀下端都通过管路与第一水泵上端连接，所述的第一水泵下端通过管路分别与第四电磁阀上端和第六电磁阀上端连接，所述的第六电磁阀下端通过管路与蒸发器上端左侧接口连接，所述的蒸发器上端右侧接口通过管路与节流阀左端连接，所述的节流阀右端通过管路与冷凝器上端左侧接口连接，所述的冷凝器上端右侧接口通过管路分别与第二水泵下端和第八电磁阀左端连接，所述的第二水泵上端通过管路与第七电磁阀下端连接，所述的第八电磁阀右端通过管路与热水蓄水箱上端左侧接口连接，所述的热水蓄水箱上端右侧接口通过管路与用户上端连接，所述的用户下端通过管路与第九电磁阀右端连接，所述的第九电磁阀左端通过管路与第三水泵右端连接，所述的第三水泵左端通过管路与热水蓄水箱下端右侧接口连接，所述的热水蓄水箱下端左侧接口通过管路与第十电磁阀右端连接，所述的第十电磁阀左端通过管路与第四水泵右端连接。
上述的蓄冰池外壁上安装有保温层。
上述的热水蓄水箱外壁上安装有保温层。
上述的热源塔内的工质可采用水、乙二醇溶液、氯化钙溶液或溴化锂溶液。
上述的蓄冰池顶面上设置有绿化带。
本发明包括数据中心冷却系统和热源塔热泵系统。冬季，数据中心、热源塔和蓄冰池作为热源塔热泵系统的低温热源，同时在蓄冰池内制冰，以备夏季使用；夏季，蓄冰池和热源塔热泵系统作为数据中心冷却系统的冷源；春、秋季，数据中心采用自然冷却，此时热源塔即为冷却塔。热源塔热泵系统包括：压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、热源塔、泵、电磁阀。供热系统包括：冷凝器、热水蓄水箱、用户、泵、电磁阀。数据中心冷却系统包括：蒸发器、热源塔、蓄冰池、泵、电磁阀。
热源塔热泵系统流程为：蒸发器出口的低温低压的制冷剂气体进入压缩机，在压缩机内被压缩成高温高压的制冷剂气体，然后进入冷凝器，在冷凝器内，制冷剂气体与冷却介质换热，高温高压的制冷剂气体被冷凝成高温高压的制冷剂液体，此时制冷剂冷凝放出的热量用来制备热水。之后进入节流阀进行节流降压，高温高压的制冷剂液体变成低温低压的制冷剂液体，再进入蒸发器内蒸发吸热，低温热源为数据中心、热源塔或者蓄冰池，详细流程见冬季数据中心冷却系统。
夏季热源塔热泵系统的制冷剂循环与冬季的制冷剂循环相同。
供热系统流程为：开启第四水泵、第十电磁阀、第八电磁阀，热源塔热泵系统的冷凝器制备的热水经第四水泵、第十电磁阀从热水蓄水箱的下部进入，热水蓄水箱内温度较低的水经上部出口流出，然后经第八电磁阀返回冷凝器继续加热，保持热水蓄水箱水温在45℃左右。开启第三水泵、第九电磁阀，热水蓄水箱内的热水供水经第三水泵和第九电磁阀进入用户，在用户的换热器内放热后，热水回水返回热水蓄水箱，完成供热循环。热水蓄水箱需采取保温措施。
数据中心冷却系统流程为：冬季，数据中心、热源塔和蓄冰池作为热源塔热泵系统的低温热源，同时在蓄冰池内制冰，以备夏季使用；夏季，蓄冰池和热源塔热泵系统作为数据中心冷却系统的冷源；春、秋季，数据中心采用自然冷却。春季、夏季、秋季三个季节，热源塔作为冷却塔使用。
冬季，当环境温度高于5℃时，热源塔和数据中心串联工作，作为热源塔热泵系统的低温热源，此时采用水作为循环介质，其流程为：循环水在蒸发器内降温，为蒸发器提供热量。开启第六电磁阀、第一水泵和第五电磁阀，蒸发器出口的低温循环水经第六电磁阀、第一水泵和第五电磁阀进入热源塔，在热源塔内吸收空气中的热量，循环水温度升高。开启第十三电磁阀，热源塔出来的循环水经第十三电磁阀进入数据中心，作为数据中心冷却系统的冷源，吸收数据中心的热量，水温继续升高。开启第十一电磁阀，数据中心出来的高温循环水经第十一电磁阀进入蒸发器，在蒸发器内放热，完成循环。
冬季，当环境温度低于5℃时，热源塔停止工作，数据中心和蓄冰池串联工作，作为热源塔热泵系统的低温热源，此时采用乙二醇溶液作为循环介质，其流程为：循环溶液在蒸发器内降温，为蒸发器提供热量。开启第六电磁阀、第一水泵和第三电磁阀，此时第五电磁阀、第二电磁阀关闭，蒸发器出口的低温溶液(低于0℃)经第六电磁阀、第一水泵和第三电磁阀进入蓄冰池，在蓄冰池内与水换热，吸收水的热量，使蓄冰池内水结冰，循环溶液温度升高。开启第一电磁阀，关闭第十三电磁阀和第十二电磁阀，蓄冰池出来的循环溶液经第一电磁阀进入数据中心，作为数据中心冷却系统的冷源，吸收数据中心的热量，溶液温度继续升高。开启第十一电磁阀，数据中心出来的高温循环溶液经第十一电磁阀进入蒸发器，在蒸发器内放热，完成循环。
夏季，蓄冰池作为数据中心冷却系统的冷源，此时采用水作为循环介质。低温循环水在数据中心的换热器内吸热，温度升高，开启第四电磁阀、第一水泵和第三电磁阀，高温循环水经第四电磁阀、第一水泵和第三电磁阀进入蓄冰池内的换热器，与蓄冰池内的冰进行换热，冰吸收热量后融化成水，高温循环水变成低温循环水。开启第一电磁阀，低温循环水经第一电磁阀进入数据中心的换热器，继续吸收数据中心的热量，完成夏季的数据中心冷却系统循环。
当蓄冰池内冰全部融化后，以热源塔热泵机组作为数据中心冷却系统的冷源，此时采用水作为循环介质。开启热源塔热泵机组，开启第十一电磁阀、第六电磁阀、第一水泵、第三电磁阀，此时第一电磁阀和第四电磁阀关闭。数据中心出口的高温循环水经第十一电磁阀进入热源塔热泵机组的蒸发器，在蒸发器内液态制冷剂蒸发吸热，给循环水降温，高温循环水变成低温循环水，蒸发器出口的低温循环水经第六电磁阀、第一水泵、第三电磁阀、第二电磁阀进入数据中心换热器，在换热器内吸收数据中心的热量，低温循环水温度升高，变成高温循环水，完成夏季数据中心冷却系统循环。
热源塔热泵机组内的制冷剂循环同热源塔热泵系统的制冷剂循环。冷凝器侧的冷却水系统包括冷凝器、第二水泵、第七电磁阀、冷却塔、第十二电磁阀，其流程为：低温的冷却水回水(32℃)进入冷凝器，用来冷凝制冷剂蒸气，冷却水温度升高至37℃，冷却水供水经第二水泵、第七电磁阀进入冷却塔，在冷却塔内进行喷淋，与空气进行换热，温度降至32℃。冷却水回水经第十二电磁阀返回冷凝器继续冷凝制冷剂气体，完成冷凝器侧的冷却水循环。
春季和秋季，数据中心冷却系统采用自然冷却，冷却塔作为数据中心冷却系统的冷源，循环介质为水。包括第四电磁阀、第一水泵、第五电磁阀、热源塔、第十三电磁阀。开启第四电磁阀、第一水泵、第五电磁阀、热源塔和第十三电磁阀，数据中心出口的高温循环水经第四电磁阀、第一水泵、第五电磁阀进入冷却塔，在冷却塔里面喷淋，高温循环水与空气换热，温度降低，冷却塔出口的低温循环水经第十三电磁阀进入数据中心，在数据中心换热器内进行吸热，吸热后温度升高，再返回冷却塔进行冷却，完成春季和秋季的数据中心冷却系统循环。
本发明的优点在于以下几点：
(1)该系统冬季采用数据中心、热源塔或蓄冰池作为热源塔热泵系统的低温热源，使得机组蒸发温度较高，提高热泵机组能效。
(2)该系统冬季蓄冰池作为低温热源进行供热的同时，可以制备冰，储存到夏季，作为数据中心冷却系统的冷源，减少了夏季热泵机组的运行时间，减少机组能耗；同时春季和秋季数据中心冷却系统采用冷却塔免费供冷，提升了系统综合能效。
(3)该系统热源塔热泵系统采用乙二醇溶液作为循环介质时，是一个闭式环路，并非在热源塔中喷淋，避免了溶液稀释的问题，可省略溶液再生设备，减少设备初投资。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
其中的附图标记为：蓄冰池1、第一电磁阀2、第二电磁阀3、热源塔4、第三电磁阀5、第四电磁阀6、第五电磁阀7、第一水泵8、第六电磁阀9、蒸发器10、节流阀11、第七电磁阀12、第二水泵13、冷凝器14、第八电磁阀15、热水蓄水箱16、用户17、第九电磁阀18、第三水泵19、第四水泵20、第十电磁阀21、压缩机22、第十一电磁阀23、第十二电磁阀24、第十三电磁阀25、数据中心26。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明：
一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统，其特征在于：包括蓄冰池1、第一电磁阀2、第二电磁阀3、热源塔4、第三电磁阀5、第四电磁阀6、第五电磁阀7、第一水泵8、第六电磁阀9、蒸发器10、节流阀11、第七电磁阀12、第二水泵13、冷凝器14、第八电磁阀15、热水蓄水箱16、用户17、第九电磁阀18、第三水泵19、第四水泵20、第十电磁阀21、压缩机22、第十一电磁阀23、第十二电磁阀24、第十三电磁阀25和数据中心26，所述的热源塔4底部通过管路分别与第十二电磁阀24上端和第十三电磁阀25右端连接，所述的第十二电磁阀24下端通过管路分别与冷凝器14底部右侧接口和第四水泵20左端连接，所述的第十三电磁阀25左端通过管路分别与第一电磁阀2右端和数据中心26右侧上端接口连接，所述的数据中心26右侧下端接口通过管路分别与第四电磁阀6下端和第十一电磁阀23下端连接，所述的第十一电磁阀23上端通过管路与蒸发器10下端左侧接口连接，所述的第一电磁阀2左端通过管路与蓄冰池1右侧下端接口连接，所述的蓄冰池1右侧上端接口通过管路分别与第二电磁阀3上端和第三电磁阀5左端连接，所述的第二电磁阀3下端通过管路与第一电磁阀2右端连接，所述的热源塔4右端通过管路分别与第五电磁阀7上端和第七电磁阀12上端连接，所述的第三电磁阀5右端和第五电磁阀7下端都通过管路与第一水泵8上端连接，所述的第一水泵8下端通过管路分别与第四电磁阀6上端和第六电磁阀9上端连接，所述的第六电磁阀9下端通过管路与蒸发器10上端左侧接口连接，所述的蒸发器10上端右侧接口通过管路与节流阀11左端连接，所述的节流阀11右端通过管路与冷凝器14上端左侧接口连接，所述的冷凝器14上端右侧接口通过管路分别与第二水泵13下端和第八电磁阀15左端连接，所述的第二水泵13上端通过管路与第七电磁阀12下端连接，所述的第八电磁阀15右端通过管路与热水蓄水箱16上端左侧接口连接，所述的热水蓄水箱16上端右侧接口通过管路与用户17上端连接，所述的用户17下端通过管路与第九电磁阀18右端连接，所述的第九电磁阀18左端通过管路与第三水泵19右端连接，所述的第三水泵19左端通过管路与热水蓄水箱16下端右侧接口连接，所述的热水蓄水箱16下端左侧接口通过管路与第十电磁阀21右端连接，所述的第十电磁阀21左端通过管路与第四水泵20右端连接。
实施例中，蓄冰池1外壁上安装有保温层。
实施例中，热水蓄水箱16外壁上安装有保温层。
实施例中，热源塔4内的工质可采用水、乙二醇溶液、氯化钙溶液或溴化锂溶液。
实施例中，蓄冰池1顶面上设置有绿化带。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统，其特征在于：包括蓄冰池(1)、第一电磁阀(2)、第二电磁阀(3)、热源塔(4)、第三电磁阀(5)、第四电磁阀(6)、第五电磁阀(7)、第一水泵(8)、第六电磁阀(9)、蒸发器(10)、节流阀(11)、第七电磁阀(12)、第二水泵(13)、冷凝器(14)、第八电磁阀(15)、热水蓄水箱(16)、用户(17)、第九电磁阀(18)、第三水泵(19)、第四水泵(20)、第十电磁阀(21)、压缩机(22)、第十一电磁阀(23)、第十二电磁阀(24)、第十三电磁阀(25)和数据中心(26)，所述的热源塔(4)底部通过管路分别与第十二电磁阀(24)上端和第十三电磁阀(25)右端连接，所述的第十二电磁阀(24)下端通过管路分别与冷凝器(14)底部右侧接口和第四水泵(20)左端连接，所述的第十三电磁阀(25)左端通过管路分别与第一电磁阀(2)右端和数据中心(26)右侧上端接口连接，所述的数据中心(26)右侧下端接口通过管路分别与第四电磁阀(6)下端和第十一电磁阀(23)下端连接，所述的第十一电磁阀(23)上端通过管路与蒸发器(10)下端左侧接口连接，所述的第一电磁阀(2)左端通过管路与蓄冰池(1)右侧下端接口连接，所述的蓄冰池(1)右侧上端接口通过管路分别与第二电磁阀(3)上端和第三电磁阀(5)左端连接，所述的第二电磁阀(3)下端通过管路与第一电磁阀(2)右端连接，所述的热源塔(4)右端通过管路分别与第五电磁阀(7)上端和第七电磁阀(12)上端连接，所述的第三电磁阀(5)右端和第五电磁阀(7)下端都通过管路与第一水泵(8)上端连接，所述的第一水泵(8)下端通过管路分别与第四电磁阀(6)上端和第六电磁阀(9)上端连接，所述的第六电磁阀(9)下端通过管路与蒸发器(10)上端左侧接口连接，所述的蒸发器(10)上端右侧接口通过管路与节流阀(11)左端连接，所述的节流阀(11)右端通过管路与冷凝器(14)上端左侧接口连接，所述的冷凝器(14)上端右侧接口通过管路分别与第二水泵(13)下端和第八电磁阀(15)左端连接，所述的第二水泵(13)上端通过管路与第七电磁阀(12)下端连接，所述的第八电磁阀(15)右端通过管路与热水蓄水箱(16)上端左侧接口连接，所述的热水蓄水箱(16)上端右侧接口通过管路与用户(17)上端连接，所述的用户(17)下端通过管路与第九电磁阀(18)右端连接，所述的第九电磁阀(18)左端通过管路与第三水泵(19)右端连接，所述的第三水泵(19)左端通过管路与热水蓄水箱(16)下端右侧接口连接，所述的热水蓄水箱(16)下端左侧接口通过管路与第十电磁阀(21)右端连接，所述的第十电磁阀(21)左端通过管路与第四水泵(20)右端连接。
2.根据权利要求1所述的一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统，其特征在于：所述的蓄冰池(1)外壁上安装有保温层。
3.根据权利要求1所述的一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统，其特征在于：所述的热水蓄水箱(16)外壁上安装有保温层。
4.根据权利要求1所述的一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统，其特征在于：所述的热源塔(4)内的工质可采用水、乙二醇溶液、氯化钙溶液或溴化锂溶液。
5.根据权利要求1所述的一种数据中心冷却系统与热源塔热泵耦合系统，其特征在于：所述的蓄冰池(1)顶面上设置有绿化带。
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