CN110094818A - 一种数据中心用复合型空调系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数据中心用复合型空调系统,包括室内、室外模块。室外模块包括压缩机、冷凝器、节流装置、气分储液器、制冷剂泵、旁路阀和旁通阀。室内模块包括流量装置和末端蒸发器。节流装置的入口与冷凝器的出口相连,该节流装置的入口处旁通一小部分冷媒直接输送至压缩机的电机冷却口;气分储液器的回气口与压缩机的回气口相连,该气分储液器的进液口与节流装置的出口相连;制冷剂泵的进口与气分储液器的供液口相连;旁路阀的进、出口各自与压缩机的排、回气口相连;旁通阀的进、出口各自与制冷剂泵的出、入口相连。流量装置的入、出口各自与制冷剂泵的出口和末端蒸发器的入口相连。本发明的空调系统能有效利用冷源并能降低运行能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据中心用复合型空调系统及其控制方法。
背景技术
人类已经进入大数据时代,数据中心的规模与数量得到迅猛发展,并成为 信息社会的用电大户。为保证数据中心高效可靠运行,需要将数据中心的服务 器在运行过程中产生的热量迅速排出。据统计,现代化社会数据中心用电量占 全社会总电量的5%。IDC产业调研报告显示,截至2016年,数据中心的规模 达到714.5亿元。中国数据中心2016年用电量超过1200亿千瓦时,相当于三 峡水电站一年的发电量。对于企业而言,数据中心的用电费用是很大一笔开支, 大幅侵蚀企业利润。据统计,机房、基站空调的能耗占其总能耗的40%~50%。 数据中心围护结构封闭、显热负荷大、湿负荷小,当在春、秋过渡季节甚至冬 季时刻,数据中心室内温度高于室外温度时,传统的空调系统仍运行于压缩制 冷模式为机房内部提供冷量,不仅能耗大,并且还存在压缩机低温启动、润滑 效果差、能量调节等问题。为了降低数据中心的能耗,合理配置社会资源,需 要对数据中心制冷系统进行优化,其中利用自然冷源是目前解决数据中心机房 高能耗问题的首选方式,并且自然冷源为可再生能源。利用室外自然冷源已得 到业内学者和工程技术人员的关注,并以不同的形式展开工程技术研究,如新 风系统、气-气热交换系统和气-水热交换系统。另外由各类热管构成的复合空 调也不断被提出和运用,如重力型分离式热管、液泵动力型分离式热管以及气 泵动力型分离式热管。但上述方案大部分局限于小型数据中心机房空调上运 用,而对于大型数据中心则还未得到较好运用。
发明专利申请ZL201510350859.X提出一种三模式复合冷水机组,该机组具备制冷模式、气泵模式以及重力热管模式,但该方案在制冷模式下性能强化,并存在适用于输送距离较远的场合,故而存在一定不足。
发明专利申请ZL201710180390.9提出一种制冷与氟泵驱动自然冷却风冷冷水机组,该机组只有两种工作模式,在自然冷源利用以及制冷性能提升方面具备一定缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种数据中心用复合型空调系统,它能有效利用昼夜、过渡季节和冬季的室外自然冷源,大幅度降低运行能耗,具有优异的节能减排效果。
实现本发明的目的的第一种技术方案是:一种数据中心用复合型空调系统,包括室外模块和室内模块;所述室外模块包括压缩机、冷凝器和制冷剂泵;所述室内模块包括流量装置和末端蒸发器;所述压缩机由一个压缩机或多个并联的压缩机构成,每个压缩机均具有排气口、回气口以及冷却电机口;所述冷凝器的入口与所述压缩机的排气口相连;所述制冷剂泵的出口与所述流量装置的进口相连;所述流量装置的出口与所述末端蒸发器的入口相连;所述室外模块还包括节流装置、气分储液器、旁路阀和旁通阀;其中,
所述节流装置的入口与所述冷凝器的出口相连,该节流装置的入口处旁通一小部分冷媒直接输送至压缩机的电机冷却口;
所述气分储液器的回气口与所述压缩机的回气口相连,该气分储液器的进液口与所述节流装置的出口相连,该气分储液器的供液口与所述制冷剂泵的进口相连,该气分储液器的进气口与所述末端蒸发器的出口相连;
所述旁路阀的进口和出口各自与所述压缩机的排气口与回气口相连;
所述旁通阀的进口和出口各自与所述制冷剂泵的出口和入口相连。
上述的数据中心用复合型空调系统,其中,所述节流装置和流量装置均为单个电子膨胀阀,或为两个电子膨胀阀并联,或为电子膨胀阀与电磁阀并联,或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联;所述辅路节流装置为单个电子膨胀阀。
上述的数据中心用复合型空调系统,其中,所述冷凝器为风冷冷凝器、水冷冷凝器或蒸发式冷凝器。
上述的数据中心用复合型空调系统,其中,所述室外模块还包括连接在所述冷凝器与节流装置之间的干燥过滤器和视液镜。
实现本发明的目的的第二种技术方案是:一种基于本发明的第一种数据中心用复合型空调系统的控制方法,针对不同的室外温度或室内负荷,相应运行于制冷循环模式、液泵热管循环模式或重力热管循环模式;制冷循环模式包括常规制冷循环模式和气泵制冷循环模式;
当室外自然冷源不足够时,所述空调系统运行于制冷循环模式,包括高压缩比的常规制冷模式以及低压比的气泵制冷模式,此时将所述旁通阀和旁路阀均关闭;由所述压缩机、冷凝器、节流装置、气分储液器、制冷剂泵、流量装置、末端蒸发器构成循环回路,由所述节流装置的入口处旁通一部分制冷剂直接输送至压缩机的电机冷却口进行压缩机电机冷却;
当能利用室外充足的自然冷源时,所述空调系统运行于液泵热管循环模式,此时将旁通阀关闭,旁路阀打开,由所述旁路阀、冷凝器、节流装置、气分储液器、制冷剂泵、流量装置、末端蒸发器构成循环回路;
当能利用室外充足的自然冷源时,并且所述冷凝器的安装位置与末端蒸发器的安装位置具有足够的高度差时,所述空调系统运行于重力热管循环模式,此时将所述旁通阀和旁路阀均打开,由所述旁路阀、冷凝器、节流装置、气分储液器、旁通阀、流量装置、末端蒸发器构成循环回路。
实现本发明的目的的第三种技术方案是:一种数据中心用复合型空调系统,包括室外模块和室内模块;所述室外模块包括压缩机、冷凝器和制冷剂泵;所述室内模块包括流量装置和末端蒸发器;所述压缩机由一个压缩机或多个并联的压缩机构成,每个压缩机均具有排气口、回气口、喷气口以及冷却电机口;所述冷凝器的入口与所述压缩机的排气口相连;所述制冷剂泵的出口与所述流量装置的进口相连;所述流量装置的出口与所述末端蒸发器的入口相连;所述室外模块还包括经济器、辅路节流装置、主路节流装置、气分储液器、旁路阀和旁通阀;其中,
所述经济器的主路进口与所述冷凝器的出液口相连,该经济器的辅路出口与所述压缩机的喷气口连接;
所述辅路节流装置的两端各自与经济器的辅路进口和主路进口连接;
所述主路节流装置的入口与所述经济器的主路出口相连,该主路节流装置的入口处旁通一小部分冷媒直接输送至压缩机的电机冷却口;
所述气分储液器的回气口与所述压缩机的回气口相连,该气分储液器的进液口与所述主路节流装置的出口相连,该气分储液器的供液口与所述制冷剂泵的进口相连,该气分储液器的进气口与所述末端蒸发器的出口相连;
所述旁路阀的进口和出口各自与所述压缩机的排气口与回气口相连;
所述旁通阀的进口和出口各自与所述制冷剂泵的出口和入口相连。
上述的数据中心用复合型空调系统,其中,所述节流装置和流量装置均为单个电子膨胀阀,或为两个电子膨胀阀并联,或为电子膨胀阀与电磁阀并联,或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联;所述辅路节流装置为单个电子膨胀阀。
上述的数据中心用复合型空调系统,其中,所述冷凝器为风冷冷凝器、水冷冷凝器或蒸发式冷凝器。
上述的数据中心用复合型空调系统,其中,所述室外模块还包括连接在所述冷凝器与节流装置之间的干燥过滤器和视液镜。
本发明的数据中心用复合型空调系统及其控制方法具有以下特点,能根据室外温度以及室内负荷大小,调节系统运行状态,使空调系统分别切换为制冷循环模式、液泵热管模式或重力热管循环模式,降低了现有空调系统的机组成本,简化了系统结构,降低了维护难度;同时能有效利用昼夜、过渡季节和冬季的室外自然冷源,大幅度降低运行能耗,具有优异的节能减排效果。
附图说明
图1是本发明的第一种数据中心用复合型空调系统的结构原理图;
图2是本发明的空调系统在制冷循环模式下的结构原理图;
图3是本发明的空调系统在液泵热管循环模式下的结构原理图;
图4是本发明的空调系统在重力热管循环模式下的结构原理图;
图5是本发明的第二种数据中心用复合型空调系统的结构原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1至图4,本发明的第一种数据中心用复合型空调系统,包括室外模块和室内模块;室外模块包括压缩机1、冷凝器2、节流装置3、气分储液器7、制冷剂泵4、旁路阀8和旁通阀9;其中,
压缩机1由一个压缩机或多个并联的压缩机构成;每个压缩机均为具有排气口、回气口以及冷却电机口的磁悬浮压缩机、气悬浮压缩机或离心压缩机;
冷凝器2的入口与压缩机1的排气口相连;冷凝器2为风冷冷凝器、水冷冷凝器或蒸发式冷凝器;
节流装置3的入口与冷凝器2的出口相连,该节流装置3的入口处旁通一小部分冷媒直接输送至压缩机1的电机冷却口;该节流装置3为单个电子膨胀阀,或为两个电子膨胀阀并联,或为电子膨胀阀与电磁阀并联,或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联,并具备宽幅调节流量功能;
气分储液器7的回气口与压缩机1的回气口相连,该气分储液器7的进液口与节流装置3的出口相连;
制冷剂泵4的进口与气分储液器7的供液口相连;
旁路阀8的进口和出口各自与压缩机1的排气口与回气口相连;
旁通阀9的进口和出口各自与制冷剂泵4的出口和入口相连。
室外模块还包括连接在冷凝器2与节流装置3之间的干燥过滤器和视液镜 (图中未示);
室内模块包括流量装置5和末端蒸发器6;其中,
流量装置5的入口与制冷剂泵4的出口相连;该流量装置5具备宽幅调节流量功能并为单个电子膨胀阀,或为两个电子膨胀阀并联,或为电子膨胀阀与电磁阀并联,或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联;
末端蒸发器6的入口与流量装置5的出口相连,该末端蒸发器6的出口与气分储液器7的进气口相连。
当冷凝器2的安装位置与末端蒸发器6的安装位置具有足够的高度差(大于1米)时,可以取消制冷剂泵4和旁通阀9。
本发明的第一种数据中心用复合型空调系统的控制方法,针对不同的室外温度或室内负荷,相应运行于制冷循环模式、液泵热管循环模式或重力热管循环模式;
当室外自然冷源不充分时,本发明的第一种数据中心用复合型空调系统运行于制冷循环模式,包括高压缩比的常规制冷模式以及低压比的气泵制冷模式,此时将旁通阀9关闭,旁路阀8关闭;由压缩机1、冷凝器2、节流装置3、气分储液器7、制冷剂泵4、流量装置5、末端蒸发器6构成循环回路,由节流装置3的入口处旁通部分制冷剂直接输送至压缩机1的电机冷却口进行压缩机电机冷却;利用制冷工质在末端蒸发器6直接蒸发实现制冷,工质在末端蒸发器6蒸发吸热,完成制冷离开末端蒸发器6后,变成气态制冷剂进入气分储液器7进行气液分离,其中液态制冷剂在气分储液器7的下部储存,气态制冷剂进入压缩机1进行压缩,然后被压缩机1排出进入冷凝器2,冷却为液态工质,液态工质通过节流装置3进行节流,变成气液两相状态制冷剂进入气分储液器 7,其中液态制冷剂在气分储液器7的下部储存,气态工质则再次被压缩机1吸入,液态工质则经过制冷剂泵4的作用进入流量装置5,再次进入末端蒸发器 6进行蒸发吸热,实现制冷目的,如此构成循环。另外从节流装置3的入口处旁通很小一部分冷媒输送至压缩机1的电机冷却口,实现压缩机冷却(见图2)。
当能利用室外充足的自然冷源时,本发明的第一种数据中心用复合型空调系统运行于液泵热管循环模式,此时将旁通阀9关闭,旁路阀8打开。由旁路阀8、冷凝器2、节流装置3、气分储液器7、制冷剂泵4、流量装置5、末端蒸发器6构成循环回路;工质在末端蒸发器6蒸发吸热,完成制冷离开末端蒸发器6后进入气分储液器7,气态制冷剂通过打开的旁路阀8直接进入冷凝器 2,由于室外自然冷源足够,故而制冷剂不需要压缩机1增压再进入冷凝器2冷凝,气态制冷剂直接进入冷凝器2被冷凝成液态制冷剂后再次进入气分储液器7,经过制冷剂泵4的作用再次通过节流装置5后进入末端蒸发器6进行蒸发吸热,实现制冷目的,如此构成循环(见图3)。
当能利用室外充足的自然冷源时,并且本发明的第一种数据中心用复合型空调系统中的冷凝器2的安装位置与末端蒸发器6的安装位置具有足够的高度差(大于1米)时,本发明的第一种数据中心用复合型空调系统还能运行于重力热管循环模式,此时将旁通阀9打开,旁路阀8打开。由旁路阀8、冷凝器 2、节流装置3、气分储液器7、旁通阀9、流量装置5、末端蒸发器6构成循环回路。工质在末端蒸发器6蒸发吸热,完成制冷离开末端蒸发器6后进入气分储液器7,气态制冷剂通过打开的旁路阀8直接进入冷凝器2,由于室外自然冷源足够,故而制冷剂不需要压缩机1增压再进入冷凝器2冷凝,气态制冷剂直接进入冷凝器2被冷凝成液态制冷剂后再次进入气分储液器7,经过重力作用再次通过节流装置5后进入末端蒸发器6进行蒸发吸热,实现制冷目的,如此构成循环(见图4)。
请参阅图5,本发明的第二种数据中心用复合型空调系统,包括室外模块和室内模块;室外模块包括压缩机1、冷凝器2、经济器11、辅路节流装置10、主路节流装置3、气分储液器7、制冷剂泵4、旁路阀8和旁通阀9;其中,
压缩机1由一个压缩机或多个并联的压缩机构成;每个压缩机均为具有排气口、回气口、喷气口以及冷却电机口的磁悬浮压缩机、气悬浮压缩机或离心压缩机;
冷凝器2的入口与压缩机1的排气口相连;冷凝器2为风冷冷凝器、水冷冷凝器或蒸发式冷凝器;
经济器11的主路进口与冷凝器2的出液口相连,该经济器11的辅路出口与压缩机1的喷气口连接;
辅路节流装置10的两端各自与经济器11的辅路进口和主路进口连接;
主路节流装置3的入口与经济器11的主路出口相连,该主路节流装置3 的入口处旁通一小部分冷媒直接输送至压缩机1的电机冷却口;该主路节流装置3为单个电子膨胀阀,或为两个电子膨胀阀并联,或为电子膨胀阀与电磁阀并联,或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联,并具备宽幅调节流量功能;
气分储液器7的回气口与压缩机1的回气口相连,该气分储液器7的进液口与主路节流装置3的出口相连;
制冷剂泵4的进口与气分储液器7的供液口相连;
旁路阀8的进口和出口各自与压缩机1的排气口与回气口相连;
旁通阀9的进口和出口各自与制冷剂泵4的出口和入口相连。
室外模块还包括连接在冷凝器2与经济器7之间的干燥过滤器和视液镜 (图中未示);
室内模块包括流量装置5和末端蒸发器6;其中,
流量装置5的入口与制冷剂泵4的出口相连;该流量装置5具备宽幅调节流量功能并为单个电子膨胀阀,或为两个电子膨胀阀并联,或为电子膨胀阀与电磁阀并联,或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联;
末端蒸发器6的入口与流量装置5的出口相连,该末端蒸发器6的出口与气分储液器7的进气口相连。
本发明的第二种数据中心用复合型空调系统相比第一种数据中心用复合型空调系统增加了喷气增焓模式,在制冷模式下通过喷气增焓模式提高制冷量。
在运行于制冷循环模式下,此时旁通阀9关闭,旁路阀8关闭;由压缩机 1、冷凝器2、经济器11的主路、主路节流装置3、气分储液器7、制冷剂泵4、流量装置5、末端蒸发器6构成循环回路,并由辅路节流装置10、经济器11 的辅路以及压缩机1的喷气口构成喷气回路,由主路节流装置3的入口处旁通部分制冷剂直接输送至压缩机1的电机冷却口进行压缩机电机冷却。利用制冷工质在末端蒸发器6直接蒸发实现制冷,工质在末端蒸发器6蒸发吸热,完成制冷离开末端蒸发器6后,变成气态制冷剂进入气分储液器7进行气液分离,其中气态制冷剂进入压缩机1进行压缩,然后被压缩机1排出进入冷凝器2,冷却为液态工质,液态工质分成两路,主路工质经过经济器11的主路后进入主路节流装置4节流降压,变成气液两相状态制冷剂进入气分储液器7,气态工质则再次被压缩机1吸入,液态工质则经过制冷剂泵4的作用进入流量装置 5,再次进入末端蒸发器6进行蒸发吸热,实现制冷目的,如此构成循环。而辅路工质通过经济器11的辅路实现主路工质过冷目的,增加制冷量,自身变成中压气态工质进入压缩机1的喷气口,实现喷气增焓目的;另外从主路节流装置4的入口旁通很小一部分冷媒输送至压缩机1的电机冷却口,实现压缩机冷却。
以上实施例仅供说明本发明之用,而非对本发明的限制,有关技术领域的技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以作出各种变换或变型,因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴,应由各权利要求所限定。
Claims (9)
1.一种数据中心用复合型空调系统,包括室外模块和室内模块;所述室外模块包括压缩机、冷凝器和制冷剂泵;所述室内模块包括流量装置和末端蒸发器;所述压缩机由一个压缩机或多个并联的压缩机构成,每个压缩机均具有排气口、回气口以及冷却电机口;所述冷凝器的入口与所述压缩机的排气口相连;所述制冷剂泵的出口与所述流量装置的进口相连;所述流量装置的出口与所述末端蒸发器的入口相连;其特征在于,所述室外模块还包括节流装置、气分储液器、旁路阀和旁通阀;
所述节流装置的入口与所述冷凝器的出口相连,该节流装置的入口处旁通一小部分冷媒直接输送至压缩机的电机冷却口;
所述气分储液器的回气口与所述压缩机的回气口相连,该气分储液器的进液口与所述节流装置的出口相连,该气分储液器的供液口与所述制冷剂泵的进口相连,该气分储液器的进气口与所述末端蒸发器的出口相连;
所述旁路阀的进口和出口各自与所述压缩机的排气口与回气口相连;
所述旁通阀的进口和出口各自与所述制冷剂泵的出口和入口相连。
2.根据权利要求1所述的数据中心用复合型空调系统,其特征在于,所述节流装置和流量装置均为单个电子膨胀阀,或为两个电子膨胀阀并联,或为电子膨胀阀与电磁阀并联,或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联;所述辅路节流装置为单个电子膨胀阀。
3.根据权利要求1所述的数据中心用复合型空调系统,其特征在于,所述冷凝器为风冷冷凝器、水冷冷凝器或蒸发式冷凝器。
4.根据权利要求1所述的数据中心用复合型空调系统,其特征在于,所述室外模块还包括连接在所述冷凝器与节流装置之间的干燥过滤器和视液镜。
5.一种基于如权利要求1所述的数据中心用复合型空调系统的控制方法,其特征在于,所述空调系统针对不同的室外温度或室内负荷,相应运行于制冷循环模式、液泵热管循环模式或重力热管循环模式;制冷循环模式包括常规制冷循环模式和气泵制冷循环模式;
当室外自然冷源不足够时,所述空调系统运行于制冷循环模式,包括高压缩比的常规制冷模式以及低压比的气泵制冷模式,此时将所述旁通阀和旁路阀均关闭;由所述压缩机、冷凝器、节流装置、气分储液器、制冷剂泵、流量装置、末端蒸发器构成循环回路,由所述节流装置的入口处旁通一部分制冷剂直接输送至压缩机的电机冷却口进行压缩机电机冷却;
当能利用室外充足的自然冷源时,所述空调系统运行于液泵热管循环模式,此时将旁通阀关闭,旁路阀打开,由所述旁路阀、冷凝器、节流装置、气分储液器、制冷剂泵、流量装置、末端蒸发器构成循环回路;
当能利用室外充足的自然冷源时,并且所述冷凝器的安装位置与末端蒸发器的安装位置具有足够的高度差时,所述空调系统运行于重力热管循环模式,此时将所述旁通阀和旁路阀均打开,由所述旁路阀、冷凝器、节流装置、气分储液器、旁通阀、流量装置、末端蒸发器构成循环回路。
6.一种数据中心用复合型空调系统,包括室外模块和室内模块;所述室外模块包括压缩机、冷凝器和制冷剂泵;所述室内模块包括流量装置和末端蒸发器;所述压缩机由一个压缩机或多个并联的压缩机构成,每个压缩机均具有排气口、回气口、喷气口以及冷却电机口;所述冷凝器的入口与所述压缩机的排气口相连;所述制冷剂泵的出口与所述流量装置的进口相连;所述流量装置的出口与所述末端蒸发器的入口相连;其特征在于,所述室外模块还包括经济器、辅路节流装置、主路节流装置、气分储液器、旁路阀和旁通阀;
所述经济器的主路进口与所述冷凝器的出液口相连,该经济器的辅路出口与所述压缩机的喷气口连接;
所述辅路节流装置的两端各自与经济器的辅路进口和主路进口连接;
所述主路节流装置的入口与所述经济器的主路出口相连,该主路节流装置的入口处旁通一小部分冷媒直接输送至压缩机的电机冷却口;
所述气分储液器的回气口与所述压缩机的回气口相连,该气分储液器的进液口与所述主路节流装置的出口相连,该气分储液器的供液口与所述制冷剂泵的进口相连,该气分储液器的进气口与所述末端蒸发器的出口相连;
所述旁路阀的进口和出口各自与所述压缩机的排气口与回气口相连;
所述旁通阀的进口和出口各自与所述制冷剂泵的出口和入口相连。
7.根据权利要求6所述的数据中心用复合型空调系统,其特征在于,所述主路节流装置和流量装置均为单个电子膨胀阀,或为两个电子膨胀阀并联,或为电子膨胀阀与电磁阀并联,或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联;所述辅路节流装置为单个电子膨胀阀。
8.根据权利要求6所述的数据中心用复合型空调系统,其特征在于,所述冷凝器为风冷冷凝器、水冷冷凝器或蒸发式冷凝器。
9.根据权利要求6所述的数据中心用复合型空调系统,其特征在于,所述室外模块还包括连接在所述冷凝器与经济器之间的干燥过滤器和视液镜。
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