CN110319721A - 一种机房热管空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种机房热管空调系统，包括室内单元、室外单元和控制单元，所述室内单元通过制冷剂管路与室外单元连通，所述室内单元包括蒸发器和室内风机，所述室外单元包括并联的热管冷凝器和机械制冷装置；所述控制单元被设置为当室内外温差大于第一阈值时，仅使所述热管冷凝器工作，而所述机械制冷装置不工作；当室内外温差小于第二阈值时，仅所述机械制冷装置工作，而所述热管冷凝器不工作；当室内外温差小于等于所述第一阈值但大于等于所述第二阈值时，所述热管冷凝器和所述机械制冷装置同时工作。本发明可可最大限度地利用自然冷源，达到节能目的，降低数据机房的PUE值。

Description

一种机房热管空调系统
技术领域
本发明涉及一种热管空调系统，更具体地，本发明涉及一种机房热管空调系统。
背景技术
数据中心的能耗问题涉及多个方面，据美国采暖与制冷工程师学会（ASHRAE）技术委员会9.9（简称TC9.9）统计报告显示，数据中心各部分的用电量分布大致如下：服务器46%；空调制冷31%；UPS损耗8%；照明4%；其它11%。由此可以看出，空调制冷系统占数据中心总用电量的近三分之一，是影响机房能耗的关键指标。每个数据中心空调制冷的能耗存在很大差异，设计完善的空调制冷方案可以极大降低能耗，降低能源利用效率（PUE）值。大型化数据中心高能耗带来的成本压力及各地严控PUE政策的纷纷出台，要求业主必须选择更高效的节能设备。目前市场上满足数据机房制冷需求的产品主要有两类产品：1、直膨式机房精密空调，主要结构形式有行间式、柜式等精密空调，其优点是采用压缩机制冷技术、控制技术较成熟，安装调试方便，缺点是耗电高，能效比低，大冷量的精密空调能效比≤3，不节能；2、水冷式精密空调末端配套冷水机组，能效比直膨式精密空调高，加入“freecooling（自然冷却）”技术后可实现部分节能，尚不能最大限度地利用自然冷源，且该系统管路复杂，一次性投入大，建设周期长。
因此迫切需要一种新型节能机房空调取代传统的机房空调，降低数据机房的PUE值，达到节能目的。
发明内容
本发明针对现有机房空调中存在的技术问题，做出创新和突破，提供一种全新的机房热管空调系统，可最大限度地利用自然冷源，达到节能目的，降低数据机房的PUE值。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种机房热管空调系统，包括室内单元、室外单元和控制单元，所述室内单元包括蒸发器和室内风机，所述蒸发器具有气态制冷剂出口和液态制冷剂进口，所述室内单元通过制冷剂管路与室外单元流体连通，其特征在于，所述室外单元包括并联的热管冷凝器和机械制冷装置，所述热管冷凝器的设置位置高于所述蒸发器的位置，所述机械制冷装置包括压缩机、冷凝器和节流阀；所述热管冷凝器的制冷剂进出口以及所述机械制冷装置的制冷剂进口和制冷剂出口分别与所述蒸发器的气态制冷剂出口和液态制冷剂进口连通；所述控制单元被设置为当室内外温差大于第一阈值时，仅使所述热管冷凝器工作，而所述机械制冷装置不工作；当室内外温差小于第二阈值时，仅所述机械制冷装置工作，而所述热管冷凝器不工作；当室内外温差小于等于所述第一阈值但大于等于所述第二阈值时，所述热管冷凝器和所述机械制冷装置都工作。
在一个实施方案中，所述机房热管空调系统还包括热管冷凝器风机和机械制冷装置冷凝器风机。
优选地，所述热管冷凝器风机和所述机械制冷装置冷凝器风机为同一风机。
在一个实施方案中，所述机械制冷装置还包括板式换热器或壳管式换热器。
在一个具体实施方案中，所述板式换热器的第一入口与所述蒸发器的气态制冷剂出口连通，所述板式换热器的第一出口与压缩机吸气口连通；所述板式换热器的第二入口与所述冷凝器的出口连通，所述板式换热器的第二出口与所述蒸发器的液态制冷剂进口连通。
在一个实施方案中，所述机械制冷装置还包括位于所述冷凝器的出口与所述蒸发器的液态制冷剂进口之间制冷剂管路中的干燥过滤器。
在一个实施方案中，所述压缩机可以是单台或多台定频压缩机，或者是单台或多台变频压缩机，或者是至少一台定频压缩机和至少一台变频压缩机的组合。
在一个实施方案中，所述机械制冷装置的冷凝器和所述热管冷凝器采用蒸发冷却方式。
在一个实施方案中，所述板式换热器为钎焊式板式换热器。
在一个实施方案中，所述第一阈值为10℃，所述第二阈值为3℃。
本发明的有益技术效果包括：
1)自然冷源与机械冷源并联，可以同时为热管提供匹配冷量，自然冷源利用更充分，更节能。
2)自然冷源与循环制冷剂两者间直接一次换热，所需换热温差小，全年利用自然冷源时间更多，更节能。
3)热管制冷剂的冷凝温度高，全年利用自然冷源时间更长，更节能。
4)室内机与室外机之间的制冷剂循环无源，零能耗，更节能。
5)室内蒸发器采用显热交换，蒸发器厚度小，风阻低，降低了室内风机的能耗，利于节能。
6)冷凝器、蒸发器与压缩机同区域安装，减少系统管路距离，从而减少阻力，降低压缩机出口与吸口的压力差，提高能效比，降低耗能。
7)大幅减少压缩机的运行时间，延长空调设备的使用寿命。
8)在建设大型数据中心项目中，传统机房空调需一次性整体建设，建设周期长，一次性投入大，而本发明的节能型机房热管空调可分部实施，分批投入，减少了建设方的资金压力。
9)新建数据中心初期往往负载达不到设计容量，处于小负荷运行状态，传统的机房空调都是按照设计负荷加冗余配置，在小负荷运行时能耗高，PUE值往往都在2.0以上，而本发明的节能型机房热管空调不仅可以充分利用自然冷源，还可根据机房负荷自动调节制冷量，有效降低新建机房在部分负荷下的PUE值。
附图说明
图1为本发明的一种机房热管空调系统的发明原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。应该清楚，附图中所描述的本发明的具体实施方式仅为说明本发明用，并不构成对本发明的限制。本发明的保护范围由所附的权利要求书进行限定。
应当指出，为方便描述，本发明可能出现的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“背面”、“背部”及其它方向性术语仅为便于描述本发明的各个组成部分的相对方位，不应对本发明有任何限制。
参见图1。本发明的一种机房热管空调系统100包括室内单元20、室外单元10和控制单元（未示出），所述室内单元20通过制冷剂管路30与室外单元10连通。所述室内单元20包括蒸发器201和室内风机202。蒸发器201具有气态制冷剂出口（未示出）和液态制冷剂进口（未示出）。室外单元10包括并联的热管冷凝器106和机械制冷装置，所述机械制冷装置包括压缩机101、冷凝器102和节流阀104。热管冷凝器106的制冷剂进口（未示出）和制冷剂出口（未示出）与所述蒸发器201的气态制冷剂出口和液态制冷剂进口连通。
在图1的室外单元10中还包括板式换热器105。板式换热器105包括第一制冷剂进口1051、第一制冷剂出口1052、第二制冷剂进口1053和第二制冷剂出口1054。第一制冷剂进口1051与蒸发器201的气态制冷剂出口连通，第一制冷剂出口1052与压缩机101的制冷剂进口（未示出）连通；第二制冷剂进口1053通过节流阀104和干燥过滤器103与冷凝器102的液态制冷剂出口（未示出）连通，第二制冷剂出口1054与蒸发器201的液态制冷剂进口连通。
需要说明板式换热器105并不是必须的，压缩机101的制冷剂进口也可以直接与蒸发器201的气态制冷剂出口连通，而冷凝器102的液态制冷剂出口可通过干燥过滤器103和节流阀104与蒸发器201的液态制冷剂进口连通。
当室内外温差大于第一阈值时（通常室内外温差△t >10℃，室外温度低于室内温度），室内蒸发器201中的液态制冷剂（如制冷剂R22或环保型制冷剂如R410a、R134a）通过室内风机202的循环气流作用，吸收室内环境中的热量而蒸发变成气态（即相变吸热），沿着制冷剂管路30输送至室外板式换热器105和室外热管冷凝器106。由于室内外有足够的温差，气态制冷剂在室外热管冷凝器106中冷凝形成液态，在室外风机107的作用下将热量散发到大气中，同时液态制冷剂在重力作用下通过制冷剂管路30回流到室内蒸发器201中，完成一次制冷循环，如此循环完成室内外的热量传递。在这种情况下，不需要启动与室外板式换热器105连接的机械制冷装置工作，只有室内风机202和室外风机107耗电，能效比高。
当室内外温差小于第二阈值（通常△t＜3℃）或室外温度高于室内温度时，室内蒸发器201中的液态制冷剂蒸发气化相变后的制冷剂沿制冷剂管路30输送至室外热管冷凝器106和板式换热器105。此时，热管冷凝器106起不到冷凝作用，开启机械制冷装置，气态制冷剂通过管路经压缩机101、冷凝器102、干燥过滤器103、节流阀104形成机械制冷模式，完成板式换热器105中热管侧的气态制冷剂的冷凝，冷凝后的液态制冷剂在重力作用下经制冷剂管路30回流到室内蒸发器201中，完成一次热力循环。此时，压缩机系统耗电，与传统精密空调能效比相当。
当室内外温差在第一阈值和第二阈值之间，即3℃≤△t≤10℃时，室内蒸发器201中汽化的制冷剂，一部分经过室外热管冷凝器106中冷凝后回到室内蒸发器201中；另一部分则通过机械制冷装置冷凝后，通过板式换热器105后经制冷剂管路30流回到室内蒸发器201中，完成一次热交换。此时，机械制冷装置处于部分负荷工作模式，能效比较高，达到节能目的。
本实施例中的压缩机101可以是单台或多台定频压缩机，或者是单台或多台变频压缩机，或者是至少一台定频压缩机和至少一台变频压缩机的组合。
本实施例中冷凝器102和热管冷凝器106采用蒸发冷却方式，但并不局限于此。
本实施例中的板式换热器105可采用钎焊式板式换热器，但并不局限于此。
本实施例中的室外风机107可同时用于热管冷凝器106和冷凝器102，但也可为热管冷凝器106和冷凝器102分别设置室外风机。
本实施例中的节流阀104可采用电子膨胀阀，但并不局限于此。
本实施例中的控制器及控制逻辑对本领域的技术人员而言是容易实现的，在此不予赘述。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。

Claims (10)

1.一种机房热管空调系统，包括室内单元、室外单元和控制单元，所述室内单元包括蒸发器和室内风机，所述蒸发器具有气态制冷剂出口和液态制冷剂进口，所述室内单元通过制冷剂管路与室外单元流体连通，其特征在于，所述室外单元包括并联的热管冷凝器和机械制冷装置，所述机械制冷装置包括压缩机、冷凝器和节流阀；所述热管冷凝器的制冷剂进口和制冷剂出口以及所述机械制冷装置的制冷剂进口和制冷剂出口分别与所述蒸发器的气态制冷剂出口和液态制冷剂进口连通；所述控制单元被设置为当室内外温差大于第一阈值时，仅使所述热管冷凝器工作，而所述机械制冷装置不工作；当室内外温差小于第二阈值时，仅所述机械制冷装置工作，而所述热管冷凝器不工作；当室内外温差小于等于所述第一阈值但大于等于所述第二阈值时，所述热管冷凝器和所述机械制冷装置都工作。
2.根据权利要求1所述的机房热管空调系统，其特征在于，还包括热管冷凝器风机和机械制冷装置冷凝器风机。
3.根据权利要求2所述的机房热管空调系统，其特征在于，所述热管冷凝器风机和所述机械制冷装置冷凝器风机为同一风机。
4.根据权利要求1所述的机房热管空调系统，其特征在于，所述机械制冷装置还包括板式换热器或壳管式换热器。
5.根据权利要求4所述的机房热管空调系统，其特征在于，所述板式换热器的第一入口与所述蒸发器的气态制冷剂出口连通，所述板式换热器的第一出口与压缩机吸气口连通；所述板式换热器的第二入口与所述冷凝器的出口连通，所述板式换热器的第二出口与所述蒸发器的液态制冷剂进口连通。
6.根据权利要求1所述的机房热管空调系统，其特征在于，所述机械制冷装置还包括位于所述冷凝器的出口与所述蒸发器的液态制冷剂进口之间管路中的干燥过滤器。
7.根据权利要求1所述的机房热管空调系统，其特征在于，所述压缩机可以是单台或多台定频压缩机，或者是单台或多台变频压缩机，或者是至少一台定频压缩机和至少一台变频压缩机的组合。
8.根据权利要求1所述的机房热管空调系统，其特征在于，所述机械制冷装置冷凝器和所述热管冷凝器采用蒸发冷却方式。
9.根据权利要求5所述的机房热管空调系统，其特征在于，所述板式换热器为钎焊式板式换热器。
10.根据权利要求1所述的机房热管空调系统，其特征在于，所述第一阈值为10℃，所述第二阈值为3℃。
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