CN110345549B - 一种液冷数据中心余热回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液冷数据中心余热回收系统，包括第一换热器、散热系统、太阳能集热蓄热系统和热能利用系统，各系统均是内有工作介质流动的循环回路，所述第一换热器为散热系统的组成部分，所述散热系统经换热后的管路与所述太阳能集热蓄热系统分别与所述热能利用系统相连为之提供热能，所述太阳能集热蓄热系统的余热则用于民用供暖。本发明利用太阳能集热蓄热系统对低温余热源进行提质，并进行储能，平衡白天和夜晚的输入能量波动，利用提质后的热源进行热能利用，余热为楼宇提供热水和供暖，多余的低品位热量通过冷却塔排入环境，提高液冷数据中心余热回收效率，降低数据中心耗能，提高能源利用效率，减少能源消耗，同时降低数据中心运营成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种液冷数据中心余热回收系统。
背景技术
近年来，随着数据中心能耗的快速增加，引起了国家高度重视，进而提出绿色数据中心概念。相比于风冷数据中心，液冷数据中心节能30％以上，因此，低能耗的液冷数据中心更为受到人们的关注。但是，液冷数据中心的这部分节能是从冷却数据中心冷却设备上节省下来的，而服务器能耗是不可避免的，如果能够将服务器消耗转换的热能进行再利用，则会进一步提升数据中心的能源利用效率。
目前，液冷数据中心余热回收方式主要是将这些热能通过热泵或是直接用于冬日建筑取暖和水管防冻；还有通过吸收式制冷设备，实现余热制冷，用于风冷数据机房。
但是，上述这些余热回收方法都存在着以下缺陷：
⑴受季节影响，春冬热需求多，余热回收效率高，但夏秋热需求少，余热品位较低，用于制冷效率较低。
⑵回收设备投入较高，经济效益不明显，导致长期余热回收效率达不到实用水平，整套系统投入高而效率低，难以实际使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种余热回收效率高、提高能源利用效率的液冷数据中心余热回收系统。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种液冷数据中心余热回收系统，其特征在于：它包括用于与液冷数据中心吸热后的冷却液进行热交换的第一换热器、散热系统、太阳能集热蓄热系统和热能利用系统，各系统均是内有工作介质流动的循环回路，所述第一换热器为散热系统的组成部分，所述散热系统经换热后的管路与所述太阳能集热蓄热系统分别与所述热能利用系统相连为之提供热能，所述太阳能集热蓄热系统的余热则用于民用供暖。
本发明利用太阳能集热蓄热系统对低温余热源进行提质，并进行储能，平衡白天和夜晚的输入能量波动，利用提质后的热源进行热能利用，余热为楼宇提供热水和供暖，多余的低品位热量通过冷却塔排入环境，提高液冷数据中心余热回收效率，降低数据中心耗能，提高能源利用效率，减少能源消耗，同时降低数据中心运营成本。
本发明所述热能利用系统是发电系统、制冷系统或制热系统。发电系统可以是郎肯循环发电系统，也可以是热声发电系统，热能利用系统还可以是热声制冷、制热系统，整个系统原理不改变，可根据最终需求更换。
作为本发明的一种优选实施方式，所述散热系统主要由第一换热器和冷却水塔组成，所述散热系统的工作介质通过第一换热器吸收冷却液的热量后流回冷却水塔进行冷却，再流至第一换热器进行换热，如此循环。
作为本发明的一种优选实施方式，所述发电系统主要由冷凝器、增压泵、蒸发器、螺杆膨胀机和发电机组成，其中，所述冷凝器、增压泵、蒸发器和螺杆膨胀机按照内部工作介质流动方向依次相连成一循环回路，所述螺杆膨胀机与发电机连接，所述蒸发器的一对进液口和出液口连接在该循环回路上，所述蒸发器的另一对进液口和出液口连接在所述太阳能集热蓄热系统中以使在蒸发器中所述发电系统的工作介质的热量蒸发膨胀，进入螺杆膨胀机做功以带动发电机发电。
作为本发明的一种优选实施方式，所述太阳能集热蓄热系统包括按照内部工作介质流动方向依次连接的太阳能集热器、蓄热装置和蒸发器，即蒸发器是所述太阳能集热蓄热系统和所述发电系统的共同组成部分，所述太阳能集热器具有冷却液箱，所述冷凝器的一对进液口和出液口连接在所述发电系统中，另一对进液口和出液口分别与所述散热系统、冷却液箱连接，所述太阳能集热蓄热系统经过蒸发器换热后的管路分为两路，一路作为第一管路与冷却液箱连接，另一路与民用供暖管网连接。
作为本发明的一种优选实施方式，所述散热系统的第一换热器出口和冷却水塔进口之间的管路为第二管路，所述第一管路和第二管路之间设有热水回收管，以便将所述太阳能集热蓄热系统中的工作介质引入所述散热系统并与其内的工作介质一同进入冷却水塔冷却。
作为本发明的另一种优选实施方式，所述太阳能集热蓄热系统包括按照内部工作介质流动方向依次连接的太阳能集热器、蓄热装置、蒸发器和第二换热器，即蒸发器是所述太阳能集热蓄热系统和所述发电系统的共同组成部分，所述太阳能集热器具有冷却液箱，所述冷凝器的一对进液口和出液口连接在所述发电系统中，另一对进液口和出液口分别与所述散热系统、第二换热器连接，来自所述散热系统的工作介质经冷凝器换热后在第二换热器中与所述太阳能集热蓄热系统经过蒸发器换热后的工作介质进行热交换，再连接至民用供暖管网。所述太阳能集热蓄热系统的工作介质是导热油。
作为本发明的一种优选实施方式，所述蓄热装置主要由密闭外壳和填充在外壳中的蓄热材料组成，所述太阳能集热蓄热系统的一部分管路位于所述蓄热装置的外壳内并与蓄热材料相接触。蓄热装置将系统内工作介质的一部分热量存储在蓄热材料中(例如高热容物岩土或相变熔盐)，留备夜晚无阳光情况下使用，继续为发电系统提供热能。
作为本发明的一种优选实施方式，所述液冷数据中心包括多个液冷服务器集群和与之相应的多个液冷分配单元，每个液冷服务器集群与液冷分配单元组成一个液冷数据中心单元，所述第一换热器是所述液冷分配单元的组成部分，即所述第一换热器为所述散热系统和所述液冷分配单元的共有部分，所述液冷服务器集群主要由多个液冷机柜组成，在每个液冷机柜上设有冷却液进口和冷却液出口，所述液冷分配单元通过一条进液管路与各液冷机柜的冷却液进口相连，而各液冷机柜的冷却液出口汇集成一条出液管路与液冷分配单元相连，或者分别通过回液箱与液冷分配单元相连；每个液冷数据中心单元的第一换热器与散热系统连接的进口和出口分别连接于同一管路。
与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：
⑴本发明利用太阳能集热蓄热系统对低温余热源进行提质，并进行储能，平衡白天和夜晚的输入能量波动，利用提质后的热源进行热能利用，余热为楼宇提供热水和供暖，多余的低品位热量通过冷却塔排入环境，可提高液冷数据中心余热回收效率，降低数据中心耗能，提高能源利用效率，减少能源消耗，同时降低了数据中心运营成本。
⑵本发明的热能利用系统可以是发电系统、制冷系统或制热系统。发电系统可以是郎肯循环发电系统，也可以是热声发电系统，热能利用系统还可以是热声制冷、制热系统，整个系统原理不变，可根据最终需求更换。当热能利用系统使用发电系统，热需求较高时，以供热为主，热需求较低时，以供电为主，可有效平衡全年用热符合波动需求。
⑶本发明的液冷机柜采用接触液冷，提高了出液温度，出液温度可达45℃，热品高，热回收简单，成本低，结合IDC常年应用稳定，回收热品味高，应用广泛，结合熔盐、岩土等储热技术，可实现全余热、稳定回收利用。
⑷本发明所用的回收设备投入低、效率高，实用化程度高，经济效益明显，适于广泛推广和使用。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例1的组成结构示意图；
图2是本发明实施例2的组成结构示意图；
图3是本发明实施例3的组成结构示意图；
图4是本发明多个液冷数据中心单元与散热系统连接的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，是本发明一种液冷数据中心余热回收系统，它包括用于与液冷数据中心吸热后的冷却液进行热交换的第一换热器1、散热系统、太阳能集热蓄热系统和热能利用系统，在本实施例中，热能利用系统是发电系统，各系统均是内有工作介质流动的循环回路，其中，散热系统和太阳能集热蓄热系统中的工作介质是水，而发电系统中的工作介质是有机介质，第一换热器1是散热系统的组成部分，散热系统经换热后的管路和太阳能集热蓄热系统分别与发电系统相连为之提供可转化为电力的热能，余热则用于民用供暖。
在本实施例中，散热系统主要由按照工作介质流动方向依次相连的第一换热器1、冷却水塔2和泵23组成，散热系统中的水通过第一换热器1吸收冷却液的热量后流回冷却水塔2进行冷却，再流至第一换热器1进行换热，如此循环。冷却水塔2还可以通过外部管网补水C。其中，冷却水塔2采用板管蒸发式冷水塔，具有节电15％、节水50％(彻底解决飞水问题)、节地的优点。
发电系统主要由冷凝器3、增压泵4、蒸发器5、螺杆膨胀机6和发电机7组成，其中，冷凝器3、增压泵4、蒸发器5和螺杆膨胀机6按照内部工作介质流动方向依次相连组成一循环回路，螺杆膨胀机6与发电机7连接；蒸发器5的一对进液口和出液口连接在该循环回路上，蒸发器5的另一对进液口和出液口连接在太阳能集热蓄热系统中以使在蒸发器5中发电系统的工作介质吸收太阳能集热蓄热系统的工作介质的热量蒸发膨胀，进入螺杆膨胀机6做功以带动发电机7发电。
本实施例的发电系统采用郎肯循环发电系统，在其它实施例中，发电系统也可以使用热声发电系统。另外，发电系统也可以替换为热声制冷/制热系统，整个系统原理不变，可根据最终需求更换。
太阳能集热蓄热系统包括按照内部工作介质流动方向依次连接的太阳能集热器9、循环泵22、蓄热装置和蒸发器5，即蒸发器5是太阳能集热蓄热系统和发电系统的共同组成部分，太阳能集热器9具有冷却液箱11，冷凝器3的一对进液口和出液口连接在发电系统中，另一对进液口和出液口分别与散热系统、冷却液箱11连接，冷却液箱11的出口通过循环泵22与蓄热装置相连，蓄热装置的出口与蒸发器5连接，太阳能集热蓄热系统经过蒸发器5换热后的管路分为两路，一路作为第一管路12与冷却液箱11连接，另一路与民用供暖管网连接。蓄热装置主要由外壳10和填充在外壳10中的蓄热材料13组成，蓄热材料13可采用高热容物岩土或相变熔盐，太阳能集热蓄热系统的一部分管路19位于蓄热装置的外壳10内并与蓄热材料13相接触。
冷凝器3与散热系统相连的进液口通过第一流量阀33连接在第一换热器1的出口和冷却水塔2进口之间的管路上，该管路为第二管路8，散热系统的工作介质进入冷凝器3用于冷却发电系统的工作介质，冷凝器3与太阳能集热蓄热系统相连的出口具体连接在冷却液箱11上为其补液。
第一换热器1还位于液冷分配单元14中，即第一换热器1为散热系统和液冷分配单元14的共有部分，液冷分配单元14包括按照冷却液流动方向依次连接的绝缘工质储箱15、供液泵16、第一换热器1和过滤器17，绝缘工质储箱15连接液冷机柜18的冷却液出口20，过滤器17连接液冷机柜18的冷却液进口21。在本实施例中，液冷机柜18采用喷淋液冷，绿色节能，芯片接触式冷却方式，冷却效率高，全年自然冷源冷却，无需压缩制冷。
本发明的工作过程如下：本发明液冷数据中心液冷循环为一封闭循环，由绝缘冷却工质A在系统中不断循环，将服务器的热量不断运输到第一换热器1，由外部冷却水B将热量带走，冷却水B从换热吸热后，分为两路，一路去到开式冷却水塔散热后，作为冷却水再循环充分利用，另一路进入发电系统的冷凝器，作为冷却水，将发电系统工质乏气进行冷却，吸收热量后，进入太阳能集热蓄热系统，作为热工质一路补液；太阳能集热器内的水D吸收太阳能热量，温度升高到沸点温度，由高温循环泵驱动，经过蓄热装置，将一部分热量存储在高热容物岩土或相变熔盐中，留备夜晚无阳光情况下使用，继续为发电设备提供热能，然后高温水流经发电系统的蒸发器，将发电系统内的工作介质E加热蒸发，该工作介质E吸热蒸发膨胀进入螺杆膨胀机做功，带动发电机发电，发电系统采用有机郎肯循环，工作介质E可以是R245af、R134a、R227ea、R123或全氟己酮；从蒸发器出来的热水，分两路，一路用于楼宇供暖和热水供应，用不完的则回到太阳集热器补液再循环。
整个系统设计，液冷数据中心冷却水用量要大于或等于全年楼宇最小热水用量，从而达到整体负荷均衡。冬天楼宇热需求量大，主要以供热为主，发电机可以停运；夏天楼宇供热量需求少，则以发电为主，可以降低楼宇供水的热焓值，从而达到数据中心余热常年得到充分利用目的。
实施例2
如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于：第一管路12和第二管路8之间设有热水回收管13a，热水回收管13a通过第二流量阀34连接在第一管路12上，热水回收管13a可将太阳能集热蓄热系统中的热水引入散热系统并与其内的热水一同进入冷却水塔2冷却。
实施例3
如图3所示，本实施例与实施例1的区别在于：太阳能集热蓄热系统包括按照内部工作介质流动方向依次连接的太阳能集热器9、蓄热装置、蒸发器5和第二换热器24，即蒸发器5是太阳能集热蓄热系统和发电系统的共同组成部分，太阳能集热蓄热系统内的工作介质采用高温导热油，太阳能集热器9具有冷却液箱11，冷却液箱11的出口与蓄热装置相连，蒸发器5与太阳能集热蓄热系统相连的进液口与蓄热装置的出口连接，蒸发器5与太阳能集热蓄热系统相连的出液口与第二换热器24连接，第二换热器24与冷却液箱11相连，使太阳能集热蓄热系统形成一个封闭循环系统。
冷凝器3的一对进液口和出液口连接在发电系统中，另一对进液口和出液口分别与散热系统、第二换热器24连接，来自散热系统的工作介质经冷凝器3换热后在第二换热器24中与太阳能集热蓄热系统经过蒸发器5换热后的工作介质进行热交换，再连接至民用供暖管网。
因为本实施例的太阳集热蓄热系统为一个封闭循环系统，这样就可以用高温导热油代替水，提高集热温度到几百度，从而提高发电机热端温度与冷端温度温差，提高发电系统效率，也可以提升冬季楼宇供水热焓值，减小楼宇一次能源消耗。
实施例4
如图4所示，液冷数据中心包括多个液冷服务器集群25和与之相应的多个液冷分配单元14，图4显示两个液冷服务器集群25，呈上下层设置，每个液冷服务器集群25与液冷分配单元14组成一个液冷数据中心单元26，液冷服务器集群25与液冷分配单元14分隔在两个空间内，液冷服务器集群25主要由多个液冷机柜18组成，在每个液冷机柜18上设有冷却液进口和冷却液出口，液冷分配单元14通过进液管路27与各液冷机柜18的冷却液进口相连，而各液冷机柜18的冷却液出口汇集成出液管路28与液冷分配单元相连，在其它实施例中，各液冷机柜18的冷却液出口可以分别通过回液箱与液冷分配单元相连。每个液冷数据中心单元26的第一换热器1与散热系统连接的进口31和出口32分别连接于同一管路29、30，两管路与冷却水塔连接。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明热能利用系统还具有其它实施方式，可根据实际需求进行更换；多个液冷服务器集群的排布、液冷服务器集群和液冷分配单元的布置还具有其它实施方式；散热系统、太阳能集热蓄热系统也具有其它实施方式，因此本发明还具有多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (4)
1.一种液冷数据中心余热回收系统，其特征在于：它包括第一换热器、散热系统、太阳能集热蓄热系统和热能利用系统，第一换热器与液冷数据中心吸热后的冷却液进行热交换，各系统均是内有工作介质流动的循环回路，所述第一换热器为散热系统的组成部分，所述散热系统经换热后的管路与所述太阳能集热蓄热系统分别和所述热能利用系统相连为之提供热能，所述太阳能集热蓄热系统的余热则用于民用供暖；所述散热系统主要由第一换热器和冷却水塔组成，所述散热系统的工作介质通过第一换热器吸收冷却液的热量后流回冷却水塔进行冷却，再流至第一换热器进行换热，如此循环；所述热能利用系统是发电系统；所述发电系统主要由冷凝器、增压泵、蒸发器、螺杆膨胀机和发电机组成，其中，所述冷凝器、增压泵、蒸发器和螺杆膨胀机按照内部工作介质流动方向依次相连成一循环回路，所述螺杆膨胀机与发电机连接，所述蒸发器的一对进液口和出液口连接在该循环回路上，所述蒸发器的另一对进液口和出液口连接在所述太阳能集热蓄热系统中以使在蒸发器中所述发电系统的工作介质吸收所述太阳能集热蓄热系统的工作介质的热量蒸发膨胀，进入螺杆膨胀机做功以带动发电机发电；散热系统和太阳能集热蓄热系统中的工作介质是水，而发电系统中的工作介质是有机介质；所述太阳能集热蓄热系统包括按照内部工作介质流动方向依次连接的太阳能集热器、蓄热装置和蒸发器，即蒸发器是所述太阳能集热蓄热系统和所述发电系统的共同组成部分，所述太阳能集热器具有冷却液箱，所述冷凝器的一对进液口和出液口连接在所述发电系统中，另一对进液口和出液口分别与所述散热系统、冷却液箱连接，所述太阳能集热蓄热系统经过蒸发器换热后的管路分为两路，一路作为第一管路与冷却液箱连接，另一路与民用供暖管网连接；所述散热系统的第一换热器出口和冷却水塔进口之间的管路为第二管路，所述第一管路和第二管路之间设有热水回收管以便将所述太阳能集热蓄热系统中的工作介质引入所述散热系统并与其内的工作介质一同进入冷却水塔冷却。
2.根据权利要求1所述的液冷数据中心余热回收系统，其特征在于：所述太阳能集热蓄热系统包括按照内部工作介质流动方向依次连接的太阳能集热器、蓄热装置、蒸发器和第二换热器，即蒸发器是所述太阳能集热蓄热系统和所述发电系统的共同组成部分，所述太阳能集热器具有冷却液箱，所述冷凝器的一对进液口和出液口连接在所述发电系统中，另一对进液口和出液口分别与所述散热系统、第二换热器连接，来自所述散热系统的工作介质经冷凝器换热后在第二换热器中与所述太阳能集热蓄热系统经过蒸发器换热后的工作介质进行热交换，再连接至民用供暖管网。
3.根据权利要求1或2所述的液冷数据中心余热回收系统，其特征在于：所述蓄热装置主要由密闭外壳和填充在外壳中的蓄热材料组成，所述太阳能集热蓄热系统的一部分管路位于所述蓄热装置的外壳内并与蓄热材料相接触。
4.根据权利要求3所述的液冷数据中心余热回收系统，其特征在于：所述液冷数据中心包括多个液冷服务器集群和与之相应的多个液冷分配单元，每个液冷服务器集群与液冷分配单元组成一个液冷数据中心单元，所述第一换热器是所述液冷分配单元的组成部分，即所述第一换热器为所述散热系统和所述液冷分配单元的共有部分，所述液冷服务器集群主要由多个液冷机柜组成，在每个液冷机柜上设有冷却液进口和冷却液出口，所述液冷分配单元通过一条进液管路与各液冷机柜的冷却液进口相连，而各液冷机柜的冷却液出口汇集成一条出液管路与液冷分配单元相连，或者分别通过回液箱与液冷分配单元相连；每个液冷数据中心单元的第一换热器与散热系统连接的进口和出口分别连接于同一管路。
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