CN111692635A - 一种新型机房空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型机房用空调系统，包括室内单元、室外单元和控制单元，所述室内单元通过冷媒管路与室外单元流体连通，所述室内单元包括蒸发器和室内风机，所述室外单元包括热管冷凝器和机械制冷装置；所述控制单元可控制新型机房空调系统处于热管工作模式、机械制冷工作模式以及热管和机械制冷并行的工作模式。鉴于机房的环境要求，该系统全年可利用自然冷的时间很长，全年能效比比统机房空调更高，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

一种新型机房空调系统
技术领域
本发明涉及一种机房用空调系统，更具体地，本发明涉及一种新型机房空调系统。
背景技术
建设绿色数据中心是构建新一代信息基础设施的重要任务，是保障资源环境可持续的基本要求，是深入实施制造强国、网络强国战略的有力举措。加快绿色数据中心建设，以提升数据中心绿色发展水平为目标，加强对新建数据中心在IT设备、机架布局、制冷和散热系统、供配电系统以及清洁能源利用系统等方面的绿色化设计指导。鼓励采用液冷、分布式供电、模块化机房以及虚拟化、云化IT资源等高效系统设计方案，充分考虑动力环境系统与IT设备运行状态的精准适配；鼓励在自有场所建设自然冷源、自有系统余热回收利用或可再生能源发电等清洁能源利用系统；鼓励应用数值模拟技术进行热场仿真分析，验证设计冷量及机房流场特性。到2022年，数据中心平均能耗基本达到国际先进水平，新建大型、超大型数据中心的电能使用效率值达到1.4以下，高能耗老旧设备基本淘汰。
基于业主自身对节能的需求，迫切需要一些新型超高能效比机房空调技术取代传统的机房空调，降低数据机房的PUE，达到节能目的，建设绿色机房。
发明内容
本发明紧紧抓住“绿色”这个主题，针对现有机房空调中存在的能效比低的技术问题，做出创新和突破，提出一种新型机房空调系统，充分利用自然冷源，达到节能目的，降低数据机房的PUE值，建设绿色机房。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种新型机房空调系统，包括室内单元、室外单元和控制单元，所述室内单元包括热管蒸发器、室内风机，所述热管蒸发器具有冷媒出口和冷媒进口，所述室外单元包括热管冷凝器、风机和机械制冷装置，所述机械制冷装置包括压缩机、冷凝器、换热器和节流装置，所述室内单元通过冷媒管路与室外单元流体连通，其特征在于，所述室外单元安装位置高于室内单元安装位置，所述控制单元被配置为使得当热管系统制冷量满足机房制冷需求时，新型机房空调处于纯热管工作模式，机械制冷装置停止工作；当热管系统制冷量不能完全满足机房的冷量需求时，提供部分制冷量，其余冷量需求则由机械制冷装置提供；当热管系统不能提供冷量时，则由机械制冷装置提供机房所需的全部冷量。
在数据机房制冷系统的应用场景中，全年仅有夏季高温时，不能利用自然冷源即热管系统，新型机房空调大部分时间可利用自然冷源为机房提供冷源，故该系统的全年能效比很高，比传统机房制冷空调更加节能。
在一个实施方案中，所述新型机房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。
所述换热器的第一冷媒入口与所述热管冷凝器的冷媒出口流体连通，第一冷媒出口与热管蒸发器的冷媒进口流体连通；第二冷媒入口与所述机械制冷装置的节流阀出口流体连通，第二冷媒出口与所述机械制冷装置的压缩机吸气口流体连通。
在一个实施方案中，所述压缩机可以是单台定频压缩机或多台定频压缩机并联；或者是单台变频压缩机或多台变频压缩机并联；或者是一台变频压缩机和至少一台定频压缩机的组合。
在一个实施方案中，所述热管的冷凝器为风冷方式，也可采用蒸发冷方式。
在一个实施方案中，所述换热器为板式换热器或者壳管式换热器。
所述机械制冷装置管路中还可设置气液分离器、储液罐、干燥过滤器等制冷配件。
本发明的有益技术效果包括：
(1)自然冷源即热管系统工作模式独立运行为机房提供所需冷量，能效比极高。
(2)自然冷源与机械制冷并机运行，同时提供冷量，自然冷源为机械制冷提供预冷，减小机械制冷的负荷，自然冷源利用更充分，更节能。
(3)当自然冷源不起作用时，机械冷源工作模式可满足机房的制冷需求，其能效比与传统机房空调能效比相当。
(4)机械制冷装置中冷凝器、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，比传统机械制冷系统耗能更低。
(5)大幅减少压缩机的运行时间，节能的同时延长空调设备的使用寿命。
(6)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，而本发明的新型机房空调可分部实施，分批投入，减少了建设方的资金压力。
(7)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为本发明的一种新型空调系统的发明原理图。
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。本发明的一种新型机房空调系统100包括室内单元20、室外单元10和控制单元（图中未示出），所述室内单元20通过冷媒管路30与室外单元10流体连通。所述室内单元20包括蒸发器201、室内风机202和流量调节装置203。所述蒸发器201具有气态冷媒出口（未示出）和液态冷媒进口（未示出）。所述室外单元10包括热管冷凝器101、室外风机106以及机械制冷装置；所述机械制冷装置包括压缩机103、冷凝器102、节流装置104和板式换热器105。板式换热器105作为机械制冷装置的蒸发器同时也是热管系统的一部分。
板式换热器105包括第一冷媒进口1051、第一冷媒出口1053、第二冷媒进口1052和第二冷媒出口1054；第一冷媒进口1051与热管冷凝器冷媒出口（未示出）流体了连通，第一冷媒出口1053通过冷媒管路30经流量调节装置203与热管蒸发器201流体连通；第二冷媒进口1052与机械制冷装置的节流阀104出口（未示出）流体连通，第二冷媒出口1054与机械制冷压缩机103的吸气口（图中未示出）流体连通。
当自然冷源即热管系统完全满足机房制冷需求时，室内蒸发器201中的液态冷媒（如冷媒R22或环保型冷媒如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），沿着冷媒管道30输送至室外热管冷凝器101中冷凝，气态冷媒在室外风机106的作用下将热量散发到大气中，在室外热管冷凝器101中冷凝形成液态，同时液态冷媒在重力作用下通过冷媒管道30经板式换热器105的右侧和流量调节装置203回流到室内蒸发器201中，完成一次制冷循环，如此往复完成室内外的热量传递。此时不需要启动机械制冷装置工作，只有室内风机202和室外风机106耗电，能效比很高。
当自然冷源热管系统没有换热能力时，机械制冷系统工作，此时板式换热器105的左侧为机械制冷系统的蒸发器，吸收板式换热器105右侧的热量；室内蒸发器201 中的液态冷媒在室内风机202的循环风的作用下吸收室内热量蒸发成气态，通过冷媒管路30经热管冷凝器101进入板式换热器第一冷媒入口1051进入板式换热器右侧，由于板式换热器左侧的吸热而冷凝成液态冷媒，通过板式换热器第一冷媒出口1053经冷媒管路30再经过流量调节装置203流入室内蒸发器201，形成一次制冷循环，如此往复将室内的热量交换到室外。机械制冷装置的工作原理本领域的技术人员都清楚，此处不再赘述。
当自然冷源热管系统具有部分换热能力时，可提供部分制冷量，其余冷量有机械制冷系统提供，此时自然冷源热管系统为机械制冷提供预冷，可降低机械冷源的冷凝温度，降低机械冷源负荷，变频压机可降低转速，降低能耗，在这种工况下，比传统精密空调能效比高。
本实施例中的压缩机103可以是单台定频压缩机或多台定频压缩机并联，或者是单台变频压缩机或多台变频压缩机并联；或者是至少一台变频压缩机和至少一台定频压缩机的组合。
本实施例中的机械制冷冷凝器102和热管系统冷凝器101为风冷方式，也可采用蒸发冷方式，但并不局限于此。
本实施例中的板式换热器105也可替换成其它形式的换热器，如壳管式换热器，但并不局限于此。
本实施例中的室外风机106可同时用于热管冷凝器101和机械制冷冷凝器102，但也可单独为热管冷凝器101和机械制冷冷凝器102分别设置风机。
本实施例中的节流装置203可采用电子膨胀阀，但并不局限于此。
本实施例中的控制单元及控制逻辑可根据具体应用场景开发和设定，对本领域的技术人员而言是容易做到的，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 (9)

1.一种新型机房空调系统，包括室内单元、室外单元和控制单元，所述室内单元包括热管蒸发器、室内风机，所述热管蒸发器具有气态冷媒出口和液态冷媒进口，所述室外单元包括热管冷凝器、风机和机械制冷装置，所述机械制冷装置包括压缩机、冷凝器、换热器和节流装置，所述室内单元通过冷媒管路与室外单元流体连通，其特征在于，所述室外单元安装位置高于所述室内单元安装位置，所述控制单元被配置为使得当热管系统制冷量满足机房制冷需求时，新型机房空调处于纯热管工作模式，机械制冷装置停止工作；当热管系统制冷量不能完全满足机房的冷量需求时，提供部分制冷量，其余冷量需求则由机械制冷装置提供；当热管系统不能提供冷量时，则由机械制冷装置提供机房所需的全部冷量。
2.根据权利要求1所述的新型机房空调系统，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所述的新型机房空调系统，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所述的新型机房空调系统，其特征在于，所述换热器的第一冷媒入口与所述热管冷凝器出口流体连通，第一冷媒出口通过冷媒管路经流量调节装置与室内蒸发器冷媒进口流体连通；第二冷媒入口与机械制冷节流装置的冷媒出口流体连通，第二冷媒出口与所述机械制冷压缩机吸气口流体连通。
5.根据权利要求1所述的新型机房空调系统，其特征在于，所述压缩机可以是单台定频压缩机或多台定频压缩机并联，或者是单台变频压缩机或多台变频压缩机并联；或者是至少一台变频压缩机和至少一台定频压缩机的组合。
6.根据权利要求1所述的新型机房空调系统，其特征在于，所述热管冷凝器采用风冷方式或蒸发冷方式。
7.根据权利要求1所述的新型机房空调系统，其特征在于，所述机械制冷装置管路中设置有气液分离器、储液罐、干燥过滤器等制冷配件。
8.根据权利要求1所述的新型机房空调系统，其特征在于，述冷媒管路中设置有储液器、干燥过滤器等制冷配件。
9.根据权利要求1所述的新型机房空调系统，其特征在于，所述换热器为板式换热器或者壳管式换热器。
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