CN112996363A - 一种全时自然冷的数据中心空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全时自然冷的数据中心空调系统，涉及数据中心空调系统技术领域，包括双冷源空气处理单元和排热系统，表冷器、蒸发器、冷凝器和压缩机均设置于柜体中，表冷器位于蒸发器上方，送风温度传感器设置于蒸发器下方，排热系统的冷却水出口通过出水管与表冷器的一端连接，表冷器的另一端与冷凝器的进水口连接，冷凝器的出水口通过回水管与排热系统的回水口连接，回水温度传感器设置于回水管上，冷凝器的进氟口与压缩机连接，冷凝器的出氟口与蒸发器连接，蒸发器与压缩机连接，柜体的顶面设置有多个回风孔，柜体一侧的下部设置有风机组件。该系统实现了自然冷源模式和预冷模式的智慧运行，制冷效率高，系统可靠性高，占地面积小。

Description

一种全时自然冷的数据中心空调系统

技术领域

本发明涉及数据中心空调系统技术领域，特别是涉及一种全时自然冷的数据中心空调系统。

背景技术

长期以来，由于数据机房环境要求较高，为保障数据机房内设备正常运行的环境条件，一般在机房内设置若干的机房空调制冷设备为数据机房内设备提供散热冷却条件。数据机房空调系统一般采用全空气处理方式，即使在室外气象条件较好的冬季、春秋过渡季节也需开启机房空调制冷设备提供冷源。

为提高空调系统运行效率，常规大型数据中心多采用电制冷主机配合开式塔加板式换热器方式进行联合供冷，加大对自然冷却的利用，但这种方式需要有两级热交换，一级是冷却塔风-水蒸发散热，第二级为板式换热器水-水换热，两级换热损失造成自然冷却利用时间缩短，另一方面，一旦完成板换至电制冷主机的切换，自然冷却的利用就终止了，利用时间再次缩短；其次，为满足全年制冷，需要在板式换热器与电制冷主机之间设置切换阀门，并需要根据需要适时切换，控制复杂，故障点多，系统可靠性大幅降低，另外，为满足数据中心连续制冷，蓄冷罐的配置必不可少，相应的管道设计复杂度和控制复杂度使得系统的可靠性进一步降低；第三，集中制冷必然需要提供足够的室内空间安装制冷相关设备，导致IDC机房使用面积缩小；第四，集中冷源站因为系统复杂，故障点与维护点多，系统维护工作量以及设备维护成本较高。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种全时自然冷的数据中心空调系统，实现了自然冷源模式和预冷模式的智慧运行，制冷效率高，系统可靠性高，占地面积小。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种全时自然冷的数据中心空调系统，包括双冷源空气处理单元和排热系统，所述双冷源空气处理单元包括柜体、表冷器、蒸发器、冷凝器、压缩机、风机组件、送风温度传感器、回水温度传感器和第一控制器，所述表冷器、所述蒸发器、所述冷凝器和所述压缩机均设置于所述柜体中，所述表冷器位于所述蒸发器上方，所述送风温度传感器设置于所述蒸发器下方，所述排热系统的冷却水出口通过出水管与所述表冷器的一端连接，所述表冷器的另一端与所述冷凝器的进水口连接，所述冷凝器的出水口通过回水管与所述排热系统的回水口连接，所述回水温度传感器设置于所述回水管上，所述冷凝器的进氟口与所述压缩机连接，所述冷凝器的出氟口与所述蒸发器连接，所述蒸发器与所述压缩机连接；所述柜体的顶面设置有多个回风孔，所述柜体一侧的下部设置有所述风机组件，所述风机组件的两侧分别与所述柜体和外界连通，所述压缩机、所述风机组件、所述回水温度传感器和所述送风温度传感器均与所述第一控制器连接。

优选地，所述排热系统包括冷却塔、水泵和第二控制器，所述冷却塔上设置有所述冷却水出口和所述回水口，所述水泵设置于所述回水管上，所述水泵和所述冷却塔的风机均与所述第二控制器连接。

优选地，所述双冷源空气处理单元还包括第一管路，所述表冷器的另一端通过所述第一管路与所述冷凝器的进水口连接。

优选地，所述双冷源空气处理单元还包括第二管路、第三管路和第四管路，所述冷凝器的进氟口通过所述第二管路与所述压缩机连接，所述冷凝器的出氟口通过所述第三管路与所述蒸发器连接，所述蒸发器通过所述第四管路与所述压缩机连接。

优选地，所述压缩机的压缩比为1.2～1.8。

优选地，所述风机组件包括箱体和离心风机，所述箱体设置于所述柜体外侧的下部，所述箱体与所述柜体相连通，所述箱体上设有通风网孔，所述离心风机安装于所述箱体中，所述离心风机与所述第一控制器连接。

优选地，所述第一控制器设置于所述柜体外侧的上部。

优选地，所述表冷器上方设置有回风温度传感器，所述回风温度传感器与所述第一控制器连接，所述出水管上设置于供水温度传感器，所述供水温度传感器与所述第二控制器连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的全时自然冷的数据中心空调系统，回水温度传感器和送风温度传感器将测得的温度传送至第一控制器，第一控制器根据回水温度和送风温度开启辅助制冷，使得工作模式由自然冷源模式变为预冷模式，自然冷源模式为服务器的热量仅通过表冷器进行换热，预冷模式为开启压缩机，服务器的热量依次通过表冷器和蒸发器进行换热，第一控制器可以自动控制压缩机启停来实现双冷源空气处理单元的智慧运行。本发明中将传统的制冷主机单元化融合于双冷源空气处理单元中，蒸发器在有限空间内设计了较大的换热面积，减小了水温换热温差，较传统水冷空调方式减少了蒸发器的热交换次数，较氟冷技术利用预冷模式与提高蒸发器换热效率，在满足机房环境目标要求下，蒸发温度可提升至20℃，提高了制冷效率。双冷源空气处理单元将表冷器、蒸发器、冷凝器、压缩机和第一控制器整合产品化，极大限度地简化了空调系统，能够安装于服务器机柜正下方，进而有效利用机房静电地板内静压箱空间，使得系统可靠性高且占地面积小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的全时自然冷的数据中心空调系统的结构示意图；

图2为本发明提供的全时自然冷的数据中心空调系统中双冷源空气处理单元的结构示意图。

附图标记说明：100、全时自然冷的数据中心空调系统；1、柜体；2、表冷器；3、蒸发器；4、冷凝器；5、压缩机；6、第一控制器；7、风机组件；8、水泵；9、冷却塔；10、出水管；11、回水管；12、第一管路；13、第二管路；14、第三管路；15、第四管路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种全时自然冷的数据中心空调系统，实现了自然冷源模式和预冷模式的智慧运行，制冷效率高，系统可靠性高，占地面积小。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本实施例提供一种全时自然冷的数据中心空调系统100，包括双冷源空气处理单元和排热系统，双冷源空气处理单元直接对服务器产生的热量进行换热，并通过排热系统将热量排至大气中。双冷源空气处理单元包括柜体1、表冷器2、蒸发器3、冷凝器4、压缩机5、风机组件7、回水温度传感器、送风温度传感器和第一控制器6，表冷器2、蒸发器3、冷凝器4和压缩机5均设置于柜体1中，表冷器2位于蒸发器3上方，送风温度传感器设置于蒸发器3下方，排热系统的冷却水出口通过出水管10与表冷器2的一端连接，表冷器2的另一端与冷凝器4的进水口连接，冷凝器4的出水口通过回水管11与排热系统的回水口连接，回水温度传感器设置于回水管11上，冷凝器4的进氟口与压缩机5连接，冷凝器4的出氟口与蒸发器3连接，蒸发器3与压缩机5连接，蒸发器3、冷凝器4和压缩机5构成电动压缩制冷模块；柜体1的顶面设置有多个回风孔，柜体1一侧的下部设置有风机组件7，风机组件7的两侧分别与柜体1和外界连通，压缩机5、风机组件7、回水温度传感器和送风温度传感器均与第一控制器6连接。

排热系统包括冷却塔9、水泵8和第二控制器，冷却塔9上设置有冷却水出口和回水口，冷却水出口通过出水管10与表冷器2的一端连接，回水口通过回水管11与冷凝器4的出水口连接，水泵8设置于回水管11上，水泵8和冷却塔9的风机均与第二控制器连接。工作时，第二控制器控制水泵8和冷却塔9的风机处于开启状态，冷却塔9中的冷却水通过出水管10进入表冷器2，通过表冷器2与热空气换热，并将换热后的水经冷凝器4后再通过回水管11回到冷却塔9进行排热。

具体地，双冷源空气处理单元还包括第一管路12，表冷器2的另一端通过第一管路12与冷凝器4的进水口连接。

具体地，双冷源空气处理单元还包括第二管路13、第三管路14和第四管路15，冷凝器4的进氟口通过第二管路13与压缩机5连接，冷凝器4的出氟口通过第三管路14与蒸发器3连接，蒸发器3通过第四管路15与压缩机5连接。

本实施例中采用低压缩比定制压缩机，根据蒸发温度及冷凝温度特别设计，使得压缩机5运行效率更高。具体地，压缩机5的压缩比为1.2～1.8。

风机组件7包括箱体和离心风机，箱体设置于柜体1外侧的下部，箱体与柜体1相连通，箱体上设置有通风网孔，离心风机安装于箱体中，离心风机与第一控制器6连接。具体地，箱体包括前板、后板、顶板、底板和两个侧板，前板和后板分别设置于两个侧板的前部和后部，顶板和底板分别设置于两个侧板的顶部和底部，柜体1一侧下部设置有通风口，一个侧板安装于通风口处，顶板、底板和两个侧板上均设置有通风网孔。

具体地，表冷器2上方设置有回风温度传感器，回风温度传感器与第一控制器6连接，出水管10上设置于供水温度传感器，供水温度传感器与第二控制器连接。

于本具体实施例中，第一控制器6设置于柜体1外侧的上部。第一控制器6通过采集双冷源空气处理单元的回水温度、送风温度、回风温度、压缩机5状态和离心风机状态等，第二控制器通过采集供水温度、冷却塔9状态和水泵8状态等，可以自动控制压缩机5启停、离心风机启停及调频、冷却塔9的风机启停及调频、水泵8启停及调频等，实现双冷源空气处理单元和排热系统的智慧运行。

具体地，双冷源空气处理单元的热量是通过表冷器2及蒸发器3进行换热的，当热负荷一定，影响目标送风温度的因素有冷却塔9进出口温度、水泵8频率(水流量)和离心风机频率(风量)；通过在双冷源空气处理单元的热通道及冷通道分别安装回风温度传感器和送风温度传感器检测送风和回风温度对离心风机频率进行优化调节，通过供水温度及回水温度对冷却塔9的风机及水泵8进行自适应调节，使得冷却塔9供水温度及送风温度满足要求的情况下处于组合功耗最小状态。具体地，双冷源空气处理单元的热通道是指柜体1中表冷器2上方的空间，冷通道是指柜体1中蒸发器3下方的空间。

工作时，回水温度传感器和送风温度传感器将测得的温度传送至第一控制器6，第一控制器6根据回水温度和送风温度自动开启和关闭辅助制冷，当回水温度和送风温度较低时，采用自然冷源模式，自然冷源模式为服务器的热量仅通过表冷器2进行换热，当回水温度和送风温度较高时，采用预冷模式，预冷模式为开启压缩机5，服务器的热量依次通过表冷器2和蒸发器3进行换热，本实施例中的第一控制器6可以自动控制压缩机5启停来实现双冷源空气处理单元的智慧运行，两种模式下冷却塔9均处于工作状态，室外的冷却塔9对末端负荷散热使用率达100％。

具体地，两种模式是根据第一控制器6中设定的回水温度结合对比送风温度进行切换的。当回水温度高于28℃且送风温度高于26℃时，开启压缩机5制冷，此时工作模式为预冷模式，风机组件7的离心风机将定制服务器机柜收集的服务器热空气经由柜体1顶部的回风孔与柜体1后方连接有冷却塔9的表冷器2交换一部分热量后，再经电动压缩制冷模块的蒸发器3交换剩余热量，冷空气通过风机组件7经由通风网孔排至机房中。当回水温度低于28℃且送风温度低于24℃时，关闭压缩机5制冷，此时工作模式为自然冷源模式，风机组件7的离心风机将定制服务器机柜收集的服务器热空气经由柜体1顶部的回风孔与柜体1后方连接有冷却塔9的表冷器2换热后，冷空气通过风机组件7经由通风网孔排至机房中。本实施例中的第一控制器6设有一定的逻辑启停保证系统的稳定性，且回水温度值和送风温度值是可以根据项目进行优化设定的。

本实施例中将传统的制冷主机单元化融合于双冷源空气处理单元中，蒸发器3在有限空间内设计了较大的换热面积，减小了水温换热温差，提升了蒸发温度，较传统水冷空调方式减少了蒸发器3的热交换次数，较氟冷技术利用预冷模式与提高蒸发器3换热效率，在满足机房环境目标要求下，蒸发温度可提升至20℃，在蒸发温度提升的工况下使用性能匹配的低压缩比定制压缩机，提高了空调系统制冷效率，使得COP≥12。

本实施例中的双冷源空气处理单元将表冷器2、蒸发器3、冷凝器4、压缩机5和第一控制器6整合产品化，即将制冷主机功能单元化并与控制系统融合后产品化，使用该双冷源空气处理单元的数据中心空调系统不需再另配置制冷主机、冷冻水泵和制冷空调自控系统，极大限度地简化了空调系统，减少了系统维护工作量，降低了设备维护成本，提升了空调系统的可靠性。使用该双冷源空气处理单元，较传统数据中心水冷空调系统无需配置制冷机房，较氟冷空调系统双冷源空气处理单元能够安装于服务器机柜正下方，进而有效利用机房静电地板内静压箱空间，使得占地面积小，具体地，双冷源空气处理单元分布式布置在服务器机柜正下方，任意一台出现故障可由相邻的多台进行功能补偿。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种全时自然冷的数据中心空调系统，其特征在于，包括双冷源空气处理单元和排热系统，所述双冷源空气处理单元包括柜体、表冷器、蒸发器、冷凝器、压缩机、风机组件、送风温度传感器、回水温度传感器和第一控制器，所述表冷器、所述蒸发器、所述冷凝器和所述压缩机均设置于所述柜体中，所述表冷器位于所述蒸发器上方，所述送风温度传感器设置于所述蒸发器下方，所述排热系统的冷却水出口通过出水管与所述表冷器的一端连接，所述表冷器的另一端与所述冷凝器的进水口连接，所述冷凝器的出水口通过回水管与所述排热系统的回水口连接，所述回水温度传感器设置于所述回水管上，所述冷凝器的进氟口与所述压缩机连接，所述冷凝器的出氟口与所述蒸发器连接，所述蒸发器与所述压缩机连接；所述柜体的顶面设置有多个回风孔，所述柜体一侧的下部设置有所述风机组件，所述风机组件的两侧分别与所述柜体和外界连通，所述压缩机、所述风机组件、所述回水温度传感器和所述送风温度传感器均与所述第一控制器连接。

2.根据权利要求1所述的全时自然冷的数据中心空调系统，其特征在于，所述排热系统包括冷却塔、水泵和第二控制器，所述冷却塔上设置有所述冷却水出口和所述回水口，所述水泵设置于所述回水管上，所述水泵和所述冷却塔的风机均与所述第二控制器连接。

3.根据权利要求2所述的全时自然冷的数据中心空调系统，其特征在于，所述双冷源空气处理单元还包括第一管路，所述表冷器的另一端通过所述第一管路与所述冷凝器的进水口连接。

4.根据权利要求1所述的全时自然冷的数据中心空调系统，其特征在于，所述双冷源空气处理单元还包括第二管路、第三管路和第四管路，所述冷凝器的进氟口通过所述第二管路与所述压缩机连接，所述冷凝器的出氟口通过所述第三管路与所述蒸发器连接，所述蒸发器通过所述第四管路与所述压缩机连接。

5.根据权利要求1所述的全时自然冷的数据中心空调系统，其特征在于，所述压缩机的压缩比为1.2～1.8。

6.根据权利要求1所述的全时自然冷的数据中心空调系统，其特征在于，所述风机组件包括箱体和离心风机，所述箱体设置于所述柜体外侧的下部，所述箱体与所述柜体相连通，所述箱体上设有通风网孔，所述离心风机安装于所述箱体中，所述离心风机与所述第一控制器连接。

7.根据权利要求1所述的全时自然冷的数据中心空调系统，其特征在于，所述第一控制器设置于所述柜体外侧的上部。

8.根据权利要求2所述的全时自然冷的数据中心空调系统，其特征在于，所述表冷器上方设置有回风温度传感器，所述回风温度传感器与所述第一控制器连接，所述出水管上设置于供水温度传感器，所述供水温度传感器与所述第二控制器连接。

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