CN114440486A - 一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，其特征在于，包括喷射压缩制冷单元、数据中心废热升温单元及太阳能集热单元，所述数据中心废热升温单元及太阳能集热单元分别设置在喷射压缩制冷单元上，并通过太阳能集热单元及数据中心废热升温单元能够为喷射压缩制冷单元的制冷剂进行加热。本发明充分利用太阳能以及大型数据中心产生的废热，实现太阳能‑废热的复合使用，拓展了低品位热的使用品类，增强喷射‑压缩制冷系统的运行范围、效率与可靠性。

Description

一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统
技术领域
本发明涉及制冷设备技术领域，具体涉及一种用于大型数据中心的低品位热驱动制冷系统。
背景技术
能源作为经济增长与社会进步重要的物质基础，推动着社会快速的发展。随着社会的快速发展，能源的需求量快速增长，加剧了社会发展与环境保护间的矛盾。
随着人工智能，云计算等信息技术的快速发展，大型数据中心也不断的增多，2020年，全球数据中心耗电量占全球总用电量的5%，而空调制冷系统所消耗的能耗约占数据中心总能耗的 35%左右，制冷节能技术的应用已刻不容缓。
喷射制冷系统可利用太阳能、热能等低品位能源进行制冷，具有结构简单、成本低、运动部件少、运行维护费用低、使用寿命长等优点，但传统喷射制冷系统效率存在着受热源温度波动、且效率低的缺点，无法单独应用于制冷场所。大型数据中心余热废热等级低，但功率密度较高，产热量大。而目前现有技术是多是通过收集热量来进行供热的方式，此方式需要相匹配的热用户且中途热损失过大，投资成本高。因此，针对现有问题，研发一种可应用于大型数据中心的太阳能与余热废热联合驱动喷射式制冷系统。
针对现有大型数据中心产热稳定，但余热废热等级低（小于75℃）难以利用的特点，本发明提供了一种用于大型数据中心的低品位热驱动制冷系统，该系统利用空气源热泵系统将数据中心的废热提取，升温供给喷射制冷主系统，同时白天可利用太阳能作为补充热源，有效利用了低品位热能，实现了充分利用太阳能、数据中心废热等低品位热源，对数据中心制冷节能的目的。且将自身产生的废热有效利用，提高制冷系统的紧凑型与效率，降低投资成本。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了结构设计合理的一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，
本发明技术方案如下：
一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，其特征在于，包括喷射压缩制冷单元、数据中心废热升温单元及太阳能集热单元，所述数据中心废热升温单元及太阳能集热单元分别设置在喷射压缩制冷单元上，并通过太阳能集热单元及数据中心废热升温单元能够为喷射压缩制冷单元的制冷剂进行加热升温。
进一步的，所述喷射压缩制冷单元包括喷射器、冷凝器、泵、三通阀、换热器I、节流阀I、气液分离器、节流阀II、蒸发器I、变速压缩机、电磁阀I及换热器II；所述喷射器出口及变速压缩机出口分别与冷凝器入口相连接，泵出口与三通阀入口连接，三通阀一出口与节流阀I入口相连接，三通阀另一出口与换热器I入口相连接，换热器I出口与换热器II入口相连接，换热器II出口与喷射器的引射流体入口相连接；节流阀I出口与气液分离器入口相连接，气液分离器上端出口与电磁阀I入口相连接，电磁阀I出口与喷射器工作流体入口相连接，气液分离器下端出口与节流阀II入口相连接，节流阀II出口与蒸发器I入口相连接，蒸发器I出口与变速压缩机入口相连接。
进一步的，所述太阳能集热单元包括太阳能集热器、电磁阀III、泵II及节流阀Ⅳ；所述太阳能集热器出口与电磁阀II入口相连接，电磁阀II出口与换热器I入口相连接，换热器I出口与节流阀Ⅳ入口相连接，节流阀Ⅳ出口与泵II入口相连接，泵II出口与太阳能集热器入口相连接。
进一步的，所述数据中心废热升温单元包括数据中心产热设备、蒸发器II、压缩机及节流阀III；所述蒸发器II出口与压缩机入口相连接，压缩机出口与换热器II入口相连接，换热器II出口与节流阀III入口相连接，节流阀III出口与蒸发器II入口相连接。
进一步的，所述喷射压缩制冷单元的制冷剂从三通阀进入，通过换热器I以及换热器II依次吸收低品位热能，升温升压，成为高温高压蒸汽，进入喷射器后在喷嘴出口处形成高速低压流体，从而引射被引射的流体，在喷射器混合室内等压混合后与来自变速压缩机的流体等压合流进入冷凝器中冷凝，制冷剂在冷凝器中被冷凝成饱和或过冷液态，通过三通阀分为两股流体，第一股流体由泵加压后输送到换热器I、换热器II中被低品位热源加热，成为高温高压蒸汽制冷剂，进入喷射器工作流体入口；第二股流体通过节流阀I节流成中间温度的流体，进入气液分离器进行气液分离，气液分离器中饱和气态制冷剂被喷射器的工作流体所引射，喷射器中的工作流体和引射流体在混合室内等压混合，进入到冷凝器中；气液分离器中的饱和液态制冷剂从下端入口进入蒸发器I吸热成为气体，由变速压缩机压缩后与喷射器出口的制冷剂混合进入冷凝器中。
进一步的，所述太阳能集热单元内的太阳能集热器吸收太阳辐射能量，常温的水进入太阳集热器进行加热，从太阳能集热器出来后进入换热器I中，与喷射压缩制冷单元的制冷剂进行换热，加热制冷剂。
进一步的，所述数据中心废热升温单元内的蒸发器II内制冷剂由液态变为气态，吸收数据中心所产生的低品位废热，离开蒸发器II的制冷剂进入压缩机压缩高温高压的气体，气体进入换热器II进行换热，释放热量给喷射压缩制冷循环单元的制冷剂，对其进行升温。
进一步的，所述数据中心废热升温单元及太阳能集热单元能够在三通阀、电磁阀I及电磁阀II的作用下选择运行，以提高系统节能效应与稳定性。
与目前的技术相比，本发明的有益效果如下：
1）充分利用大型数据中心产生的废热，利用太阳能集热系统收集热量，供给喷射压缩制冷系统；实现余热废热的再利用，提高节能水平。
2）大型数据中心产生的废热利用等级低，难以利用，但传热量大的特点，利用热泵系统收集热量，实现了废热的再利用，提高整体的循环效率。
3）大型数据中心产生的余热废热供给自身制冷，节省管道铺设成本，提高了能源的利用效率与系统整体的紧凑性，降低了整体系统的投资与开发成本。
4）实现太阳能-废热的复合使用，拓展了低品位热的使用品类，增强喷射-压缩制冷系统的运行范围、效率与可靠性。
5）本发明能够实现了系统多模式的运行，保证了运行时数据中心温度的稳定。
附图说明
图1为本发明的实施例1的方法流程图；
图2为本发明的实施例2的方法流程图；
图3为本发明的实施例3的方法流程图；
图中：1、喷射器；2、冷凝器；3、泵；4、三通阀；5、换热器I；6、节流阀I；7、气液分离器；8、节流阀II；9、蒸发器II；10、变速压缩机；11、电磁阀I；12、蒸发器I；13、压缩机；14、节流阀III；15、换热器II；16、电磁阀II；17、数据中心产热设备；18、泵II；19、节流阀Ⅳ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式包括实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：
参见图1，图1中的用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统包括喷射压缩制冷单元、数据中心废热升温单元和太阳能集热单元。
当太阳辐射充足且数据中心产热稳定时，喷射压缩制冷单元、数据中心废热升温单元和太阳能集热单元同时启动，此时变速压缩机功率低或者无需启动。
喷射压缩制冷单元包括喷射器1、冷凝器2、泵3、三通阀4、换热器I5、节流阀I6、气液分离器7、节流阀II8、蒸发器I9、变速压缩机10、电磁阀I11及换热器II15。具体的连接方式为：喷射器1出口、变速压缩机10出口与冷凝器2入口相连接，泵3出口与三通阀4第二三通头连接，三通阀第一通头4与节流阀I6入口相连接，三通阀4第二通头与换热器I5入口相连接，换热器I5出口与换热器II15入口相连接，换热器II15出口与喷射器1引射流体入口相连接，节流阀I6出口与气液分离器7入口相连接，气液分离器7上端出口与电磁阀I11入口相连接，电磁阀I11出口与喷射器1工作流体入口相连接，气液分离器7下端出口与节流阀II8入口相连接，节流阀II8出口与蒸发器I9入口相连接，蒸发器I9出口与变速压缩机10入口相连接。
数据中心废热升温单元包括数据中心产热设备17、蒸发器II12、压缩机13及节流阀III14；其中的连接方式为：蒸发器II12出口与压缩机13入口相连接，压缩机13出口与换热器II15入口相连接，换热器II15出口与节流阀III14入口相连接，节流阀III14出口与蒸发器II12入口相连接。
太阳能集热单元包括太阳能集热器20、电磁阀III16、泵II18及节流阀Ⅳ19；其中连接方式为：太阳能集热器20出口与电磁阀II16入口相连接，电磁阀II16出口与换热器I5入口相连接，换热器I5出口与节流阀Ⅳ19入口相连接，节流阀Ⅳ19出口与泵II18入口相连接，泵II18出口与太阳能集热器20入口相连接。
本实施例1中，在所述太阳能集热单元，太阳能集热器20吸收太阳辐射能量，常温的水进入太阳集热器20进行加热，从太阳能集热器20出来后进入换热器I5中，与喷射-压缩制冷单元的制冷剂进行换热，加热制冷剂。
在所述的数据中心废热升温单元内，蒸发器II12内制冷剂由液态变为气态，吸收数据中心所产生的低品位废热，离开蒸发器II12的制冷剂进入压缩机14压缩高温高压的气体，气体进入换热器II15进行换热，释放热量给喷射-压缩制冷循环单元的制冷剂，对其进行进一步的提温。
在所述的喷射-压缩制冷单元，制冷剂从三通阀4第二通头进入，通过换热器I5以及换热器II15依次吸收低品位热能，升温升压，成为高温高压蒸汽（工作流体），进入喷射器1后在喷嘴出口处形成高速低压流体，从而引射被引射的流体，在喷射器混合室内等压混合后与来自变速压缩机10的流体等压合流进入冷凝器2中冷凝，制冷剂在冷凝器2中被冷凝成饱和或过冷液态，通过三通阀4第一二通接头分为两股流体，第一股流体由泵3加压后输送到换热器I5中被低品位热源加热，成为高温高压蒸汽制冷剂，进入喷射器1工作流体入口。第二股流体通过节流阀I6节流成中间温度的流体，进入气液分离器7进行气液分离，气液分离器7中饱和气态制冷剂被喷射器的工作流体所引射，喷射器中的工作流体和引射流体在混合室内等压混合，进入到冷凝器2中；气液分离器7中的饱和液态制冷剂从下端入口进入蒸发器I9吸热成为气体，由变速压缩机10压缩后与喷射器1出口的制冷剂混合进去冷凝器2中。
实施例2：
参见图2，图2中的用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统包括喷射压缩制冷单元和数据中心废热升温单元。
由于昼夜交替、天气变化导致太阳辐射弱、无导致太阳能集热单元无法正常的供热时，关闭电磁阀II16，太阳能集热器单元停止工作，由数据中心废热升温单元提供低品位热源，变速压缩机辅助供电，维持系统运行的平稳。
在所述的数据中心废热升温单元内，蒸发器II12内制冷剂由液态变为气态，吸收数据中心所产生的低品位废热，离开蒸发器II12的制冷剂进入压缩机14压缩高温高压的气体，气体进入换热器II15进行换热，释放热量给喷射-压缩制冷循环单元的制冷剂，对其提温。
电磁阀II16关闭，太阳能集热单元关闭，集热器单元停止运行，在所述的喷射压缩制冷单元，制冷剂从三通阀4第二通头进入，通过换热器II15吸收低品位热能，升温升压，成为高温高压蒸汽（工作流体），进入喷射器1后在喷嘴出口处形成高速低压流体，从而引射被引射的流体，在喷射器混合室内等压混合后与来自变速压缩机10的流体等压合流进入冷凝器2中冷凝，制冷剂在冷凝器2中被冷凝成饱和或过冷液态，通过三通阀4第一二通接头分为两股流体，第一股流体由泵3加压后输送至换热器II15被低品位热源加热，成为高温高压蒸汽制冷剂，进入喷射器1工作流体入口。第二股流体通过节流阀I6节流成中间温度的流体，进入气液分离器7进行气液分离，气液分离器7中饱和气态制冷剂被喷射器的工作流体所引射，喷射器中的工作流体和引射流体在混合室内等压混合，进入到冷凝器2中；气液分离器7中的饱和液态制冷剂从下端入口进入蒸发器I9吸热成为气体，由变速压缩机10压缩后与喷射器出口的制冷剂混合进去冷凝器中。
实施例3：
参见图3，图3中的用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统包括喷射压缩制冷单元。
当可用低品位能源不足时，三通阀4第一、三通头开启，第二通头关闭，太阳能集热单元与数据中心废热升温单元停止运行，喷射器1停止运行，本实施例相当于传统的蒸汽压缩制冷系统，由变速压缩机10提供电能，维持制冷。
本发明结合了喷射器结构简单无运动部件、可以广泛利用低品位能源的特点，针对数据中心的废热温度低，小于70℃，但产热量大，产热稳定的特点，利用热泵系统收集热量，供喷射压缩制冷系统使用。实现太阳能-废热两种低品位能源的复合使用，同时变速压缩机起到辅助供电的作用，实现对数据中心的稳定制冷。本发明既利用到太阳能这种外部低品位能源，同时结合数据中心内部废热温度低，产热量大的特点，利用内部的余热废热，实现能源的回收再利用，提高循环的效率。同时，使用变速压缩机，保证制冷循环过程的稳定性，确保制冷的稳定输出。
上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式（包括实施例）中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。

Claims (8)

1.一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，其特征在于，包括喷射压缩制冷单元、数据中心废热升温单元及太阳能集热单元，所述数据中心废热升温单元及太阳能集热单元分别设置在喷射压缩制冷单元上，并通过太阳能集热单元及数据中心废热升温单元能够为喷射压缩制冷单元的制冷剂进行加热升温。
2.根据权利要求1所述的一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，其特征在于，所述喷射压缩制冷单元包括喷射器（1）、冷凝器（2）、泵（3）、三通阀（4）、换热器I（5）、节流阀I（6）、气液分离器（7）、节流阀II（8）、蒸发器I（9）、变速压缩机（10）、电磁阀I（11）及换热器II（15）；所述喷射器（1）出口及变速压缩机（10）出口分别与冷凝器（2）入口相连接，泵（3）出口与三通阀（4）入口连接，三通阀（4）一出口与节流阀I（6）入口相连接，三通阀（4）另一出口与换热器I（5）入口相连接，换热器I（5）出口与换热器II（15）入口相连接，换热器II（15）出口与喷射器（1）的引射流体入口相连接；节流阀I（6）出口与气液分离器（7）入口相连接，气液分离器（7）上端出口与电磁阀I（11）入口相连接，电磁阀I（11）出口与喷射器（1）工作流体入口相连接，气液分离器（7）下端出口与节流阀II（8）入口相连接，节流阀II（8）出口与蒸发器I（9）入口相连接，蒸发器I（9）出口与变速压缩机（10）入口相连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，其特征在于，所述太阳能集热单元包括太阳能集热器（20）、电磁阀III（16）、泵II（18）及节流阀Ⅳ（19）；所述太阳能集热器（20）出口与电磁阀II（16）入口相连接，电磁阀II（16）出口与换热器I（5）入口相连接，换热器I（5）出口与节流阀Ⅳ（19）入口相连接，节流阀Ⅳ（19）出口与泵II（18）入口相连接，泵II（18）出口与太阳能集热器（20）入口相连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，其特征在于，所述数据中心废热升温单元包括数据中心产热设备（17）、蒸发器II（12）、压缩机（13）及节流阀III（14）；所述蒸发器II（12）出口与压缩机（13）入口相连接，压缩机（13）出口与换热器II（15）入口相连接，换热器II（15）出口与节流阀III（14）入口相连接，节流阀III（14）出口与蒸发器II（12）入口相连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，其特征在于，所述喷射压缩制冷单元的制冷剂从三通阀（4）进入，通过换热器I（5）以及换热器II（15）依次吸收低品位热能，升温升压，成为高温高压蒸汽，进入喷射器（1）后在喷嘴出口处形成高速低压流体，从而引射被引射的流体，在喷射器混合室内等压混合后与来自变速压缩机（10）的流体等压合流进入冷凝器（2）中冷凝，制冷剂在冷凝器（2）中被冷凝成饱和或过冷液态，通过三通阀（4）分为两股流体，第一股流体由泵（3）加压后输送到换热器I（5）、换热器II（15）中被低品位热源加热，成为高温高压蒸汽制冷剂，进入喷射器（1）工作流体入口；第二股流体通过节流阀I（6）节流成中间温度的流体，进入气液分离器（7）进行气液分离，气液分离器（7）中饱和气态制冷剂被喷射器（1）的工作流体所引射，喷射器（1）中的工作流体和引射流体在混合室内等压混合，进入到冷凝器（2）中；气液分离器（7）中的饱和液态制冷剂从下端入口进入蒸发器I（9）吸热成为气体，由变速压缩机（10）压缩后与喷射器（1）出口的制冷剂混合进入冷凝器（2）中。
6.根据权利要求3所述的一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，其特征在于，所述太阳能集热单元内的太阳能集热器（20）吸收太阳辐射能量，常温的水进入太阳集热器（20）进行加热，从太阳能集热器（20）出来后进入换热器I（5）中，与喷射压缩制冷单元的制冷剂进行换热，加热制冷剂。
7.根据权利要求4所述的一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，其特征在于，所述数据中心废热升温单元内的蒸发器II（12）内制冷剂由液态变为气态，吸收数据中心所产生的低品位废热，离开蒸发器II（12）的制冷剂进入压缩机（14）压缩高温高压的气体，气体进入换热器II（15）进行换热，释放热量给喷射压缩制冷循环单元的制冷剂，对其进行升温。
8.根据权利要求4所述的一种用于大型数据中心的低品位热复合驱动制冷系统，其特征在于，所述数据中心废热升温单元及太阳能集热单元能够在三通阀（4）、电磁阀I（11）及电磁阀II（16）的作用下选择运行，以提高系统节能效应与稳定性。
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