CN202008252U - 一种利用地下水源热泵的机房空调 - Google Patents

一种利用地下水源热泵的机房空调 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种机房空调机组，包括室内空调散热末端、用热末端和水源热泵机组，所述水源热泵机组通过小型一体化换热站与室内空调末端连接，通过板式换热器与用热末端(生活热水储水罐和游泳池)换热。所述水源热泵机组的冷冻水循环系统用于为室内空调末端提供冷冻水，冷却水循环系统为用热末端提供冷却水。本实用新型能使水源热泵机组同时制冷供热，能效比高，地下水井系统热量供需基本平衡，成井生命力长，并且采用地下水作为低位能源，在地下水温度低于T1温度时，可关闭水源热泵机组的压缩机，采用经过处理的地下水冷却机房的高功耗机架，节能效果更加显著。

Description

一种利用地下水源热泵的机房空调
技术领域
本实用新型涉及空调领域，特别是涉及一种机房空调机组。
背景技术
机房因为有大量的电子设备，所以空调系统来为其降温。空调系统的能耗主要由三部分组成：空调冷热源阶段、管道输配阶段和末端设备阶段。常规的空调系统的末端形式主要有三种：上送风系统、底部送风系统以及管道送风系统。
从机房空调的发展历史来看，上送风系统是最早被应用于机房内部的气流组织形式，冷风从送风格栅向下送出，或者通过风帽直接送风，但该方式只适合于空间狭小的机房或做冷源备份之用。高速低温的冷风被直接送到机架排与排之间的高温通道中，通过与高温气体混合形成涡旋来降低环境温度。为了保证低温送风能够直达地面与热通道中的高温空气充分混合，防止其直接进入机架内部影响电子设备工作，天花板上的出风口位置要正对热通道，且倒流片方向要经过专门设计从而对出风方向起到限制作用。在实际应用中，每个机架的发热量并不一定相同，因为它们的发热量由放置其中的电子设备种类和数量决定的，而送风量以及送风温度则是预先设计好的，并不会安装机架实际热负荷条件进行调整，所以无论如何也得不到最理想的气流分布方式，在热负荷高的机架区域风量不足，而在热负荷低的机架区域风量又过大的现象总会出现。不同机架内部的温度也不相同，热负荷越高的机架内部温度越高。机房内部的温度场也不均匀，温度的变化趋势由相应区域的热负荷决定，所以永远也无法得到稳定的温度梯度场。由于上送风系统中冷风由顶部向下送出，所以低温气流首先经过温度最高区域，与热空气强烈混合，形成涡旋，而机房空调回风口则在温度最低区域，这种布置方式不符合温度自然分布规律，而且形成涡旋增加了冷量损失，所以降低了空调的制冷效率。上送风相同比较适合空间狭小，热流密度也较小的环境使用，比如传统的电信机房，但不适合于当前热流密度较高的大中型数据中心机房。
为了克服上送风系统的弊端，下送风系统应运而生，根据送风口与机架的相对位置，下送风系统又可以分为底部送风和通道送风两种。
底部送风的冷风由通过架空地板在机架下面的出风口向上送出，直接进入独立的机架内部，机架底部开放，侧面密封，以防止冷空气外泄，冷风自下而上充分吸收每个机架内部的热量变为热风由顶部吹出。底部送风系统中机房空调的回风口在最上方，即温度最高区域，这样布置符合温度自然分布规律，所以提高了空调设备的热效率。同时，与上送风方式相比，底部送风方式还避免了冷风与机架内部热空气强烈混合形成涡旋，从而减少了冷量损失。如果每个机架内部的热负荷都相同，则底部送风方案能得到最优的热效率，但实际上，机架内部由于摆放的电子设备型号与数量的不同，发热量很难做到统一。另外，机架内部的电子设备会对从中通过的冷风产生阻力，因此，电子设备的数量越多，被冷风带走的热量也就越多，但通过的风量也就越小。这样不同的机架内部就会形成不同的温度梯度，机架内部热负荷越高，温度梯度也越高。造成的结果就是整个机房内部温度不均匀，尤其是在热负荷较小的机架上方区域，在机房顶部区域不同温度的气流还会继续混合，最后空调的回风温度比室内最高温度还要低。从制冷效率来说，底部送风系统比上送风系统有所提高，但并不是最优方案。
利用高架地板，冷风还可以通过机架排与排之间的通道地面送风格栅向上送出，即通道送风。与底部送风相比，所以也就不会受到机架内部所摆放的电子设备种类和数量的影响，而会以相同的风量向上送出。通常热负荷最大的区域都会出现在机架顶部，所以为了冷却它，需要冷风离开地面时有很高的送风速度。这样的送风方式类似于喷泉的工作原理：冷风在下落和落入机架之前径直向上喷出，但是当冷风到达一定高度后，还是会与周围的热空气混合，因为有一部分冷风会吹入旁边的机架。与前面两种送风方式相比，通道送风能够用相同的风量冷却所有机架已经是一种进步了，但是它依然不是一种理想的解决方案，因为送风量的大小应该按照热负荷的实际需要进行分配。利用通道送风，机架内部的温度梯度较前两种方式 更小，温度分布更均匀，但均匀程度还没有达到最高热力学效率的要求，所以它依然不是最好的温度解决方案。由于机架中的热气流与旁边的冷气流相混合，空调的回风温度比机房内部最高温度低，不符合节能的要求。
上述解决方案还有一个改善的地方，就是利用CFD(计算流体力学Computational Fluid Dynamics)模拟技术，在机房热负荷大机架前方，配置地板送风单元，使机房温度场趋向均匀。缺点是性价高不够好，地板送风单元的造价不菲，而且地板送风单元本身耗电量也不低，虽然能解决机房宕机的现象，运行费用居高不下。
据统计，数据中心的功率密度平均每年增加15％。机架式及刀片服务器是改变密度的主导因素，1996年平均一个机柜装7个服务器，2002年平均一个机柜装10个服务器，2005年平均一个机柜装15个服务器，2010年平均一个机柜装20个服务器。这样的结果是造成机房内部的温度场不均匀情况大大加剧，为了少量高负荷机架的散热问题，不得不超量制冷。
数据中心机房设备的散热负荷占90％以上，维护结构负荷所占的比例很小，所以需要一年365天，全天24小时制冷。机房空调的冷源一般是冷水机组。冷水机组按照不同冷凝方式可以分为风冷和水冷两种。在机房吸取热量，通过冷凝器向大气环境排放。在夏天室外气温升高的时候，机房的冷负荷需求也增大，但这时不管是风冷还是水冷机组，向环境散热都会存在传热环境恶化的问题，出力降低，还有可能出现高压保护停机的情况。而且白白向环境排放热量，从能耗利用的角度来看，也是不节能的。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种节能空调机组，特别是提供一种大中型数据中心使用的节能空调机组。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案提供一种机房空调机组，包括室内空调散热末端、用热末端和水源热泵机组，所述水源热泵机组通过小型一体化换热站与室内空调末端连接，通过板式换热器与用热末端(生活热水储水罐和游泳池)换热。所述水源热泵机组的冷冻水循环系统用于为室内空调末端提供冷冻水，冷却水循环系统为用热末端提供冷却水。
其中，还包括为水源热泵机组提供低位冷源的水源井、回灌井以及补水定压装置。
其中，所述空调散热末端为空气-水背板换热器，通过高压软管与小型一体化换热站连接。小型一体化换热站作为冷水分配单元，背板换热器悬挂于服务器机柜背后，通过底部或者顶部连接方式实现背板的冷冻水循环制冷。高功耗机架内服务器排出的热风在再次被排出至机房前，由背板上的盘管进行制冷散热。背板内盘管吸收的高功耗机架内服务器散发的热量由冷冻水循环系统排至机房外。与常见机房空调末端散热设备相比，能有效降低机房温度场的不均匀性，达到精确制冷，消除机房“热点”，综合节能率可以达到40～50％。
其中，所述小型一体化换热站为冷冻水控制分配单元，通过无缝钢管与水源热泵机组的蒸发器连接。
其中，所述用热末端为生活用水储水罐和游泳池，间接连接，通过板式换热器换热。
其中，所述水源热泵机组为螺杆式机组或离心式机组。
管道输配阶段的能耗主要是泵与风机的能耗。水的热容量比空气的大得多，输送输送同样的冷量，用水要比用空气的能耗低。
地下水水源热泵一般夏天制冷，冬天供热。在夏天制冷的时候，蒸发器从建筑内吸取热量，通过冷凝器换热，传递给地下水；冬天供热的流程刚好相反，蒸发器从地下水吸取热量，通过冷凝器向建筑物供暖。
上述技术方案仅是本发明的一个优选技术方案，具有如下优点：通过挂在服务器背后的背板换热器将高功耗机架产生的热量，通过小型一体化换热站，进入水源热泵机组的冷冻水循环系统，部分热量在进入水源热泵前经过三通电磁阀回流到回灌井，其余部分经过冷却水循环系统传到用热端，水源热泵机组同时制冷供热，能效比高，地下水井系统热量供需基本平衡，成井生命力长。同时采用地下水作为低位能源，在地下水温度低于T1温度时，可关闭水源热泵机组的压缩机，采用经过处理的地下水冷却机房的高功耗机架，节能效果更加显著。 不需要机房做任何基建，节约了大量的基建费用。
附图说明
图1是本实用新型的一种机房空调机组的工作原理示意图。
图2.空调散热端工作示意图
图3.用热端示意图
图4.定压补水装置示意图
图5.背板换热器流量调整流程图
其中，1.一级冷冻水回水管 2.一级冷冻水供水管 3.铜闸阀 4.流量传感器 5.控制阀 6.板式换热器 7.水位传感器 8.水箱 9.过滤器 10.排气口 11.集水器 12.快速接头 13.末端散热设备14.加液袋 15.旁通阀 16.加液泵 17.循环水泵 18.分水器 19.流量调节阀 20.生活热水储水罐21.止回阀 22.热水循环泵 23.板式换热器 24.闸阀 25.冷却水进水管 26.冷却水回水管 27.游泳池 28.自来水泵 29.气体膨胀罐 30.补水泵 31.软化水箱 32.软水器 33.用热端 34.三通电磁阀 35.二通电磁阀 36.冷却水泵 37.冷冻水泵 38.空调散热端 39.定压补水装置 40.回灌井41.冷凝器 42.热泵机组 43.蒸发器 44.电子水处理仪 45.高效过滤器 46.井水处理仪 47.出水井 48.潜水泵
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
下面结合图1本实用新型的一种机房空调机组工作原理进行详细描述。
机房空调机组，包括室内空调散热末端、用热末端和水源热泵机组，所述水源热泵机组通过小型一体化换热站与室内空调末端连接，通过板式换热器与用热末端(生活热水储水罐和游泳池)换热。所述水源热泵机组的冷冻水循环系统用于为室内空调末端提供冷冻水，冷却水循环系统为用热末端提供冷却水。
地下水的利用过程有两种。第一种是井水温度T1满足条件5℃≤T1≤14℃时，地下水直接与空调散热端换热，水源热泵机组的压缩机关闭，地下水从47出水井出来后，经过48潜水泵提升，46井水处理仪水质处理，45高效过滤器，44电子水处理仪后，通过34三通电磁阀E5，34三通电磁阀E3，由37冷冻水泵提供循环动力，进入38空调散热端，在小型一体化换热站换热后，通过34三通电磁阀E4，返回到40回灌井；第二种是井水温度T1满足条件T1＞14℃时，地下水从47出水井出来后，经过48潜水泵提升，46井水处理仪水质处理，45高效过滤器，44电子水处理仪后，通过34三通电磁阀E5进入42水源热泵机组的43蒸发器，与制冷剂换热后，由37冷冻水泵提供循环动力，进入38空调散热端，在小型一体化换热站换热后，通过34三通电磁阀E4，返回到40回灌井，这个循环中，地下水回灌时的温度与出水井出来的温度基本相等，有效维持了地下水的热量平衡。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术人员的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应当视为本实用新型的保护范围。
图2是空调散热端工作示意图。机房空调机组的小型一体化换热站的工作原理：外网的大楼一级冷冻水通过铜闸阀3、过滤器9进入板式换热器与二级冷冻水管路换热后，又经过铜闸阀3返回外网。来自末端散热设备13的二级冷冻水回水经集水器11及过滤器9过滤后，进入板式换热器6。二级冷冻水供水经过水箱8，被小型一体化换热站里的循环水泵加压后，由分水器18分别送到各末端散热设备13。小型一体化换热站的补水来自自带的加液袋14。通过测量室内的温度、相对湿度，确定一级冷冻水流量和个末端散热设备的流量，再通过控制阀和流量调节阀来执行开度大小的控制。背板换热器悬挂于服务器机柜背后，通过底部或者顶部连接方式实现背板的冷冻水循环制冷。高功耗机架内服务器排出的热风在再次被排出至机房前，由背板上的盘管进行制冷散热。背板内盘管吸收的高功耗机架内服务器散发的热量由冷冻水循环系统排至机房外。机房外的冷冻水循环系统通过供水管向盘管提供冷冻水， 盘管内经过换热后的冷冻水通过回水管返回到机房外的冷冻水循环系统。
图3.用热端示意图
水源热泵机组出来的冷却水从25冷却水进水管进来，通过24闸阀，进入23板式换热器与20生活热水储水罐和27游泳池循环系统换热，经过26冷却水回水管返回到水源热泵机组的冷凝器。生活用水的补水来自市政自来水，自来水通过28自来水泵提升，经过21止回阀，由22热水循环泵增压进入23板式换热器换热后，再由20生活热水储水罐储存起来。
图4.定压补水装置示意图
本实用新型的系统补水是气体膨胀罐定压，补水泵自动补水。市政自来水经过32软水器软化，进入31软化水箱，29气体膨胀罐维持冷却水循环系统和冷冻水循环系统的压力恒定，由30补水泵自动补水。
图5.背板换热器流量调整流程图
空调散热端的小型一体化换热站中的中央控制系统，根据管路中温度传感器和流量传感器的情况，用PI比例积分的算法，调整背板换热器的循环流量。背板换热器的进水温度始终比室内露点温度高2℃，有效避免管道结露对设备的影响。

Claims (6)

1.一种利用地下水源热泵的机房空调，其特征是，包括室内空调散热末端、用热末端和水源热泵机组，所述水源热泵机组通过小型一体化换热站与室内空调末端连接，通过板式换热器与用热末端。
2.如权利要求1所述的一种利用地下水源热泵的机房空调，其特征在于，还包括为水源热泵机组提供低位冷源的水源井、回灌井以及补水定压装置。
3.如权利要求1所述的一种利用地下水源热泵的机房空调，其特征在于，所述空调散热末端为空气-水背板换热器，通过高压软管与小型一体化换热站连接。
4.如权利要求1所述的一种利用地下水源热泵的机房空调，其特征在于，所述小型一体化换热站为冷冻水控制分配单元，通过无缝钢管与水源热泵机组的蒸发器连接。
5.如权利要求1所述的一种利用地下水源热泵的机房空调，其特征在于，所述用热末端为生活用水储水罐和游泳池，其与地下水源热泵机组冷凝器间接连接，通过板式换热器换热。
6.如权利要求1所述的一种利用地下水源热泵的机房空调，其特征在于，所述水源热泵机组为螺杆式机组或离心式机组。 
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