CN210399092U - 数据中心多级热泵热回收系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种数据中心多级热泵热回收系统，包括数据中心空调系统、热源侧水源热泵系统、热力管网系统；热源侧水源热泵系统与数据中心空调系统和热力管网系统相连接，热源侧水源热泵系统包括多台热源侧水源热泵，多台热源侧水源热泵的热水侧管路串联、冷水侧串联或热水侧管路串联、冷水侧管路并联连接。本实用新型采用多级热泵串联或串并联连接的方式，使整套装置的综合能效高于采用简单并联连接方式的能效，系统总造价下降、运行费用下降。

Description

数据中心多级热泵热回收系统

技术领域

本发明涉及一种热回收清洁采暖系统，特别是一种用于回收数据中心余热的数据中心多级热泵热回收系统。

背景技术

随着互联网技术的发展，数据中心已经取得显著的发展，数据中心的规模越来越庞大，因此，从数据中心散发的由数据中心内部电子设备及相关设备产生的热量也越来越多，而这些热量大多数被简单地释放到外部大气之中了，如图1所示的数据中心空调系统100中，由数据中心产生的热量通过数据中心空调机101的制冷盘管吸收出来通过冷水机组冷水回水管105并释放到冷水机组102的回水中，使水温升高到21℃左右；冷水机组102然后将21℃的回水冷却到15℃左右，再通过冷水机组冷水供水管104送入到数据中心空调机组。通过这种不断的循环，数据中心产生的热量不断被冷水机组吸收。冷水机组102吸收数据中心的热量后，通过其冷却水管路系统(冷水机组冷却水进水管107和冷水机组冷却水出水管106)和室外冷却塔103设备将热量散发到外部大气中。

显然，数据中心产生的热量是可以被回收利用的，对于不同的应用场景，可以有多种回收利用的方法，如下列专利所述，可以有很多的方法，也有很多的应用场景：

CN201020567876-一种余热回收节能冷热源系统

CN201420856970-一种机房余热回收利用系统

CN201510778693-数据机房余热回收系统

CN201520891383-数据中心液冷散热系统的余热回收系统

CN201610793773-一种数据机房余热回收系统及空调系统

然而，由于数据中心所产生的热量非常巨大，加上也存在技术经济方面的原因，绝大部份数据中心余热并没有被有效利用。

冬季采暖需要消耗大量的热量，如果能将数据中心产生的余热用作为采暖的热源将是非常有意义的，因为这是清洁能源利用、也是一种清洁供热方法。实际上，市场上已经有少量工程实施了数据中心余热回收供热，实施方案一般如图2所示：常规水源热泵机组203为常规水源热泵热回收供热系统200的主要设备，其冷水侧管路(冷水回水管201与冷水供水管202)接入到数据中心冷水管路(冷水供水管104与冷水回水管105)系统中，而热水侧管路(热水回水管205与热水供水管204)接到热网管路中，向区域热用户提供50℃左右的供热用热水，而从热网的回水温度为40℃左右。主要存在的问题是：供热热水温度不高，不能满足高温热水采暖的需要，另外，热水供回水温差小，导致热水循环泵流量大、功耗大。

这里需要说明的是：这个热回收系统用作区域供热时，只适合某些特定的应用场合，因为其供水温度较低，这些应用场合主要指：用户末端采用地暖、风机盘管等对供水温度要求不高的场合，这种供热场合一般情况下规模也不大，因为供热区域规模较大时，用户末端设备的种类较多，其中会有部份用户需要较高的供水温度(60～70℃)。

我们自然会想到，可以采用高温型水源热泵设备301，而且目前市场上也已经有这样的技术和产品了，这种高温型水源热泵可以提供50～70℃甚至更高温度的热水，如图3所示的高温水源热泵热回收供热系统300。图4提供了水源热泵机组并联应用的热回收供热系统400，采用了并联设置的高温水源热泵机组401。采用图3、图4这种高温水源热泵机组可以解决常温水源热泵机组所存在的供水水温较低的问题，不过，同时也带来了新的问题：

1设备造价提升较多，投资回报周期较长；

2随着供水温度提升，设备及系统的能量效率(能效比)下降；

3随着水温提升，水源热泵设备的压缩式制冷系统的高压也很越高，系统的可靠性、安全性也随之降低，维护费用也提升；

4也还有其它诸如噪声增加、振动增加等问题。

发明内容

为了改进常规水源热泵设备用于数据中心余热回收的采暖范围受限以及高温水源热泵的造价高、效率下降、安全性可靠性及噪声振动等方面的问题，本发明提供了一种数据中心多级热泵热回收系统，其技术方案如下所述：

一种数据中心多级热泵热回收系统，包括数据中心空调系统、热源侧水源热泵系统、热力管网系统；热源侧水源热泵系统与数据中心空调系统和热力管网系统相连接，热源侧水源热泵系统包括多台热源侧水源热泵，多台热源侧水源热泵的热水侧管路串联、冷水侧串联或热水侧管路串联、冷水侧管路并联连接。

热源侧水源热泵系统的冷水回水管、冷水供水管分别与数据中心空调系统中的数据中心空调冷水机组的冷水回水管、冷水供水管连接。

在热力管网系统和热用户之间安装有用户侧水源热泵系统。

用户侧水源热泵系统的冷侧与热力管网系统连接，而其热侧管路与最终热用户的管路连接。

多台热源侧水源热泵冷水侧管路连接采用串联的方式连接时，流经多级水源热泵机组的顺序与热水侧管路水流的流经顺序相反。

热源侧水源热泵系统的冷水侧管路与数据中心空调系统中数据中心空调冷水机组的连接位置也能够是数据中心空调冷水机组的冷却水管路。

本发明提供的数据中心多级热泵热回收系统，采用多级热泵的方式，使整套装置的综合能效高于采用单级热泵方式的能效；多级热泵热回收系统的设备总造价可能会有所上升，但由于管网系统的造价会有明显下降，所以，系统总造价是下降的。

附图说明

图1是目前常规数据中心空调系统的示意图；

图2是常规水源热泵热回收供热系统应用于数据中心热回收的示意图；

图3在图2的基础上采用高温水源热泵热回收供热系统的示意图；

图4在图3的基础上将多台水源热泵机组并联的热回收供热系统示意图；

图5是配置热源侧水源热泵与用户侧水源热泵联合供热的示意图；

图6是冷水侧管路并联、热水侧管路串联的多级热泵热回收系统的示意图；

图7是不安装用户侧水源热泵系统的示意图；

图8是热源侧水源热泵机组对接数据中心冷水机组的冷却水管路的示意图。

以下是各部件标号：

100 数据中心空调系统

101 数据中心空调机

102 数据中心空调冷水机组

103 冷却塔

104 冷水机组冷水供水管

105 冷水机组冷水回水管

106 冷水机组冷却水出水管

107 冷水机组冷却水进水管

200 常规水源热泵热回收供热系统

201 热泵机组冷水回水管

202 热泵机组冷水供水管

203 常规水源热泵机组

204 热泵机组热水供水管

205 热泵机组热水回水管

300 高温水源热泵热回收供热系统

301 高温水源热泵设备

400 水源热泵机组并联应用的热回收供热系统

401 高温水源热泵机组

500 多级热泵热回收系统

510 热源侧水源热泵系统

511 热源侧水源热泵

512 热源侧系统的热水回水管

513 热源侧系统的热水供水管

520 热力管网系统

521 热网循环泵

522 热网供水管

523 热网回水管

530 用户侧水源热泵系统

531 用户侧水源热泵

532 用户侧回水管

533 用户侧供水管

534 用户供热泵

540 热用户

600 冷水侧管路并联、热水侧管路串联的多级热泵热回收系统

801 冷却塔出水管

802 冷却塔进水管

具体实施方式

本发明提供了一种数据中心多级热泵热回收系统500，包括由多台热源侧水源热泵511组成的热源侧水源热泵系统510，这些热源侧水源热泵511的冷水侧的管路采用并联连接或者串联连接方式依次连接；冷水侧的管路在并联或串联后，其回水管与数据中心空调冷水机组102的冷水机组冷水回水管105相连接，供水管与数据中心空调冷水机组102的冷水机组冷水供水管104相连接；这些热源侧水源热泵511的热水侧管路采用串联连接方式依次连接，热水侧的热源侧系统的热水回水管512与热力管网系统520的热网回水管523连接，热水侧的热源侧系统的热水供水管513与热力管网系统520中的热网循环泵521的进水管路相连接。

必要时，在热力管网系统520和热用户540之间能够增加用户侧水源热泵系统530，用户侧水源热泵系统530对热网水进一步加热后送给热用户540。热源侧水源热泵系统510中的热源侧水源热泵511的冷水侧管路连接采用串联的方式连接时，冷水流经多级水源热泵机组的顺序与热水侧热水的流经顺序相反。

如图5所示，所述数据中心多级热泵热回收系统500从数据中心空调系统100中回收热量并送往采暖热用户540。所述热回收系统500设置有热源侧水源热泵系统510，该系统510包含两台以上的热源侧水源热泵511，用于对热力管网系统520的回水(热源侧系统的热水回水管)进行加热，然后再送往热力管网系统520的热源侧系统的热水供水管513；也可在热力管网系统520和热用户540之间再增加用户侧水源热泵系统530对热水进一步加热。

热源侧水源热泵系统510包含三台热源侧水源热泵511，各热源侧水源热泵511的热水侧管路(热源侧系统的热水回水管512和热源侧系统的热水供水管513)采用串联的方式连接，即：热力管网系统520的回水(20℃)经过第一台热源侧水源热泵511升温到30℃后进入第二台热源侧水源热泵511，在第二台热源侧水源热泵511中升温到40℃后再进入第三台热源侧水源热泵511，依次类推，热水从最后一台热源侧水源热泵511出来后达到50℃，再次送入热力管网系统520，然后由热力管网系统520中的热网循环泵521将升温后的热水送到用户侧水源热泵系统530中，热水由用户侧水源热泵531进一步加热后升温到70℃，最后进入热用户540进行供热，热水在热用户540中释放热量并降温到50℃，然后通过用户侧水源热泵系统530的用户侧水源热泵531，降温到20℃，再返回热力管网系统520中，并回到第一台热源侧水源热泵机组中重新开始升温。

同理，热源侧水源热泵系统510的冷水侧的冷水(冷水管201)则首先进入倒数第一台热源侧水源热泵511，由倒数第一台热源侧水源热泵511降温到19℃后进入倒数第二台热源侧水源热泵511，再在倒数第二台热源侧水源热泵511中进一步降温到17℃后进入到倒数第三台热源侧水源热泵511，依次冷却后，从第一台热源侧水源热泵511中出来，温度降低为15℃，返回到数据中心空调系统100的冷水机组冷水供水管104中(去数据中心空调机的制冷盘管)。

用户侧水源热泵系统530的冷侧与热力管网管路(热网供水管522和热网回水管523)连接，而其热侧管路(用户侧回水管532和用户侧供水管533)与最终热用户540的管路连接，利用用户侧水源热泵系统530将热水温度升温到最终用户所需要的温度(例如70℃左右)，并通过用户供热泵534送到最终用户540的散热设备中，热水在最终热用户540的散热设备中释放热量后，回到用户侧水源热泵系统530中(通过用户侧回水管532)。

采用上述系统设计方案，将数据中心空调系统100冷水中的热量(一般设计工况为：15/21℃)采集出来，利用热源侧水源热泵511将用户所需要的热水温度分两步(热源侧水源热泵升温与用户侧水源热泵升温)之后提升到用户所需要的70℃左右的水温，水温总提升幅度为70-21＝49(℃)。

图4所示为常规的多台水源热泵机组并联的设计方案，只是简单地将水源热泵机组的冷水侧、热水侧管路简单地并联。高温水源热泵机组401的冷水侧回水为21℃，然后在高温水源热泵降温后为15℃；通过高温水源热泵机组401加热后，供给热用户70℃的热水，热用户的回水温度为50℃。这种方案是直接采用高温水源热泵一次性将水温从21℃提升到70℃。

和这种常规设计方案相比较，本专利设计方案是分两步使水温从21℃提升到70℃：第1步，利用热源侧水源热泵系统510的水源热泵机组511将水温从21℃提升到50℃左右；第2步再利用用户侧水源热泵系统530将水温从50℃左右提升到70℃左右。这种技术方案可以利用水源热泵机组的压缩式制冷系统“高压侧与低压侧的压差越小、效率越高”的技术特性来提升系统的能效，从而实现节能。

采用本专利技术方案后，如图4中的热回收供热系统仅使用了一套高温型水源热泵机组，热网的供回水温差为70-50＝20(℃)，但采取图5所示的本技术方案后，热网的供回水温度改变为：50-20＝30(℃)，增加了10℃，这会使热力管网的管径显著减少，造价管网降低。

还有一个好处是：热水在管网中的热损失可以有效降低，因为热网供回水温度从70/50℃降低到50/20℃，该温度在实际工程设计中还可以进一步优化并降低)，进一步降低管网热损失。

采用本技术方案，将一套高温水源热泵(水源热泵机组并联应用的热回收供热系统400)变更成两套(热源侧水源热泵系统510和用户侧水源热泵系统530)，则热泵设备的总造价可能会有所上升，但由于热力管网系统520的造价会有明显下降，所以，系统总造价一般情况下不会上升。

本技术方案对热源侧水源热泵采用多台配置并将热源侧水源热泵冷水侧、热水侧的管路串联连接的方式，目的是提高整套热源侧热泵系统的能效。进一步分析如下：

如果不采用本技术方案，则水源热泵机组从21℃的冷水中取热，将将热水侧的水温升高到70℃时，制热能效比(或称为制热性能系数)约为：3.0

采用本技术方案后，如图6所示的冷水侧管路并联、热水侧管路串联的多级热泵热回收系统600中，假设水源热泵机组数量为3台，按目前的一般产品的性能数据，3台热泵机组的能效比分别大致为：第1台：5.5，第二台：4.5，第三台：2.9(通过对各机组出水温度的优化，可以使该值高于3.0)，将这3个数值简单平均后，水源热泵机组的能效比为4.3，这比常规设计方案有较大幅度的提升。

本专利多级热泵热回收系统是自成一体的独立的系统，只需要将整个系统的冷水侧的热泵机组冷水回水管201和热泵机组冷水供水管202接入到数据中心的冷水管路(冷水机组冷水供水管104和冷水机组冷水回水管105)即可，不影响原数据中心的制冷系统的设计(只需要预留两个接口即可)，不对原数据中心制冷系统的工作产生负面影响。在夏季，由于不需要采暖，所以热回收系统不工作，数据中心的冷却排热由原有数据中心冷水机组系统负责；而在冬季，热回收系统启动工作并供暖，该系统可以提供数据中心所需要的部份冷量或全部冷量，并在采暖的同时，节约了数据中心冷水机组的能耗(原数据中心冷水机组可以部份或全部停止运行)，因此，该系统是一个非常节能的系统。

根据上述设计方案，要求热源侧水源热泵511的冷水侧能在较大流量下工作，根据目前的设备供应情况，采购到这样的设备难度较大，因为供应商很少，或者需要对标准型产品进行改进设计，这也增加了采购供应的难度和成本；所以，在实际工作中，本专利技术方案还可以做如下的折中性变形设计，即：将热源侧水源热泵机组的冷水侧管路连接成并联的方式，如图6所示。

图6中，冷水侧管路连接成并联的方式，每台机组的冷水侧的进水与出水都是21与15℃；而各水源热泵机组的热水侧管路采用串联的方式连接，这样，热水侧的进水温度是20℃，依次进行升温，最后达到50℃。

对某些应用场景，如果热网回水温度可以较低(例如低到40℃左右)或热网规模不大，管路不长，则管网的损失不大，可以不安装用户侧水源热泵系统，如图7所示。这种实施方案也是本专利保护的内容。

图7和图6相比，在于最后的升温温度到达70℃，回水温度为40℃，当然，这些温度数值对不同的项目，可以做相应的优化。

此外，本热回收供热系统在数据中心多级热泵热回收系统的对接位置也可以是冷水机组的冷却水管路，如图8所示的典型的设计工况，即热源侧水源热泵系统510的冷水侧管路(热泵机组冷水回水管201和热泵机组冷水供水管202)连接到冷水机组、冷却塔之间(冷却塔出水管801和冷却塔进水管802)，热源侧水源热泵系统510的热源侧水源热泵511的冷水侧管路(201，202)也可以与数据中心冷水机组的冷却水管路(802，801)连接，连接方法是：其冷水回水管201与数据中心冷水机组的冷却水出水管路802连接，其冷水供水管202与数据中心空调冷水机组102的冷却水进水管801相连接。

图8所述连接方式，也是本专利保护的内容。

如上所述，均以数据中心热回收为例进行了技术说明，实际上，本专利技术可以适用于其它类似的余热回收(例如：污水热源的热回收)场合。将该系统应用于其它类似应用场景也是本专利保护的范围。

Claims (6)

1.一种数据中心多级热泵热回收系统，其特征在于：包括数据中心空调系统、热源侧水源热泵系统、热力管网系统；热源侧水源热泵系统与数据中心空调系统和热力管网系统相连接，热源侧水源热泵系统包括多台热源侧水源热泵，多台热源侧水源热泵的热水侧管路串联、冷水侧串联或热水侧管路串联、冷水侧管路并联连接。

2.根据权利要求1所述的数据中心多级热泵热回收系统，其特征在于：热源侧水源热泵系统的冷水回水管、冷水供水管分别与数据中心空调系统中的数据中心空调冷水机组的冷水回水管、冷水供水管连接。

3.根据权利要求1所述的数据中心多级热泵热回收系统，其特征在于：在热力管网系统和热用户之间安装有用户侧水源热泵系统。

4.根据权利要求3所述的数据中心多级热泵热回收系统，其特征在于：用户侧水源热泵系统的冷侧与热力管网系统连接，而其热侧管路与最终热用户的管路连接。

5.根据权利要求1所述的数据中心多级热泵热回收系统，其特征在于：多台热源侧水源热泵冷水侧管路连接采用串联的方式连接时，流经多级水源热泵机组的顺序与热水侧管路水流的流经顺序相反。

6.根据权利要求2所述的数据中心多级热泵热回收系统，其特征在于：热源侧水源热泵系统的冷水侧管路与数据中心空调系统中数据中心空调冷水机组的连接位置也能够是数据中心空调冷水机组的冷却水管路。

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