CN211625787U - 一种预冷式蒸发冷却型复合空调系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种预冷式蒸发冷却型复合空调系统，包括：主机单元和末端单元，所述主机单元包括：第二水泵、冷却塔、预冷换热器、蒸发冷却换热器，以及依次串接并构成回路的压缩机、冷凝器、储液器、制冷剂泵、节流装置以及水侧蒸发器。所述冷凝器设置在所述冷却塔内；所述末端单元包括依次串接的第一水泵、水阀和末端蒸发器。本实用新型的空调系统具备根据室内负荷以及室外温度不同运行于不同工作模式，能有效利用室外自然冷源，同时化解间接蒸发冷却单元冬季结冰问题。

Description

一种预冷式蒸发冷却型复合空调系统

技术领域

本实用新型涉及空调系统，尤其涉及用于数据中心的预冷式蒸发冷却型复合空调系统。

背景技术

随着“互联网+”、“大数据应用”等一系列信息化工程提出与推进，数据中心的规模与数量得到迅猛发展，并成为信息社会的用电大户。为保证数据中心高效可靠运行，需要将数据中心的服务器在运行过程中产生的热量迅速排出。据统计，现代化社会数据中心用电量占全社会总电量的5％。IDC产业调研报告显示，截至2016年，数据中心的规模达到714.5亿元。中国数据中心2018年用电量超过1200亿千瓦时，超过三峡水电站以及葛洲坝电站一年的发电量。为了降低数据中心的能耗，合理配置社会资源，需要对数据中心制冷系统进行优化，其中利用自然冷源是目前解决数据中心机房高能耗问题的首选方式，并且自然冷源为可再生能源。利用室外自然冷源已得到业内学者和工程技术人员的关注，并以不同的形式展开工程技术研究，如新风系统、气-气热交换系统和气-水热交换系统。另外由各类热管构成的复合空调也不断被提出和运用，如重力型分离式热管、液泵动力型分离式热管以及气泵动力型分离式热管。但上述方案大部分局限于小型数据中心机房空调上运用，而对于大型数据中心则还未得到较好运用。

为了实现大数据中心PUE(数据中心总设备能耗/IT设备能耗)小于1.3的目标，需要综合设计并利用间接蒸发冷却技术、气泵驱动热管技术以及液泵驱动热管技术，并在间接蒸发冷却装置上配备预冷装置，从而期望能够实现夏季过冷效果，提高系统效率，同时解决冬季冷却塔结冰问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种预冷式蒸发冷却型复合空调系统，解决现有数据中心空调机组高能耗现状以及冷却塔结冰问题。

实现上述目的的技术方案是：

一种预冷式蒸发冷却型复合空调系统，包括：主机单元和末端单元，其中，

所述主机单元包括：第二水泵、冷却塔、设置在所述冷却塔进风口并连通所述冷却塔内部的预冷换热器、设置在所述冷却塔内的蒸发冷却换热器，以及依次串接并构成回路的压缩机、冷凝器、储液器、制冷剂泵、节流装置以及水侧蒸发器；

所述冷凝器设置在所述冷却塔内；

所述压缩机并联一个旁路阀；

所述末端单元包括依次串接的第一水泵、水阀和末端蒸发器；

所述第一水泵的入口端和所述末端蒸发器的出口端分别连接连通所述水侧蒸发器的末端侧的两端；

所述第二水泵的入口端连通所述冷凝器的出水端，所述第二水泵的出口端连通所述预冷换热器的入口端。

优选的，所述制冷剂泵并联一个旁通阀，也可以根据实际需求取消设置。

优选的，所述水侧蒸发器的主机侧的两端连通所述节流装置和所述压缩机。

优选的，所述水阀和末端蒸发器构成的串联支路至少两组，各串联支路相互并联。

优选的，所述预冷换热器的数量至少两个。

优选的，所述节流装置为电子膨胀阀，或为电子膨胀阀与电磁阀并联，或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联。

优选的，所述储液器与所述制冷剂泵之间设置有干燥过滤器和视液镜。

优选的，经过所述预冷换热器之后的水被喷淋到所述蒸发冷却换热器通过蒸发吸热方式实现水温降低。

优选的，所述冷凝器是不锈钢管或铜管，并且带有铝翅片或不锈钢翅片。

本实用新型的有益效果是：本实用新型根据室内负荷以及室外环境温度，运行多种工作模式，能有效利用昼夜、过渡季节和冬季的室外自然冷源，机组可以全年高效的提供冷水，适用于数据中心全年冷却，大幅度降低运行能耗，具有优异的节能减排效果。同时在高温季节预冷器可以强化制冷效率，冬季可以防止冻塔现象。同时，本实用新型将整个空调系统设计为主机单元A、末端单元B两个单元，将冷凝器内置在间接蒸发冷却塔，降低了水路运输过程中水冷量的损失，降低了水泵功率，提高了冷凝效率，降低了冷凝器成本，但在安装上由于是制冷剂管路连接，需要抽真空、焊接，增加现场安装复杂程度。

附图说明

图1是本实用新型的预冷式蒸发冷却型复合空调系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。

请参阅图1，本实用新型的预冷式蒸发冷却型复合空调系统，包括：主机单元A和末端单元B。

主机单元A包括：第二水泵9B、冷却塔(图中未视)、设置在冷却塔进风口并连通冷却塔内部的预冷换热器12、设置在冷却塔内的蒸发冷却换热器(图中未视)，以及依次串接并构成回路的压缩机1、冷凝器2、储液器3、制冷剂泵4、节流装置5以及水侧蒸发器6。冷凝器2、预冷换热器12、第二水泵9B、蒸发冷却换热器和冷却塔构成带预冷功能间接蒸发冷凝塔。

冷凝器2设置在冷却塔内。压缩机1并联一个旁路阀7。冷凝器2可以是不锈钢管或铜管，并且可以带有铝翅片或不锈钢翅片。

末端单元B包括依次串接的第一水泵9A、水阀10和末端蒸发器11。根据实际情况，水阀10和末端蒸发器11构成的串联支路可以是一组，也可以是多组，各串联支路相互并联。如图1所示。

主机单元A与末端单元B在水侧蒸发器6处进行复合。水侧蒸发器6的主机侧的两端连通节流装置5和压缩机1。

第一水泵9A的入口端和末端蒸发器11的出口端分别连接连通水侧蒸发器6的末端侧的两端。

第二水泵9B的入口端连通冷凝器2的出水端，第二水泵9B的出口端连通预冷换热器12的入口端。根据实际需要，可以将预冷换热器12的数量设计为可以是一个，也可以是多个。

压缩机1的数量为一个或多个并联，每个压缩机1均具有排气口、回气口。

制冷剂泵4并联一个旁通阀8。旁通阀8可以根据具体需要取消设置。旁通阀8的进口和出口各自与制冷剂泵4的出口和入口相连。

节流装置5为电子膨胀阀，或为电子膨胀阀与电磁阀并联，或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联。根据需要，可以在储液器3与制冷剂泵4之间设置干燥过滤器和视液镜。

本实用新型工作时，夏季时，水与主机单元A中冷凝器2热交换，吸收冷凝热实现冷凝器2中制冷剂冷凝，而水自身温度提高(对于干燥地区，一般此时回水温度仍低于此时环境干球温度)，被加热的水优先进入预冷换热器12，实现进入冷却塔的空气被进一步预冷，提高了冷凝效率，降低冷凝温度，而在冬季由于从冷凝器2冷凝后的回水温度高于室外低温，故而优先进入预冷换热器12对冬季冷空气进行了升温，防止冷却塔结冰，防止冻塔现象。具体工作如下：

当室外没有能利用的自然冷源时，运行制冷循环模式，此时将旁通阀8打开，旁路阀7关闭；由压缩机1、冷凝器2、储液器3、旁通阀8、节流装置5、水侧蒸发器6构成循环回路，此时制冷剂泵关闭。由预冷换热器12、蒸发冷却换热器以及第二水泵9B构成冷凝回路。由水侧蒸发器6、第一水泵9A、水阀10、末端蒸发器11构成末端回路为数据中心制冷。末端侧低温冷冻水在末端蒸发器11蒸发吸热，如15度低温，完成制冷离开末端蒸发器11后，变成高温冷冻水进入水侧蒸发器6进行热交换，如20度高温，被主机单元A再次冷却为低温冷冻水，其中液态(气液混合态)制冷剂进入水侧蒸发器6将高温冷冻水热量吸收，实现冷冻水降低温度为15度低温冷冻水，自身变成气态制冷剂被压缩机1排出进入冷凝器2，冷却为液态工质，液态工质进入储液器3进行储存，并经过打开的旁通阀8直接进入节流装置5节流降压，再次进入水侧蒸发器6进行蒸发吸热，实现制冷目的，如此构成循环。冷却塔中已经被室外空气冷却的低温冷却水，如25度，经过水泵(第二水泵2B起作用，如不够，可以再冷凝器2入口端增加一个水泵)作用输送至冷凝器2实现主机单元A制冷剂冷凝，自身温度升高，如30度，在优先进入预冷换热器12对室外空气进行一次预冷作用，如室外空气干球温度35度，由于进入预冷换热器12的水的温度为30度，实现空气一次预冷，如空气温度降低为32度，经过预冷换热器12之后的水被喷淋到蒸发冷却换热器中通过蒸发吸热方式实现水温降低(部分水蒸发，剩余落下)，最终降低为25度，汇聚到冷却塔的水槽中，如此两个单元配合运作实现数据中心降温。

当能利用室外一定的自然冷源时，运行于混合循环模式，此时将旁通阀8关闭，旁路阀7关闭，由于此时具备一定的自然冷源，压缩机1的压缩比小，故通过制冷剂泵4的作用补偿压头不足。由压缩机1、冷凝器2、储液器3、制冷剂泵4、节流装置5、水侧蒸发器6构成循环回路。由冷凝器2、预冷换热器12、蒸发冷却换热器以及第二水泵9B构成冷凝回路。由水侧蒸发器6、第一水泵9A、水阀10、末端蒸发器11构成末端回路为数据中心制冷。末端侧低温冷冻水在末端蒸发器11蒸发吸热，如15度低温，完成制冷离开末端蒸发器11后，变成高温冷冻水进入水侧蒸发器6进行热交换，如20度高温，被主机单元A再次冷却为低温冷冻水，其中液态(气液混合态)制冷剂进入水侧蒸发器6将高温冷冻水热量吸收，实现冷冻水降低温度为15度低温冷冻水，自身变成气态制冷剂被压缩机1排出进入冷凝器2，冷却为液态工质，液态工质进入储液器3进行储存，并经过制冷剂泵4增压作用进入节流装置5适当的节流降压，再次进入水侧蒸发器6进行蒸发吸热，实现制冷目的，如此构成循环。由于室外温度较低，压缩机1可能存在压差不足，系统循环不畅以及压缩机1电机冷却不良现象，故而增加制冷剂泵4强化循环强化电机冷却。冷却塔中已经被室外空气冷却的低温冷却水，如15度，经过水泵(第二水泵2B起作用，如不够，可以再冷凝器2入口端增加一个水泵)作用输送至冷凝器2实现主机单元A制冷剂冷凝，自身温度升高，如20度，在优先进入预冷换热器12对室外空气进行一次预冷作用，如室外空气干球温度25度，由于进入预冷换热器水的温度为20度，实现空气一次预冷，如降低为22度，经过预冷换热器12之后的水被喷淋到蒸发冷却换热器中通过蒸发吸热方式实现水温降低，最终降低为15度，汇聚到冷却塔的水槽中，如此2个单元配合运作实现数据中心降温。

当机组未设置旁通阀8时，则制冷模式与复合模式相同，均为混合模式。

当能利用室外充足的自然冷源时，运行湿自然冷却模式，此时将旁通阀8关闭，旁路阀7打开。由冷凝器2、储液器3、制冷剂泵4、节流装置5、水侧蒸发器6构成循环回路，由冷凝器2、预冷换热器12、蒸发冷却换热器以及第二水泵9B构成冷凝回路。由水侧蒸发器6、第一水泵9A、水阀10、末端蒸发器11构成末端回路为数据中心制冷。末端侧低温冷冻水在末端蒸发器11蒸发吸热，如15度低温，完成制冷离开末端蒸发器11后，变成高温冷冻水进入水侧蒸发器6进行热交换，如20度高温，被主机单元A再次冷却为低温冷冻水，其中液态(气液混合态)制冷剂进入水侧蒸发器6将高温冷冻水热量吸收，实现冷冻水降低温度为15度低温冷冻水，自身变成气态制冷剂进入冷凝器2，冷却为液态工质，液态工质进入储液器3进行储存，并经过制冷剂泵4进入节流装置5，几乎不进行节流作用，再次进入水侧蒸发器6进行蒸发吸热，实现制冷目的，如此构成循环。冷却塔中已经被室外空气冷却的低温冷却水，如10度，经过水泵(第二水泵2B起作用，如不够，可以再冷凝器2入口端增加一个水泵)作用输送至冷凝器2实现主机单元A制冷剂冷凝，自身温度升高，如15度，在优先进入预冷换热器12对室外空气进行一次预热作用，如室外空气干球温度-10度，由于进入预冷换热器12水的温度为15度，实现空气一次预热，如升高为5度，经过预冷换热器12之后的水被喷淋到蒸发冷却换热器中通过蒸发吸热方式实现水温降低，最终降低为10度，汇聚到冷却塔的水槽中，如此2个单元配合运作实现数据中心降温。由于冬季室外气温低，预冷换热器12变成预热功能，一般冷却塔中水会飞溅到冷却塔边缘随着空气低温作用结冰，影响效率，而一般对于冷却塔结冰采用补偿电加热手段或者就是人工去冰方式，增加了机组能耗，降低机组效率，而采用预冷换热器12作用由于回水温度一般都在15度以上甚至更高，故而利用该预冷换热器12进行了一次低温空气加热，使得整个塔内部以及边缘均处于0度甚至5度以上温度状态，化解了结冰问题，提高了运行效率。

当能利用室外充足的自然冷源时，并且温度极低时，运行干自然冷却模式，此时将旁通阀8关闭，旁路阀7打开。由冷凝器2、储液器3、制冷剂泵4、节流装置5、水侧蒸发器6构成循环回路，冷却塔中第二水泵9B停机，只依靠风机完成散热，由水侧蒸发器6、第一水泵9A、水阀10、末端蒸发器11构成末端回路为数据中心制冷。末端侧低温冷冻水在末端蒸发器11蒸发吸热，如15度低温，完成制冷离开末端蒸发器11后，变成高温冷冻水进入水侧蒸发器6进行热交换，如20度高温，被主机单元A再次冷却为低温冷冻水，其中液态(气液混合态)制冷剂进入水侧蒸发器11将高温冷冻水热量吸收，实现冷冻水降低温度为15度低温冷冻水，自身变成气态制冷剂进入冷凝器2，冷却为液态工质，液态工质进入储液器3进行储存，并经过制冷剂泵4进入节流装置5，几乎不进行节流作用，再次进入水侧蒸发器6进行蒸发吸热，实现制冷目的，如此构成循环。此时室外温度极低，如-15度或者更低，冷却塔不再依靠蒸发冷却散热，单纯依靠风冷即可实现冷凝器2散热，如-15度，依靠风机调速运行即可实现冷凝温度达到设定需求，如此2个单元配合运作实现数据中心降温。由于冬季室外气温低，将冷却塔中水排放掉，化解了机组结冰风险。

以上实施例仅供说明本实用新型之用，而非对本实用新型的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本实用新型的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (9)

1.一种预冷式蒸发冷却型复合空调系统，其特征在于，包括：主机单元和末端单元，其中，

所述主机单元包括：第二水泵、冷却塔、设置在所述冷却塔进风口并连通所述冷却塔内部的预冷换热器、设置在所述冷却塔内的蒸发冷却换热器，以及依次串接并构成回路的压缩机、冷凝器、储液器、制冷剂泵、节流装置以及水侧蒸发器；

所述冷凝器设置在所述冷却塔内；

所述压缩机并联一个旁路阀；

所述末端单元包括依次串接的第一水泵、水阀和末端蒸发器；

所述第一水泵的入口端和所述末端蒸发器的出口端分别连接连通所述水侧蒸发器的末端侧的两端；

所述第二水泵的入口端连通所述冷凝器的出水端，所述第二水泵的出口端连通所述预冷换热器的入口端。

2.根据权利要求1所述的预冷式蒸发冷却型复合空调系统，其特征在于，所述制冷剂泵并联一个旁通阀。

3.根据权利要求1所述的预冷式蒸发冷却型复合空调系统，其特征在于，所述水侧蒸发器的主机侧的两端连通所述节流装置和所述压缩机。

4.根据权利要求1所述的预冷式蒸发冷却型复合空调系统，其特征在于，所述水阀和末端蒸发器构成的串联支路至少两组，各串联支路相互并联。

5.根据权利要求1所述的预冷式蒸发冷却型复合空调系统，其特征在于，所述预冷换热器的数量至少两个。

6.根据权利要求1所述的预冷式蒸发冷却型复合空调系统，其特征在于，所述节流装置为电子膨胀阀，或为电子膨胀阀与电磁阀并联，或为电动流量调节阀与电子膨胀阀并联。

7.根据权利要求1所述的预冷式蒸发冷却型复合空调系统，其特征在于，所述储液器与所述制冷剂泵之间设置有干燥过滤器和视液镜。

8.根据权利要求1所述的预冷式蒸发冷却型复合空调系统，其特征在于，经过所述预冷换热器之后的水被喷淋到所述蒸发冷却换热器通过蒸发吸热方式实现水温降低。

9.根据权利要求1所述的预冷式蒸发冷却型复合空调系统，其特征在于，所述冷凝器是不锈钢管或铜管，并且带有铝翅片或不锈钢翅片。

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