TWI669475B - Chilled water cooling system - Google Patents

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TWI669475B
TWI669475B TW104127895A TW104127895A TWI669475B TW I669475 B TWI669475 B TW I669475B TW 104127895 A TW104127895 A TW 104127895A TW 104127895 A TW104127895 A TW 104127895A TW I669475 B TWI669475 B TW I669475B
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陳炎昌
韓玉
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香港商阿里巴巴集團服務有限公司
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Abstract

本發明公開了一種冷凍水冷卻系統，包括自然冷卻器、冷凍水主用泵、管路、末端熱交換器組成的自然冷卻回路，以及冷凍水主機、冷凍水輔助泵、管路組成的機械冷卻回路，通過控制機械冷卻回路與自然冷卻回路間的導通-隔絕裝置，能夠達到主用自然冷卻器，輔助採用機械冷卻的效果。從而降低能耗，提升製冷系統的效率。進而降低製冷系統的成本。本發明適用於任何採用自然冷卻技術冷卻的場所如資料中心或機房。

Description

冷凍水冷卻系統
本申請係關於一種冷凍水冷卻系統，具體關於需要長期供冷的機房、資料中心的製冷系統中的冷凍水冷卻系統。
資料中心，機房製冷系統需要使用大量的製冷設備對伺服器、存放裝置、網路設備進行散熱。冷凍水系統廣泛用於大型資料機房、交換機房等一切需要全年長期供冷的場所。在氣溫較低的地區，很多這些場所的製冷系統設計都採用自然冷卻技術，即透過利用室外低溫，在過渡季節或低溫季節下，冷凍水系統能夠不通過冷凍水主機製冷的方式使用免費的室外冷源，給用戶節約了大量的電費。國內大部分資料中心，其冷凍水系統基本供/回水溫度是10℃/15℃，末端空調的出風溫度在13℃，在這樣較低的供回水溫度情況下，可以利用自然冷卻技術的時間較短。
現有冷凍水自然冷卻系統的設計，常見的是風冷冷凍水主機結合自然冷卻器(通常是閉式冷卻塔)，如圖1所示，風冷冷凍水主機11串聯自然冷卻器10，並通過三通 閥13接到空調末端的熱交換器12的供/回水口，同時三通閥13還通過閥門14連接到風冷冷凍水主機11與自然冷卻器10串聯的管路。
在機械冷卻模式，室外空氣溫度超過回水溫度20℃，若冷凍水仍舊通過自然冷卻器(10)會變成吸熱而非散熱，所以此時三通閥13調整為旁通模式，閥門14打開，空調末端的熱交換器12的回水不經過自然冷卻器10，而經過風冷冷凍水主機11且風冷冷凍水主機11啟動製冷，經過機械製冷整個過程(包括壓縮機工作，冷凝器排熱等)，把20℃的冷凍水轉化成15℃的冷凍水送回空調末端的熱交換器12。
在自然冷卻模式，室外空氣溫度必須小於供水溫度，如室外空氣溫度為12℃，供水溫度為15℃，從空調末端的熱交換器12吸收負載熱量後，15℃的冷凍水提升溫度到20℃，三通閥13調整為經過自然冷卻器10，20℃的冷凍水首先經過室外的自然冷卻器10冷卻到15℃，再經過風冷冷凍水主機11(但風冷冷凍水主機11不需要機械製冷)，然後在送回空調末端的熱交換器12，形成冷凍水路迴圈。
在部分自然冷卻模式，回路和自然冷卻相同，但室外空氣溫度提高，冷凍水經過自然冷卻器10後，溫度無法達到15℃，需要通過風冷冷凍水主機11且風冷冷凍水主機11啟動製冷進行補冷才能降溫到15℃後，再送回空調末端的熱交換器12。
目前的絕大多數的資料機房設計冷通道的溫度都較低，設計有水側自然冷卻系統時候，按照15℃/20℃的供回水溫度，一般開啟自然冷卻(free cooling)都要到達10℃左右，開啟部分自然冷卻(partial free cooling)需要18℃左右，而超過18℃，就要進入機械製冷模式(mechanical cooling)。
由此可見現有的冷凍水回路永遠都要經過冷凍水主機，而通過三通閥的控制，選擇進入自然冷卻器，即主用冷凍水主機，由自然冷卻器輔助製冷。隨著IT伺服器等資訊設備發展，如伺服器等設備對進風溫度的要求逐漸放寬，例如目前最新的ASHRAE(美國暖氣和空調工程師學會)公佈TC9,9規範中，進風溫度範圍推薦在18-27℃。隨著伺服器可以接受的進風溫度提高，製冷系統設計時候，冷凍水供回水溫度也可以越來越高，傳統的主用冷凍水主機的自然冷卻設計不夠節能的缺點更加顯著。
本發明提供一種冷凍水冷卻系統，以解決現有冷凍水冷卻系統不夠節能的問題。
本發明提供一種冷凍水冷卻系統，包括自然冷卻器、冷凍水主用泵、管路、末端熱交換器串聯組成的自然冷卻回路，以及冷凍水主機、冷凍水輔助泵、管路串聯組成的機械冷卻回路，所述末端熱交換器安裝於需要提供製冷的位置，其特徵在於，機械冷卻回路通過可控制導通-隔絕 裝置與自然冷卻回路並聯。
較佳地，所述可控制導通-隔絕裝置為位於機械冷卻回路上的閥門。
較佳地，所述可控制導通-隔絕裝置為位於機械冷卻回路與自然冷卻回路連接處的三通混合閥門。
較佳地，所述冷凍水主機為水冷冷凍水主機。
較佳地，所述自然冷卻器為乾冷器。
較佳地，所述水冷冷凍水主機冷凝側採用冷卻塔冷卻。
較佳地，所述水冷冷凍水主機冷凝側採用的冷卻塔為閉式冷卻塔。
較佳地，所述自然冷卻器為冷卻塔。
較佳地，所述作為自然冷卻器的冷卻塔為閉式冷卻塔。
較佳地，所述冷凝側冷卻塔經管路、分別位於冷凝側冷卻塔兩端的第一閥門(2V1)和第二閥門(2V2)併入到自然冷卻回路，在自然冷卻情況下，除主用自然冷卻回路的冷卻塔外，通過控制第一閥門和第二閥門的導通/關斷狀態，能夠串聯使用水冷冷凍水主機冷凝側的冷卻塔。
較佳地，所述第一閥門(2V1)和第二閥門(2V2)位於自然冷卻回路和機械冷卻回路的連接處。
較佳地，所述水冷冷凍水主機冷凝側採用以湖水/海水或其他冷水資源作為冷卻介質的換熱器。
較佳地，所述換熱器為板式換熱器。
較佳地，所述自然冷卻器為以湖水/海水或其他冷水資源作為冷卻介質的換熱器。
較佳地，作為自然冷卻器的換熱器為板式換熱器。
較佳地，所述水冷冷凍水主機冷凝側的以湖水/海水或其他冷水資源作為冷卻介質的換熱器高溫流體接入側經管路、分別位於水冷冷凍水主機冷凝側換熱器高溫流體接入側兩端的第三閥門(4V3)和第四閥門(4V4)併入到自然冷卻回路，在自然冷卻情況下，除主用自然冷卻回路的以湖水/海水或其他冷水資源作為冷卻介質的換熱器外，通過控制分別位於水冷冷凍水主機冷凝側換熱器高溫流體接入側兩端的第三閥門(4V3)和第四閥門(4V4)的導通/關斷狀態，能夠串聯使用水冷冷凍水主機冷凝側的以湖水/海水或其他冷水資源作為冷卻介質的換熱器。
較佳地，所述水冷冷凍水主機冷凝側換熱器高溫流體側兩端的第三閥門(4V3)和第四閥門(4V4)位於自然冷卻回路和機械冷卻回路的連接處。
較佳地，所述冷凍水主機為風冷冷凍水主機。
較佳地，所述自然冷卻器為冷卻塔。
較佳地，所述冷卻塔為閉式冷卻塔。
較佳地，所述自然冷卻器為以湖水/海水或其他冷水資源作為冷卻介質的換熱器。
較佳地，所述換熱器為板式換熱器。
較佳地，所述自然冷卻器為乾冷器。
較佳地，所述冷凍水主機為風冷冷凍水主機，且可控 制導通-隔絕裝置為換熱器，換熱器的一側兩端串聯接入自然冷卻回路，另一側串聯蓄冷裝置接入機械冷卻回路供/回水端，通過啟動冷凍水輔助泵，能夠控制機械冷卻回路輔助冷卻。
較佳地，所述換熱器為板式換熱器。
較佳地，所述自然冷卻器為冷卻塔。
較佳地，所述自然冷卻器為閉式冷卻塔。
較佳地，所述自然冷卻器為以湖水/海水或其他冷水資源作為冷卻介質的換熱器。
較佳地，所述作為自然冷卻器的換熱器為板式換熱器。
較佳地，所述自然冷卻器為乾冷器。
較佳地，所述末端熱交換器為空調末端的熱交換器或液冷伺服器的熱交換器。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：
自然冷卻器不再如現有技術那樣串聯冷凍水主機組成冷凍水回路，而是與冷凍水主機分別組成自然冷卻回路和機械冷卻回路；並且，自然冷卻回路作為主用冷凍水回路接到末端熱交換器，機械冷卻回路通過導通-隔絕裝置併入自然冷卻回路，通過導通-隔絕裝置能夠控制機械冷卻回路輔助冷卻。
採用本申請提供的技術方案後，在採用自然冷卻模式時，機械冷卻回路被隔絕，冷凍水不必再經過冷凍水主機，僅通過自然冷卻回路，就能夠為末端熱交換器提供滿 足其溫度要求的冷凍水。由於冷凍水不必再經過冷凍水主機，使冷凍水回路的長度顯著縮短，冷凍水迴圈效率提高，增加了適用自然冷卻模式的時間，採用本發明提供的技術方案後，能夠在更多的地區做到主要使用自然冷卻模式，輔助採用機械冷卻模式或者部分自然冷卻模式，在保證冷卻要求的情況下，達到節約能源的效果。
本發明提供的技術方案，在部分自然冷卻模式下，可以導通機械冷卻回路，啟用冷凍水主機進行機械冷卻回路輔助冷卻。
這樣能夠做到少開甚至不開機械冷卻回路的冷凍水主機，從而進一步節省能源，降低設備和系統運行維護成本。
10‧‧‧自然冷卻器
11‧‧‧風冷冷凍水主機
12‧‧‧空調末端的熱交換器
13‧‧‧三通閥
14‧‧‧閥門
120、520‧‧‧冷卻塔
220‧‧‧第一冷卻塔
242‧‧‧第二冷卻塔
121、321、521‧‧‧風冷冷凍水主機
122、222、322、422、522‧‧‧空調末端的熱交換器
123、223、523‧‧‧第一壓差旁通支路
124、224、324、424、524‧‧‧第二壓差旁通支路
1P1、2P1、3P1、4P1、5P1‧‧‧冷凍水主用泵
1P2、2P2、3P2、4P2、5P2‧‧‧冷凍水輔助泵
1V20、2V20、3V20、4V20‧‧‧三通混合閥
241、441‧‧‧水冷冷凍水主機
2411、4411‧‧‧蒸發器
2412、4412‧‧‧冷凝器
2P3、4P3‧‧‧冷卻水泵
2V1‧‧‧第一閥門
2V2‧‧‧第二閥門
360‧‧‧換熱器
460‧‧‧第一換熱器
472‧‧‧第二換熱器
365、465‧‧‧湖水/海水或其他冷水資源
4V3‧‧‧第三閥門
4V4‧‧‧第四閥門
593‧‧‧換熱器
594‧‧‧蓄冷裝置
圖1是現有風冷冷凍水主機結合自然冷卻器的冷凍水冷卻系統的工作原理示意圖；圖2是本發明第一實施例風冷冷凍水主機結合冷卻塔的冷凍水冷卻系統自然冷卻示意圖；圖3是本發明第一實施例風冷冷凍水主機結合冷卻塔的冷凍水冷卻系統部分自然冷卻示意圖；圖4是本發明第二實施例水冷冷凍水主機結合冷卻塔的冷凍水冷卻系統自然冷卻示意圖；圖5是本發明第二實施例水冷冷凍水主機結合冷卻塔的冷凍水冷卻系統部分自然冷卻示意圖； 圖6是本發明第三實施例以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器作為自然冷卻器的冷凍水冷卻系統示意圖；圖7是本發明第四實施例在機械冷卻回路和自然冷卻回路都採用以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器的冷凍水冷卻系統自然冷卻示意圖；圖8是本發明第四實施例在機械冷卻回路和自然冷卻回路都採用以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器的冷凍水冷卻系統部分自然冷卻示意圖；圖9是本發明第五實施例採用換熱器隔離自然冷卻回路和輔助冷卻回路的冷凍水冷卻系統示意圖。
下面結合附圖，詳細介紹本發明的一些較佳實施方式，以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以很多不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施方式的限制。
本發明第一實施例提供一種採用自然冷卻回路為主冷卻回路，以風冷冷卻回路為輔助冷卻回路的冷凍水冷卻系統；圖2和圖3分別示出該冷凍水冷卻系統；其中，圖2示出該冷凍水冷卻系統採用自然冷卻模式的原理示意圖；圖3示出該冷凍水冷卻系統採用部分自然冷卻模式下的原理示意圖。
如圖2和圖3所示，該冷凍水冷卻系統包括自然冷卻回路和機械冷卻回路。所述自然冷卻回路包括冷卻塔120、冷凍水主用泵1P1、管路、第一壓差旁通支路123、空調末端的熱交換器122連接組成；所述機械冷卻回路為採用風冷方式，包括風冷冷凍水主機121、冷凍水輔助泵1P2、三通混合閥1V20、第二壓差旁通支路124連接組成。其中，冷卻塔120較佳採用閉式冷卻塔如噴淋閉式冷卻塔，三通混合閥1V20較佳採用三通混合閥。所述空調末端的熱交換器122也可以是液冷伺服器的熱交換器或其他任何末端熱交換器。
以下詳細說明該冷凍水冷卻系統的連接結構。
所述自然冷卻回路中，冷卻塔120一端通過管路串聯冷凍水主用泵1P1後接到所述空調末端的熱交換器122一端，所述空調末端的熱交換器122的另一端通過管路連接到所述冷卻塔120的未與所述冷凍水主用泵1P1連接的一端，上述回路形成所述自然冷卻回路的主回路。為了對所述冷卻塔120提供過壓保護，在冷卻塔120兩側的管路並接第一壓差旁通支路123。
所述機械冷卻回路中，所述風冷冷凍水主機121兩端均通過管路連接到所述自然冷卻回路的冷卻塔120與所述空調末端的熱交換器122之間連接的一側管路上，上述管路的一端通過所述三通混合閥1V20連接到所述主管路上，所述冷凍水輔助泵1P2串聯在上述管路中。
該冷凍水冷卻回路具有兩種工作模式，即自然冷卻模 式、部分自然冷卻模式。
在自然冷卻模式，如圖2所示，所述三通混合閥1V20僅僅接通連接冷卻塔120一端和空調末端的熱交換器122一端的自然冷卻回路主管路，而機械冷卻回路的管路與該主管路被所述三通混合閥1V20阻斷。在該自然冷卻模式下，所述冷凍水主用泵1P1工作，在該冷凍水主用泵1P1提供的壓力的作用下，冷凍水在空調末端的熱交換器122吸收熱量後，經過冷卻塔120返回到所述空調末端的熱交換器122的另外一端。在所述冷凍水經過冷卻塔120時，冷凍水將吸收到的熱量通過冷卻塔120的冷卻管路排到室外環境，重新流回所述空調末端的熱交換器122的冷凍水的溫度已經降低到適當的溫度，可以重新在空調末端的熱交換器122中作為冷媒帶走熱量。在該工作模式下，由於三通混合閥1V20關閉，冷凍水只通過冷卻塔120，而不經過冷凍水輔助製冷回路製冷(圖2虛線所示)，此工作模式下，風冷冷凍水主機121不工作。
在部分自然冷卻模式，如圖3所示，所述三通混合閥1V20接通連接冷卻塔120一端和空調末端的熱交換器122一端的自然冷卻回路主管路，同時接通所述機械冷卻回路與該主管路；所述冷凍水主用泵1P1與冷凍水輔助泵1P2同時開啟，驅動冷凍水在回路中流動。冷凍水首先經冷卻塔120冷卻後，部分冷凍水(例如20%)在所述冷凍水輔助泵1P2提供的壓力作用下，經過風冷冷凍水主機121中，並被該風冷冷凍水主機121冷卻，冷卻後通過三通混 合閥1V20與所述主管路中的冷凍水混合，獲得合適的溫度再回送到空調末端的熱交換器122。
在該第一實施例提供的技術方案中，主用冷卻塔，使得主冷凍水回路始終可以使用自然冷卻，而風冷冷凍水主機僅用於輔助製冷。在某些地方氣候條件允許，可以不配置機械冷卻回路，直接用自然冷卻回路的閉式冷卻塔，這樣可以大大減少投資和系統能耗。
本發明第二實施例提供一種以採用冷卻塔作為自然冷卻器的自然冷卻回路為主冷卻回路，以採用冷卻塔為冷卻器的水冷式機械冷卻回路為輔助回路的冷凍水冷卻系統。其中，自然冷卻回路為主用，機械冷卻回路為輔助冷卻。圖4和圖5分別示出該冷凍水冷卻系統；其中，圖4示出該冷凍水冷卻系統採用自然冷卻模式的工作原理示意圖；圖5示出該冷凍水冷卻系統採用部分自然冷卻模式的工作原理示意圖。
如圖4和圖5所示，該冷凍水冷卻系統包括自然冷卻回路和機械冷卻回路。所述自然冷卻回路包括第一冷卻塔220、冷凍水主用泵2P1、管路、第一壓差旁通支路223、空調末端的熱交換器222；所述機械冷卻回路為採用水冷方式，包括水冷冷凍水主機241及其蒸發器2411和冷凝器2412、三通混合閥2V20、冷凍水輔助泵2P2、冷卻水泵2P3、第二冷卻塔242、管路；另外還包括第一閥門2V1、第二閥門2V2和連接的管路。所述第一冷卻塔220和第二冷卻塔242較佳採用閉式冷卻塔如噴淋閉式冷卻 塔。
以下詳細說明該冷凍水冷卻系統的連接結構。
所述自然冷卻回路中，第一冷卻塔220一端通過管路串聯冷凍水主用泵2P1後接到所述空調末端的熱交換器222一端，所述空調末端的熱交換器222的另一端通過管路連接到所述第一冷卻塔220的未與所述冷凍水主用泵2P1連接的一端，上述回路形成所述自然冷卻回路的主回路。為了對所述第一冷卻塔220提供過壓保護，在第一冷卻塔220兩側的管路並接第一壓差旁通支路223。
所述機械冷卻回路中，所述水冷冷凍水主機241的蒸發器2411兩端均通過管路連接到所述自然冷卻回路的第一冷卻塔220與所述空調末端的熱交換器222之間連接的一側管路上，上述管路的一端通過所述三通混合閥2V20連接到所述主管路上，所述冷凍水輔助泵2P2串聯在上述管路中。為了對所述水冷冷凍水主機241提供過壓保護，在水冷冷凍水主機241兩側的管路並接第二壓差旁通支路224。所述水冷冷凍水主機241的冷凝器2412兩端均通過管路連接到所述第二冷卻塔242的兩端，所述冷卻水泵2P3串聯在上述管路中。所述第二冷卻塔242的一端通過第一閥門2V1和管路連接到自然冷卻回路第一冷卻塔220與三通混合閥2V20之間連接的管路上，第二冷卻塔242的另外一端通過第二閥門2V2和管路連接到三通混合閥2V20和空調末端的熱交換器222連接的管路上。
該冷凍水冷卻系統具有兩種工作模式，即自然冷卻模 式、部分自然冷卻模式。
在自然冷卻模式，如圖4所示，所述三通混合閥2V20關閉，自然冷卻回路未與冷凍水主用泵2P1連接的一端到空調末端的熱交換器222一端連接的管路被所述三通混合閥2V20阻斷，機械冷卻回路的管路與該管路被所述三通混合閥2V20阻斷，第一閥門2V1和第二閥門2V2打開。在該自然冷卻模式下，所述冷凍水主用泵2P1工作，在該冷凍水主用泵2P1提供的壓力的作用下，冷凍水在空調末端的熱交換器222吸收熱量後，經過第一冷卻塔220後，通過第一閥門2V1、第二冷卻塔242、第二閥門2V2返回到所述空調末端的熱交換器222的另外一端。在所述冷凍水經過第一冷卻塔220和第二冷卻塔242時，冷凍水將吸收到的熱量通過第一冷卻塔220和第二冷卻塔242的冷卻管路排到室外環境，重新流回所述空調末端的熱交換器222的冷凍水的溫度已經降低到適當的溫度，可以重新在空調末端的熱交換器222中作為冷媒帶走熱量。在該工作模式下，由於三通混合閥2V20關閉，第一閥門2V1和第二閥門2V2打開，冷凍水只通過第一冷卻塔220和第二冷卻塔242冷卻，而不經過冷凍水輔助製冷回路製冷(圖4虛線所示)，此工作模式下，冷凍水輔助泵2P2和水冷冷凍水主機241均不工作。
在部分自然冷卻模式，如圖5所示，第一閥門2V1和第二閥門2V2關閉，與其相連接的管路不工作(圖5虛線所示)。所述三通混合閥2V20接通連接第一冷卻塔220 一端和空調末端的熱交換器222一端的自然冷卻回路主管路，同時接通所述機械冷卻回路與該主管路；所述冷凍水主用泵2P1與冷凍水輔助泵2P2同時開啟，驅動冷凍水在回路中流動。冷凍水首先經第一冷卻塔220冷卻後，部分冷凍水(例如20%)在所述冷凍水輔助泵2P2提供的壓力作用下，經過水冷冷凍水主機241中的蒸發器2411，並被該水冷冷凍水主機241冷卻，冷卻後通過三通混合閥2V20與所述主管路中的冷凍水混合，獲得合適的溫度再回送到空調末端的熱交換器222。水冷冷凍水主機的冷凝器2412側由冷卻水泵2P3驅動冷卻水由第二冷卻塔242降溫。
在該第二實施例提供的技術方案中，由於機械冷卻回路採用比風冷冷凍水主機能效比更高的水冷冷凍水主機，輔助冷卻效率更高，並且和自然冷卻回路一樣採用冷卻塔冷卻，自然冷卻模式下還能夠把水冷冷凍水主機冷凝側冷卻塔的散熱能力也加入到自然冷卻回路，這樣不僅能夠實現主要採用自然冷卻回路冷卻，輔助採用水冷冷凍機水主機冷卻的效果，而且自然冷卻時間和能力都得到進一步增強，從而可以獲得提高冷卻效率，降低能耗的效果。
本發明第三實施例提供一種採用以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器作為自然冷卻器結合以風冷冷凍水主機作為機械冷卻器輔助冷卻的冷凍水冷卻系統。圖6為此系統的工作原理示意圖。
如圖6所示，該冷凍水冷卻系統包括自然冷卻回路和 機械冷卻回路。所述自然冷卻回路包括以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360、冷凍水主用泵3P1、湖水/海水或其它冷水資源365、管路、空調末端的熱交換器322。所述機械冷卻回路包括風冷冷凍水主機321、冷凍水輔助泵3P2、三通混合閥3V20、第二壓差旁通支路324、管路。所述換熱器360較佳採用板式換熱器。
以下詳細說明該冷凍水冷卻系統的連接結構。
所述自然冷卻回路中，以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360高溫流體側一端通過管路串聯冷凍水主用泵3P1後接到所述空調末端的熱交換器322一端，所述空調末端的熱交換器322的另一端通過管路連接到所述以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360高溫流體側未與所述冷凍水主用泵3P1連接的一端，上述回路形成所述自然冷卻回路的主回路。以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360低溫流體側兩端均通過管路連接到湖水/海水或其它冷水資源365。
所述機械冷卻回路中，風冷冷凍水主機321兩端均通過管路連接到所述自然冷卻回路的換熱器360與所述空調末端的熱交換器322之間連接的一側管路上，上述管路的一端通過所述三通混合閥3V20連接到所述主管路上，所述冷凍水輔助泵3P2串聯在上述管路中。在風冷冷凍水主機321兩側的管路並接第二壓差旁通支路324。
該冷凍水冷卻系統具有兩種工作模式，即自然冷卻模 式、部分自然冷卻模式。
在自然冷卻模式，所述三通混合閥3V20僅僅接通連接以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360一端和空調末端的熱交換器322一端的自然冷卻回路主管路，而機械冷卻回路的管路與該主管路被所述三通混合閥3V20阻斷。在該自然冷卻模式下，所述冷凍水主用泵3P1工作，在該冷凍水主用泵3P1提供的壓力的作用下，冷凍水在空調末端的熱交換器322吸收熱量後，經過以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360返回到所述空調末端的熱交換器322的另外一端。在所述冷凍水經過以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360時，冷凍水將吸收到的熱量通過以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360排到湖水/海水或其它冷水資源365中，重新流回所述空調末端的熱交換器322的冷凍水的溫度已經降低到適當的溫度，可以重新在空調末端的熱交換器322中作為冷媒帶走熱量。在該工作模式下，由於三通混合閥3V20關閉，冷凍水只通過以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360冷卻，而不經過風冷冷凍水主機所在的機械冷卻回路輔助冷卻。冷凍水輔助泵3P2和風冷冷凍水主機321均不工作。
在部分自然冷卻模式，所述三通混合閥3V20接通連接以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360高溫流體側一端和空調末端的熱交換器322一端的自然冷卻回路主管路，同時接通所述機械冷卻回路與該主管路； 所述冷凍水主用泵3P1與冷凍水輔助泵3P2同時開啟，驅動冷凍水在回路中流動。冷凍水首先經以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器360冷卻後，部分冷凍水(例如20%)在所述冷凍水輔助泵3P2提供的壓力作用下，經過風冷冷凍水主機321中，並被該風冷冷凍水主機321冷卻，冷卻後通過三通混合閥3V20與所述主管路中的冷凍水混合，獲得合適的溫度再回送到空調末端的熱交換器322。
在該第三實施例提供的技術方案中，不僅能夠主要採用自然冷卻回路，輔助採用風冷冷凍機水主機冷卻，同時採用湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器作為自然冷卻器，由於水的導熱係數比空氣更高，自然冷卻能力得到進一步增強。達到提高冷卻效率的效果。
本發明第四實施例提供一種採用以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器作為自然冷卻器和以水冷冷凍水主機作為機械冷卻器的冷凍水冷卻系統。所述水冷冷凍水主機的冷凝側同樣採用以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器冷卻。圖7為該冷凍水冷卻系統自然冷卻原理示意圖；圖8為該冷凍水冷卻系統的部分自然冷卻原理示意圖。
如圖7和圖8所示，該冷凍水冷卻系統包括自然冷卻回路和機械冷卻回路。所述自然冷卻回路包括以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第一換熱器460、冷凍水主用泵4P1、湖水/海水或其它冷水資源465、管路、空 調末端的熱交換器422。所述機械冷卻回路包括水冷冷凍水主機441及其蒸發器4411和冷凝器4412、冷凍水輔助泵4P2、三通混合閥4V20、第二壓差旁通支路424、冷卻水泵4P3、以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第二換熱器472、湖水/海水或其它冷水資源465、管路。另外還包括第三閥門4V3、第四閥門4V4和連接管路。所述第一換熱器460和第二換熱器472較佳採用板式換熱器。
以下詳細說明該冷凍水冷卻系統的連接結構。
所述自然冷卻回路中，以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器460高溫流體側一端通過管路串聯冷凍水主用泵4P1後接到所述空調末端的熱交換器422一端，所述空調末端的熱交換器422的另一端通過管路連接到所述以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第一換熱器460高溫流體側未與所述冷凍水主用泵4P1連接的一端，上述回路形成所述自然冷卻回路的主回路。所述以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第一換熱器460低溫流體側兩端均通過管路連接到湖水/海水或其它冷水資源465。
所述機械冷卻回路中，水冷冷凍水主機441的蒸發器4411兩端均通過管路連接到所述自然冷卻回路的以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第一換熱器460與所述空調末端的熱交換器422之間連接的一側管路上，上述管路的一端通過所述三通混合閥4V20連接到所述主管路上，所述冷凍水輔助泵4P2串聯在上述管路中。在水冷冷 凍水主機441的蒸發器4411兩側的管路並接第二壓差旁通支路424。所述水冷冷凍水主機441的冷凝器4412兩端均通過管路連接到所述以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第二換熱器472高溫流體側的兩端，所述冷卻水泵4P3串聯在上述管路中。所述以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第二換熱器472高溫流體側的一端通過第三閥門4V3和管路連接到自然冷卻回路以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第一換熱器460與三通混合閥4V20之間連接的管路上，以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第二換熱器472高溫流體側的另外一端通過第四閥門4V4和管路連接到三通混合閥4V20和空調末端的熱交換器422連接的管路上。以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第二換熱器472的低溫流體側通過管路連接到湖水/海水或其它冷水資源465。
該冷凍水冷卻系統具有兩種工作模式，即自然冷卻模式、部分自然冷卻模式。
在自然冷卻模式，如圖7所示，所述三通混合閥4V20關閉，自然冷卻回路未與冷凍水主用泵4P1連接的一端到空調末端的熱交換器422一端連接的管路被所述三通混合閥4V20阻斷，機械冷卻回路的管路與該管路被所述三通混合閥4V20阻斷，第三閥門4V3和第四閥門4V4打開。在該自然冷卻模式下，所述冷凍水主用泵4P1工作，在該冷凍水主用泵4P1提供的壓力的作用下，冷凍水在空調末端的熱交換器422吸收熱量後，經過以湖水/海 水或其它冷水資源作為冷卻介質的第一換熱器460後，通過第三閥門4V3和以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第二換熱器472，再經第四閥門4V4返回到所述空調末端的熱交換器422的另外一端。在所述冷凍水經過第一換熱器460和第二換熱器472時，吸收到的熱量被湖水/海水或其它冷水資源465吸收，重新流回所述空調末端的熱交換器422的冷凍水的溫度已經降低到適當的溫度，可以重新在空調末端的熱交換器422中作為冷媒帶走熱量。在該工作模式下，由於三通混合閥4V20關閉，第三閥門4V3和第四閥門4V4打開，冷凍水只通過以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第一換熱器460和第二換熱器472冷卻，而不經過水冷冷凍水主機441所在的機械冷卻回路輔助冷卻(圖7虛線所示)。冷凍水輔助泵4P2和水冷冷凍水主機441均不工作。
在部分自然冷卻模式，如圖8所示，所述三通混合閥4V20接通連接以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第一換熱器460一端和空調末端的熱交換器422一端的自然冷卻回路主管路，同時接通所述機械冷卻回路與該主管路，第三閥門4V3和第四閥門4V4關閉，與其相連接的管路不工作(圖8虛線所示)。所述冷凍水主用泵4P1與冷凍水輔助泵4P2同時開啟，驅動冷凍水在回路中流動。冷凍水首先經以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第一換熱器460冷卻後，部分冷凍水(例如20%)在所述冷凍水輔助泵4P2提供的壓力作用下，經過水冷冷 凍水主機441中的蒸發器4411，並被該水冷冷凍水主機441冷卻，冷卻後通過三通混合閥4V20與所述主管路中的冷凍水混合，獲得合適的溫度再回送到空調末端的熱交換器422。冷卻水泵4P3開啟，水冷冷凍水主機的冷凝器4412通過以湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的第二換熱器472降溫。
在該第四實施例提供的技術方案中，不僅能夠主要採用自然冷卻回路冷卻，輔助採用水冷冷凍機水主機冷卻，由於採用了比風冷冷凍水主機能效比更高的水冷冷凍水主機，機械冷卻回路輔助冷卻的效率得到提高，更進一步的，水冷冷凍水主機和自然冷卻回路都採用以比空氣導熱係數更高的湖水/海水或其它冷水資源作為冷卻介質的換熱器冷卻，並且在自然冷卻模式下還能夠把水冷冷凍水主機冷凝側的換熱器的散熱能力也加入到自然冷卻回路，自然冷卻能力得到極大的提高。達到提高冷卻效率，降低能耗的效果。
本發明第五實施例提供一種採用換熱器隔離自然冷卻回路和機械冷卻回路的冷凍水冷卻系統。圖9為該系統工作原理示意圖。
如圖9所示，該冷凍水冷卻系統包括採用冷卻塔冷卻的自然冷卻回路和採用風冷冷凍水主機冷卻的機械冷卻回路。所述自然冷卻回路包括冷卻塔520、第一壓差旁通支路523、冷凍水主用泵5P1、換熱器593的高溫流體一側、管路、空調末端的熱交換器522；所述機械冷卻回路 包括換熱器593的低溫流體一側、風冷冷凍水主機521、第二壓差旁通支路524、冷凍水輔助泵5P2、蓄冷裝置594和管路。所述換熱器593較佳採用板式換熱器，所述蓄冷裝置594較佳採用蓄冷罐。
以下詳細說明該冷凍水冷卻系統的連接結構。
所述自然冷卻回路中，冷卻塔520一端通過管路串聯冷凍水主用泵5P1後接到空調末端的熱交換器522的一端，另一端接到換熱器593的高溫流體側的一端，所述空調末端的熱交換器522的另一端通過管路連接到所述換熱器高溫流體側未與所述冷卻塔520連接的一端，上述回路形成所述自然冷卻回路的主回路。為了對所述冷卻塔520提供過壓保護，在冷卻塔520兩側的管路並接第一壓差旁通支路523。
所述機械冷卻回路中，風冷冷凍水主機521兩端均通過管路連接到所述自然冷卻回路中串聯的換熱器593的低溫流體一側的兩端，所述冷凍水輔助泵5P2和蓄冷裝置594串聯在上述管路中。
該冷凍水冷卻回路具有兩種工作模式，即自然冷卻模式、部分自然冷卻模式。
在自然冷卻模式，所述冷凍水主用泵5P1工作，在所述冷凍水主用泵5P1提供的壓力的作用下，冷凍水在空調末端的熱交換器522吸收熱量後，經過冷卻塔520和換熱器593的高溫流體一側返回到所述空調末端的熱交換器522的另外一端。在所述冷凍水經過冷卻塔520時，冷凍 水的熱量通過冷卻塔520的冷卻管路排到室外環境，經過冷卻塔520冷卻的冷凍水溫度已經降低到適當的溫度，經過換熱器593時不進行熱量交換，再返回空調末端的熱交換器522中作為冷媒帶走熱量。在該工作模式下，機械冷卻回路不進行輔助冷卻，冷凍水輔助泵5P2和風冷冷凍水主機521不工作。
在部分自然冷卻模式，冷凍水主用泵5P1和冷凍水輔助泵5P2均工作，風冷冷凍水主機521工作，冷凍水在空調末端的熱交換器522吸收熱量後，經過冷卻塔520和換熱器593的高溫流體一側返回到所述空調末端的熱交換器522的另外一端。該模式下，冷凍水經過冷卻塔520冷卻，從空調末端的熱交換器522吸收到的熱量通過冷卻塔520的冷卻管路排到室外環境後，溫度仍高於空調末端的熱交換器522需要的溫度，風冷冷凍水主機521工作，冷凍水輔助泵5P2工作，蓄冷裝置594內的冷卻液體在冷凍水輔助泵5P2的驅動下在機械冷卻回路迴圈流動。冷凍水經過換熱器593，其熱量進一步被換熱器593另一側的低溫流體吸收後，溫度降低到空調末端的熱交換器522需要的溫度。可以重新在空調末端的熱交換器522中作為冷媒帶走熱量。機械冷卻回路的冷卻液體在換熱器593吸收冷凍水的熱量後，被送到風冷冷凍水主機521冷卻。該模式下，風冷冷凍水主機所在的機械冷卻回路輔助冷卻。風冷冷凍水主機521工作。
在該第五實施例提供的技術方案中，冷凍水冷卻系統 不僅能夠主要採用自然冷卻回路的冷卻塔，輔助採用風冷冷凍機水主機冷卻，還能夠在自然冷卻回路經過冷卻塔冷卻後，水溫依然過高且超過風冷冷凍水主機所允許最高回水溫度時，避免風冷冷凍水主機高壓高溫報警。
本發明方案中的自然冷卻器有多種選擇，除上述實施例中的閉式冷卻塔、噴淋閉式冷卻塔、換熱器和板式換熱器外，還可以採用乾冷器等。自然冷卻回路串聯的末端熱交換器除了上述實施例中的空調末端的熱交換器外，還可以為液冷伺服器的熱交換器或其他的末端熱交換器。
本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明申請專利範圍所界定的範圍為準。

Claims (27)

  1. 一種冷凍水冷卻系統，包括自然冷卻器、冷凍水主用泵、管路、末端熱交換器串聯組成的自然冷卻回路，以及冷凍水主機、冷凍水輔助泵、管路串聯組成的機械冷卻回路，該末端熱交換器安裝於需要提供製冷的位置，其特徵在於，機械冷卻回路通過可控制導通-隔絕裝置與自然冷卻回路並聯，其中，該冷凍水主機為水冷冷凍水主機，該水冷冷凍水主機冷凝側採用冷卻塔冷卻，該自然冷卻器為冷卻塔，以及該冷凝側冷卻塔經管路、分別位於冷凝側冷卻塔兩端的第一閥門(2V1)和第二閥門(2V2)併入到自然冷卻回路，在自然冷卻情況下，除主用自然冷卻回路的冷卻塔外，通過控制第一閥門和第二閥門的導通/關斷狀態，能夠串聯使用水冷冷凍水主機冷凝側的冷卻塔。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述冷凍水冷卻系統，其中，該可控制導通-隔絕裝置為位於機械冷卻回路上的閥門。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述冷凍水冷卻系統，其中，該可控制導通-隔絕裝置為位於機械冷卻回路與自然冷卻回路連接處的三通混合閥門。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該自然冷卻器為乾冷器。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的冷凍水冷卻系 統，其中，該水冷冷凍水主機冷凝側採用的冷卻塔為閉式冷卻塔。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該作為自然冷卻器的冷卻塔為閉式冷卻塔。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該第一閥門(2V1)和第二閥門(2V2)位於自然冷卻回路和機械冷卻回路的連接處。
  8. 根據申請專利範圍第1項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該水冷冷凍水主機冷凝側採用以湖水/海水或冷水資源作為冷卻介質的換熱器。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該換熱器為板式換熱器。
  10. 根據申請專利範圍第8項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該自然冷卻器為以湖水/海水或冷水資源作為冷卻介質的換熱器。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述的冷凍水冷卻系統，其中，作為自然冷卻器的換熱器為板式換熱器。
  12. 根據申請專利範圍第10項所述的冷凍水冷卻系統，其中，水冷冷凍水主機冷凝側的以湖水/海水或冷水資源作為冷卻介質的換熱器高溫流體接入側經管路、分別位於水冷冷凍水主機冷凝側換熱器高溫流體接入側兩端的第三閥門(4V3)和第四閥門(4V4)併入到自然冷卻回路，在自然冷卻情況下，除主用自然冷卻回路的以湖水/海水或冷水資源作為冷卻介質的換熱器外，通過控制分別 位於水冷冷凍水主機冷凝側換熱器高溫流體接入側兩端的第三閥門(4V3)和第四閥門(4V4)的導通/關斷狀態，能夠串聯使用水冷冷凍水主機冷凝側的以湖水/海水或其他冷水資源作為冷卻介質的換熱器。
  13. 根據申請專利範圍第12項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該水冷冷凍水主機冷凝側換熱器高溫流體側兩端的第三閥門(4V3)和第四閥門(4V4)位於自然冷卻回路和機械冷卻回路的連接處。
  14. 根據申請專利範圍第1、2或3項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該冷凍水主機為風冷冷凍水主機。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該自然冷卻器為冷卻塔。
  16. 根據申請專利範圍第15項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該冷卻塔為閉式冷卻塔。
  17. 根據申請專利範圍第14項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該自然冷卻器為以湖水/海水或冷水資源作為冷卻介質的換熱器。
  18. 根據申請專利範圍第17項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該換熱器為板式換熱器。
  19. 根據申請專利範圍第14項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該自然冷卻器為乾冷器。
  20. 根據申請專利範圍第1項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該冷凍水主機為風冷冷凍水主機，且可控制導通-隔絕裝置為換熱器，換熱器的一側兩端串聯接入自然 冷卻回路，另一側串聯蓄冷裝置接入機械冷卻回路供/回水端，通過啟動冷凍水輔助泵，能夠控制機械冷卻回路輔助冷卻。
  21. 根據申請專利範圍第20項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該換熱器為板式換熱器。
  22. 根據申請專利範圍第20或21項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該自然冷卻器為冷卻塔。
  23. 根據申請專利範圍第22項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該自然冷卻器為閉式冷卻塔。
  24. 根據申請專利範圍第20或21項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該自然冷卻器為以湖水/海水或冷水資源作為冷卻介質的換熱器。
  25. 根據申請專利範圍第24項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該作為自然冷卻器的換熱器為板式換熱器。
  26. 根據申請專利範圍第20或21項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該自然冷卻器為乾冷器。
  27. 根據申請專利範圍第1項所述的冷凍水冷卻系統，其中，該末端熱交換器為空調末端的熱交換器或液冷伺服器的熱交換器。
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