一种联合供冷的集装箱数据中心空调系统及其工作方法与流程

本发明属于集装箱数据中心节能设备领域，具体涉及一种联合供冷的集装箱数据中心空调系统及其工作方法。

背景技术：

目前，移动互联网、云计算、大数据、物联网等互联网技术飞速发展和数据业务需求急剧增长，越来越多的数据中心被建设起来。与此同时，计算机数据中心的设备密度也越来越高，尤其我国数据中心发展迅猛，总量已超过4₀万个，其功率密度也越来越大，造成了数据中心能耗的增加。

据统计，全球数据中心总量已超过300万个，耗电量占全球总耗电量的比例为1.1%～1.5%，其高能耗问题已引起各国政府的高度重视。另外，数据中心的能源利用效率普遍较低，我国数据中心年耗电量超过全社会用电量的1.5%，其中大多数数据中心的PUE仍普遍大于2.2，与国际先进水平相比有较大差距。对拥有数据中心的企业来说，每年的能耗成本是非常大的，与此同时，数据中心产生大量的温室气体排放，消耗大量的水资源，其设备废弃后造成较大污染，给资源和环境带来巨大挑战。

发达国家目前普遍通过应用节能、节水、低碳等技术产品以及先进管理方法建设绿色数据中心，实现能源效率最大化和环境影响最小化。如美国政府实施了“数据中心能源之星”、“联邦数据中心整合计划”，欧盟实施了“数据中心能效行为准则”，国际绿色网格组织开展了数据中心节能标准制定和最佳实践推广，建立了绿色数据中心的推进机制，引导数据中心节能环保水平的提升。目前，美国数据中心平均电能使用效率（PUE）已达1.9，先进数据中心PUE已达到1.2以下。

在我国，常见的集装箱数据中心主要使用水冷或者制冷剂制冷回路，无论冷凝器侧冷却介质的温度高低，压缩机都持续运行，消耗的电力很大。

因此，本发明提出了一种采用载冷剂输冷系统的数据中心空调系统，适用于中国大部分地区集装箱数据中心，对降低数据中心PUE有着极大的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决上述传统数据中心用空调机组存在的能耗大，PUE值较高的问题，提供一种联合供冷的集装箱数据中心空调系统及其工作方法。

为实现上述目的，本发明给出以下技术方案：

一种联合供冷的集装箱数据中心空调系统，包括制冷剂制冷回路和载冷剂输冷回路，其特征在于：所述制冷剂制冷回路包括依次进行管路连接的蒸发器、压缩机、电动阀Ⅰ、板式换热器Ⅱ、节流装置和流量计Ⅰ，流量计Ⅰ连接蒸发器形成回路；所述载冷剂输冷回路包括依次进行管路连接的板式换热器Ⅰ、单向阀、储液罐、载冷剂泵、冷凝器、电动阀Ⅱ和流量计Ⅱ，流量计Ⅱ连接板式换热器Ⅰ形成回路；

还包括控制器，所述控制器电性连接风机、温湿度传感器Ⅰ与温湿度传感器Ⅱ，并控制电动阀Ⅰ、电动阀Ⅱ、载冷剂泵。

作为优选，所述蒸发器与板式换热器Ⅰ、风机组成室内机，回风在风机作用下经板式换热器Ⅰ再经蒸发器完成冷却降温，风机为集装箱内的气流组织提供动力；

所述冷凝器和板式换热器Ⅱ组成室外机，制冷剂在冷凝器与空气进行换热，载冷剂在板式换热器Ⅱ处于空气换热，冷凝器与板式换热器Ⅱ均配有风机。

作为优选，所述温湿度传感器Ⅰ设置在室内机回风处，所述温湿度传感器Ⅱ设置在室外机上。集装箱外的环境温度时刻在发生着变化，在空调室内机回风处和集装箱外设置精密的温湿度传感器，两个系统回路阀门应采用电动阀进行控制，压缩机和载冷剂泵应采取具有变频功能，制冷剂制冷回路和载冷剂输冷回路需要分别设置制冷剂和载冷剂的流量计，这样既能实现精准控制，保证系统能够以最佳参数运行，又可以减轻运行维护人员的工作压力。

室内机由同一个风机为集装箱内的气流组织提供动力，额定功率需满足风量最大时的所需功率，采用变频EC风机，在保证免维护稳定运行的同时可以达到节能的目的。

作为优选，所述板式换热器Ⅰ下游至储液罐之间的管路沿载冷剂流动方向倾斜，防止积液。

一种上述空调系统的工作方法，其特征在于：通过以下步骤实现：

（1）温湿度传感器监测环境温度T₀；

（2）当T₀≤10℃时，制冷剂制冷回路与载冷剂输冷回路同时运行；当T₀＞10℃时，仅启动制冷剂制冷回路工作,至T₀≤10℃，启动载冷剂输冷回路；

（3）联合供冷系统向集装箱内输冷，直至温度低至制冷剂制冷回路停机；

（4）制冷剂制冷回路停机，载冷剂在回路内流动，利用自然冷源继续供冷；

（5）温湿度传感器持续监测环境温度，T₀再次升高后，返回步骤（2）进行循环。

作为优选，T₀＞10℃时，集装箱内外环境温差较小，启动载冷剂输冷系统的效果并不明显，集装箱数据中心完全靠制冷剂制冷回路制冷。此时，所述步骤（2）通过以下步骤实现：

（a1）控制器控制载冷剂泵停机，冷凝器停机，关闭电动阀Ⅱ；

（a2）载冷剂停止流入板式换热器Ⅰ；

（a3）管路中余留的载冷剂流入储液罐，单向阀阻止载冷剂回流。

作为优选，T₀≤10℃时，集装箱数据中心启动载冷剂输冷系统，控制器控制载冷剂泵运行，载冷剂回路的电动阀开启。制冷剂制冷回路同时运行，所述步骤（2）通过以下步骤实现：

（b1）控制器控制载冷剂泵与冷凝器正常运行，电动阀Ⅱ开启；

（b2）载冷剂在管路中流动；

（b3）制冷剂制冷回路同时运行，系统根据集装箱内外环境温度及载冷剂流量，计算载冷剂输冷功率，降低制冷剂制冷回路承担的冷负荷与功耗。

作为优选，所述步骤（3）是通过以下步骤实现的：

（c1）制冷剂制冷回路与载冷剂输冷回路同时工作，T₀持续降低；

（c2）集装箱内外温差到达设计参数值。载冷剂输冷功率能完全承担集装箱内的冷负荷；

（c3）控制器控制电动阀Ⅰ关闭，压缩机停止运行，冷凝器停机。此时，完全利用自然冷源进行供冷，并且载冷剂在密闭回路中流动，与集装箱内外空气都是间接换热，保证集装箱内环境的清洁。

作为优选，有机载冷剂易挥发，在启动载冷剂输冷回路前需检查并补充载冷剂。

载冷剂输冷回路开启时，联合供冷系统便开始利用环境的自然冷源并向箱内输送，直至温度低至制冷剂制冷回路停机，完全利用自然冷源进行供冷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种联合供冷的集装箱数据中心空调系统及其工作方法，与普通风冷空调的差别在于该空调系统的冷热量输送侧由两个回路组成，一个回路自带冷源，由制冷剂制冷回路供冷；另一个不自带冷源，利用环境冷量进行供冷并经载冷剂输冷回路进行输送。与普通数据中心空调机组相比，主要设备增加了两个板式换热器，动力设备增加了一台在联合供冷以及载冷剂输冷回路单独供冷时运行的风机和载冷剂泵，在环境温度低于10℃时便可启动载冷剂输冷回路，代替制冷系统承担了部分甚至全部负荷，减少制冷剂制冷回路的开机时间，降低压缩机功耗，实现节能的目的，环境温度低于10℃时间越长的地区，采用该联合供冷空调系统的节能效果越显著，对于集装箱数据中心而言，系统增加一个载冷剂输冷回路的设备投资，但是降低了运行成本，投资和占地都比较少，具有较好的经济性和节能性。与风冷空调机组相比，该联合供冷形式提供了自然冷源的一种利用方式，增加了一个载冷剂输冷回路，在该自然冷源利用回路中采用载冷剂泵取代了压缩机，同等供冷量下的功率将会减小。另一方面，与冬季将室外冷空气送入机房的直接利用方式不同，利用载冷剂输送冷量，冷空气在集装箱外与板式换热器内的载冷剂换热，不会进入集装箱，避免了带入灰尘等隐患，也无需增加过滤器净化空气。

此外，本发明方法原理可靠，步骤简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1是本发明提供的一种联合供冷的集装箱数据中心空调系统的结构示意图。

图2是本发明提供的一种联合供冷的集装箱数据中心空调系统的工作方法流程图。

其中，1–流量计Ⅰ；2–流量计Ⅱ；3-蒸发器；4-板式换热器Ⅰ；5-温湿度传感器Ⅰ；6-单向阀；7-储液罐；8-压缩机；9-电动阀Ⅰ；10-载冷剂泵；11-板式换热器Ⅱ；12-冷凝器；13-控制器；14-节流装置,15-电动阀Ⅱ，16-温湿度传感器Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明提供的一种联合供冷的集装箱数据中心空调系统，包括制冷剂制冷回路和载冷剂输冷回路，所述制冷剂制冷回路包括依次进行管路连接的蒸发器3、压缩机8、电动阀Ⅰ9、板式换热器Ⅱ11、节流装置14和流量计Ⅰ1，流量计Ⅰ1连接蒸发器3形成回路；所述载冷剂输冷回路包括依次进行管路连接的板式换热器Ⅰ4、单向阀6、储液罐7、载冷剂泵10、冷凝器12、电动阀Ⅱ15和流量计Ⅱ2，流量计Ⅱ2连接板式换热器Ⅰ4形成回路；

还包括控制器13，所述控制器13电性连接风机、温湿度传感器Ⅰ5与温湿度传感器Ⅱ16，并控制电动阀Ⅰ9、电动阀Ⅱ15、载冷剂泵10。

在本实施例中，所述蒸发器3与板式换热器Ⅰ4、风机组成室内机，回风在风机作用下经板式换热器Ⅰ4再经蒸发器3完成冷却降温，风机为集装箱内的气流组织提供动力；

所述冷凝器12和板式换热器Ⅱ11组成室外机，制冷剂在冷凝器12与空气进行换热，载冷剂在板式换热器Ⅱ11处于空气换热，冷凝器12与板式换热器Ⅱ11均配有风机。

室内机由同一个风机为集装箱内的气流组织提供动力，额定功率需满足风量最大时的所需功率，采用变频EC风机，在保证免维护稳定运行的同时可以达到节能的目的。

在本实施例中，所述温湿度传感器Ⅰ5设置在室内机回风处，所述温湿度传感器Ⅱ16设置在室外机上。集装箱外的环境温度时刻在发生着变化，在空调室内机回风处和集装箱外设置精密的温湿度传感器，两个系统回路阀门应采用电动阀进行控制，压缩机8和载冷剂泵10应具有变频功能，制冷剂制冷回路和载冷剂输冷回路需要分别设置制冷剂和载冷剂的流量计，这样既能实现精准控制，保证系统能够以最佳参数运行，又可以减轻运行维护人员的工作压力。

在本实施例中，所述板式换热器Ⅰ4下游至储液罐7之间的管路沿载冷剂流动方向倾斜，防止积液。

本发明还提供一种上述节能空调系统的工作方法，通过以下步骤实现：

（1）温湿度传感器监测环境温度T₀；

（2）当T₀≤10℃时，制冷剂制冷回路与载冷剂输冷回路同时运行；当T₀＞10℃时，仅启动制冷剂制冷回路工作,至T₀≤10℃，启动载冷剂输冷回路；

（3）联合供冷系统向集装箱内输冷，直至温度低至制冷剂制冷回路停机；

（4）制冷剂制冷回路停机，载冷剂在回路内流动，利用自然冷源继续供冷；

（5）温湿度传感器持续监测环境温度，T₀再次升高后，返回步骤（2）进行循环。

在本实施例中，T₀＞10℃时，集装箱内外环境温差较小，启动载冷剂输冷系统的效果并不明显，集装箱数据中心完全靠制冷剂制冷回路制冷。此时，所述步骤（2）通过以下步骤实现：

（a1）控制器13控制载冷剂泵10停机，冷凝器12停机，关闭电动阀Ⅱ15；

（a2）载冷剂停止流入板式换热器Ⅰ4；

（a3）管路中余留的载冷剂流入储液罐7，单向阀6阻止载冷剂回流。

在本实施例中，T₀≤10℃时，集装箱数据中心启动载冷剂输冷系统，控制器13控制载冷剂泵10运行，载冷剂回路的电动阀Ⅱ15开启。制冷剂制冷回路同时运行，所述步骤（2）通过以下步骤实现：

（b1）控制器13控制载冷剂泵10与冷凝器12正常运行，电动阀Ⅱ15开启；

（b2）载冷剂在管路中流动；

（b3）制冷剂制冷回路同时运行，系统根据集装箱内外环境温度及载冷剂流量，计算载冷剂输冷功率，降低制冷剂制冷回路承担的冷负荷与功耗。

在本实施例中，所述步骤（3）是通过以下步骤实现的：

（c1）制冷剂制冷回路与载冷剂输冷回路同时工作，T₀持续降低；

（c2）集装箱内外温差到达设计参数值，本实施例中载冷剂选用乙二醇，设定参数值为4℃，此时载冷剂输冷功率能完全承担集装箱内的冷负荷；

（c3）控制器控制电动阀Ⅰ9关闭，压缩机8停止运行，冷凝器12停机。此时，完全利用自然冷源进行供冷，并且载冷剂在密闭回路中流动，与集装箱内外空气都是间接换热，保证集装箱内环境的清洁。

在本实施例中，选用的乙二醇载冷剂易挥发，在启动载冷剂输冷回路前需检查并补充载冷剂。

载冷剂输冷回路开启时，联合供冷系统便开始利用环境的自然冷源并向箱内输送，直至温度低至制冷剂制冷回路停机，完全利用自然冷源进行供冷。

本发明提供的一种联合供冷的集装箱数据中心空调系统及其工作方法，与普通风冷空调的差别在于该空调系统的冷热量输送侧由两个回路组成，一个回路自带冷源，由制冷剂制冷回路供冷；另一个不自带冷源，利用环境冷量进行供冷并经载冷剂输冷回路进行输送。与普通数据中心空调机组相比，主要设备增加了两个板式换热器，动力设备增加了一台在联合供冷以及载冷剂输冷回路单独供冷时运行的风机和载冷剂泵10，在环境温度低于10℃时便可启动载冷剂输冷回路，代替制冷系统承担了部分甚至全部负荷，减少制冷剂制冷回路的开机时间，降低压缩机功耗，实现节能的目的，环境温度低于10℃时间越长的地区，采用该联合供冷空调系统的节能效果越显著，对于集装箱数据中心而言，系统增加一个载冷剂输冷回路的设备投资，但是降低了运行成本，投资和占地都比较少，具有较好的经济性和节能性。与风冷空调机组相比，该联合供冷形式提供了自然冷源的一种利用方式，增加了一个载冷剂输冷回路，在该自然冷源利用回路中采用载冷剂泵10取代了压缩机，同等供冷量下的功率将会减小。另一方面，与冬季将室外冷空气送入机房的直接利用方式不同，利用载冷剂输送冷量，冷空气在集装箱外与板式换热器内的载冷剂换热，不会进入集装箱，避免了带入灰尘等隐患，也无需增加过滤器净化空气。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。