本实用新型涉及机房采暖散热系统，尤其是涉及一种带热回收/全自然冷却机房散热系统。
背景技术：
根据统计数据，我国数据中心能耗约占全国总能耗1.8%，相当于三峡水电站整年约1000亿度的发电量。但大量能源被制冷系统浪费（占比高达40%～50%，PUE值普遍高于2.2），严重制约了数据中心绿色可持续发展。
解决数据中心高能耗、高浪费问题的核心在于减少空调甚至去除空调。而压缩机是空调系统主要的耗电部件，因此如何减少压缩机运行时间甚至去除压缩机是降低机房能耗的关键。目前在低温地区有数据中心采用自然冷源和转轮致冷等方式散热降温，但这会使数据中心的选址受到限制；而采用行级空调或者热管背板空调等方式，虽然能在一定程度上降低机房的能耗，但是本质上还是依赖压缩机致冷，不能从根本上解决机房能耗过大的问题。另一方面，数据中心全年对外散发大量热量，而与数据中心配套的周边办公、运维和宿舍等辅助建筑在冬季却同时需要大量的热量来解决供暖的问题，在非采暖季节也有提供生活、洗浴热水的需要。常规设计中，供暖通常需要锅炉解决，需要消耗大量煤炭、燃油、天然气等不可再生能源。而化石原料燃烧过程产生大量的CO2是造成温室效应的主要原因，并且发电过程中粉尘和酸性气体等排放物严重污染环境，对人体健康造成损害。因此数据中心热回收利用对提高能源利用效率，降低环境污染具有重要意义。
申请号为201510778693.1的中国实用新型专利公开了一种数据机房余热回收系统，包括：控制器、换热机构、压缩机、余热回收机构，换热机构、压缩机、余热回收机构具有导通的制冷剂回路；换热机构包括并联的液冷换热器和风冷换 热器；余热回收机构包括并联的液态介质加热设备和气态介质加热设备；余热回收机构的液态介质加热设备连接热水输出装置，且气态介质加热设备连接热风输出装置；控制器分别连接液冷换热器和风冷换热器以控制液冷换热器或风冷换热 器工作利用压缩机的制冷剂为数据机房内的热风进行冷却；控制器还分别连接液态介质加热设备和气态介质加热设备以控制液态介质加热设备或气态介质加热设备工作以输出热水或热风。该实用新型虽然提供了一种机房余热回收的方法，但该方法只能加热液态或气态介质提供热水或热风，仅能用于冬天供暖而已。另外，该方案中液冷和风冷都采用了压缩机，能耗高，且造成了极大的资源浪费。
技术实现要素：
为克服现有的技术缺陷，本实用新型提供了一种保证数据中心实现全年安全可靠自然散热，解决数据中心液气双通道联合控制的带热回收/全自然冷却机房散热系统。
为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种带热回收/全自然冷却机房散热系统，包括全自然冷却系统、热回收系统和控制系统；所述全自然冷却系统包括冷却单元、冷却水泵、液冷系统和气冷系统；所述冷却单元、冷却水泵和液冷系统通过管路依次循环连接；所述气冷系统通过管路与液冷系统并联，同时与所述冷却单元和冷却水泵串联；所述热回收系统包括水源热泵机组、热源泵和用热设备，所述水源热泵机组与所述冷却单元并联且与冷却水泵和液冷系统串联，所述用热设备、热源泵和水源热泵机组依次连接形成循环回路；所述控制系统用于控制全自然冷却系统和热回收系统的工作。
在即将颁布的新版GB-50174-2016中，我国国家和行业标准均将服务器允许进风温度由27℃扩大为32℃，这对冷却系统送风要求进一步放宽。本实用新型通过利用液/气双通道致冷技术，由液冷致冷系统带走服务器主要发热量，大幅提高了气冷系统的送风温度，因此使得液冷系统和气冷系统能够共用冷却单元，从而实现数据中心完全自然冷却，最大限度降低数据中心的PUE值。同时，本实用新型还设有包括水源热泵机组的热回收系统，水源热泵能够回收一部分液/气双通道的散热量，减少冷却单元热负荷，同时为冷却单元作温度补偿，保证数据中心的自然冷却。如此，本实用新型实现了数据中心能量的合理高效利用，提高了数据中心能源的利用效率。
另外，目前数据中心自然冷却散热系统仍然存在夏季高温工况散热能力不足，冬季低温工况导致机房出现凝露甚至冷却液出现冻结的风险以及液气双通道热负荷实时变化时冷却液流量匹配等问题，因此本实用新型还设置有控制系统，能够实现所述机房控制系统的自动化控制，保证数据中心实现全年安全可靠自然散热，解决数据中心液气双通道联合控制。
进一步地，所述液冷系统包括通过管路依次连接形成第一循环回路的中间换热器、液冷服务器机柜和内循环泵，所述中间换热器通过管路与所述冷却水泵和所述冷却单元依次连接形成第二循环回路，所述第一循环回路和所述第二循环回路在所述中间换热器中进行换热；所述气冷系统包括空调末端，所述空调末端、所述冷却单元和所述冷却水泵依次连接形成第三循环回路。
进一步地，所述水源热泵机组包括依次连接呈循环回路的水源热泵蒸发器、水源热泵压缩机、水源热泵冷凝器和节流阀，所述用热设备包括并联设置的吸收式制冷机和供暖末端。本方案能够利用水源热泵机组将热量回收使用，如夏季为数据中心周边的办公、运维、宿舍等辅助建筑提供冷量，冬季则可以为数据中心周边的办公、运维、宿舍等辅助建筑供暖。
进一步地，所述液冷系统供液管和气冷系统供液管在并联处设有第一电动三通分流阀，所述液冷系统供液管和气冷系统供液管的共用部分为供液总管；所述液冷系统回液管和气冷系统回液管在并联处设有第一电动三通合流阀，所述液冷系统回液管和气冷系统回液管的共用部分为回液总管。其中，通过控制所述第一电动三通分流阀的开度来控制进入液冷系统和气冷系统供液管的冷却液的流量，而阀门的开度则根据液冷系统和气冷系统的热负荷比例来确定，并且阀门的开度也根据负荷的变化同步调节。
进一步地，所述供液总管设有第二电动三通合流阀，且所述第二电动三通合流阀的两个入口分别与水源热泵蒸发器出口以及所述冷却单元的出口相连，所述第二电动三通合流阀的出口与所述第一电动三通分流阀的入口相连；所述回液总管设有第二电动三通分流阀，所述第二电动三通分流阀的入口与所述第一电动三通合流阀的出口相连，所述第二电动三通分流阀的两出口分别与水源热泵蒸发器入口以及冷却单元的入口相连；所述吸收式制冷机供液管和供暖末端供液管在并联处设有第三电动三通分流阀；所述吸收式制冷机回液管和供暖末端回液管在并联处设有第三电动三通合流阀。
进一步地，所述冷却单元出口和水源热泵冷凝器入口之间设有旁通管，旁通管上设有电动二通旁通阀。
进一步地，所述供液总管处设有第一温度传感器，所述液冷服务器机柜的出液管设有第二温度传感器，所述气冷系统回液管设有第三温度传感器。
进一步地，所述控制系统包括控制器，所述控制器设有变频器，所述变频器分别与冷却水泵、热源泵、内循环泵连接，且所述变频器、电动二通旁通阀、第一电动三通分流阀、第一电动三通合流阀、第二电动三通分流阀、第二电动三通合流阀、第三电动三通分流阀、第三电动三通合流阀、第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器分别与所述控制器连接。
优选地，所述空调末端为冷水盘管和/或机柜级风机墙；所述冷却单元为冷却塔或者干冷器；所述中间换热器优选板式换热器；所述供暖末端包括暖气片、风机盘管等。
一种上述的带热回收/全自然冷却的机房散热系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：开启机房散热系统，所述机房散热系统开启时处于默认状态：第二电动三通分流阀流向冷却单元的通道处于全开状态，流向水源热泵蒸发器的通道处于关闭状态，第二电动三通合流阀连接冷却单元出口的通道处于全开状态，连接水源热泵蒸发器出口的通道处于关闭状态；电动二通旁通阀处于关闭状态，水源热泵机组不启动工作；第一电动三通分流阀流向空调末端和中间换热器的通道均处于导通状态，第一电动三通合流阀的通道也均处于导通状态；
步骤S2：设置液气双通道供液温度上限值T0和下限值T1，控制器接受由第一温度传感器采集到的液气双通道供液温度T2；
步骤S3：控制器比较并判断T2与T0和T1的大小，若T1≤T2≤T0，控制器发出动作调节输出信号控制冷却水泵、内循环泵、风机保持现有运行状态持续运行，系统按默认状态运行；若T2大于T0，则执行步骤S31和S32；若T2小于T1，则执行步骤S33和S34；
S31：控制器发出动作调节输出信号，增大风机的频率，直到将T2降低到小于T0；若将风机频率提高到最大，仍然有T2＞T0，则执行步骤S32；
S32：控制器发出动作调节输出信号，将第二电动三通分流阀流向水源热泵蒸发器的通道打开，同步打开第二电动三通合流阀由水源热泵蒸发器出口流向供液总管的通道，启动水源热泵机组压缩机，同时第三电动三通分流阀流向吸收式制冷机的通道全开，流向采暖末端的通道关闭；
S33：控制器发出动作调节输出信号，降低风机的频率，直到将T2提高至大于T1；若将风机频率降低到最低（即关闭风机），T2仍然小于T1，则执行步骤S34；
S34：控制器发出动作调节输出信号，第二电动三通分流阀流向水源热泵蒸发器的通道打开，同步打开第二电动三通合流阀由水源热泵蒸发器出口流向供液总管的通道，启动水源热泵机组压缩机，同时第三电动三通分流阀流向采暖末端的通道全开，流向吸收式制冷机的通道关闭；同时冷却单元出口和水源热泵冷凝器入口之间旁通管路的电动二通旁通阀同步打开。
本实用新型所提供的控制方法主要通过比较第一温度传感器所测得的液气双通道供液温度T2与系统设置的供液温度上限值T0和下限值T1，根据比较的结果得到冷却单元的冷却效果：若T2在T0和T1范围内，则保持当前的状态即可；若T2大于T0，则说明当前状态下冷却单元不能保证数据中心的自然冷却，因此需要首先增大冷却单元的风机频率，若仍不能将液气双通道供液温度T2控制在T0和T1范围内，则将水源热泵机组加入循环系统中，以减少冷却单元热负荷，同时为冷却单元作温度补偿，保证数据中心的自然冷却，同时启用吸收式制冷机，为数据中心周边的办公、运维、宿舍等辅助建筑供冷；若T2小于T1，则说明当前状态下冷却单元完全能够保证数据中心的自然冷却，为节约能源则可控制降低冷却单元的风机频率，若风机完全关闭状态下T2仍然小于T1，则同样将水源热泵机组加入循环系统中，同时打开电动二通旁通阀，利用冷却单元的冷却液直接输送至水源热泵冷凝器提高水源热泵机组的换热效率，另外启用供暖末端为数据中心周边的办公、运维、宿舍等辅助建筑供暖。
进一步地，还包括步骤S4：控制器接受第二温度传感器采集到的液冷服务器机柜回水温度T3，并与液冷服务器机柜回水温度设定值T4比较，若T3≤T4，则系统保持当前状态运行；若T3＞T4，则执行步骤S41；
S41：控制器发出动作调节输出信号，通过变频器增大内循环泵和冷却水泵频率；并同时增大第一电动三通分流阀流向液冷通道的阀门开度，直到将T3≤T4。
进一步地，还包括步骤S5：控制器接受到第三温度传感器采集到的气冷通道空调末端的回水温度T5，并与空调末端回水温度设定值T6比较，若T5≤T6，则系统保持当前状态运行；若T5>T6，则执行步骤S51；
步骤S51：控制器发出动作调节输出信号，通过变频器增大冷却水泵频率；并同时增大第一电动三通分流阀流向气冷通道的阀门开度，直到将T5≤T6。
进一步地，还包括步骤S6：在需要同时执行步骤S41和S51时，控制器根据实际检测温度与设定值偏差，控制第一电动三通分流阀或第一电动三通合流阀优先加大实际检测温度与设定值偏差较大的通道，同时通过变频器增大内循环泵和冷却水泵的运行频率，使T3≤T4与T5≤T6同时满足。
与现有技术比较，本实用新型的有益效果如下：
（1）本实用新型利用液气双通道致冷技术实现数据中心自然冷却，采用热回收系统回收液气双通道散热量用于为数据中心周边建筑供冷或者采暖，实现数据中心能量合理高效灵活运用；同时具有温度补偿和主动防凝露防冻的作用，确保数据中心实现全年自然冷却散热；
（2）本实用新型采用热回收和液气双通道联合控制方法，实现数据中心全自然冷却散热系统安全可靠运行。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
附图说明：1. 冷却单元；2. 第二电动三通合流阀；3. 冷却水泵；4. 第一温度传感器；5. 第一电动三通分流阀；6. 中间换热器；7. 内循环泵；8. 液冷服务器机柜；9. 第二温度传感器；10. 第一电动三通合流阀；11. 空调末端；12. 第三温度传感器；13. 第二电动三通分流阀；14. 水源热泵蒸发器；15. 水源热泵压缩机；16. 水源热泵冷凝器；17. 节流阀；18. 热源泵；19. 第三电动三通分流阀；20. 吸收式制冷机；21. 采暖末端；22. 第三电动三通合流阀；23. 电动二通旁通阀；24. 控制器。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步详细地说明。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种带热回收/全自然冷却的机房散热系统，包括全自然冷却系统、热回收系统和控制系统；所述全自然冷却系统包括冷却单元1、冷却水泵3、液冷系统和气冷系统，所述液冷系统和气冷系统通过管路并联的方式分别与所述冷却单元1相连；所述热回收系统包括水源热泵机组、热源泵18和用热设备，所述水源热泵机组与所述冷却单元1并联，所述用热设备、热源泵18和水源热泵机组依次连接形成循环回路，所述水源热泵机组包括依次连接呈循环回路的水源热泵蒸发器14、水源热泵压缩机15、水源热泵冷凝器16和节流阀17，所述用热设备包括并联设置的吸收式制冷机20和供暖末端21；所述控制系统用于控制全自然冷却系统和热回收系统的工作。
其中，所述液冷系统包括通过管路依次连接形成第一循环回路的中间换热器6、液冷服务器机柜8和内循环泵7，所述中间换热器6通过管路与所述冷却水泵3和所述冷却单元1依次连接形成第二循环回路，所述第一循环回路和所述第二循环回路在所述中间换热器6中进行换热；所述气冷系统包括空调末端11，所述空调末端11、所述冷却单元1和所述冷却水泵3依次连接形成第三循环回路。
所述液冷系统供液管和气冷系统供液管在并联处设有第一电动三通分流阀5，所述液冷系统供液管和气冷系统供液管的共用部分为供液总管；所述液冷系统回液管和气冷系统回液管在并联处设有第一电动三通合流阀10，所述液冷系统回液管和气冷系统回液管的共用部分为回液总管。所述供液总管设有第二电动三通合流阀2，且所述第二电动三通合流阀2的两个入口分别与水源热泵蒸发器14出口以及所述冷却单元1的出口相连，所述第二电动三通合流阀2的出口与所述第一电动三通分流阀5的入口相连；所述回液总管设有第二电动三通分流阀13，所述第二电动三通分流阀13的入口与所述第一电动三通合流阀10的出口相连，所述第二电动三通分流阀13的两出口分别与水源热泵蒸发器14入口以及冷却单元1的入口相连；所述吸收式制冷机20供液管和供暖末端21供液管在并联处设有第三电动三通分流阀19；所述吸收式制冷机20回液管和供暖末端21回液管在并联处设有第三电动三通合流阀22；所述冷却单元1出口和水源热泵冷凝器16入口之间设有旁通管，旁通管上设有电动二通旁通阀23。冷却单元1的供液总管上设有第一温度传感器4，且处于冷却水泵3和第一电动三通分流阀5之间；液冷通道内循环回液管处设有第二温度传感器9；空调末端11的回液管处安装有第三温度传感器12。
所述控制系统包括控制器24，控制器24设有变频器，变频器分别与冷却水泵3、热源泵18、内循环泵7连接，且所述变频器、电动二通旁通阀23、第一电动三通分流阀5、第一电动三通合流阀10、第二电动三通分流阀13、第二电动三通合流阀2、第三电动三通分流阀19、第三电动三通合流阀22、第一温度传感器4、第二温度传感器9和第三温度传感器12分别与所述控制器24连接。
优选地，中间换热器6优选板式换热器；空调末端11为冷水盘管和机柜级风机墙，或者其它形式的散热末端；冷却单元1为冷却塔或者干冷器；供暖末端21包括暖气片、风机盘管等。
本实施例所提供的机房散热系统的具体工作方式如下：
本散热系统主要通过液冷和气冷两种冷却方式来对机房进行冷却。其中，液冷系统包括热管水冷模块，热管水冷模块与热负载主要发热源紧贴，以液冷形式迅速带走热负载的集中式发热量，实现服务器集中式发热量自然冷却；气冷系统为冷水盘管和机柜级风机墙等散热末端，通过风机，以气冷方式快速将热负载的分散式发热量传递给盘管中的冷却介质，实现机房空气的自然冷却。具体为：冷却单元1中的冷却液由冷却水泵3从供液总管输送至第一电动三通分流阀5，然后分别输送至中间换热器6和空调末端11，冷却液分别在中间换热器6和空调末端11中换热后汇集到第一电动三通合流阀10，然后由回液总管输送至冷却单元1。液冷服务器机柜8中的冷却介质吸收服务器的热量后通过内循环泵7输送着中间换热器6，再在中间换热器6中与冷却液换热降温后重新回到液冷服务器机柜8中，如此循环。
另外，由回液总管回到冷却单元的冷却液一部分通过第二电动三通分流阀13输送至水源热泵机组的水源热泵蒸发器14，经换热后再通过第二电动三通合流阀2输送回供液总管；水源热泵机组将热量输送至用热设备——吸收式制冷机和供暖末端，如此利用水源热泵机组将热量回收使用，如夏季为数据中心周边的办公、运维、宿舍等辅助建筑提供冷量，冬季则可以为数据中心周边的办公、运维、宿舍等辅助建筑供暖。
一种上述的带热回收/全自然冷却的机房散热系统的控制方法，包括以下步骤：
S1：开启机房散热系统，所述机房散热系统开启时处于默认状态：第二电动三通分流阀13流向冷却单元1的通道处于全开状态，流向水源热泵蒸发器14的通道处于关闭状态，第二电动三通合流阀2连接冷却单元1出口的通道处于全开状态，连接水源热泵蒸发器14出口的通道处于关闭状态；电动二通旁通阀23处于关闭状态，水源热泵机组不启动工作；第一电动三通分流阀5流向空调末端11和中间换热器6的通道均处于导通状态，第一电动三通合流阀10的通道也均处于导通状态；
步骤S2：设置液气双通道供液温度上限值T0和下限值T1，控制器24接受由第一温度传感器4采集到的液气双通道供液温度T2；
步骤S3：控制器24比较并判断T2与T0和T1的大小，若T1≤T2≤T0，控制器24发出动作调节输出信号控制冷却水泵3、内循环泵7、风机保持现有运行状态持续运行，系统按默认状态运行；若T2大于T0，则执行步骤S31和S32；若T2小于T1，则执行步骤S33和S34；
S31：控制器24发出动作调节输出信号，增大风机的频率，直到将T2降低到小于T0；若将风机频率提高到最大，仍然有T2＞T0，则执行步骤S32；
S32：控制器24发出动作调节输出信号，将第二电动三通分流阀13流向水源热泵蒸发器14的通道打开，同步打开第二电动三通合流阀2由水源热泵蒸发器14出口流向供液总管的通道，启动水源热泵压缩机15，同时第三电动三通分流阀19流向吸收式制冷机20的通道全开，流向采暖末端21的通道关闭；
S33：控制器24发出动作调节输出信号，降低风机的频率，直到将T2提高至大于T1；若将风机频率降低到最低（即关闭风机），T2仍然小于T1，则执行步骤S34；
S34：控制器24发出动作调节输出信号，第二电动三通分流阀13流向水源热泵蒸发器14的通道打开，同步打开第二电动三通合流阀2由水源热泵蒸发器14出口流向供液总管的通道，启动水源热泵压缩机15，同时第三电动三通分流阀流19向采暖末端21的通道全开，流向吸收式制冷机20的通道关闭；同时冷却单元1出口和水源热泵冷凝器16入口之间旁通管路的电动二通旁通阀23同步打开。
进一步地，还包括步骤S4：控制器24接受第二温度传感器9采集到的液冷服务器机柜回水温度T3，并与液冷服务器机柜回水温度设定值T4比较，若T3≤T4，则系统保持当前状态运行；若T3＞T4，则执行步骤S41；
S41：控制器24发出动作调节输出信号，通过变频器增大内循环泵7和冷却水泵3频率；并同时增大第一电动三通分流阀5流向液冷通道的阀门开度，直到将T3≤T4。
进一步地，还包括步骤S5：控制器接受到第三温度传感器12采集到的气冷通道空调末端的回水温度T5，并与空调末端11回水温度设定值T6比较，若T5≤T6，则系统保持当前状态运行；若T5>T6，则执行步骤S51；
步骤S51：控制器24发出动作调节输出信号，通过变频器增大冷却水泵3频率；并同时增大第一电动三通分流阀5流向气冷通道的阀门开度，直到将T5≤T6。
进一步地，还包括步骤S6：在需要同时执行步骤S41和S51时，控制器24根据实际检测温度与设定值偏差，控制第一电动三通分流阀5或第一电动三通合流阀10优先加大实际检测温度与设定值偏差较大的通道，同时通过变频器增大内循环泵7和冷却水泵3的运行频率，使T3≤T4与T5≤T6同时满足。