一种针对小微型数据中心余热回收利用的太阳能集热系统

1.本发明涉及太阳能集热装置技术领域，特别是涉及一种针对小微型数据中心余热回收利用的太阳能集热系统。


背景技术：

2.伴随数字经济的迅猛发展，全球各国正在大举兴建数字中心，能耗呈指数级增长。随着科技发展，未来无人汽车、物联网和医疗设备数量的增长，这势必会需要更多的数据中心。数据中心的发展不可估量，如今数据中心的排放量已经超过航空业，而航空业已经被监管部门进行严格监管。因此，不久之后数据中心也会被列入重点监管行列，只注重经济效益显然是行不通的，数据中心的余热再利用应该引起注意；
3.当前全球数据中心的耗电量约占总量的3％，数据中心成本的82％用于能源传输和冷却，预计到2025年，数据中心总耗电量将达1000twh以上，节能减排和降低运营成本面临巨大挑战。
4.在某些工业余热的场景中能发挥用场，业内通常使用的有机朗肯循环余热回收方法，需要大量设备和巨大场地，成本投入大，回收周期长。但是，小微型数据中心产生的余热热能品位较低，有机朗肯循环余热回收方法无法提供产品化思路，由于成本原因无法适用。
5.为了能够环保、持久、低能耗地处理数据中心的余热，为此我们提出一种针对小微型数据中心余热回收利用的太阳能集热系统。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种针对小微型数据中心余热回收利用的太阳能集热系统。
7.为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：
8.提供一种针对小微型数据中心余热回收利用的太阳能集热器，包括表面涂覆了太阳能吸热涂层的集热板；该太阳能集热器的主体为一箱体，其上部的敞口以透明的集热器盖板封闭；所述集热板横向安装在箱体中部，并将箱体分隔为上下两个独立空间；进气管接入上隔间的上部，出气管接入下隔间的下部；在集热板上均匀布设多个贯通的孔洞，作为气体由上隔间至下隔间流动的通道；紧贴集热板下侧表面设有多根平行的换热管，并在端部以u形管连通构成往复折返的换热通道；换热通道的两端分别连接进水管和出水管，且换热通道中的水流方向与箱体中的气体流动方向相反。
9.作为优选方案，所述出气管上设有引风机。选用cy180离心式引风机。
10.作为优选方案，所述箱体底部设有固定结构和支架。支架可选为不锈钢材质。
11.作为优选方案，所述箱体内部底面设有保温层。
12.作为优选方案，所述保温层是橡塑保温板，可选择与箱体底板保持平行的安装方式。
13.作为优选方案，所述集热器盖板为pc透明材质，且其截面呈曲面形状。
14.作为优选方案，所述集热板具有折线状起伏形状的翅片结构，且以其较长边作为朝向太阳的主吸热面。
15.作为优选方案，所述集热板表面的太阳能吸热涂层是金属陶瓷纳米基体太阳能吸热涂层。
16.作为优选方案，所述箱体的前侧板高度要低于后侧板高度，使集热器盖板具有前低后高的倾斜角度，所述集热板具有与集热器盖板相近的倾斜角度。
17.本发明进一步提供了一种针对小微型数据中心余热回收利用的太阳能集热系统，包括前述的太阳能集热器；太阳能集热器通过气体输送管路连接位于数据中心的空气压缩机，空气压缩机排放的热空气被送至太阳能集热器的进气管；在该气体输送管路上设有支路，支路接至空气源热泵；太阳能集热器的出水口接至储热罐，出气管接至暖排通道。
18.与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：
19.本发明基于数据中心特点，通过将其排放的大量低品位热风转化为较高品位的热风，以达到为建筑供暖和加热生活用水的目的，从而降低建筑本身的供热能耗，以达到节能减排的目的。
附图说明
20.图1为本发明的整体结构示意图；
21.图2为本发明的侧视结构示意图；
22.图3为本发明的图1中a处的放大结构示意图；
23.图4为本发明的工作流程结构示意图；
24.其中：1集热器盖板；2引风机；3出气管；4进气管；5箱体；6集热板；7固定结构；8保温层；9进水口；10出水口。11数据中心；12空气源热泵；13空气压缩机；14第一阀门；15第二阀门；16储热罐；17暖排通道；18太阳能集热器；19进水；20出水管；21气体输送管道。
具体实施方式
25.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
26.针对小微型数据中心余热回收利用的太阳能集热器18如图1
‑
3所示，该太阳能集热器18的主体为一箱体5，其上部的敞口以透明的集热器盖板1封闭；箱体5内部底面设有用作保温层8的橡塑保温板，箱体5的底部设有固定结构7和用于支撑的不锈钢支架。集热器盖板1为pc透明材质，且其截面呈曲面形状。箱体5的前侧板高度要低于后侧板高度，使集热器盖板1具有前低后高的倾斜角度，集热板6具有与集热器盖板相近的倾斜角度。集热板6具有折线状起伏形状的翅片结构，且以其较长边作为朝向太阳的主吸热面；集热板6的表面涂覆了金属陶瓷纳米基体太阳能吸热涂层。
27.集热板6横向安装在箱体5的中部，并将箱体5分隔为上下两个独立空间；进气管4接入上隔间的上部，出气管3接入下隔间的下部，出气管3上设有引风机。在集热板6上均匀
布设多个贯通的孔洞，作为气体由上隔间至下隔间流动的通道；紧贴集热板3下侧表面设有多根平行的换热管，并在端部以u形管连通构成往复折返的换热通道；换热通道两端的进水口9和出水口10分别连接进水管19和出水管20，且换热通道中的水流方向与箱体中的气体流动方向相反。
28.针对小微型数据中心余热回收利用的太阳能集热系统如图4所示。太阳能集热器18通过气体输送管路21连接位于数据中心11的空气压缩机13，空气压缩机13排放的热空气被送至太阳能集热器的进气管4；在该气体输送管路21上设有支路，支路接至空气源热泵12；太阳能集热器18的出水口10通过出水管20接至储热罐16，出气管3经引风机2接至暖排通道17。空气压缩机13出口端的气体输送管路21上设有第一阀门14，在接至空气源热泵12的支路上设有第二阀门15。
29.作为优选方案，本发明中：
30.集热器盖板1可选为pc透明盖板，比现有的平板式钢化玻璃盖板损失的热量更少，有利于提高出口热气温度和整体集热效率。集热器盖板1曲面型设计与倾斜角度安装的集热板6更加匹配，有利于提高单位建筑面积内的采光面积。同时，曲面结构可以使太阳能集热系统对太阳辐射角度变化后的适应能力更强。
31.表面涂覆有金属陶瓷纳米基体太阳能吸热涂层的集热板6，具有高效固定太阳能的作用。空气首先进入集热板6上方的腔体，然后自上而下地穿过集热板6上的密布小孔，可以减少热气与集热器盖板1的对流换热所造成的热损失。折线状起伏形状的翅片结构的设计又可以强化热气与集热板6的对流换热，有利于提高集热效率。
32.通过将保温层8设置成橡塑保温板，可以削弱传热的作用，有利于减少太阳能集热系统主体底端的热量损失，从而提高集热效率。
33.换热管之间采用u形管进行连接，可以达到一管通水，多管有水的效果。当供水源具有高度差时，可利用水流自上而下的流动不需要额外的动力引水出流，只需要调节进水口9的流速即可。该设计有利于根据实际场地的面积进行调整，便于实现多个太阳能集热系统的组装，降低产品成本，提高集热效率。
34.太阳能集热器18的后端支架为不锈钢材质，有利于增加其使用寿命。将引风机2选型为cy180离心式引风机，功率更大，耗电更少，有利于节能减排。
35.运行方式说明：
36.本发明的太阳能集热系统在运行过程中有两个热源，分别为太阳辐射能源和数据中心11的空气压缩机13排放的热空气，均为低品位热源。太阳能集热系统集热后的热排方式由环境温度、太阳辐射强度、建筑供热需求、管排热风的温度和流量决定。
37.例如，在夏季的白天，数据中心制冷系统高功率运转，热风流量以及温度达到峰值。此时在进水管19、换热通道和出水管20中流通常温水，使水在太阳能集热器18内部开始循环流动，提供相对的液相冷源。集热板6高效的吸收了太阳辐射后温度提升，通过热传导将其吸收自太阳能的热能传递到集热器盖板1背部的换热通道，对液相冷源进行加热。同时，由进气管4引入来自数据中心11的热空气，由集热板6上均匀布设的多个贯通孔洞强化对流后，将集热板6上方热空气携带的热量再与换热通道中的液相冷源进行对流传热，以进一步提升水温。完成换热后，通过出水管20将热水送到蓄热罐中，用作生活热水。
38.在室内需要大量暖气的冬天，可关闭进水管19上的发明，使太阳能集热器18专注
于热空气的回收集热。虽然是在冬季，但是数据中心11的机柜散热仍需要制冷空调的持续运转。但此时外界气温过低，如果通过气体输送管路21直接将热空气送至太阳能集热器18，势必导致大量的热量损失。因此，可以打开第二阀门15，通过支路将部分热空气送至空气能热泵12，通过该方式降低空气能热泵12的运转能耗。此时，太阳能集热器18接收的是降温后的室温空气。当用户需要热风时作为供热来源时，启动引风机2，使热空气在集热板6换热后再通过暖排通道17向室内提供暖气，达到类似于太阳墙的供暖功能。
39.本发明基于数据中心特点，通过上述方式将其排放的大量低品位热风转化为较高品位的热风以及热水，以达到为建筑供暖和供热水的目的，从而降低建筑本身的供热能耗，达成节能减排。
40.申请人通过针对浙江某地多个小微型数据中心采用本发明所述余热回收工艺，其平均运行功率大约为378w左右。在进行数据监测并进行计算所得的最终结果显示：通过本发明的运用，每个小微型数据中心每年共节省电量12171.5kwh，折合电费约8398.3元(以电价0.69元/度计)。取使用1度电折算标准煤排放系数为0.4(kg)，使用1度电折算二氧化碳排放系数为0.997(kg)，计算得到每年节约标煤量4.87
×
103kg，减少二氧化碳排放量1.21
×
104kg。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。