一种可用于数据机房的多功能联供型一体化空调机组的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种集成制冷、制备高温热水、制备低温热水等多功能于一体的联供型空调机组，主要由压缩机1、高温热回收装置2、低温热回收装置3、干燥过滤器4、节流阀5、蒸发器6、气液分离器7、蓄热水箱8、板式换热器9、冷却塔12、热水循环泵13、循环泵14、冷却水泵15、冷冻水泵16、冷冻水出水口17、冷冻水进水口18、低温热水出水口19、低温热水进水口20、高温热水出水口21以及蓄热水箱补水口22所组成，它们之间通过管道连接，利用阀门进行切换和调节。本发明利用高（低）温热回收装置，以制冷循环的废热为热源，通过热量回收承担用户热负荷；此外，还可实现“免费供冷”；对于数据机房等需要常年供冷的空调用户，具有良好的应用适宜性。
【专利说明】一种可用于数据机房的多功能联供型一体化空调机组
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种集成制冷、制备高温热水、制备低温热水等多功能于一体的联供型空调机组，利用高(低)温热回收装置，以制冷循环的废热为热源，通过热量回收承担用户热负荷；此外，本发明还可实现冷却塔“免费供冷”。本发明所提出的一体化空调机组可用于常年供冷的空调用户，对于大型数据机房、通信机房、IDC机房，具有良好的应用适宜性。
【背景技术】
[0002]随着现代城市的不断发展，社会的电力需求负荷急剧增长，能源紧缺的现状与经济高速发展之间的矛盾日益突出，如何缓解该矛盾成为一个亟待解决的重要问题。
[0003]随着社会信息化水平逐渐提高，大型数据中心已渗透到各行各业，其高能耗问题已越来越被人们所关注。机房设备散热量很大,散湿量小,负荷强度高,大型数据中心机房负荷强度超过400W/m2;得热量中，主要来自运行服务器所产生的热量，显热比较高，空气处理过程接近等湿冷却的干式降温过程。数据中心机房冬季仍需供冷，负荷率变化不大，属于典型的全年供冷建筑。特别是，空调系统冷凝侧向室外环境排放大量废热，造成热量的严重浪费，若能够将此部分低品位热能加以合理利用，有利于缓解“温室效应”和“城市热岛效应”，符合国家“节能减排”和“能源合理梯级利用”的方针政策。
[0004]目前，数据机房普遍采用机房空调实现降温除湿，机房空调室内机及辅助冷源往往独立设置，占用了机房内有限的空间，同时也增加了设备投资成本及工艺的复杂性。若能够将冷水机组、水泵、阀门、仪表等装置集成于一体，组成一体化空调机组，可缩小空调系统体积，最大限度降低安装工程量；此外，集中制取冷量可明显提高制冷能效，在冷源侧通过热量回收装置制取热量，机组能效可达10.0，节能效益显著。
【发明内容】
[0005]针对当前大型数据中心机房空调系统制冷能耗高、废热排放量大以及热泵机组冬季蒸发温度低所导致的制热能耗高等现状，本发明提出一种“多功能联供型一体化空调机组”，通过设置高(低)温热回收装置，最大限度回收制冷循环产生的废热，作为热用户的热源。本发明将冷水机组、热回收装置、水泵、蓄热水箱、阀门、仪表等装置集成于一体，组成一体化空调机组，在缩小空调系统体积，最大限度降低安装工程量的同时，有效降低了设备投资以及工艺复杂性，提高了机组的能效水平。
[0006]本发明所提出的“多功能联供型一体化空调机组”，不局限于数据机房，对于IDC机房、通信机房等需要常年供冷的建筑，也同样适用。特别是，若将本发明应用于工业园区数据机房集中供冷项目中，将会展现出更大的节能潜力。
[0007]本发明所提出的“一体化空调机组”可实现“纯制冷”(无热回收)、“全热回收”、“部分热回收”以及“免费供冷”等多种运行模式，在全热回收模式中，制冷循环的废热被回收后全部用于承担用户的热负荷，实现了热量的高效梯级利用，机组能效可达到10.0，大大降低了系统的运行费用，节能效益和经济效益显著。此外，本发明还可实现冷却塔“免费供冷”， 在室外湿球温度较低时，无需开启压缩机，实现“零能耗供冷”。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]附图1多功能联供型一体化空调机组结构示意图
[0009]附图2夏季工况系统原理图
[0010]附图3冬季工况系统原理图
[0011]附图4 “免费供冷”原理图
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图1?附图4对本发明作进一步的详细说明。
[0013]附图1为本发明空调机组的结构示意图，主要由压缩机1、高温热回收装置2、低温热回收装置3、干燥过滤器4、节流阀5、蒸发器6、气液分离器7、蓄热水箱8、板式换热器9、冷却塔12、热水循环泵13、循环泵14、冷却水泵15、冷冻水泵16、冷冻水出水口 17、冷冻水进水口 18、低温热水出水口 19、低温热水进水口 20、高温热水出水口 21以及蓄热水箱补水口 22所组成，它们之间通过管道连接，利用阀门进行切换和调节。
[0014]附图2为夏季工况系统原理图，主要由“纯制冷”、“制冷+制高温热水”以及“制冷+制高温热水+冷却塔散热”三种运行模式所组成。
[0015](I)无热回收(纯制冷模式)
[0016]当保温水箱的温度和水位达到用户设定参数时，不再对蓄热水箱8继续加热，高温热回收装置2和水泵13停止工作。该运行模式下，水泵14和水泵16开启，阀门2，3,8,9, 12，13，14，15开启，阀门1,4, 5，6，7关闭，低温热回收装置3相当于机组的冷凝器，冷却水在冷却塔12的作用下实现冷却。
[0017]制冷剂流程:低压气态制冷剂在压缩机I中被压缩为高温高压液体，高温高压液态制冷剂经过阀门3、阀门2流入低温热回收装置3，放热冷凝为低温高压液态制冷剂，随后流入干燥过滤器4 (过滤杂质及水滴以防节流过程出现“冰堵”)，经过节流阀5降温降压后的低温低压液态制冷剂流入蒸发器6，吸热蒸发成为低温低压气态制冷剂，流经气液分离器7 (分离低压蒸汽中的液滴，防止压缩机出现“湿压缩”)后返回压缩机1，完成制冷循环。
[0018]冷冻水流程:冷冻水用户10的冷冻水回水在循环泵16的作用下，流经阀门8，进入蒸发器6降温后，经过阀门9和三通阀20，流回冷冻水用户10。运行期间，可根据冷冻水用户10的冷负荷变化，调节三通阀20的开度从而间接控制用户10的供水温度，保证冷冻水用户的冷量需求。
[0019]冷却水流程:流出低温热回收装置3的高温冷却水，流经阀门12、阀门13，在冷却塔12中被冷却，降温后的冷却水经过阀门14、阀门15，在循环泵14的作用下，完成循环，流回低温热回收装置3。
[0020](2)全热回收(制冷+制高温热水模式)
[0021]当保温水箱的温度或水位未达到用户设定值且高温高压液态制冷剂可被高温热回收装置2完全冷却至设定参数值时，机组仅对蓄热水箱8中的水进行加热，高温热回收装置2正常工作；该运行模式下，水泵13和水泵16开启，水泵14和冷却塔12停止工作，阀门
1,4,5,6, 7，8，9 开启，阀门 2，3，12，13，14，15 关闭。[0022]制冷剂流程:高温高压液态制冷剂被高温热回收装置2冷却至设定参数值，制冷剂可不经过低温热回收装置3，通过旁通阀门4直接流入干燥过滤器4，其余流程与“纯制冷模式”相同。
[0023]冷冻水流程:与“纯制冷模式”的流程相同。
[0024]高温热水流程:蓄热水箱8中的热水在热水循环泵13的作用下，流经阀门6，进入高温热回收装置2，吸收制冷循环的废热后经过阀门5流回蓄热水箱8。
[0025](3)部分热回收(制冷+制高温热水+冷却塔散热模式)
[0026]当保温水箱的温度或水位未达到用户设定值，且制冷剂未能被高温热回收装置2完全冷却至设定参数值时，制冷剂需经过高温热回收装置2与蓄热水箱回水换热后，再进入低温热回收器3被二次冷却。该运行模式下，开启冷却塔12、水泵13、水泵14和水泵16，阀门 1,2, 5,6, 7,8,9, 12，13，14，15 开启，阀门 3，4 关闭。
[0027]制冷剂流程:高温高压液态制冷剂被高温热回收装置2冷却后，经过低温热回收装置3进行二次冷却，之后再流入干燥过滤器4，其余流程与“纯制冷模式”相同。
[0028]冷冻水流程:与“纯制冷模式”的流程相同。
[0029]高温热水流程:与“制冷+制高温热水模式”的流程相同。
[0030]冷却水流程:与“纯制冷模式”的流程相同。
[0031]附图3为冬季工况系统原理图，主要由“制冷+制高温热水+制低温热水模式”、“制冷+制高温热水模式”、“制冷+制低温热水模式”、“制冷+制高温热水+冷却塔散热模式”、“制冷+制低温热水+冷却塔散热模式”、“制冷+制高温热水+制低温热水+冷却塔散热模式”所组成(共6种)。
[0032](I)全热回收(制冷+制低温热水+制高温热水模式)
[0033]当保温水箱的温度或水位未达到用户设定值，且低温热水用户存在供热需求时，高温热回收装置2和低温热回收装置3同时工作，作为制冷循环的冷凝侧，分别制取高温热水和低温热水。该运行模式下，水泵13、水泵14和水泵16同时工作，冷却塔12不运行；阀门 1,2, 5,6, 7,8,9, 12，15，16，17 开启，阀门 3,4, 13，14 关闭。
[0034]制冷剂流程:高温高压液态制冷剂被高温热回收装置2冷却后，经过低温热回收装置3进行二次冷却，之后再流入干燥过滤器4，其余流程与“纯制冷模式”相同。
[0035]冷冻水流程:与“纯制冷模式”的流程相同。
[0036]高温热水流程:蓄热水箱8中的热水在热水循环泵13的作用下，流经阀门6，进入高温热回收装置2，吸收制冷循环的废热后经过阀门5流回蓄热水箱8。
[0037]低温热水流程:低温热水用户11的热水回水在循环泵14的作用下，流经阀门17和阀门15，进入低温热回收装置3吸热后，经过阀门12和阀门16，流回低温热水用户11。
[0038](2)全热回收(制冷+制高温热水模式)
[0039]当保温水箱的温度或水位未达到用户设定值，低温热水用户11无供热需求，且高温热回收装置2的制冷剂出口温度达到设计工况时，仅将高温热回收装置2作为制冷循环的冷凝侧即可，制冷循环产生的废热全部在高温热回收装置2中被回收。该运行模式下，水泵13和水泵16同时工作，冷却塔12不运行；阀门1，4，5,6, 7，8，9开启，阀门
3,4,12，13，14，15，16，17 关闭。
[0040]制冷剂流程:高温高压液态制冷剂被高温热回收装置2冷却后，通过阀门4直接流入干燥过滤器4，其余流程与“纯制冷模式”相同。
[0041]冷冻水流程:与“纯制冷模式”的流程相同。
[0042]高温热水流程:蓄热水箱8中的热水在热水循环泵13的作用下，流经阀门6，进入高温热回收装置2，吸收制冷循环的废热后经过阀门5流回蓄热水箱8。
[0043](3)全热回收(制冷+制低温热水模式)
[0044]当保温水箱的温度或水位已达到用户设定值，低温热水用户11存在供热需求，且低温热水用户11的热负荷需求超过制冷剂在高温热回收装置2的放热能力时，仅将低温热水用户11作为制冷循环的冷凝侧即可，冷却塔12不运行，制冷循环产生的废热全部用于承担低温热水用户11的热负荷。该运行模式下，水泵14和水泵16同时工作，冷却塔12不运行；阀门 2，3,8,9, 12，15，16，17 开启，阀门 1,4, 5,6, 7，13，14 关闭。
[0045]制冷剂流程:高温高压液态制冷剂经过阀门3、阀门2进入低温热回收装置3被冷却，之后流入干燥过滤器4，其余流程与“纯制冷模式”相同。
[0046]冷冻水流程:与“纯制冷模式”的流程相同。
[0047]低温热水流程:低温热水用户11的热水回水在循环泵14的作用下，流经阀门17和阀门15，进入低温热回收装置3吸热后，经过阀门12和阀门16，流回低温热水用户11。
[0048](4)部分热回收(制冷+制高温热水+冷却塔散热模式)
[0049]当保温水箱的温度或水位未达到用户设定值且低温热水用户11无供热需求时，若高温热回收装置2的制冷剂出口温度未达到设计工况，则高温热回收装置2和低温热回收装置3同时工作。该运行模式下，水泵13、水泵14和水泵16均开启；阀门1,2, 5,6, 7,8,9, 12，13，14，15 开启，阀门 3,4, 16，17 关闭。
[0050]制冷剂流程:高温高压液态制冷剂被高温热回收装置2冷却后，流经低温热回收装置3进行二次冷却，之后流入干燥过滤器4，其余流程与“纯制冷模式”相同。
[0051]冷冻水流程:与“纯制冷模式”的流程相同。
[0052]高温热水流程:蓄热水箱8中的热水在热水循环泵13的作用下，流经阀门6，进入高温热回收装置2，吸收制冷循环的废热后经过阀门5流回蓄热水箱8。
[0053]冷却水流程:流出低温热回收装置3的高温冷却水，流经阀门12、阀门13，在冷却塔12中被冷却，降温后的冷却水经过阀门14、阀门15，在冷却水循环泵14的作用下，完成循环，流回低温热回收装置3。
[0054](5)部分热回收(制冷+制低温热水+冷却塔散热模式)
[0055]当保温水箱的温度和水位已达到用户设定值且低温热水用户11有供热需求时，高温热回收装置2不工作，低温热回收装置3工作，若低温热回收装置3的制冷剂出口温度未达到设计工况，需要开启冷却塔12进一步降低冷凝温度。该运行模式下，水泵14和水泵16开启，水泵13关闭；阀门2，3,8,9, 12，13，14，15，16，17开启，阀门1,4, 5，6，7关闭。
[0056]制冷剂流程:高温高压液态制冷剂经过阀门3旁通流入低温热回收装置3进行冷却，之后再流入干燥过滤器4，其余流程与“纯制冷模式”相同。
[0057]冷冻水流程:与“纯制冷模式”的流程相同。
[0058]低温热水流程:低温热水用户11的热水回水在循环泵14的作用下，流经阀门17和阀门15，进入低温热回收装置3吸热后，经过阀门12和阀门16，流回低温热水用户11。
[0059]冷却水流程:流出低温热回收装置3的高温冷却水，流经阀门12、三通阀21和阀门13，在冷却塔12中被冷却，降温后的冷却水经过阀门14、阀门15，在冷却水循环泵14的作用下，完成循环，流回低温热回收装置3。通过调节三通阀21的开度，控制低温热水用户11供水温度和机组冷凝温度，保证低温热水用户的供暖需求和机组安全高效运行。
[0060](6)部分热回收(制冷+制低温热水+制高温热水+冷却塔散热模式)
[0061]当保温水箱的温度或水位未达到用户设定值且低温热水用户11有供热需求时，高温热回收装置2和低温热回收装置3同时工作，若低温热回收装置3的制冷剂出口温度未达到设计工况，需要开启冷却塔12进一步降低冷凝温度。该运行模式下，水泵13、水泵14、水泵16和冷却塔12均处于运行状态，阀门I, 2，5，6，7，8，9，12，13，14，15，16，17开启，阀门3，4关闭。
[0062]制冷剂流程:高温高压液态制冷剂被高温热回收装置2冷却后，经过低温热回收装置3进行二次冷却，之后再流入干燥过滤器4，其余流程与“纯制冷模式”相同。
[0063]冷冻水流程:与“纯制冷模式”的流程相同。
[0064]高温热水流程:蓄热水箱8中的热水在热水循环泵13的作用下，流经阀门6，进入高温热回收装置2，吸收制冷循环的废热后经过阀门5流回蓄热水箱8。
[0065]低温热水流程:低温热水用户11的热水回水在循环泵14的作用下，流经阀门17和阀门15，进入低温热回收装置3吸热后，经过阀门12和阀门16，流回低温热水用户11。
[0066]冷却水流程:流出低温热回收装置3的高温冷却水，流经阀门12、三通阀21和阀门13，在冷却塔12中被冷却，降温后的冷却水经过阀门14、阀门15，在冷却水循环泵14的作用下，完成循环，流回低温热回收装置3。通过调节三通阀21的开度，控制低温热水用户11供水温度和机组冷凝温度，保证低温热水用户的供暖需求和机组安全高效运行。
[0067]附图4为冷却塔“免费供冷”原理图，当室外湿球温度较低时，本发明以经过冷却塔降温后的低温冷却水作为冷冻水用户10的冷源，该运行模式下，系统无需开启压缩机，实现零能耗“免费供冷”。
[0068]冷冻水流程:冷冻水用户10的冷冻水回水在水泵16的作用下，流经阀门10进入板式换热器9，与经冷却塔散热后的低温冷却水换热，降温后经过阀门11、三通阀20流回冷冻水用户10。运行期间，可根据冷冻水用户冷负荷变化，调节三通阀20的开度从而间接控制用户10的供水温度，保证冷冻水用户的冷量需求。
[0069]冷却水流程:板式换热器9的高温冷却水流经阀门18，进入冷却塔被冷却降温，在循环泵15的作用下，经过阀门14和阀门19，流回板式换热器9，作为“免费供冷”的冷源。
[0070]本发明中机组的配置可根据用户实际采用的冷却塔配置情况进行调整，当冷却塔12采用开式冷却塔时，需要配置板式换热器9，通过间接换热，实现“免费供冷”;若冷却塔12采用闭式冷却塔，则无需配置板式换热器9，将低温冷却水直接输送至冷冻水用户10，即可满足用户10的供冷需求。
[0071]相比于现有技术，本发明具有以下优势
[0072](I)本发明采用热回收技术，通过设置高(低)温热回收装置，实现废热的梯级回收利用，有效提升制冷机组的能效水平；特别是，若制冷循环的废热全部被回收并加以利用，机组的能效可达到10.0以上，节能效果显著。
[0073](2)夏季，本发明可实现“纯制冷模式”、“制冷+制高温热水模式”以及“制冷+制高温热水+冷却塔散热模式”，高温高压液态制冷剂在高温热回收装置中被冷却，热量被回收后作为高温热水的热源；本发明中所提出的“高温热水用户”，可以为生活热水用户、工业热水用户等多种形式。
[0074](3)冬季，本发明可实现“制冷+制高温热水+制低温热水模式”、“制冷+制高温热水模式”、“制冷+制低温热水模式”、“制冷+制高温热水+冷却塔散热模式”、“制冷+制低温热水+冷却塔散热模式”、“制冷+制高温热水+制低温热水+冷却塔散热模式”;本发明中所提出的“低温热水用户”，可以是冬季空调供暖用户，也可以是具有低品位热能需求的其他类型用户。
[0075](4)当室外湿球温度较低时，本发明以经过冷却塔降温后的低温冷却水作为冷源，系统无需开启压缩机，实现零能耗“免费供冷”。
[0076](5)本发明将冷水机组、热回收装置、冷却塔、水泵、蓄热水箱、阀门、仪表等装置集成于一体，组成一体化空调机组，在缩小空调系统体积，最大限度降低安装工程量的同时，有效降低了设备投资以及工艺复杂性，提高了机组的能效水平。
[0077](6)本发明所提出的“多功能联供型一体化空调机组”，不局限于数据机房，对于IDC机房、通信机房等需要常年供冷的建筑，也同样适用。特别是，若将本发明应用于工业园区数据机房集中供冷项目中，将会展现出更大的节能潜力。
[0078](7)将本发明所提出的“一体化空调机组”作为数据机房的集中冷源，末端冷冻水用户可以是组合式空调机组、水冷式精密空调机等多种形式；通过废热的集中回收与梯级利用，节能潜力巨大，经济效益明显，有利于缓解“温室效应”和“城市热岛效应”，符合国家“节能减排”和“能源合理梯级利用”的方针政策。
【权利要求】
1.本发明公开一种集成制冷、制备高温热水、制备低温热水等多功能于一体的联供型空调机组，主要由压缩机1、高温热回收装置2、低温热回收装置3、干燥过滤器4、节流阀5、蒸发器6、气液分离器7、蓄热水箱8、板式换热器9、冷却塔12、热水循环泵13、循环泵14、冷却水泵15、冷冻水泵16、冷冻水出水口 17、冷冻水进水口 18、低温热水出水口 19、低温热水进水口 20、高温热水出水口 21以及蓄热水箱补水口 22所组成，它们之间通过管道连接，利用阀门进行切换和调节。
2.本发明具有以下特征: (1)本发明将冷水机组、高(低)温热回收装置、冷却塔、水泵、蓄热水箱、板式换热器、阀门、仪表等装置集成于一体，组成一体化空调机组，在缩小空调系统体积，最大限度降低安装工程量的同时，有效降低了设备投资以及工艺复杂性，提高了机组的能效水平。为方便用户对运行模式进行切换，一体化空调机组内所设置的阀门均应采用电动阀门。 (2)一体化空调机组内各设备部件之间通过管道连接，宜采用传热性能良好的铜管；考虑到冬季冷却塔仍需运行，为了防止出现冻结，冬季冷却塔的冷却液应采用防冻液。 (3)夏季，本发明可实现“纯制冷模式”、“制冷+制高温热水模式”以及“制冷+制高温热水+冷却塔散热模式”，高温高压液态制冷剂在高温热回收装置中被冷却，热量被回收后作为高温热水的热源；本发明中所提出的“高温热水用户”，可以为生活热水用户、工业热水用户等多种形式。 (4)冬季，本发明可实现“制冷+制高温热水+制低温热水模式”、“制冷+制高温热水模式”、“制冷+制低温热水模式”、“制冷+制高温热水+冷却塔散热模式”、“制冷+制低温热水+冷却塔散热模式”、“制冷+制高温热水+制低温热水+冷却塔散热模式”;本发明中所提出的“低温热水用户”，可以是冬季空调供暖用户，也可以是具有低品位热能需求的其他类型用户。 (5)当室外湿球温度较低时，本发明以经过冷却塔降温后的低温冷却水作为冷源，系统无需开启压缩机，实现零能耗“免费供冷”。 (6)将本发明所提出的“一体化空调机组”作为数据机房的集中冷源，末端冷冻水用户可以是组合式空调机组、水冷式精密空调机等多种形式；本发明所提出的“多功能联供型一体化空调机组”，不局限于数据机房，对于IDC机房、通信机房等需要常年供冷的建筑，也同样适用。特别是，若将本发明应用于工业园区数据机房集中供冷项目中，将会展现出更大的节能潜力。 (7)本发明中机组的配置可根据用户实际采用的冷却塔配置情况进行调整，当冷却塔12采用开式冷却塔时，需要配置板式换热器9，通过间接换热，实现“免费供冷”;若冷却塔12采用闭式冷却塔，则无需配置板式换热器9，将低温冷却水直接输送至冷冻水用户10，即可满足用户10的供冷需求。根据冷却塔形式及冷却液种类，确定板式换热器9的材质(若采用防冻液，则应选择防腐材质)。
【文档编号】F24F13/30GK103940145SQ201410154828
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】卢军, 杨柳, 张少良 申请人:重庆大学