一种可用于数据机房的多能互补复合型热泵空调系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种多能互补复合型热泵空调系统，主要由高温冷源1（可为常规冷水机组、热泵机组、蒸汽型溴化锂吸收式机组、热水型溴化锂吸收式机组、蒸发冷却空调等）、热泵机组2、分水器3、集水器4、数据机房用户5（单体建筑对应水冷空调机/区域建筑对应各数据中心机房板式换热器）、冷却装置6（可为冷却塔、热源塔等）、常规空调用户7、板式换热器8、蓄冷槽9、冷水一次泵10、循环泵11、冷却水泵12、常规空调用户侧水泵13以及二次泵14所组成。夏季，高温冷源与热泵机组独立运行；冬季，二者联合为数据机房供冷，热泵机组同时作为常规空调用户的热源；过渡季节可实现“免费供冷”。通过设置蓄冷槽，对冷量“削峰填谷”，最大限度实现节能。
【专利说明】 一种可用于数据机房的多能互补复合型热泵空调系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多能互补复合型热泵空调系统。夏季，高温冷源与热泵机组分别独立运行；冬季，高温冷源与热泵机组联合运行，共同作为数据机房的冷源，热泵机组冷凝侧同时为常规空调用户供热；过渡季节本发明还可实现冷却塔“免费供冷”。此外，本发明在数据机房侧设置蓄冷槽，对复合型热泵空调系统中的冷量“削峰填谷”，最大限度利用低品位热能。
【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，冬季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，将会取得显著的节能效果。
[0004]对于利用热泵冬季制热的空调系统，热泵机组蒸发器侧的热源温度对机组制热性能COP具有重要影响，蒸发温度每降低I °C，机组的制热性能系数COP值会相应降低2%。蒸发温度过低，会导致机组能耗急剧增加。
[0005]数据机房高显热比的特点，为其使用高温冷冻水供冷提供可能性，较高的供水温度可减少数据机房的加湿负荷，避免能量的浪费。研究表明，蒸发温度每提升I °c，机组的制冷性能系数EER值可相应提高2%。比如，将冷冻水供水温度从7°C提高至12°C，机组的制冷能效将提高10%，利用高温冷冻水为数据机房供冷，具有较大的节能潜力。将低品位热源与热泵技术相结合，冬季共同承担数据机房的冷负荷，可实现“双赢”:数据机房采用高温冷冻水供冷，制冷能耗降低；冬季，热泵机组以数据机房的高温冷冻水回水作为热源，提高了热泵机组的蒸发温度，显著降低了热泵的运行能耗及运行费用。
[0006]目前，空调“蓄冷”通常定义为采用制冷机和蓄冷装置，在廉价电时段，进行蓄冷作业，在空调负荷高峰时，将冷量进行释放的技术。数据机房属于典型的全年供冷建筑，空调负荷大，空调负荷高峰段与电网负荷高峰段相重合，采用“蓄冷”技术，有利于电网“削峰填谷”。
[0007]此外，当室外湿球温度较低时，为“免费供冷”提供可能。该运行模式下，关闭制冷机，通过切换阀门至板式换热器，冷却塔可直接作为数据机房的冷源，制备冷水，实现“免费供冷”，节能效益显著。
[0008]将多种空调技术相结合，构建“多能互补复合型热泵空调系统”，最大限度利用低品位热能及天然冷源，减少废热排放，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。
【发明内容】
[0009]针对当前大型数据中心机房空调系统制冷能耗高、废热排放量大以及常规热泵空调冬季蒸发温度低所导致的制热能耗高等现状，本发明将数据机房高温冷源、常规空调用户热泵机组、冷却装置以及蓄冷槽等多种装置相结合，提出“可用于数据机房的多能互补复合型热泵空调系统”，以最大限度利用低品位热能和废热为目的，通过“多能互补”，满足用户的用能需求。
[0010]夏季，高温冷源与热泵机组分别独立运行，由高温冷源承担数据机房用户的冷负荷；由热泵机组承担常规空调用户的冷负荷。
[0011]冬季，高温冷源、热泵机组、蓄冷槽联合运行，采用热泵机组优先运行的策略，通过调节热泵机组的四通换向阀，常规空调用户转换为热泵机组的冷凝侧，数据机房成为热泵机组的蒸发侧。本发明可实现“热泵机组单独运行+蓄冷槽蓄冷工况”、“热泵机组+高温冷源并联运行工况”和“热泵机组+高温冷源+蓄冷槽释冷工况”。
[0012]过渡季，当常规空调用户没有热负荷时，关闭热泵机组，高温冷源、冷却塔以及蓄冷槽联合运行。本发明可实现“冷却装置免费供冷+蓄冷槽蓄冷工况”、“冷却装置免费供冷+高温冷源并联运行工况”和“冷却装置免费供冷+高温冷源+蓄冷槽释冷工况”。
[0013]本发明所提出的“可用于数据机房的多能互补复合型热泵空调系统”，不局限于单体建筑“数据机房”的空调系统，对于区域建筑“数据机房”的大型空调系统而言，也同样适用，在大型数据中心区域集中供冷项目中，将会展现出更大的节能潜力。本发明所提出的“可用于数据机房的多能互补复合型热泵空调系统”，显著提高了热泵机组的制热性能，大大降低了数据机房的制冷能耗，经济效益和环境效益明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]附图1多能互补复合型热泵空调系统原理图
[0015]附图2夏季工况系统原理图
[0016]附图3冬季工况系统原理图
[0017]附图4过渡季节系统原理图
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图1?附图4对本发明作进一步的详细说明。
[0019]附图1为本发明的系统工作原理图，该系统主要由高温冷源I (可为常规冷水机组、热泵机组、蒸汽型溴化锂吸收式机组、热水型溴化锂吸收式机组、蒸发冷却空调等)、热泵机组2、分水器3、集水器4、数据机房用户5 (单体建筑对应水冷空调机/区域建筑对应各数据中心机房板式换热器)、热泵机组夏季工况冷却装置6 (可为冷却塔、热源塔等)、常规空调用户7、板式换热器8、蓄冷槽9、数据机房高温冷冻水一次泵10、循环泵11、冷却水循环泵12、常规空调用户侧冷(热)水泵13以及数据机房高温冷冻水二次泵14所组成，它们之间通过管道连接，利用阀门进行切换和调节。
[0020]数据机房高温冷冻水输配系统设置两级泵，一次泵采用定流量方式运行；考虑到大型数据中心空调系统各支路负荷、使用时间、冷媒输送距离往往存在较大差异，故设置冷冻水二次泵，使其变流量运行。采用压差控制策略，调节分(集)水器之间旁通管的冷冻水流量，维持系统的稳定运行。
[0021]附图2为本发明空调系统夏季工况原理图。夏季，高温冷源I与热泵机组2分别独立运行，阀门I, 2，3，6，7，9，10，17，18，19，20开启，其余阀门关闭。由高温冷源I承担数据机房用户5的冷负荷；由热泵机组2承担常规空调用户7的冷负荷，常规空调用户作为热泵的蒸发侧，冷凝侧通过冷却装置6向外界排热。
[0022]附图3为本发明空调系统冬季工况原理图。冬季，常规空调用户7有热负荷需求，数据机房需制冷；当室外湿球温度较低时，不利于冷却装置6的运行。采用多能互补的形式，由高温冷源1、热泵机组2及蓄冷槽9共同承担数据机房用户5的冷负荷，常规空调用户7以数据机房的废热为热源，实现了热能的梯级合理利用。冬季，本发明所提出的“复合式热泵空调系统”可实现“热泵机组单独运行+蓄冷槽蓄冷工况”、“热泵机组+高温冷源并联运行工况”和“热泵机组+高温冷源+蓄冷槽释冷工况”。
[0023](I)热泵机组单独运行+蓄冷槽蓄冷
[0024]当热泵机组2蒸发侧吸热能力大于数据机房用户5的空调冷负荷时，高温冷源I不运行，数据机房用户5和蓄冷槽9共同作为热泵机组的蒸发侧，为数据机房用户5提供冷负荷时，利用多余冷量为蓄冷槽9蓄冷。该工况下，阀门3，4，5，6，7，8，16，17，18，19，20开启，其余阀门关闭。数据机房用户5和蓄冷槽9的高温回水在水泵11的作用下，流经阀门6进入热泵机组2的蒸发器，降温后返回数据机房用户5和蓄冷槽9，完成循环。运行过程中，可通过改变阀门16的开度，调节蓄冷槽9的流量，间接控制数据机房用户5和蓄冷槽9的冷量分配。
[0025](2)热泵机组+高温冷源并联运行
[0026]当热泵机组2蒸发侧吸热能力大于数据机房用户5的空调冷负荷时，高温冷源I开始运行，由热泵机组2和高温冷源I联合承担数据机房冷负荷，常规空调用户7作为热泵机组2的冷凝侧。该工况下，阀门1，2，3，5，6，7，8，17，18，19，20开启，其余阀门关闭。数据机房用户5的高温冷冻水回水流经阀门3，一部分在水泵10的作用下，经阀门2流入高温冷源I降温；其余部分在水泵11的作用下，经阀门5、阀门6，流入热泵机组蒸发器降温。该工况已启用高温冷源I制冷，制冷能耗较高，无可利用的廉价冷源，故不对蓄冷槽9蓄冷。
[0027](3)热泵机组+高温冷源+蓄冷槽释冷
[0028]当数据机房用户5的冷负荷超过高温冷源I和热泵机组2的总制冷能力时，由蓄冷槽9释冷，作为冷量补充。该工况下，阀门I, 2，3，5，6，7，8，15，16，17，18，19，20开启，其余阀门关闭。数据机房用户5的高温冷冻水回水流经阀门3，一部分在水泵10的作用下，经阀门2流入高温冷源I降温；其余部分在水泵11的作用下，经阀门5，流入热泵机组2和蓄冷槽9降温。通过调节阀门15和阀门2的开度，改变热泵机组2、高温冷源I以及蓄冷槽9的流量，间接控制三者联合运行的供冷比例。
[0029]附图4为本发明空调系统过渡季节原理图。常规空调用户7没有空调负荷，数据机房仍需制冷；当室外湿球温度较低时，采用多能互补的形式，由冷却装置6、高温冷源I及蓄冷槽9共同承担数据机房用户5的冷负荷，实现“免费供冷”。过渡季节，本发明所提出的“复合式热泵空调系统”可实现“冷却装置免费供冷+蓄冷槽蓄冷工况”、“冷却装置免费供冷+高温冷源并联运行工况”和“冷却装置免费供冷+高温冷源+蓄冷槽释冷工况”。[0030](I)冷却装置免费供冷+蓄冷槽蓄冷
[0031]当冷却装置6的散热能力大于数据机房用户5的冷负荷时，高温冷源I不运行，冷却装置6在承担用户5冷负荷的同时，利用多余冷量为蓄冷槽9蓄冷。该工况下，阀门3,4, 5,8, 11，12，13，14，16，19，20开启，其余阀门关闭。数据机房用户5和蓄冷槽9的高温回水在水泵11的作用下，流经阀门11进入板式换热器8，降温后返回数据机房用户5和蓄冷槽9，完成循环。可通过调节阀门16的开度，改变数据中心用户5和蓄冷槽9的流量，间接控制二者的冷量分配。
[0032](2)冷却装置免费供冷+高温冷源并联运行
[0033]当冷却装置6的散热能力小于数据机房用户5的冷负荷时，由冷却装置6和高温冷源I联合供冷，且优先由冷却装置6供冷，不足部分由高温冷源I作为补充。该工况下，阀门1，2，3，5，8，11，12，13，14，19，20开启，其余阀门关闭。数据机房用户5的高温冷冻水回水流经阀门3，一部分在水泵10的作用下，经阀门2流入高温冷源I降温；其余部分在水泵11的作用下，经阀门5和阀门11，流入板式换热器8降温。该工况已启用高温冷源I制冷，制冷能耗较高，无可利用的廉价冷源，故不对蓄冷槽9蓄冷。
[0034](3)冷却装置免费供冷+高温冷源+蓄冷槽释冷
[0035]当数据机房用户5的冷负荷超过高温冷源I和冷却装置6的总制冷能力时，由蓄冷槽9释冷，作为冷量补充。该工况下，阀门I, 2，3，5，8，11，12，13，14，15，16，19，20开启，其余阀门关闭。数据机房用户5的高温冷冻水回水流经阀门3，一部分在水泵10的作用下，经阀门2流入高温冷源I降温；其余部分在水泵11的作用下，经阀门5，流入板式换热器8和蓄冷槽9降温。通过调节阀门15和阀门2的开度，改变板式换热器8、高温冷源I以及蓄冷槽9的流量，间接控制三者联合运行的供冷比例。
[0036]相比于现有技术，本发明具有以下优势
[0037](I)本发明将数据机房高温冷源、常规空调用户热泵机组、冷却装置以及蓄冷槽等多种装置相结合，提出“可用于数据机房的多能互补复合型热泵空调系统”，以最大限度利用低品位热能和废热为目的，通过“多能互补”，满足用户空调需求。
[0038](2)夏季，高温冷源与热泵机组分别独立运行，由高温冷源承担数据机房用户的冷负荷；由热泵机组承担常规空调用户的冷负荷。
[0039](3)冬季，高温冷源、热泵机组、蓄冷槽联合运行，采用热泵机组优先运行的策略，通过调节热泵机组的四通换向阀，数据机房成为热泵机组的蒸发侧。本发明所提出的“复合式热泵空调系统”可实现“热泵机组单独运行+蓄冷槽蓄冷工况”、“热泵机组+高温冷源并联运行工况”和“热泵机组+高温冷源+蓄冷槽释冷工况”。
[0040](4)过渡季，当常规空调用户没有热负荷时，关闭热泵机组，高温冷源、冷却塔以及蓄冷槽联合供冷。本发明所提出的“复合式热泵空调系统”可实现“冷却装置免费供冷+蓄冷槽蓄冷工况”、“冷却装置免费供冷+高温冷源并联运行工况”和“冷却装置免费供冷+高温冷源+蓄冷槽释冷工况”。
[0041](5)冬季，热泵机组2仅需消耗少量电能，即可制取大量的热量，承担常规空调用户7的热负荷，同时作为数据机房用户5的冷源，实现了热量的高效梯级利用，热泵机组的能效系数可达到10.0以上，节能效果显著。
[0042](6)本发明所提出的“可用于数据机房的多能互补复合型热泵空调系统”，不局限于单体建筑“数据机房”的空调系统，对于区域建筑“数据机房”的大型空调系统而言，也同样适用，在大型数据中心区域集中供冷项目中，将会展现出更大的节能潜力。
[0043](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，当冷却装置6采用开式冷却塔时，需要配置板式换热器8，通过间接换热，实现“免费供冷”;若冷却装置6采用闭式冷却塔，则无需配置板式换热器8，将低温冷却水直接输送至数据机房用户5即可。
[0044](8)本发明引入“蓄冷”技术，最大限度利用低品位热源及天然冷源，为蓄冷槽蓄冷；在数据机房冷负荷高峰时段，通过蓄冷槽“释冷”，弥补冷量的不足。数据机房属于典型的全年供冷建筑，空调负荷大，空调负荷高峰段与电网负荷高峰段相重合，引入“蓄冷”技术，有利于实现电网的“削峰填谷”。
[0045](9)本发明能够有效弥补数据机房废热大量排放、常规热泵空调冬季蒸发温度低所导致制热高能耗的缺陷与不足。随着社会信息化水平逐渐提高，大型数据中心机房已渗透到各行各业，将数据机房与附近办公、商业建筑等常规空调用户相结合，构建“多能互补复合型热泵空调系统”，可充分发挥各自优势，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.本发明公开了一种多能互补复合型热泵空调系统，主要由高温冷源1(可为常规冷水机组、热泵机组、蒸汽型溴化锂吸收式机组、热水型溴化锂吸收式机组、蒸发冷却空调等)、热泵机组2、分水器3、集水器4、数据机房用户5 (单体建筑对应水冷空调机/区域建筑对应各数据中心机房板式换热器)、热泵机组夏季工况冷却装置6 (可为冷却塔、热源塔等)、常规空调用户7、板式换热器8、蓄冷槽9、高温冷冻水一次泵10、循环泵11、冷却水泵12、常规空调用户侧水泵13以及二次泵14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)数据机房采用高温冷源，承担全年的生产冷负荷，高温冷源可为常规冷水机组、热泵机组、蒸汽型溴化锂吸收式机组、热水型溴化锂吸收式机组、蒸发冷却空调等多种形式。 (2)数据机房高温冷冻水输配系统设置两级泵，一次泵采用定流量方式运行，二次泵采用变流量运行；通过调节分(集)水器之间旁通管的冷冻水流量，维持系统的稳定运行。 (3)夏季，高温冷源与热泵机组分别独立运行，由高温冷源承担数据机房用户的冷负荷；由热泵机组承担常规空调用户的冷负荷。 (4)冬季，通过调节热泵机组的四通换向阀，常规空调用户转换为热泵机组的冷凝侧，数据机房成为热泵机组的蒸发侧；由高温冷源1、热泵机组2及蓄冷槽9共同承担数据机房的冷负荷，常规空调用户7以数据机房的废热为热源，实现了热能的梯级合理利用。本发明所提出的“复合式热泵空调系统”可实现“热泵机组单独运行+蓄冷槽蓄冷工况”、“热泵机组+高温冷源并联运行工况”和“热泵机组+高温冷源+蓄冷槽释冷工况”。 (5)过渡季节，当室外 湿球温度较低时，采用多能互补的形式，由冷却装置6、高温冷源I及蓄冷槽9共同承担数据机房的冷负荷，实现“免费供冷”。本发明所提出的“复合式热泵空调系统”可实现“冷却装置免费供冷+蓄冷槽蓄冷工况”、“冷却装置免费供冷+高温冷源并联运行工况”和“冷却装置免费供冷+高温冷源+蓄冷槽释冷工况”。 (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。本发明不局限于单体建筑“数据机房”，对于区域建筑“数据机房”的大型空调系统而言，也具有良好的适用性。 (7)本发明中系统形式可根据用户实际采用的冷却塔配置情况进行调整，当冷却装置6采用开式冷却塔时，需要配置板式换热器8，通过间接换热，实现“免费供冷”;若冷却装置6采用闭式冷却塔，则无需配置板式换热器8，将低温冷却水直接输送至数据机房用户5即可。 (8)本发明最大限度利用低品位热源及天然冷源实现蓄冷；在数据机房冷负荷高峰时段，通过蓄冷槽“释冷”，增强系统制冷能力。对于全年供冷建筑，空调负荷大，空调负荷高峰段与电网负荷高峰段相重合，引入“蓄冷”技术，有利于实现电网的“削峰填谷”。
【文档编号】F24F5/00GK103900183SQ201410155057
【公开日】2014年7月2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