一种IDC机房自然冷源与电制冷耦合供冷系统的制作方法

本实用新型涉及供冷系统，具体地说是一种节能环保的IDC机房自然冷源与电制冷耦合供冷系统。

背景技术：

数据中心属于高耗能设备，数据中心IT设备耗电量最终转化为热，为保证数据中心IT设备的正常运行，需要大量的冷源供给，数据中心对制冷系统的要求是全年每天24小时不间断供冷。目前大型数据中心机房制冷系统主要采用电制冷与自然冷源相结合的方式，实施自然冷源的主要设备为开式冷却塔+板式换热器（简称板换），或为闭式冷却塔。板式换热器与冷机在系统流程中为串并联关系。完全自然冷源时，冷却塔+板式换热器直接冷却冷冻水，冷机不参与工作；在部分自然冷源时，板换与冷机串联运行，冷却塔+板换先预冷冷冻水，然后冷却水进入电制冷冷水机组冷凝器，冷冻水进入电制冷冷水机组蒸发器，由电制冷冷水机组补充不够冷量。没有自然冷源时，完全采用电制冷。

但上述供冷系统存在很大缺陷。主要表现在：

（1）当系统由自然冷源转入部分自然冷源需要开启冷机补冷时，冷机不能及时启动补冷（冷机启动时对冷机冷却水进口温度与冷冻水出口温度有最小温差要求）；

（2）冷机尤其是离心冷水机组当运行负荷小于20%-30%左右时，易发生喘振，轻则影响电制冷机组的使用寿命，重则损坏冷机，影响安全稳定运行。

(3)在完全自然冷源与部分自然冷源交替波动时，电制冷系统依据气温波动而频繁加减载、频繁启停冷机和水泵，不利于制冷系统安全稳定运行；

（4）自然冷源利用率不高。研究报告显示数据中心整体自然冷源利用率仅占自然冷源资源量的40%--50%。

发明人于2016年6月6日申请了一个实用新型专利，名称为IDC机房空气源冷却系统（专利号为2016205478705）采用闭式冷却塔和蓄冷水罐低温储存水进行混水解决了部分自然冷源的利用问题，但该专利存在如下不足：（1）混水点在冷冻水循环水泵的出水管段上，在混水时需要设置混水泵，根据数据中心设计规范，需要将混水泵与冷冻水循环水泵均需要配置UPS供电系统，造成供电投资增加。（2）系统停电，采用应急冷源供冷时，需要将冷冻水循环水泵切换到混水泵，由混水泵承担冷冻水系统的供冷，从系统安全稳定运行角度存在切换风险。（3）闭式冷却塔从原理上讲是将开式冷却塔与板式换热器整合在一起的设备。闭式冷却塔无法将板式换热器与电制冷冷水机组组成串联系统，从而在电制冷冷水机组在给蓄冷水罐补充低温冷水时，无法通过板换利用部分自然冷源。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术存在的不足，为IDC机房提供一种环保节能、能充分有效利用空气源自然冷源以减少运行成本并与电制冷耦合的安全稳定运行的IDC机房供冷系统。

本实用新型一种IDC机房自然冷源与电制冷耦合供冷系统，包括数据中心机房的末端空调设备、冷水机组、冷却水循环水泵、开式冷却塔、板式换热器、蓄冷水罐、蓄冷泵、冷冻水循环水泵和控制系统，冷水机组的蒸发器侧进出口连接末端空调设备的出进口，冷水机组的冷凝器侧进出口连接开式冷却塔的出进口；开式冷却塔的进出口连接板式换热器释冷侧进出口，板式换热器吸冷侧进出口连接末端空调设备的出进口；

冷水机组的蒸发器侧进出口连接蓄冷水罐的进出口；板式换热器吸冷侧进出口连接蓄冷水罐的上部和下部接管口；

板式换热器释冷测的出口连接冷水机组冷凝器侧的进口，板式换热器吸冷侧的出口连接冷水机组蒸发器侧的进口。

末端空调设备的出水口连接至板式换热器的进水口和蓄冷水罐的上部接管口，板式换热器吸冷测的出水口与蓄冷水罐的下部接管口混合后接至末端空调设备的进水口。

开式冷却塔的出水口与冷水机组冷凝器进水口之间设有冷却水循环水泵。

蓄冷水罐的上部接管口与板式换热器吸冷侧进水口之间设有蓄冷泵。

冷水机组的蒸发器侧出水口与板式换热器吸冷侧出水口之间设有冷冻水循环水泵。

板式换热器吸冷测的出水口主管道上和蓄冷水罐的下部接管口出水管上设置混水电动调节阀，混水电动调节阀用于设置压差传感器、温度传感器和流量传感器。

所述控制系统用于控制冷水机组、开式冷却塔、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵和蓄冷泵的启停以及各阀门组的开闭、电动混水调节阀开度调节控制、末端空调设备出口管至蓄冷水罐流量调节控制。

所述蓄冷水罐水位高度高于数据中心末端空调系统最高点；蓄冷水罐给空调系统定压，定压点设置在混水电动调节阀阀前。

本实用新型是这样实现的：

（1）完全自然冷源：当室外湿球温度达到开式冷却塔出水温度可以直接冷却冷冻水时，开启开式冷却塔+板式换热器、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵。当板换冷却水侧进水温度过低时，通过开式冷却塔出口侧温度传感器变频控制冷却塔风机的转速和风量，以及控制冷却水供回水旁通混水电动调节阀。板换冷冻水侧出水温度过低时，通过板换冷冻水侧出水管道温度传感器控制冷冻水供回水旁通混水电动调节阀。

（2）部分自然冷源：当室外湿球温度达到开式冷却塔出水温度部分冷却冷冻水时，开启开式冷却塔+板式换热器、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵。根据板换冷冻水侧出水管道温度传感器，蓄冷水罐出水混水温度传感器，通过PLC控制系统，计算出流量混合比，由控制系统控制主系统电动调节阀和混水管电动调节阀开度。系统总流量由末端最不利环路末端空调设备上的供回水最小压差ΔP控制冷冻水循环水泵的流量。当系统总流量小于系统最小旁通流量时，开启冷冻水系统旁通调节阀。

（3）在上述第(2)条部分自然冷源运行混水供冷模式时，蓄冷水罐同时利用冗余制冷设备补充冷源。冷冻水供回水温差一般为6℃，蓄冷水罐可采取9-12℃大温差蓄冷方式。优先利用完全自然冷源蓄冷和优先利用谷电价时段蓄冷。蓄冷时需要开启冗余冷机补冷，采用板换与冷水机组串联运行方式，可以有效利用部分自然冷源蓄冷。

（4）电制冷：当湿球温度升高，开式冷却塔出水温度接近板换冷冻水侧进水温度时，开启开式冷却塔、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵、冷水机组。在谷电价时段，利用冗余冷机给蓄冷水罐充冷，蓄冷温度采用9-12℃大温差蓄冷，在峰电价时段，利用蓄冷水罐释冷，释冷时采用主管道电动调节阀与混水电动调节阀调节开度或三通调节阀。与上述第（2）条部分自然冷源运行混水系统的控制方法类似。

本实用新型的有益效果在于：利用蓄冷水罐代替电制冷冷机补冷，解决了开式冷却塔+板换利用空气源自然冷源时冷机无法及时补冷和易发生冷机喘振的问题。解决了电制冷系统依据气温波动而频繁启停冷机和水泵影响制冷系统安全稳定运行的问题。解决了碎片化的自然冷源利用问题，自然冷源利用率大幅提高，其自然冷源利用率达到90%左右。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图。

图中：1为末端空调设备；2为冷水机组；3为冷却水循环水泵；4为开式冷却塔； 5为板式换热器；6为蓄冷水罐；7为蓄冷泵；8为冷冻水循环水泵；9为控制系统；10为混水电动调节阀。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型一种IDC机房自然冷源与电制冷耦合供冷系统，包括数据中心的末端空调设备1、冷水机组2、冷却水循环水泵3、开式冷却塔4、板式换热器5、蓄冷水罐6、蓄冷泵7、冷冻水循环水泵8、控制系统9和混水电动调节阀10。

末端空调设备1、冷水机组2、开式冷却塔4、板式换热器5、蓄冷水罐6分别具有进水口和出水口，所述进水口和出水口均设有阀门组。冷水机组2分为蒸发器侧进水口和出水口以及冷凝器侧进水口和出水口，所述进水口和出水口均设有阀门组。单独供冷系统连接：（1）冷水机组蒸发器侧进出口连接末端空调设备出进口，冷水机组冷凝器侧进出口连接开式冷却塔出进口；（2）蓄冷水罐进出口连接末端空调设备出进口；(3)开式冷却塔进出口连接板式换热器释冷侧出进口，板式换热器吸冷侧进出口连接末端空调设备出进口。无自然冷源时蓄冷系统连接：冷水机组蒸发器侧进出口连接蓄冷水罐出进口，冷水机组冷凝器侧进出口连接开式冷却塔出进口。部分自然冷源时蓄冷系统连接：开式冷却塔出水口连接板式换热器释冷侧进水口，板式换热器释冷侧出水口连接冷水机组冷凝器侧进水口，冷水机组冷凝器侧出口连接开式冷却塔进水口；蓄冷水罐上部接管口连接板式换热器吸冷侧进水口，板式换热器吸冷侧出水口连接冷水机组蒸发器侧进水口，冷水机组蒸发器侧出水口连接蓄冷水罐进水口。完全自然冷源时蓄冷系统连接：开式冷却塔进出口连接板式换热器释冷侧出进口，板式换热器吸冷侧进出口连接蓄冷水罐上下接管口。自然冷源与蓄冷水罐联合供冷系统连接：开式冷却塔出进口连接板式换热器释冷侧进出口，末端空调设备出水口连接至板式换热器吸冷侧进水口和蓄冷水罐的上部接管口，板式换热器吸冷侧出口与蓄冷水罐下部接管口混合后接至末端空调设备进水口。冷水机组冷凝器侧进水口设有冷却水循环水泵3，末端空调设备进水口设有冷冻水循环水泵8，蓄冷水罐上部接管出水口设有蓄冷泵7，板式换热器5吸冷测的出水口主管道上和蓄冷水罐6的下部接管口出水管上设置混水电动调节阀10。冷冻水循环水泵8入口侧设置自力式压力平衡装置11。上述设备进水口和出水口均有阀门组，控制系统控制各阀门组和各水泵的启闭，在不同阶段实现不同的运行策略。

本系统在使用时，分有自然冷源和无自然冷源两种模式：

一、当有自然冷源时，有如下五种运行模式

1、开式冷却塔+板换直接为末端空调设备供冷：开式冷却塔、板换、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵运行。此时开启AV1\AV7\AV9\AV11\HV1

2、开式冷却塔+板换为末端空调设备部分供冷，蓄冷水罐补冷：开式冷却塔、板换、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵、蓄冷水罐运行。此时开启AV1\AV7\AV9\AV11\HV1\HV2

3、开式冷却塔+板换为末端空调设备部分供冷，蓄冷水罐补冷：开式冷却塔、板换、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵、蓄冷水罐运行，开启AV1\AV7\AV9\AV11\HV1\HV2。同时开式冷却塔+板换为蓄冷水罐蓄冷：开式冷却塔、板换、冷却水循环水泵、蓄冷泵、蓄冷水罐运行，开启BV1\BV7\BV10\BV12。

4、开式冷却塔+板换为末端空调设备部分供冷，蓄冷水罐补冷：开式冷却塔、板换、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵、蓄冷水罐运行，开启AV1\AV7\AV9\AV11\HV1\HV2。同时开式冷却塔+板换+冷机为蓄冷水罐蓄冷：开式冷却塔、板换、冷水机组、冷却水循环水泵、蓄冷泵、蓄冷水罐运行，同时开启BV3\BV5\BV10\BV12

5、蓄冷水罐供冷：冷冻水循环水泵、蓄冷水罐运行，此时开启AV11\AV7\AV9\HV1\HV2。

二、当无自然冷源时，有如下四种运行模式

1、冷机供冷：冷水机组、开式冷却塔、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵运行，冷水机组为数据中心末端空调设备提供冷源，此时开启AV2\AV11\AV6\AV9\HV1

2、冷机供冷：冷水机组、开式冷却塔、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵运行，冷水机组为数据中心末端空调设备提供冷源，此时开启AV2\AV11\AV6\AV9\HV1。同时冷机蓄冷：冷水机组、开式冷却塔、蓄冷水罐、冷却水循环水泵、蓄冷泵运行，此时开启BV2\BV12\BV6\BV10.

3、蓄冷水罐供冷：蓄冷水罐、冷冻水循环水泵运行，此时开启AV11\AV7\AV9\HV1\HV2。

4、冷机供冷+蓄冷水罐供冷：冷水机组、开式冷却塔、蓄冷水罐、冷却水循环水泵、冷冻水循环水泵运行，此时开启AV2\AV11\AV6\AV9\HV1\HV2。

本系统在既有IDC机房用自然冷源+电制冷的基础上，增加蓄冷水罐、蓄冷泵、混水调节装置以及控制系统。夏季及过渡季节采用冷机制冷，利用蓄冷水罐夜间谷电时段蓄冷，峰电时段释冷减低运行费用。冬季及过渡季节，在开式冷却塔+板换利用室外自然冷源能满足末端空调设备供水温度要求的情况下，采用完全自然冷源直接供冷；在开式冷却塔+板换部分冷却冷冻水时，采用部分自然冷源，冷量不够的部分采用蓄冷水罐作为补充冷源，混水将冷冻水降低至末端空调设备需要的供水温度。蓄冷水罐的容积大于数据中心要求应急冷源的供冷时间要求，蓄冷水罐在任何情况下，留有不少于应急冷源的供冷时间要求（一般为15min）。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方案，熟悉本领域的技术人员在本实用新型的范围内，可轻易想到的变化，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。如用闭式冷却塔代替开式冷却塔+板换、蓄冷水罐进出水管均与板换吸冷侧出水管相接、三通电动调节阀代替两通电动调节阀等均应涵盖在本实用新型的保护范围内。