基于热管氟泵与机械制冷的机房蒸发冷却空调系统

1.本实用新型属于数据中心散热冷却装置技术领域，具体涉及一种基于热管氟泵与机械制冷的机房蒸发冷却空调系统。


背景技术：

2.随着国内数据中心产业发展迅速，其能耗总量也处于高速增长期，明显高于世界的平均水平，一方面在于中国的数据中心建设规模增速较快，另一方面因为中国的数据中心存在较大的节能潜力。目前行业数据显示中国的数据中心的平均pue值在2.2～3.0之间，而实际数据可能远远高于这一数字。而且随着数据中心的规模越来越大、数量越来越多，耗电量只会居高不下。数据中心的高能耗，不仅给企业带来了沉重的负担，也造成了全社会能源的巨大浪费。
3.目前数据中心能耗的大致构成中，空调制冷系统的能耗占数据中心总能耗的40％左右，仅次于it设备能耗，是影响机房能耗的主要成分之一。标准机房冷却系统能耗占比35％，而现有机房冷却系统能耗占比高达45％，可见机房冷却系统还有较大的节能空间。面对如此巨大的能耗问题，如何“开源”，即利用自然冷源为数据中心降温，充分延长自然冷源的利用时长，拓宽利用自然冷源制冷系统的应用等方式需要多方考虑。
4.热管氟泵制冷中热管技术是将管内抽成10-1
～10-4
pa负压后充以适量的制冷剂，使紧贴管内壁的毛细多孔材料中充满液体后加以密封，因其自身特性，一定条件下可以形成一个闭合自发制冷循环；氟泵驱动回路热管系统具有低能耗、高能效比的特点，可以替代传统压缩机，一定范围内提高冷凝温度，防止热管系统动力不足，以保证制冷系统的稳定运行，蒸发冷凝技术利用水的潜热带走数据中心的热量，相同情况下蒸发冷却带走的热量约为风冷的100倍，相比于传统风冷水冷而言更加节水节电且高效。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种基于热管氟泵与机械制冷的机房蒸发冷却空调系统，将氟泵、热管、蒸发冷凝、机械制冷技术相结合，充分利用自然冷源对现有数据中心改造以及新建数据中心等项目提供一种更为高效节能的散热方式。
6.本实用新型所采用的技术方案是，基于热管氟泵与机械制冷的机房蒸发冷却空调系统，包括机房内设置的机房制冷系统、热管氟泵制冷系统和蒸发冷却机械制冷系统；机房制冷系统包括热管换热墙和机房空调，服务器机架设置于架空地板上并相邻两服务器机架之间形成封闭冷通道，封闭冷通道与架空地板内部连通；热管氟泵制冷系统包括通过管道相连通的蒸发冷凝器和氟泵，氟泵与热管换热墙通过管道相连通；蒸发冷却机械制冷系统包括通过管道相连通的间接蒸发式冷水机组和机械制冷冷水机组，机械制冷冷水机组通过管道与机房空调连通。
7.本实用新型的特征还在于，
8.蒸发冷凝器包括机壳，机壳靠近底部的侧壁上设置有室外空气进风口，机壳内设
置有换热盘管，换热盘管上方依次设置有喷嘴a、挡水板a和风机，与风机对应的壳体壁上设置有出风口，换热盘管下方设置有集水箱，喷嘴a 通过管道与集水箱连通，喷嘴a和集水箱连通的管道上设置有循环水泵，换热盘管的入口和出口分别通过管道与氟泵和热管换热墙连通。
9.机械制冷冷水机组包括依次连接构成闭合回路的蒸发器、冷凝器和压缩机，蒸发器依次通过集水器、机房空调、蓄冷罐和分水器连通构成闭合回路，冷凝器与间接蒸发式冷水机组连通。
10.间接蒸发冷水机组包括壳体，壳体相对的两侧壁分别设置有进风口，壳体内设置有间接蒸发式冷水机组填料，两端进风口到间接蒸发式冷水机组填料之间分别设置有初效过滤器、一级表冷器和二级表冷器，间接蒸发式冷水机组填料上方依次设置有喷嘴b、挡水板b和排风机，与排风机对应的壳体壁上设置有排风口，间接蒸发式冷水机组填料下方设置有储水箱，喷嘴b通过管道与机组回水管道连通，喷嘴b与机组回水管道连通的管道上设置有回水泵，一级表冷器、二级表冷器和储水箱分别设置出水口和回水口通过机组供水管道和机组回水管道与冷凝器连通。
11.蒸发式冷水机组填料下部为倒三角形。
12.本实用新型的有益效果是，
13.(1)本实用新型在数据机房内使用地板下送风形式，制取的冷风通过地板下的风管直接送入服务器机架间的封闭冷通道，吸收机柜产生的热量后流入热管换热墙，经过制冷后重新进入通道内，隔离开了冷热气流，提升了冷量利用率。
14.(2)本实用新型在数据机房内部使用热管系统和氟泵装置，当室外气温较低时，热管内制冷剂工质吸收机柜产生的热量后蒸发为气体，通过蒸发冷凝器冷却为液体并流回热管换热墙完成循环，蒸发冷凝器与热管氟泵系统联合使用更能降低能耗，提高换热效率并减少占地面积。
15.(3)本实用新型在数据机房内使用热管换热墙进行空气与制冷剂工质的换热，在热管上添加翅片能大幅提升空气侧的换热性能，减少工质充注量。
16.(4)室外气温较高时，蒸发冷却机械制冷部分开始运行，此时间接蒸发式冷水机组与机械制冷冷水机组的冷凝器相连，所制取的高温冷水带走机械制冷冷水机组冷凝器的热量，使得机械制冷冷水机组拥有更高能效比，实现系统整体的低能耗运行。
17.(5)间接蒸发式冷水机组使用两级表冷器预冷式，室外空气经过滤器过滤后进入间接蒸发式冷水机组，先经一级表冷器中高温冷水预冷，之后经过二级表冷器中低温冷水再次预冷，使得空气干球温度进一步降低，符合传热过程中逆流的要求，再经过填料与回水进行充分热湿交换，以保证间接蒸发式冷水机组出水温度低于当地空气湿球温度。间接蒸发式冷水机组中填料下部采用倒三角形设置，充分利用机组内部空间，增大空气与水的接触时间与接触面积，以保证热湿交换效果，确保更低的出水温度。
附图说明
18.图1是本实用新型空调系统的结构示意图；
19.图2是本实用新型空调系统中热管氟泵系统的结构示意图；
20.图3是本实用新型空调系统中蒸发冷凝器系统的结构示意图；
21.图4是本实用新型空调系统中间接蒸发式冷水机组的结构示意图；
22.图5是本实用新型空调系统中机械制冷冷水机组的结构示意图。
23.图中，1.间接蒸发式冷水机组，2.蒸发冷凝器，3.氟泵，4.热管换热墙， 5.机械制冷冷水机组，6.蓄冷罐，7.分水器，8.集水器，9.机房空调，10. 服务器机架，11.架空地板，12.封闭冷通道，13.风机，14.挡水板a，15.喷嘴a，16.循环水泵，17.换热盘管，18.集水箱，19.初效过滤器，20.一级表冷器，21.二级表冷器，22.排风机，23.挡水板b，24.喷嘴b，25.间接蒸发式冷水机组填料，26.回水泵，27.给水泵，28.蒸发器,29.冷凝器，30.压缩机。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
25.本实用新型基于热管氟泵与机械制冷的机房蒸发冷却空调系统的结构如图1所示，包括机房制冷系统、热管氟泵制冷系统和蒸发冷却机械制冷系统。
26.机房制冷系统包括热管换热墙4和机房空调9，服务器机架10设置于架空地板11上并相邻两服务器机架10之间形成封闭冷通道12，封闭冷通道 12与架空地板11内部连通，机房内采用地板下送风形式，整体隔离开了冷热气流，提升了冷量利用率。
27.热管氟泵制冷系统包括通过管道相连通的蒸发冷凝器2和氟泵3，氟泵 3与热管换热墙4通过管道相连通，热管换热墙4上加翅片能大幅提升空气侧的换热性能，减少工质充注量，蒸发冷凝器2与热管氟泵装置联合使用更能降低能耗，提高换热效率并减少占地面积。
28.蒸发冷却机械制冷系统包括机械制冷冷水机组5，机械制冷冷水机组内包括依次连接构成闭合回路的蒸发器28、冷凝器29和压缩机30，如图5所示；冷凝器29通过管道与间接蒸发式冷水机组1连通，所制取的高温冷水带走冷凝器29的热量，使得机械制冷冷水机组5拥有更高能效比，实现系统整体的低能耗运行；蒸发器28依次通过集水器8、机房空调9、蓄冷罐6 和分水器7连通构成闭合回路。
29.如图2所示，蒸发冷凝器2、氟泵3与热管换热墙4通过管道连通形成闭合回路，数据中心内包括热管换热墙4和机房空调9，服务器机架10设置于架空地板11上并相邻两服务器机架10之间形成封闭冷通道12，封闭冷通道12与架空地板11内部连通。
30.如图3所示，间接蒸发冷水机组1包括壳体，壳体相对的两侧壁分别设置有进风口，壳体内设置有间接蒸发式冷水机组填料25，间接蒸发式冷水机组填料25下部采用倒三角形设置，增大空气与水的接触时间和接触面积，保证热湿交换效果，确保更低的出水温度；两端进风口到间接蒸发式冷水机组填料25之间分别设置有初效过滤器19、一级表冷器20和二级表冷器21，间接蒸发式冷水机组填料25上方依次设置有喷嘴b24、挡水板b23和排风机 22，与排风机22对应的壳体壁上设置有排风口，间接蒸发式冷水机组填料 25下方设置有储水箱，喷嘴b24通过管道与机组回水管道连通，喷嘴b24 与机组回水管道连通的管道上设置有回水泵27，储水箱内制得的冷水在给水泵27的作用下通过管道向机械制冷冷水机组5供水。
31.如图4所示，蒸发冷凝器2包括机壳，机壳靠近底部的侧壁上设置有室外空气进风口，机壳内设置有换热盘管17，换热盘管17增加了制冷剂在蒸发冷凝器2内换热时间，降温效果明显增加；换热盘管17上方依次设置有喷嘴a15、挡水板a14和风机13，挡水板a14可避
免水滴被吸入风机13中，与风机13对应的壳体壁上设置有出风口，换热盘管17下方设置集水箱18，喷嘴a15通过管道与集水箱18连通，喷嘴a15和集水箱18连通的管道上设置循环水泵16，换热盘管17的入口和出口分别通过管道与氟泵3和热管换热墙4连通。
32.本实用新型的空调系统根据室外气温的高低分别有两种工作模式：
33.其中，当室外气温较低时，仅开启蒸发冷凝器2，数据中心机房内的空气通过封闭冷通道12流入服务器机架10内吸收热量后流出，与热管换热墙 4进行换热后通过机房空调9和架空地板11回到封闭冷通道12，此时机房空调9是未工作状态，室内空气只经过热管换热墙4进行一次冷却。热管换热墙4中的制冷剂工质换热蒸发后在氟泵3的作用下通过管道流入蒸发冷凝器2内的换热盘管17进行冷却液化，蒸发冷凝器2工作时循环水由集水箱 18经循环水泵16流至喷嘴a15并喷淋在换热盘管17表面，室外空气由进风口进入，在风机13作用下，强迫掠过换热盘管17表面，吸收换热盘管17 内部制冷剂工质热量后经过挡水板a14排出，制冷剂工质被冷却液化后流回热管换热墙4完成循环。
34.当室外气温较高时，仅依靠蒸发冷凝器2的热管氟泵系统无法满足机房内制冷要求，因此开启间接蒸发式冷水机组1，首先间接蒸发式冷水机组1 制备的冷水经管道流入机械制冷冷水机组5，与机械制冷冷水机组5中的冷凝器29进行换热后在压缩机30的作用下流回间接蒸发式冷水机组1，在回水泵26的作用下由喷嘴b24持续喷淋在间接蒸发式冷水机组填料25表面，外界空气在排风机22的作用下经初效过滤器19过滤进入机组内部，首先空气经过一级表冷器20，一级表冷器20中通有循环后回到机组的高温冷水，对空气进行一级等湿冷却，之后经过二级表冷器21，二级表冷器21中通有间接蒸发式冷水机组1制取的冷水，对空气进行二级等湿冷却，经两级等湿冷却后的空气经过间接蒸发式冷水机组填料25，空气与水发生充分热湿交换，水吸收空气中的热量而蒸发，又以水蒸气的形式回到空气中，空气变化为等焓降温过程，之后在排风机22的作用下排至室外。间接蒸发式冷水机组1所制取的冷水水温降低至当地空气湿球温度以下，通过给水泵27向机械制冷冷水机组5供水。机房空调9中的冷冻水在机械制冷冷水机组5中换热降温后，经过蓄冷罐6和分水器7后流入机房空调9与吸收机房内热量的空气进行换热，最后经集水器8流回机械制冷冷水机组5内的蒸发器28降温并完成循环。
35.本实用新型两套独立的制冷系统，在保证机房内低温要求的同时最大程度减少能耗。