一种适配型蒸发冷式热管耦合空调机组的制作方法

1.本发明涉及空气调节领域，具体涉及一种用于数据中心的适配型蒸发冷式热管耦合空调机组。


背景技术：

2.随着远程办公、远程教育、电子商务等发展，培育了大量新兴客户需求，带动中国idc(internet data center，互联网数据中心)行业客户需求规模大幅增加，促进中国idc业务市场规模保持稳定增长态势。预计2022年，中国idc业务市场规模将超过3200.5亿元，同比增长28.8％，进入新一轮爆发期。it设备能耗占数据中心总能耗约为40％，空调系统占40％，因此，数据中心需要更高效的冷却方案。
3.目前数据中心节能新技术种类繁多，日渐成熟，应用也越来越广泛。因地制宜采用自然冷源等制冷方式，推动与机械制冷高效协同，大幅提升数据中心能效水平显得尤为重要。
4.传统水冷冷冻水系统适用于全国范围数据中心，但在寒冷地区存在冷冻问题，在南方地区自然冷源利用时间短，节能性相对较差。此外，传统水冷冷冻水系统还具有控制复杂、耗水量大、年运行费用高的缺点。蒸发冷却技术的应用和气候环境关系密切，单纯使用蒸发冷却技术用于空气调节受自然冷源利用时长和建筑平面布置的限制，无法实现单一冷源的供冷形式。而热管技术存在无法充分利用自然冷源的问题，且制冷能力受高度等条件影响较大。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种适配型蒸发冷式热管耦合空调机组。
6.为了解决上述技术问题，本发明公开了一种适配型蒸发冷式热管耦合空调机组，包括机组箱体、内循环模块以及外循环模块；机组箱体的内部空间设置有相互独立的内循环腔室和外循环腔室，内循环模块位于内循环腔室，外循环模块位于外循环腔室；内循环模块包括用于抽吸室内空气的内循环风机、热管蒸发器、机械制冷蒸发器、节流部件以及压缩机；外循环模块自上而下依次包括用于抽吸室外新风的外循环风机、蓄冷冷凝器，热管冷凝器、热管布水器、热管循环喷淋水泵、机械制冷冷凝器、机械制冷循环喷淋水泵、机械制冷布水器以及用于承接喷淋水的循环水集水槽；所述热管蒸发器通过管路可选择地与热管冷凝器或者蓄冷冷凝器的泠凝器主体连接；机械制冷蒸发器、节流部件、压缩机以及机械制冷冷凝器通过管路连接；热管循环喷淋水泵用于将循环水集水槽内的循环水输送至热管布水器；机械制冷循环喷淋水泵用于将循环水集水槽内的循环水输送至机械制冷布水器；内循环腔室的顶部开设有室内回风口，内循环风机安装在室内回风口的下方；内循环腔室与外循环腔室相对的侧面下部开设有室内送风口；当内循环风机开启时，空气从室内回风口进入内循环腔室，依次经过机械制冷蒸发器、热管蒸发器后，从室内送风口排出；外循环腔室
的顶部开设有室外出风口，外循环风机安装在室外出风口下方；外循环腔室的下部两侧开设有新风进风口；当外循环风机开启时，室外新风从新风进风口进入，依次经过机械制冷布水器、机械制冷冷凝器、热管布水器、热管冷凝器、蓄冷冷凝器、外循环风机后，从室外出风口排出。
7.具体的，该机组还包括第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门，第一阀门的一端与蓄冷冷凝器的一端通过管路连接，第二阀门的一端与蓄冷冷凝器的另一端通过管路连接，第三阀门的一端与热管冷凝器通过管路连接，第四阀门的一端与热管冷凝器的另一端通过管路连接，第一阀门的另一端与第三阀门的另一端并联于热管蒸发器的一端；第二阀门的另一端与第四阀门的另一端并联于热管蒸发器的另一端；通过控制第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门的开启与关闭，实现蓄冷冷凝器与热管冷凝器的切换。
8.具体的，当室外环境干球温度≤6℃时，内循环风机、热管蒸发器、热管冷凝器、外循环风机、第三阀门以及第四阀门均启用，机械制冷蒸发器、压缩机、机械制冷冷凝器、热管循环喷淋水泵、机械制冷循环喷淋水泵、蓄冷冷凝器、第一阀门以及第二阀门均关闭，该机组处于纯热管自然冷模式。
9.当室外环境湿球温度≤13℃时，内循环风机、热管蒸发器、热管冷凝器、外循环风机、热管循环喷淋水泵、第三阀门以及第四阀门均启用，机械制冷蒸发器、压缩机、机械制冷冷凝器、机械制冷循环喷淋水泵、蓄冷冷凝器、第一阀门以及第二阀门均关闭，该机组处于蒸发冷热管模式。
10.当13℃＜室外环境湿球温度≤35℃时，内循环风机、热管蒸发器、热管冷凝器、外循环风机、热管循环喷淋水泵、机械制冷蒸发器、压缩机、机械制冷冷凝器、机械制冷循环喷淋水泵、第三阀门以及第四阀门均启用，蓄冷冷凝器、第一阀门以及第二阀门均关闭，该机组处于联合制冷模式。
11.当系统供电的电力系统发生意外停电故障时，机械制冷蒸发器、压缩机、机械制冷冷凝器、机械制冷循环喷淋水泵、热管循环喷淋水泵、第三阀门以及第四阀门均关闭，内循环风机、热管蒸发器、热管冷凝器、外循环风机、蓄冷冷凝器、第一阀门以及第二阀门均启用，该机组处于蓄冷模式。
12.进一步的，热管蒸发器、机械制冷蒸发器以及压缩机均位于内循环腔室的下部，热管蒸发器与室内送风口相对，机械制冷蒸发器位于蒸发器与压缩机之间。
13.进一步的，在外循环模块内，机械制冷布水器和热管布水器的喷淋水方向与室外新风的流动方向相同。
14.进一步的，还包括内循环过滤器、外循环过滤器以及用于汽水分离的挡水板，内循环过滤器位于内循环风机的出风口处，外循环过滤器安装于新风进风口朝向外循环腔室的一侧，所述挡水板安装于外循环风机的下方蓄冷冷凝器的上方。
15.进一步的，节流部件为电子膨胀阀。
16.进一步的，还包括控制系统，用于所述机组的监测、控制与切换。控制系统协同所述机组各部件良好配合，实现持续、稳定、可靠的供冷。
17.进一步的，还包括功率转换模块，功率转换模块为内循环风机、外循环风机、机械制冷蒸发器、电子膨胀阀、压缩机以及蓄冷冷凝器提供ups(uninterruptible power supply，不间断电源)备用电源，实现供电间断时的不间断供冷。
18.进一步的，蓄冷冷凝器通过蓄冷水管路与外部的蓄冷罐连接。
19.有益效果：
20.(1)本技术提案针对现有技术的不足，提供了一种适配型蒸发冷式热管耦合空调机组，包括了相互独立的热管制冷换热单元、机械制冷换热单元以及蒸发冷却喷淋单元，相比单一的机械制冷换热单元，可以大幅利用自然冷源，减少机械制冷单元分担的负荷，具有系统节能的优点，适用范围更广。
21.(2)本发明根据环境湿球温度切换工作模式，优先利用非压缩制冷，降低能耗；冬季时，本发明通过热管技术充分利用自然冷源即能满足数据机房全部的制冷需求，系统供电的电力系统发生意外停电故障时使用蓄冷模式；过渡季节时，本发明将蒸发冷技术与热管技术结合，充分利用自然冷源以满足数据机房制冷需求；在联合制冷模式下，在内循环模块内，本发明将蒸发冷技术与dx制冷换热系统结合，充分利用自然冷源对数据中心热通道高温回风进行一次冷却，再以蒸发冷技术与热管制冷换热系统结合，对次高温回风进行二次冷却，实现梯级冷却。在外循环模块内，室外新风同时带走热管冷凝器和机械制冷冷凝器二者的热量，外循环风机、内循环风机处于运行状态，并依据冷通道温度及热通道温度实现智能调速，热管循环喷淋水泵及机械制冷循环喷淋水泵处于运行状态，压缩机处于运行状态，并依据室外干湿球温度实现压缩机的智能启停，以满足数据机房制冷需求。
22.(3)本发明中，热管冷凝器和机械制冷冷凝器均为蒸发冷换热芯体，热管冷凝器布置于蓄冷冷凝器下层；机械制冷冷凝器布置于热管单元冷凝器下层；热管蒸发器、机械制冷蒸发器以及压缩机均位于内循环腔室的下部区域，热管蒸发器与室内送风口相对，机械制冷蒸发器位于热管蒸发器与压缩机之间；机械制冷蒸发器对室内回风进行一次预冷，热管蒸发器将已经过机械制冷蒸发器冷却后的室内空气做二次冷却，为数据机房提供冷风。因此，本发明通过在热管制冷换热系单元与机械制冷换热单元联合运行时，充分利用蒸发冷却热湿交换作用，提高了热管冷凝器和机械制冷冷凝器的散热效率，同时实现了梯级冷却。
23.(4)本发明通过热管制冷换热单元、机械制冷换热单元、热管循环喷淋水泵、机械制冷循环喷淋水泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门的启停，可以实现系统运行模式的连续切换；热管制冷换热单元、机械制冷换热单元、蒸发冷却喷淋单元均可独立运行，避免了短时间内环境变化幅度较大导致运行模式切换引起的系统制冷能力不足的问题。
24.(5)本发明中，当热管蒸发器可选择地与蓄冷冷凝器连接，从而形成热管制冷蓄冷换热单元；蓄冷冷凝器通过蓄冷水管路与外部的蓄冷罐连接；在市电断电时，功率转换模块为内循环风机和外循环风机提供ups备用电源，从而使热管制冷蓄冷换热单元能为数据中心提供持续制冷能。
25.(6)本发明融合ups供配电，设置功率转换模块，冷电融合，极简供电链路，融合储能降峰，提升出电率，节省占地。
26.(7)本发明适配各种数据机房，采用机房同层侧面设备区安装，弥散送风，吊顶回风；内循环腔室和外循环腔室相互独立，送排风完全隔离，形成完整合理的气流组织。
附图说明
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述
和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
28.图1为本发明的一种实施例的一种适配型蒸发冷式热管耦合空调机组在数据机房内的安装示意图。
29.图2为本发明的一种实施例的一种适配型蒸发冷式热管耦合空调机组的正视图。
30.图3为图2所示的一种适配型蒸发冷式热管耦合空调机组的侧视图。
具体实施方式
31.下面结合图纸对本发明作详细说明。
32.本发明的附图标记如下：内循环风机1，内循环过滤器2、室内回风口3、室内送风口4、热管蒸发器5、机械制冷蒸发器6、电子膨胀阀7、压缩机8、循环水集水槽9、外循环过滤器10、机械制冷布水器11、机械制冷循环喷淋水泵12、机械制冷冷凝器13、热管循环喷淋水泵14、热管布水器15、热管冷凝器16、外循环风机17、挡水板18、新风进风口19、蓄冷冷凝器20、第一阀门21、第二阀门22、功率转换模块23、第三阀门24、第四阀门25、室外出风口26、第一隔板27、第二隔板28、蓄冷水管路29、屋面30、机柜31、主机房32、设备间33、机组箱体34、内循环腔室35、外循环腔室36。
33.如图1至图3所示，本发明提供了一种适配型蒸发冷式热管耦合空调机组，主要包括机组箱体34、内循环模块以及外循环模块；机组箱体34的内部空间被隔板分隔成相互独立的内循环腔室35和外循环腔室36，内循环模块位于内循环腔室35，外循环模块位于外循环腔室36。
34.如图1所示，该机组可以安装在主机房32旁边的设备间33，该机组与机房32隔离，采用弥漫式送风方式将低温的室内回风输送至主机房32内，主机房32内热通道封闭，室内回风通过室内吊顶回到该机组的内循环腔室，该机组的排风通过排风井排至屋面30，送排风完全隔离，形成完整合理的气流组织。
35.如图2所示，内循环模块包括用于抽吸室内空气的内循环风机1、热管蒸发器5、机械制冷蒸发器6、电子膨胀阀7、压缩机8。外循环模块自上而下依次包括用于抽吸室外新风的外循环风机17、蓄冷冷凝器20，热管冷凝器16、热管布水器15、热管循环喷淋水泵14、机械制冷冷凝器13、机械制冷循环喷淋水泵12、机械制冷布水器11以及循环水集水槽9。热管蒸发器5通过管路可选择地与热管冷凝器16或者蓄冷冷凝器20的泠凝器主体连接。当热管蒸发器5通过管路与热管冷凝器16连接时，形成热管制冷换热单元；当热管蒸发器5通过管路与蓄冷冷凝器20的泠凝器主体相连接时，形成热管制冷蓄冷换热单元。机械制冷蒸发器6、电子膨胀阀7、压缩机8、机械制冷冷凝器13通过管路连接，从而形成机械制冷换热单元。其中，热管冷凝器16和机械制冷冷凝器13均采用蒸发冷换热芯体。循环水集水槽9、机械制冷布水器11、机械制冷循环喷淋水泵12、热管循环喷淋水泵14、热管布水器15共同构成蒸发冷却喷淋单元。热管循环喷淋水泵14的入水口通过管道与循环水集水槽9相连通，热管循环喷淋水泵14的排水口通过管道与热管布水器15相连通。热管循环喷淋水泵14用于将循环水集水槽9内的循环水输送至热管布水器15。机械制冷循环喷淋水泵12的入水口通过管道与循环水集水槽9相连通，机械制冷循环喷淋水泵12的排水口与机械制冷布水器11相连通，机械制冷循环喷淋水泵12用于将循环水集水槽9内的循环水输送至机械制冷布水器11。
36.如图2所示，内循环腔室的顶部开设有室内回风口3，内循环风机1安装在室内回风
口3的下方。内循环腔室与外循环腔室相对的侧面下部开设有室内送风口4，空气从室内回风口3进入内循环腔室，依次经过进风管道、机械制冷蒸发器6、热管蒸发器5后，从室内送风口4排出。外循环腔室的顶部开设有室外出风口26，外循环腔室的下部两侧开设有新风进风口19，室外新风从新风进风口19进入，依次经过机械制冷布水器11、机械制冷冷凝器13、热管布水器15、热管冷凝器16、蓄冷冷凝器20、外循环风机17后，从室外出风口26排出。优选的，机械制冷布水器11的喷淋方向以及热管布水器15的喷淋方向均与室外新风的流动方向相同。优选的，如图1所示，本机组还包括内循环过滤器2，内循环过滤器2位于内循环风机1的出风口处。通过设置内循环过滤器2，用于过滤和净化抽吸入内循环腔室的室内空气。优选的，如图1所示，本机组还包括外循环过滤器10，外循环过滤器10位于新风进风口19朝向外循环腔室的一侧。优选的，如图1所示，本机组还包括用于汽水分离的挡水板18，所述挡水板18位于外循环风机17的下方、蓄冷冷凝器20的上方。优选的，本机组还包括控制系统，用于机组的监测、控制与切换。
37.如图2所示，本机组还包括第一隔板27和第二隔板28，第一隔板27与内循环过滤器2共同将内循环腔室分为上中下三个区域，中间区域被第二隔板28分割成左侧空间和右侧空间，功率转换模块23位于中间区域的左侧空间内。中间区域的右侧空间与内循环腔室的上、下区域连通，形成冷风通道。热管蒸发器5、机械制冷蒸发器6以及压缩机8均位于内循环腔室的下部区域，热管蒸发器5与室内送风口4相对，机械制冷蒸发器6位于热管蒸发器5与压缩机8之间。
38.具体的，为了实现蓄冷冷凝器20与热管冷凝器16的切换，本机组还包括第一阀门21、第二阀门22、第三阀门24以及第四阀门25，第一阀门21的一端与蓄冷冷凝器20的一端通过管路连接，第二阀门22的一端与蓄冷冷凝器20的另一端通过管路连接，第三阀门24的一端与热管冷凝器16通过管路连接，第四阀门25的一端与热管冷凝器16的另一端通过管路连接，第一阀门21的另一端与第三阀门24的另一端并联于热管蒸发器5的一端；第二阀门22的另一端与第四阀门25的另一端并联于热管蒸发器5的另一端；通过控制第一阀门21、第二阀门22、第三阀门24以及第四阀门25的开启与关闭，实现蓄冷冷凝器20与热管冷凝器16的切换。
39.由此，本发明具有四种工作模式，分别为纯热管自然冷模式(即第一模式)、蒸发冷热管模式(即第二模式)、联合制冷模式(即第三模式)以及蓄冷模式(即第四模式)。在全年运行过程中，该机组根据室外湿球温度和干球温度界定四种工作模式的切换条件。
40.在冬季，当室外环境干球温度≤6℃时，该机组通过热管技术充分利用自然冷源即能满足数据机房全部的制冷需求，内循环风机1、热管蒸发器5、热管冷凝器16、外循环风机17、第三阀门24以及第四阀门25均启用，机械制冷蒸发器6、压缩机8、机械制冷冷凝器13、热管循环喷淋水泵14、热管布水器15、机械制冷循环喷淋水泵12、机械制冷布水器11、蓄冷冷凝器20、第一阀门21以及第二阀门22均关闭，该机组处于纯热管自然冷模式。
41.该机组在纯热管自然冷模式下的工作过程如下所示；在内循环腔室内，内循环风机1将室内回风从室内回风口3抽吸入机组内循环模块，经过内循环过滤器2得到过滤净化。净化过滤后的室内回风经过热管蒸发器5降温后从室内送风口4送入机房内。在外循环腔室内，在外循环风机17的抽吸作用下，冬季低温的室外新风从外循环腔室的两侧新风进风口19进入，经过热管冷凝器16并带走其热量。换热以后的室外新风再经挡水板18彻底汽水分
离后，从室外出风口26向室外排出。
42.在过渡季节，当室外环境湿球温度≤13℃时，该机组将蒸发冷技术与热管技术结合，充分利用自然冷源以满足数据机房制冷需求，内循环风机1、热管蒸发器5、热管冷凝器16、外循环风机17、热管循环喷淋水泵14、热管布水器15、第三阀门24以及第四阀门25均启用，机械制冷蒸发器6、压缩机8、机械制冷冷凝器13、机械制冷循环喷淋水泵12、机械制冷布水器11、蓄冷冷凝器20、第一阀门21以及第二阀门22均关闭，该机组处于蒸发冷热管模式。
43.该机组在蒸发冷热管模式下的工作过程如下所示；在内循环腔室内，内循环风机1将室内回风从室内回风口3抽吸入机组内循环模块，经过内循环过滤器2得到过滤净化。在外循环腔室内，在外循环风机17的作用下，室外新风从外循环腔室的两侧新风进风口19进入，并与热管布水器15喷淋水发生充分热湿交换。热湿交换后的室外新风将热管冷凝器16的热量带走。换热以后的室外新风再经挡水板18彻底汽水分离后，从室外出风口26向室外排出。同时，热管循环喷淋水泵14把循环水集水槽9中的水由下部提升至上部的热管布水器15中，热管布水器15向上进行喷淋，室外新风与热管布水器15喷淋水同方向流动，使喷淋水形成液膜均匀覆盖在热管冷凝器16表面。通过水膜与室外新风发生热湿交换，循环水的温度被降低。低温的循环水回收至循环水集水槽9中后，又被送到热管布水器15进行喷淋，如此循环。
44.在夏季，当13℃＜室外环境湿球温度≤35℃时，内循环风机1、热管蒸发器5、热管冷凝器16、外循环风机17、热管循环喷淋水泵14、热管布水器15、机械制冷蒸发器6、压缩机8、机械制冷冷凝器13、机械制冷循环喷淋水泵12、机械制冷布水器11、第三阀门24以及第四阀门25均启用，蓄冷冷凝器20、第一阀门21以及第二阀门22均关闭，该机组处于联合制冷模式。
45.在联合制冷模式下，在内循环模块内，该机组将蒸发冷技术与dx制冷换热系统结合，充分利用自然冷源对数据中心热通道高温回风进行一次冷却，再以蒸发冷技术与热管制冷换热系统结合，对次高温回风进行二次冷却，实现梯级冷却。在外循环模块内，室外新风同时带走热管冷凝器16和机械制冷冷凝器13二者的热量，外循环风机17、内循环风机1处于运行状态，并依据冷通道温度及热通道温度实现智能调速，热管循环喷淋水泵14及机械制冷循环喷淋水泵12处于运行状态，压缩机8处于运行状态，并依据室外干湿球温度实现压缩机8的智能启停，以满足数据机房制冷需求。上述提及的外循环风机17和内循环风机1的智能调速技术以及热管循环喷淋水泵14和机械制冷循环喷淋水泵12的智能启停技术属于本领域的现有技术，本实施例不作具体限定。
46.该机组在联合制冷模式下的工作过程如下所示；在内循环腔室内，在内循环风机1的抽吸作用下，室内回风经过室内回风口3进入内循环模块，经过内循环过滤器2过滤净化后，先通过机械制冷蒸发器6一次预冷，再通过热管蒸发器5进行二次预冷。经过两次预冷且满足温湿度要求的空气由室内送风口4送入机房内。同时，在外循环风机17的抽吸作用下，室外新风经新风进风口19进入外循环模块，优选地采用两侧进风的方式，顺流而上。机械制冷布水器11和热管布水器15喷淋水的喷淋方向与室外新风在内循环模块内流动的方向相同，使喷淋水形成液膜均匀覆盖在机械制冷冷凝器13和热管冷凝器16表面，从而最大程度地提高了换热面积的利用率和换热效率。换热以后的室外新风再经挡水板18彻底汽水分离后，从室外出风口26向室外排出。在此过程中，室外新风经过机械制冷冷凝器13和热管冷凝
器16，带走其热量。
47.当系统供电的电力系统发生意外停电故障时，该机组进入蓄冷模式。在蓄冷模式下，机械制冷蒸发器6、压缩机8、机械制冷冷凝器13、机械制冷循环喷淋水泵12、机械制冷布水器11、热管循环喷淋水泵14、热管布水器15、第三阀门24以及第四阀门25均关闭，内循环风机1、热管蒸发器5、热管冷凝器16、外循环风机17、蓄冷冷凝器20、第一阀门21以及第二阀门22均启用。在蓄冷模式下，该机组的功率转换模块23为内循环风机1、热外循环风机17、蓄冷冷凝器20、第一阀门21以及第二阀门22供电。
48.该模式的设置是为了保证当系统供电的电力系统发生意外停电故障时，该机组仍然能够维持正常运行，从而允许系统设备任何计划性的动作而不会导致机房设备的任何服务中断。蓄冷冷凝器20的蓄冷罐通过蓄冷水管路29与外部的蓄冷罐相连接。在内循环腔室内，内循环风机1将室内回风从室内回风口3抽吸入机组内循环模块，经过内循环过滤器2得到过滤净化。净化过滤后的室内回风经过热管蒸发器5降温后从室内送风口4送入机房内。在外循环腔室内，在外循环风机17的抽吸作用下，室外新风从外循环腔室的两侧新风进风口19进入，经过蓄冷冷凝器20并带走其热量，使流经蓄冷冷凝器20的循环冷媒降温。降温后的循环介质，依靠重力输送到热管蒸发器5，对室内回风进行降温处理。换热以后的室外新风再经挡水板18彻底汽水分离后，从室外出风口26向室外排出。
49.由于环境湿球温度是连续变化的，故该机组的三种模式之间的切换关系包括以下三种情况，分别为第一模式到第二模式、第二模式到第三模式、第三模式到第一模式；第四模式属于特殊情况，可以实现第一模式到第四模式、第二模式到第四模式、第三模式到第四模式。
50.本发明提供了一种适配型蒸发冷式热管耦合空调机组的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。