一种数据中心用双源独立控制的制冷空调及余热利用系统

1.本发明涉及制冷空调及余热利用技术领域，具体涉及一种数据中心用双源独立控制的制冷空调及余热利用系统。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.随着5g、人工智能、大数据、云计算等大规模应用，数据中心的发展愈加迅猛，各种大型、超大型数据中心的建设与日俱增。数据中心是为集中放置电子信息设备提供运行环境的建筑场所，能耗巨大。其耗能主要为三部分：互联网数据中心设备、供配电系统和制冷系统，其中由制冷系统运行带来的非生产能耗占数据中心总能耗的40％，降低这部分能耗是提高数据中心能效的重要研究方向。
4.此外，国内外数据中心采用的冷却技术大多未回收it设备余热，数据中心所使用的服务器和网络传输设备将电能转化为热能，最终被空调系统散到室外环境中，没有被充分利用，亦造成极大的损失。
5.因此，降低数据中心能耗，合理回收利用数据中心散发的余热，是目前亟待解决的问题。
6.目前对数据中心制冷空调系统在设计时，多采用新风与回风混合后集中处理，或者在冬季和过渡季节采用全新风系统来最大限度利用自然冷源。同时在选择提供空调冷负荷的制冷机组时也没有考虑其中冷负荷项的组成与变化，基本都是把最大冷负荷平分后选择几台冷量相同的机组。但是分析空调系统冷负荷可以发现，数据中心的围护结构冷负荷和新风冷负荷是逐日逐时变化的，夏天需要制冷，冬天需要供热；另外为了保证任何情况下都保证数据中心内的设计参数，计算出的冷负荷的最大值与大部分运行状态时的冷负荷值相差非常大。而数据中心中的it设备和照明造成的冷负荷全年波动不大，都需要全年进行制冷。把它们混在一起集中处理不利于机组的选择，并且大大增加了能耗。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种数据中心用双源独立控制的制冷空调及余热利用系统，能够降低能耗，提高能量利用率。
8.本发明的技术方案如下：
9.在本发明的第一方面，提供了一种数据中心用双源独立控制的制冷空调及余热利用系统，包括内源制冷系统和外源制冷/制热系统；
10.内源制冷系统，用于为内源提供冷量，包括依次连接的蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀，构成制冷剂的闭合回路；
11.外源制冷/制热系统，用于为外源提供冷量或热量，包括补风管道，所述补风管道
与新风管道、舒适性空调排风管道相连。
12.在本发明的一些实施方式中，所述内源包括it设备和照明，所述外源包括围护结构和新风。
13.在本发明的一些实施方式中，所述内源制冷系统上设置部分热回收冷凝器和全热回收冷凝器。
14.在本发明的一些实施方式中，所述部分热回收冷凝器和全热回收冷凝器均与蓄水箱、外源制热系统的加热器连接。
15.在本发明的一些实施方式中，所述新风管道上设置温湿度传感器、可调风阀、初效过滤器和加热器。
16.在本发明的一些实施方式中，所述舒适性空调排风管道上设置温湿度传感器、可调风阀和风机。
17.在本发明的一些实施方式中，所述补风管道上设置表冷器、加热器、加湿器和中高效过滤器，其中，表冷器与制冷机组相连。
18.在本发明的一些实施方式中，所述表冷器的下部设置冷凝水盘，冷凝水盘与冷凝水箱连接，所述冷凝水箱通过水泵与预冷换热器相连，预冷换热器设置在补风管道上。
19.在本发明的一些实施方式中，所述内源制冷系统的蒸发器处设置蓄冷装置。
20.在本发明的一些实施方式中，所述内源制冷系统对内源进行全年制冷；所述外源制冷/制热系统的补风分三种工况运行，包括冷却除湿、冷却加湿和加热加湿。
21.本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
22.(1)本发明结合数据中心内冷负荷的特点，把不受外界影响的it设备和照明的内源，与受外界影响的围护结构和新风的外源分开考虑，独创性地提出对数据中心内外源进行双源独立控制的制冷空调系统。内源的全年制冷由具有热回收功能的制冷机组来完成；外源的冷热处理全部由补风来承担，根据外源负荷的全年动态变化分析的冷负荷时频来选择夏季用制冷机组，冬季则利用内源回收的热量，提高了能量利用率。
23.(2)本发明的内源制冷系统中设部分热回收冷凝器、全热回收冷凝器和冷凝器，两个热回收冷凝器分别提供60℃～65℃、40℃～45℃的热水，冷凝器保证制冷剂参数满足循环要求。
24.(3)本发明的外源制冷系统中补风冷却除湿过程中生成的冷凝水对补风预冷，之后作为补水补充到余热利用系统中。
25.(4)本发明利用数据中心建筑及其园区内其他舒适性空调系统的排风作为数据中心的补风来源之一，以最大化利用废弃风的冷量(夏季)与热量(冬季)。
26.(5)本发明将数据中心与其所在建筑物乃至整个园区、社区结合，进行系统性和整体性设计，所提出的数据中心用双源独立控制的制冷空调及余热利用系统将数据中心作为一个全年性热源，最大化进行能量的回收利用，且最大化降低数据中心的水利用效率(wue)，减少了数据中心的水耗。
附图说明
27.图1为本发明的系统结构示意图。
28.图中：1为数据中心机房空调，2为冷冻水水泵，2-1为冷却水水泵，2-2至2-7均为水
泵，3为蒸发器，4为膨胀阀，5为冷凝器，6以及6-1至6-5均为单向阀，7为冷却塔，8为压缩机，9以及9-1至9-8均为电磁阀，10为部分热回收冷凝器，11和11-1为电动调节阀，12为全热回收冷凝器，13和13-1为温度传感器，14为高温热水蓄水箱，14-1为低温热水蓄水箱，14-2为冷凝水水箱，15和15-1为风机，16为中高效过滤器，17为加湿器，18为第一加热器，18-1为第二加热器，19为表冷器，20为预冷换热器，21为初效过滤器，22和22-1为可调风阀，23以及23-1至23-3均为温湿度传感器，24为制冷机组，25为蓄冷装置。
具体实施方式
29.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
31.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.实施例1
33.本发明的一种典型的实施方式中，提出了一种数据中心用双源独立控制的制冷空调及余热利用系统，如图1所示，包括内源制冷系统和外源制冷/制热系统；
34.内源制冷系统，用于为内源提供冷量，内源包括it设备和照明等，此类冷负荷不受外界影响，内源制冷系统包括依次连接的蒸发器3、压缩机8、冷凝器5、膨胀阀4，构成制冷剂的闭合回路，因此，数据中心机房空调1所需的冷冻水从蒸发器3获得，由冷冻水水泵2泵送至数据中心机房空调并且往复循环。
35.内源制冷系统上设置部分热回收冷凝器10和全热回收冷凝器12，其中，部分热回收冷凝器10设置在压缩机8和冷凝器5之间，用于实现对经过的高温高压的气态制冷剂进行显热回收，部分热回收冷凝器10处设置旁通管路，旁通管路上设置电磁阀9-1，部分热回收冷凝器10经过水泵、阀门等与高温热水蓄热箱14相连，可以将回收的热量用来加热水，将热水供给用户使用；全热回收冷凝器12与冷凝器5并联设置，用于对制冷剂进行全热回收，全热回收冷凝器12经过水泵、阀门等与低温热水蓄水箱14-1相连，可以将回收的热量用来加热水，将热水供给用户使用；高温热水蓄热箱14和低温热水蓄水箱14-1上均设置温度传感器，用来实时测量高温热水蓄热箱和低温热水蓄水箱内的热水温度。
36.进一步地，冷凝器5经过水泵2-1与冷却塔7相连，用于对多余的热量进行散热。
37.进一步地，内源制冷系统的蒸发器处设置蓄冷装置，可以对蒸发器产生的冷量进行蓄冷，在突然停电时使用。
38.所述外源制冷/制热系统，用于为外源提供冷量或热量，所述外源包括围护结构和新风等，此类冷/热负荷会受到外界的影响，因此，对外源的冷热处理全部由补风来承担，所
述外源制冷/制热系统包括补风管道，所述补风管道与新风管道、舒适性空调排风管道相连。
39.所述新风管道上设置温湿度传感器23-1、可调风阀22、初效过滤器21和第二加热器18-1，所述舒适性空调排风管道上设置温湿度传感器23-3、可调风阀22-1和风机15-1，所述补风管道上设置表冷器19、第一加热器18、加湿器17、中高效过滤器16、温湿度传感器23和风机15，其中，表冷器19与制冷机组24相连，所述表冷器的下部设置冷凝水盘，冷凝水盘与冷凝水箱14-2连接，所述冷凝水箱通过水泵与预冷换热器20相连，预冷换热器20设置在补风管道上，新风经过处理后和舒适性空调的排风进行混合，经过冷却或加热处理后为外源提供冷量或热量，实现对外源的制冷或制热。
40.外源制冷/制热系统的第一加热器18与内源制冷系统的部分热回收冷凝器10的热水管道相连，可以为第一加热器提供热量，外源制冷/制热系统的第二加热器18-1与内源制冷系统的全热回收冷凝器12的热水管道相连，可以为第二加热器提供热量，进一步地，部分热回收冷凝器10的热水管道和全热回收冷凝器12的热水管道相连通，这样当部分热回收冷凝器和全热回收冷凝器只有其中一个使用湿，也可实现为第一加热器和第二加热器同时提供热量。
41.进一步地，为了实现在不同工况下对整个系统的控制，系统中设置多个单向阀、电磁阀和电动调节阀等。
42.本实施例的系统的工作原理和运行状态如下：
43.由于内源负荷不随季节变化，需全年制冷；外源负荷随季节变化，全年不同季节存在不同的运行状态，所以分别从夏季、冬季及过渡季节的运行状态进行具体描述。
44.夏季：
45.内源部分：数据中心机房空调1所需的冷冻水从蒸发器3获得，由冷冻水泵2泵送往复循环。从蒸发器3出来的低温低压气态制冷剂经压缩机8压缩后，成为高温高压的气态制冷剂，经过部分热回收冷凝器10进行显热回收。显热回收热量用于加热高温热水蓄水箱14中的水，经过升温后的水蓄存在高温热水蓄水箱中，供用户侧使用。当蓄水箱14中的温度传感器13达到设定上限温度tmax1后，控制器控制关闭电磁阀9，开启电磁阀9-1，则制冷剂经电磁阀9-1后旁通运行，不再流经部分热回收冷凝器10进行热回收。
46.降温后的制冷剂而后经过全热回收冷凝器12进行进一步全热回收，温度进一步降低。全热回收热量加热低温热水蓄水箱14-1中的水供用户侧使用。同样在蓄水箱14-1中的温度传感器13-1达到设定上限温度tmax2后，控制器控制开启电动调节阀11，关闭电动调节阀11-1，制冷剂通过电动调节阀11后流经冷凝器5降温。降温过程是通过冷却水泵2-1经冷却塔7向空气放热完成的。当温度传感器13-1的实测值位于t1(由水箱容积及制冷量确定)和tmax2之间时，根据设置的计算程序通过控制器控制电动调节阀11和11-1的开度，调节流经全热回收冷凝器12和冷凝器5的流量完成制冷循环。当温度传感器13-1的实测值小于t1时，则关闭电动调节阀11，制冷剂全部流经全热回收冷凝器12完成制冷循环。
47.降温后的低温高压液态制冷剂经过膨胀阀4节流降压后成为低温低压液态制冷剂，流入蒸发器3放热，完成整个制冷循环。
48.外源部分：补风冷却是通过制冷机组24提供的冷冻水经冷冻水泵2-6输送到表冷器19制冷运行完成，承担围护结构冷负荷和新风冷负荷。制冷机组24根据围护结构冷负荷
和新风冷负荷的全年动态变化的冷负荷时频来选择，并进行各种机型的最佳匹配选择。表冷器19表面上生成的低温冷凝水经其下部的冷凝水盘收集到冷凝水水箱14-2，而后通过水泵2-7泵入预冷换热器20后，温度升高，进一步处理后作为补水供给冷却塔7以及蓄水箱14和14-1。
49.舒适性空调排风经过可调风阀22-1进入风道，经风机15-1送至送风主管道；室外新风经过可调风阀22及初效过滤器21与舒适性空调排风混合，而后经过预冷换热器20，被预冷的混合风再经过表冷器19冷却除湿，然后经过中高效过滤器16过滤后，由风机15送入机房内部进行补风和降温。
50.冬季：
51.内源部分与夏季一致。
52.外源部分：补风承担围护结构热负荷和新风热负荷。室外新风自新风管道送入，通过温湿度传感器23-1、可调风阀22及初效过滤器21后，为防止室外新风温度过低与舒适性空调的排风混合后结露，先经加热器18-1预热。此时，若机房空调热回收系统采用全热回收冷凝器12运行，则开启电磁阀9-7，回收的热水一部分用于低温热水蓄水箱14-1蓄水，一部分用于第二加热器18-1预热，剩余部分用于第一加热器18加热；若机房空调热回收系统只采用部分热回收冷凝器10运行，则开启电磁阀9-3和9-4，由部分热回收的热水一部分用于高温热水蓄水箱14的蓄水，一部分用于第二加热器18-1预热，剩余部分用于第一加热器18加热。加热后的室外新风与舒适性空调排风混合后再通过第一加热器18、加湿器17及高效过滤器16后，由风机15送入数据中心内。第一加热器8和第二加热器18-1本身也具有加热功能，可以进行辅助加热。
53.过渡季节：
54.内源部分与夏季一致。
55.由于过渡季节舒适性空调较少运行，舒适性空调排风占比较少，主要以室外新风为主，若存在舒适性空调排风，则根据设置在新风管道和舒适性空调排风的温湿度传感器23-1和23-3的数值和设定的计算程序来控制新风和舒适性空调排风的可调风阀22和22-1的开启。
56.室外新风先后经过温湿度传感器23-1、可调风阀22、初效过滤器21，进入新风处理部分，由温湿度传感器23-1检测的新风温湿度数据，及温湿度传感器23和23-2检测的送、排风温湿度数据，通过计算程序判定对所引入的新风采取加热、加湿或冷却、减湿等处理方式。如若新风需加热加湿，则根据用户选择开启热回收冷凝器的方式，由第一加热器18或第二加热器18-1完成加热后，再经过加湿器17，而后经高效过滤器16，由风机15送入机房内部。如若新风需冷却减湿，则开启制冷机组24，由表冷器19和预冷热交换器20对引入新风进行冷却减湿，而后经高效过滤器16，由风机15送入机房内部。如若新风需冷却加湿，则由表冷器19对引入新风进行等湿冷却，而后再经过加湿器17，高效过滤器16，由风机15送入机房内部。等湿冷却需要的高温冷冻水，可以采用蓄冷水池25储存的水，也可以开启制冷机组24，联合其他设置提供。
57.突然停电时：
58.当数据中心突然停电时，备用发电机启动，控制电磁阀9-8开启，使冷冻水水泵2抽取蓄冷装置25储存的冷水提供给数据中心机房空调，直至备用电源使制冷机组的制冷剂能
够重新循环工作。当备用发电机组停用时，自动关闭电磁阀9-8，使冷冻水水泵2由正常机组电控系统接管控制，恢复正常的空调系统运行。
59.外源制热系统的启停控制方式：
60.该系统分别在数据中心机房内、补风送风管道内、室外新风进风管道内及舒适性空调排风进风管道内安装温湿度传感器23-2、23、23-1、23-3，由plc控制器根据检测数据调节控制风机15的运转频率从而调节送风量，相应的调节可调风阀22及22-1的开合角度，对室外新风及舒适性空调排风进行定量且有比例的引入，并且23-1的温湿度检测可以确定第二加热器18-1的启停，从而可以明确二者混风后的管道风状态参数，通过逻辑运算(主要对比进风、送风、混风等节点焓值、温度值的关系)，判断并控制表冷器19、第一加热器18及加湿器17的启停状态。其中第一加热器18的热水根据部分热回收冷凝器10是否运行分为两种来源。若部分热回收冷凝器10运行，则控制开启电磁阀9-6及水泵2-4，完成热交换。若部分热回收冷凝器10不运行，则控制开启电磁阀9-2及水泵2-4，由蓄水箱14中的热水供给完成热交换。
61.当舒适性空调排风与室外新风均存在的情况下，优先通过调节风阀22和22-1改变新、排风混合比例来改变状态参数，减少机组运行、降低能耗。
62.本实施例提供的数据中心用双源独立控制的制冷空调及余热利用系统，结合数据中心内冷负荷的特点，把不受外界影响的it设备和照明的内源，与受外界影响的围护结构和新风的外源分开考虑，独创性地提出对数据中心内外源进行双源独立控制的制冷空调系统。并将数据中心与其所在建筑物乃至整个园区、社区结合，进行系统性和整体性设计，充分利用其他舒适性空调系统的排风作为数据中心的补风来源之一，并将数据中心作为一个全年性热源，夏天可以为园区和社区提供生活用热水，用于洗手、淋浴，甚至制冷。冬季除提供生活用热水外，还可以作为采暖的热源。
63.双源独立控制的制冷空调系统，对内源的全年制冷由具有热回收功能的制冷机组提供的冷冻水来完成；对外源的冷热处理全部由补风来承担，根据其负荷的全年动态变化所分析的冷负荷时频来选择夏季用制冷机组，并进行各种机型的最佳匹配选择。补风全年分3种工况运行：冷却除湿、冷却加湿和加热加湿。由其进入数据中心前的测温元件和测相对湿度元件来感应并控制相应设备的开启和关闭，以满足送风点参数要求。
64.新风的冷却过程用制冷机组提供的冷冻水经表冷器完成。低温冷冻水对新风进行冷却的同时伴随着除湿，将除湿过程中生成的冷凝水收集到蓄水箱，泵入到对新风预冷的预冷器后可以作为补水补充到余热利用系统中。冬季采用从内源回收的热量来加热新风，无需再单独设置锅炉、热泵等热源，进一步节约初投资。加热新风有两个加热器，起预热作用的预热器和主加热器。根据测温元件和测相对湿度元件来控制冷却减湿、加热及加湿设备的开启和关闭，以满足送风点参数要求。
65.此外，因为供给数据中心的“新风”主要是为了满足室内正压的要求，相比舒适性空调来说，不是必须如舒适性空调要求采用室外洁净的新风，说补风更合适。因此可以进一步从园区的整体性和系统性上考虑，充分利用数据中心建筑及其园区内其他舒适性空调系统的排风作为数据中心的补风。舒适性空调的排风温度和相对湿度相比室外空气来说，更接近于数据中心的补风参数，因此可以进一步减少处理补风的冷热负荷需求，从而减少设备容量，减小初投资。
66.在舒适性空调运行期间，数据中心的补风优先采用舒适性空调系统的排风。根据测量室外新风和舒适性空调排风两个风道内的温湿度，通过设定的计算程序来调整两个风道中风阀的开启与开启度，以最大化利用舒适性空调排风的冷量(夏季)与热量(冬季)。
67.舒适性空调停止运行时，数据中心的补风全部采用室外空气。根据测量室外新风风道内的温湿度，通过设定的计算程序来调整风阀的开启度。
68.对于内源进行全年制冷的制冷机组，可以根据数据中心类型提供的服务确定it设备的负载变化，选择匹配的压缩机(类型、制冷剂、是否变频等)。
69.部分热回收冷凝器可以提供60℃～65℃的热水(量少)。夏季制冷剂优先通过部分热回收冷凝器放热以降温，当其蓄水箱内的温度达到设定的最高温度(如65℃)，则通过改变阀门的开启使之不再通过部分热回收冷凝器，而通过旁通管路流动。当其蓄水箱内的温度达到设定的低温时(如55℃)，则改变阀门开启关闭旁通优先通过部分热回收冷凝器。冬季由用户根据需求确定是否优先通过部分热回收冷凝器。如果获得优先权，则与夏季相同的流程与控制。如果确定冬季全热回收冷凝器优先，则冬季走旁通管路，部分热回收冷凝器关闭。
70.全热回收冷凝器可以提供大量的40℃～45℃热水。降温后的制冷剂优先通过全热回收冷凝器放热以继续降温，当与其匹配的蓄水箱内温度达到设定的最高温度(如45℃)，则通过改变阀门的开启使之不再通过部分热回收冷凝器，而流入冷凝器降温。当其蓄水箱内的温度达到设定的低温时(如35℃)，则改变阀门开启进行切换，使其进行优先通过全热热回收冷凝器的循环。
71.制冷剂在冷凝器内将热量传递给冷却水，完成制冷循环对制冷剂的降温温度要求。通过冷却水泵的泵送，冷却水通过冷却塔降温，将热量散发到大气中。冷却水泵根据设计计算，选择匹配的类型和是否变频。冷却水泵的开启与冷凝器前的阀门同步。
72.冬季对补风进行预热和加热的加热器需要的热水由部分热回收冷凝器和全热回收冷凝器来提供。为了避免由于用户优先权选择问题导致两个冷凝器仅开通一个，设置旁通管路，以在全年任何需要热水的时候都可以满足要求。旁通管路的开启由两个水箱和风道内的温度传感器来根据设定的逻辑控制来完成。通过加热器的变频水泵由风道内的温度传感器来控制。
73.由于部分热回收冷凝器的蓄水箱和全热回收冷凝器的蓄水箱内的水处于动态，用户在不停地用水，所以需要进行动态补水。而冷却塔工作时，也需要补水。这三处的补水可以采用处理后的软化水、自来水，还可以是夏季表冷器上生成的冷凝水。冷凝水经处理后优先供给冷却塔补水。
74.以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。