一種動態雙冷源預冷節能空調系統的制作方法

一種動態雙冷源預冷節能空調系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種用于數據中心制冷的動態雙冷源預冷節能空調系統，包括蒸發器、經濟盤管、風機、水流量調節閥、水溫傳感器、溫濕度傳感器、內置板式冷凝換熱器等內機結構，還包括水泵、冷卻塔等。本發明采用變冷量壓縮機，檢測冷卻塔出水溫度來控制壓縮機輸出，實現在高水溫情況下同時開啟經濟盤管制冷和壓縮機制冷的目的，從而最大化的利用了自然冷源。本空調系統占地面積小，室外占地空間小。按照目前設計計算，在上海地區，初投資較冷凍水系統下降30％以上，相對風冷空調節能36％以上，是傳統方案的有力補充和替代，具備廣泛的適應性。本發明節能效果顯著。
【專利說明】一種動態雙冷源預冷節能空調系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種數據中心用空調系統，可極大化利用室外自然冷源，起到節能降耗的目的。

【背景技術】
[0002]隨著信息化飛速發展，互聯網數據中心(Internet Data Center)已經成為各行各業最重要的一環，數據中心能耗非常巨大，其中制冷系統能耗可占據整個數據中心35% -50%甚至更多。數據中心制冷系統節能降耗的方法和思路很多，比如采用冷熱電聯供、清潔能源利用、溴化鋰無電空調、熱回收、冰蓄冷、熱管等，但這些方案工程非常復雜，涉及到的決策方面較多，其效果如何也受多種條件限制而無法保障。越來越多的客戶和設計方聚焦于如何利用室外自然冷源的技術達到節能的目的。本發明另辟蹊徑，采用動態制冷技術原理，結合預冷概念，最大化利用自然冷源，大幅增加數據中心利用自然冷的時間，從而大幅提聞節能性。
[0003]通常的數據中心采用自然冷的方法為在精密空調末端中增加經濟盤管，在室外溫度較低時，由室外換熱源提供換熱后的低溫冷媒介質進入經濟盤管運行。通常的形式為采用冷卻塔將換得的低溫水作為低溫冷媒。一般開啟溫度很低，在長江流域不具有節能經濟價值。
[0004]本發明提出數據中心預冷概念。預冷概念通常指將初始溫度(30°C左右)迅速降至所需要的終點溫度(O?15°C)的過程。即在冷藏運輸和高溫冷藏之前的冷卻以及快速凍結前得快速冷卻工序統稱為預冷。在數據中心行業中，預冷可以被引申為對制冷設施蒸發器盤管的預先降溫和冷卻。在蒸發器和進風口之間增加經濟盤管，經濟盤管中運行的載冷劑溫度通常高于蒸發器溫度而低于進風溫度，這樣和高溫的進風之間可以產生熱量交換，將進風溫度預先降低，從而減少蒸發器的冷量需求。
[0005]預冷系統能效比主要是由經濟盤管所能帶來的自然冷源冷量和其功耗之比來決定的。而這兩個數據基本都是在變動的，特別是自然冷源冷量，隨著室外環境溫度變化非常之大。本發明提出一個全新的定義來衡量這個指標，預冷經濟權衡指數EEP(EC0n0myExponent of Pre-Cooling),其定義如下:
EEp_EERP _ Qp χ ￡Pc+Pfi+Pfo+Pbl
EERC — Qc ZPfi+Pb2+Pfo
式中，
EEP-預冷經濟權衡指數，無量綱單位；
EERP-預冷系統能效比，kff/kff ；
EERC-正常制冷系統能效比，kff/kff ；
Qp-預冷系統制冷量，kff ；
Qc-E常制冷系統冷量，kff ；
Pc-壓縮機功率，可以是離心機，也可以是渦旋壓縮機，kff ；
Pf1-室內風機功率，kff Pfo-室外風機功率，可以是干冷器，也可以是冷卻塔風機，kff ;
Pbl-正常制冷系統循環水泵功率，kff ；
Pb2-預冷系統循環水泵功率，kW。
[0006]當EEP大于等于I時，預冷系統能效比超過正常制冷系統，具有節能意義和經濟價值，此時應盡可能的延長預冷系統工作時間；
[0007]當EEP小于I時，預冷系統不具有節能的經濟價值，此時應關閉預冷系統。
[0008]因此在數據中心預冷系統中，需要盡可能的增大Qp，即預冷系統制冷量，也就是說，在優化結構，盡可能不增加風阻的前提下，需要最大化的擴展經濟盤管的面積，從而使得在很高的室外環境下，經濟盤管能夠達到和正常制冷系統相近的冷量，從而實現在高環境溫度下可替代壓縮機制冷，達到節能的目的。
[0009]傳統的采用自然冷的方案中，要么開經濟盤管，要么開壓縮機制冷系統，二者并不同時運行。
[0010]由于傳統思路中經濟節能運行可提供冷量很小，通常需要在室外溫度低于O度時才可完全代替機組冷量，因此可開啟時間短，節能價值低。


【發明內容】

[0011]本發明所要解決技術問題就是為了實現大幅增加自然冷可運行的時間，將經濟盤管和壓縮機系統同時運行，達到經濟盤管在室外溫度低于室內溫度時即可運行，進行預冷節能的目的。
[0012]本發明的技術問題通過以下的技術方案予以解決:一種用于數據中心制冷的動態雙冷源預冷節能機組系統，包括蒸發器、經濟盤管、風機、三通水流量調節閥、水溫傳感器、回風溫濕度傳感器、內置板式冷凝換熱器、控制器、電氣空開、風機接觸器、冷媒銅管，還包括放氣閥、進水管、出水管、水泵、冷卻塔等。共同組成本預冷節能機組。
[0013]所述空調系統內置雙盤管換熱器，其中一種為蒸發器，其中運行氟利昂制冷劑，和內置的壓縮機、板式冷凝換熱器組成壓縮機制冷系統。其中壓縮機采用動態變冷量壓縮機，可采用數碼渦旋壓縮機、變頻壓縮機或其他變容量技術的壓縮機，壓縮機冷量可根據需求進行10% -100%之間線性調整輸出，在冷量降低時，壓縮機的功率也隨之降低。另外一種盤管換熱器為經濟盤管，其中運行低溫的水，經濟盤管的進水口設置三通水流量調節閥，調節進水走旁路直接進入板式冷凝換熱器或進入經濟盤管換熱升溫后再進入板式冷凝換熱器。
[0014]本系統自然冷和正常制冷冷源均通過冷卻塔供水來實現，冷卻塔換熱的極限溫度可接近當地室外的濕球溫度，而濕球溫度通常大大低于干球溫度，因此，以上海地區為例，在足量配置冷卻塔的情況下，冬季可通過冷卻塔和空氣直接換熱，可獲得4°C左右的冷水，此時可直接通過經濟盤管，壓縮機不運行，達到完全免費制冷的目的。在夏季室外溫度較高時，此時室外濕球溫度也高于機房控制溫度24-27°C，此時可將冷卻塔供水直接通過三通閥導入板式冷凝換熱器，此時壓縮機開啟，形成正常的冷卻水系統，保證機房正常散熱。
[0015]本發明的控制邏輯如下:
機房控制設定溫度為Ttl，一般取24-27°C ;室外濕球溫度為Ts，冷卻塔換熱后出水溫度為Ta，Ta彡Ts，機組通過設計的經濟盤管可達10%冷量的進水溫度為Tltl，經濟盤管可達100%冷量的進水溫度為T.。其中，Ta由安裝在精密空調機組內的三通水流量調節閥前的水溫傳感器來檢測，Tltl和Tltltl由機組根據結構情況進行設計，和Ttl有關，如Ttl較高，則同樣大小盤管冷量更大，T10和Tltltl都可更高，經濟預冷性能更好。
當1^> Tlt!,壓縮機系統保持100%輸出，此時功率為壓縮機系統運行功率；
當Tltltl < Ta彡Tltl，時，壓縮機根據水溫減少輸出，經濟盤管處于預冷狀態，壓縮機同時運行，對經濟盤管工作不足冷量進行補足，如:經濟盤管冷量達到20%，則壓縮機按照80%冷量輸出，經濟盤管制冷達到50 %，壓縮機按照50 %冷量輸出，壓縮機輸出由計算值根據檢測到的水溫進行控制。當進水溫度達到Tltltl時，壓縮機完全停機；
當TaS T100時，壓縮機完全停機，此時冷水通過經濟盤管換熱，完全滿足機組制冷需求，然后通過板式冷凝換熱器回流到冷卻塔。
[0016]當系統采用開式冷卻塔時，為了保證系統的水質，可采用高效集中板式換熱器對水系統進行隔離，從而保證水質。
[0017]所述末端空調風機形式包括軸流風機和離心風機，其驅動方式可為定頻或變頻風機，或EC直流外轉子風機。
[0018]所述末端空調蒸發器盤管形式可為“/”形或“V”型布置，進水口可在蒸發器左側或右側。
[0019]所述末端空調可為上送風或下送風或列間水平送風模式。
[0020]所述空調流量調節閥可為電動或機械調節閥。
[0021]所述空調控制器可安裝在機組內部，通過無線遠程控制，也可通過有線外置控制屏幕。
[0022]所述空調用于數據中心、通信機房、服務器機房。
[0023]本發明適用于小型數據中心，代替風冷方案，也適合大型數據中心，代替冷凍水系統。
[0024]本發明與現有技術對比的有益效果體現在以下幾個方面；1、通過預冷技術概念，可將Tltltl到Tltl中間段的自然冷源完全利用起來，達到最大化利用自然冷源的目的，經測算，目前，按照24°c，50%回風溫度設計，此系統目前可實現在Tiqq = 9°c，Tltl = 18°C，水溫控制在此期間，可最大化利用室外自然冷源，在上海地區全年可啟動時間達到150天左右，比同樣的風冷系統可節能36%;如回風溫度提高到27°C，可將此區間再提高3度，從而可將全年節能運行時間提高到200天左右，進一步大幅節能；2、機組為雙冷源機組，機房占地空間并未必傳統冷凍水系統增加，但省出了安裝冷水主機的空間，節省整體數據中心占地面積；3、采用集中式冷卻塔，相較于傳統風冷系統也節省室外機占地空間，降低了建筑要求；4、機組造價較冷凍水系統下降30%，15年節能收益加初投資金額和冷凍水系統基本持平，但考慮金融成本，初投資下降30%帶來的金融成本下降更加巨大，因而節能收益遠超過冷凍水系統；5、系統維護簡單方便，每臺末端機組冷量在10kW以下，類似于傳統風冷系統，由單人即可維護，更換小壓縮機、風機速度迅速，成本較低；6、本系統安全性能更高，通過配置備機和備用冷卻塔、水泵，主管，即可實現較高的可靠性，簡單方便，安全可靠性高。7、本系統無需建筑特別配合預留高度放置大型設備，因此適應性極廣，改造的建筑作為機房也可使用此系統；8由于節能利用室外自然冷源碎片化的特性，大幅提高自然冷的經濟性，因此廣泛適用于我國南方地區，可改變以前南方地區不應用自然冷技術的局面。因此，本發明更優于傳統的其他制冷系統方案。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本發明系統結構圖。
[0026]圖2是本發明動態雙冷源預冷節能機組節能控制邏輯。
[0027]圖3是本發明根據24度回風設計的單機75kW制冷量機組在不同水溫下的壓縮機制冷量和自然冷制冷量曲線，其中隨水溫下降增長的曲線為經濟盤管的自然冷制冷量。
[0028]圖4是本發明根據24度回風設計的單機75kW制冷量機組在不同水溫下的總制冷量和功率曲線，其中隨水溫下降增長的曲線為機組總制冷量，上升的原因是當水溫降低到9度以下時，全部為經濟盤管制冷，隨水溫下降冷量會繼續增大。
[0029]圖5是本發明根據24度回風設計的單機75kW制冷量機組在不同水溫下的EER曲線，隨水溫下降機組能效比逐漸增高。
[0030]圖6是上海2001-2010年十年的上海平均逐月氣象數據和冷卻塔計算出水溫度，其中冷卻塔換熱抬升水溫和空氣濕球溫度按照1.5°C計算。。
[0031]圖7是本發明在75kW機組在上海氣象數據下的年功耗計算，壓縮機按照每年開啟60 %計算。
[0032]圖8是同型號機組按照風冷工況運行的功耗計算。
[0033]圖9是根據圖7和圖8計算的功耗的對比，并由其差值計算出的節能收益曲線。
[0034]圖1中圖示:1變冷量壓縮機；2水冷板式冷凝換熱器；3系統板式換熱器；4冷卻塔；5冷卻水泵；6蒸發器；7經濟盤管；8三通水流量調節閥；9進風過濾網；10制冷劑銅管；11末端機組進水鋼管；12末端機組出水鋼管；13系統主回水管；14系統主出水管。

【具體實施方式】
[0035]下面通過具體的實施方式并結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
具體實施結構:
[0036]如圖1所示，一種動態雙冷源預冷節能機組系統，包含I變冷量壓縮機；2水冷板式冷凝換熱器；3系統板式換熱器；4冷卻塔；5冷卻水泵；6蒸發器；7經濟盤管；8三通水流量調節閥；9進風過濾網；10制冷劑銅管；11末端機組進水鋼管；12末端機組出水鋼管；13系統主回水管；14系統主出水管。
[0037]所述的空調系統形式如圖1所示，末端機組安裝于數據中心機房內，水泵、冷卻塔安裝于室外，可安裝于樓頂或其他空曠處。
[0038]根據本系統控制原理設計機組，目前按照機房常用的機組體積2553*874*1970進行設計，壓縮機采用雙壓縮機，雙板換，機房控制溫度按照24°C，50 %為控制目標，壓縮機系統設計制冷量可達75kw，以75kW為設計目標冷量，經濟盤管在18°C時可達10%冷量，在9°C時刻達100%制冷量。機組風量25500m3/h。
[0039]所述的空調系統控制邏輯如圖2所示，進水溫度高于18°C時，經濟盤管不工作，壓縮機系統輸出100%冷量；進水溫度在9度和18度之間時，經濟盤管和壓縮機系統同時工作，利用每一點室外自然冷源冷量；進水溫度低于9度時，壓縮機停機，完全依靠經濟盤管換熱，形成冷凍水風機盤管形式，達到完全自然冷工作模式。
[0040]所述的空調系統如圖3所示，壓縮機制冷量隨水溫下降逐漸減小輸出，到9度時完全停止工作，壓縮機制冷量減少為O ;自然冷經濟盤管制冷在18度時開啟，冷量隨水溫下降逐漸上升，到9度時完全達到機組設計制冷量，此時僅有風機、水泵、冷卻塔工作。
[0041]所述空調系統如圖4所示，機組總制冷量在9到18度之間為壓縮機+經濟盤管同時工作的冷量，機組總制冷量隨水溫下降逐漸增長；機組的制冷功率隨水溫下降逐漸減小壓縮機功率，最后完全為風機功率。
[0042]圖5為末端空調機組的能效比，隨水溫下降，自然冷增大而逐漸上升。
[0043]圖6為上海地區2001-2010年十年來的平均逐月氣象參數和濕球溫度，并以1.5度的冷卻塔換熱差值進行計算。
[0044]所述空調系統如圖7所示，本發明機組逐月計算功耗，最終計算得出年能耗總值。
[0045]圖8為同型號制冷量風冷精密空調的年度能耗計算。
[0046]圖9為根據圖7和圖8計算出的年度能耗進行對比，計算出其年度節能收益，可達36%。
[0047]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明做的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只限于這些說明。對于本發明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種數據中心用節能空調系統，其特征在于所述的結構形式，(I)雙制冷盤管，含壓縮機循環的蒸發器和冷水循環的經濟盤管，可利用室外自然冷源(2)采用變冷量壓縮機(3)經濟盤管冷凍水預冷和壓縮機同時工作，達到對進風進行預冷的作用(4)依靠冷卻塔提供冷水，不依靠冷水主機。
2.如權利要求1所表述的空調系統，其特征是在(I)經濟盤管安裝于末端機組內部(2)經濟盤管和內置板式水冷冷凝器串聯(3)經濟盤管前安裝三通水流量調節閥，可直接將冷水通過旁路直接導入水冷冷凝器(4)壓縮機采用可變冷量壓縮機，按照水溫控制輸出(6)機組采用控制器控制(7)經濟盤管中采用低溫水或其他水溶液制冷(7)單機制冷量在l-200kff(8)用于數據中心，為服務器機柜制冷(9)出風形式可為下送風、上送風、列間水平送風等形式。
3.如權利要求1或2所表述的空調系統，其特征在于末端空調中采用經濟盤管，使用自然冷源對于進風溫度進行預冷，從而降低進入蒸發器的風的溫度，從而減小壓縮機制冷需求，減少壓縮機功率。
4.如權利要求1或2所表述的空調系統，其特征在于所描述的風機轉速控制方式可采用定速風機或調速風機，風機形式可采用軸流風機或離心風機或EC外轉子風機。
5.如權利要求1或2所表述的空調系統，其特征在于所描述的機組高度，可根據機組制冷量設計不同選擇不同冷量的表冷器而有所變化。
6.如權利要求1或2所表述的空調系統，其特征在于所描述的機組控制器，可根據需要安裝于機組上或外置。
7.如權利要求1或2所表述的空調系統，其蒸發器(表冷器)形式可采用“/”型或型或其他形式，安裝形式可采用平行安裝或傾斜安裝。
8.如權利要求1或2所表述的空調系統，其設計的變冷量壓縮機可采用數碼渦旋變頻等其他方式。
9.如權利要求1或2所表述的空調系統，用于數據中心、通信機房、服務器機房。
【文檔編號】F25B1/00GK104197446SQ201410436397
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月29日 優先權日:2014年8月29日
【發明者】嚴瀚, 林立韻 申請人:嚴瀚, 林立韻