數據中心節能制冷系統的制作方法
本發明涉及一種制冷系統，特別涉及一種可有效減少數據中心能耗的數據中心節能制冷系統。
背景技術：
數據中心除了計算機系統和其他配套設備以外，還包括配電、制冷、消防、監控等基礎設施系統，其中制冷系統的能耗占了整個數據中心的30％-45％。隨著數據資源呈指數級快速增長，數據中心整體能耗也變得越來越大，產熱越來越多。減小數據中心能耗，提高能源利用率變得尤為重要。而制冷節能是提高數據中心能源利用率的最直接和最有效的措施，具有十分重要的價值。
技術實現要素：
有鑒于此，本發明提出一種能夠有效降低制冷系統電能消耗的數據中心節能制冷系統。
本發明提供一種數據中心節能制冷系統，包括壓縮機、冷凝器、儲液罐、透平膨脹機及蒸發器。所述壓縮機包括壓縮機入口和壓縮機出口。所述透平膨脹機包括透平膨脹機入口和透平膨脹機出口。所述冷凝器包括冷凝器入口和冷凝器出口。所述儲液罐包括儲液罐入口和儲液罐出口。所述蒸發器包括蒸發器入口和蒸發器出口。所述冷凝器入口與所述壓縮機出口連通。所述冷凝器出口與所述儲液罐入口連通。所述儲液罐出口與所述透平膨脹機入口連通。所述透平膨脹機出口與所述蒸發器入口連通。所述蒸發器出口與所述壓縮機入口連通。所述蒸發器構造成與一數據中心機柜進行換熱循環，以使得所述蒸發器吸收所述數據中心機柜的熱量。
在一實施例中，所述蒸發器與所述數據中心機柜利用空氣進行換熱循環。例如，所述數據中心機柜在其頂部設有熱空氣出口，并在其底部設有冷空氣入口，所述蒸發器設有熱空氣入口和冷空氣出口，所述數據中心機柜的熱空氣出口利用管線與所述蒸發器的熱空氣入口連通，所述數據中心機柜的冷空氣入口利用管線與所述蒸發器的冷空氣出口連通。
在一些實施例中，若干所述數據中心機柜與所述蒸發器連通，其中每一所述數據中心機柜的熱空氣出口與所述蒸發器的熱空氣入口連通，每一所述數據中心機柜的冷空氣入口與所述蒸發器的冷空氣出口連通。
在一實施例中，所述透平膨脹機連接一發電機，以驅動所述發電機發電。
在一實施例中，所述制冷系統包括電機，所述電機與所述壓縮機連接以啟動所述壓縮機。
在一實施例中，所述透平膨脹機與所述電機驅動連接。
在一實施例中，所述壓縮機、電機、透平膨脹機同軸驅動連接。
在一實施例中，所述冷凝器與一供暖設備連接，環境冷空氣吸收有機工質在冷凝器中冷凝放出的熱，進入供暖設備給周邊設施(設備調控、維護人員工作區域等)進行供暖。
綜上所述，本發明提供一種數據中心節能制冷系統。將數據中心機柜設置成可與蒸發器利用空氣進行換熱，在蒸發器中采用液態有機工質吸收數據中心產出的低品位熱能。將傳統的節流膨脹閥換成透平膨脹機，可以把節流等焓膨脹的損失降低，并且能夠輸出機械功來降低壓縮機能耗或者用來發電，還能有效增加蒸發器所能夠產生的冷量。這樣可提高循環的制冷系數，進一步減小電機的能耗，達到節能的目的。在寒冷環境下，可以在冷凝器外接一供暖設備，環境冷空氣吸收有機工質在冷凝器中冷凝放出的熱，進入供暖設備給周邊設施(設備調控、維護人員工作區域等)進行供暖。這樣就能夠在原來的基礎上再回收一部分能耗，進一步降低數據中心的整體能耗。
附圖說明
圖1為數據中心節能制冷系統的一個實施例的系統示意圖。
圖2為本發明的數據中心節能制冷系統和傳統制冷系統的簡化壓焓圖。
圖3為數據中心節能制冷系統的另一實施例的系統示意圖。
圖4為數據中心節能制冷系統的另一實施例的系統示意圖。
具體實施方式
在詳細描述實施例之前，應該理解的是，本發明不限于本申請中下文或附圖中所描述的詳細結構或元件排布。本發明可為其它方式實現的實施例。而且，應當理解，本文所使用的措辭及術語僅僅用作描述用途，不應作限定性解釋。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等類似措辭意為包含其后所列出之事項、其等同物及其它附加事項。特別是，當描述“一個某元件”時，本發明并不限定該元件的數量為一個，也可以包括多個。
如圖1所示，本發明提出一種數據中心節能制冷系統，該制冷系統包括壓縮機10、冷凝器12、儲液罐14、透平膨脹機16、蒸發器18、電機20及數據中心機柜22。其中電機20與壓縮機10連接以驅動壓縮機10壓縮工質，壓縮機10、冷凝器12、儲液罐14、透平膨脹機16、蒸發器18依次連接并形成一個循環。數據中心機柜22與蒸發器18連接并構造成與蒸發器18進行換熱循環，以使得蒸發器18吸收數據中心機柜22產生的熱量。
具體而言，壓縮機10包括壓縮機入口24和壓縮機出口26，冷凝器12包括冷凝器入口28和冷凝器出口30，儲液罐14包括儲液罐入口32和儲液罐出口34，透平膨脹機16包括透平膨脹機入口36和透平膨脹機出口38，蒸發器18包括蒸發器入口40和蒸發器出口42。冷凝器入口28與壓縮機出口26連通，儲液罐入口32與冷凝器出口30連通，透平膨脹機入口36與儲液罐出口34連通，蒸發器入口40與透平膨脹機出口38連通，壓縮機入口24與蒸發器出口42連通。工質從壓縮機10的出口26輸出，經過冷凝器12、儲液罐14、透平膨脹機16、蒸發器18，最后從壓縮機入口24回流進壓縮機10，形成一個循環。
在所示的實施例中，蒸發器18與數據中心機柜22之間的換熱循環工質為空氣。數據中心機柜22工作時產生大量熱，熱空氣經過蒸發器18被冷卻后流經數據中心機柜22吸收熱量，再進入蒸發器18形成循環，使得蒸發器18與數據中心機柜換熱，以對數據中心機柜22降溫冷卻。
蒸發器18與數據中心機柜22之間可通過管線連接。例如，數據中心機柜22在其頂部設有熱空氣出口，并在其底部設有冷空氣入口，而蒸發器18設有熱空氣入口和冷空氣出口。數據中心機柜22的熱空氣出口利用管線與蒸發器18的熱空氣入口連通，數據中心機柜22的冷空氣入口利用管線與蒸發器18的冷空氣出口連通。
在一些實施例中，若干所述數據中心機柜22與所述蒸發器18連通，其中每一所述數據中心機柜22的熱空氣出口與所述蒸發器18的熱空氣入口連通，每一所述數據中心機柜22的冷空氣入口與所述蒸發器18的冷空氣出口連通。
在所示的實施例中，透平膨脹機16上還連接一發電機44，工質進入透平膨脹機16使得透平膨脹機16轉動，透平膨脹機16轉動進而驅動發電機44發電，可回收部分電能，達到節能的目的。
下面對整個制冷系統的運轉流程作簡要說明。
首先，電機20驅動壓縮機10運轉，壓縮機10將來自蒸發器18的低壓氣態工質壓縮成高壓氣態工質，該高壓氣態工質被輸送到冷凝器12中進行放熱冷凝，高壓氣態工質被冷凝成高壓液態工質。隨后高壓液態工質進入儲液罐14，儲液罐14能夠根據系統運行狀況調節工質流量。儲液罐14向透平膨脹機16輸入高壓液態工質，高壓液態工質進入透平膨脹機16進行膨脹做功，透平膨脹機16吸收工質膨脹功轉動，并驅動與之連接的發電機44發電，達到回收電能的目的。經過透平膨脹機16膨脹的高壓液態工質變為低壓液態工質，低壓液態工質進入蒸發器18與來自數據中心機柜22的熱空氣進行換熱，低壓液態工質吸收熱空氣中的熱量蒸發變成低壓氣態工質，而熱空氣放熱冷卻變成冷空氣，冷空氣重新循環對數據中心機柜22進行冷卻，以達到制冷的效果。低壓氣態工質從蒸發器出口42出去并進入壓縮機10，進行下一個循環。
圖2是數據中心節能制冷系統和傳統制冷系統的簡化壓焓圖。如圖2所示，41234循環是傳統制冷系統的熱力循環壓焓圖，4’1234’循環是數據中心節能制冷系統的熱力循環壓焓圖。其中，4(4’)-1對應蒸發器的蒸發過程，1-2對應壓縮機的壓縮過程，2-3對應冷凝器的放熱冷凝過程，3-4對應傳統節流膨脹閥的等焓膨脹過程，3-4’對應透平膨脹機16的絕熱等熵膨脹過程。從圖2中可以看出，無論是傳統制冷循環41234還是節能制冷循環4’1234’，壓縮功相等，都等于h2-h1，壓縮機消耗的電能也相等，冷凝發熱量也相等，等于h3-h2。傳統制冷循環41234的節流等焓膨脹不對外做功，其吸熱量等于h1-h4，制冷系數等于(h1-h4)/(h2-h1)。本發明的節能制冷循環4’1234’的等熵膨脹對外做功，為h4’-h3，其蒸發吸熱量等于h1-h4’(大于h1-h4)，制冷系數等于(h1-h4’)/(h2-h1)。兩相對比，本發明的節能制冷循環除了能夠回收工質的膨脹功進行發電，還能夠增加工質的蒸發吸熱量，提高循環的制冷系數，達到了節能的目的。
圖3是數據中心節能制冷系統的另一個實施例的簡化示意圖。本實施例中與前述實施例相同的元件以相同標號表示，功能相同。二者的不同之處在于，本實施例中，透平膨脹機16并未連接發電機，而是與電機20驅動連接，工質在透平膨脹機16內膨脹做功，并將膨脹功傳遞給電機20，再由電機20傳遞給壓縮機10。減少了壓縮機10所需要的壓縮功，進一步減小了電機20的能耗，達到節能的目的。
應當理解的是，本實施例中，壓縮機10和透平膨脹機16分別與電機20驅動連接，在其他實施例中，壓縮機10、電機20和透平膨脹機16也可以同軸驅動連接。
圖4是數據中心節能制冷系統在寒冷環境下的一個實施例的簡化示意圖。本實施例中與前述實施例相同的元件以相同標號表示，功能相同。本實施例中，冷凝器12與一供暖設備46連接以與所述供暖設備46利用空氣進行換熱循環，使得所述供暖設備46給周邊設施進行供暖。在寒冷環境下，冷凝器12實際功能是一個換熱器，使用環境冷空氣吸收工質的冷凝放熱，換熱后的熱空氣進入供暖設備46給周邊設施(例如，設備調控、維護人員工作區域等)進行供暖。這樣就能夠在原來的基礎上再回收一部分能耗，進一步降低數據中心的整體能耗。
綜上所述，本發明提供一種數據中心節能制冷系統。將數據中心機柜設置成可與蒸發器利用空氣進行換熱，在蒸發器中采用液態有機工質吸收數據中心產出的低品位熱能。將傳統的節流膨脹閥換成透平膨脹機，可以把節流等焓膨脹的損失降低，并且能夠輸出機械功來降低壓縮機能耗或者用來發電，還能有效增加蒸發器所能夠產生的冷量。這樣可提高循環的制冷系數，進一步減小電機的能耗，達到節能的目的。在寒冷環境下，可以在冷凝器外接一供暖設備，環境冷空氣吸收有機工質在冷凝器中冷凝放出的熱，進入供暖設備給周邊設施(設備調控、維護人員工作區域等)進行供暖。這樣就能夠在原來的基礎上再回收一部分能耗，進一步降低數據中心的整體能耗。
本文所描述的概念在不偏離其精神和特性的情況下可以實施成其它形式。所公開的具體實施例應被視為例示性而不是限制性的。因此，本發明的范圍是由所附的權利要求，而不是根據之前的這些描述進行確定。在權利要求的字面意義及等同范圍內的任何改變都應屬于這些權利要求的范圍。
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