CN104848452B - 一种数据机房高效冷却调温调湿装置 - Google Patents

一种数据机房高效冷却调温调湿装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及空调制冷技术领域，具体地指一种数据机房高效冷却调温调湿装置。机房内设置有新风调湿制冷***和室内制冷***，***的对机房内实行调节湿度、降温的功能，设置新风调湿智能***充分利用新风作为冷源降低压缩机的能耗，室内循环管道与间接蒸发冷却器换热也能充分利用新风能源。本发明可以在新风换气、蒸发冷却和热管交换等几种制冷调湿模式之间切换，每种模式可以同其他模式共同作用，操作简便，使用安全可靠，能够很好的保证机房设备处于良好的运行状态。

Description

一种数据机房高效冷却调温调湿装置
技术领域
本发明涉及空调制冷技术领域，具体地指一种数据机房高效冷却调温调湿装置。
背景技术
数据机房是信息管理的中心，机房内设置有大量的刀片服务器柜，发热量极大，无散湿量，全年需要空调***进行降温处理。目前使用的空调降温***多为恒温恒湿的精密空调，包括风冷冷风空调和水冷冷风型的精密空调，这两种空调***均采用压缩换热的方式对机房内的设备实施进行降温处理。因为压缩机需要全年使用，耗电量极大，有数据显示，处于这种运行模式的数据机房中空调的耗电量占整个机房耗电量的35～50％，其中制冷***的耗电量达到70％以上，送风***的耗电量为20％左右，加湿***的耗电量约为10％，总体耗电量巨大。
目前，有部分空调机组利用了室外冷源制冷，包括直接或者间接依靠室外新风制冷、冷水***自然冷却。新风制冷要求室外气温较低，室外新风进入室内与室内空气进行热交换降低室内气温，但该方法在气温较高的地区并不适用，且引入新风制冷还会涉及到空气过滤的问题，机房的空气过滤器清洗困难，也会为空调***的运行造成不良影响。
在气候温热地带使用新风制冷可以使用冷却水***自然冷却，通过在机房内配置7℃左右自然冷却冷冻水降低新风温度，再使其与室内换热达到降温的目的。但是该方法局限于：可以直接利用室外自然冷源的时间段少(全年大部分时间里，依靠自然冷源制得的冷冻水温度大于7℃)、节能幅度不大，而且现场安装的工程量大，维护工作量也大。如专利号“CN101644468A”的名为“机房或基站用串并联式蒸发冷却空调”中国发明专利，该专利介绍了一种直接用冷却水冷却新风，再用新风作为冷源降低室内气温的空调***，该***节能效果较好，但是直接使用冷却水降温的方式，会给新风中带入大量的水汽，这些水汽进入到机房设备中时，会给机房内的计算机设备运行造成很严重的影响，如果水质不干净时，还会造成对机房内计算机设备的腐蚀。另外该方法中使用的各种换热器布置方式复杂，前期投入大，后期改造也存在很大的困难。
利用室外新风提供冷源一般分为直接利用新风制冷或者间接利用新风制冷。直接引入新风制冷的技术，如专利号为“CN202403367U”名为“一种直接引入新风的节能通信机房”的中国实用新型专利，该专利介绍的机房包括一个带防雨罩的进风口、一个带防雨罩的排风口，新风口放置送风机，排风口设置排风机，当室外气温低于某个设定值时，进风风门和风机开启，将室外的空气引入到室内作为自然冷源，该方案能够有效利用室外低温空气降低耗电量，但该方案存在以下问题：1)机房上只设置有过滤网没有专用的过滤设备，当新风流量较大时，过滤网不能完全去除掉新风中的粉尘，粉尘进入到室内后会影响室内设备的运行；2)新风直接进入到机房内并没有进行除湿处理，当引入新风的湿度过大时无疑会影响机房设备的运行，降低机房内设备的是使用寿命；3)该设备只能在新风温度较低的时候使用，机房必须为高温季节另外配备制冷空调。
另外一种直接引入新风作为制冷冷源的专利，名为“一种数据机房空调***利用自然能节能装置”的专利号为“CN202101363U”的中国专利公开了一种数据机房空调***利用自然能节能装置，通过控制引入的新风量控制机房内的温度，另配置机房精密空调，冬季时开启风机与加湿器保持机房内湿度；该方案可以大体确保机房的工况，但存在以下问题：1)依靠新风制冷时，空调等温加湿器和风机需要不间断运行补充湿度，当新风湿度很低时，加湿消耗大，再加上风机的消耗，根本无法节能；2)当新风的温度太低时，低于该气候环境下的露点，送入的新风极有可能带露进入到计算机设备中，严重时会破坏整个计算机设备的运行；3)该设备需要机房精密空调配合使用，投资大、占地面积大、安装麻烦。
间接依靠室外新风制冷，专利号为“CN102425828B”的名为“一种适用于机房精密控制空调的节能装置”，该设备利用热管间接制冷，该方案存在以下问题：1)利用热管制冷，一般需要新风温度比室内气温低8℃左右才能进行，由于热管效率较低，需要大量的新风才能有效的降低室内的气温，新风电机消耗较大；2)新风量大，需要处理量大的过滤设备，但后期还存在过滤设备难以清洗，耗时耗力，影响机房设备运行的情况；3)该方案在室外气温低于室内气温时，即关闭制冷***，但是当室内室外气温相差不大，仅仅通过室外新风难以降低室内气温，很可能存在新风冷源不能满足需求，造成室内机房温度不符合计算机设备的运行环境。
综上所述，现有的用于机房冷却调湿的制冷***存在以下问题：1、制冷压缩***的能耗太大；2、引入新风制冷难以达到机房内设备正常运行的条件。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术中提到的现有空调***能耗大、引入新风制冷难以达到机房设备正常运行条件的问题，提供一种数据机房高效冷却调温调湿装置。
本发明的技术方案为：一种数据机房高效冷却调温调湿装置，其特征在于：包括新风调湿制冷***和室内制冷***；
所述的新风制冷***包括第一过滤器、间接蒸发冷却器和新风风机；所述的第一过滤器、间接蒸发冷却器和新风风机按照气流流动方向依次通过新风管道连通，间接蒸发冷却器内设置有与新风管道连通并向新风管道内喷水的喷淋室，新风管道进口端和出口端均位于机房外；
所述的室内制冷***包括蒸发器和室内风机；所述的蒸发器和室内风机按照气流流动方向通过制冷管道连通，蒸发器上设置有一端与之连通的制冷剂管，制冷管道的进口端位于机房内、出口端位于机柜内；
所述的制冷剂管上设置有制冷变频压缩机，制冷剂管另一端连接有冷凝器；所述的冷凝器与位于间接蒸发冷却器与新风风机之间的新风管道连通；
所述的新风管道和制冷管道之间通过新风旁通进风管道连通；所述的新风旁通进风管道的进口端与位于冷却器与冷凝器之间的新风管道连通，出口端与位于蒸发器与室内风机之间的制冷管道连通，新风旁通管道上设置有第一阀门。
进一步的所述的间接蒸发冷却器上设置有与喷淋室热能交换但不连通的换热室；所述的换热室与制冷管道通过室内循环管道连通；所述的室内循环管道的进口端位于机房内，出口端与位于蒸发器和室内风机之间的制冷管道连通，室内循环管道上设置有第二阀门。
进一步的所述的新风旁通进风管道和冷凝器之间设置有室内换气通道；所述的室内换气通道的进口端与位于新风旁通进风管道和冷凝器之间的新风管道连通，出口端位于机房内，室内换气通道上设置有第三阀门；所述的位于室内换气通道与新风旁通进风管道之间的新风管道上设置有第四阀门。
进一步的所述的室内风机和机柜之间设置有冷却排风管道；所述的冷却排风管道的进口端与位于室内风机和机柜之间的制冷管道连通，出口端位于机房内，冷却排风管道上设置有第五阀门。
进一步的所述的蒸发器和新风风机之间安装有第二过滤器；所述的第二过滤器与蒸发器、新风风机之间通过制冷管道连通。
本发明具有的优点有：1、本装置具有换气功能，能够快速高效的对机房实施换气，保证机房内具有干净新鲜的空气，避免机房工作人员处于空气条件恶劣的工作环境；
2、本装置的间接蒸发冷却器通过蒸发冷却的方式对进入到机房内的空气进行降温，可以有效的利用新风对机房进行温度调节，节约了大量的电能；
3、本装置的间接蒸发冷却器通过热传导的方式对机房内的循环空气进行温度调节，避免直接向机房室内引入大量的新风导致的过滤器的处理量增大的问题，过滤器清洗周期延长；
4、本装置的间接蒸发冷却器冷却新风，再通过新风对制冷***的冷凝器进行降温，能够有效的增加制冷***中冷凝器和蒸发器的热传递，极大程度的降低了制冷***的能耗；
5、本装置不使用大量的热管交换制冷设备，空气管道布置结构简单，不占用大量的空间，且使用多个阀门控制，便于后期的改造；
6、本装置可以在新风换气、蒸发冷却和热管交换等几种制冷调湿模式来切换，操作简便，使用安全可靠，能够很好的保证机房设备处于良好的运行状态。
附图说明
图1：本发明的结构示意图；
图2：本发明中的间接蒸发冷却器的结构示意图：
其中：1—冷凝器；2—蒸发器；3—新风风机；4—室内风机；5—间接蒸发冷却器；6—第一过滤器；7—第二过滤器；8—制冷剂管；9—室内换气通道；10—新风旁通进风管道；11—室内循环管道；12—制冷管道；13—机柜；14—机柜排风管道；15—新风管道；16—冷却排风管道；17—喷淋室；18—制冷变频压缩机；19—机房；20—第一阀门；21—第二阀门；22—第三阀门；23—第四阀门；24—换热室；25—第五阀门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1～2，本发明使用的数据机房高效冷却调温调湿装置，包括新风调湿制冷***和室内制冷***，新风调湿制冷***兼具新风制冷和调湿功能，室内制冷***利用空调压缩装备对机房19和机柜13进行冷却降温。
其中，如图1所示，新风制冷***包括新风管道15，新风管道15的进口端和出口端均位于机房外，新风管道15将机房19外的空气引入到机房19内。按照空气流动的方向，新风管道15上依次设置有与之连通的第一过滤器6、间接蒸发冷却器5和新风风机3。
第一过滤器6对进入到机房19内的空气进行粉尘过滤，避免进入到机房19内的空气含尘量过大，导致机柜13内的设备损坏等问题。第一过滤器6过滤的新风并不直接进入到机柜中，因此第一过滤器6为初效+中效过滤器。
间接蒸发冷却器5为内设有与新风管道15连通并向新风管道15内喷水的喷淋室17，新风进入到喷淋室17后，喷淋室17向新风喷淋冷却水降低新风的温度，使其对机房19内进行降温，带有冷却水的新风进入到机房19内也能对机房19进行加湿处理。必要时，被冷却水冷却后的新风可以直接输送到机柜13内，直接对机柜13内的设备进行降温调湿处理。
按照空气流动的方向，新风风机3位于新风管道15的出口端的前端，新风风机3将机房19外的空气抽吸到新风管道15中。为了实现机房19内的换气功能，新风管道15上设置有室内换气通道9。室内换气通道9上设置有第三阀门22，室内换气通道9的进口端位于新风风机3与间接蒸发冷却器5之间，出口端位于机房19内。室内换气通道9通过新风风机3的作用，将室内气体抽吸到室外，完成室内气体更换的过程。
如图1所示，室内制冷***包括进口端位于机房19内、出口端位于机柜13内的制冷管道12，制冷管道12上设置有空调压缩制冷设备和室内风机4，制冷管道12的进口和出口端均位于机房19内，对机房19内的空气进行循环制冷。室内风机4位于空调压缩制冷设备和机柜13之间。
空调制冷***包括冷凝器1、蒸发器2、制冷剂管8和制冷变频压缩机18，制冷变频压缩机18具有高频低频运行两种模式，制冷变频压缩机18对制冷剂管8内的制冷剂进行压缩处理，使流过蒸发器2内的气流放热降低该气流的温度，使流过冷凝器1内的气流吸热。
制冷剂管8一端连接冷凝器1，另一端连接蒸发器2，制冷剂管8上设置有制冷变频压缩机18。其中冷凝器1与位于间接蒸发冷却器5与新风风机3之间的新风管道15连接，新风管道15与冷凝器1之间连通存在热能交换，新风管道15中流动的冷却新风经过冷凝器1将冷凝器1上的热量带走，增加冷凝器1上的热量散失，提高空调压缩制冷***的换热效率，降低空调压缩制冷***的能耗。
蒸发器2与制冷管道12连通，进入制冷管道12的气流经过蒸发器2的冷却进入到机柜13中对运行设备进行降温。另外，机柜13上还设置有一根机柜排风管道14，机柜排风管道14将进入机柜13内的气流排放至机房19内，形成循环通道。
另外，制冷管道12上位于室内风机4和机柜13内的管道上设置有冷却排风管道16，空调压缩制冷***的冷却空气通过冷却排风管道16直接进入到机房19内，对机房19内的大环境进行降温处理，冷却排风管道16上设置有控制其开合的第五阀门25。
在室内室外温差较大的情况下，可以直接使用新风对机柜13进行降温处理。如图1所示，新风管道15上设置有将新风管道15和制冷管道12连通的其进口端位于间接蒸发冷却器5与冷凝器1之间、出口端位于蒸发器2与室内风机4之间的新风旁通进风管道10，新风旁通管道10上设置有第一阀门20。
新风旁通管道10与第三阀门22之间的新风管道15上设置有第四阀门23。当第一阀门20打开，第三阀门22打开，第四阀门23关闭，此时室内风机4通过新风管道15抽吸新风至机房19或者机柜13进行降温调湿处理，新风风机5抽吸室内空气至室外，完成换气过程。
当新风直接进入到机柜13中时，为了保证机柜13内的设备正常运行，还需要设置一个较为高效的过滤器过滤进入到机柜13中的空气中的粉尘，实际使用时，在蒸发器2和新风风机3之间的制冷管道12安装第二过滤器7，第二过滤器7为中效+亚高效过滤器。
在机房19外的气体湿度很大时，此时不宜将新风直接引入到机柜13中进行降温，因为湿度过大会导致机柜13中的设备腐蚀或者短路。为了更好的利用新风的冷却降温功能，如图2所示，间接蒸发冷却器5上设置有与喷淋室17热能交换但不连通的换热室24，换热室24与喷淋室17之间通过一个传热的板状结构隔断。
换热室24上设置有与其连通的室内循环管道11，室内循环管道11上设置有第二阀门21，室内循环管道的进口端位于机房19内，出口端与位于蒸发器2和室内风机4之间的制冷管道12连通。
室内循环管道11中的气流能够通过换热室24进行降温处理，降温后的气流通过制冷管道12进入到机柜13内。这样，当室内循环管道11开启时，新风旁通进风管道10关闭，既利用了新风和冷却水的冷却功能也避免了带水新风直接进入到机柜13内，对机柜13内的设备产生损坏。
本装置具有三种功能，即换气功能、蒸发冷却功能和热管换热功能，其中，换气功能指将室内风机4新风抽吸到机房19内，新风风机3将室内空气抽吸到机房19外，该功能需要第一阀门20打开，第三阀门22打开，第四阀门23关闭三个阀门的配合使用才能完成。
蒸发冷却功能是指开启室内循环管道11，通过间接蒸发冷却器5喷水间接冷却室内循环管道11中的气流，再通过该气流对机柜进行降温调节；
热管换热功能是指开启空调制冷***，利用新风流过冷凝器1，使新风带走冷凝器1上的热量增加空调制冷***的换热能力，降低空调制冷***的能耗。热管换热功能在制冷变频压缩机18低频运行时效果较为明显，在制冷变频压缩机18高频运行时因为新风和冷凝器1温差较小换热效果不是很明显。
这三种运行模式在应用时应根据实际情况具体组合操作运行，使用时，根据机房19外的情况进行分别调节处理：
a、当机房19外的气温低于10℃，因室内外温差较大，此时不用开启空调压缩制冷***，直接利用新风对机房19和机柜13进行降温处理，即通过换气模式来达到降温的效果。实际使用时，开启新风风机3和室内风机4，打开第一阀门20和第三阀门22，关闭第四阀门23，使室内风机4抽吸新风进入到机房19或者机柜13内进行降温，使新风风机3抽吸室内空气到室外，完成换气过程；
当机房19内的湿度较低时，需要对机房19或者机柜13进行加湿处理，可以开通间接蒸发冷却器5的喷淋功能，向新风喷淋冷却水，对机房19或者机柜13进行加湿处理；
当机房19内的湿度很高时，不宜向室内引入水汽，可关闭新风旁通进风管道10，打开第四阀门23，关闭第三阀门22，开启室内循环管道11，室内循环管道11中的气流经过间接蒸发冷却器5的间接冷却后被排放至机柜13或者机房19内，对机柜13内的设备进行降温处理，带水汽的新风直接通过新风风机3排放至室外，此时的新风单纯的作为冷源来使用；
b、当机房19外的气温处于10℃～25℃时，单纯使用新风作为冷源已经不能满足机房19的使用，因此需要开启空调制冷***。实际使用时，开启新风风机3、室内风机4和制冷变频压缩机18，新风通过新风管道15依次沿第一过滤器6、间接蒸发冷却器5、冷凝器1和新风风机3排放到机房19外。室内气流依次经过蒸发器2、第二过滤器7和室内风机4进入到机柜13内或者通过冷却排风管道16排放至机房19内，新风通过冷凝器1能加速冷凝器1的换热功能，降低能耗。因为室外气温并不是很高，此时的制冷变频压缩机18只用在低频运行就能满足机房19或者机柜13的使用；
当机房19内湿度较低时，可开启新风旁通进风管道10，此时根据湿度的具体数值来确定第一阀门20的开合度。通过向机房19或者机柜13内引入带水新风，增加室内的湿度。此时的带水汽的新风兼具调湿和热管交换的功能；
当室内的湿度很高时，不需要加湿处理，可完全关闭第一阀门20，开启室内循环管道11，室内气流通过间接蒸发冷却器5的冷却具有对机房19或者机柜13进行降温的作用，此时室内换气通道9同样需要关闭，避免向室内引入水汽；
c、当机房19外的气温高于25℃时，室外新风已经不具备对室内进行降温的功能，此时需要全力开启空调制冷***，制冷变频压缩机18高频运行，通过空调压缩制冷作用对机房19和机柜13进行降温，此时可以开通新风风机3使新风通过冷凝器1带走一部分热能，这样能降低制冷变频压缩机18一部分能耗，虽然此时的热管换热效果较差；
当机房19内的湿度较低时，可开启间接蒸发冷却器5向新风喷水，同时开启新风旁通进风管道10，向机房19或者机柜13进行加湿调节，具体湿度调节可通过控制第一阀门20来控制；
当机房19温度湿度很大时，可完全关闭第一阀门20，开启室内循环管道11，室内气流通过间接蒸发冷却器5的冷却具有对机房19或者机柜13进行降温的作用，此时室内换气通道9同样需要关闭，避免向室内引入水汽；
d、当机房19外存在冷却水源时，冷却水源的温度低于18℃，可以开启间接蒸发冷却器5对新风进行降温加湿处理，此时，可以将其与换气模式、热管换热、蒸发冷却三种模式相互结合，以完成整个机房19的降温调湿处理。
本发明可以在新风换气、蒸发冷却和热管交换等几种制冷调湿模式之间切换，每种模式可以同其他模式共同作用，操作简便，使用安全可靠，能够很好的保证机房设备处于良好的运行状态。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种数据机房高效冷却调温调湿装置，包括新风调湿制冷***和室内制冷***；所述的新风调湿制冷***包括第一过滤器(6)和与之联通的新风管道(15)；所述的室内制冷***包括蒸发器(2)和室内风机(4)；所述的蒸发器(2)和室内风机(4)按照气流流动方向通过制冷管道(12)连通，蒸发器(2)上设置有一端与之连通的制冷剂管(8)，制冷管道(12)的进口端位于机房(19)内、出口端位于机柜(13)内；所述的制冷剂管(8)上设置有制冷变频压缩机(18)，制冷剂管(8)另一端连接有冷凝器(1)，其特征在于：
所述的新风调湿制冷***还包括间接蒸发冷却器(5)和新风风机(3)；所述的第一过滤器(6)、间接蒸发冷却器(5)和新风风机(3)按照气流流动方向依次通过新风管道(15)连通，间接蒸发冷却器(5)内设置有与新风管道(15)连通并向新风管道(15)内喷水的喷淋室(17)，新风管道(15)进口端和出口端均位于机房(19)外；
所述的冷凝器(1)与位于间接蒸发冷却器(5)与新风风机(3)之间的新风管道(15)连通；
所述的新风管道(15)和制冷管道(12)之间通过新风旁通进风管道(10)连通；所述的新风旁通进风管道(10)的进口端与位于间接蒸发冷却器(5)与冷凝器(1)之间的新风管道(15)连通，出口端与位于蒸发器(2)与室内风机(4)之间的制冷管道(12)连通，新风旁通进风管道(10)上设置有第一阀门(20)。
2.如权利要求1所述的一种数据机房高效冷却调温调湿装置，其特征在于：所述的间接蒸发冷却器(5)上设置有与喷淋室(17)热能交换但不连通的换热室(24)；所述的换热室(24)与制冷管道(12)通过室内循环管道(11)连通；所述的室内循环管道(11)的进口端位于机房(19)内，出口端与位于蒸发器(2)和室内风机(4)之间的制冷管道(12)连通，室内循环管道(11)上设置有第二阀门(21)。
3.如权利要求1所述的一种数据机房高效冷却调温调湿装置，其特征在于：所述的新风旁通进风管道(10)和冷凝器(1)之间设置有室内换气通道(9)；所述的室内换气通道(9)的进口端与位于新风旁通进风管道(10)和冷凝器(1)之间的新风管道(15)连通，出口端位于机房(19)内，室内换气通道(9)上设置有第三阀门(22)；所述的位于室内换气通道(9)与新风旁通进风管道(10)之间的新风管道(15)上设置有第四阀门(23)。
4.如权利要求1所述的一种数据机房高效冷却调温调湿装置，其特征在于：所述的室内风机(4)和机柜(13)之间设置有冷却排风管道(16)；所述的冷却排风管道(16)的进口端与位于室内风机(4)和机柜(13)之间的制冷管道(12)连通，出口端位于机房(19)内，冷却排风管道(16)上设置有第五阀门(25)。
5.如权利要求1所述的一种数据机房高效冷却调温调湿装置，其特征在于：所述的蒸发器(2)和新风风机(3)之间安装有第二过滤器(7)；所述的第二过滤器(7)与蒸发器(2)、新风风机(3)之间通过制冷管道(12)连通。
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