CN111678198A - 一种高能效比机房空调*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高能效比机房空调***，包括室内单元、室外单元和控制单元，所述室内单元通过冷媒管路与室外单元流体连通，所述室内单元包括热管蒸发器、冷媒流量调节装置，室内风机和机械制冷装置；所述机械制冷装置包括压缩机、蒸发器、冷凝器、节流装置；所述室外单元包括热管冷凝器和室外风机；本发明将热管技术完美嵌入传统压缩机制冷***，使压缩机能效比显著提升，自然冷源与机械冷源无缝对接，提升***可靠性同时令自然冷源利用更充分，使得该***有高能效比，降低数据机房的PUE。
Description
技术领域
本发明涉及一种机房空调***，更具体地，本发明涉及一种高能效比机房空调***。
背景技术
要达到国家规划的要求，数据中心***面临挑战。制冷***是数据中心目前比较容易实现较大性能提升的领域。为了减少机械制冷的运行时间，最大化利用自然冷源（FreeCooling），业内从风冷、水冷、液冷、工程、运行维护、控制等多方面做了尝试。经验证，自然新风+辅助制冷技术对运行地点的空气质量有要求，虽然能效比较高但管理复杂；冷水机组+板换技术管路复杂，占地较大，管理和运行维护复杂，建设成本高；直接蒸发技术对运行地点的空气质量有要求，对IT设备的适应环境要求高，管理和运行维护复杂；液冷技术短期内成本高、工程复杂，较难大规模商用。
基于对节能减排的要求，迫切需要一些新型高能效比机房空调技术取代传统的机房空调，同时相对于其他新技术而言，易于实现，可尽快商业化应用，有效降低数据机房的PUE，达到节能减排目的。
发明内容
本发明紧紧抓住“能效比”这个主题，针对现有机房空调技术中存在的能效比低的问题，以及其他技术建设成本高，管理运行维护复杂等缺点，创新和突破，提出一种全新的高能效比机房空调***，最大限度地利用自然冷源，降低数据机房的PUE，并且易于商业化应用，建设绿色数据中心。
为了实现上述目的，本发明的空调***将分离式重力热管技术嵌入传统压缩机制冷***，自然冷源与机械冷源无缝对接，使整机能效比显著提升。本发明具体采用如下技术方案：一种高能效比机房空调***，包括室内单元、室外单元和控制单元，其特征在于，所述室内单元包括热管蒸发器、室内风机和机械制冷装置；所述热管蒸发器具有气态冷媒出口和液态冷媒入口，所述机械制冷装置包括压缩机、冷凝器、蒸发器和节流装置；所述室外单元包括热管冷凝器和室外风机；所述室内单元通过冷媒管路与室外单元流体连通，所述室外单元位置高于所述室内单元，所述控制单元使得当自然冷源热管换热***完全满足机房换热量需求时，所述***中的机械制冷装置停止工作，处于自然冷源工作模式；当自然冷源热管换热***只能为机房提供部分冷量需求时，机械制冷装置开启，所述空调***处于自然冷源和机械冷源联合工作模式；当自然冷源不能直接为室内提供冷量时，所述空调***处于机械冷源工作模式，为机房提供冷量，所述热管***室外冷凝器为机械制冷装置提供冷源。
在一个实施方案中，所述高能效比机房空调***还包括热管蒸发器风机（即室内风机）和机械制冷装置蒸发器风机（即室内风机）。
优选地，所述热管蒸发器风机和所述机械制冷装置蒸发器风机为同一风机。
在一个实施方案中，所述机械制冷装置还包括换热器，所述机械制冷装置的冷凝器为所述换热器的一部分。
所述换热器的第一冷媒入口与所述机械制冷装置的压缩机排气出口流体连通，所述换热器的第一冷媒出口与机械制冷装置的节流装置入口流体连通；所述换热器的第二冷媒入口经冷媒流量调节装置与所述热管冷凝器的出口流体连通，所述换热器的第二冷媒出口与所述热管冷凝器的气态冷媒入口流体连通。
在一个实施方案中，所述热管冷凝器液态冷媒出口经流量调节装置分别与所述热管蒸发器的液态冷媒入口和所述换热器的第二冷媒入口流体连通，所述热管蒸发器的气态冷媒出口及所述换热器的第二冷媒出口与所述热管冷凝器的气态冷媒入口流体连通。
在一个实施方案中，所述机械制冷装置还包括位于所述机械制冷装置冷凝器的出口与所述节流装置的液态冷媒入口之间的冷媒管路中的干燥过滤器。
在一个实施方案中，还包括所述机械制冷装置冷媒管路中的气液分离器和储液器。
在一个实施方案中，所述压缩机可以是多台定频压缩机并联，或者是单台变频压缩机与单台定频压缩机或多台定频压缩机并联，或者是至少一台定频压缩机或至少一台变频压缩机。
在一个实施方案中，所述热管冷凝器采用蒸发冷方式。但也可采用其它冷却方式。
在一个实施方案中，所述换热器为板式换热器或者壳管式换热器。
本发明的有益技术效果包括：
(1)自然冷源模式独立运行时，室内单元与室外单元之间的冷媒循环为无源，零能耗，仅有室内风机和室外风机耗电，能效比极高。
(2)自然冷源与机械冷源联合运行时，可利用自然冷源为机械冷源提供预冷，能效比显著提高，更节能。
(3)全年利用自然冷源时间更长，更节能。
(4)机械制冷装置的冷凝器、蒸发器与压缩机同在室内单元安装，***管路短，有效减少***管路阻力，降低压缩机出口与吸口的压力差，提高能效比，降低耗能。
(5)自然冷源与机械冷源无缝对接，大幅减少压缩机的运行时间，提升***可靠性同时延长压缩机的使用寿命。
(6)在建设大型数据中心项目中，传统制冷方案需一次性整体建设，建设周期长，一次性投入大，而本发明的机房热管空调可分部实施，分批投入，减少了建设方的资金压力。
(7)新建数据中心初期往往负载达不到设计容量，处于部分负荷运行状态，传统的机房空调都是按照设计负荷加冗余配置，在小负荷运行时能耗高，PUE值往往都在2.0以上，而本发明的高能效比机房热管空调全年用自然冷源时间更长，在部分负荷运行模式下能效比更高。
附图说明
图1为本发明的一种高能效比机房空调***的发明原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。应该清楚，附图中所描述的本发明的具体实施方式仅为说明本发明用，并不构成对本发明的限制。本发明的保护范围由所附的权利要求书进行限定。
应当指出，为方便描述，本发明可能出现的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“背面”、“背部”、“高”、“低”及其它方向性术语仅为便于描述本发明的各个组成部分的相对方位，不应对本发明有任何限制。
参见图1。本发明的一种高能效比机房空调***100包括室内单元20、室外单元10、***管路30和控制单元（未示出）。所述室内单元20包括热管蒸发器203和室内风机201以及流量调节装置207、208以及机械制冷装置；蒸发器203具有气态冷媒出口（未示出）和液态冷媒入口（未示出）；所述机械制冷装置包括压缩机204、冷凝器206、节流装置205、蒸发器202。室外单元10包括热管冷凝器102和室外风机101。所述室内单元20通过冷媒管路30与室外单元10流体连通。
在图1中的室内单元20中还包括板式换热器206’，其中冷凝器206是板式换热器206’的一部分。板式换热器206’包括第一冷媒入口2061、第一冷媒出口2062、第二冷媒入口2064和第二冷媒出口2063。第一冷媒入口2061与压缩机204的排气出口流体连通，第一冷媒出口2062与节流装置205的冷媒入口（未示出）流体连通；第二冷媒入口2064与流量调节装置207的出口（图中未示出）流体连通，第二冷媒出口2063分别与热管冷凝器102的气态冷媒入口（图中未示出）和热管蒸发器203的冷媒气态出口（图中未示出）流体连通。
当自然冷源模式完全满足机房冷量需求时，室内热管蒸发器203中的液态冷媒（如冷媒R22或环保型冷媒如R410a、R134a等）通过室内风机201的循环气流作用，吸收室内环境中的热量而蒸发变成气态（即相变吸热），经过冷媒管道30输送至室外热管冷凝器102的气态冷媒入口进入冷凝器中，在室外风机101的作用下气态冷媒在室外热管冷凝器102中冷凝形成液态，同时将热量散发到大气中，液态冷媒在重力作用下通过冷媒管道30回流到室内流量调节装置208后流入热管蒸发器203中，完成一次热力循环，如此往复完成室内外的热量传递。在这种情况下，机械制冷不工作，关闭流量调节装置207,此时只有室内风机201和室外风机101耗电，整机能效比极高。
当自然冷源只满足部分换热量时，开启机械冷源补充冷量，满足机房的整体冷量需求，即自然冷源和机械冷源联合运行，在这种运行模式下，热管换热***中，室内热管蒸发器203在室内风机201循环风的作用下吸收环境中的热量，使得蒸发器内部的冷媒蒸发汽化，经***管路30进入热管冷凝器102冷凝器中冷凝器成液态冷媒，一部分通过***管路30及冷媒流量调节装置208后流入热管蒸发器203，完成一次热力循环，为机械制冷***提供预冷；另一部分通过***管路30经流量调节装置207流入板式换热器206’的第二冷媒入口2064进入板式换热器206’左侧蒸发吸热，为机械制冷装置的冷凝器提供冷源；机械制冷装置的蒸发器202中的气液混合冷媒在室内风机201的作用下吸收室内环境的热量而汽化成气态冷媒，经机械制冷压缩机压缩成高温高压气态冷媒进入第一冷媒入口2061，经板式换热器206’右侧冷凝后形成液态冷媒经第一冷媒出口2062流过节流装置205，经节流形成气液混合状态的冷媒进入到蒸发器202，完成一次机械制冷的热力循环。此时板式换热器206’的右侧为机械制冷装置的冷凝器206，左侧则为该冷凝器提供冷源，同时，板式换热器206’的左侧的冷媒吸收右侧的热量而蒸发成气态冷媒经冷媒管路上升至室外冷凝器102中，在室外风机的作用下，冷凝器102中的气态冷媒冷凝成液态冷媒，同时将热量释放到大气中，液态冷媒在自身重力作用下，通过冷媒管路30，一部分经流量调节装置208后流入热管蒸发器203继续蒸发，另一部分经流量调节装置207后流入板式换热器206’的左侧第二冷媒入口2064进入板式换热器蒸发吸热，完成一次热管换热***的热力循环。在这种工作模式下，自然冷源为机械冷源提供预冷，从而降低了机械制冷的负荷，有效提高机械冷源的能效比，整机能效比更高。
当自然冷源不能为机房提供冷量时，则完全由机械冷源为机房提供冷量，其换热过程为：机械制冷装置的蒸发器202在室内风机201的循环风的作用下，吸收机房内的环境热量，其内部冷媒吸热蒸发成气态冷媒，被压缩机吸入后经过压缩机压缩成高温气态冷媒经管路进入板式换热器206’第一冷媒入口2061进入右侧冷凝器冷凝成液态冷媒，经板式换热器206’的第一冷媒出口2062流出，通过节流装置205节流后形成气液混合状冷媒进入到蒸发器202中再次蒸发，在这种工作模式下，板式换热器206’的左侧的冷媒吸收右侧的热量蒸发成气态冷媒经***管路30进入到室外冷凝器102中冷凝成液态，同时在室外风机101的作用下将热量释放到大气中，冷凝器102中冷凝成的液态冷媒流过管路30经冷媒流量调节装置207后经第二冷媒入口2064进入到板式换热器206’的左侧（此时冷媒流量调节装置208关闭），为板式换热器206’的右侧提供冷源，完成一次换热过程，因机械制冷装置的***管路短，整机能效比比任何现有技术的机房空调能效比高。
综上所述，该发明的机房空调***在三种模式下工作，全年能效比远远高于现有技术的机房空调。
本实施例中的压缩机204可以是单台或多台定频压缩机并联，或者是单台变频压缩机与单台定频压缩机或多台定频压缩机并联，或者是至少一台定频压缩机或至少一台变频压缩机。本实施例中的冷凝器102可采用蒸发冷方式，但并不局限于此。
本实施例中的板式换热器206’仅为举例说明用，但并不局限于此。换热器还可以采用其它形式的换热器，如壳管式换热器。
本实施例中的室内风机201可同时用于热管蒸发器203和机械制冷***蒸发器202，但也可为热管蒸发器203和机械制冷装置蒸发器202分别设置室内风机。
本实施例中的节流装置205可采用电子膨胀阀，但并不局限于此。
本实施例中的流量调节装置207和208可采用电子膨胀阀，但并不局限于此。
本实施例中的控制单元及控制逻辑对本领域的技术人员而言是容易实现的，在此不予赘述。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。
Claims (10)
1.一种高能效比机房空调***，包括室内单元、室外单元和控制单元，其特征在于，所述室内单元包括热管蒸发器、室内风机和机械制冷装置；所述热管蒸发器具有气态冷媒出口和液态冷媒入口，所述机械制冷装置包括压缩机、冷凝器、蒸发器和节流装置；所述室外单元包括热管冷凝器和室外风机；所述室内单元通过冷媒管路与室外单元流体连通，所述室外单元位置高于所述室内单元，所述控制单元使得当自然冷源热管换热***完全满足机房换热量需求时，所述***中的机械制冷装置停止工作，处于自然冷源工作模式；当自然冷源热管换热***只能为机房提供部分冷量需求时，机械制冷装置开启，处于自然冷源和机械冷源联合工作模式；当自然冷源热管换热***不能直接为室内提供冷量时，所述空调***处于机械冷源工作模式，为机房提供冷量，所述热管***室外冷凝器为机械制冷装置提供冷源。
2.根据权利要求1所述的高能效比机房空调***，其特征在于，还包括热管蒸发器风机和机械制冷装置蒸发器风机。
3.根据权利要求1所述的高能效比机房空调***，其特征在于，所述机械制冷装置还包括换热器，所述机械制冷装置的冷凝器为所述换热器的一部分。
4.根据权利要求3所述的高能效比机房空调***，其特征在于，所述换热器的第一冷媒入口与所述压缩机的排气出口流体连通，所述换热器的第一冷媒出口与所述节流装置的入口流体连通；所述换热器的第二冷媒入口与流量调节装置流体连通，所述换热器的第二冷媒出口与热管冷凝器气态冷媒入口流体连通。
5.根据权利要求4所述的高能效比机房空调***，其特征在于，所述热管冷凝器液态冷媒出口经流量调节装置分别与所述热管蒸发器的液态冷媒入口和所述换热器的第二冷媒入口流体连通，所述热管蒸发器的气态冷媒出口及所述换热器的第二冷媒出口与所述热管冷凝器的气态冷媒入口流体连通。
6.根据权利要求1所述的高能效比机房空调***，其特征在于，所述压缩机可以是多台定频压缩机并联，或者是单台变频压缩机与单台定频压缩机或多台定频压缩机并联，或者是至少一台定频压缩机或至少一台变频压缩机。
7.根据权利要求1所述的高能效比机房空调***，其特征在于，所述热管冷凝器采用蒸发冷方式。
8.根据权利要求3所述的高能效比机房空调***，其特征在于，所述换热器为板式换热器或壳管式换热器。
9.根据权利要求1所述的高能效比机房空调***，其特征在于，所述节流装置为电子膨胀阀。
10.根据权利要求1所述的高能效比机房空调***，其特征在于，所述冷媒流量调节装置为电子膨胀阀。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2020
- 2020-06-10 CN CN202010522733.7A patent/CN111678198A/zh active Pending
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