数据中心热管复合空调系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及制冷与空调技术领域，特别是一种数据中心热管复合空调系统及其运行方法。

背景技术

随着互联网数据中心（IDC）的快速增长，其处理的数据呈几何倍数级增长，数据中心装载的大量大功率电子设备在不间断的运行过程中将产生大量热量，对数据中心进行降温的制冷系统消耗了巨大的电力能源。据统计IDC空调制冷系统的能耗约占数据中心总能耗的30％～50％，这已经影响到数据中心的运行成本等，降低冷却设备的能耗成为迫切需要。

现有的数据中心的制冷系统和方法包括采用室外的自然散热模块或与备用室外散热模块共同实现散热，例如中国专利CN114599199A中公开的一种数据中心的制冷系统；以及采用机房外部空气单向流动和内循环散热制冷结合方式实现灵活制冷，例如中国专利CN114126322A中公开的一种制冷系统与数据中心；以及采用自然冷却装置、风机盘管、机械制冷设备等的组合控制进行高性能的制冷，例如中国专利CN115023094A中公开的一种数据中心增程式制冷系统及数据中心。上述现有技术虽然都提高了制冷效率，然而其对自然冷源的利用率仍不高，且对于数据中心低品位余热的回收率不高导致能耗仍较高；数据中心采用的机柜多是地板送风方式，机柜内气温随所处位置高度升高而增加，从而导致机柜内冷气流分布不均匀，使得散热高电子设备容易发生故障。因此，如何设计高效且热量回收率高的空调系统是目前仍需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种数据中心热管复合空调系统及其运行方法。

本发明的技术方案是：数据中心热管复合空调系统，包括热管模块、机械冷却模块、备用制冷模块及余热回收模块。

所述热管模块包括机柜内的第一热管蒸发器、第二热管蒸发器、第三热管蒸发器、第一节流装置、第二节流装置、第三节流装置和机柜外的氟泵、第一储液器；第一热管蒸发器、第二热管蒸发器和第三热管蒸发器输入端分别与第一节流装置、第二节流装置、第三节流装置输出端连接，第一节流装置、第二节流装置、第三节流装置输入端均与氟泵输出端连接，氟泵输入端与第一储液器输出端连接。

所述机械冷却模块包括单向阀、气液分离器、压缩机、冷凝器、第二储液器、第四节流装置、第一电磁阀、第一循环泵、风冷冷水机组、第二循环泵、第一带流量控制的止回阀和第二带流量控制的止回阀；单向阀输出端与气液分离器输入端连接，气液分离器输出端与压缩机输入端连接，压缩机输出端与冷凝器第一输入端连接，冷凝器第一输出端与第二储液器输入端连接，第二储液器输出端与第四节流装置输入端连接，第四节流装置输出端与第一电磁阀输入端连接；冷凝器第二输出端依次与第一带流量控制止回阀、第二带流量控制的止回阀和第一循环泵的输入端连接，第一循环泵输出端与风冷式冷水机组输入端连接，风冷式冷水机组输出端与第二循环泵输入端连接，第二循环泵输出端与与冷凝器第二输入端连接。

所述余热回收模块包括第一控制阀、第二控制阀、供热端、第三控制阀、第四控制阀、板式换热器和蓄热装置；第一控制阀输出端与供热端输入端连接，供热端输出端与第二控制阀输入端连接；第三控制阀输出端经过板式换热器与第四控制阀输入端连接。

所述备用制冷模块包括备用蒸发器、第五节流装置、第二电磁阀和第三电磁阀；备用蒸发器输入端与第五节流装置输出端连接，第五节流装置输入端与第二电磁阀输出端连接，备用蒸发器输出端与第三电磁阀输入端连接。

所述三流体换热器包括同心的内管、外管和竖直固定在外管外圆周面上的翅片，内管内的空间形成第一工质通道，内管和外管之间的通道形成第二工质通道。

所述热管模块与三流体换热器的第二工质通道连接，机械冷却模块与三流体换热器的第一工质通道连接，备用制冷模块、余热回收模块均与机械冷却模块连接。

本发明进一步的技术方案是：所述热管模块中第一热管蒸发器、第二热管蒸发器和第三热管蒸发器输出端均与三流体换热器第二工质通道的输入端连接，热管模块中第一储液器输入端与三流体换热器第二工质通道输出端连接；机械冷却模块中单向阀输入端与三流体换热器第一工质通道输出端连接，机械冷却模块中第一电磁阀输出端与三流体换热器第一工质通道输入端连接；余热回收模块中第一控制阀输入端与冷凝器第二输出端连接，第二控制阀输出端与第一带流量控制的止回阀输出端连接，第三控制阀输入端与第一带流量控制的止回阀输出端连接，第四控制阀输出端与第二带流量控制的止回阀输出端连接；备用制冷模块中第二电磁阀输入端与机械冷却模块中第四节流装置输出端连接，备用制冷模块中第三电磁阀输出端与机械冷却模块中单向阀输出端连接。

本发明再进一步的技术方案是：所述第一热管蒸发器、第二热管蒸发器和第三热管蒸发器按照自上而下的顺序固定安装在机柜内，机械冷却模块与三流体换热器均安装于数据中心室外。

本发明更进一步的技术方案是：所述第一控制阀、第二控制阀、供热端形成供热端余热回收，第三控制阀、第四控制阀、板式换热器和蓄热装置形成蓄热余热回收。

本发明更进一步的技术方案是：所述第一工质通道为机械制冷所用制冷剂流动通道，机械制冷所用制冷剂为R134a；第二工质通道为热管自然冷却所用制冷剂流动通道，热管自然冷却所用制冷剂为二氧化碳。

本发明提供的另一技术方案是：前述数据中心热管复合空调系统的运行方法，根据室外环境温度选择散热制冷模式，包括，

A、若室外环境温度小于12℃，启动第一热管蒸发器、第二热管蒸发器、第三热管蒸发器、氟泵以及三流体换热器，热管模块与三流体换热器的第二工质通道连通形成自然冷却制冷回路，制冷剂在三流体换热器第二工质通道内与翅片圆周的冷空气进行换热冷凝，三流体换热器的第二工质通道内冷凝后的制冷剂从其出口依次经过第一储液器、氟泵，再氟泵输出端分别流向第一节流装置、第二节流装置、第三节流装置，在氟泵的作用下流至第一热管蒸发器、第二热管蒸发器、第三热管蒸发器的输出端吸收数据中心的热量，换热后的制冷剂通过三流体换热器输入端回流至第二工质通道，依次循环。

B、若室外环境温度大于12℃且小于40℃，进一步开启单向阀、第一电磁阀，并启动气液分离器、压缩机、冷凝器，第一循环泵、风冷冷水机组、第二循环泵、第一带流量控制的止回阀和第二带流量控制的止回阀；热管模块与三流体换热器的第二工质通道连通形成自然冷却回路，机械冷却模块与三流体换热器的第一工质通道连通形成机械制冷回路，第一工质通道内的制冷剂通过单向阀、气液分离器、压缩机、冷凝器、第二储液器、第四节流装置和第一电磁阀进行循环，并在三流体换热器中第一工质通道内的制冷剂和第二工质通道内的制冷剂进行换热；同时，通过第一循环泵、风冷冷水机组、第二循环泵、第一带流量控制的止回阀、第二带流量控制的止回阀和冷凝器调节第一工质通道内的制冷剂冷凝。

C、若室外环境温度大于40℃，或者第一热管蒸发器、第二热管蒸发器或第三热管蒸发器的温度大于23℃，进一步开启备用蒸发器、第二电磁阀和第三电磁阀，温度低于23℃的蒸发器热管模块、机械冷却模块与备用制冷模块形成回路，即备用蒸发器输出端依次与第三电磁阀、气液分离器、压缩机、冷凝器、第二储液器、第四节流装置输入端连接，第四节流装置输出端依次与第二电磁阀、第五节流装置、备用蒸发器输入端连接，通过冷凝器实现对备用蒸发器的换热。

本发明进一步的技术方案是：还包括，D、在开启机械冷却模块时，采用如下三种方式之一进行余热的回收，

第一种：进一步开启第一控制阀、第二控制阀，调节第一带流量控制的止回阀通过第一控制阀由冷凝器中输出端输出的水流入供热端内的流量，将热量传递至供热端实现供热。

第二种：进一步开启第三控制阀、第四控制阀，调节第二带流量控制的止回阀通过第三控制阀由冷凝器中输出端输出的水流入蓄热装置内的流量，将热量传递至蓄热装置完成蓄热。

第三种：开启第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀，分别调节第一带流量控制的止回阀、第二带流量控制的止回阀通过第一控制阀、第三控制阀由冷凝器中输出端输出的温度较高的水流入供热端和蓄热装置内的流量，将热量传递至供热端和蓄热装置。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明提供的热管复合空调系统采用热管技术、复叠式制冷技术、蒸发压缩制冷技术，根据数据中心室内外温差和数据中心热负荷进行制冷剂流量分配及模式切换，并且复叠式制冷技术的增设拓宽了热管冷却机柜的运行温区，解决了热管在数据中心内外环境温度相差不大时不能较好发挥作用的问题，更好地利用了室外的自然冷源。

2、本发明提供的热管复合空调系统设置余热回收模块来吸收数据中心设备产生的低品位余热，且在三流体换热器中相变传热比液相、气相换热器的换热效果更好，吸收的低品位余热更多，所需换热器面积更小。

3、本发明提供的热管复合空调系统采用三分路热管蒸发器并联方式对机柜进行冷却，通过调节制冷剂在三分路热管蒸发器中的流量，能够调节机柜上中下各部分的制冷效果，从而减少温度差异，遏制机柜内局部过热现象出现。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

图1为热管复合空调系统结构连接图；

图2为热管自然冷却模块结构图；

图3为机械冷却模块结构图；

图4(a)、(b)为余热回收模块的供热端和蓄热结构图；

图5为备用制冷模块结构图；

图6为三流体换热器结构图；

图7为数据中心热管复合空调系统的运行方式流程图。

具体实施方式

实施例一，如图1-6所示，数据中心热管复合空调系统，包括热管模块1、机械冷却模块2、余热回收模块3、备用制冷模块4和三流体换热器5。

所述热管模块1包括机柜内的第一热管蒸发器11、第二热管蒸发器12、第三热管蒸发器13、第一节流装置14、第二节流装置15、第三节流装置16和机柜外的氟泵17、第一储液器18。

第一热管蒸发器11、第二热管蒸发器12和第三热管蒸发器13按照自上而下的顺序固定安装在机柜内，第一热管蒸发器11、第二热管蒸发器12和第三热管蒸发器13输入端分别与第一节流装置14、第二节流装置15、第三节流装置16输出端连接，第一节流装置14、第二节流装置15、第三节流装置16输入端均与氟泵7输出端连接，氟泵17输入端与第一储液器18输出端连接。

所述机械冷却模块2包括单向阀21、气液分离器22、压缩机23、冷凝器24、第二储液器25、第四节流装置26、第一电磁阀27、第一循环泵28、风冷冷水机组29、第二循环泵210、第一带流量控制的止回阀211和第二带流量控制的止回阀212。

单向阀21输出端与气液分离器22输入端连接，气液分离器22输出端与压缩机23输入端连接，压缩机23输出端与冷凝器24第一输入端连接，冷凝器24第一输出端与第二储液器25输入端连接，第二储液器25输出端与第四节流装置26输入端连接，第四节流装置26输出端与第一电磁阀27输入端连接；冷凝器24第二输出端依次与第一带流量控制止回阀211、第二带流量控制的止回阀212和第一循环泵28输入端连接，第一循环泵28输出端与风冷式冷水机组29输入端连接，风冷式冷水机组29输出端与第二循环泵210输入端连接，第二循环泵210输出端与与冷凝器24第二输入端连接。

所述余热回收模块3包括第一控制阀31、第二控制阀32、供热端33、第三控制阀34、第四控制阀35、板式换热器36和蓄热装置37。其中第一控制阀31、第二控制阀32、供热端33形成供热端余热回收，第三控制阀34、第四控制阀35、板式换热器36和蓄热装置37形成蓄热余热回收。

第一控制阀31输出端与供热端33输入端连接，经过用户供暖后，供热端33输出端与第二控制阀32输入端连接；第三控制阀34输出端经过板式换热器36然后与第四控制阀35输入端连接，板式换热器36与蓄热装置37连接以实现板式换热器36和蓄热装置37之间的换热。

所述备用制冷模块4包括备用蒸发器41、第五节流装置42、第二电磁阀43和第三电磁阀44。

备用蒸发器41输入端与第五节流装置42输出端连接，第五节流装置42输入端与第二电磁阀43输出端连接，备用蒸发器41输出端与第三电磁阀44输入端连接。

所述三流体换热器5包括同心的内管51、外管52和竖直固定在外管外圆周面上的翅片53，内管51内的空间形成第一工质通道，为机械制冷所用制冷剂流动通道；内管51和外管52之间的通道形成第二工质通道，为热管自然冷却所用制冷剂流动通道，翅片53之间的间隔能够使得空气在其间流动，以带走外管52内的热量。

机械制冷所用制冷剂选择对设备承压要求不高且环保的制冷剂，例如R134a等，由于这类制冷剂对冷凝器等设备承压能力要求较二氧化碳对设备要求低，所以机械制冷回路的采用的设备制造成本相对较低。热管自然冷却所用制冷剂选择二氧化碳（CO

所述机械冷却模块2和三流体换热器5安装于数据中心室外。

所述热管模块1中第一热管蒸发器11、第二热管蒸发器12和第三热管蒸发器13输出端均与三流体换热器5第二工质通道的入端连接，热管模块1中第一储液器18输入端与三流体换热器5第二工质通道输出端连接；机械冷却模块2中单向阀21输入端与三流体换热器5第一工质通道输出端连接，机械冷却模块2中第一电磁阀27输出端与三流体换热器5第一工质通道输入端连接；余热回收模块3中第一控制阀31输入端与冷凝器24第二输出端连接，第二控制阀32输出端与第一带流量控制的止回阀211输出端连接，第三控制阀34输入端与第一带流量控制的止回阀211输出端连接，第四控制阀35输出端与第二带流量控制的止回阀212输出端连接；备用制冷模块4中第二电磁阀43输入端与机械冷却模块2中第四节流装置26输出端连接，备用制冷模块4中第三电磁阀44输出端与机械冷却模块2中单向阀21输出端连接。

实施例二，如图7所示，实施例一所述的数据中心热管复合空调系统的运行方法，根据室外环境温度选择散热制冷模式，包括如下情形：

A、若室外环境温度小于12℃，启动第一热管蒸发器11、第二热管蒸发器12、第三热管蒸发器13、氟泵17以及三流体换热器5，热管模块1与三流体换热器5的第二工质通道连通形成自然冷却制冷回路，制冷剂在三流体换热器5第二工质通道内与翅片53周围的冷空气进行换热冷凝，三流体换热器5的第二工质通道内冷凝后的制冷剂从其出口依次经过第一储液器18、氟泵17，由氟泵17输出端分别流向第一节流装置14、第二节流装置15、第三节流装置16，在氟泵7的作用下流至第一热管蒸发器1、第二热管蒸发器2、第三热管蒸发器3的输出端吸收数据中心的热量，换热后的制冷剂通过三流体换热器5输入端回流至第二工质通道，依次循环，实现数据中心的自然冷却。

其中，第一热管蒸发器11、第二热管蒸发器12、第三热管蒸发器13均设有与其相连接的第一节流装置14、第二节流装置15、第三节流装置16，能够单独对每一个热管蒸发器进行制冷剂流量的调节，同时，控制系统对风机转速进行调节，使得数据中心机柜进风口处沿高度方向温度更加均匀，减少冷热气流掺混，遏制局部过热现象出现。

B、若室外环境温度大于12℃且小于40℃，进一步开启单向阀21、第一电磁阀27，并启动气液分离器22、压缩机23、冷凝器24，第一循环泵28、风冷冷水机组29、第二循环泵210、第一带流量控制的止回阀211和第二带流量控制的止回阀212。热管模块1与三流体换热器5的第二工质通道连通形成自然冷却回路，机械冷却模块2与三流体换热器5的第一工质通道连通形成机械制冷回路，第二工质通道内的制冷剂实现数据中心的自然冷却散热制冷，此时室外环境温度较高，三流体换热器5翅片53周围的冷空气无法实现数据中心的完全冷却，因此，机械制冷回路对第二工质通道内的制冷剂进行进一步的冷凝：第一工质通道内的制冷剂通过单向阀21、气液分离器22、压缩机23、冷凝器24、第二储液器25、第四节流装置26和第一电磁阀27进行循环，并在三流体换热器5中第一工质通道内的制冷剂和第二工质通道内的制冷剂进行换热以提高数据中心的冷却效果。同时，通过第一循环泵28、风冷冷水机组29、第二循环泵210、第一带流量控制的止回阀211、第二带流量控制的止回阀212和冷凝器24调节第一工质通道内的制冷剂的冷凝效果。

C、若室外环境温度大于40℃，或第一热管蒸发器11、第二热管蒸发器12或第三热管蒸发器13的温度大于23℃，进一步开启备用蒸发器41、第二电磁阀43和第三电磁阀44，温度低于23℃的蒸发器热管模块1、机械冷却模块2与备用制冷模块4形成回路，即备用蒸发器41输出端依次与第三电磁阀44、气液分离器22、压缩机23、冷凝器24、第二储液器25、第四节流装置26输入端连接，第四节流装置26输出端依次与第二电磁阀43、第五节流装置42、备用蒸发器41输入端连接，通过冷凝器24实现对备用蒸发器41的换热，进而实现数据中心的备用散热制冷。

实施例三，实施例三所述的数据中心热管复合空调系统的运行方法与实施例二的运行方法基本类似，其不同之处在于，还包括：

D、采用如下三种方式之一进行余热的回收，第一种：进一步开启第一控制阀31、第二控制阀32，调节第一带流量控制的止回阀211通过第一控制阀31由冷凝器24中输出端输出的温度较高的水流入供热端33内的流量，将热量传递至供热端33实现供热；

第二种：进一步开启第三控制阀34、第四控制阀35，调节第二带流量控制的止回阀212通过第三控制阀34由冷凝器24中输出端输出的温度较高的水流入蓄热装置37内的流量，将热量传递至蓄热装置37完成蓄热；

第三种开启第一控制阀31、第二控制阀32、第三控制阀34、第四控制阀35，分别调节第一带流量控制的止回阀211、第二带流量控制的止回阀212通过第一控制阀31、第三控制阀34由冷凝器24中输出端输出的温度较高的水流入供热端33和蓄热装置37内的流量，将热量传递至供热端33和蓄热装置37，供热端33、蓄热装置37收集的热能根据实际的需要进行再利用，从而实现了余热的回收。

通过上述供热端33和蓄热装置37来对热量进行回收利用，在保证数据中心正常运行的同时，能够进一步提高数据中心能源的利用率，降低能耗。