数据中心机房空调系统的制作方法

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1.本实用新型涉及数据中心机房散热技术领域，特别涉及一种数据中心机房空调系统。

背景技术：

2.随着数据中心规模和集成度的发展，数据中心机房内服务器设备功率密度与日俱增，数据中心的热密度也越来越高。一方面，数据中心机房内消耗的电量大幅增长；另一方面，数据中心冷却调节不合理，不能有效为发热设备散热，进而可能导致设备停机。
3.传统的数据中心机房采用机械制冷来解决数据中心机房的散热问题。机械制冷消耗了大量电能，甚至占到数据中心总用电量的三分之一以上。目前，市面上的多采用间接蒸发冷却空调机组对数据中心机房进行机械制冷。间接蒸发冷却空调机组在制冷调节过程中，不仅需要消耗大量电能，而且会使用大量冷却水，消耗了大量水资源。
4.本专利申请的发明人，通过研究数据中心机房散热技术发现：现有的数据机房空调系统制冷效果较差、不能精准调节数据中心机房温度、以及耗费大量能源。

技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的部分或全部问题，本发明创造实施例提供了一种数据中心机房空调系统。所述技术方案如下：
6.提供了一种数据中心机房空调系统，包括室内蒸发循环回路和室外降温循环回路；所述室内蒸发循环回路包括蒸发器和室内侧换热风机；所述室外降温循环回路包括所述蒸发器、室外侧换热风机、湿膜降温冷却器、冷凝器、中间冷却器、低压级压缩机、高压级压缩机、单向阀和制冷剂管道；
7.所述室内侧换热风机设置在所述蒸发器之前，用于为室内空气提供动力，使得所述室内空气流经所述蒸发器；
8.所述室外侧换热风机和所述湿膜降温冷却器设置在所述冷凝器之前；所述室外侧换热风机用于为室外空气提供动力，使得所述室外空气流经所述冷凝器和/或所述湿膜降温冷却器；
9.所述蒸发器、所述冷凝器、所述中间冷却器的主侧、所述蒸发器和所述单向阀依次首尾连接；其中，所述中间冷却器的主侧入口与所述冷凝器连接，所述中间冷却器的主侧出口与所述蒸发器连接；
10.所述中间冷却器的主侧出口还与所述中间冷却器的辅侧入口连接，所述中间冷却器的辅侧出口与所述高压级压缩机连接；
11.由所述低压级压缩机和所述高压级压缩机串联连接而成的两级压缩压缩机与所述单向阀并联连接。
12.可选的，所述室内蒸发循环回路还包括室内送风风道和室内回风风道；所述室内送风风道用于将来自所述蒸发器的所述室内空气引导至所述数据中心机房内的it设备，所
述室内回风风道用于将来自所述it设备的所述室内空气引导至所述蒸发器内。
13.可选的，所述低压级压缩机和所述高压级压缩机为气浮离心压缩机。
14.可选的，所述中间冷却器为板式换热器。
15.可选的，所述室外侧换热风机为变速调节轴流风机。
16.可选的，所述室内侧换热风机为电子换相风机。
17.可选的，所述室外降温循环回路还包括制冷剂循环泵，所述制冷剂循环泵为屏蔽式管道离心循环泵，设置在所述冷凝器和所述中间冷却器之间。
18.本发明创造实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：
19.精确利用自然冷源对数据中心机房进行温度调节，减少机械制冷运行的时间和负荷；采用湿膜降温冷却器给冷凝器预冷，降低制冷系统冷凝温度，获取更高的制冷量和制冷系统能效；采用制冷效率更高的两级压缩无油气浮离心压缩机技术，满足机械制冷的精细调节，仅需使用少量水源；满足数据机房对送风温度的严格要求；减少数据中心空气调节能源消耗；减少水资源的消耗。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明创造实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明创造的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本技术实施例提供的一种数据中心机房空调系统的结构示意图；
22.图2是本技术实施例提供的一种第一降温模式下运行的数据中心机房空调系统的结构示意图；
23.图3是本技术实施例提供的一种第二降温模式下运行的数据中心机房空调系统的结构示意图；
24.图4是本技术实施例提供的一种第三降温模式下运行的数据中心机房空调系统的结构示意图。
25.附图标记说明：
26.室外侧换热风机1、2；冷凝器3；冷凝器进气管路4；湿膜降温冷却器5；排气管路6；连接管道7、11、22、24、26；两级压缩压缩机8；单向阀9；吸气管路10；蒸发器回气管路12；室内送风通道13；室内侧换热风机14；蒸发器15；it设备16；室内回风通道17；制冷剂节流后管路18；电子膨胀阀19；电磁阀20；中间冷却器出液管21；电磁阀23；电子膨胀阀25；中间补气管27；制冷剂循环泵出液管28；制冷剂循环泵29；室外侧冷凝器出液管路30；中间冷却器31。
具体实施方式
27.为使本发明创造的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明创造实施方式作进一步地详细描述。本技术使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”、“第一端”、“第二端”、“一端”、“另一端”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中
的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。
28.此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“滑动连接”、“固定”、“套接”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连接。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
29.本发明创造实施例提供了一种数据中心机房空调系统，可以包括室内蒸发循环回路和室外降温循环回路；室内蒸发循环回路包括蒸发器和室内侧换热风机；室外降温循环回路包括蒸发器、室外侧换热风机、湿膜降温冷却器、冷凝器、中间冷却器、低压级压缩机、高压级压缩机、单向阀和制冷剂管道。
30.在实施中，室内侧换热风机设置在蒸发器之前，用于为室内空气提供动力，使得室内空气流经蒸发器；室外侧换热风机和湿膜降温冷却器设置在冷凝器之前；室外侧换热风机用于为室外空气提供动力，使得室外空气流经冷凝器和/或湿膜降温冷却器；蒸发器、冷凝器、中间冷却器的主侧、蒸发器和单向阀依次首尾连接；其中，中间冷却器的主侧入口与冷凝器连接，中间冷却器的主侧出口与蒸发器连接；中间冷却器的主侧出口还与中间冷却器的辅侧入口连接，中间冷却器的辅侧出口与高压级压缩机连接；由低压级压缩机和高压级压缩机串联连接而成的两级压缩压缩机与单向阀并联连接。
31.在实施中，蒸发器用于对室内蒸发循环回路中的室内空气与室外降温循环回路中的制冷剂进行热交换。蒸发器周围空气中的热量通过热对流传递给蒸发器管外壁，并通过热传导到蒸发器管内壁，再通过热对流将热量传递给制冷剂，使制冷剂吸热蒸发或沸腾。
32.进一步地，室内蒸发循环回路还可以包括室内送风风道和室内回风风道；室内送风风道用于将来自蒸发器的室内空气引导至数据中心机房内的it设备，室内回风风道用于将来自it设备的室内空气引导至蒸发器内。
33.在一个实施例中，低压级压缩机和高压级压缩机为气浮离心压缩机。
34.再实施中，本技术采用至少两台排气压力不同的压缩机对制冷剂气体进行压缩，这样的压缩机组可以称作两级压缩压缩机。其中，低压级压缩机可以是排气压力为1-10mpa的基于气浮轴承的离心式压缩机，高压级压缩机可以是排气压力为100-1000mpa的基于气浮轴承的离心式压缩机。
35.在一个实施例中，中间冷却器为板式换热器。
36.在实施中，制冷剂可以在板式换热器中的流道中流动，从而通过板片进行热交换。
37.在一个实施例中，室外侧换热风机可以为变速调节轴流风机，室内侧换热风机可以为电子换相(electrical commutation,ec)风机。
38.在实施中，通过提高换热风机的风量加强对流传热，可使冷却效果提高。
39.在一个实施例中，室外降温循环回路还包括制冷剂循环泵，制冷剂循环泵为屏蔽式管道离心循环泵，设置在所述冷凝器和所述中间冷却器之间。
40.下面将结合图1-4所示的数据中心机房空调系统进行详细的说明，图中箭头可以表示流体的流向。
41.参见图1，本技术提供的一种数据中心机房空调系统可以包括：室外侧换热风机1、2；冷凝器3；冷凝器进气管路4；湿膜降温冷却器5；排气管路6；连接管道7、11、22、24、26；两级压缩压缩机8；单向阀9；吸气管路10；蒸发器回气管路12；室内送风通道13；室内侧换热风机14；蒸发器15；it设备16；室内回风通道17；制冷剂节流后管路18；电子膨胀阀19；电磁阀20；中间冷却器出液管21；电磁阀23；电子膨胀阀25；中间补气管27；制冷剂循环泵出液管28；制冷剂循环泵29；室外侧冷凝器出液管路30；中间冷却器31。
42.在实施中，室内外换热风机均可以为一台或多台，本技术对此不作限制。
43.当数据中心机房空调系统首次启动时，可以采用第一降温模式运行。开启所述冷凝器和所述单向阀，关闭所述湿膜降温冷却器和所述两级压缩压缩机；所述室外降温循环回路中的制冷剂经过所述冷凝器与所述室外空气进行热交换，换热降温后通过所述中间冷却器的主侧进入所述蒸发器，与所述室内蒸发循环回路中的室内空气进行热交换，蒸发后再次进入所述冷凝器。
44.可参见图2，来自it设备16的热风在室内回风风道17的引导下，通过室内换热风机14的驱动下，经过室内蒸发器15内，在室内蒸发器15与节流后蒸发的制冷剂进行热交换后，从室内蒸发器15换热后的冷风经过室内送风风道侧流出，再通过室内送风通道13送入机房对it设备16进行冷却。室内蒸发器内蒸发后的制冷剂气体，经过室内蒸发器回气管路12流经管路11进入单向阀9，再流经管路7进入冷凝器进气管4，进入室外冷凝器3内。通过调节室外侧换热风机1、2；对室外冷凝器内的制冷剂进行冷却，将制冷剂的热量排入大气中，冷却后的制冷剂由气体凝结为液体，该制冷剂液体通过室外侧冷凝器出液管路30；进入制冷剂循环泵29调节加压后，流经中间冷却器31主侧(此模式中间冷却器31辅侧未工作)，再通过中间冷却器出液管21送至电磁阀20流入电子膨胀阀19、通过电子膨胀阀19进行节流，节流后的制冷剂通过制冷剂节流后管路18进入室内蒸发器15内进行蒸发，蒸发后的制冷剂再次经过回气管路12；形成一个完整的制冷循环。
45.在实施中，可以根据数据机房室内it设备16的负荷，对室外换热风机1、2和室内侧换热风机14分别进行调节，在室内侧获得稳定的目标温度，从而减少了室外、室内两侧换热风机的功耗。利用自然冷源对制冷剂进行冷却即可获得室内侧需要的目标温度，无需启动压缩机工作，节约能源消耗。
46.值得一提的是，在上述的第一降温模式中，为了提高降温效果，对室外换热风机1、2和室内侧换热风机14分别进行调节，具体可以是：实时采集室内送风通道内的送风温度，判断室内送风通道内的送风温度是否高于预先设置的目标温度；若送风温度高于目标温度，则可以调大室内外换热风机的风量，即调大室内外换热风机的实际输出功率。若室内外换热风机的实际输出功率调至最大时，送风温度仍高于目标温度，则可以将数据中心机房空调系统切换为第二降温模式。
47.相应的，降温效果较佳时，为了节约能源，可以在保证送风温度不高于目标温度的情况下，调小室内外换热风机的风量。
48.进一步而言，当室外空气温度升高，且室内it设备16负荷增大，机组在第一降温模式运行下，调节室外风机至最大负荷时，室内送风高于设定目标温度，则进入第二降温模式运行。开启所述冷凝器、所述单向阀和所述湿膜降温冷却器，关闭所述两级压缩压缩机；所述湿膜降温冷却器在室外空气进入所述冷凝器之前对所述室外空气进行预冷，所述室外降
温循环回路中的制冷剂进入所述冷凝器与所述室外空气进行热交换，换热降温后通过所述中间冷却器的主侧进入所述蒸发器，与所述室内蒸发循环回路中的室内空气进行热交换，蒸发后再次进入所述冷凝器。
49.可参见图3，来自it设备16的热风在室内回风风道17的引导下，通过室内换热风机14的驱动下，经过室内蒸发器15内，在室内蒸发器15与节流后蒸发的制冷剂进行热交换后，从室内蒸发器15换热后的冷风经过室内送风风道侧流出，再通过室内送风通道13送入机房对it设备16进行冷却。室内蒸发器内蒸发后的制冷剂气体，经过室内蒸发器回气管路12流经管路11进入单向阀9，再流经管路7进入冷凝器进气管4，进入室外冷凝器3内。进一步的，室外空气经过湿膜降温冷却器5预冷后，得到低于环境温度的冷风，再进入冷凝器3对循环的制冷剂进行冷却；通过调节室外侧换热风机1、2；对室外冷凝器内的制冷剂进行冷却，将制冷剂的热量排入大气中，冷却后的制冷剂由气体凝结为液体，该制冷剂液体通过室外侧冷凝器出液管路30；进入制冷剂循环泵29调节加压后，流经中间冷却器31主侧(此模式中间冷却器31辅侧未工作)，再通过中间冷却器31出液管21送至电磁阀20流入电子膨胀阀19、通过电子膨胀阀19进行节流，节流后的制冷剂通过制冷剂节流后管路18进入室内蒸发器15内进行蒸发，蒸发后的制冷剂再次经过回气管路12；形成一个完整的制冷循环。
50.在实施中，可以根据数据机房室内it设备16的负荷，对室外换热风机1、2和室内侧换热风机14分别进行调节，在室内侧获得稳定的目标温度，从而减少了室外、室内两侧换热风机的功耗。利用自然冷源对制冷剂进行冷却即可获得室内侧需要的目标温度，无需启动压缩机工作，节约能源消耗。
51.值得一提的是，与上述的第一降温模式类似，在上述的第二降温模式中，为了提高降温效果，可以实时采集室内送风通道内的送风温度，判断室内送风通道内的送风温度是否高于预先设置的目标温度；若送风温度高于目标温度，则可以调大室内外换热风机的风量，即调大室内外换热风机的实际输出功率。若室内外换热风机的实际输出功率调至最大时，送风温度仍高于目标温度，则将数据中心机房空调系统切换为第三降温模式。
52.相应的，降温效果较佳时，为了节约能源，可以在保证送风温度不高于目标温度的情况下，调小室内外换热风机的风量。若室内外换热风机的功率调至最小时，降温效果仍超过预期，则可以将数据中心机房空调系统切换回第一降温模式。
53.进一步而言，当室外空气温度升高，且室内it设备16负荷增大，机组在第二降温模式运行下，调节室外风机至最大负荷时，室内送风高于设定目标温度，则进入第三降温模式运行。开启所述冷凝器、所述湿膜降温冷却器和所述两级压缩压缩机，关闭所述单向阀；所述湿膜降温冷却器在室外空气进入所述冷凝器之前对所述室外空气进行预冷，所述室外降温循环回路中的制冷剂进入所述冷凝器与所述室外空气进行热交换，换热降温后进入所述中间冷却器的主侧与所述中间冷却器的辅侧内的制冷剂进行热交换，从所述中间冷却器的主侧出口流出后分为两路；第一路制冷剂进入所述中间冷却器的辅侧与所述中间冷却器的主侧内的制冷剂进行热交换，从所述中间冷却器的辅侧出口流出，与所述低压级压缩机排出的制冷剂混合，进入所述高压级压缩机；第二路制冷剂进入所述蒸发器，与所述室内蒸发循环回路中的室内空气进行热交换，蒸发后进入所述低压级压缩机，经所述低压级压缩机压缩后进入所述冷凝器。
54.可参见图4，来自it设备16的热风在室内回风风道17的引导下，通过室内换热风机
14的驱动下，经过室内蒸发器15内，在室内蒸发器15与节流后蒸发的制冷剂进行热交换后，从室内蒸发器15换热后的冷风经过室内送风风道侧流出，再通过室内送风通道13送入机房对it设备16进行冷却。室内蒸发器内蒸发后的制冷剂气体，经过室内蒸发器回气管路12流经管路10进入气浮离心压缩机8的低压级入口，经过低压级压缩机压缩后再与来自补气管路27的低温制冷剂气体混合，补气管路的低温制冷剂对低压级排出的过热制冷剂气体进行冷却，冷却后的混合气体比容变小，更利于高压级压缩机压缩。
55.进一步的，冷却后的混合气体再进入高压级压缩机进行压缩，而不需增加高压级压缩机的功耗，相比无中间补气的压缩机获得更大的制冷剂排气量，从而增加系统的制冷量；提升制冷系数；压缩后的制冷剂气体通过排气管路6再进入冷凝器进气管4，进入室外冷凝器3内进行冷却。
56.进一步的，室外空气经过湿膜降温冷却器5预冷后，得到低于环境温度的冷风，再进入冷凝器3对循环的制冷剂进行冷却；通过调节室外侧换热风机1、2；对室外冷凝器内的制冷剂进行冷却，将制冷剂的热量排入大气中，冷却后的制冷剂由气体凝结为液体，通过室外侧冷凝器出液管路30；进入制冷剂循环泵29调节加压后，流经中间冷却器31主侧内与该换热器辅侧的制冷剂进行热交换，进一步的降低主侧液体温度；制冷剂流经中间冷却器31主侧出液管21后分为两路。
57.其中一路制冷剂依次流经连接管路22、电磁阀23、连接管路24、电子膨胀阀25，经电子膨胀阀25节流调节后流经管路26进入中间冷却器31辅侧蒸发，与本换热器主侧的制冷剂进行热交换，辅侧蒸发后的制冷剂气体通过中间补气管27进入气浮压缩机的中间补气口，与气浮压缩机低压级排出的过热气体混合，并对其进行冷却，然后进入气浮压缩机高压级进行压缩。这样，通过对中间冷却器31主侧的制冷剂进行换热冷却，可以在中间冷却器31的主侧出口获得更低的制冷剂液体，提高循环制冷剂的过冷度，获得更多的制冷量，而不需增加压缩机的功耗。
58.另一路制冷剂通过电磁阀20流入电子膨胀阀19、通过电子膨胀阀19进行节流调节，节流后的制冷剂通过制冷剂节流后管路18进入室内蒸发器15内进行蒸发，蒸发后的制冷剂再次经过回气管路12，然后进入气浮离心压缩机8进行压缩；形成一个完整的制冷循环。
59.在实施中，可以根据数据机房室内it设备16的负荷，对室外换热风机1、2和室内侧换热风机14以及两级压缩气浮离心压缩机分别进行调节，在室内侧获得稳定的目标温度，从而减少了室外、室内两侧换热风机和气浮离心压缩机的功耗。利用湿膜降温冷却器预冷进入冷凝器的空气温度，带来对制冷系统冷凝温度的降低、以及采用中间冷却器对循环制冷剂获得更大的过冷度，增加循环系统的制冷量，通过中间补气冷却提升压缩机的输气系数，减小压缩机的耗功，从而更大地提升制冷系统的能效，减小制冷系统的功耗。即可获得室内侧需要的目标温度，节约能源消耗。
60.值得一提的是，在上述的第三降温模式中，为了提高降温效果，可以实时采集室内送风通道内的送风温度，判断室内送风通道内的送风温度是否高于预先设置的目标温度；若送风温度高于目标温度，则可以调大室内外换热风机的风量，即调大室内外换热风机的实际输出功率，还可以调大两级压缩气浮离心压缩机的实际输出功率。
61.相应的，降温效果较佳时，为了节约能源，可以在保证送风温度不高于目标温度的
情况下，调小室内外换热风机以及两级压缩气浮离心压缩机的实际输出功率。若室内外换热风机以及两级压缩气浮离心压缩机的实际输出功率调至最小时，降温效果仍超过预期，则可以将数据中心机房空调系统切换回第二降温模式。
62.采用上述的数据中心机房空调系统，本技术至少能够产生以下技术效果：
63.精确利用自然冷源对数据中心机房进行温度调节，减少机械制冷运行的时间和负荷；采用湿膜降温冷却器给冷凝器预冷，降低制冷系统冷凝温度，获取更高的制冷量和制冷系统能效；采用制冷效率更高的两级压缩无油气浮离心压缩机技术，满足机械制冷的精细调节，仅需使用少量水源；满足数据机房对送风温度的严格要求；减少数据中心空气调节能源消耗；减少水资源的消耗。
64.以上所述仅为本发明创造的较佳实施例，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

技术特征：

1.一种数据中心机房空调系统，其特征在于，包括室内蒸发循环回路和室外降温循环回路；所述室内蒸发循环回路包括蒸发器和室内侧换热风机；所述室外降温循环回路包括所述蒸发器、室外侧换热风机、湿膜降温冷却器、冷凝器、中间冷却器、低压级压缩机、高压级压缩机、单向阀和制冷剂管道；所述室内侧换热风机设置在所述蒸发器之前，用于为室内空气提供动力，使得所述室内空气流经所述蒸发器；所述室外侧换热风机和所述湿膜降温冷却器设置在所述冷凝器之前；所述室外侧换热风机用于为室外空气提供动力，使得所述室外空气流经所述冷凝器和/或所述湿膜降温冷却器；所述蒸发器、所述冷凝器、所述中间冷却器的主侧、所述蒸发器和所述单向阀依次首尾连接；其中，所述中间冷却器的主侧入口与所述冷凝器连接，所述中间冷却器的主侧出口与所述蒸发器连接；所述中间冷却器的主侧出口还与所述中间冷却器的辅侧入口连接，所述中间冷却器的辅侧出口与所述高压级压缩机连接；由所述低压级压缩机和所述高压级压缩机串联连接而成的两级压缩压缩机与所述单向阀并联连接。2.如权利要求1所述的数据中心机房空调系统，其特征在于，所述室内蒸发循环回路还包括室内送风风道和室内回风风道；所述室内送风风道用于将来自所述蒸发器的所述室内空气引导至所述数据中心机房内的it设备，所述室内回风风道用于将来自所述it设备的所述室内空气引导至所述蒸发器内。3.如权利要求1所述的数据中心机房空调系统，其特征在于，所述低压级压缩机和所述高压级压缩机为气浮离心压缩机。4.如权利要求1所述的数据中心机房空调系统，其特征在于，所述中间冷却器为板式换热器。5.如权利要求1所述的数据中心机房空调系统，其特征在于，所述室外侧换热风机为变速调节轴流风机。6.如权利要求1所述的数据中心机房空调系统，其特征在于，所述室内侧换热风机为电子换相风机。7.如权利要求1所述的数据中心机房空调系统，其特征在于，所述室外降温循环回路还包括制冷剂循环泵，所述制冷剂循环泵为屏蔽式管道离心循环泵，设置在所述冷凝器和所述中间冷却器之间。

技术总结

本发明创造实施例提供一种数据中心机房空调系统，属于数据中心机房散热技术领域。该系统包括室内蒸发循环回路和室外降温循环回路；所述室内蒸发循环回路包括蒸发器和室内侧换热风机；所述室外降温循环回路包括所述蒸发器、室外侧换热风机、湿膜降温冷却器、冷凝器、中间冷却器、低压级压缩机、高压级压缩机、单向阀和制冷剂管道。本发明创造制冷效果好，能够精准调节数据中心机房温度以及节约能源。精准调节数据中心机房温度以及节约能源。精准调节数据中心机房温度以及节约能源。