本發(fā)明涉及換熱系統(tǒng)，尤其涉及一種全年余熱回收與高效冷卻的數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，數(shù)據(jù)中心的數(shù)量和耗電量不斷增長(zhǎng)，幾乎所有的耗電量最終轉(zhuǎn)化為大量穩(wěn)定的低溫余熱。同時(shí)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心冷卻能耗占總能耗的近四成。如何高效回收利用余熱和降低冷卻能耗，已成為提升能源利用率的關(guān)鍵。

2、低溫余熱用于供暖是一種相對(duì)成熟的提升能源利用率的方式。目前，數(shù)據(jù)中心余熱供暖技術(shù)主要通過(guò)熱泵回收余熱，包括以精密空調(diào)余熱為回收對(duì)象等多種形式。然而，由于建筑供暖具有明顯的季節(jié)性和波動(dòng)性，余熱無(wú)法實(shí)現(xiàn)全年回收。同時(shí)，建筑供暖的熱負(fù)荷與數(shù)據(jù)中心余熱量難以長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)匹配，導(dǎo)致余熱利用效率較低。此外，延長(zhǎng)自然冷源的使用時(shí)間以降低冷卻能耗，是提升數(shù)據(jù)中心能源利用率的一種有效措施。然而，現(xiàn)有技術(shù)在數(shù)據(jù)中心余熱回收與利用自然冷源冷卻的結(jié)合應(yīng)用上存在局限，多側(cè)重于單一的余熱回收，對(duì)全年利用自然冷源冷卻的系統(tǒng)性整合缺乏考慮，導(dǎo)致綜合能效低。

3、為解決這些問(wèn)題，土壤跨季節(jié)蓄能技術(shù)提供了一種新的解決方案。在非供暖期，系統(tǒng)利用土壤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的余熱；在供暖期，系統(tǒng)利用土壤存儲(chǔ)供暖過(guò)程中產(chǎn)生的冷量。由此，在非供暖期可實(shí)現(xiàn)土壤直接供冷。然而，系統(tǒng)若要實(shí)現(xiàn)全年余熱回收和高效冷卻的目標(biāo)，必然會(huì)對(duì)系統(tǒng)調(diào)控提出更高的要求。

4、因此，在確保數(shù)據(jù)中心冷卻效果的前提下，迫切需要開(kāi)發(fā)一種穩(wěn)定可靠且能夠?qū)崿F(xiàn)全年余熱回收的耦合供能系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于如何在確保數(shù)據(jù)中心冷卻效果的前提下，開(kāi)發(fā)一種穩(wěn)定可靠且能夠?qū)崿F(xiàn)全年余熱回收的耦合供能系統(tǒng)。

2、為此，本發(fā)明提及了一種全年余熱回收與高效冷卻的數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)，包括：蒸發(fā)器、冷凝器、地埋管換熱器、熱泵機(jī)組、制冷劑泵、儲(chǔ)液器、地埋管側(cè)循環(huán)泵、用熱側(cè)循環(huán)泵、用熱設(shè)備、閥門；

3、冷凝器設(shè)置有數(shù)據(jù)中心側(cè)流體出口、數(shù)據(jù)中心側(cè)流體入口、土壤側(cè)流體出口、土壤側(cè)流體入口；

4、蒸發(fā)器的流體出口與冷凝器的數(shù)據(jù)中心側(cè)流體入口連通，冷凝器的數(shù)據(jù)中心側(cè)流體出口與儲(chǔ)液器的流體入口連通，儲(chǔ)液器的流體出口與蒸發(fā)器的流體入口通過(guò)制冷劑泵連通，形成封閉的制冷劑換熱通路；

5、冷凝器的土壤側(cè)流體出口與地埋管換熱器的流體入口連通，地埋管換熱器的流體出口與冷凝器的土壤側(cè)流體入口通過(guò)地埋管側(cè)循環(huán)泵連通，形成封閉的循環(huán)換熱通路；

6、閥門設(shè)置于冷凝器的土壤側(cè)流體出口與地埋管換熱器的流體入口管路上；

7、熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器側(cè)通過(guò)管路并聯(lián)于閥門兩側(cè)，熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)的流體出口與用熱設(shè)備的入口通過(guò)用熱側(cè)循環(huán)泵連通，熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)的流體入口與用熱設(shè)備的出口連通；

8、閥門用于使供能系統(tǒng)在非供暖期運(yùn)行模式和供暖期運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換，在非供暖期間，閥門開(kāi)啟；在供暖期間，閥門關(guān)閉。

9、進(jìn)一步地，數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)置有溫濕度傳感器，制冷劑泵出口與蒸發(fā)器入口管路上設(shè)置有壓力傳感器，用熱設(shè)備出口與熱泵冷凝側(cè)的進(jìn)口管路上設(shè)置有回水溫度傳感器，用熱設(shè)備進(jìn)口與用熱側(cè)循環(huán)泵的管路上設(shè)置有供水溫度傳感器；

10、溫濕度傳感器、壓力傳感器、回水溫度傳感器和供水溫度傳感器均與控制系統(tǒng)連接；

11、用熱側(cè)循環(huán)泵與控制系統(tǒng)通過(guò)第一調(diào)速裝置連接，地埋管側(cè)循環(huán)泵與控制系統(tǒng)通過(guò)第二調(diào)速裝置連接，熱泵機(jī)組壓縮機(jī)與控制系統(tǒng)通過(guò)第三調(diào)速裝置連接。

12、進(jìn)一步地，液態(tài)制冷劑在蒸發(fā)器中吸收數(shù)據(jù)中心的熱量后氣化，隨后進(jìn)入冷凝器，在地埋管換熱器的循環(huán)介質(zhì)冷卻作用下，制冷劑由氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，進(jìn)入儲(chǔ)液器，在制冷劑泵的驅(qū)動(dòng)下，液態(tài)制冷劑從儲(chǔ)液器回流至蒸發(fā)器，形成通路進(jìn)行循環(huán)換熱；

13、在非供暖期運(yùn)行模式下，循環(huán)介質(zhì)在冷凝器中吸收制冷劑的熱量后進(jìn)入地埋管換熱器，將熱量釋放到周圍土壤，隨后被地埋管側(cè)循環(huán)泵送回冷凝器，再次帶走機(jī)房熱量，形成通路進(jìn)行循環(huán)換熱；

14、在供暖期運(yùn)行模式下，循環(huán)介質(zhì)首先在冷凝器中吸收制冷劑的熱量，并進(jìn)入熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器側(cè)放熱降溫，循環(huán)介質(zhì)接著通過(guò)地埋管換熱器與周圍土壤進(jìn)行熱量交換：在供暖初期和末期，循環(huán)介質(zhì)通過(guò)地埋管換熱器將熱量釋放到土壤中，而在供暖中期，循環(huán)介質(zhì)則通過(guò)地埋管換熱器從土壤中提取熱量，循環(huán)介質(zhì)接著在地埋管側(cè)循環(huán)泵的作用下再次流入冷凝器，帶走制冷劑的熱量，形成封閉的循環(huán)換熱通路；

15、用熱設(shè)備回水進(jìn)入熱泵機(jī)組的冷凝器側(cè)吸熱升溫，經(jīng)用熱側(cè)循環(huán)泵加壓后進(jìn)入用熱設(shè)備供暖。

16、進(jìn)一步地，在非供暖期運(yùn)行模式下，控制系統(tǒng)控制第二調(diào)速裝置調(diào)節(jié)地埋管側(cè)循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

17、當(dāng)機(jī)房溫度高于機(jī)房溫度上限的情況下，提高地埋管側(cè)循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速用于降低溫度；

18、當(dāng)機(jī)房溫度低于機(jī)房溫度下限的情況下，降低地埋管側(cè)循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速用于提升溫度。

19、進(jìn)一步地，系統(tǒng)包括：壓力傳感器和溫濕度傳感器；

20、壓力傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蒸發(fā)器的壓力，溫濕度傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前機(jī)房溫度、機(jī)房?jī)?nèi)相對(duì)濕度；

21、控制系統(tǒng)根據(jù)蒸發(fā)器的壓力計(jì)算飽和蒸發(fā)溫度，根據(jù)當(dāng)前機(jī)房溫度和機(jī)房室內(nèi)相對(duì)濕度計(jì)算露點(diǎn)溫度；

22、當(dāng)飽和蒸發(fā)溫度低于露點(diǎn)溫度的情況下，控制系統(tǒng)通過(guò)第二調(diào)速裝置降低地埋管側(cè)循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直至飽和蒸發(fā)溫度不低于露點(diǎn)溫度。

23、進(jìn)一步地，在供暖期運(yùn)行模式下，回水溫度傳感器和供水溫度傳感器分別用于監(jiān)測(cè)用熱設(shè)備回水溫度和用熱設(shè)備供水溫度，控制系統(tǒng)通過(guò)第三調(diào)速裝置調(diào)節(jié)熱泵機(jī)組壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速；

24、當(dāng)用熱設(shè)備回水溫度高于回水溫度上限的情況下，降低熱泵機(jī)組壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速；

25、當(dāng)用熱設(shè)備回水溫度低于回水溫度下限的情況下，提高熱泵機(jī)組壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速。

26、進(jìn)一步地，根據(jù)用熱設(shè)備供水溫度和用熱設(shè)備回水溫度計(jì)算供回水溫差值，控制系統(tǒng)通過(guò)第一調(diào)速裝置調(diào)節(jié)用熱側(cè)循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

27、當(dāng)供回水溫差值大于溫差上限的情況下，提高用熱側(cè)循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

28、當(dāng)供回水溫差小于溫差下限的情況下，降低用熱側(cè)循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

29、本技術(shù)的有益效果為：

30、本發(fā)明提及了一種全年余熱回收與高效冷卻的數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)，包括：蒸發(fā)器、冷凝器、地埋管換熱器、熱泵機(jī)組、制冷劑泵、儲(chǔ)液器、地埋管側(cè)循環(huán)泵、用熱側(cè)循環(huán)泵、用熱設(shè)備、閥門；冷凝器設(shè)置有數(shù)據(jù)中心側(cè)流體出口、數(shù)據(jù)中心側(cè)流體入口、土壤側(cè)流體出口、土壤側(cè)流體入口。蒸發(fā)器的流體出口與冷凝器的數(shù)據(jù)中心側(cè)流體入口連通，冷凝器的數(shù)據(jù)中心側(cè)流體出口與儲(chǔ)液器的流體入口連通，儲(chǔ)液器的流體出口與蒸發(fā)器的流體入口通過(guò)制冷劑泵連通，形成封閉的制冷劑換熱通路；冷凝器的土壤側(cè)流體出口與地埋管換熱器的流體入口連通，地埋管換熱器的流體出口與冷凝器的土壤側(cè)流體入口通過(guò)地埋管側(cè)循環(huán)泵連通，形成封閉的循環(huán)換熱通路；閥門設(shè)置于冷凝器的土壤側(cè)流體出口與地埋管換熱器的流體入口管路上。熱泵機(jī)組的蒸發(fā)器側(cè)通過(guò)管路并聯(lián)于閥門兩側(cè)，熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)的流體出口與用熱設(shè)備的入口通過(guò)用熱側(cè)循環(huán)泵連通，熱泵機(jī)組冷凝器側(cè)的流體入口與用熱設(shè)備的出口連通。閥門用于使供能系統(tǒng)在非供暖期運(yùn)行模式和供暖期運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換，在非供暖期間，閥門開(kāi)啟；在供暖期間，閥門關(guān)閉。

31、本發(fā)明提出了一種全年余熱回收與高效冷卻的數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了按需供冷與供熱的控制方法。該系統(tǒng)通過(guò)土壤跨季節(jié)蓄能技術(shù)，存儲(chǔ)非供暖期數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的余熱，實(shí)現(xiàn)全年余熱回收，解決了建筑供暖熱負(fù)荷與數(shù)據(jù)中心余熱量之間的動(dòng)態(tài)匹配難題。在供暖期，系統(tǒng)存儲(chǔ)供暖過(guò)程中產(chǎn)生的冷量，在非供暖期通過(guò)土壤直接供冷，大幅提高數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行能效。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)土壤以年為周期的熱平衡，在高效保障數(shù)據(jù)中心冷卻效果同時(shí)，實(shí)現(xiàn)全年余熱回收，提高余熱利用率。

32、基于數(shù)據(jù)中心的冷卻需求和能量高效利用，提出了適用于跨季節(jié)蓄能的數(shù)據(jù)中心供能系統(tǒng)的控制方法，確保了數(shù)據(jù)中心冷卻的可靠性和余熱利用率的最大化。