热回收系统及热回收方法与流程

本发明涉及换热系统，特别涉及一种用于数据中心空调系统的热回收系统及热回收方法。

背景技术：

随着信息技术的普遍应用，数据中心作为数据存储、计算的基础平台，近些年得到了迅猛发展，其建设规模和数量都不断扩大。由于数据中心服务器的不间断运行会产生大量热量，需向数据中心机房内全年不间断供冷，制冷系统因此全年不间断制冷运行。制冷系统在数据中心总电能消耗中的比重很大，通常达到20％～30％，甚至更高。多数超大规模数据中心(总用电功耗10MW以上)，通常采用庞大的空调水系统进行末端服务器机房冷却，由此产生的巨大热量最终通过冷却塔排至大气中，既浪费宝贵的热能资源，又对环境造成热污染。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种热回收系统及热回收方法，以便于节约热能资源，降低对环境造成的热污染。

具体技术方案如下：

本发明提供了一种热回收系统，该热回收系统包括：热吸收段、热回收主机和末端供热段；

所述热吸收段被设置于冷却塔中，用于通过冷媒与冷却塔的冷却水进行热交换，以吸收冷却水的热量；

所述热回收主机，用于控制热量从所述热吸收段传递至所述末端供热段，并依据预设的控制策略控制热量的传递量；

所述末端供热段，用于将热量提供给用热端系统。

根据本发明一优选实施方式，所述热吸收段包括：第一热交换单元；

所述第一热交换单元设置于冷却塔的喷淋管下，以使得喷淋管的热水被喷淋至所述第一热交换单元，并与所述第一热交换单元中的冷媒进行热交换。

根据本发明一优选实施方式，所述第一热交换单元被安装于冷却塔中喷淋管与填料之间预留的空间。

根据本发明一优选实施方式，所述第一热交换单元包括：

蒸发盘管；或者，

蒸发盘管以及蒸发盘管上的温度传感器。

根据本发明一优选实施方式，所述热回收主机包括压缩机、节流阀和第二热交换单元；

所述压缩机，用于驱动冷媒在所述热吸收段与热回收主机之间循环流动；

所述节流阀，用于控制所述冷媒的流量；

控制器，用于控制所述压缩机和所述节流阀；

所述第二热交换单元，用于将所述冷媒的热量与用热端介质进行交换，吸热的用热端介质由所述末端供热段提供给用热端系统。

根据本发明一优选实施方式，所述末端供热段包括：温度传感器、电动阀和水泵；

所述温度传感器，用于采集用热端系统的用热温度；

所述水泵，用于输送所述热水至用热端系统；

所述控制器，还用于依据所述温度传感器采集的温度，确定是否打开或调节所述电动阀以使得所述吸热后的用热端介质被输送至用热端系统。

根据本发明一优选实施方式，所述控制器，还用于依据所述冷却塔的运行状态，控制所述压缩机的运行状态；或者，依据冷媒的温度控制所述压缩机和所述节流阀。

根据本发明一优选实施方式，所述用热端系统包括：供暖系统或生活热水系统。

本发明还提供了一种热回收方法，该方法包括：

通过冷媒与冷却塔的冷却水进行热交换，以吸收冷却水的热量；

将所述热量传递至用热端系统，并依据预设的控制策略控制所述热量的传递量。

根据本发明一优选实施方式，所述通过冷媒与冷却塔的冷却水进行热交换，以吸收冷却水的热量包括：

喷淋管的热水被喷淋至第一热交换单元，并与所述第一热交换单元中的冷媒进行热交换。

根据本发明一优选实施方式，所述第一热交换单元被安装于冷却塔中喷淋管与填料之间预留的空间。

根据本发明一优选实施方式，所述第一热交换单元包括蒸发盘管和蒸发盘管上的温度传感器，所述冷媒在所述蒸发盘管中流动，由所述温度传感器采集冷媒的温度。

根据本发明一优选实施方式，将所述热量传递至用热端系统包括：

通过压缩机驱动冷媒进行循环流动，以及通过节流阀控制所述冷媒的流量；其中，由控制器控制所述压缩机和所述节流阀；

将冷媒的热量与用热端介质进行交换，将吸热后的用热端介质提供给用热端系统。

根据本发明一优选实施方式，将所述热量传递至用热端系统还包括：

所述控制器获取温度传感器采集的用热端系统的用热温度；

依据所述温度传感器采集的温度，确定是否打开或调节电动阀以使得水泵能够输送所述吸热后的用热端介质至所述用热端系统。

根据本发明一优选实施方式，依据预设的控制策略控制所述热量的传递量包括：

所述控制器依据设置于用热端系统的温度传感器采集的用热温度，确定是否控制所述压缩机驱动冷媒进行循环流动；或者，

所述控制器依据冷媒的温度，确定是否控制所述压缩机驱动所述冷媒进行循环流动；或者，

所述控制器依据冷媒的温度，控制所述节流阀以调节所述冷媒的流速；或者，

所述控制器依据冷却塔的运行状态，控制所述压缩机的运行状态。

根据本发明一优选实施方式，所述用热端系统包括：供暖系统或生活热水系统。

由以上技术方案可以看出，本发明从冷却塔的冷却水中吸收热量，并将该热量提供给用热端系统使用，减少其白白被排放至大气中的热量，降低对环境造成的热污染；另一方面也有效地利用了冷却塔中冷却水的热量，节约热能资源。

【附图说明】

图1为本发明实施例提供的热回收系统的组成示意图；

图2为本发明实施例提供的热回收系统的一个实例图；

图3为本发明实施例提供的蒸发盘管的一个实例图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

本发明提供的热回收系统如图1中所示，主要包括三部分：热吸收段、热回收主机和末端供热段。

其中热吸收段被设置于数据中心空调系统的冷却塔中，负责通过冷媒与冷却塔的冷却水进行热交换，以吸收冷却水的热量。热吸收段的主要构成是第一热交换单元，该第一热交换单元可以设置于冷却塔的喷淋管下，以使得喷淋管的热水被喷淋至第一热交换单元，喷淋管喷淋的热水与第一热交换单元中的冷媒进行热交换，使得冷却塔中的热水被降温，第一热交换单元的冷媒吸收了热量升温。具体将在后续实施例中进行详述。

热回收主机负责控制热量从热吸收段传递至末端供热段。具体地，热回收主机主要包括压缩机、节流阀、控制器和第二热交换单元。

其中，压缩机负责驱动冷媒与热回收主机之间循环流动。节流阀负责控制冷媒的流量，即流动速度。控制器负责控制压缩机和节流阀。控制器除了能够控制压缩机的运行和停止之外，压缩机还可以采用变频式压缩机，控制器还能够控制压缩机的工作频率。

其中控制器对于压缩机的运行和停止的运行状态控制主要依据冷却塔的运行状态，例如冷却塔运行，则控制压缩机运行，若冷却塔停止，则控制压缩机停止。控制器对于压缩机的工作频率的控制主要依据冷媒温度和/或用热端系统的需求，例如冷媒温度过高，则降低压缩机的工作频率，冷媒温度过低，则提高压缩机的工作频率。再例如用热端系统的用热需求提高，则提高压缩机的工作频率，用热端系统的用热需求降低，则降低压缩机的工作频率，具体参见后续描述。当然，控制器也可以根据用热端系统的需求来控制压缩机的运行和停止，例如用热端系统当前无用热需求，则控制压缩机停止运行。

对于节流阀的控制，控制器主要依据冷媒的温度。例如，冷媒温度过高，则调节节流阀以降低冷媒的流量；冷媒温度过低，则调节节流阀以提高冷媒的流量。

第二热交换单元负责将冷媒的热量与用热端介质进行交换，吸热后的用热端介质由末端供热段提供给用热端系统。

其中第二交换单元可以采用诸如板式换热器、壳管式换热器等等。

末端供热段负责将热量提供给用热端系统，即将第二热交换单元得到的热水提供给用热端系统，本发明实施例中的用热端系统可以是诸如生活热水系统、供暖系统，还可以是其他需要热量供应的系统。具体地，末端供热段可以主要包括温度传感器、电动阀和水泵。

用热端介质依据用热端系统的类型不同可以为不同的介质类型，例如，对于生活热水系统而言，用热端介质可以为水，吸热后的热水供生活热水系统使用。再例如，对于供暖系统而言，用热端介质可以为水、乙二醇溶液等换热效率高且防冻效果好的介质，吸热后得到的热水或乙二醇溶液提供给供暖系统使用。

其中温度传感器设置于用热端系统，主要负责采集用热端系统的用热温度。可以依据具体的用热端系统来设置温度传感器的位置。例如对于生活热水系统而言，温度传感器可以设置于热水储水箱，用于采集热水储水箱中的水温。

水泵负责输送热水至用热端系统，在本发明实施例中热回收主机可以采用水环热泵机组，内置变频式压缩机和水泵。电动阀是热水输送管道上的阀门，用于控制是否输送热水至用热端系统以及热水的流量。控制器可以根据温度传感器的温度，确定是否打开或调节电动阀，电动阀打开后热水被输送至用热端系统。

末端供热段可以将热量供给一个用热端系统，也可以同时将热量供给多个用热端系统。下面以热回收系统提供回收提供热量给生活热水系统和供热系统为例，对本发明提供的热回收系统的实现进行详述。

图2为本发明实施例提供的热回收系统的实例图，图2中蒸发盘管6集成在冷却塔1中，位于喷淋管4的下方且冷却塔填料5的上方。在本发明实施例中，可以利用冷却塔中喷淋管4与填料5之间预留的空间，用于安装蒸发盘管6以及后续对蒸发盘管6的检修。蒸发盘管6可以采用模块化安装的方式，方便拆装。数据中心空调系统产生的热水从入口3进入冷却塔，经过喷淋管4，被喷淋管4喷淋至蒸发盘管6，蒸发盘管6中的冷媒与热水进行热交换，吸收热水的热量同时使热水冷却。热水经过冷却塔填料5在风机作用下进一步冷却，从冷却塔出口2排出冷却塔。另一方面，冷媒在压缩机7的驱动下进行循环流动。由控制器0控制压缩机7的运行状态以及工作频率。另外，在蒸发盘管6上还设置有温度传感器21，温度传感器21用于采集冷媒的温度，并将温度信息发送给控制器0。控制器0能够依据冷媒的温度控制压缩机7的运行状态以及工作频率。另外，控制器0能够依据冷媒的温度控制节流阀20，以实现对冷媒流量的控制。其中控制器0与节流阀20之间的连接关系图2中并未示出。例如，若冷媒的温度低于预设的第一温度阈值，则控制器0可以控制压缩机和/或调节节流阀20使得冷媒流量提升，从而吸取更多热量。若冷媒的温度高于预设的第二温度阈值，则控制器0可以控制压缩机和/或调节节流阀20使得冷媒流量降低，从而防止冷媒温度过高。其中第一温度阈值小于第二温度阈值。

蒸发盘管6可以采用如图3中所示的形状(图3可以看做是图2中所示的蒸发盘管6的俯视图)，在蒸发盘管6上可以覆盖翅片，翅片的作用是增大蒸发盘管的换热面积，使得喷淋的热水能够更加面积的接触蒸发盘管，使得热水与蒸发盘管中的冷媒更加充分的换热。当然，除了图3中所示的方式之外，还可以采用其他方式。

冷媒经过两个热交换器，即热交换器18和热交换器19。其中热交换器18用于向供热系统提供热量，热交换器19用于向生活热水提供热量。

8为供暖系统的设备，供暖系统所使用的热水在8和热交换器18之间循环流动，供暖系统基本没有水量消耗。该热水通过热交换器18与冷媒进行热交换，从冷媒吸收热量，并对冷媒进行冷却。冷却后的冷媒流回冷却塔1吸收热量。温度传感器9采集供暖系统的用热温度并提供给控制器0，控制器0可以依据该用热温度控制电动阀11。例如，若温度低于预设的温度阈值，则说明需要向供暖设备补充热量，则电动阀11开启，这样在水泵10的作用下热水被传输给供暖系统8使用；或者进一步依据温度确定是否提高压缩机7的频率，从而提高冷媒的循环，提供更高的热量给热水供供暖系统8使用。

其中，本发明实施例提供的冷媒可以是任意的制冷剂，例如氟利昂、共沸混合工质、碳氢化合物、氨，等等。

热交换器19用于向生活热水系统提供热量。12为生活热水系统的储水箱，生活热水在储水箱12和热交换器19之间循环流动，该热水通过热交换器19与冷媒进行热交换，从冷媒吸收热量，并对冷媒进行冷却。冷却后的冷媒流回冷却塔1吸收热量。另外，由于生活热水是有大量水量消耗的，水源来自市政自来水，因此可以通过管道入口17将市政自来水引入储水箱12，电动阀16用于控制市政自来水引入储水箱12的管道开合。温度温度传感器13采集储水箱12中的热水温度并提供给控制器0，控制器0可以依据该热水温度控制电动阀14。例如，若温度低于预设的温度阈值，则说明需要向储水箱12中的热水补充热量，则电动阀14开启，这样在水泵15的作用下热水被传输给储水箱12使用；或者进一步依据温度确定是否提高压缩机7的频率，从而提高冷媒的循环，提供更高的热量给储水箱的热水。另外，电动阀16也可以由控制器0进行控制，例如还可以设置传感器检测储水箱12的水面高度，如果低于预设高度，则控制器0控制电动阀16打开以补充自来水给储水箱12。

对于整个热回收系统的控制策略，可以通过计算机软件的形式实现，然后由控制器执行计算机软件来实现控制策略，例如对电动阀11、14、16的控制，对压缩机7的控制等等。或者，也可以通过集成控制芯片的形式，使设置有集成控制芯片的控制器实现上述控制策略，对电动阀11、14、16以及压缩机7等进行控制。

基于上述热回收系统，本发明实施例提供的热回收方法主要是通过冷媒与冷却塔的冷却水进行热交换，以吸收冷却水的热量，然后将热量传递至用热端系统，并依据预设的控制策略控制热量的传递量。该方法的具体实现可以参见上述实施例中对热回收系统的描述，不再赘述。

可以看出，本发明实施例提供的上述热回收系统和方法中，热量的传递为：冷却塔中的热水(冷却水)被喷淋至蒸发盘管后，与蒸发盘管内流动的冷媒(制冷剂)进行换热，冷却水被降温，冷媒吸热后，被传回热回收主机。冷媒在热回收主机中与水进行热交换，冷媒被降温后，重新流回冷却塔；水吸收热量后形成热水提供给用户端系统，例如提供给供暖系统和生活用水系统。

本发明通过热回收系统与空调系统的冷却塔集成，边可以将冷却塔中热水的热量进行回收，再利用较高温度的冷却回水生产生活热水(可以达到50℃～60℃)，这种方式一方面对数据中心机房内的热量进行回收，避免数据中心每天产生的大量热量由冷却塔白白排放到大气中，而是得到的有效利用。另一方面，这种热回收系统的集成也可以降低冷却塔风扇的运行频率，甚至在一定工况条件下，可以完全停止冷却塔风扇运行，冷量完全由热回收系统提供，从而大大减少冷却塔的运行功耗，从而达到节能的目的。特别对于大型的数据中心，累计节省电量将会特别可观。

另外，对于供暖或者生活热水等也可以降低市政的集中供暖或供热水所进行的燃料燃烧，降低碳排放和空气污染。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。