一种数据中心蓄冷蓄热综合节能系统及其调控方法与流程

1.本发明涉及数据中心能量调控技术领域，尤其是指一种数据中心蓄冷蓄热综合节能系统及其调控方法。


背景技术：

2.数字化转型时代，企业对线上数据处理业务的需求快速提升，我国数据中心建设规模和机架数量逐年增长，能耗大幅提升。截至2019年年底，我国在用数据中心机架总规模达到314.5万架，与2018年底相比增长39％。其中，超大型数据中心机架规模约117.9万架，占整体数据中心比重为37％；大型数据中心机架规模约119.4万架，占比38％，与2018年底相比，大型以上数据中心的规模增速为41.7％。2019年，我国规划在建数据中心机架规模为364万架。数据中心将日益成为影响经济社会发展的重要基础设施，未来数据中心的规模会进一步扩大。
3.数据中心规模的快速增长带来的能源消耗问题也收到了广泛的关注，节能降耗成为数据中心能源系统建设改造的重点。2018年，我国数据中心用电总量为1608.89亿千瓦时，已经超过了上海全社会用电总量1566.7亿千瓦，占中国全社会用电量的2.35％，占第三产业用电量的14.9％。相比于传统的机房，数据中心具有高密度、规模化、高可靠性和运营方式灵活的特点。与一般的建筑设施不同，为了保证计算机系统的安全可靠运行，数据中心能耗一般能达到同样面积的办公楼的100～200倍。数据中心具有“良好的安全性能，可靠而且不能间断”的运行要求，it设备作为核心设备，约消耗整个数据中心50％的能耗，而配套及保障设施需要消耗其他约50％的电能，在这些配套设施中，为保证it设备全年不间断运行所需的温度、湿度环境，空调系统的耗能最多，约占整个数据中心能耗的40％。因此，空调系统的节能降耗对于数据中心运营成本的降低意义巨大。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中数据中心的空调系统耗能大，成本高的技术缺陷，其能够降低数据中心空调系统的耗能，对于节能环保有重要意义。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种数据中心蓄冷蓄热综合节能系统，包括：
6.数据中心空调系统，其用于调控数据中心的温度；
7.备用制冷机组，其能够实现制冷循环并产生冷量；
8.换热组件，所述换热组件包括第一换热器、第二换热器和第三换热器，所述第一换热器与所述备用制冷机组连接以获取制冷循环的冷量，所述第二换热器与所述备用制冷机组连接以获取制冷机组释放的热量，所述第三换热器与所述数据中心空调系统连接以获取数据中心空调系统产生的余热；
9.蓄冷罐，其与所述第一换热器连接以储备冷量，所述蓄冷罐储备的冷量为所述数据中心空调系统供冷；
10.蓄热罐，其分别与所述第二换热器和第三换热器连接以储备热量，所述蓄热罐为
周边建筑提供生活热水。
11.作为优选的，还包括水泵组件，所述水泵组件包括第三水泵和第七水泵，所述第三水泵设置在蓄冷罐与数据中心空调系统之间以将蓄冷罐中的冷量输送至数据中心空调系统，所述第七水泵设置在数据中心空调系统与蓄冷罐之间以将水回收至蓄冷罐。
12.作为优选的，所述水泵组件还包括第一水泵，所述第一水泵设置在蓄冷罐与周边办公场所之间以将蓄冷罐中的冷量输送至周边办公场所。
13.作为优选的，还包括分配单元，所述分配单元分别与第一水泵和第三水泵连接以调节第一水泵和第三水泵的流量比。
14.作为优选的，所述蓄热罐内设置有加热系统。
15.作为优选的，还包括水泵组件，所述水泵组件包括第六水泵，所述第六水泵设置在蓄热罐与第二换热器之间以将蓄热罐中的水体泵入第二换热器换热，所述第二换热器将其热量输送至蓄热罐。
16.本发明公开了一种数据中心蓄冷蓄热综合节能系统的调控方法，基于上述的数据中心蓄冷蓄热综合节能系统，包括：
17.在夜间低谷电时段，所述备用制冷机组开启制冷循环，所述蓄冷罐蓄冷，所述蓄热罐蓄热；
18.在白天高峰电时段，所述蓄冷罐优先释冷以对数据中心空调系统供冷，不足部分由数据中心空调系统的主机补充。
19.作为优选的，还包括：
20.在白天平电时段，蓄冷罐在满足白天高峰电时段冷负荷总需求的前提下，剩余部分冷量可释放出来以对数据中心空调系统供冷，不足部分由数据中心空调系统的主机补充。
21.作为优选的，在白天平电时段，当蓄冷罐满足数据中心空调系统供冷需求后，蓄冷罐剩余的冷量输送至周边办公场所。
22.作为优选的，所述蓄热罐为周边建筑提供生活热水；当蓄热罐中的温度达不到生活热水标准时，所述蓄热罐内置的电加热系统对蓄热罐中的水加热。
23.本发明相比现有技术具有以下优点：
24.1、本发明能够将数据中心备用制冷机组在夜间电力负荷低谷期运行产生的冷、热量储存起来，在次日进行释冷、热，并使用蓄能设备将冷、热量的生产与使用相分离，以达到节能的目的。
25.2、本发明能够降低数据中心空调系统的耗能，对于节能环保有重要意义。
26.3、本发明在数据中心场景下可发挥以下三种作用：一是削峰填谷，利用峰谷电价差，在夜间电价低谷时段启动备用主机给蓄冷设备蓄冷、给蓄热设备蓄热，在白天电价高峰时段释放，提供适当生活热水的同时，能避免供冷不足的问题，节省空调系统的运行费用；二是蓄冷装置可作为应急冷源，当制冷机组失电停机后，可与二次循环泵、循环水管路及末端空调组成应急冷系统为数据机房供冷；三是调蓄功能，对于新建数据中心，运行初期末端负荷较小，可启动制冷主机满负荷运行，一边供冷一边给蓄冷设备充冷，多余冷量可提供给周边建筑使用。
附图说明
27.图1为本发明数据中心蓄冷蓄热综合节能系统的结构示意图。
28.说明书附图标记说明：1、蓄冷罐；2、第一换热器；3、压缩机；4、膨胀阀；5、第二换热器；6、蓄热罐；7、第三换热器；8、数据中心空调系统。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
30.参照图1所示，本发明公开了一种数据中心蓄冷蓄热综合节能系统，包括数据中心空调系统8、备用制冷机组、换热组件、蓄冷罐1和蓄热罐6。
31.数据中心空调系统8用于调控数据中心的温度。
32.备用制冷机组能够实现制冷循环并产生冷量。
33.所述换热组件包括第一换热器2、第二换热器5和第三换热器7，所述第一换热器2与所述备用制冷机组连接以获取制冷循环的冷量，所述第二换热器5与所述备用制冷机组连接以获取制冷机组释放的热量，所述第三换热器7与所述数据中心空调系统8连接以获取数据中心空调系统8产生的余热。
34.蓄冷罐1与所述第一换热器2连接以储备冷量，所述蓄冷罐1储备的冷量为所述数据中心空调系统8供冷。
35.蓄热罐6分别与所述第二换热器5和第三换热器7连接以储备热量，所述蓄热罐6为周边建筑提供生活热水。
36.本发明还包括水泵组件，所述水泵组件包括第三水泵和第七水泵，所述第三水泵设置在蓄冷罐1与数据中心空调系统8之间以将蓄冷罐1中的冷量输送至数据中心空调系统8，所述第七水泵设置在数据中心空调系统8与蓄冷罐1之间以将水回收至蓄冷罐1。
37.所述水泵组件还包括第一水泵，所述第一水泵设置在蓄冷罐1与周边办公场所之间以将蓄冷罐1中的冷量输送至周边办公场所。当第一水泵将蓄冷罐1中的冷水输出时，另外还有一路管道将冷水回收至蓄冷罐1，以此实现水源的循环利用，此在图中未示出。
38.本发明还包括分配单元，所述分配单元分别与第一水泵和第三水泵连接以调节第一水泵和第三水泵的流量比。在满足数据中心空调系统8的制冷实际需求时，可通过第一水泵将一部分冷量输送给周边小型办公场所。
39.所述蓄热罐6内设置有加热系统，当蓄热罐6中的热水温度没有达到预设温度时，即通过加热系统对蓄冷罐1内的热水进行二次加热，以此给周边建筑提供适宜温度的生活热水。当蓄热罐6中的热水输送出时，可向蓄热罐6中重新添加新的水源。
40.所述水泵组件包括第六水泵，所述第六水泵设置在蓄热罐6与第二换热器5之间以将蓄热罐6中的水体泵入第二换热器5换热，所述第二换热器5将其热量输送至蓄热罐6，如此，蓄热罐6即可获取备用制冷机组释放的热量。
41.本发明公开了一种数据中心蓄冷蓄热综合节能系统的调控方法，基于上述的数据中心蓄冷蓄热综合节能系统，包括：
42.1、在夜间低谷电时段，所述备用制冷机组开启制冷循环，所述蓄冷罐1蓄冷，所述蓄热罐6蓄热；
43.2、在白天高峰电时段，所述蓄冷罐1优先释冷以对数据中心空调系统8供冷，不足部分由数据中心空调系统8的主机补充；
44.3、在白天平电时段，蓄冷罐1在满足白天高峰电时段冷负荷总需求的前提下，剩余部分冷量可释放出来以对数据中心空调系统8供冷，不足部分由数据中心空调系统8的主机补充；在白天平电时段，当蓄冷罐1满足数据中心空调系统8供冷需求后，蓄冷罐1剩余的冷量输送至周边办公场所。
45.4、所述蓄热罐6为周边建筑提供生活热水；当蓄热罐6中的温度达不到生活热水标准时，所述蓄热罐6内置的电加热系统对蓄热罐6中的水加热。
46.下面，结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明与解释。
47.图1为数据中心蓄冷蓄热综合节能系统的结构示意图。该数据中心蓄冷蓄热综合节能系统包括蓄冷罐1、第一换热器2、压缩机3、膨胀阀4、第二换热器5、蓄热罐6、第三换热器7和数据中心空调系统8。除此之外，该数据中心蓄冷蓄热综合节能系统还设置有水泵组件，水泵组件包括第一水泵k1、第二水泵k2、第三水泵k3、第四水泵k4、第五水泵k5、第六水泵k6、第七水泵k7和第八水泵k8。第一水泵k1与蓄冷罐1的第一输出端连接且可将蓄冷罐1中的冷水泵出。蓄冷罐1与第一换热器2之间通过第二水泵k2连接，第二水泵k2能够将蓄冷罐1中的液体泵至第一换热器2中，第一换热器2的第一输出端与蓄冷罐1连接。此外，压缩机3的输入端与第一换热器2的第二输出端连接，压缩机3的输出端与第二换热器5的第一输入端连接，第二换热器5的第一输出端与膨胀阀4连接，膨胀阀4的输出端与第一换热器2的第二输入端连接。蓄热罐6与第二换热器5之间通过第六水泵k6连接以将蓄热罐6中的液体泵入至第二换热器5中，第二换热器5的一个输出端与蓄热罐6连接以实现液体回流。蓄热罐6的第二输出端通过第五水泵k5与第三换热器7的第一输入端连接，第三换热器7的第一输出端与蓄热罐6连接。在蓄热罐6的第三个输出端上还设置有第四水泵k4。而数据中心空调系统8通过第八水泵k8与第三换热器7的第二输入端连接，第三换热器7的第二输出端与数据中心空调系统8连接。此外，数据中心空调系统8通过第七水泵k7与蓄冷罐1连接，蓄冷罐1的第二输出端通过第三水泵k3与数据中心空调系统8连接。
48.夜间开启备用制冷机组，即制冷循环2
→3→5→4→
2，打开第二水泵k2，启动蓄冷循环系统1
→2→
1，此时蓄冷罐1储备冷量。白天关闭备用制冷机组与蓄冷循环，打开第三水泵k3，蓄冷罐1冷量主要供给数据中心用于it设备制冷，也可打开第一水泵k1将一部分冷量输送给周边小型办公场所用以满足其制冷需求，具体份额即第一水泵k1和第三水泵k3的流量比，需在满足数据中心实际制冷需求的基础上确定。5
→6→
5为蓄热循环系统，打开第六水泵k6可充分利用备用制冷机组的第二换热器5处释放的热量。第二换热器5可为冷凝器。6
→7→
6为数据中心余热利用系统，通过开启第五水泵k5可将数据中心空调系统8的水侧余热提取出来，考虑到换热效率，可开启于蓄热系统启动初期水温较低的时段，若温度达不到生活热水标准，可开启蓄热罐6自带的电加热系统。白天，蓄热罐6内的热水通过第四水泵k4输出至周边建筑用以提供适量生活热水。
49.运行策略应考虑建设项目所在地的用电峰谷时段，在夜间的用电低谷时段进行蓄冷蓄热，在白天的用电高峰时段关团制冷机组，蓄冷罐1释冷为末端提供冷负荷，减小高峰时段用电压力，同时可为周边建筑提供适量生活热水。
50.本发明中，蓄冷蓄热综合节能系统的特点是将数据中心备用制冷机组在夜间电力
负荷低谷期运行产生的冷、热量储存起来，在次日进行释冷、热，并使用蓄能设备将冷、热量的生产与使用相分离，以达到节能的目的。
51.蓄冷蓄热技术可在数据中心场景下可发挥以下三种作用：一是削峰填谷，利用峰谷电价差，在夜间电价低谷时段启动备用主机给蓄冷设备蓄冷、给蓄热设备蓄热，在白天电价高峰时段释放，提供适当生活热水的同时，能避免供冷不足的问题，节省空调系统的运行费用；二是蓄冷装置可作为应急冷源，当制冷机组失电停机后，可与二次循环泵、循环水管路及末端空调组成应急冷系统为数据机房供冷；三是调蓄功能，对于新建数据中心，运行初期末端负荷较小，可启动制冷主机满负荷运行，一边供冷一边给蓄冷设备充冷，多余冷量可提供给周边建筑使用。
52.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
53.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
54.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
55.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
56.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。