CN102625643A - 数据中心冷却系统及其冷却方法 - Google Patents

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丁成章
乐细明
徐勇
邱成
江城
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Abstract

数据中心冷却系统及其冷却方法,该数据中心冷却系统包括数据大厅、天花静压腔、架空的地板静压腔和设备间,所述数据大厅内设有多个带有服务器的信息技术柜,信息技术柜上端到天花静压腔之间由密封板围成围合。采用空气处理机组来冷却数据中心,再加上数据中心变风量系统,解决了再循环风、旁路和荷载平衡等空气处理问题。送风装置提供变风量到数据大厅(冷侧),以满足服务器需求。空气处理机包括变风量风冷系统,由新风制冷提供冷空气,在暖季节由机械制冷提供补充。

Description

数据中心冷却系统及其冷却方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种数据中心冷却系统及其冷却方法
背景技术
[0002] 过去几十年来,数据中心服务器通常都是由非中央空调机组的方式来冷却,而是采用位于室内,或靠近数据中心的,称为计算机房间空气调节机组(CRAC)来冷却。
[0003] 此外,按照摩尔定律,关联的计算机芯片密度增加,数据中心冷却荷载密度(W/m2)已经大大地增加。这已经导致数据中心有着非常高的能源需求,同样面积,大约比通常的办公室空调应用至少要大10倍。
[0004] 认识到需要增加数据中心能源效率,改善空气管理。最佳空气管理需要物理分离冷气流和热气流,通过改变服务器要求的风量来动态配合制冷系统(CRAC机组,或AHUs)的送风量。
[0005] 对于大型办公室空调应用,在变风量(VAV)空气处理机组(AHU)系统中采用新风制冷是标准的,但是数据中心却没有采用。
[0006] 数据中心高密度需求已经认同传统数据中心设计缺乏效率:空气旁路和再循环。旁路是制冷机组送出的,又直接返回到制冷机组,没有冷却服务器的气流。再循环气流是从服务器排出的,直接送进同样的,或其他服务器的空气入口,而没有冷却的暖空气。
[0007] 如果解决了再循环的空气管理问题,就可以送出比较高温的,即22°C到25°C空气,而不是大约12°C到15°C,即大约低于10K(即绝对温标)。当把制冷系统的蒸发温度设定高时,将会潜在的节省制冷系统能源,经验告诉我们,数据中心送风温度每增加IV,就会节能4 %。
[0008] 如果解决了旁路的空气管理问题,就能供给比较少的空气,因此而节省风扇能源。现代服务器(即刀片形)已经可以通过各种各样的内部传感器来控制变风量。
[0009] 设计A T (气流),这儿T代表温度,典型的服务器是15K,但是最小荷载和流量小于AT,大约为7K。
[0010] 结果,在服务器里的荷载密度,符合摩尔定律,制造商正在增加芯片上的荷载,采用同样的空气流量,预测将来会设计出25K的A T,甚至更大。在全荷载时,数据中心可以潜在的需要空气在25°C,并且排风大约在40°C到50°C (即25°C +15K或25K)。
[0011] 在世界上很多地方,空气温度很少超过30°C,假如采用新风制冷,就有非常重大的能源节省。必须是室外条件达到设计送风条件,才能送冷风,否则就必须要机械制冷(附加制冷),不然来自服务器的回风/换气温度就太高了。
[0012] 如上所述,必须要克服一个,或一个以上缺点。
发明内容
[0013] 本发明所解决的技术问题在于提供一种数据中心冷却系统及其冷却方法,该发明采用空气处理机组来冷却数据中心,把数据大厅里的信息技术柜分隔成冷通道和热通道,再加上数据中心变风量系统,解决了再循环风、旁路和荷载平衡等空气处理问题。通过把信息技术柜上端围合起来来实现冷热空气分离。送风装置提供变风量到数据大厅(冷侧),以满足服务器需求。空气处理机包括变风量风冷系统,由新风制冷提供冷空气,在暖季节由机械制冷提供补充。
[0014] 本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
[0015] 数据中心冷却系统,包括数据大厅、天花静压腔、架空的地板静压腔和设备间,所述数据大厅内设有多个带有服务器的信息技术柜,信息技术柜上端到天花静压腔之间由密封板围成围合,所述围合内部为冷通道,所述冷通道与地板静压腔之间为可移动的楼层格栅,两个围合之间为热通道,所述热通道的各端均设有一个入口门,热通道上端连接天花静 压腔,所述天花静压腔两侧与室外连接处设有排风装置;所述设备间内设有空气处理机组、控制器和送风装置,所述送风装置包括风扇以及位于地板静压腔与外部之间的差压传感器,所述空气处理机组包括采用空气管道依次连接的两个制冷盘管、加湿器、袋式过滤器和板式过滤器,所述制冷盘管另一端连接风扇的进风口,所述风扇的出风口连接地板静压腔,所述制冷盘管与风扇之间的连接管为三通管,三通管另一端设有气阀并与天花静压腔连接,所述板式过滤器另一端连接三通管,三通管的另外两端各设一个气阀,其中一个气阀连接室外,另一个气阀连接天花静压腔。
[0016] 所述排风装置为气阀或抽风变风量风扇。
[0017] 本发明进一步包括在热通道上端与天花静压腔连接处设置的回风变风量风扇以及在热通道和冷通道之间的差压传感器,所述差压传感器连接回风变风量风扇。
[0018] 所述风扇均为带有自动止回风阀的轴流扇。
[0019] 本发明进一步包括声音衰减器,所述声音衰减器布置在送风装置和数据大厅之间,或者布置在抽风变风量风扇和室外环境之间。
[0020] 本发明利用了围合把数据大厅分成了冷通道和热通道,利用设备间内的空气处理机组处理空气,然后利用送风装置把空气输送到地板静压腔,空气经过可移动的楼层格栅进入到冷通道,然后信息技术柜内的服务器将冷通道内的空气加热,并通过其变风量风扇把加热后的空气输送到热通道,然后利用回风变风量风扇使热空气向上循环到天花静压腔,最后由控制器(控制器基于内部围合和外部条件)单独控制各个风扇和空气处理机组的各个模块,把天花静压腔内的热空气直接排放到室外,或者直接返回送风装置,或者返回空气处理机组,或者与外界空气一起进入空气处理机组。
[0021] 有益效果:
[0022] 本发明是采用空气处理机组来冷却数据中心,把数据大厅里的信息技术柜分隔成冷通道和热通道,再加上数据中心变风量系统,解决了再循环风、旁路和荷载平衡等空气处理问题。通过把信息技术柜上端围合起来来实现冷热空气分离。送风装置提供变风量到数据大厅(冷侧),以满足服务器需求。空气处理机包括变风量风冷系统,由新风制冷提供冷空气,在暖季节由机械制冷提供补充。
附图说明
[0023] 图I显示了空气如何在空气处理机组和数据大厅之间循环的立面图;
[0024] 图2显示了图I实施方案备选方案的立面图(增设了回风扇);[0025] 图3显示了图I实施方案备选方案的立面图(增设了抽风扇);
[0026] 图4显示的是依据室外环境围合条件采用的不同控制选项;
[0027] 图5显示的控制选项更加适合暖气候(长江以南)室外条件;
[0028] 图6显示了本发明的另外一个实施方案的立面图(把设备间建造成送风静压腔,并冷却热通道);
[0029] 图7显示本发明另外一个实施方案的立面图(采用屋顶制冷机组);
[0030] 图8显示本发明的另外一个实施方案的立面图(采用计算机房空调机组)。
[0031 ] 图中:10数据大厅、12冷通道、14热通道、15围合、18地板静压腔、20信息技术柜、21服务器、22天花静压腔、24楼层格栅、25热通道入口门、26设备间、30风扇、31制冷盘管、32加湿器、33袋式过滤器、34板式过滤器、35气阀、36空气进口或出口、37气流方向、50屋顶制冷机组、51计算机房空调机组、99人。
具体实施方式
[0032] 为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体图示,进一步阐述本发明。
[0033] 如图1所示,数据中心冷却系统,包括数据大厅10、天花静压腔22、架空的地板静压腔18和设备间26 ;所述数据大厅10内设有四个信息技术柜20,所述信息技术柜20内设有四个服务器21,信息技术柜20上端到天花静压腔22之间由密封板围合成三个围合15,所述围合15内部为冷通道12,所述冷通道12与地板静压腔18之间为可移动的楼层格栅24,两个围合15之间为热通道14,所述热通道14的各端均设有一个入口门,热通道14上端连接天花静压腔22,所述天花静压腔22两侧与室外连接处各设有一个气阀35 ;所述设备间26内设有空气处理机组和控制器(图中未示出),所述空气处理机组包括采用空气管道依次连接的两个制冷盘管31、加湿器32、袋式过滤器33和板式过滤器34,所述制冷盘管31另一端连接风扇30的进风口,所述风扇30的出风口连接地板静压腔18,所述制冷盘管31与风扇30之间的连接管为三通管,三通管另一端设有气阀35并与天花静压腔22连接,所述板式过滤器34另一端连接三通管,三通管的另外两端各设一个气阀35,其中一个气阀35连接室外,另一个气阀35连接天花静压腔22。
[0034] 如图2所示,在图I所述的数据中心冷却系统的基础上,在热通道14上端连接天花静压腔22处,均设有风扇30,所述风扇30为回风变风量风扇。
[0035] 如图3所示,在图I所述的数据中心冷却系统的基础上,所述天花静压腔22两侧与室外连接处还各设有一个风扇30,所述风扇30为抽风变风量风扇。
[0036] 本发明利用了围合15把数据大厅10分成了冷通道12和热通道14,从而获得了冷气流和热气流的物理分隔,利用设备间26内的空气处理机组处理空气,然后把空气输送到地板静压腔18,空气再经过可移动的楼层格栅24进入到冷通道12,信息技术柜20内的服务器21将冷通道12内的空气加热,并通过其变风量风扇把加热后的空气输送到热通道14,然后使热空气向上循环到天花静压腔22 ;控制器是基于内部围合和外部条件,单独控制各个风扇和空气处理机组的各个模块,把天花静压腔22内的热空气直接排放到室外,或者直接返回送风装置,或者返回空气处理机组,或者与外界空气一起进入空气处理机组。
[0037] 把来自冷通道12的空气送往信息技术柜20里的服务器21 (通过在门上穿孔,或直接在信息技术柜20的前面开孔)。应该这样设计信息技术柜20和数据大厅10,让空气无法进入其他地方,只能进入服务器21的空气入口。这就必须要在信息技术柜20开孔处用落料板,以及毛刷把信息技术柜20内的无用空间密封住。在试运行阶段,数据大厅10需要做烟雾试验,以识别和解决冷通道和热通道之间的所有空气泄露源。
[0038] 为了维持高水品的可靠性,避免单点故障,在设计时,采用了下面的控制原理:“本机控制”和“全局监控”。发明避免了任何全局控制,所有控制都是控制每件(“机械设备”),即空气处理机组的每个模块、单个风扇等。
[0039] 同样,设计减小了少数设备(即AHUs)故障时,对整个数据中心环境条件的影响。
[0040] 当主要使用室外空气作为冷源时,送风需要注意过滤,因而空气处理机组包括高标准的板式过滤网,或袋式过滤网。
[0041] 同时,任何能源节省计划都应该把湿度控制在一个宽广的范围之内,尽管如此,实 际上,在较低室外空气温度条件下。空气还是需要加湿的。所以空气处理机组还包括加湿器32,即送风或回风将会加热。绝热喷雾冷却器也将洗涤室外空气。应该基于空气处理机组的每个模块的送风条件来控制湿度水平。
[0042] 应该把AHUs设计成维持较大的横截面,这样,就在AHU出口获得较低的风速和较低速的压力。靠近AHU出口测量的静压,将提供给局部静压控制扇。设计师不应该遵循制冷设备尺寸最小化,减少投资成本的原理,这将会加大运行成本,增加能源用量,并且减少气流和静压的可控制性。
[0043] 制冷盘管31需要外部机械制冷系统来冷却,例如额外的冷却器,冷却塔,绝热空气喷雾(直接或间接系统),或冷水机组。根据空气条件,如果必要,也要用制冷盘管来除湿。作为选择,由独立制冷系统供冷到AHU上的第二冷却盘管,作为第一盘管及其盘管的制冷系统的备用。
[0044] 控制器应该运行每个单独的AHU,并不采用全局控制,因此避免了单点故障。控制应该基于内部围合和外部条件。在温湿图上,从IY(低温)到^(高温)的干球温度范围,和从RH(低湿度)到RHh(高湿度)的相对湿度范围定义的形状可以代表内部围合。这个内部围合越大,就越节能。内部围合的恒定温度,相对湿度和焓的推断定义了 AHU可以运行的控制模式。与标准办公室VAV系统有着十分不同,并且需要不同的系统建筑物。差异在于办公室VAV在脱离盘管条件的送风接近湿度饱和,而数据中心VAV系统需要送风空气接近50%相对湿度。控制选择之一是在和回风空气混合之前,需要对室外空气冷却和除湿,需要更多的管道连接和气阀。
[0045] 一般控制模式如下(见图4):
[0046]
Figure CN102625643AD00071
[0047]
[0048] 对于不同位置,特殊的外部围合,通常将不需要上述所有控制模式。例如,UK控制
模式就可以简化到下面这样(见图5):
[0049]
Figure CN102625643AD00081
[0050] 应该善待风扇30和关键的制冷设备(即绝热喷雾或其他),为了服务器21不出危险,关键制冷设备要采用不间断电源(UPS)系统,或双电力供给。一旦制冷故障(制冷设备或绝热制冷),系统可以放弃免费制冷,并且维持冷源。
[0051] 所有的风扇30都有高风量和低压头,因此轴流扇将比其他扇更加合适。这些风扇30将会变速驱动,并且自动止回风阀,以避免当风扇30不运行时,出现空气倒流循环。在热通道14和冷通道12之间单独的差压传感器控制着风扇30速度。设定到相对低的压力设定点,以避免在服务器的变风量风扇上强加压力要求。在任何情况下,冷通道12里的压力应该稍微高于热通道14里的压力,以避免空气从热通道14泄漏回流进数据大厅10。采用比例控制,没有积分控制,来避免控制打斗。
[0052] 所有风扇都带有自动止回风阀,以避免当风扇不运行时,风循环。尽管在一些例子里,可能是成组运行,但控制还应该是独立的。在冷通道12和外部之间的独立的差压传感器控制着风扇速度。采用比例控制,没有积分控制,来避免控制打斗。
[0053] 如图6所示,地板静压腔(楼层空腔空间)18和天花高度将随荷载密度而变化。可以把楼层空腔增加到能够包含机械和电子设备这样的高度。避免局部着火影响到整个数据大厅10的风险,可以把设备围合在楼层空腔空间里,并且采用送风到数据大厅10里来通风。结果是,设备间26 —旦着火,他们是单独的着火系统,并且采用防火风阀与楼层空腔空间隔离开。设备间26可以是自然通风或机械通风。[0054] 图6也显示了通过打开(通常是关闭的)热通道入口门25(自动或手动),让员工99可以进入热通道14内部工作,以便送风进入和减少热通道14温度。当员工99在热通道14工作时,回风扇大小要合适。特别要注意应该确保热通道14与地板静压腔18之间的热通道入口门25不要有多余的开口,否则就将需要更多的风扇能源。
[0055] 制冷和抽风系统可以位于数据中心的两侧,相对侧和同一侧。
[0056] 关于噪音,可以根据保护要求,在不同位置安装声音衰减器。如果数据大厅10使用者(在大厅10里面)需要保护,就应该把声音衰减器布置在风扇和数据大厅10之间。如果室外环境需要保护,就应该把声音衰减器布置在风扇和室外环境之间。
[0057] 只要该系统维持次要设置和备份系统,当主要控制系统与该系统一道,就可以采用其他能源节省计划(全局地设定气流率,并且重新设定他们的温度)。
[0058] 本发明也可以采用模块化概念和预制(远离现场)概念来制造。该制造方法如下:
[0059] 预制模块化数据大厅10各段的相关设备、控制器、部件、固定设施,并与相应的冷通道/信息技术柜/热通道/信息技术柜/冷通道相配合。
[0060] 制造挨着热通道14的二排信息技术柜(包括下料板和刷子)20。
[0061] 在通道每端(包括门)围合形成热通道14。
[0062] 热通道14上方连接到带有风扇、控制器等的天花静压腔22,天花静压腔22相当于热通道14。
[0063] 挨着机柜20,并且相当于冷通道12段填满送风地板,并且相当于天花板和支撑结构。
[0064] 架空的地板静压腔18支撑着信息技术柜20、热通道14、冷通道12以及送风地板。
[0065] 根据这个AHU设计的远离现场建造成套空调机组,并且包括系统,例如屋顶空调机组50 (见图7),以及计算机房空调(CRAC)机组51 (见图8)。
[0066] 此外,设计这些成套空调机组50,51,既有室内,也有室外机组。室内机组可以位于数据大厅10立面,挨着数据大厅10,或远离数据大厅10。室外成套空调机组可以位于数据大厅10的屋顶(屋顶机组),挨着数据大厅10,或远离数据大厅。
[0067] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求 保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.数据中心冷却系统,包括数据大厅、天花静压腔、架空的地板静压腔和设备间,其特征在于,所述数据大厅内设有多个带有服务器的信息技术柜,信息技术柜上端到天花静压腔之间由密封板围成围合,所述围合内部为冷通道,所述冷通道与地板静压腔之间为可移动的楼层格栅,两个围合之间为热通道,所述热通道的各端均设有一个入口门,热通道上端连接天花静压腔,所述天花静压腔两侧与室外连接处设有排风装置;所述设备间内设有空气处理机组、控制器和送风装置,所述送风装置包括风扇以及位于地板静压腔与外部之间的差压传感器,所述空气处理机组包括采用空气管道依次连接的两个制冷盘管、加湿器、袋式过滤器和板式过滤器,所述制冷盘管另一端连接风扇的进风口,所述风扇的出风口连接地板静压腔,所述制冷盘管与风扇之间的连接管为三通管,三通管另一端设有气阀并与天花静压腔连接,所述板式过滤器另一端连接三通管,三通管的另外两端各设一个气阀,其中一个气阀连接室外,另一个气阀连接天花静压腔。
2.根据权利要求I所述的数据中心冷却系统,其特征在于,所述排风装置为气阀或抽风变风量风扇。
3.根据权利要求I所述的数据中心冷却系统,其特征在于,进一步包括在热通道上端与天花静压腔连接处设置的回风变风量风扇以及在热通道和冷通道之间的差压传感器,所述差压传感器连接回风变风量风扇。
4.根据权利要求I或2或3所述的数据中心冷却系统,其特征在于,所述风扇均为带有自动止回风阀的轴流扇。
5.根据权利要求I所述的数据中心冷却系统,其特征在于,本发明进一步包括声音衰减器,所述声音衰减器布置在送风装置和数据大厅之间,或者布置在抽风变风量风扇和室外环境之间。
6.数据中心冷却方法,其特征在于,利用了围合把数据大厅分成了冷通道和热通道,利用设备间内的空气处理机组处理空气,然后利用送风装置把空气输送到地板静压腔,空气经过可移动的楼层格栅进入到冷通道,然后信息技术柜内的服务器将冷通道内的空气加热,并通过其变风量风扇把加热后的空气输送到热通道,然后利用回风变风量风扇使热空气向上循环到天花静压腔,最后由控制器单独控制各个风扇和空气处理机组的各个模块,把天花静压腔内的热空气直接排放到室外,或者直接返回送风装置,或者返回空气处理机组,或者与外界空气一起进入空气处理机组。
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