CN102907190B - 用于对数据处理中心的内部进行空气调节的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于对设置有电子设备（3）的数据处理中心（2）的内部进行空气调节的系统，其中，所述系统（1）包括被动的空气至空气换热器（4），所述空气至空气换热器（4）构造成允许外部空气流（5）和再循环空气流（6）之间的换热而没有空气交叉污染，其中，所述再循环空气流（6）来自所述数据处理中心（2）的内部并且意图在所述空气通过所述空气至空气换热器（4）之后对其进行调节。

Description

用于对数据处理中心的内部进行空气调节的系统

技术领域

本发明涉及用于对数据中心的内部空间进行空气调节的高能量效率的系统。

本发明尤其适合应用于由独立容器、混合或紧凑容器形成的数据中心、工业单元或从它们而来的任何其他类型的建筑中。

背景技术

数据中心由大型房间或建筑形成，在其内部存在大量的电子设备，用于处理特定公司或组织的信息。这类中心需要高的能量消耗，这在目前被大致以下面的方式划分：电子设备38％－63％、空调23％－54％、不间断电源（UPS）6％－13％、照明1％－2％以及其他较不重要的设施。此外，所估计的与所述能量消耗相关的成本每年增长10％和25％之间。

与空调设备对应的消耗尤其重要，因为其极大地影响了PUE（功率使用效率）系数。该系数被表示为用于数据处理的能量和数据中心所消耗的总能量之间的关系。所述系数的值约接近1，则数据中心所消耗的能量的利用越高。然而，用于空调设备的消耗常常显著地降低了PUE值。例如，当通过自然通风来使用制冷系统时，平均PUE值被发现接近1.05；在使用常规制冷系统（例如制冷剂气体－空气，水－空气）的新安装的数据中心中，平均PUE值接近1.6；并且在具有该类系统的已有数据中心中，平均PUE值高达2.5和3。也被更常规制冷系统负面影响的其他系数是CAPEX和OPEX。前者指的是资本支出，而后者指的是营运支出。

因此，目前越来越感兴趣的是降低数据中心调节系统的消耗。在这方面，已经知道了如下的方案。

第一个方案包括使用基于数据中心的直接自然通风的系统，其可用于获得非常接近1的PUE值。然而，该方案具有多个不便之处。

首先，存在空气污染问题。具体地，数据中心的内部空间条件要求如此之高，使得它们需要安装空气过滤器以便不损坏电子设备并且不降低其寿命。然而，空气过滤器在系统中产生一定百分比的效率损失，效率损失在空气过滤器变脏时越来越大。因此，有必要提供持续的系统维护并且定期地更换脏的过滤器。

自然通风系统的另一个问题是对数据中心的内部空间中的相对湿度缺乏控制，根据现有法规（例如ASHRAE）并且根据电子设备制造商的要求，所述相对湿度达到接近50％的充分值。

数据中心内部存在的水的高风险也是自然通风系统的重要问题之一。水在数据中心中是危险的成分，对于电子设备及其正确操作而言非常有害。自然通风需要用于将数据中心的外部空间与内部空间连通的多个开口，这些开口构成了水的进入位置。为了避免这些不期望的渗透，常常使用过滤器、单斜屋顶甚至外罩，或者让数据中心位于其他建筑或工业单元的内部。

最后，自然通风的另一个问题是其仅仅能够应用于全年的外部温度对于数据中心的正确操作而言均足够低的某些地理区域。因此，在许多情况中，自然通风系统常常形成混合系统的一部分，混合系统即组合了自然通风与常规空调设施的系统，以使得能够应用于更多的地理区域。

已知用于降低数据中心的环境调节系统的消耗的另一个方案可见于EP1903849A1。该文献示出了一种数据中心的内部空间的环境调节系统，该系统使用旋转的空气至空气换热器，其构造成促进外部空气流和来自数据中心内部空间的再循环空气流之间的换热。这类换热器通常由大型旋转圆柱体形成，该圆柱体由大密度金属板构成。其操作基于构成其的材料的热惯性，从而随着圆柱体进行旋转，它们吸收并保持再循环空气流的热量并且将热量传递到外部空气流。该方案也具有多个不便之处。

首先，所述方案不保证100％在前述流之间存在交叉污染。尽管可以看出该换热器位于两个分离的空气室之间，每个空气室中各一半，但是沿其直径长度和宽度不存在可能的分离。因此，两个流之间的压力差总是产生最小的交叉污染。出于相同原因，无法保证金属板上不存在来自冷凝的水（所述水通到再循环空气流），并且也不可能对内部环境的相对湿度进行彻底的控制。

然而，该系统更大的不便之处在于需要保持换热器持续运动，以及为此目的构造的发动机所需的重要能量消耗，并且考虑这些换热器的大重量和大体积。这些不便之处的第一个迫使具有类似的冗余辅助措施，其保证操作的连续性，在数据中心也有必要。在这方面，有必要具有至少一个备份发动机和双电源，用于产生所述运动。另一方面，这些不便之处的第二个直接影响系统能量效率，因为发动机及其相关部件的消耗对于PUE具有负面影响。

本发明的用于数据中心内部空间的空气调节的高能量效率系统完全令人满意地解决了前述问题。具体地，本发明的系统使用被动的空气至空气换热器，其没有移动的元件，构造成允许外部空气流和再循环空气流之间的换热而没有空气交叉污染。其中，所述系统还使得能够回收由数据处理电子设备耗散的热量以便其后续利用，并且其还被其他元件补充，所述其他元件允许非常不同气候情况下的宽范围的地理区域中的系统操作。

发明内容

为了解决前述问题，本发明的用于对设置有电子设备的数据中心的内部空间进行空气调节的系统包括被动的空气至空气换热器，其构造成允许外部空气流和再循环空气流之间的换热而没有空气交叉污染，其中，所述再循环空气流来自所述数据中心的内部空间并且意图在再循环空气流通过所述空气至空气换热器之后对其进行调节。所述调节意图保证所述数据中心的内部环境具有用于其正确操作的最合适的相对温度和湿度值。

优选地，所述空气至空气换热器是热管或热导管类型。该类换热器通常由包括多个并行布置的封闭管的框架形成。进而，这些管的每一个的内部包括处于适当压力的流体，允许其在特定温度范围内蒸发和冷凝。产生流体冷凝的换热器的端部或部分导致热量释放，而产生流体蒸发的换热器的端部或部分导致热量吸收。因此，该类换热器为了其正确工作不需要移动元件，也就是说，其是静止的而不像旋转的换热器，从而除了可能与其关联的控制和测量元件之外，其不会导致任何电消耗。

可以使用的另一类被动换热器是所谓的板式换热器。它们由并行布置的具有高的热惯性的多个金属板形成，两个相互垂直的空气流的热量在金属板之间交换，而在它们之间不出现任何空气交叉污染。

再循环空气流被直接从一个或多个热过道提取，由电子设备产生的热量被耗散在所述一个或多个热过道处，并且再循环空气流在通过空气至空气换热器之后被直接引入一个或多个冷过道以调节它们内部的环境。热过道和冷过道被适当地分开以便避免它们中所存在的空气的混合。提取和引入被直接地执行，也就是说，没有使用导管或者使用最小数量的导管，或者自然地或者强行地。

另外，本发明的系统包括对于通过空气至空气换热器的通道的替代回路或者旁路，其构造成以受控的方式将能量回收空气流从内部空间转向，以便利用其剩余热量。执行该步骤是为了利用从电子设备释放的高热量，加热靠近数据中心的其他类型区域或者清洁热水回路以及其他利用形式。然而，该替代回路的主要应用之一包括将能量回收空气流与再循环空气流在其被引入内部空间之前在空气至空气换热器的出口处混合。这使得能够在位于具有非常低温的地理区域中的数据中心内实施本发明的系统。前述所有情况均以受控方式执行，也就是说，具有必要的控制和测量元件以在每个时刻调节精确的能量回收空气流率。

本发明的系统还包括制冷装置，其在再循环空气流被引入内部空间之前吸收再循环空气流的热能的一部分。所述装置包括水－空气换热器或制冷的气体－空气类型的一个或多个蒸发器，其布置成用于向再循环空气流提供附加的制冷负载。该换热器包括液压回路，其连接到对应的制冷设备，其位于数据中心外部或内部。该附件在应用于位于具有非常高温的地理区域中的数据中心时尤其有用。

另外，本发明的系统包括第一加湿装置，其构造成在再循环空气流被引入内部空间之前控制再循环空气流的相对湿度，以便保证内部空间的适当的相对湿度条件。

此外，本发明的系统还包括第二加湿装置，其构造成在外部空气流通过空气至空气换热器之前控制外部空气流的相对湿度，主要为了降低干燥入口温度。优选地，该附件还伴随有上述的制冷模块，其在应用于位于具有非常高温的地理区域中的数据中心时尤其有用。

优选地，第一和第二加湿装置是蒸发类型的，以便避免数据中心内存在水。优选地，所述装置包括连接到一个或多个水柜的加压组，其借助于两个独立的回路以受控的方式将它的水雾化。一个用于外部空气流，并且另一个用于再循环空气流。

如上面所述，本发明尤其适合应用于由独立容器、混合或紧凑容器形成的数据中心、工业单元或从它们而来的任何其他类型的建筑中。因此，根据本发明的系统所应用的数据中心的类型，如下面所说明单，可以执行不同的构造变体。

优选地，本发明的系统的构造变体共同地具有空气至空气换热器，其包括：

●第一部分，外部空气流循环通过所述第一部分；和

●第二部分，再循环空气流循环通过所述第二部分。

第一和第二部分位于由封罩分开的区域中，以避免外部空气流和再循环空气流之间的交叉污染。其是针对体积目的的分开，以便对循环通过换热器的每个部分的空气流进行隔离，从而防止交叉污染。

根据第一构造变体（其特别地适合于独立容器类型的数据中心），本发明的系统包括处于竖直位置的至少一个空气至空气换热器，其位于容器内，所述容器构造成被放置在数据中心的上部上，所述容器进而包括：

●上区域，在所述上区域存在所述空气至空气换热器的第一部分，所述上区域设置有侧向外部开口，所述侧向外部开口构造成使得所述外部空气流能够流入和流出；和

●下区域，所述空气至空气换热器的第二部分位于所述下区域，所述下区域设置有水平内部开口，所述水平内部开口构造成使得所述再循环空气流能够流入和流出。

所述侧向外部开口可构造成具有或不具有格栅，具有或不具有用于外部空气流的口部或入口和出口导管，具有或不具有强制通风设备，等等。所述水平内部开口将优选地包括格栅和强制空气提取/推动设备。

根据第二构造变体，本发明的系统包括处于竖直位置的空气至空气换热器，其中：

●第一部分位于外部模块内，所述外部模块设置有侧向外部开口，所述侧向外部开口构造成使得所述外部空气流能够流入和流出；并且

●第二部分位于封闭部位内，所述封闭部位设置有竖直内部开口，所述竖直内部开口构造成使得再循环空气流能够流入和流出。

根据第三构造变体：

●所述外部模块在所述封闭部位的顶上；并且

●所述封闭部位邻近于所述数据中心。

进而，所述空气至空气换热器的第一部分相对于所述空气至空气换热器的第二部分布置在竖直位置。

根据第四构造变体：

●所述封闭部位位于所述外部模块和所述数据中心之间。

进而，所述空气至空气换热器的第一部分相对于所述空气至空气换热器的第二部分布置在水平位置。

前述变体被示作为本发明的实施例的非限制性示例。

附图说明

下面是一系列附图的简要描述，所述附图将会帮助更好地理解本发明，其清楚地涉及所述发明的不同实施例，这些实施例被表示为所述发明的非限制性示例。

图1代表独立容器类型的数据中心的透视图，其设置有根据第一优选实施例的本发明的系统。

图2示出了图1的数据中心的第一剖面。

图3示出了图1的数据中心的第二剖面。

图4示出了根据图2的切割面I－I的平面剖视图。

图5示出了根据图2的切割面II－II的平面剖视图。

图6示出了根据图2的切割面III－III的立视剖面图。

图7示出了根据图2的切割面IV－IV的立视剖面图。

图8代表独立容器类型的数据中心的剖视平面图，其设置有根据第二优选实施例的本发明的系统。

图9示出了根据图8的切割面V－V的立视剖面图。

图10示出了根据图8的切割面VI－VI的剖面图。

图11代表位于工业单元内的、由独立容器形成的数据中心的透视图，其设置有本发明的系统。

图12代表集成在建筑中的数据中心的透视图，其设置有本发明的系统。

图13示出了图12的数据中心的剖视平面图。

具体实施方式

图1代表独立容器类型的数据中心的透视图，其设置有根据第一优选实施例的本发明的系统1。

图2示出了图1的数据中心的第一剖面。在所述图中可以看到用于对设置有电子设备3的数据中心2的内部空间进行空气调节的系统1。所述系统1包括热管类型或热导管类型的被动的空气至空气换热器4，其构造成允许外部空气流5和再循环空气流6之间的换热而没有空气交叉污染，其中，所述再循环空气流6来自数据中心2的内部空间并且意图在再循环空气流通过所述空气至空气换热器4之后对其进行调节。

如可以看到的，再循环空气流6被直接从一个或多个热过道7提取，由电子设备3产生的热量被耗散在所述一个或多个热过道7中，并且再循环空气流6在通过空气至空气换热器4之后被直接引入一个或多个冷过道8以调节它们内部的环境。

图3代表图1的数据中心的第二剖面，其中，可以看到位于通过空气至空气换热器4的通道处的替代回路9或旁路，其构造成以受控的方式将空气流从来自内部空间的能量回收10偏转，以利用来自其的剩余热量，将其与再循环空气流6在其被引入内部空间之前在空气至空气换热器4的出口处混合。

本发明的系统包括补充的制冷装置11，其在再循环空气流6被引入内部空间之前吸收再循环空气流6的热能的一部分。

本发明的系统包括加湿装置12，其构造成在再循环空气流6进入内部空间之前控制再循环空气流6的相对湿度，以便保证关于内部空间的适当的湿度条件。本发明的系统还包括第二加湿装置20，其构造成在外部空气流5通过空气至空气换热器4之前降低外部空气流5的干燥入口温度。

图4和5分别代表根据图2的切割面I－I和切割面II－II的平面剖视图。所述图示出了构成根据该第一优选实施例的本发明的系统（1）的元件的平面分布。

如上面指出的，本发明的系统的构造变体共同地具有空气至空气换热器4，其包括：

●第一部分4a，外部空气流5循环通过所述第一部分4a；和

●第二部分4b，再循环空气流6循环通过所述第二部分4b；

其中，第一部分4a和第二部分4b位于由封罩13分开的空间中，以便避免外部空气流5和再循环空气流6之间的交叉污染。

根据第一构造变体，本发明的系统包括处于竖直位置的至少一个空气至空气换热器4，其位于容器14内，所述容器14构造成被放置在数据中心2的上部上，所述容器14进而包括：

●上区域14a，所述空气至空气换热器的第一部分4a位于所述上区域14a，所述上区域14a设置有侧向外部开口15，所述侧向外部开口15构造成使得所述外部空气流5能够流入和流出；和

●下区域14b，所述空气至空气换热器的第二部分4b位于所述下区域14b，所述下区域14b设置有水平内部开口16，所述水平内部开口16构造成使得所述再循环空气流6能够流入和流出。

图6和7分别代表根据图2的切割面III－III和切割面IV－IV的立视剖面图。所述图示出了构成根据该第一优选实施例的本发明的系统（1）的元件的立面分布。

图8代表独立容器类型的数据中心的剖视平面图，其设置有根据第二优选实施例的本发明的系统1。所述图示出了处于竖直位置的空气至空气换热器4，其中：

●第一部分4a位于外部模块17内，所述外部模块17设置有侧向外部开口15，所述侧向外部开口15构造成使得所述外部空气流5能够流入和流出；并且

●第二部分4b位于封闭部位18内，所述封闭部位18设置有竖直内部开口19，所述竖直内部开口19构造成使得再循环空气流6能够流入和流出。

根据该第二优选实施例，所述封闭部位18位于所述外部模块17和所述数据中心2之间，从而所述空气至空气换热器4的第一部分4a相对于所述空气至空气换热器4的第二部分4b布置在水平位置。

图9和10分别代表根据图8的切割面V－V的立视剖面图和根据图8的切割面VI－VI的剖面图。所述图示出了构成根据该第二优选实施例的本发明的系统（1）的元件的立面分布和断面。

图11代表位于工业单元内的、由独立容器形成的数据中心的透视图。所述图示出了容器类型的多个数据中心2以及它们各自的环境调节系统1的位置的示例。在外部空气5通过空气至空气换热器4之后，外部空气5的供应及其提取以这样的方式执行，使得外部空气5流入和流出流不会短路。该示例还设计成能够控制外部空气流5通过不同的数据中心2。

图12代表集成在建筑中的数据中心的透视图，其包含了本发明的系统。

图13代表图12的数据中心的平面剖视图。

Claims (12)

1.设置有电子设备（3）的数据中心（2）的内部空间的环境调节系统，所述系统（1）的特征在于其包括：

没有移动元件的空气至空气换热器（4），所述空气至空气换热器（4）是热管类型，所述空气至空气换热器（4）构造成允许外部空气流（5）和再循环空气流（6）之间的换热而没有空气交叉污染，其中，所述再循环空气流（6）来自数据中心（2）的内部空间并且意图在再循环空气流通过所述空气至空气换热器（4）之后对其进行调节；

补充的制冷装置（11），所述制冷装置（11）在所述再循环空气流（6）被引入所述内部空间之前吸收所述再循环空气流（6）的热能的一部分；和

第一加湿装置（12），所述第一加湿装置（12）构造成在所述再循环空气流（6）被引入所述内部空间之前控制所述再循环空气流（6）的相对湿度。

2.根据权利要求1的数据中心的内部空间的环境调节系统，其特征在于，所述再循环空气流（6）被直接从一个或多个热过道（7）提取，由所述电子设备（3）产生的热量被耗散在所述一个或多个热过道（7）中。

3.根据前述权利要求1至2中任一项的数据中心的内部空间的环境调节系统，其特征在于，所述再循环空气流（6）在其通过所述空气至空气换热器（4）之后被直接引入一个或多个冷过道（8）以调节它们内部的环境。

4.根据前述权利要求1至2中任一项的数据中心的内部空间的环境调节系统，其特征在于，其还包括对于通过所述空气至空气换热器（4）的通道的替代回路（9），所述替代回路（9）构造成以受控的方式将来自所述内部空间的能量回收空气流（10）偏转，以利用其剩余热量。

5.根据权利要求4的数据中心的内部空间的环境调节系统，其特征在于，所述能量回收空气流（10）与所述再循环空气流（6）在其被引入所述内部空间之前在所述空气至空气换热器（4）的出口处混合。

6.根据前述权利要求1、2和5中任一项的数据中心的内部空间的环境调节系统，其特征在于，其还包括第二加湿装置（20），所述第二加湿装置（20）构造成在所述外部空气流（5）通过所述空气至空气换热器（4）之前控制所述外部空气流（4）的相对湿度。

7.根据前述权利要求1、2和5中任一项的数据中心的内部空间的环境调节系统，其特征在于，所述空气至空气换热器（4）包括：

第一部分（4a），所述外部空气流（5）循环通过所述第一部分（4a）；和

第二部分（4b），所述再循环空气流（6）循环通过所述第二部分（4b）；

其中，所述第一部分（4a）和第二部分（4b）位于由封罩（13）分开的空间中，以便避免所述外部空气流（5）和再循环空气流（6）之间的交叉污染。

8.根据权利要求7的数据中心的内部空间的环境调节系统，其特征在于，所述空气至空气换热器（4）处于竖直位置，所述空气至空气换热器（4）位于容器（14）内，所述容器（14）构造成被放置在数据中心（2）的上部上，所述容器（14）进而包括：

上区域（14a），所述空气至空气换热器的第一部分（4a）位于所述上区域（14a），所述上区域（14a）设置有侧向外部开口（15），所述侧向外部开口（15）构造成使得所述外部空气流（5）能够流入和流出；和

下区域（14b），所述空气至空气换热器的第二部分（4b）位于所述下区域（14b），所述下区域（14b）设置有水平内部开口（16），所述水平内部开口（16）构造成使得所述再循环空气流（6）能够流入和流出。

9.根据权利要求7的数据中心的内部空间的环境调节系统，其特征在于，所述空气至空气换热器（4）处于竖直位置，其中：

所述第一部分（4a）位于外部模块（17）内，所述外部模块（17）设置有侧向外部开口（15），所述侧向外部开口（15）构造成使得所述外部空气流（5）能够流入和流出；并且

所述第二部分（4b）位于封闭部位（18）内，所述封闭部位（18）设置有竖直内部开口（19），所述竖直内部开口（19）构造成使得再循环空气流（6）能够流入和流出。

10.根据权利要求9的数据中心的内部空间的环境调节系统，其特征在于，

所述外部模块（17）在所述封闭部位（18）的顶上；并且

所述封闭部位（18）邻近于所述数据中心（2）；

其中，所述空气至空气换热器（4）的第一部分（4a）相对于其第二部分（4b）布置在竖直位置。

11.根据权利要求9的数据中心的内部空间的环境调节系统，其特征在于，

所述封闭部位（18）位于所述外部模块（17）和所述数据中心（2）之间；

其中，所述空气至空气换热器（4）的第一部分（4a）相对于其第二部分（4b）布置在水平位置。

12.数据中心，其特征在于，其包括根据前述权利要求1至11中任一项的其内部空间的环境调节系统。