CN104833029A - 一种数据中心水冷热管冷却系统及方法 - Google Patents

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张泉
翟志强
周祺
吴东波
凌丽
廖曙光
冯树生
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Abstract

本发明公开了一种数据中心水冷热管冷却系统及方法，旨在克服现有技术中数据中心使用的冷却效率低、空调耗电量大的缺点，该冷却系统通过架空地板将数据中心分隔成上部机柜空间和下部制冷空间，所述机柜按列布置，且机柜之间依次重复设置封闭冷通道和封闭热通道。热管换热单元置于对应的所述机柜下部制冷空间，通过冷液分配器单元与冷冻水单元进行换热。本发明所述的热管换热单元不占用机柜空间，可提高设备机柜密度；同时通过冷热通道封闭对设备机柜直接冷却，提高了热管的进风温度，从而提高制冷效率并达到节能效果，适用于数据中心机房等需要散热的环境。

Description

一种数据中心水冷热管冷却系统及方法
技术领域
本发明涉及一种数据中心水冷热管冷却系统及方法。
背景技术
随着现代化信息技术的升级和发展，对数据中心的需求快速增长，与此同时，城市建设用地的限制正迫使数据中心提高空间利用率，加上各类IT设备的发热量不断变大，促使数据中心向高密度、高冷却负荷的方向发展。
数据中心内部的设备发热量大，全年均有设备冷却的需要，为确保机房设备安全稳定运行，冷却系统需要全年不间断运行。冷却系统成为数据中心的主要耗电设备，其能耗在数据中心总能耗中的占比将近40％。降低冷却系统的能耗不仅符合国家的节能减排的精神要求，同时亦可为数据中心节省大量的运行费用。
此外，传统的数据中心冷却方案大多为先对环境温度进行降温，而后再通过机柜与环境空气的换热以降低设备温度。此种设计方式需要较低的制冷设备出风温度，从而降低机组降温效率且增加机房能耗。
经检索，机房的水冷专利较多，如(1)CN 202581621U一种通信机房用节能水冷却系统，(2)CN104374018A一种数据中心水冷集中高效冷却节能系统(申请号：201410719780.5)(3)CN 101902897A通讯机房冷却系统等中国专利均采用传统水冷模式降温。
公开号为CN 103615853A的专利公开了一种应用于大型机房的水冷却系统，其核心在于对服务器(机柜)的结构本身进行改进，使得服务器本身工作时作为一个换热设备。这种方式对设备改动较大，通用性较低，不适合在很多现有的机房内使用。
因此，有必要设计一种全新的数据中心水冷热管冷却系统及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种数据中心水冷热管冷却系统及方法，该数据中心水冷热管冷却系统及方法无需占用机柜空间，冷却效率高。
发明的技术解决方案如下：
一种数据中心水冷热管冷却系统，包括架空地板(2)、封闭冷通道(7)、热管换热单元(4)、冷冻水单元和风机(5)；
所述的架空地板将数据中心机房分为上部机柜空间和下部制冷空间；机柜设置在上部机柜空间；机柜的入风口侧设置有所述的封闭冷通道(7)；
热管换热单元设置在下部制冷空间；下部制冷空间与封闭冷通道下端对接，且对接处设有所述的风机；封闭冷通道的上端为封闭机构；
所述热管换热单元与冷冻水单元进行换热。
热管换热单元的回风口与上部机柜空间相连，热管换热单元的出风口与封闭冷通道的下端相接；从而形成制冷的回路。
所述的机柜为多个；按多列排布，每列机柜共用一个封闭冷通道；封闭冷通道和热管换热单元均为N个，N为大于2的整数，N个封闭冷通道分别与N个热管换热单元以一一对应的方式对接，N个热管换热单元通过冷液分配单元(3)与冷冻水单元连接实施换热。
所述冷液分配单元包括总控段和N条支路段，所述总控段设有过滤器、温度测量段、压力测量段和阀门；所述N条支路段与N个热管换热单元对应相连。
多列机柜按相邻位置关系两两分组，每一组中的两列机柜背向布置，每两组机柜的相邻两列机柜面向布置；则每组机柜可共用一个封闭冷通道，亦可于每两组机柜间增设封闭热通道。
热管换热单元具有(热风)回风口和(冷风)出风口。
热管换热单元的回风口与上部机柜空间直接相连，或通过封闭热通道与上部机柜空间相连(封闭热通道另有一个门通向上部机柜空间，门打开时，热管换热单元的回风口通过封闭热通道与上部机柜空间相连)，出风口与对应的封闭冷通道相连。
所述封闭冷通道与的架空地板处装设导向型风口板(8)，并加装过滤网。
所述数据中心机房设有新风入口和排风出口；所述冷冻水单元为冷冻水机组、机房的冷冻水源或自然冷源。
新风入口处设有自然冷源利用装置，该自然冷源利用装置采用热回收机。
冷液分配单元(3)及风机(5)根据设备机柜(6)的实际负荷调节制冷剂流量和风量；在相邻两列机柜(6)的背侧设置一个公用的封闭热通道(9)，封闭热通道(9)上端为封闭机构，下端与架空地板相接【与架空地板相接是指封闭热通道的下端与架空地板下的空间是相通的，具体来讲是地板与封闭热通道的下端相接处设有格栅。另外，封闭热通道上可以加装门，便于维护人员进入封闭热通道对机柜进行维护等操作】，并加装通道门；在数据中心机房设置新风入口和排风出口；
当室外温度高于35℃时，关闭热通道门、新风入口和排风出口；当室外温度低于30℃时，开启热通道门、新风入口和排风出口，新风进入数据中心机房前要预先经过过滤器处理和湿度处理。其中湿度处理可采用除湿机、增湿机等形式。
一种数据中心水冷热管冷却方法，采用前述的数据中心水冷热管冷却系统实现热交换以及数据中心的降温；
冷液分配单元(3)及风机(5)根据设备机柜(6)的实际负荷调节制冷剂流量和风量；在相邻两列机柜(6)的背侧设置一个公用的封闭热通道(9)，封闭热通道(9)上端为封闭机构，下端与架空地板相接，并加装通道门；在数据中心机房设置新风入口和排风出口；
当室外温度高于35℃时，关闭热通道门、新风入口和排风出口；当室外温度低于30℃时，开启热通道门、新风入口和排风出口。
新风进入数据中心机房前要预先经过过滤器处理和湿度处理，湿度处理采用除湿机或增湿机进行处理。
所述冷冻水单元为冷冻水机组或楼宇冷冻水源。
所述数据中心相邻两列机柜共用一个冷通道封闭，从而降低成本并提高机柜密度。
所述架空地板冷通道封闭冷风入口处装设导向型风口板及加装过滤网，使冷风可均匀的进入设备机柜，并降低数据上部机柜空间含尘量。
可在所述数据中心机房相邻两列机柜增设封闭热通道，降低室外环境对冷却系统正常工作的影响。
所述冷冻水单元可采用自然冷源，并于所述数据机房设置新风入口和排风出口。
所述冷冻水单元采用的自然冷源可采取闭式冷却塔、开式冷却塔与板式换热器相组合、江/河/湖水等形式；新风入口侧可设置自然冷源利用装置，如热回收机。
有益效果：
本发明的数据中心水冷热管冷却系统及方法，旨在克服现有技术中数据中心使用的冷却效率低、空调耗电量大的缺点，该冷却系统通过架空地板将数据中心分隔成上部机柜空间和下部制冷空间，所述机柜按列布置，且机柜之间依次重复设置封闭冷通道和封闭热通道。热管换热单元置于对应的所述机柜下部制冷空间，通过冷液分配器单元与冷冻水单元进行换热。同时通过冷热通道封闭对设备机柜直接冷却，提高了热管的进风温度，从而提高制冷效率并达到节能效果，适用于数据中心机房等需要散热的环境。
本发明中制冷设备置于下部制冷空间，不占用上部机柜空间，提高机柜摆设密度；室内采用热管和冷热通道封闭技术，热管进出风温差大，节能效果明显；采用冷冻水作为室外冷源，机组效率高，运行稳定；可采用自然冷源，大幅度降低数据中心冷却能耗。
架空地板亦隔离冷热空气，防止了冷热空气的混流导致的冷却效率低下。
附图说明
图1为数据中心水冷热管冷却系统及方法的流程图；
标号说明：1-数据中心机柜空间，2-架空地板，3-冷液分配单元，4-热管换热单元，5-风机，6-设备机柜，7-封闭冷通道，8-导向型风口板，9-封闭热通道。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种数据中心水冷热管冷却系统，包括架空地板2、封闭冷通道7、热管换热单元4、冷冻水单元和风机5；
所述的架空地板将数据中心机房分为上部机柜空间和下部制冷空间；机柜设置在上部机柜空间；机柜的入风口侧设置有所述的封闭冷通道7；
热管换热单元设置在下部制冷空间；下部制冷空间与封闭冷通道下端对接，且对接处设有所述的风机；封闭冷通道的上端为封闭机构；
所述热管换热单元与冷冻水单元进行换热。
所述的机柜为多个；按多列排布，每列机柜共用一个封闭冷通道；封闭冷通道和热管换热单元均为N个，N为大于2的整数，N个封闭冷通道分别与N个热管换热单元以一一对应的方式对接，N个热管换热单元通过冷液分配单元3与冷冻水单元连接实施换热。
所述冷液分配单元包括总控段和N条支路段，所述总控段设有过滤器、温度测量段、压力测量段和阀门；所述N条支路段与N个热管换热单元对应相连。
多列机柜按相邻位置关系两两分组，每一组中的两列机柜背向布置，每两组机柜的相邻两列机柜面向布置；则每组机柜可共用一个封闭冷通道，且于每两组机柜间进一步增设封闭热通道。
热管换热单元具有(热风)回风口和(冷风)出风口，回风口与上部机柜空间直接相连，或通过封闭热通道与上部机柜空间相连，出风口与对应的封闭冷通道相连。
所述封闭冷通道与的架空地板处装设导向型风口板(8)，并加装过滤网。
所述数据中心机房设有新风入口和排风出口；所述冷冻水单元为冷冻水机组、机房的冷冻水源或自然冷源。
新风入口处设有自然冷源利用装置，该自然冷源利用装置采用热回收机。
冷液分配单元(3)及风机(5)根据设备机柜(6)的实际负荷调节制冷剂流量和风量；在相邻两列机柜(6)的背侧设置一个公用的封闭热通道(9)，封闭热通道(9)上端为封闭机构，下端与架空地板相接【与架空地板相接是指封闭热通道的下端与架空地板下的空间是相通的，具体来讲是地板与封闭热通道的下端相接处设有格栅。另外，封闭热通道上可以加装门，便于维护人员进入封闭热通道对机柜进行维护等操作】，并加装通道门；在数据中心机房设置新风入口和排风出口；
当室外温度高于35℃时，关闭热通道门、新风入口和排风出口；当室外温度低于30℃时，开启热通道门、新风入口和排风出口，新风进入数据中心机房前要预先经过过滤器处理和湿度处理。其中湿度处理可采用除湿机、增湿机等形式。
在图1中，架空地板2将数据中心机柜空间1分隔成上部机柜空间和下部制冷空间。在所述上部机柜空间，设备机柜6按列布置，且每列机柜入风口侧均设置一个封闭冷通道7。在所述下部制冷空间中，热管换热单元4垂直于地板置于所述封闭冷通道7入风口处，并于所述封闭冷通道7的架空地板处设置风机5；风机将热管换热单元4处理的冷空气通过导向型风口板8抽吸入封闭冷通道7，随后冷空气对IT设备进行降温后，热空气回到封闭热通道9后重新回到热管。冷液分配单元3一端与热管换热单元4相接，另一端与冷冻水单元相接；热管换热单元4与冷冻水单元在冷液分配单元3进行热交换，冷液分配单元3及风机5根据设备机柜6的实际负荷调节制冷剂流量和风量。
作为优选方案，数据机房中的相邻两列的设备机柜6面对面设置(即该两列机柜的冷风进风口相对)，并在该两列机柜中间设置封闭冷通道以便两组机柜能共用一个封闭冷通道7，在相邻两组机柜的中间设置封闭热通道以便两组机柜能共用一个封闭热通道9可节约成本和加大设备机柜6摆设密度。
通过上述的冷热分区，可将热管换热单元4的回风温度从房间级冷却系统的27℃提升至35℃，提高冷却效率。
考虑到室外环境条件变化对上部机柜空间的影响，可在相邻两列设备机柜的背侧设置一个公用封闭热通道，并加装通道门；同时，在数据中心机房设置新风入口和排风出口。当室外温度高于35℃时，关闭热通道门、新风入口和排风出口，防止室外温度对机房内空气温度的影响；当室外温度低于30℃时，开启热通道门、新风入口和排风出口，新风要预先经过过滤处理和湿度处理，以达到免费冷却的目的。
本发明通过采取冷热通道封闭的措施，以及对热管换热单元的应用，将冷却系统的出风温度提高了4℃至6℃，同时亦将空调的进回风温差从5℃提升至8℃，明显提高了冷却效率，具良好的节能效果。
冷冻水单元为冷水机组和楼宇冷冻水源，在环境条件允许的情况下可对自然冷源加以考虑，可采取冷却塔或江/河/湖水等自然冷源。

Claims (10)

1.一种数据中心水冷热管冷却系统，其特征在于，包括架空地板(2)、封闭冷通道(7)、热管换热单元(4)、冷冻水单元和风机(5)；
所述的架空地板将数据中心机房分为上部机柜空间和下部制冷空间；机柜设置在上部机柜空间；机柜的入风口侧设置有所述的封闭冷通道(7)；
热管换热单元设置在下部制冷空间；下部制冷空间与封闭冷通道下端对接，且对接处设有所述的风机；封闭冷通道的上端为封闭机构；
所述热管换热单元与冷冻水单元进行换热；
热管换热单元的回风口与上部机柜空间相连，热管换热单元的出风口与封闭冷通道的下端相接。
2.根据权利要求1所述的数据中心水冷热管冷却系统，其特征在于，所述的机柜为多个；按多列排布，每列机柜共用一个封闭冷通道；封闭冷通道和热管换热单元均为N个，N为大于2的整数，N个封闭冷通道分别与N个热管换热单元以一一对应的方式对接，N个热管换热单元通过冷液分配单元(3)与冷冻水单元连接实施换热。
3.根据权利要求2所述的数据中心水冷热管冷却系统，其特征在于，所述冷液分配单元包括总控段和N条支路段，所述总控段设有过滤器、温度测量段、压力测量段和阀门；所述N条支路段与N个热管换热单元对应相连。
4.根据权利要求2所述的数据中心水冷热管冷却系统，其特征在于，多列机柜按相邻位置关系两两分组，每一组中的两列机柜背向布置，每两组机柜的相邻两列机柜面向布置；则每组机柜可共用一个封闭冷通道。
5.根据权利要求2所述的数据中心水冷热管冷却系统，其特征在于，热管换热单元的回风口与上部机柜空间直接相连，或通过封闭热通道与上部机柜空间相连，出风口与对应的封闭冷通道相连。
6.根据权利要求2所述的数据中心水冷热管冷却系统，其特征在于，所述封闭冷通道与的架空地板处装设导向型风口板(8)，并加装过滤网。
7.根据权利要求2任一项所述的数据中心水冷热管冷却系统，其特征在于，所述数据中心机房设有新风入口和排风出口；所述冷冻水单元为冷冻水机组、机房的冷冻水源或自然冷源。
8.根据权利要求2-7任一项所述的数据中心水冷热管冷却系统，其特征在于，冷液分配单元(3)及风机(5)根据设备机柜(6)的实际负荷调节制冷剂流量和风量；在相邻两列机柜(6)的背侧设置一个公用的封闭热通道(9)，封闭热通道(9)上端为封闭机构，下端与架空地板相接，并加装通道门；在数据中心机房设置新风入口和排风出口；
当室外温度高于35℃时，关闭热通道门、新风入口和排风出口；当室外温度低于30℃时，开启热通道门、新风入口和排风出口，新风进入数据中心机房前要预先经过过滤器处理和湿度处理。
9.一种数据中心水冷热管冷却方法，其特征在于，采用权利要求2-7任一项所述的数据中心水冷热管冷却系统实现热交换以及数据中心的降温；
冷液分配单元(3)及风机(5)根据设备机柜(6)的实际负荷调节制冷剂流量和风量；在相邻两列机柜(6)的背侧设置一个公用的封闭热通道(9)，封闭热通道(9)上端为封闭机构，下端与架空地板相接，并加装通道门；在数据中心机房设置新风入口和排风出口；
当室外温度高于35℃时，关闭热通道门、新风入口和排风出口；当室外温度低于30℃时，开启热通道门、新风入口和排风出口。
10.根据权利要求9所述的数据中心水冷热管冷却方法，其特征在于，新风进入数据中心机房前要预先经过过滤器处理和湿度处理，湿度处理采用除湿机或增湿机进行处理。
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