CN105091169B - 一种应用于数据中心的冷却系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于数据中心的冷却系统，包括室内的冷冻水主机和室外的混合冷却装置，混合冷却装置下部开设有进风百叶窗，顶部开设有热湿空气出口，还包括相连通的竖直降膜冷却管和水平风冷管，竖直降膜冷却管的进口与水平风冷管的出口相接，竖直降膜冷却管的出口通过连接管路、电动阀门及循环水泵与冷冻水主机的冷却水进出口相连，水平风冷管的进口通过连接管路、电动阀门与冷冻水主机的冷却水进出口相连。本发明的优点在于：本发明系统可同时不受地域与使用时间限制，保证了良好的稳定性，高效性及环保性，特别适合应用于昼夜温差大，四季分明地区的大型数据中心，也可用于其他类型的大中型空调制冷场合。

Description

一种应用于数据中心的冷却系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种应用于数据中心的冷却系统及控制方法。

背景技术

数据中心是一个聚集了大量服务器、存储设备、网络设备的场所，实现数据信息的集中处理、存储、传输、交换和管理等业务的服务平台。数据中心的用电用水巨大，电耗主要由信息设备本身耗电、保证信息设备正常运行的空调冷却系统和电源系统三部分构成；其中信息设备的能耗大，占数据中心耗电量的50％，空调系统约占总量的40％，电源系统能耗约占10％，而用水主要由空调冷却系统消耗。因此，如何提高空调系统的用能效率以及减少空调冷却系统的用水量将对整个数据中心行业在节能与环保上起到重大深远意义。

我国原有及在建的数据中心绝大部分采用水冷系统，而循环水冷系统的耗水量通常占整个数据中心耗水量的60％以上，这对于缺水甚至严重缺水地区存在严重的环保问题，同时蒸发式水冷系统效率基本不受室外干球温度影响，主要取决于室外空气的相对湿度；在相对湿度过大的地区或时间段内，整个空调系统容易出现能效大幅下降，极端情况下发生供冷负荷不够等问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种应用于数据中心的冷却系统及控制方法，本系统及控制方法可解决建设在昼夜温差大，四季分明尤其是西北严重缺水地区的大型数据中心的水冷降温系统的耗水量大，且极端低温天气出现室外冷却装置冻结故障停机的问题，同时也可解决部分地区部分时间空气相对湿度极大导致蒸发冷却降温效果大幅下降甚至出现满足不了末端降温负荷要求以及能源利用率低等常见问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种应用于数据中心的冷却系统，分别与空调冷冻水回水口及空调冷冻水供水口连接，包括室内的冷冻水主机和室外的混合冷却装置，冷冻水主机设有第一进口、第二进口、第一出口、第二出口，第一进口通过第一电动阀门与所述空调冷冻水回水口相连，第一出口通过第二电动阀门与所述空调冷冻水供水口相连；混合冷却装置包括水平风冷管和竖直降膜冷却管，水平风冷管位于混合冷却装置的上部，竖直降膜冷却管位于混合冷却装置的下部，水平风冷管的进口通过第六电动阀门与所述第二出口相连，水平风冷管的出口与竖直降膜冷却管的进口相通，竖直降膜冷却管的出口顺次通过第一循环水泵、第五电动阀门与所述第二进口相连，上述各部件通过连接管路相连，所述空调冷冻水回水口、第一电动阀门、冷冻水主机、第二电动阀门、空调冷冻水供水口形成第一冷冻水循环回路；第六电动阀门、水平风冷管、竖直降膜冷却管、第一循环水泵、第五电动阀门、冷冻水主机形成与第一冷冻水循环回路相关联的冷却水循环回路；所述水平风冷管的进口与所述第二出口之间的连接管路上连接有第四电动阀门，第四电动阀门的另一端连接在所述第一电动阀门与所述空调冷冻水回水口之间的连接管路上，所述第一循环水泵与第五电动阀门之间的连接管路上连接有第三电动阀门，第三电动阀门的另一端连接在所述第二电动阀门与空调冷冻水供水口之间的连接管路上，所述空调冷冻水回水口、第四电动阀门、水平风冷管、竖直降膜冷却管、循环水泵、第三电动阀门、空调冷冻水供水口形成第二冷冻水循环回路；所述混合冷却装置下部开设有进风百叶窗，进风百叶窗位于竖直降膜冷却管下方，混合冷却装置顶部开设有热湿空气出口，热湿空气出口位于水平风冷管上方。

竖直降膜冷却管和水平风冷管相结合融入冷却系统同时采用自然冷源直接与间接供冷的运行控制方法作为一种全新的冷却方案，其可有效解决上述的一些关键问题，实现数据中心的高效节能与环保运行。

所述混合冷却装置内设置有位于竖直降膜冷却管下方的填料层和过水底盘，填料层位于过水底盘与竖直降膜冷却管之间。

所述混合冷却装置内设置有喷淋布水器，喷淋布水器位于水平风冷管下方，且位于竖直降膜冷却管的上方，所述喷淋布水器通过第二循环水泵与所述过水底盘相接。

所述过水底盘内设置有液位检测探头。液位检测探头可实现液位检测智能控制补水电磁阀及排水电磁阀的开关动作。

所述进风百叶窗的位置低于所述填料层位置，并高于所述过水底盘内液面位置。

所述混合冷却装置顶部设有电动风机，电动风机位于热湿空气出口的下方，且位于水平风冷管上方。

还包括形成补水系统的补水进口、补水电磁阀、排水电磁阀与排水出口及其连接的连接管路，补水电磁阀一端通过连接管路与补水进口相连，其另一端连接有的连接管路伸入所述混合冷却装置内且该连接管路的管口位于填料层与液位检测探头之间，排水电磁阀一端通过连接管路与排水出口相连，其另一端连接有的连接管路的管口伸入所述混合冷却装置内的过水底盘。

一种应用于数据中心的冷却系统的控制方法，所述混合冷却装置还包括喷淋布水器、设置在所述过水底盘内的液位检测探头和电动风机；所述喷淋布水器位于水平风冷管下方，且位于竖直降膜冷却管的上方，所述喷淋布水器通过第二循环水泵与所述过水底盘相接；所述电动风机位于热湿空气出口的下方，且位于水平风冷管上方；

将竖直降膜冷却管和水平风冷管相结合一体化设计，构成室外混合冷却装置的核心换热构件，混合冷却装置通过循环水泵、连接管路及电动阀门与冷冻水主机的进出口进行串并联连接构成第一冷冻水循环回路、第二冷冻水循环回路和冷却水循环回路；

冷空气从进风百叶窗进入混合冷却装置底部，透过填料层经过竖直降膜冷却管与其中的冷却水对流换热，吸收冷却水热量降温，接着穿过水平风冷管进一步吸收循环冷却水中的热量，最后变成暖空气由电动风机抽出经过热湿空气出口排到大气中，形成自然冷源冷却循环；

过水底盘的冷水通过第二循环水泵输送到喷淋布水器精确布水后，沿竖直降膜冷却管呈膜状下降并蒸发带走管内循环水的热量，同时蒸发出的水蒸气随着进风百叶窗进入的空气一起到达水平风冷管继续吸热升温，形成的热湿空气由电动风机抽出经过热湿空气出口排出，形成外部冷水降膜蒸发循环。

混合冷却装置与冷冻水主机采用串并联连接构成既可实现自然冷源常规利用与深度利用，又可实现自然冷源直接供冷与间接供冷运行模式的全新数据中心空调冷却系统。

本发明的优点是：本系统采用竖直降膜冷却管和水平风冷管相结合的一体化设计，可使系统在安全稳定运行的前提下，实现自然冷源常规利用与深度利用，同时能够最大程度的节能与节水，兼顾了高效与环保两个方面；并可同时不受地域与使用时间限制，保证了良好的稳定性，高效性及环保性，特别适合应用于昼夜温差大，四季分明地区的大型数据中心，也可用于其他类型的大中型空调制冷场合，具有用能效率高、综合经济性能高于其它同类冷却系统等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的系统原理图；

图2为本发明实施例(自然冷源直接供冷+常规利用)运行控制模式一示意图；

图3为本发明实施例(自然冷源间接供冷+常规利用)运行控制模式二示意图；

图4为本发明实施例(自然冷源直接供冷+深度利用)运行控制模式三示意图；

图5为本发明实施例(自然冷源间接供冷+深度利用)运行控制模式四示意图。

图中附图标记含义：1、空调冷冻水回水口；2、空调冷冻水供水口；3、第一电动阀门；4、第二电动阀门；5、第三电动阀门；6、第四电动阀门；7、第五电动阀门；8、第六电动阀门；9、补水电磁阀；10、排水电磁阀；11、冷冻水主机；12、第一循环水泵；13、第二循环水泵；14、进风百叶窗；15、液位检测探头；16、过水底盘；17、填料层；18、竖直降膜冷却管；19、喷淋布水器；20、水平风冷管；21、电动风机；22、热湿空气出口；23、补水进口；24、排水出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1至图5，箭头所示为水流动的路径，为一种应用于数据中心的冷却系统，分别与空调冷冻水回水口1及空调冷冻水供水口2连接，包括室内的冷冻水主机11和室外的混合冷却装置，冷冻水主机设有第一进口、第二进口、第一出口、第二出口，第一进口通过第一电动阀门3与空调冷冻水回水口1相连，第一出口通过第二电动阀门4与空调冷冻水供水口2相连；混合冷却装置包括水平风冷管20和竖直降膜冷却管18，水平风冷管20位于混合冷却装置的上部，竖直降膜冷却管18位于混合冷却装置的下部，水平风冷管20的进口通过第六电动阀门8与第二出口相连，水平风冷管20的出口与竖直降膜冷却管18的进口相通，竖直降膜冷却管18的出口顺次通过第一循环水泵12、第五电动阀门7与第二进口相连，上述各部件通过连接管路相连，空调冷冻水回水口1、第一电动阀门3、冷冻水主机11、第二电动阀门4、空调冷冻水供水口2形成第一冷冻水循环回路；第六电动阀门8、水平风冷管20、竖直降膜冷却管18、第一循环水泵12、第五电动阀门7、冷冻水主机11形成与第一冷冻水循环回路相关联的冷却水循环回路。水平风冷管20的进口与第二出口之间的连接管路上连接有第四电动阀门6，第四电动阀门6的另一端连接在第一电动阀门3与空调冷冻水回水口1之间的连接管路上，第一循环水泵12与第五电动阀门7之间的连接管路上连接有第三电动阀门5，第三电动阀门5的另一端连接在第二电动阀门4与空调冷冻水供水口2之间的连接管路上，空调冷冻水回水口1、第四电动阀门6、水平风冷管20、竖直降膜冷却管18、第一循环水泵12、第三电动阀门5、空调冷冻水供水口2形成第二冷冻水循环回路；混合冷却装置下部开设有进风百叶窗14，进风百叶窗14位于竖直降膜冷却管18下方，混合冷却装置顶部开设有热湿空气出口22，热湿空气出口22位于水平风冷管20上方。

竖直降膜冷却管18和水平风冷管20相结合融入冷却系统同时采用自然冷源直接与间接供冷的运行控制方法作为一种全新的冷却方案，其可有效解决上述的一些关键问题，实现数据中心的高效节能与环保运行。

混合冷却装置内设置有位于竖直降膜冷却管18下方的填料层17和过水底盘16，填料层17位于过水底盘16与竖直降膜冷却管18之间。

混合冷却装置内设置有喷淋布水器19，喷淋布水器19位于水平风冷管20下方，且位于竖直降膜冷却管18的上方，喷淋布水器19通过第二循环水泵13与过水底盘16相接。

过水底盘16内设置有液位检测探头15，还包括形成补水系统的补水进口23、补水电磁阀9、排水电磁阀10与排水出口24及其连接的连接管路，补水电磁阀9一端通过连接管路与补水进口23相连，其另一端连接有的连接管路伸入混合冷却装置内且该连接管路的管口位于填料层17与液位检测探头15之间，排水电磁阀10一端通过连接管路与排水出口24相连，其另一端连接有的连接管路的管口伸入混合冷却装置内的过水底盘16。液位检测探头15与系统内的控制电路相连，且液位检测探头15通过控制电路可实现液位检测智能控制补水电磁阀9及排水电磁阀10的开关动作。

进风百叶窗14的位置低于填料层17位置，并高于过水底盘16内液面位置。

混合冷却装置顶部设有电动风机21，电动风机21位于热湿空气出口22的下方。

本实施例中，冷冻水主机11与空调冷冻水回水口1之间的连接管路上设置有第一电动阀门3，冷冻水主机11与空调冷冻水供水口2之间的连接管路上设置有第二电动阀门4；进入本系统的水平风冷管20的进口的水流路分为两条：第一条为冷却水，与第一冷冻水循环回路关联的冷却水自冷冻水主机11的冷却水出口(即第二出口)经过第六电动阀门8流入水平风冷管20的进口；第二条为冷冻水，自空调冷冻水回水口1经过第四电动阀门6流入水平风冷管20的进口。本系统的竖直降膜冷却管18的出口的水回路分为两条：第一条冷却水回路，自竖直降膜冷却管18的出口经过第一循环水泵12、第五电动阀门7、冷冻水主机11、第六电动阀门8流入水平风冷管20的进口；第二条为冷冻水回路，自竖直降膜冷却管18的出口经过第一循环水泵12、第三电动阀门5流入空调冷冻水供水口2中。

一种应用于数据中心的冷却系统的控制方法，混合冷却装置还包括喷淋布水器19、设置在过水底盘16内的液位检测探头15和电动风机21；喷淋布水器19位于水平风冷管20下方，且位于竖直降膜冷却管18的上方，喷淋布水器19通过第二循环水泵13与过水底盘16相接；电动风机21位于热湿空气出口的下方，且位于水平风冷管20上方；

将竖直降膜冷却管18和水平风冷管20相结合一体化设计，构成室外混合冷却装置的核心换热构件，混合冷却装置通过循环水泵、连接管路及电动阀门与冷冻水主机11的进出口进行串并联连接构成第一冷冻水循环回路、第二冷冻水循环回路和冷却水循环回路；

冷空气从进风百叶窗14进入混合冷却装置底部，透过填料层17经过竖直降膜冷却管18与其中的冷却水对流换热，吸收冷却水热量降温，接着穿过水平风冷管20进一步吸收循环冷却水中的热量，最后变成暖空气由电动风机21抽出经过热湿空气出口22排到大气中，形成自然冷源冷却循环；

过水底盘16的冷水通过第二循环水泵13输送到喷淋布水器19精确布水后，沿竖直降膜冷却管18呈膜状下降并蒸发带走管内循环水的热量，同时蒸发出的水蒸气随着进风百叶窗14进入的空气一起到达水平风冷管20继续吸热升温，形成的热湿空气由热湿空气出口22排出，形成外部冷水降膜蒸发循环。

混合冷却装置与冷冻水主机11采用串并联连接构成既可实现自然冷源常规利用与深度利用，又可实现自然冷源直接供冷与间接供冷运行模式的全新数据中心空调冷却系统。

本实施例中，冷源的供冷及利用，有四种运行控制模式如下所示，其中虚线部分的电动阀门或者循环水泵表示关闭状态，实线部分的电动阀门或者循环水泵表示开启状态：

(1)自然冷源直接供冷+常规利用：

参阅图2，冷冻水主机11停止运行，第一循环水泵12启动，第二循环水泵13停止，电动风机21启动，第一电动阀门3、第二电动阀门4、第五电动阀门7、第六电动阀门8关闭，第三电动阀门5、第四电动阀门6打开，输送至末端的冷冻水循环回路为：冷冻水(温度约7℃)经过空调冷冻水供水口2送至数据机房空调需求侧，经过冷却降温对应目标后变为约12℃温水，然后由空调冷冻水回水口1回到冷冻水主机11冷冻水回水侧，再经过第四电动阀门6后，进入水平风冷管20冷却降温，然后进入竖直降膜冷却管18进一步降温至7℃左右，再进入第一循环水泵12并由其输送经过第三电动阀门5，最后回到空调冷冻水供水口2，进入下一个循环。自然冷源冷却循环为：冷空气从进风百叶窗14进入室外混合冷却装置底部，透过填料层17，经过竖直降膜冷却管18与其中的冷却水对流换热，吸收冷却水热量降温，接着穿过水平风冷管20进一步吸收循环冷却水中的热量，最后在变成暖空气由电动风机21抽出经过热湿空气出口22排到大气中完成一个循环。

(2)自然冷源间接供冷+常规利用：

参阅图3，冷冻水主机11启动运行，第一循环水泵12启动，第二循环水泵13停止，电动风机21启动，第一电动阀门3、第二电动阀门4、第五电动阀门7、第六电动阀门8打开，第三电动阀门5、第四电动阀门6关闭，输送至末端的冷冻水直接进入冷冻水主机11的蒸发器往复循环制冷，冷冻水主机11冷却侧的冷却水在第一循环水泵12的作用下进入冷冻水主机11的冷凝器并吸收热量升温，然后进入水平风冷管20冷却降温，接着进入竖直降膜冷却管18进一步降温后回到冷冻水主机11的冷凝器中吸热升温，完成冷却水的循环。自然冷源冷却循环同(1)中描述。

(3)自然冷源直接供冷+深度利用：

参阅图4，各个设备的启停与开关状态，冷冻水循环，冷却水循环与(1)中描述相同，但(3)中多了一个外部冷水降膜蒸发循环，冷水通过第二循环水泵13输送到喷淋布水器19精确布水后，沿竖直降膜冷却管18呈膜状下降并蒸发带走管内循环水的热量，同时蒸发出的水蒸气随进风百叶窗14进入的空气一起到达水平风冷管20继续吸热升温，形成的热湿空气由热湿空气出口22排出。这种通过水气化蒸发降温的方式相比独立的风冷吸热降温幅度大，达到空气能深度利用的目的。

(4)自然冷源间接供冷+深度利用：

参阅图5，各个设备的启停与开关状态，冷冻水循环，冷却水循环与(2)中描述相同，但(4)中多了一个外部冷水降膜蒸发循环，其外部冷水循环过程同(3)中描述。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.一种应用于数据中心的冷却系统，分别与空调冷冻水回水口(1)及空调冷冻水供水口(2)连接，其特征在于：包括室内的冷冻水主机(11)和室外的混合冷却装置，冷冻水主机设有第一进口、第二进口、第一出口、第二出口，第一进口通过第一电动阀门(3)与所述空调冷冻水回水口(1)相连，第一出口通过第二电动阀门(4)与所述空调冷冻水供水口(2)相连；混合冷却装置包括水平风冷管(20)和竖直降膜冷却管(18)，水平风冷管(20)位于混合冷却装置的上部，竖直降膜冷却管(18)位于混合冷却装置的下部，水平风冷管(20)的进口通过第六电动阀门(8)与所述第二出口相连，水平风冷管(20)的出口与竖直降膜冷却管(18)的进口相通，竖直降膜冷却管(18)的出口顺次通过第一循环水泵(12)、第五电动阀门(7)与所述第二进口相连，上述各部件通过连接管路相连，所述空调冷冻水回水口(1)、第一电动阀门(3)、冷冻水主机(11)、第二电动阀门(4)、空调冷冻水供水口(2)形成第一冷冻水循环回路；第六电动阀门(8)、水平风冷管(20)、竖直降膜冷却管(18)、第一循环水泵(12)、第五电动阀门(7)、冷冻水主机(11)形成与第一冷冻水循环回路相关联的冷却水循环回路；所述水平风冷管(20)的进口与所述第二出口之间的连接管路上连接有第四电动阀门(6)，第四电动阀门(6)的另一端连接在所述第一电动阀门(3)与所述空调冷冻水回水口(1)之间的连接管路上，所述第一循环水泵(12)与第五电动阀门(7)之间的连接管路上连接有第三电动阀门(5)，第三电动阀门(5)的另一端连接在所述第二电动阀门(4)与空调冷冻水供水口(2)之间的连接管路上，所述空调冷冻水回水口(1)、第四电动阀门(6)、水平风冷管(20)、竖直降膜冷却管(18)、第一循环水泵(12)、第三电动阀门(5)、空调冷冻水供水口(2)形成第二冷冻水循环回路；所述混合冷却装置下部开设有进风百叶窗(14)，进风百叶窗(14)位于竖直降膜冷却管(18)下方，混合冷却装置顶部开设有热湿空气出口(22)，热湿空气出口(22)位于水平风冷管(20)上方。

2.根据权利要求1所述的应用于数据中心的冷却系统，其特征在于：所述混合冷却装置内设置有位于竖直降膜冷却管(18)下方的填料层(17)和过水底盘(16)，填料层位于过水底盘(16)与竖直降膜冷却管(18)之间。

3.根据权利要求2所述的应用于数据中心的冷却系统，其特征在于：所述混合冷却装置内设置有喷淋布水器(19)，喷淋布水器(19)位于水平风冷管(20)下方，且位于竖直降膜冷却管(18)的上方，所述喷淋布水器(19)通过第二循环水泵(13)与所述过水底盘(16)相接。

4.根据权利要求2所述的应用于数据中心的冷却系统，其特征在于：所述过水底盘(16)内设置有液位检测探头(15)。

5.根据权利要求2所述的应用于数据中心的冷却系统，其特征在于：所述进风百叶窗(14)的位置低于所述填料层(17)位置，并高于所述过水底盘(16)内液面位置。

6.根据权利要求1所述的应用于数据中心的冷却系统，其特征在于：所述混合冷却装置顶部设有电动风机(21)，电动风机(21)位于热湿空气出口的下方，且位于水平风冷管(20)上方。

7.根据权利要求2所述的应用于数据中心的冷却系统，其特征在于：还包括形成补水系统的补水进口(23)、补水电磁阀(9)、排水电磁阀(10)与排水出口(24)及其连接的连接管路，补水电磁阀(9)一端通过连接管路与补水进口(23)相连，其另一端连接有的连接管路伸入所述混合冷却装置内且该连接管路的管口位于填料层(17)与液位检测探头(15)之间，排水电磁阀(10)一端通过连接管路与补水出口24相连，其另一端连接有的连接管路的管口伸入所述混合冷却装置内的过水底盘(16)。

8.一种基于权利要求2所述的应用于数据中心的冷却系统的控制方法，其特征在于：所述混合冷却装置还包括喷淋布水器(19)、设置在所述过水底盘(16)内的液位检测探头(15)和电动风机(21)；所述喷淋布水器(19)位于水平风冷管(20)下方，且位于竖直降膜冷却管(18)的上方，所述喷淋布水器(19)通过第二循环水泵(13)与所述过水底盘(16)相接；所述电动风机(21)位于热湿空气出口的下方，且位于水平风冷管(20)上方；

冷空气从进风百叶窗(14)进入混合冷却装置底部，透过填料层(17)经过竖直降膜冷却管(18)与其中的冷却水对流换热，吸收冷却水热量降温，接着穿过水平风冷管(20)进一步吸收循环冷却水中的热量，最后变成暖空气由电动风机(21)抽出经过热湿空气出口(22)排到大气中，形成自然冷源冷却循环；

过水底盘(16)的冷水通过第二循环水泵(13)输送到喷淋布水器(19)精确布水后，沿竖直降膜冷却管(18)呈膜状下降并蒸发带走管内循环水的热量，同时蒸发出的水蒸气随着进风百叶窗(14)进入的空气一起到达水平风冷管(20)继续吸热升温，形成的热湿空气由电动风机(21)抽出经过热湿空气出口(22)排出，形成外部冷水降膜蒸发循环。