CN105571028A - 一种集装箱式的模块化自然冷却机组 - Google Patents

Abstract

一种集装箱式的模块化自然冷却机组，其主要是：在箱体内设有板式换热器，其中水通道A进口a与上述冷水干管的一端相连通，出口a与设在箱体内的水泵进口相连，在水泵进口端设有过滤网及金属软连接，出口端设有软件连接，止回阀，该水泵出口与热水干管的一端相连通，以上部件构成自然冷却系统一次侧室外管路部分的循环回路；上述板式换热器另一个水通道B的进口b与空调水系统预留的热水管相连，出口b与空调水系统预留的冷水管相连，构成自然冷却系统二次侧室内管路部分的循环回路。本发明的模块化的设计不仅节能效果十分明显，并解决了冬季结冰带来诸多问题，而且占地少、安装快、节省土建费用。

Description

一种集装箱式的模块化自然冷却机组

技术领域

本发明涉及一种空气冷却系统，特别是用于数据中心的制冷机组。

背景技术

随着互联网的不断发展，数据中心建设速度惊人，研究表明2012年中国数据中心总数量已经达到510,530个，IDC预测该市场在未来五年仍将保持接近两位数的增长率，规模大于等于3000个标准机架的大型数据中心所占比例逐年增加。为了确保数据中心设备的稳定运行，需要保持数据中心内部365天恒温恒湿，即数据中心需要常年冷却，通过空调系统控制数据中心的温度、湿度、空气洁净度等环境参数满足设备的设计规范，由此产生的巨额耗电量已然成为数据中心发展不可回避的问题。实际上数据中心里真正承载业务的服务器、网络、存储等所有设备消耗的电能累加起来与制冷空调系统消耗的电能差不多，如何将电能更多的用于服务器等业务设备上，而不是浪费在制冷系统等非必要设备上，是数据中心急需解决的难题。

在提倡“低碳减排，绿色环保”的时代，一部分专家学者便提出了自然冷却(FreeColling)的概念。自然冷却指的是一个过程，即冬季及过渡季节，如果室外温度低于数据中心回风温度时，可利用室外自然冷源(空气或水)，在不开启或部分开启压缩机的情况下，将数据中心温度降低到指定温度。《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》指出，超大型数据中心应该优先建设在气候寒冷、能源充足的地区，目的也是充分利用冬季和过度季节北方冷空气来冷却机房。自然冷却可以有效降低数据中心制冷系统的能源消耗，但是北方地区通常严重缺水，因此，自然风冷技术成为近年来的热门技术。

目前数据中心利用自然冷风进行制冷的解决方案主要有直接自然冷却和间接自然冷却两种方式。其中，直接新风自然冷却系统需添加严格的过滤装置和加湿设备才能满足数据中心环境对湿度、洁净度及污染物浓度的要求，极大限制了其在制冷系统中的应用。在应用自然冷却技术的数据中心制冷系统中，更多采用高效传热，节能节材并具环保功能等特点的间接自然冷却系统。该系统仅需在室外增加一台换热器，将数据中心侧管路连接成独立的封闭环路，环路内有工作流体，借助媒体泵的作用流体在环路内循环，将自然冷源引入室内给数据中心持续供冷。然而北方地区冬季夜间最低温度为-20～-30℃，出现极端天气时甚至温度更低，一旦管路中的工作流体转变为冰，管路就会有被膨胀裂损的危险，因此室外的管路必须考虑防冻措施。由于数据中心侧管路是一个封闭环路，为此业主不得不向整个封闭环路内加入高浓度的防冻液。对于规模大、管路长的数据中心，这必将导致业主投资额的大幅增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用室外天然冷源，仅需投入极少的防冻液即可解决整个管路系统冬季结冰问题，同时简化现场安装程序，节约前期土建成本，又能满足机房对温、湿度及洁净度要求的集装箱式的模块化自然冷却机组。本发明主要是：将自然冷却系统管路划分为一次侧室外管路部分和二次侧室内管路部分两个独立的封闭环路，并与现有空调的风冷冷水机组构成数据中心制冷系统。

本发明主要包括：箱体、引风机、表面冷却器(以下简称表冷器)冷热水管、控制柜、板式换热器，电加热器、水泵及阀门。其中，箱体为至少有一个开口的中空壳体，在箱体内设控制柜，箱体开口端设将开口封闭的检修门。在该箱体的上壳体上设有若干通孔，每个通孔内各设一台固定在上壳体上的引风机。在该箱体的侧壳体或下壳体上设有与引风机开关连锁的电动风口，该风口或是百叶风口、或是格栅风口，或是条缝风口。在箱体内设有若干表冷器，该表冷器的数量可根据需要设置。每个表冷器上分别设有热水进水支管和冷水出水支管，它们分别与表冷器内部的换热管相连。各表冷器上的热水进水支管还与一根设在箱体内的热水干管相连通，两者之间设有常开阀门，最好该热水干管上设有温度传感器；各表冷器上的冷水出水支管还与另一根设在箱体内的冷水干管相连通，两者之间设有常开阀门，最好该冷水干管上也设有温度传感器。在冷、热水干管的最低点处均设置泄水阀。在箱体内设有板式换热器，其上分别设有两个水通道A、B，通道A的进口a、出口a，通道B的进口b、出口b，其中通道A的进口a与上述冷水干管的一端相连通，两者之间设有常开阀门；出口a与两支管相连，其一个支管即电加热器旁通管与设在箱体内的水泵进口相连，两者之间设有常闭阀门，在水泵进口端设有过滤网及金属软连接，出口端设有金属软连接及止回阀，该水泵出口与热水干管的一端相连通。与板式换热器出口a相连的另一支管与电加热器进水口相连，两者之间设有常开阀门，该电加热器出水口与水泵进口相连。在水泵进口前的管路上设有温度传感器，该温度传感器与电加热器连锁，当温度传感器显示的板式换热器的出口a水温低于某一设定温度时，则传感器会向电加热器传输开启电加热器的信息，于是来自板式换热器的水在电加热器内进行加热，升温之后再进入水泵。最好，上述水泵设有两台，一用一备。以上部件构成自然冷却系统一次侧室外管路部分的循环回路。上述板式换热器另一个水通道B的进口b直接或通过其他部件间接与空调水系统预留的热水管相连，出口b直接或通过其他部件间接与空调水系统预留的冷水管相连，构成自然冷却系统二次侧室内管路部分的循环回路。

本发明的工作过程：在冬季该机组独立运行，当机组运行时，风机根据温度传感器监测的循环水水温控制开启数量，风机开启前，与风机联锁的风口阀门先开启，将室外冷空气引入箱体内，并与表冷器内的工作流体进行换热后变为热空气再被风机带走排出箱体外，完成对一次侧室外管路内防冻液的冷却过程。被冷却的一次侧室外管路内防冻液流体进入板式换热器，与二次侧室内管路内循环冷冻水在板式换热器内完成冷热交换，完成对二次侧循环冷冻水的冷却过程。该系统冬季运行时仅需要向一次侧室外管路内加入防冻液采取防冻措施。两种工作流体在各自独立的封闭环路内不间断地循环流动，将自然冷源引入室内向数据中心持续供冷。在冬季出现极其恶劣的低温情况时，该机组可以根据一次侧温度传感器监测的工作流体温度控制接入电加热器，保证一次侧室外管路内防冻液的温度控制在规定范围内。在温度较高的春秋季，该机组可与现有的风冷冷水机组配合使用，也可以作为风冷冷水机组的预冷器使用，以提高冷水机组压缩机的制冷效率，夜间温度较低时该机组可单独使用。该机组夏季停止使用，引风机以及电动风口处于关闭状态，箱体内形成封闭空间，有利于阻止室外空气进入箱体，同时防止室外灰尘及雨水进入箱体内有效保护设备，延长使用时间。另外，在机组内冷热水干管的最低处设置了泄水阀，在冬季机组处于检修状态时，可以打开泄水阀门，一次室外侧管路内的工作流体在重力作用下沿倾斜坡度可全部排空，防止机组在冬季不运行的情况下一次侧管路部分，特别是弯管处因积水无法排空导致结冻的问题。

本发明与现有技术相比有益效果如下：

1、本发明通过在自然冷却机组内部增加板式换热器和水泵将循环冷冻水管路系统分割成一次侧室外管路部分和二次侧室内管路部分两个独立的封闭环路，其中一次侧室外管路只存在于自然冷却机组内部，大大缩短了一次侧室外管路的长度，冬季运行时仅需要对自然机组内部管路部分采取防冻措施，从而大大减少了乙二醇等防冻液的投注量，为业主节约了大量成本。

2、本发明属于模块化机组，将系统新增的板式换热器和水泵等作为模块设置在了自然冷却机组内部，为水泵房节约了板式换热器和一次循环泵的布置位置，从而为业主节约了前期土建成本。

3、本发明在自然冷却机组内增设了电加热器模块，即使北方地区冬季出现极其恶劣的气候条件，也可以通过接入电加热器将一次侧的工作流体温度控制在规定范围内，一方面避免工作流体结冰带来的损害，另一方面使整个制冷系统的温度趋于稳定，避免温度波动太大对数据中心内业务设备产生不利影响。

4、本发明涉及到的所有设备均作为组成模块在工厂内安装完成，现场仅需吊装就位并完成与制冷系统的管路对接，保证了安装精度的同时，又很大程度上减少了现场的工程量，加快施工进度，降低施工成本。

5、本发明模块化的设计为系统未来扩容提供了条件，无论系统扩容多大，只需找到二次泵的安装位置，不必考虑一次泵和板式换热器的布置位置，节约了数据中心建筑内的水泵房的建筑面积，改善了数据中心机柜覆盖率的CCR值。。

6、本发明使用温度范围广，可以在室外温度11℃以下的环境工作，在北方大部分地区可以使用7个月左右的时间，有5个月左右的时间可以单独使用该自然冷却机组为系统提供冷负荷，过渡季白天可以作为冷水机组的预冷器使用，可以使冷水机组处于低功率下运行，过渡季夜间可以单独使用，因此节能效果明显。

7、本发明内部设备如表冷器采用独立阀门与母管连接，水泵采用了一运一备的模式，因此重要设备出现故障后均可以实现在线检修，维护，并不影响机组的正常运行。

8、本发明设备尺寸小，重量轻，耗材量少，制造成本低。

附图说明

图1为本发明的主视示意简图。

图2为本发明的俯视示意简图。

图3为图1的A-A视图。

图4为图2的B-B视图。

图5为本发明板式换热器等轴侧视示意简图。

图中：1、箱体，2、控制柜，3、检修门，4、引风机，5、电动风口，6、表冷器，7、热水进水支管，8、冷水出水支管，9、热水干管，10、冷水干管，11、泄水阀，12、板式换热管，13、水泵，14、电加热器，15、过滤网，16、金属软连接，17、止回阀，18、进口a，19、出口a，20、进口b，21、出口b，22、温度传感器，23、电加热器旁通管

具体实施方式在图1和图2所示的一种应用于数据中心制冷系统的模块化自然冷却机组的示意简图中，箱体1为长方体形开口设在长度方向两端的中空壳体，在箱体内开口端附近设控制柜2，箱体两开口端设将开口封闭的检修门3。箱体的上壳体上设有18个通孔，每个通孔内各设一台固定在上壳体上的引风机4。在该箱体的侧壳体上设有与引风机开关连锁的百叶电动风口5。在箱体内设有6台表冷器6，这些表冷器整体与侧壳体平行并紧邻电动风口设置。每个表冷器上分别设有热水进水支管7和冷水出水支管8。在图3中，各表冷器上的热水进水支管还与一根设在箱体内的热水干管9相连通，两者之间设有手动阀门，该热水干管上设有温度传感器；各表冷器上的冷水出水支管还与另一根设在箱体内的冷水干管10相连通，两者之间设有手动阀门，该冷水干管上也设有温度传感器。又在图4中，在冷、热水干管的最低点处设置泄水阀11。在箱体内设有板式换热器12，如图5所示，其上分别设有两个水通道A、B的进口a、出口a及进口b、出口b，其中一个水通道A进口a18与上述冷水干管的一端相连通，两者之间设有常开阀门；出口a19与两支管相连，其一个支管即电加热器旁通管23与设在箱体内的水泵13进口相连，两者之间设有常闭阀门，在水泵进口端设有过滤网15及金属软连接16，出口端设有金属软连接16及止回阀17，该水泵出口与热水干管的一端相连通。与板式换热器出口a19相连的另一支管与电加热器进水口相连，两者之间设有常开阀门，该电加热器出水口与水泵进口相连。在水泵进口前的管路上设有温度传感器22，该温度传感器与电加热器连锁。上述水泵共有两台，一用一备。以上部件构成自然冷却系统一次侧室外管路部分的循环回路。上述板式换热器另一个水通道B的进口b20直接或通过其他部件间接与空调水系统预留的热水管相连，出口b21直接或通过其他部件间接与空调水系统预留的冷水管相连，构成自然冷却系统二次侧室内管路部分的循环回路。

Claims (5)

1.一种集装箱式的模块化自然冷却机组，其箱体为至少有一个开口的中空壳体，在箱体内设控制柜，箱体开口端设将开口封闭的检修门，在该箱体的上壳体上设有通孔，每个通孔内各设一台固定在上壳体上的引风机，在该箱体上设有与引风机开关连锁的电动风口，在箱体内设有表冷器，每个表冷器上分别设有热水进水支管和冷水出水支管，它们分别与表冷器内部的换热管相连，各表冷器上的热水进水支管还与一根设在箱体内的热水干管相连通，两者之间设有阀门，各表冷器上的冷水出水支管还与另一根设在箱体内的冷水干管相连通，两者之间设有阀门，其特征在于：在箱体内设有板式换热器，其上分别设有两个水通道A、B，其中水通道A进口a与上述冷水干管的一端相连通，两者之间设有常开的阀门，出口a与设在箱体内的水泵进口相连，两者之间也设有常闭阀门，在水泵进口端设有过滤网及金属软连接，出口端设有金属软连接和止回阀，该水泵出口与热水干管的一端相连通，以上部件构成自然冷却系统一次侧室外管路部分的循环回路；上述板式换热器另一个水通道B的进口b与空调水系统预留的热水管相连，出口b与空调水系统预留的冷水管相连，构成自然冷却系统二次侧室内管路部分的循环回路。

2.根据权利要求1所述的集装箱式的模块化自然冷却机组，其特征在于：与板式换热器出口a相连的另一支管与电加热器进水口相连，两者之间设有常开阀门，该电加热器出水口与水泵进口相连，在水泵进口前的管路上设有温度传感器，该温度传感器与电加热器连锁。

3.根据权利要求1或2所述的集装箱式的模块化自然冷却机组，其特征在于：在冷、热水干管的最低点处均设置泄水阀。

4.根据权利要求3所述的集装箱式的模块化自然冷却机组，其特征在于：冷、热水干管上均设有温度传感器。

5.根据权利要求4所述的集装箱式的模块化自然冷却机组，其特征在于：水泵设有两台。