CN107396608A - 一种用于数据中心的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种用于数据中心的冷却系统。该系统包括：机柜热通道，布置于机柜的上方；热气流通道，布置于数据中心的顶部，与所述机柜热通道之间布置有排风风扇；外墙换热结构，布置于所述热气流通道的外墙，表面采用空气紊流换热结构；冷气流通道，与所述热气流通道之间布置有自然冷送风风阀，以及与所述机柜相连通。与现有技术相比，本发明提供了一种用于数据中心的被动式自然冷却系统，利用数据中心的建筑外墙进行散热，在室外空气状态能够满足数据中心的散热需求时可以完全不需要制冷机组，大幅提升系统效率，降低PUE。

Description

一种用于数据中心的冷却系统

技术领域

本发明涉及一种用于数据中心的冷却系统。

背景技术

随着能源成本的不断攀升以及人们对绿色环保的重视，数据中心的节能需求越来越强烈。在保证数据中心机房IT设备安全、高性能运行的前提下，综合利用各种节能手段，提高数据中心的能源利用效率，降低PUE。节能减排已成为数据中心基础设施追求的目标之一。

传统数据中心中，制冷机组提供冷冻水至空调末端对IT设备进行持续降温，制冷机组能耗占数据中心能耗的比例在40％左右，能源耗费严重。自然冷却(又称免费冷却)系统，因不需制冷机组提供冷源，大大降低数据中心空调系统能耗，节能效果显著。

常见的自然冷却系统包括水侧自然冷及风侧自然冷两种。水侧自然冷主要是在原有的制冷机组的基础上增加一个换热器，当室外环境温度较低时，通过换热器旁通制冷机组，直接采用室外冷却水对室内服务器进行冷却。水侧自然冷虽然较成熟应用广泛，但其占地大，换热环节多，节能潜力有限。风侧自然冷则采用室外冷空气直接或者间接的对室内服务器冷却。风侧直接自然冷换热效率高，节能潜力大，但由于存在室外环境污染及湿度等风险因素，导致可靠性存在风险。一种优化方案是通过一个风-风换热器间接换热以避免这一问题，但换热器体积大，造价高，且换热效率较低。

数据中心的现有风侧节能自然冷却方案一般采用专用的带有新风功能的空调机组，比如直接新风机组或间接新风机组，但与机房建筑的适应度较差，需要机房预留大量的放置及风道、维护区域等空间。同时，现有风侧节能机组都需要安装多层过滤网，以去除室外环境的污染，而滤网本身产生较大的气流阻力，增大了循环风机的功耗，削弱了节能效果，滤网需要较为频繁的更换和维护，增加了人员操作复杂度和成本。此外，现有自然冷却机组一般都配置有较为紧凑的多排换热器，以实现换热及湿度控制要求，但换热器本身也会对系统风阻造成不利的影响，同时削弱节能效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于数据中心的冷却系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于数据中心的冷却系统，其中，该系统包括：

机柜热通道，布置于机柜的上方；

热气流通道，布置于数据中心的顶部，与所述机柜热通道之间布置有排风风扇；

外墙换热结构，布置于所述热气流通道的外墙，表面采用空气紊流换热结构；

冷气流通道，与所述热气流通道之间布置有自然冷送风风阀，以及与所述机柜相连通。

与现有技术相比，本发明提供了一种用于数据中心的被动式自然冷却系统，利用数据中心的建筑外墙进行散热，在室外空气状态能够满足数据中心的散热需求时可以完全不需要制冷机组，大幅提升系统效率，降低PUE。本发明可为数据中心空调系统架构及新机房建设提供新的可行方案，并可大大降低数据中心空调系统运行能耗，节能效果显著。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本发明一个实施例的一种用于数据中心的冷却系统的系统示意图；

图2示出根据本发明另一个实施例的一种用于数据中心的冷却系统的系统示意图；

图3示出根据本发明一个实施例的自然冷却模式的运行示意图；

图4示出根据本发明一个实施例的混合冷却模式的运行示意图；

图5示出根据本发明一个实施例的机械冷却模式的运行示意图；

图6示出根据本发明再一个实施例的一种用于数据中心的冷却系统的系统示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本发明的示例性实施例的目的。但是本发明可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。

应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

还应当提到的是，在一些替换实现方式中，所提到的功能/动作可以按照不同于附图中标示的顺序发生。举例来说，取决于所涉及的功能/动作，相继示出的两幅图实际上可以基本上同时执行或者有时可以按照相反的顺序来执行。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1示出根据本发明一个实施例的系统示意图，其中具体示出一种用于数据中心的冷却系统。

如图1所示，冷却系统包括机柜热通道7、排风风扇4、热气流通道3、外墙换热结构1、自然冷送风风阀6和冷气流通道5。

具体地，数据中心中布置有多组机柜(IT服务器)8，机柜8的上方布置有机柜热通道7，其与数据中心顶部的热气流通道3之间布置有排风风扇4。机柜热通道7收集机柜8排出的热空气，这些热空气通过排风风扇4被导入热气流通道3。

热气流通道3的建筑外墙上布置有外墙换热结构1。外墙换热结构1的表面采用空气紊流换热结构，包括但不限于可以强化室外空气的紊流换热的肋化结构或颗粒状结构，有助于扩大换热面积。进入热气流通道3中的热空气通过外墙换热结构1与室外空气进行换热，由于这种换热模式是利用外部的自然冷源，本发明中也将其称为自然冷却模式。

热气流通道3与冷气流通道5之间布置有自然冷送风风阀6，经外墙换热结构1换热后的冷空气在自然冷送风风阀6开启后被送入冷气流通道5，以送回至与冷气流通道5相连通的机柜8，从而完成了数据中心气流的循环。

可选的，仍参阅图1，冷却系统还可以包括室外遮阳棚9，其布置于外墙换热结构1的上方。这保证了数据中心的屋顶避免阳光直射产生的辐射，从而可以降低外墙换热结构1外部空气的温度，同时延长了冷却系统的适用时间。

本发明提供了一种被动式的利用建筑外墙进行自然冷却散热的方案。在数据中心中，IT服务器排出的热空气被引入顶部的热气流通道,流经顶部的建筑外墙内部，通过具有高效扩展表面的外墙散热结构与室外空气进行换热，可以极大的降低数据中心空调系统能耗，节能效果显著。

当被动式建筑外墙散热达不到要求时，冷却系统可以引入机械冷却模式来达到对整个数据中心进行散热的目的。详细说明请见以下对图2的描述。

图2示出根据本发明一个实施例的系统示意图，其中具体示出一种用于数据中心的冷却系统，该冷却系统可以提供多种冷却模式。

如图2所示，冷却系统包括机柜热通道7、排风风扇4、隔离通道12、热气流通道3、外墙换热结构1、自然冷送风风阀6和冷气流通道5，其中，隔离通道12中进一步包括制冷盘管11、排风风阀13和机械冷送风风阀10。

隔离通道12被布置于热气流通道3内，并经由排风风扇4与机柜热通道7相连通。

隔离通道12可以经由排风风阀13与热气流通道3相连通或隔离。当排风风阀13开启时，经由排风风扇4导入的热空气首先进入隔离通道12，进而可以经过排风风阀13进入热气流通道3。当排风风阀13关闭时，经由排风风扇4导入的热空气限定于隔离通道12内，不能进入热气流通道3。

隔离通道12还经由机械冷送风风阀10与冷气流通道5相连通或隔离。当机械冷送风风阀10开启时，经制冷盘管11冷却的冷空气可以经过机械冷送风风阀10进入冷气流通道5。当机械冷送风风阀10关闭时，隔离通道12与冷气流通道5相隔离。

图2所示的冷却系统可以提供3种冷却模式。冷却系统根据室外空气状态，包括温度、湿度，与热气流通道3中的空气状态进行实时比较，以确定当前所采用的冷却模式。具体描述如下：

1)自然冷却模式

气流散热流程：

机柜8→机柜热通道7→排风风扇4→热气流通道3→外墙散热结构1→自然冷送风风阀6→机柜8

配合参阅图2和图3，机柜热通道7收集机柜8产生的热空气，这些热空气通过排风风扇4以及排风风阀13被导入热气流通道3，经外墙换热结构1换热后的冷空气经由自然冷送风风阀6被送入冷气流通道5，以送回至机柜8。

电动风阀开启状态：

开启：排风风阀13、自然冷送风风阀6

关闭：机械冷送风风阀10

在该模式下，排风风阀13和自然冷送风风阀6被开启，使得热空气可以进入热气流通道3并经外墙换热结构1换热后的冷空气进入冷气流通道5，同时隔离通道12内的机械冷送风风阀10被关闭。

当室外温度较低时，如冬季，自然冷却模式可以有效对数据中心进行散热。

2)自然冷却模式+机械冷却模式(混合冷却模式)

气流散热流程：

机柜8→机柜热通道7→排风风扇4→制冷盘管11+排风风阀13+热气流通道3→机械送风风阀9+自然冷送风风阀6→外墙散热结构1→机柜8

配合参阅图2和图4，机柜热通道7收集机柜8产生的热空气，这些热空气通过排风风扇4首先进入隔离通道12，其中：

一部分热空气进而经由排风风阀13被导入热气流通道3，并经外墙换热结构1换热后的冷空气经由自然冷送风风阀6被送入冷气流通道5，以送回至机柜8；

一部分热空气在隔离通道12中通过制冷盘管11冷却后，经由机械冷送风风阀10被送入冷气流通道5，以送回至机柜8。

在此，隔离通道12使得制冷盘管11冷却后的冷空气与热气流通道3内的热空气相隔离，并将冷空气经机械冷送风风阀10导入冷气流通道5。隔离通道12将自然冷送风及机械冷送风隔离以防止气流短路。

电动风阀开启状态：

开启：排风风阀13、机械冷送风风阀10、自然冷送风风阀6

关闭：无

在该模式下，排风风阀13和自然冷送风风阀6被开启，使得热空气可以进入热气流通道3并经外墙换热结构1换热后的冷空气进入冷气流通道5，同时隔离通道12内的机械冷送风风阀10也被开启，使得经制冷盘管11冷却后的冷空气也可以进入冷气流通道5。

当室外空气状态与预设机房环境要求相当，如室外温度较高，单独的自然冷却模式可能不能满足数据中心的散热需求时，例如春秋季等室外温度稍高时，可以同时开启机械冷却模式来对数据中心进行散热。

3)机械冷却模式

气流散热流程：

机柜8→机柜热通道7→排风风扇4→制冷盘管11→机械冷送风风阀10→机柜8

配合参阅图2和图5，机柜热通道7收集机柜8产生的热空气，这些热空气通过排风风扇4进入隔离通道12，进而通过制冷盘管11冷却后，经由机械冷送风风阀10被送入冷气流通道5，以送回至机柜8。

电动风阀开启状态：

开启：机械冷送风风阀10

关闭：排风风阀13、自然冷送风风阀6

在该模式下，排风风阀13被关闭，隔离通道12将热空气限定于机械冷却模式，机械冷送风风阀10被开启，使得经制冷盘管11冷却后的冷空气可以进入冷气流通道5。

当室外空气状态高于预设机房环境要求时，如室外温度较高，自然冷却模式可能无法对数据中心进行有效散热，如夏季，机械冷却模式可以使得数据中心的散热需求获得满足。

可选的，仍参阅图2，冷却系统还可以包括内墙保温结构2，布置于热气流通道3的内墙，通过展开或收缩保温材料来隔离或采用外墙换热结构1进行换热。

在此，所采用的保温材料例如EPS(聚苯板)、XPS(抗塑聚苯板)、岩棉板或玻璃棉板材料等。

在自然冷却模式下，配合参阅图2和图3，内墙保温结构2收缩保温材料，使得外墙换热结构1利用室外空气对机柜8产生的热空气进行换热。

在混合冷却模式下，配合参阅图2和图4，内墙保温结构2同样收缩保温材料，使得外墙换热结构1利用室外空气对机柜8产生的热空气进行换热。

在机械冷却模式下，配合参阅图2和图5，内墙保温结构2将展开保温材料来隔离外墙换热结构1的换热。内墙保温结构2可以减少建筑围护结构的热负荷，从而降低机械制冷的能耗。

图6示出根据本发明一个实施例的系统示意图，其中具体示出一种用于数据中心的带有喷淋系统的冷却系统。

如图6所示，冷却系统还可以包括喷淋系统14，例如包括可以多个喷头，布置于外墙换热结构1的外部，对外墙换热结构1进行喷淋，这可以将自然冷却时间增加，使系统更加节能高效。

进一步的，仍参阅图6，冷却系统还可以包括室外遮阳棚9，喷淋系统14可以被布置于室外遮阳棚9的下方。也即，喷淋系统14布置于室外遮阳棚9的下方且外墙换热结构1的上方，这可以有效延长本发明的冷却系统的适用时间。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。

Claims (10)

1.一种用于数据中心的冷却系统，其中，该系统包括：

机柜热通道，布置于机柜的上方；

热气流通道，布置于数据中心的顶部，与所述机柜热通道之间布置有排风风扇；

外墙换热结构，布置于所述热气流通道的外墙，表面采用空气紊流换热结构；

冷气流通道，与所述热气流通道之间布置有自然冷送风风阀，以及与所述机柜相连通。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，该系统还包括：

室外遮阳棚，布置于所述外墙换热结构的上方。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，该系统还包括：

喷淋系统，布置于所述外墙换热结构的外部，对所述外墙换热结构进行喷淋。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述机柜排出的热空气由所述机柜热通道收集并经由所述排风风扇被导入所述热气流通道，经所述外墙换热结构换热后的冷空气经由所述自然风送风风阀被导入所述冷气流通道，以送回至所述机柜。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，该系统还包括：

隔离通道，其中布置有制冷盘管、排风风阀和机械冷送风风阀，布置于所述热气流通道之内并经由所述排风风阀与所述热气流通道相连通或隔离，经由所述机械冷送风风阀与所述冷气流通道相连通或隔离，以及经由所述排风风扇与所述机柜热通道相连通。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述隔离通道经由所述排风风阀与所述热气流通道相隔离以及经由所述机械冷送风风阀与所述冷气流通道相连通；

其中，所述机柜排出的热空气由所述机柜热通道收集并经由所述排风风扇被导入所述隔离通道，通过所述制冷盘管冷却后经由所述机械冷送风风阀进入所述冷气流通道，以送回至所述机柜。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述隔离通道经由所述排风风阀与所述热气流通道相连通以及经由所述机械冷送风风阀与所述冷气流通道相连通；

其中，所述机柜排出的热空气由所述机柜热通道收集并经由所述排风风扇被导入所述隔离通道，其中一部分热空气继续经由所述排风风阀进入所述热气流通道，经所述外墙换热结构换热后的冷空气经由所述自然风送风风阀被导入所述冷气流通道，一部分热空气通过所述制冷盘管冷却后经由所述机械冷送风风阀进入所述冷气流通道。

8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述隔离通道经由所述排风风阀与所述热气流通道相连通以及经由所述机械冷送风风阀与所述冷气流通道相隔离；

其中，所述机柜排出的热空气由所述机柜热通道收集并经由所述排风风扇以及所述排风风阀被导入所述热气流通道，经所述外墙换热结构换热后的冷空气经由所述自然风送风风阀被导入所述冷气流通道，以送回至所述机柜。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的系统，其中，该系统还包括：

内墙保温结构，布置于所述热气流通道的内墙，通过展开或收缩保温材料来隔离或采用所述外墙换热结构进行换热。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中，所述外墙换热结构表面所采用的空气紊流换热结构，包括肋化结构或颗粒状结构。