CN108289399B - 一种利用太阳能的数据中心自然冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用太阳能的数据中心自然冷却系统，包括自然冷却系统，所述自然冷却系统包括冷却单元、冷却水泵、液冷系统和气冷系统，所述液冷系统和气冷系统并联之后再与所述冷却水泵、冷却单元串联，还包括太阳能辅助供冷系统，所述太阳能辅助供冷系统和所述自然冷却系统共用相同的冷却单元，且所述太阳能辅助供冷系统与气冷系统相连，在自然冷却能力不足时作为气冷系统的温度补偿设备。本发明利用液冷系统和气冷系统组成的自然冷却散热系统实现数据中心自然冷却散热，同时采用太阳能吸收式制冷系统作为气冷系统的温度补偿设备，利用气冷系统和太阳能吸收式制冷系统良好的互补性，在保证数据中心冷却散热系统安全可靠，持续稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及数据中心散热领域，特别是涉及一种利用太阳能的数据中心自然冷却系统。
背景技术
根据数据统计，我国2015年数据中心能耗约占当年全国总能耗1.8%，相当于三峡水电站整年的发电量（约1000亿度），其中大量能源是被用于数据中心的制冷系统（占比高达40%～50%，PUE值普遍高于2.2），严重制约了数据中心绿色可持续发展，因此采用新型节能冷却方法是数据中心节能减排的迫切需求。
现有技术中，采用自然冷却技术是降低数据中心机房能耗的有效方法之一。目前自然冷却技术主要包括空气侧自然冷却、水侧自然冷却等方式方法。空气侧自然冷却又分为直接式和间接式。直接式空气侧自然冷却是将部分室外新风直接引入数据中心加以利用，虽然具有简单易行且节能效果好的优点，但对引入的空气质量要求较高，会影响机房内空气的质量和湿度；间接式空气侧自然冷却是通过采用空气-空气换热器（比如转轮系统）利用室外冷空气，虽然克服了室外污染源对室内环境的影响，保证了机房内部空气温湿度和洁净度的要求，但是由于空气的比热容低，换热系数小，因此所需换热面积较大，且转轮的安装需要对外墙大幅改造，使得此类系统的应用受到限制。水侧自然冷却包括利用低温地下水，深层湖泊水等自然冷源为数据中心提供冷量，但这样使得数据中心的选址受到了非常大的限制。
另一方面，针对数据中心机房全年不间断散热的特点，为保障数据中心安全可靠稳定运行，自然冷却散热系统通常与冷水主机系统配套使用，在自然冷却散热能力不足的时候，由冷水主机为数据中心提供冷量。虽然自然冷源的利用能在一定程度上减少冷水主机的运行时间，降低机房的能耗，但是本质上还是依赖压缩机制冷，不能从根本上解决机房能耗过大的问题。
发明内容
为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种利用太阳能的数据中心自然冷却散热系统，本系统具有能耗低、更节能等特点。
为实现本发明的目的，采用以下技术方案予以实现：
一种利用太阳能的数据中心自然冷却系统，包括自然冷却系统，所述自然冷却系统包括冷却单元、冷却水泵、液冷系统和气冷系统，所述液冷系统和气冷系统并联之后再与所述冷却水泵、冷却单元串联，还包括太阳能辅助供冷系统，所述太阳能辅助供冷系统和所述自然冷却系统共用相同的冷却单元，且所述太阳能辅助供冷系统与气冷系统相连，在自然冷却能力不足时作为气冷系统的温度补偿设备。
本发明提供了一种利用太阳能的数据中心自然冷却散热系统，根据数据中心服务器的热场特征，采用液气双通道完全自然冷却路线：高热流密度元器件（例如CPU）发热量占比大，分布相对集中，采用液冷系统散热；低热流密度元器件（例如主板等）发热量占比小，分布相对分散，采用气冷系统散热。液冷系统主要带走服务器CPU的散热量，由于CPU正常工作时温度通常在60～70℃之间，而冷却单元的极限出水温度通常在40以下，因此液冷系统可以全年利用自然冷源带走服务器CPU的散热量；气冷系统末端与液冷服务器机柜形成一体化机柜，冷热气流在一体化机柜内部循环，带走服务器CPU外的其余散热量，一方面缩短了送风距离，提高了送风精度；另一方面目前美国采暖、制冷和空调工程师协会(ASHRAE)、我国国家和行业标准均将服务器推荐进风温度提升至27℃，在即将颁布的新版GB-50174中，服务器允许进风温度扩大为32℃，对气冷系统送风要求进一步放宽，这为大幅提高风冷系统所需冷源温度，实现数据中心完全自然冷却提供了更为有利的条件。当气冷系统的自然冷却散热能力不足时（比如夏季高温恶劣工况），通常是气温比较高，太阳辐射比较强烈的时候，此时也是太阳能吸收式制冷系统制冷能力较强的时候，利用太阳能吸收式制冷系统作为气冷系统的温度补偿设备，从而保证数据中心自然冷却系统持续安全可靠运行，整套数据中心自然冷却散热系统具有良好的互补性，节能性和经济性。
进一步地，所述太阳能辅助供冷系统包括太阳能集热器、第一热源泵、蓄热箱、第二热源泵、吸收式制冷机以及冷冻水泵；所述太阳能集热器、第一热源泵和蓄热箱通过管件连接形成循环回路，蓄热箱、第二热源泵和吸收式制冷机通过管件连接形成循环回路，吸收式制冷机、冷冻水泵和气冷系统通过管件连接形成循环回路。
进一步地，所述太阳能辅助供冷系统还包括蓄冷箱，所述蓄冷箱设置在吸收式制冷机的冷冻水出口处。
进一步地，所述吸收式制冷机冷冻水进出口处均设置有电动二通阀。在吸收式制冷机冷冻水进出口都装电动阀是为了做切换控制。比如夏季炎热，风冷通道的自然冷却不能满足数据中心散热需求时，此时两个电动阀都开启，由太阳能吸收式制冷系统为风冷通道供冷；当气温比较低(比如冬季)，液气双通道的自然冷却都能满足数据中心散热需求，此时制冷机进出口的两个电动阀都关闭，吸收式制冷系统不工作，从自然冷却系统中隔离出来。
进一步地，所述气冷系统包括第二中间换热器、气冷内循环泵和空调末端，所述第二中间换热器、气冷内循环泵和空调末端依次通过管件连接组成气冷内循环回路；所述冷却单元、冷却水泵和第二中间换热器依次通过管件相连组成气冷外循环回路；所述气冷内循环回路通过所述第二中间换热器与所述气冷外循环回路换热；另外，吸收式制冷机、蓄冷箱、冷冻水泵和第二中间换热器通过管件连接形成循环回路。
进一步地，所述液冷系统包括第一中间换热器、液冷内循环泵和液冷服务器机柜，所述第一中间换热器、液冷内循环泵和液冷服务器机柜依次通过管路相连组成液冷内循环回路；所述冷却单元、冷却水泵、第一中间换热器依次通过管路相连组成液冷外循环回路；所述液冷内循环回路通过所述第一中间换热器与所述液冷外循环回路换热。
上述液冷内循环回路、气冷内循环回路、液冷外循环回路和气冷外循环回路均充满了冷却介质。
首先设定所述外循环回路的供液总管为液冷外循环回路和气冷外循环回路共用的供液管道；所述外循环回路的回液总管为液冷外循环回路和气冷外循环回路共用的回液管道。进一步地，所述冷却单元出口处安装有第一电动三通分流阀，进口处安装有第一电动三通合流阀；所述第一电动三通分流阀出口侧一端与吸收式制冷机的冷凝器和吸收器相连，出口侧另一端与外循环回路的供液总管相连；所述第一电动三通合流阀进口侧一端与吸收式制冷机的回液段相连，进口侧另一端与外循环回路的回液总管相连。
另外，所述外循环回路的供液总管设有第二电动三通分流阀，用于将冷却单元的冷却介质输送至第一中间换热器和第二中间换热器进行换热；所述外循环回路的回液总管设有第二电动三通合流阀，用于将在第一中间换热器和第二中间换热器换热后的冷却介质回流至冷却单元。
进一步地，所述液冷服务器机柜和所述空调末端并列安装成一体化机柜形式；所述空调末端为风机盘管形式。
与现有技术比较，本发明的有益效果如下：
（1）本发明利用液冷系统和气冷系统组成的自然冷却散热系统实现数据中心自然冷却散热，同时采用太阳能吸收式制冷系统作为气冷系统的温度补偿设备，利用气冷系统和太阳能吸收式制冷系统良好的互补性，在保证数据中心冷却散热系统安全可靠，持续稳定运行的同时，具有绿色环保，节能经济的优势。
（2）本发明将液冷服务器机柜与气冷末端合成一体化机柜，冷热气流在一体化机柜内部循环，缩短了送风距离，提高了送风精度和送风温度，从而扩大了自然冷源的利用范围。
（3）本发明的液冷系统、气冷系统以及太阳能吸收式制冷系统通过电动三通阀共用相同的冷却单元，结构简洁，便于控制，避免了因冷却系统管路复杂而引起的投资成本高，控制系统冗繁的缺点。
附图说明
图1为本发明所提供的数据中心自然冷却系统的结构示意图。
附图标记：1. 冷却单元；2. 第一电动三通分流阀；3. 第二电动三通分流阀；4.第一中间换热器；5. 液冷服务器机柜；6. 液冷内循环泵；7. 第二电动三通合流；8. 第二中间换热器；9. 气冷内循环泵；10. 空调末端；11. 太阳能集热器；12. 第一热源泵；13.蓄热箱；14. 第二热源泵；15. 吸收式制冷机；16. 蓄冷箱；17. 冷冻水泵；18. 电动二通阀；19. 第一电动三通合流阀；20. 冷却水泵；21. 外循环回路的供液总管；22. 外循环回路的回液总管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细地说明。
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种利用太阳能的数据中心自然冷却系统，包括自然冷却系统，所述自然冷却系统包括冷却单元1、冷却水泵20、液冷系统和气冷系统，所述液冷系统和气冷系统并联之后再与所述冷却水泵20、冷却单元1串联。该系统还包括太阳能辅助供冷系统，所述太阳能辅助供冷系统和所述自然冷却系统共用相同的冷却单元1，且所述太阳能辅助供冷系统与气冷系统相连，在自然冷却能力不足时作为气冷系统的温度补偿设备。
所述自然冷却系统和太阳能辅助供冷系统共用一个冷却单元，都是从冷却单元1获取冷量；所述太阳能辅助供冷系统与气冷系统相连，当自然冷却能力不足（夏季高温恶劣工况）时，作为气冷系统的温度补偿设备，能够保障数据中心持续安全可靠的运行效果。
具体的，所述太阳能辅助供冷系统包括太阳能集热器11、第一热源泵12、蓄热箱13、第二热源泵14、吸收式制冷机15以及冷冻水泵17；所述太阳能集热器11、第一热源泵12和蓄热箱13通过管件连接形成循环回路，蓄热箱13、第二热源14泵和吸收式制冷机15通过管件连接形成循环回路，吸收式制冷机15、冷冻水泵17和气冷系统通过管件连接形成循环回路。所述吸收式制冷机15冷冻水进出口处设置有电动二通阀18，在气冷系统需要温度补偿时开启，不需要温度补偿时关闭，同时可调节冷冻水流量。
作为本实施例的一个优选方案，所述太阳能辅助供冷系统还包括蓄冷箱16，所述蓄冷箱16设置在吸收式制冷机15的冷冻水出口处。所述蓄冷箱16设置在吸收式制冷机的冷冻水出口处，在气冷系统需要温度补偿时，用于缓解太阳能辅助供冷系统供冷不及时情况。
其中，所述液冷系统包括第一中间换热器4、液冷内循环泵6和液冷服务器机柜5，所述第一中间换热器4、液冷内循环泵6和液冷服务器机5柜依次通过管路相连组成液冷内循环回路；所述冷却单元1、冷却水泵20、第一中间换热器4依次通过管路相连组成液冷外循环回路；所述液冷内循环回路通过所述第一中间换热器4与所述液冷外循环回路换热。
所述气冷系统包括第二中间换热器8、气冷内循环泵9和空调末端10，所述第二中间换热器8、气冷内循环泵9和空调末端10依次通过管件连接组成气冷内循环回路；所述冷却单元1、冷却水泵20和第二中间换热器8依次通过管件相连组成气冷外循环回路；所述气冷内循环回路通过所述第二中间换热器8与所述气冷外循环回路换热；另外，吸收式制冷机15、蓄冷箱16、冷冻水泵17和第二中间换热器8通过管件连接形成循环回路。
设定所述外循环回路的供液总管21为液冷外循环回路和气冷外循环回路共用的供液管道；所述外循环回路的回液总管22为液冷外循环回路和气冷外循环回路共用的回液管道。进一步地，所述冷却单元1出口处安装有第一电动三通分流阀2，进口处安装有第一电动三通合流阀19；所述第一电动三通分流阀2出口侧一端与吸收式制冷机15的冷凝器和吸收器相连，出口侧另一端与外循环回路的供液总管21相连；所述第一电动三通合流阀19进口侧一端与吸收式制冷机15的回液段相连，进口侧另一端与外循环回路的回液总管22相连。
另外，所述外循环回路的供液总管21设有第二电动三通分流阀3，用于将冷却单元的冷却介质输送至第一中间换热器4和第二中间换热器8进行换热；所述外循环回路的回液总管22设有第二电动三通合流阀7，用于将在第一中间换热器4和第二中间换热器8换热后的冷却介质回流至冷却单元1。
其中，所述液冷服务器机柜5和空调末端10为一体化机柜形式，单机柜模块化形式。将液冷服务器机柜与气冷末端合成一体化机柜，冷热气流在一体化机柜内部循环，缩短了送风距离，提高了送风精度和送风温度，从而扩大了自然冷源的利用范围。
优选地，所述空调末端10优选风机盘管形式。
本实施例利用液冷系统和气冷系统组成的自然冷却散热系统实现数据中心自然冷却散热，同时采用太阳能吸收式制冷系统作为气冷系统的温度补偿设备，利用气冷系统和太阳能吸收式制冷系统良好的互补性，在保证数据中心冷却散热系统安全可靠，持续稳定运行的同时，具有绿色环保，节能经济的优势。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用太阳能的数据中心自然冷却系统，包括自然冷却系统，所述自然冷却系统包括冷却单元、冷却水泵、液冷系统和气冷系统，所述液冷系统和气冷系统并联之后再与所述冷却水泵、冷却单元串联，其特征在于，还包括太阳能辅助供冷系统，所述太阳能辅助供冷系统和所述自然冷却系统共用相同的冷却单元，且所述太阳能辅助供冷系统与气冷系统相连，在自然冷却能力不足时作为气冷系统的温度补偿设备；
所述太阳能辅助供冷系统包括太阳能集热器、第一热源泵、蓄热箱、第二热源泵、吸收式制冷机以及冷冻水泵；所述太阳能集热器、第一热源泵和蓄热箱通过管件连接形成循环回路，蓄热箱、第二热源泵和吸收式制冷机通过管件连接形成循环回路，吸收式制冷机、冷冻水泵和气冷系统通过管件连接形成循环回路；
所述吸收式制冷机冷冻水进出口处均设置有电动二通阀，用于进行切换控制；
当自然冷却系统不能满足数据中心散热需求时，此时两个电动二通阀都开启，由太阳能辅助供冷系统供冷；
当自然冷却系统能满足数据中心散热需求时，此时两个电动二通阀都关闭，吸收式制冷机不工作。
2.根据权利要求1所述的利用太阳能的数据中心自然冷却系统，其特征在于，所述太阳能辅助供冷系统还包括蓄冷箱，所述蓄冷箱设置在吸收式制冷机的冷冻水出口处。
3.根据权利要求1～2任一项所述的利用太阳能的数据中心自然冷却系统，其特征在于，所述气冷系统包括第二中间换热器、气冷内循环泵和空调末端，所述第二中间换热器、气冷内循环泵和空调末端依次通过管件连接组成气冷内循环回路；所述冷却单元、冷却水泵和第二中间换热器依次通过管件相连组成气冷外循环回路；所述气冷内循环回路通过所述第二中间换热器与所述气冷外循环回路换热；
吸收式制冷机、蓄冷箱、冷冻水泵和第二中间换热器通过管件连接形成循环回路。
4.根据权利要求3所述的利用太阳能的数据中心自然冷却系统，其特征在于，所述液冷系统包括第一中间换热器、液冷内循环泵和液冷服务器机柜，所述第一中间换热器、液冷内循环泵和液冷服务器机柜依次通过管路相连组成液冷内循环回路；所述冷却单元、冷却水泵、第一中间换热器依次通过管路相连组成液冷外循环回路；所述液冷内循环回路通过所述第一中间换热器与所述液冷外循环回路换热。
5.根据权利要求4所述的利用太阳能的数据中心自然冷却系统，其特征在于，所述冷却单元出口处安装有第一电动三通分流阀，进口处安装有第一电动三通合流阀；所述第一电动三通分流阀出口侧一端与吸收式制冷机的冷凝器和吸收器相连，出口侧另一端与外循环回路的供液总管相连；所述第一电动三通合流阀进口侧一端与吸收式制冷机的回液段相连，进口侧另一端与外循环回路的回液总管相连；
所述外循环回路的供液总管为液冷外循环回路和气冷外循环回路共用的供液管道；所述外循环回路的回液总管为液冷外循环回路和气冷外循环回路共用的回液管道。
6.根据权利要求5所述的利用太阳能的数据中心自然冷却系统，其特征在于，所述外循环回路的供液总管设有第二电动三通分流阀，用于将冷却单元的冷却介质输送至第一中间换热器和第二中间换热器进行换热；所述外循环回路的回液总管设有第二电动三通合流阀，用于将在第一中间换热器和第二中间换热器换热后的冷却介质回流至冷却单元。
7.根据权利要求4～6任一项所述的利用太阳能的数据中心自然冷却系统，其特征在于，所述液冷服务器机柜和所述空调末端并列安装成一体化机柜形式。
8.根据权利要求7所述的利用太阳能的数据中心自然冷却系统，其特征在于，所述空调末端为风机盘管形式。
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