CN108513497A - 一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块及其控制方法。该冷源模块包含闭式冷却塔与冷水机。该冷源模块可以同时提供高温冷冻水和低温冷冻水，根据实际需求切换三种运行模式：单供液冷、单供气冷、液气双供。通过温度传感器对电动阀与设备运行状态的调节。最大限度的利用自然冷源，从而降低了系统的能耗。一体模块化的设计，便于安装和扩容，也便于后期的维护，模块之间互为备用，增加了系统运行的可靠性。冷源模块能够提供两种不同品质的冷水（例如35°C的自然冷却水和7°C的机械制冷水），可以单独供一种形式的冷水，也可以同时供两种形式的冷水，满足不同使用工况。

Description

一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块及其 控制方法

技术领域

本发明涉及服务器散热技术领域，特别涉及一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块及其控制方法。

背景技术

正常运行情况下，服务器中的主要待散热部件的CPU 芯片自身温度只需保持在60~80℃之间，但由于空气比热容、空气密度以及强制对流换热系数比较低，如采用传统空气冷却的方式，只能通过降低空气的温度来确保足够的散热量，根据国标的推荐，机房冷空气温度应为24℃，而要全年保持24℃的室内温度，必须通过机械制冷方式实现。全年的机械制冷方式，造成制冷系统能耗巨大，能够占到数据中心总能耗的45%左右。同时，由于传统风冷模式气流组织不均、服务器内部芯片热流特征存在差异，导致机房热岛、服务器内部热岛现象突出，严重情况下会导致服务器停机或损毁、重要数据丢失。

液冷技术是近年来大力发展的一项新兴技术，包括直接冷却和间接冷却，直接冷却方法是指液态制冷剂与电子元器件直接接触散热，间接冷却是指通过将制冷剂液体导入与元器件直接接触的热管，散热片来散去热量。采用液冷通道，液态流体直接或间接接触CPU等服务器高密度热源。由于取消了末端的空气换热环节，意味着原本消除了原本空气与高密度热源之间约50℃的温差，CPU满负载75℃条件下仅需45℃的冷水即可带走其发热量，而基本上大部分地区即便是极端温度也能满足45°的供水要求。因而大大增加了运用自然冷源的可行性。

但是，液冷散热系统只能带走70~80%的服务器发热量，但仍然有20~30%的热量需要辅助制冷装置承担，单一的冷源提供液冷并不能满足整个机房的全部需求，因而机房内需要额外添加辅助制冷设备，增加了机房建设的投资。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块及其控制方法，它能提供两种冷源从而满足整个机房的散热需求。

一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块，包括气冷供水管道、气冷回水管道、液冷供水管道、液冷回水管道、闭式冷却塔、冷水机、第六阀门、第五阀门、；

所述闭式冷却塔包括冷却塔壳体、轴流风机、淋水盘、接水盘、蛇形管冷凝器、填料层，所述淋水盘、接水盘、蛇形管冷凝器、填料层均设置在冷却塔壳体内，轴流风机设置在冷却塔壳体的顶端，蛇形管冷凝器设置在冷却塔壳体内的中部，淋水盘设置在轴流风机与蛇形管冷凝器之间，冷却塔壳体底部设置接水盘，所述喷淋水泵设置在冷却塔壳体外，与接水盘、淋水盘分别相连，用于把存储于闭式冷却塔壳体底部接水盘的冷却液体泵到淋水盘处实现喷淋，喷淋水泵与淋水盘之间设置第七阀门，蛇形管冷凝器的出水口连接液冷供水管道，蛇形管冷凝器的进水口连接液冷回水管道；蛇形管冷凝器的出水口还通过第一阀门连接气冷供水管道，蛇形管冷凝器的还进水口通过第二阀门连接气冷回水管道，所述冷水机包括构成闭合回路的压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器，所述闭式冷却塔、第六阀门、冷凝器、第五阀门、喷淋水泵相连组成冷却水循环回路，气冷供水管道还通过第四阀门连接蒸发器的出水口，气冷回水管道通过第三阀门连接蒸发器的进水口；所述液冷回水管道上设置第一调节水泵，所述气冷回水管道上设置第二调节水泵。

本发明的冷源模块可以根据环境温度的变化切换机械供冷和自然冷却供冷两种不同模式。其中，自然冷却模式下冷源来源为闭式冷却塔，机械冷却模式下冷源来源为冷水机。将闭式冷却塔、第六阀门、冷凝器、第五阀门、喷淋水泵相连组成冷却水循环回路，即在冷却水循环回路设置旁通，通入冷水机的冷凝器，实现了机械冷却与自然冷却一体化结构设计。冷源模块包含液冷通道和气冷通道。在实际应用过程中，冷源模块可以有三种运行模式进行选择：1、只供液冷，此时气冷通道关闭，冷源模块只需要开启闭式冷却塔供液冷部分，自然条件下已经能够满足液冷需求；2、只供气冷，此时液冷通道关闭，在环境温度较低时使用闭式冷却塔对气冷通道供冷，当环境温度上升，自然冷却满足不了气冷通道的需求时，开启冷水机供冷，闭式冷却塔此时作为冷水机的冷凝端；3、同时供给液冷和气冷通道，此时气冷通道和液冷通道同时开启，根据环境工况切换冷水机的起停。冷源模块包含电动阀门，可实现上述运行模式的切换。本发明提供两种不同的冷源，即闭式冷却塔的自然冷却系统与冷水机机械制冷系统，且将两者一体化设计，满足整个机房的散热需求。

进一步地，还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器与第六传感器，所述第一温度传感器设置在供水主管道上，第二温度传感器设置在回水主管道上，第三温度传感器设置在与冷水机相连的气冷供水管道上，所述第四温度传感器设置在与冷水机相连的气冷回水管道上，所述第五温度传感器设置在冷却水循环回路中的喷淋水泵与淋水盘之间，所述第六传感器用于检测环境温度。所述温度传感器可以分为检测环境温度的传感器与检测供水回水温度的传感器这两大类，根据温度传感器所采集的温度，对冷源模块中的运行设备如第一调节泵、第二调节泵、喷淋水泵、轴流风机、压缩机的运行频率进行调节，使其能最大限度地利用自然冷量，降低设备的能耗。

进一步地，所述填料层的材料为PVC填料散热胶片。

一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块的控制方法，其特征在于，所述冷源模块采用权利要求2或3所述的冷源模块实现，上述方法包括如下步骤：

所述液冷回水管道与液冷供水管道有冷源介质，气冷回水管道与气冷供水管道中有冷源介质；通过第一温度传感器控制轴流风机，第二调节水泵，第一调节水泵与喷淋水泵的频率，通过第三温度传感器控制压缩机的运行频率：

（1）当环境湿球温度小于一定温度值F时，所述液冷回水管道与液冷供水管道冷源介质来自闭式冷却塔，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自闭式冷却塔，第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门关闭，第一阀门、第二阀门、第七阀门打开；

当供水水温小于一定温度值C，先调节轴流风机的频率，当轴流风机频率到达最低转速下自然冷却产生的冷量仍然大于供冷需求，调节喷淋水泵的频率，当喷淋水泵频率降到最低转速冷量仍大于供冷需求时，降低第一调节水泵、第二调节水泵的频率；

当供水温度大于一定温度值C，先调节第一调节水泵、第二调节水泵的频率，当第一调节水泵、第二调节水泵频率达到最大冷量仍然不满足供冷需求时，调节轴流风机的频率，当轴流风机频率达到最大冷量仍不满足供冷需求，增大喷淋水泵的频率；

（2）当环境湿球温度大于或等于一定温度值F时，所述液冷回水管道与液冷供水管道冷源介质来自闭式冷却塔，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自冷水机，第一阀门、第二阀门关闭，第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门打开：

冷水机供水温度大于一定温度值D时，开启压缩机满载运行；

冷水机供水温度小于一定温度值E时，压缩机低频运行，其中温度值D大于温度值E；

冷却塔供水温度小于一定温度值A时，先调节轴流风机的频率，当轴流风机频率到达最低转速下自然冷却产生的冷量仍然大于供冷需求，调节喷淋水泵的频率，当喷淋水泵频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第一调节水泵的频率；

冷却塔供水温度大于一定温度值A时，先调节第一调节水泵的频率，当水泵频率达到最大冷量仍然小于供冷需求时，调节轴流风机的频率，当轴流风机频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵的频率。

其中，自然冷却指的是冷源介质来自于闭式冷却塔的冷却方式，机械冷却指的是冷源介质来自于冷水机的冷却方式；温度值F指的是自然冷却恰好不能够满足气冷工况运行条件时的环境湿球温度，当环境湿球温度大于或等于一定温度值F时，认为自然冷却不能够满足气冷工况运行条件，当环境湿球温度小于一定温度值F时，认为自然冷却能够满足气冷工况运行条件。温度值C指的是自然冷却下的需要的供水温度，如果供水温度小于温度值C，则说明没有最大限度利用自然冷源，如果供水温度大于温度值C，则说冷却效果还不够，这两种情况都需要按本方法进行调节，使其满足供冷需求。温度值D指的是需要开启冷水机的压缩机满载运行的供水温度的临界点，温度值E指的是需要开启冷水机的压缩机低频运行的供水温度的临界点。温度值A指的是自然冷却不能够满足气冷工况运行条件时的冷却塔供水温度，如果供水温度小于温度值A，则说明没有最大限度利用自然冷源，如果供水温度大于温度值A，则说冷却效果还不够，这两种情况都需要按本方法进行调节，使其满足供冷需求。以上温度值A、C、D、E、F具体根据实际的气冷工况运行条件和当下的环境温度设置。此方法是在气冷通道和液冷通道同时开启的条件下，根据环境工况切换冷水机的起停的步骤，实现了液气双供，同时将自然冷却与机械制冷相结合。此方法不但满足供冷需求，而且最大限度的利用自然冷源，从而降低了系统的能耗。

进一步地，还包括如下步骤：

（1）当所述气冷回水管道与气冷供水管道均关闭，液冷回水管道与液冷供水管道中冷源介质来自闭式冷却塔，第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门关闭，第七阀门打开，根据第一温度传感器控制第一调节水泵、喷淋水泵与轴流风机的运行频率：

当环境温度低于第一预设阈值时，停止液冷回水管道与液冷供水管道的运行；

当液冷供水管道的供水水温小于一定温度值A时，逐级调节轴流风机、喷淋水泵、第一调节水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配；

当供水温度大于一定温度值A时，逐级调节第一调节水泵、轴流风机、喷淋水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配；

（2）当所述液冷回水管道与液冷供水管道均关闭，气冷回水管道与气冷供水管道中有冷源介质；第六温度传感器检测环境湿球温度变化来控制第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门的启停：

（21）当环境湿球温度小于一定温度值B时，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自闭式冷却塔，第一阀门、第二阀门、第七阀门打开，第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门关闭，第二调节水泵、喷淋水泵、轴流风机运行频率由第一温度传感器调节；且当环境温度低于第一预设阈值时停止气冷回水管道与气冷供水管道运行，或当供水水温小于一定温度值C时，逐级调节轴流风机、喷淋水泵、第二调节水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配，或供水温度大于一定温度值C时，逐级调节第二调节水泵、轴流风机、喷淋水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配；

（22）当环境湿球温度大于或等于一定温度值B时，液冷回水管道与液冷供水管道均关闭，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自冷水机，第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门开启，第一阀门、第二阀门、第七阀门关闭，第二调节水泵、喷淋水泵、轴流风机运行频率，压缩机启停由第三温度传感器调节：

当冷水机供水温度大于一定温度值D时，开启压缩机满载运行，第二调节水泵，喷淋水泵，轴流风机以固定频率运行；当冷水机供水温度小于一定温度值E时，压缩机低频运行，喷淋水泵，轴流风机以固定频率运行，其中温度值D大于温度值E。

具体地，逐级调节轴流风机、喷淋水泵、第一调节水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配的步骤为：先调节轴流风机的频率，当轴流风机频率到达最低转速下，冷源介质自然冷却产生的冷量仍然偏大，调节喷淋水泵的频率，当喷淋水泵频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第一调节水泵的频率。逐级调节第一调节水泵、轴流风机、喷淋水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配的步骤为：先调节第一调节水泵的频率，当第一调节水泵频率达到最大冷量仍然偏小时，调节轴流风机的频率，当轴流风机频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵的频率。逐级调节轴流风机、喷淋水泵、第二调节水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配的步骤为先调节轴流风机的频率，当轴流风机频率到达最低转速下，所述冷源介质自然冷却产生的冷量仍然偏大，调节喷淋水泵的频率，当喷淋水泵频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第二调节水泵的频率。逐级调节第二调节水泵、轴流风机、喷淋水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配的步骤为先调节第二调节水泵的频率，当水泵频率达到最大冷量仍然偏小时，调节轴流风机的频率，当轴流风机频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵的频率；。其中，冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配是指冷源介质自然冷却产生的冷量恰好满足液冷需求，达到冷却效果的同时，节省冷源且充分利用自然冷源。另外，温度值B指的是机械制冷条件下的环境湿球温度，当环境湿球温度大于或等于一定温度值B时，认为自然冷却满足不了气冷通道的需求，应当开启冷水机供冷，当环境湿球温度小于一定温度值B时，认为自然冷却可以满足气冷通道的需求，不需要冷水机运行。本方法包括两种状态，一种是只供液冷，此时气冷通道关闭，冷源模块只需要开启冷却塔供液冷部分，自然条件下已经能够满足液冷需求；另一种是只供气冷，此时液冷通道关闭，在环境温度较低时使用冷却塔对气冷通道供冷，当环境温度上升，自然冷却满足不了气冷通道的需求时，开启冷水机供冷，冷却塔此时作为冷水机的冷凝端。本方法也将自然冷却与机械制冷相结合。在满足供冷需求，最大限度的利用自然冷源，从而降低了系统的能耗。

本发明的有益效果在于，实现自然冷却系统和机械制冷系统的一体模块化设计，便于在机械制冷和自然冷却之间相互切换，最大限度的利用自然冷源，从而降低了系统的能耗。一体模块化的设计，便于安装和扩容，也便于后期的维护，模块之间互为备用，增加了系统运行的可靠性。冷源模块能够提供两种不同品质的冷水（例如35°C的自然冷却水和7°C的机械制冷水），可以单独供一种形式的冷水，也可以同时供两种形式的冷水，满足不同使用工况。

附图说明

图1是本发明冷源模块的结构示意图

图中包括闭式冷却塔1、轴流风机11；冷却塔壳体12；淋水盘13、蛇形管冷凝器14、填料层15、接水盘16；喷淋水泵2；冷水机3、压缩机31、冷凝器32、膨胀阀33、蒸发器34；第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46、第七阀门47；第一调节水泵51、第二调节水泵52；第一温度传感器T1、第二温度传感器T2、第三温度传感器T3、第四温度传感器T4、第五温度传感器T5、第六温度传感器T6。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。

如图1所示，一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块，包括气冷供水管道、气冷回水管道、液冷供水管道、液冷回水管道、闭式冷却塔1、冷水机2、供水主管道、回水主管道；所述闭式冷却塔1包括冷却塔壳体12、轴流风机11、淋水盘13、接水盘16、蛇形管冷凝器14、填料层15，优选地，填料层的材料为PVC填料散热胶片。所述淋水盘13、接水盘16、蛇形管冷凝器14、填料层15均设置在冷却塔壳体12内，轴流风机11设置在冷却塔壳体12的顶端，蛇形管冷凝器14设置在冷却塔壳体12的中部，淋水盘13设置在轴流风机11与蛇形管冷凝器14之间，冷却塔壳体12底部设置接水盘16，填料层15设置在蛇形管冷凝器与接水盘之间，所述喷淋水泵2设置在冷却塔壳体12外，与接水盘16、淋水盘13分别相连，用于把存储于冷却塔壳体12底部接水盘16的冷却液体泵到淋水盘13处实现喷淋，喷淋水泵2与淋水盘13之间设置第七阀门47，蛇形管冷凝器14的出水口连接供水主管道，蛇形管冷凝器14的进水口连接回水主管道，供水主管道连接液冷供水管道并通过第一阀门41连接气冷供水管道，回水主管道连接液冷回水管道并通过第二阀门42连接气冷回水管道；所述冷水机3包括构成闭合回路的压缩机31、冷凝器32、膨胀阀33、蒸发器34，所述闭式冷却塔1、第六阀门41、冷凝器32、第五阀门45、喷淋水泵2相连组成冷却水循环回路，蒸发器34的出水口连接通过第四阀门44连接气冷供水管道，蒸发器34的进水口通过第三阀门43连接气冷回水管道；所述液冷回水管道上设置第一调节水泵51，所述气冷回水管道上设置第二调节水泵52。

本发明的冷源模块可以根据环境温度的变化切换机械供冷和自然冷却供冷两种不同模式。自然冷却模式下冷源来源为闭式冷却塔1，机械冷却模式下冷源来源为冷水机3。将闭式冷却塔1、第六阀门46、冷凝器32、第五阀门45、喷淋水泵2相连组成冷却水循环回路，即在冷却水循环回路设置旁通，通入冷水机3的冷凝器32，从而实现机械冷却与自然冷却一体化结构设计。冷源模块包含可以液冷通道和气冷通道。在实际应用过程中，冷源模块可以有三种运行模式进行选择：1、只供液冷，此时气冷通道关闭，冷源模块只需要开启闭式冷却塔1供液冷部分，自然条件下已经能够满足液冷需求；2、只供气冷，此时液冷通道关闭，在环境温度较低时使用闭式冷却塔1对气冷通道供冷，当环境温度上升，自然冷却满足不了气冷通道的需求时，开启冷水机3供冷，闭式冷却塔1此时作为冷水机3的冷凝端；3、同时供给液冷和气冷通道，此时气冷通道和液冷通道同时开启，根据环境工况切换冷水机的起停。冷源模块包含电动阀门，可实现上述运行模式的切换。本发明提供两种不同的冷源，即闭式冷却塔1的自然冷却系统与冷水机3机械制冷系统，且将两者一体化设计，满足整个机房的散热需求。

冷源模块还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器与第六传感器，所述第一温度传感器设置在供水主管道上，第二温度传感器设置在回水主管道上，第三温度传感器设置在与冷水机相连的气冷供水管道上，所述第四温度传感器设置在与冷水机相连的气冷回水管道上，所述第五温度传感器设置在冷却水循环回路中的喷淋水泵与淋水盘之间，所述第六传感器用于检测环境温度。所述温度传感器可以分为检测环境温度的传感器与检测供水水温度的传感器这两大类，根据温度传感器所采集的温度，对冷源模块中的运行设备如第一调节泵、第二调节泵、喷淋水泵、轴流风机、压缩机的运行频率进行调节，使其能最大限度地利用自然冷量，降低设备的能耗。

本发明液-气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块包含闭式冷却塔1、冷水机3、冷源系统运行时，液冷通道由液冷供水管道供冷冻水，气冷通道由气冷供水管道供冷冻水，根据液冷和气冷冷量的不同，分别通过第一调节水泵51、第二调节水泵52来调节冷冻水量。

所述闭式冷却塔1包括冷却塔壳体12、轴流风机11、淋水盘13、接水盘16、蛇形管冷凝器14、填料层15。所述闭式冷却塔1中，冷却水可采用自来水，纯净水，优选纯净水，并且应当额外添加水处理模块用以净化水质，添加补水模块用以补充水量。冷却水中应当适量添加防冻剂并配以防冻开关以防止冷冻水循环结冰。所述闭式冷却塔1中冷却水回路设置旁通，旁通管路通入冷水机2中的冷凝器32作为冷凝端的冷却水，由第五阀门45、第六阀门46、第七阀门47来控制旁路的接通。所述闭式冷却塔1冷却水泵回路安装第五温度传感器T5，用来检测喷淋水水温。

所述冷水机3包含压缩机31，可以根据冷量需求选择涡旋压缩机，螺杆压缩机，离心式压缩机等不同形式；冷凝器32；膨胀阀33可以采用热力膨胀阀或电子膨胀阀；蒸发器34根据冷量需求选择满液式蒸发器或干式蒸发器；

所述液冷供水、管路包括液冷供水管道、液冷回水管道、第一调节水泵51，液冷供回水管路与主管路之间由三通阀连接。

所述气冷供水管路包括气冷供水管道、气冷回水管道，第二调节水泵52，第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44用来切换气冷通道供水模式，气冷供回水管路与主管路之间由三通阀来连接。

所述气冷和液冷管路上安装温度传感器T1~T4，用来检测气冷和液冷通道供回水水温，根据水温的不同工况切换运行模式。所述冷源模块加装第六温度传感器T6用以检测环境温度，根据环境温度的大小切换气冷供水通道。

在实际应用过程中，冷源模块可以有三种运行模式进行选择：1：只供液冷，此时气冷通道关闭，冷源模块只需要开启闭式冷却塔1供液冷部分，自然条件下已经能够满足液冷需求；2：只供气冷，此时液冷通道关闭，在环境温度较低时使用闭式冷却塔1对气冷通道供冷，当环境温度上升，自然冷却满足不了气冷通道的需求时，开启冷水机3供冷，闭式冷却塔1此时作为冷水机3的冷凝端；3：同时供给液冷和气冷通道，此时气冷通道和液冷通道同时开启，根据环境工况切换冷水机的起停。

一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块的控制方法，其特征在于，所述冷源模块采用权利要求2或3所述的冷源模块实现，上述方法包括如下步骤：

所述液冷回水管道与液冷供水管道有冷源介质，气冷回水管道与气冷供水管道中有冷源介质；通过第一温度传感器T1控制轴流风机，第二调节水泵52，第一调节水泵51与喷淋水泵2的频率，通过第三温度传感器T3控制压缩机的运行频率：

（1）当环境湿球温度小于一定温度值F时，所述液冷回水管道与液冷供水管道冷源介质来自闭式冷却塔1，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自闭式冷却塔1，第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46关闭，第一阀门41、第二阀门42、第七阀门47打开；

当供水水温小于一定温度值C，先调节轴流风机11的频率，当轴流风机11频率到达最低转速下自然冷却产生的冷量仍然大于供冷需求，调节喷淋水泵2的频率，当喷淋水泵2频率降到最低转速冷量仍大于供冷需求时，降低第一调节水泵51、第二调节水泵52的频率；

当供水温度大于一定温度值C，先调节第一调节水泵51、第二调节水泵52的频率，当第一调节水泵51、第二调节水泵52频率达到最大冷量仍然不满足供冷需求时，调节轴流风机11的频率，当轴流风机11频率达到最大冷量仍不满足供冷需求，增大喷淋水泵2的频率；

（2）当环境湿球温度大于或等于一定温度值F时，所述液冷回水管道与液冷供水管道冷源介质来自闭式冷却塔1，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自冷水机3，第一阀门41、第二阀门关闭42，第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46、第七阀门47打开：

冷水机3供水温度大于一定温度值D时，开启压缩机31满载运行；

冷水机3供水温度小于一定温度值E时，压缩机31低频运行，其中温度值D大于温度值E；

闭式冷却塔1供水温度小于一定温度值A时，先调节轴流风机11的频率，当轴流风机11频率到达最低转速下自然冷却产生的冷量仍然大于供冷需求，调节喷淋水泵的频率，当喷淋水泵频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第一调节水泵的频率；

闭式冷却塔1供水温度大于一定温度值A时，先调节第一调节水泵51的频率，当水泵频率达到最大冷量仍然小于供冷需求时，调节轴流风机11的频率，当轴流风机11频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵2的频率。

其中，自然冷却指的是冷源介质来自于闭式冷却塔的冷却方式，机械冷却指的是冷源介质来自于冷水机的冷却方式；温度值F指的是自然冷却恰好不能够满足气冷工况运行条件时的环境湿球温度，当环境湿球温度大于或等于一定温度值F时，认为自然冷却不能够满足气冷工况运行条件，当环境湿球温度小于一定温度值F时，认为自然冷却能够满足气冷工况运行条件。温度值C指的是自然冷却下的需要的供水温度，如果供水温度小于温度值C，则说明没有最大限度利用自然冷源，如果供水温度大于温度值C，则说冷却效果还不够，这两种情况都需要按本方法进行调节，使其满足供冷需求。温度值D指的是需要开启冷水机的压缩机满载运行的供水温度的临界点，温度值E指的是需要开启冷水机的压缩机低频运行的供水温度的临界点。温度值A指的是自然冷却不能够满足气冷工况运行条件时的冷却塔供水温度，如果供水温度小于温度值A，则说明没有最大限度利用自然冷源，如果供水温度大于温度值A，则说冷却效果还不够，这两种情况都需要按本方法进行调节，使其满足供冷需求。以上温度值A、C、D、E、F具体根据实际的气冷工况运行条件和当下的环境温度设置。此方法是在气冷通道和液冷通道同时开启的条件下，根据环境工况切换冷水机的起停的步骤，实现了液气双供，同时将自然冷却与机械制冷相结合。此方法不但满足供冷需求，而且最大限度的利用自然冷源，从而降低了系统的能耗。

还包括如下步骤：

（1）当所述气冷回水管道与气冷供水管道均关闭，液冷回水管道与液冷供水管道中冷源介质来自闭式冷却塔1，第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门关闭46，第七阀门47打开，根据第一温度传感器T1控制第一调节水泵51、喷淋水泵2与轴流风机11的运行频率：

当环境温度低于第一预设阈值时，停止液冷回水管道与液冷供水管道的运行；

当液冷供水管道的供水水温小于一定温度值A时，逐级调节轴流风机11、喷淋水泵2、第一调节水泵51的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配；

当供水温度大于一定温度值A时，逐级调节第一调节水泵51、轴流风机11、喷淋水泵2的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配；

（2）当所述液冷回水管道与液冷供水管道均关闭，气冷回水管道与气冷供水管道中有冷源介质；第六温度传感器T6检测环境湿球温度变化来控制第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46、第七阀门47的启停：

（21）当环境湿球温度小于一定温度值B时，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自闭式冷却塔1，第一阀门41、第二阀门42、第七阀门47打开，第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46关闭，第二调节水泵52、喷淋水泵2、轴流风机11运行频率由第一温度传感器调节；且当环境温度低于第一预设阈值时停止气冷回水管道与气冷供水管道运行，或当供水水温小于一定温度值C时，逐级调节轴流风机11、喷淋水泵2、第二调节水泵52的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配，或供水温度大于一定温度值C时，逐级调节第二调节水泵52、轴流风机11、喷淋水泵2的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配；

（22）当环境湿球温度大于或等于一定温度值B时，液冷回水管道与液冷供水管道均关闭，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自冷水机3，第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46开启，第一阀门41、第二阀门42、第七阀门47关闭，第二调节水泵52、喷淋水泵2、轴流风机11运行频率，压缩机31启停由第三温度传感器T3调节：

当冷水机3供水温度大于一定温度值D时，开启压缩机31满载运行，第二调节水泵52，喷淋水泵2，轴流风机11以固定频率运行；当冷水机3供水温度小于一定温度值E时，压缩机31低频运行，喷淋水泵2，轴流风机11以固定频率运行，其中温度值D大于温度值E。

具体地，逐级调节轴流风机、喷淋水泵、第一调节水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配的步骤为：先调节轴流风机的频率，当轴流风机频率到达最低转速下，冷源介质自然冷却产生的冷量仍然偏大，调节喷淋水泵的频率，当喷淋水泵频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第一调节水泵的频率。逐级调节第一调节水泵、轴流风机、喷淋水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配的步骤为：先调节第一调节水泵的频率，当第一调节水泵频率达到最大冷量仍然偏小时，调节轴流风机的频率，当轴流风机频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵的频率。逐级调节轴流风机、喷淋水泵、第二调节水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配的步骤为先调节轴流风机的频率，当轴流风机频率到达最低转速下，所述冷源介质自然冷却产生的冷量仍然偏大，调节喷淋水泵的频率，当喷淋水泵频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第二调节水泵的频率。逐级调节第二调节水泵、轴流风机、喷淋水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配的步骤为先调节第二调节水泵的频率，当水泵频率达到最大冷量仍然偏小时，调节轴流风机的频率，当轴流风机频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵的频率；。其中，冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配是指冷源介质自然冷却产生的冷量恰好满足液冷需求，达到冷却效果的同时，节省冷源且充分利用自然冷源。另外，温度值B指的是机械制冷条件下的环境湿球温度，当环境湿球温度大于或等于一定温度值B时，认为自然冷却满足不了气冷通道的需求，应当开启冷水机供冷，当环境湿球温度小于一定温度值B时，认为自然冷却可以满足气冷通道的需求，不需要冷水机运行。本方法包括两种状态，一种是只供液冷，此时气冷通道关闭，冷源模块只需要开启冷却塔供液冷部分，自然条件下已经能够满足液冷需求；另一种是只供气冷，此时液冷通道关闭，在环境温度较低时使用冷却塔对气冷通道供冷，当环境温度上升，自然冷却满足不了气冷通道的需求时，开启冷水机供冷，冷却塔此时作为冷水机的冷凝端。本方法也将自然冷却与机械制冷相结合。在满足供冷需求，最大限度的利用自然冷源，从而降低了系统的能耗。

下面列举实例详细说明本液-气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块运行时的具体工况，应当明确，这种工况只是多种运行状态中的代表性工况。服务器芯片温度为65°C，通过液冷方法散去芯片热量，冷源模块液冷通道供水温度只需要达到35°C，而通过与热端换热，液冷通道回水温度升高到40°C，自然条件下，大部分地区最高湿球温度为28°C左右，湿球温度与冷却塔之间有7度冷幅（一般条件下冷却塔取4°C冷幅），可见自然冷却已经能够完全满足液冷通道散热需求。此外，大约20%的热量通过气冷通道散出，这部分热量主要由服务器除芯片以外部件产生（风机，电源等），因为不需要对芯片散热，气冷通道送风温度也就不需要达到传统情况下的24°C，气冷通道供风温度设定为35°C，气冷通道供回水温度设为32/35度。当环境工况能够满足气冷通道供水温度条件时，气冷通道通过冷却塔供冷，当环境条件不满足，由冷水主机供冷。

冷源模块有只供液冷、只供气冷、液气双供三种运行模式，对应的控制步骤如下：

（1）只供液冷

该种模式下，气冷通道关闭，自然冷却完全能够满足液冷通道供冷要求，第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46关闭，第七阀门47开启，液冷通道通过闭式冷却塔1供水。

根据供水管路温度传感器即第一温度传感器T1调节液冷回水水泵即第一调节水泵51、喷淋水泵2、轴流风机11的运行频率。

当环境温度极低时（环境温度小于0°C），应停止液冷模块运行，并排干净机组内的水，防止冻结。

当环境温度较低时，供水水温小于35°C，此时优先调节轴流风机11的频率，当轴流风机11到达最低转速下（一般是10~30%）自然冷却产生的冷量仍然偏大，开始调节喷淋水泵2的频率，当喷淋水泵2频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第一调节水泵51的频率。

当环境温度较高时，供水温度大于35°C，此时优先调节第一调节水泵51的频率，当水泵频率达到最大冷量仍然偏小时，开始调节轴流风机11的频率，当轴流风机频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵2的频率。

（2）只供气冷

该种模式下，液冷通道关闭，第六温度传感器T6检测环境湿球温度变化来控制第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46、第七阀门47的启停。

完全自然冷却条件下（湿球温度小于28°C），气冷回水水泵即第二调节水泵52、喷淋水泵2、轴流风机11运行频率由冷却塔供水水温即第一温度传感器T1调节。第一阀门41、第二阀门42、第七阀门47开启，第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46关闭。

完全自然冷却条件下，当环境温度极低时（环境温度小于0°C），应停止气冷冷模块运行，并排干净机组内的水，防止冻结。

完全自然冷却条件下，当环境温度较低时，供水水温小于32°C，此时优先调节轴流风机11的频率，当风机频率到达最低转速下（一般是10~30%）自然冷却产生的冷量仍然偏大，开始调节喷淋水泵2的频率，当喷淋水泵2频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第二调节水泵52的频率。

完全自然冷却条件下，当环境温度较高时，供水温度大于32°C，此时优先调节第二调节水泵52的频率，当水泵频率达到最大冷量仍然偏小时，开始调节轴流风机11的频率，当风机频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵2的频率。

机械制冷条件下（湿球温度大于28°C），气冷回水水泵即第二调节水泵52、喷淋水泵2、轴流风机11运行频率，压缩机31启停由冷水机3供水水温即第三温度传感器T3调节。第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46开启，第一阀门41、第二阀门42、第七阀门47关闭。

机械制冷条件下，当冷水机3供水温度即第三温度传感器T3大于32°C时，开启压缩机31满载运行，第二调节水泵52，喷淋水泵2，轴流风机11以固定频率运行（须保证闭式冷却塔散热量等于气冷通道散热量）。

机械制冷条件下，当冷水机3供水温度即第三温度传感器T3小于7°C，压缩机31低频运行，喷淋水泵2，轴流风机11以固定频率运行（须保证闭式冷却塔散热量等于气冷通道散热量）。

（3）液气双供

该种模式下，液冷通道和气冷通道同时开启，通过第六温度传感器T6控制第一阀门41、第二阀门42、第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46、第七阀门47的启停，通过冷却塔供水温度即第一温度传感器T1控制轴流风机11，第二调节水泵52，第一调节水泵51，喷淋水泵2的频率。通过冷水机供水温度即第三温度传感器T3控制压缩机的运行频率。

当自然冷却能够满足气冷工况的运行条件时（环境湿球温度T6小于28°C），关闭第三阀门43、第四阀门44 、第五阀门45 、第六阀门46，开启第一阀门41、第二阀门42、第七阀门47。

当自然冷却能够满足气冷工况运行条件时，当环境温度较低,，供水水温小于32°C，此时优先调节轴流风机11的频率，当轴流风机11频率到达最低转速下（一般是10~30%）自然冷却产生的冷量仍然偏大，开始调节喷淋水泵2的频率，当喷淋水泵2频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第一调节水泵51、第二调节水泵52的频率。

当自然冷却能够满足气冷工况运行条件时，当环境温度较高，供水温度大于32°C，此时优先调节第一调节水泵51、第二调节水泵52的频率，当水泵频率达到最大冷量仍然偏小时，开始调节轴流风机11的频率，当轴流风机11频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵2的频率。

当自然冷却不能够满足气冷工况运行条件（环境湿球温度T6大于28°C），关闭第一阀门41、第二阀门42，开启第三阀门43、第四阀门44、第五阀门45、第六阀门46、第七阀门47。

当自然冷却不能够满足气冷工况运行条件，冷水机供水温度即第三温度传感器T3大于32°C时，开启压缩机31满载运行。

当自然冷却不能够满足气冷工况运行条件，冷水机供水温度即第三温度传感器T3小于7°C时，压缩机31低频运行。

当自然冷却不能够满足气冷工况运行条件，闭式冷却塔1供水温度小于35°C，此时优先调节轴流风机11的频率，当风机频率到达最低转速下（一般是10~30%）自然冷却产生的冷量仍然偏大，开始调节喷淋水泵2的频率，当喷淋水泵2频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第一调节水泵51的频率。

当自然冷却不能够满足气冷工况运行条件，冷却塔供水温度大于35°C，此时优先调节第一调节水泵51的频率，当水泵频率达到最大冷量仍然偏小时，开始调节轴流风机11的频率，当轴流风机11频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵2的频率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的有益效果在于，实现自然冷却系统和机械制冷系统的一体模块化设计，便于在机械制冷和自然冷却之间相互切换，最大限度的利用自然冷源，从而降低了系统的能耗。一体模块化的设计，便于安装和扩容，也便于后期的维护，模块之间互为备用，增加了系统运行的可靠性。冷源模块能够提供两种不同品质的冷水（例如35°C的自然冷却水和7°C的机械制冷水），可以单独供一种形式的冷水，也可以同时供两种形式的冷水，满足不同使用工况。

Claims (5)

1.一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块，其特征在于，包括气冷供水管道、气冷回水管道、液冷供水管道、液冷回水管道、闭式冷却塔、冷水机、供水主管道、回水主管道；

所述闭式冷却塔包括冷却塔壳体、轴流风机、淋水盘、接水盘、蛇形管冷凝器、填料层，所述淋水盘、接水盘、蛇形管冷凝器、填料层均设置在冷却塔壳体内，轴流风机设置在冷却塔壳体的顶端，蛇形管冷凝器设置在冷却塔壳体的中部，淋水盘设置在轴流风机与蛇形管冷凝器之间，冷却塔壳体底部设置接水盘，填料层设置在蛇形管冷凝器与接水盘之间，所述喷淋水泵设置在冷却塔壳体外，与接水盘、淋水盘分别相连，用于把存储于冷却塔壳体底部接水盘的冷却液体泵到淋水盘处实现喷淋，喷淋水泵与淋水盘之间设置第七阀门，蛇形管冷凝器的出水口连接供水主管道，蛇形管冷凝器的进水口连接回水主管道，供水主管道连接液冷供水管道并通过第一阀门连接气冷供水管道，回水主管道连接液冷回水管道并通过第二阀门连接气冷回水管道；

所述冷水机包括构成闭合回路的压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器，所述闭式冷却塔、第六阀门、冷凝器、第五阀门、喷淋水泵相连组成冷却水循环回路，蒸发器的出水口通过第四阀门连接气冷供水管道，蒸发器的进水口通过第三阀门连接气冷回水管道；

所述液冷回水管道上设置第一调节水泵，所述气冷回水管道上设置第二调节水泵。

2.根据权利要求1所述的一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块，其特征在于，还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器与第六传感器，所述第一温度传感器设置在供水主管道上，第二温度传感器设置在回水主管道上，第三温度传感器设置在与冷水机相连的气冷供水管道上，所述第四温度传感器设置在与冷水机相连的气冷回水管道上，所述第五温度传感器设置在冷却水循环回路中的喷淋水泵与淋水盘之间，所述第六传感器用于检测环境温度。

3.根据权利要求1所述的一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块，其特征在于，所述填料层的材料为PVC填料散热胶片。

4.一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块的控制方法，其特征在于，所述冷源模块采用权利要求2或3所述的冷源模块实现，上述方法包括如下步骤：

所述液冷回水管道与液冷供水管道有冷源介质，气冷回水管道与气冷供水管道中有冷源介质；通过第一温度传感器控制轴流风机，第二调节水泵，第一调节水泵与喷淋水泵的频率，通过第三温度传感器控制压缩机的运行频率：

（1）当环境湿球温度小于一定温度值F时，所述液冷回水管道与液冷供水管道冷源介质来自闭式冷却塔，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自闭式冷却塔，第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门关闭，第一阀门、第二阀门、第七阀门打开；

当供水水温小于一定温度值C，先调节轴流风机的频率，当轴流风机频率到达最低转速下自然冷却产生的冷量仍然大于供冷需求，调节喷淋水泵的频率，当喷淋水泵频率降到最低转速冷量仍大于供冷需求时，降低第一调节水泵、第二调节水泵的频率；

当供水温度大于一定温度值C，先调节第一调节水泵、第二调节水泵的频率，当第一调节水泵、第二调节水泵频率达到最大冷量仍然不满足供冷需求时，调节轴流风机的频率，当轴流风机频率达到最大冷量仍不满足供冷需求，增大喷淋水泵的频率；

(2)当环境湿球温大于或等于一定温度值F时，所述液冷回水管道与液冷供水管道冷源介质来自闭式冷却塔，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自冷水机，第一阀门、第二阀门关闭，第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门打开：

冷水机供水温度大于一定温度值D时，开启压缩机满载运行；

冷水机供水温度小于一定温度值E时，压缩机低频运行，其中温度值D大于温度值E；

冷却塔供水温度小于一定温度值A时，先调节轴流风机的频率，当轴流风机频率到达最低转速下自然冷却产生的冷量仍然大于供冷需求，调节喷淋水泵的频率，当喷淋水泵频率降到最低转速冷量仍过大时，降低第一调节水泵的频率；

冷却塔供水温度大于一定温度值A时，先调节第一调节水泵的频率，当水泵频率达到最大冷量仍然小于供冷需求时，调节轴流风机的频率，当轴流风机频率达到最大冷量仍不满足液冷需求，增大喷淋水泵的频率。

5.根据权利要求4所述的一种液气双供的自然冷却与机械制冷相结合的冷源模块的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

（1）当所述气冷回水管道与气冷供水管道均关闭，液冷回水管道与液冷供水管道中冷源介质来自闭式冷却塔，第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门关闭，第七阀门打开，根据第一温度传感器控制第一调节水泵、喷淋水泵与轴流风机的运行频率：

当环境温度低于第一预设阈值时，停止液冷回水管道与液冷供水管道的运行；

当液冷供水管道的供水水温小于一定温度值A时，逐级调节轴流风机、喷淋水泵、第一调节水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配；

当供水温度大于一定温度值A时，逐级调节第一调节水泵、轴流风机、喷淋水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配；

（2）当所述液冷回水管道与液冷供水管道均关闭，气冷回水管道与气冷供水管道中有冷源介质；第六温度传感器检测环境湿球温度变化来控制第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门的启停：

（21）当环境湿球温度小于一定温度值B时，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自闭式冷却塔，第一阀门、第二阀门、第七阀门打开，第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门关闭，第二调节水泵、喷淋水泵、轴流风机运行频率由第一温度传感器调节；且当环境温度低于第一预设阈值时停止气冷回水管道与气冷供水管道运行，或当供水水温小于一定温度值C时，逐级调节轴流风机、喷淋水泵、第二调节水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配，或供水温度大于一定温度值C时，逐级调节第二调节水泵、轴流风机、喷淋水泵的频率，使冷源介质自然冷却产生的冷量与液冷需求相匹配；

（22）当环境湿球温度大于或等于一定温度值B时，液冷回水管道与液冷供水管道均关闭，气冷回水管道与气冷供水管道中冷源介质来自冷水机，第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门开启，第一阀门、第二阀门、第七阀门关闭，第二调节水泵、喷淋水泵、轴流风机运行频率，压缩机启停由第三温度传感器调节：

当冷水机供水温度大于一定温度值D时，开启压缩机满载运行，第二调节水泵，喷淋水泵，轴流风机以固定频率运行；当冷水机供水温度小于一定温度值E时，压缩机低频运行，喷淋水泵，轴流风机以固定频率运行，其中温度值D大于温度值E。