CN108990391A - 一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统及方法，包括集装箱数据中心，所述集装箱数据中心内设有若干个机柜，所述集装箱数据中心内设有隔板，所述集装箱数据中心的一端或两端设有至少一个模块冷却装置，所述模块冷却装置与集装箱数据中心接触的侧面设有冷风出风口和热风回风口，所述冷风出风口与冷通道相通，所述热风回风口与热通道相通；模块冷却装置内部设有制冷部件和喷淋部件。该系统在数据中心制冷系统中，运行大幅度减小数据中心能耗，兼具间接蒸发冷却节能降低PUE效果，模块化设计优化结构与便于备份的优势，使集装箱数据中心更经济，更简洁地结合间接蒸发冷却系统。

Description

一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统及方法

技术领域

本发明涉及冷却系统，具体地说是一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统及方法。

背景技术

伴随着我国数据中心产业技术创新步伐的加快，数据中心和服务器国产化水平不断提升，涌现出越来越多的产品。集装箱数据中心就是一种适应工厂预制、模块化生产、快速部署、集中交付的一种数据中心产品，适合在不需新建机房、野外部署等场景下使用。越来越多的军政部门、教育高校以及不希望高投资新建机房的企业等倾向于采纳集装箱数据中心产品，而数据中心又是耗电大户，全年不间断运行的电子信息设备以及制冷机组会消耗大量电能，采取节能措施降低制冷机组的功耗，有利于实现整个集装箱数据中心的节能

目前数据中心节能效果比较好的是利用自然冷源如空气、水等，在过渡季节和冬季的温度较低，用来冷却数据中心，可以降低数据中心制冷机组的负荷。间接蒸发冷却是指通过非直接接触式换热器将直接蒸发冷却得到的湿空气(二次空气)的冷量传递给待处理空气(一次空气)实现空气等湿降温的过程。间接蒸发冷却技术能从自然环境中获取冷量，与一般常规机械制冷相比，在炎热干燥地区可节能80％～90％，在炎热潮湿地区可节能20％～25％，在中等湿度地区可节能40％，从而大大降低空调制冷能耗。与传统机械制冷相比，间接蒸发冷却冷却具有明显的节能优势，但现有间接蒸发冷却机组往往外形尺寸庞大，冷量>100kW，需要单独选择位置进行安装，对于集装箱数据中心(50-100kW)难以做到较好的匹配。同时，对于集装箱数据中心，根据其安全性要求，其制冷需要有N+1备份，而现有间接蒸发冷却产品由于整体制冷量过大，整体备份成本过高。因此上述间接蒸发冷却系统仅适合用于大型机房。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统及方法，该系统在数据中心制冷系统中，运行大幅度减小数据中心能耗，兼具间接蒸发冷却节能降低PUE效果，模块化设计优化结构与便于备份的优势，使集装箱数据中心更经济，更简洁地结合间接蒸发冷却系统。该冷却方法将干模式、湿膜式和机械制冷混合模式集合使用，节省能源的同时，保证了制冷效果。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统及方法，包括集装箱数据中心，所述集装箱数据中心内设有若干个机柜，所述集装箱数据中心内设有隔板，所述隔板将集装箱数据中心内分隔为热通道和冷通道，所述集装箱数据中心的一端或两端设有至少一个模块冷却装置，所述模块冷却装置与集装箱数据中心接触的侧面设有冷风出风口和热风回风口，所述冷风出风口与冷通道相通，所述热风回风口与热通道相通；所述模块冷却装置的对应两侧分别设有新风进口和排风口，模块冷却装置内部设有制冷部件和喷淋部件。

进一步，所述热风回风口的内侧设有调节风量的风阻调节装置。

进一步，所述所述制冷部件是由蒸发冷却换热芯体、蒸发器、冷凝器和压缩机构成，所述蒸发冷却换热芯体的一侧上部设有蒸发器，一侧下部设有冷凝器和压缩机。

进一步，所述喷淋部件是由安装支架、喷头、管路和控制器构成，所述安装支架固定于模块冷却装置的顶壁，支架的下部对应蒸发冷却换热芯体设有若干个喷头，所述喷头经管路与水泵连接，所述水泵与控制器连接。

进一步，所述连接部件为固定柱或螺栓连接。

进一步，所述冷风出风口设于模块冷却装置侧面的下部，所述热风回风口设于模块冷却装置侧面的上部，所述热风回风口和冷风出风口位于模块冷却装置的同一侧。

一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统及方法，包括如下步骤：

(1)、在冷通道侧的下部和热通道侧的上部开设两个风孔，分别与模块冷却装置的冷风出风口和热风回风口相连接，构成冷热通道气流循环；

(2)、干模式冷却：当室外温度较低时，开启干模式运行，系统不开启喷淋和机械制冷，室外新风通过新风进风口进入模块冷却装置内与循环风进行换热降温，冷风通过冷风出风口进入冷通道，冷风逐渐上升，强化换热，热通道产生的热风通过热风回风口进行回收并循环；

(3)、湿模式冷却：随室外温度升高，干模式运行无法保证室内回风温度，系统湿模式开启，喷淋部件启动，通过喷淋部件对蒸发冷却换热芯体喷淋降温，室外新风与冷水和内循环风换热；

(4)、混合模式冷却：当室外温度升高至湿模式运行冷量不足时，开启机械制冷，通过蒸发器、冷凝器和压缩机辅助制冷。

进一步，热风回风口内侧的风阻调节装置控制气流均匀地流入各个模块化冷却装置内。

本发明的有益效果是：

1、该系统将间接蒸发冷却制冷技术、模块化技术与集装箱数据中心技术相结合，是在对新兴的数据中心制冷方式分析的基础上，将其与集装箱数据中心制冷相结合，弥补了在低负荷制冷方面和制冷备份的不足。

2、由于集装箱内冷热通道相互隔离，箱体内去除列间空调，仅安装IT机柜和相应不间断电源设备，最大程度地增加箱体IT负载量。集装箱数据中心前后侧开门，方便维护和运输设备，左右端侧设置冷热气流送回风孔。

3、将集干模式、湿膜式和机械制冷混合模式的间接蒸发冷却系统以10kW和20kW的模块制作，外形与集装箱断面相互配合，单模块运行时有干模式、湿膜式和混合模式。当多个模块共同运行时，其运行模式为并联模式，彼此新风进风与排风孔相互独立，室内循环风口则共同联通，与集装箱数据中心冷热通道共同构成内循环，节省能源的同时，保证了制冷效果。

4、，模块化的间接蒸发冷却系统可根据集装箱实际IT负载和备份需求增加其模块数量，相比于现存整机100kW集以上的间接蒸发冷却机组，其模块化的结构设计更易于选型、安装和备份。

5、由于在热风回风口内侧设有风阻调节装置，当多个模块冷却装置共同运行时，控制热通道循环风在不同距离风口吹出的阻力，保证不同距离的蒸发冷却模块进风量均匀，提高系统运行的稳定性。

附图说明

图1为本发明的使用状态图；

图2为单模块制冷装置的主视图；

图3为图2的俯视图；

图4为单模块制冷装置的立体图；

图5为单模块制冷装置的外部结构示意图；

图6为本发明的气流运动图。

图7为另一种形式的使用状态图。

图中：

1热通道、2冷通道、3隔板、4机柜、5模块冷却装置、6热风回风口、7冷风出风口、8新风进口、9压缩机、10排风口、11喷淋部件、12蒸发冷却换热芯体、13蒸发器、14冷凝器、15连接部件、16电动风阀。

具体实施方式

参照说明书附图对本发明的一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统及方法作以下详细说明。

如图1至图7所示，本发明的一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统及方法，包括集装箱数据中心，所述集装箱数据中心内设有若干个机柜4，所述集装箱数据中心内设有隔板3，所述隔板3将集装箱数据中心内分隔为热通道1和冷通道2，所述机柜除前侧面以外部分置于热通道1内。所述集装箱数据中心的一端或两端设有至少一个模块冷却装置，所述模块冷却装置与集装箱数据中心接触的侧面设有冷风出风口7和热风回风口6，所述冷风出风口7与冷通道2相通，所述热风回风口6与热通道1相通；所述模块冷却装置的对应两侧分别设有新风进口8和排风口10，模块冷却装置5内部设有制冷部件和喷淋部件11。

所述热风回风口的内侧设有调节风量的风阻调节装置。所述风阻调节装置为电动风阀，电动风阀由电动机带动驱动执行机构，使碟板在90°范围内自由转动以达到启闭或调节介质流量。控制热通道循环风在不同距离风口吹出的阻力，保证不同距离的蒸发冷却模块进风量均匀。

在热通道中，经过服务器换热后的热风流经热通道开孔，气流分别经过各个间接蒸发冷却系统模块。随气流流动，其风压逐渐减小，会造成从集装箱数据中心壁面处模块向外侧模块风量分别依次减小的现象，造成部分模块室内循环风量过大冷却效果下降，部分模块循环风量过小，机组能耗增加，不利于整个模块化间接蒸发冷却系统换热和耗能。因此，在每个模块室内循环热风进风口处增加室内风风阻调节装置，根据需求均匀地流入各个模块化间接蒸发冷却系统或相对集中地进入单个或几个模块化间接蒸发冷却系统。经过换热后，冷风在冷通道开孔处进行汇集，流入冷通道，并进入服务器制冷，完成一个循环。具体气流组织图如图2所示。

当室外环境温度较低或室内IT负载较小时，此时并不需要所有模块完全运行，可通过调节电动风阀，使需要关闭的模块处风阻增大，热风不再经过该模块，而其他模块风阻保持均匀，则风量均匀分布与选择运行的模块间接蒸发冷却系统，以此实现部分设备的停机和节能

当室外环境温度较高或室内IT负载较大时，调节各个热风回风口内的电动风阀，使各个模块室内热风风量均匀分配或按需分配，在保证运行环境温度的前提下实现节能。

当模块化间接蒸发冷却设备需要维护或者更换部件时，将该模块的电动风阀进行关闭，关停机器，完成部件维护。

单模块化蒸发冷却系统额定冷量可选择10kW及20kW，根据集装箱数据中心负载选择。如单箱负载小于50kW，则选择10kW冷量设备，反之选择20kW模块。根据集装箱数据中心负载及模块化蒸发冷却系统模块数量，其可布置于集装箱数据中心单侧或两侧，单侧布置如图1所示，两侧布置如图7所示。

所述制冷部件是由蒸发冷却换热芯体12、蒸发器13、冷凝器14和压缩机9构成，所述蒸发冷却换热芯体12的一侧上部设有蒸发器13，一侧下部设有冷凝器14和压缩机9。

所述喷淋部件11是由安装支架、喷头、管路和控制器构成，所述安装支架固定于模块冷却装置的顶壁，支架的下部对应蒸发冷却换热芯体设有若干个喷头，所述喷头经管路与水泵连接，所述水泵与控制器连接。根据温度不同，控制器控制水泵的开启或关闭，实现冷却系统的湿模式。

实施例

所述集装箱数据中心的一端设有四个模块冷却装置，四个模块冷却装置的冷风出风口同轴后与冷通道连通，四个模块冷却装置的热风回风口同轴后与热通道连通；相邻的模块冷却装置通过连接部件固定。集装箱数据中心与模块冷却装置的热风回风口和冷风出风口直接连接，省去连接风管的使用。集装箱室内循环风流出集装箱并根据需求在风阻调节装置的作用下均匀或相对集中地分配于间接蒸发冷却模块，冷却后在冷气流送风口处混合，流回集装箱数据中心冷通道，极大地增加集装箱内部空间，用于增加IT负载。

所述连接部件为固定柱或螺栓连接，模块冷却装置的一侧设有固定柱，另一侧设有固定孔，相邻的模块冷却装置通过固定柱和固定孔的插接实现固定。

所述冷风出风口7设于模块冷却装置侧面的下部，所述热风回风口6设于模块冷却装置侧面的上部，所述热风回风口和冷风出风口位于模块冷却装置的同一侧。冷风下侧产生逐渐上升，强化换热；热通道上侧开孔，热风产生后自发逐渐上升，便于上侧更好回收并循环。

一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统及方法，包括如下步骤：

(1)、集装箱数据中心采用冷热通道隔离技术，机柜与不间断电源柜并排布置，根据需求排布于整个数据中心，集装箱前侧与后侧各设置1个通道门，方便设施运输及设备维护。在集装箱数据中心中无传统的行间空调，尽最大限度承载IT负载。在冷通道侧的下部和热通道侧的上部开设两个风孔，分别与模块冷却装置的冷风出风口和热风回风口相连接，构成冷热通道气流循环。

(2)、干模式冷却：当室外温度较低时，开启干模式运行，系统不开启喷淋和机械制冷，室外新风通过新风进口进入模块冷却装置内与循环风进行换热降温，冷风通过冷风出风口进入冷通道，冷风逐渐上升，强化换热，热通道产生的热风通过热风回风口进行回收并循环；

(3)、湿模式冷却：随室外温度升高，干模式运行无法保证室内回风温度，系统湿模式开启，喷淋部件启动，通过喷淋部件对蒸发冷却换热芯体喷淋降温，室外新风与冷水和内循环风换热。

(4)、混合模式冷却：当室外温度升高至湿模式运行冷量不足时，开启机械制冷，通过蒸发器、冷凝器和压缩机辅助制冷。

将集干模式、湿膜式和机械制冷混合模式的间接蒸发冷却系统以10kW和20kW的模块制作，外形与集装箱断面相互配合，单模块运行时有干模式、湿膜式和混合模式。当多个模块共同运行时，其运行模式为并联模式，彼此新风进风与排风孔相互独立，室内循环风口则共同联通，并根据需求在风阻调节装置的作用下均匀或相对集中地分配，与集装箱数据中心冷热通道共同构成内循环，节省能源的同时，保证了制冷效果。

该方法将间接蒸发冷却技术、模块化技术和集装箱数据中心相联合，组成新的系统，模块化的间接蒸发冷却系统可根据集装箱实际IT负载和备份需求增加其模块数量，使集装箱数据中心更便捷，更经济地使用间接蒸发冷却制冷技术，来实现制冷系统的节能降耗，实现整个数据中心全年低PUE运行。

以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。

除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术。

Claims (8)

1.一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统，包括集装箱数据中心，所述集装箱数据中心内设有若干个机柜，其特征是，所述集装箱数据中心内设有隔板，所述隔板将集装箱数据中心内分隔为热通道和冷通道，所述集装箱数据中心的一端或两端设有至少一个模块冷却装置，所述模块冷却装置与集装箱数据中心接触的侧面设有冷风出风口和热风回风口，所述冷风出风口与冷通道相通，所述热风回风口与热通道相通；所述模块冷却装置的对应两侧分别设有新风进口和排风口，模块冷却装置内部设有制冷部件和喷淋部件。

2.根据权利要求1所述的一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统，其特征是，所述热风回风口的内侧设有调节风量的风阻调节装置。

3.根据权利要求1所述的一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统，其特征是，所述制冷部件是由蒸发冷却换热芯体、蒸发器、冷凝器和压缩机构成，所述蒸发冷却换热芯体的一侧上部设有蒸发器，一侧下部设有冷凝器和压缩机。

4.根据权利要求1所述的一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统，其特征是，所述喷淋部件是由安装支架、喷头、管路和控制器构成，所述安装支架固定于模块冷却装置的顶壁，支架的下部对应蒸发冷却换热芯体设有若干个喷头，所述喷头经管路与水泵连接，所述水泵与控制器连接。

5.根据权利要求4所述的一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统，其特征是，所述连接部件为固定柱或螺栓连接。

6.根据权利要求4所述的一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却系统，其特征是，所述冷风出风口设于模块冷却装置侧面的下部，所述热风回风口设于模块冷却装置侧面的上部，所述热风回风口和冷风出风口位于模块冷却装置的同一侧。

7.一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)、在冷通道侧的下部和热通道侧的上部开设两个风孔，分别与模块冷却装置的冷风出风口和热风回风口相连接，构成冷热通道气流循环；

(2)、干模式冷却：当室外温度较低时，开启干模式运行，系统不开启喷淋和机械制冷，室外新风通过新风进风口进入模块冷却装置内与循环风进行换热降温，冷风通过冷风出风口进入冷通道，冷风逐渐上升，强化换热，热通道产生的热风通过热风回风口进行回收并循环。

(3)、湿模式冷却：随室外温度升高，干模式运行无法保证室内回风温度，系统湿模式开启，喷淋部件启动，通过喷淋部件对蒸发冷却换热芯体喷淋降温，室外新风与冷水和内循环风换热；

(4)、混合模式冷却：当室外温度升高至湿模式运行冷量不足时，开启机械制冷，通过蒸发器、冷凝器和压缩机辅助制冷。

8.根据权利要求7所述的一种集装箱数据中心模块化间接蒸发冷却方法，其特征是，热风回风口内侧的风阻调节装置控制气流均匀地流入各个模块化冷却装置内。