CN109475068A - 一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统及控制方法，该系统包括送风系统、回风系统和分区换热系统，通过集成多风道换热系统、以及蒸发和干式冷却系统、压缩制冷系统，通过不同的模式的切换控制，实现数据中心机房服务器机柜散热的高效冷却，提高数据中心安全等级；依据室外空气的干球温度和湿球温度、机房送风温度、回风温度、机房空气数据采集以及风机频率变化来实现系统的节能及多模式的智能化控制，自动化程度高，精确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据中心冷却系统，具体公开一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统及控制方法。
背景技术
数据中心由于有大量的服务器机柜的散热，与传统建筑相比较而言，室内的服务器散热强度较高，如果不能有效冷却降温，会导致服务器的过热而宕机；另外一方面，室外的空气中含有灰尘、或者硫等酸性化合物，都会对服务器或者导线等产生的腐蚀破坏作用。因此，在室外空气品质达不到数据中心的要求，存在一定的污染或者腐蚀风险，不能直接利用室外空气的自然冷源，另外一方面，在某些地区，室外空气的相对湿度比较低，其空气湿球温度也相对较低，高热温度室内空气与室外低温的湿球温度下空气进行热交换，冷却温度差与室外干球温度空气相比较，温差增大，换热效果增强，能够带走更多的室外的冷量，其室外的自然空气冷源的利用的时间会增长。如果采用非直接接触式冷却方式，其数据中心的安全性及节能将会大大提高。
除了数据中心上述的节能性和空气品质要求高之外，数据中心还对于安全性的要求很高，因此，数据中心的冷却系统在水系统缺水时，如果系统也能够实现应急模式下的冷却系统高效运行，则对于提升数据中心的安全等级有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于：为解决以上问题提供一种进行数据中心机房的高温回风多模式冷却的数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统及控制方法。
本发明采用的技术方案是这样的：
一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统，包括服务器机柜，还包括
回风系统，所述回风系统包括热通道和回风风道；所述热通道用于连接回风风道与服务器机柜；
送风系统，所述送风系统包括送风风道和冷通道；所述送风通道与回风风道连接；所述冷通道用于连接送风通道和服务器机柜；
分区换热系统，所述分区换热系统包括冷却塔、压缩换热系统、换热风管、喷淋水管、水泵、送水阀、排风机；在所述冷却塔侧壁设置空气进风道；所述压缩换热系统包括压缩机、蒸发器和冷凝器、膨胀阀，所述蒸发器位于送风风道内；所述冷凝器位于冷却塔内；所述换热风管在回风风道处阵列排布，且回风风道在所述换热穿过冷却塔；所述喷淋水管有两根，分别对应设置于冷凝器和多风道换热风管上方；所述水泵通过管路与两根喷淋水管连接，对应于每根喷淋水管管路上分别设置送水阀；所述排风机设置于冷却塔上方；
和控制器，所述压缩换热系统、喷淋水管、水泵、送水阀、排风机与控制器智能化连接。
进一步地，在所述回风风道内设置变频风机。
进一步地，所述变频风机有两台，回风风道在变频风机位置一分为二，分别对应设置一台变频风机。
进一步地，所述回风风道在变频风机位置竖直设置，对应每台所述变频风机前设置自垂式重力风阀。
进一步地，所述换热风管为间接式多风道换热风管。
进一步地，在所述冷却塔侧壁设置双空气进风道，相对设置于所述回风风道上下侧。
进一步地，两根喷淋水管下方均设置积水盘。
进一步地，上层的积水盘积水通过重力自流式水管集聚到下层的积水盘。
上述一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统的控制方法，
当室外空气的干球温度Tdry<<T0，也就是室外干球温度远低于数据中心室内空气温度时，双喷淋水管均不开启，水泵及对应的电动阀关闭，该模式下的换热是室外温度低的干空气与室内温度高的干空气进行非接触换热，根据Tdry和T0的温差控制排风机的频率；
当室外空气的干球温度T0-Tdry<5℃且T0-Twet>5℃，下层喷淋水管开启，室外湿空气在湿球温度下与室内热空气进行热交换,冷却塔风机满载运行；
当室外空气的湿球温度T0-Twet<5℃且T0>Tdry，开启压缩换热系统，上下喷淋水管打开，蒸发冷却；高温回风空气首先通过预冷，然后通过压缩换热系统的蒸发器再冷却；此时为混合冷却模式；
当室外空气的湿球温度Twet>TH>T0时，下层喷淋水管关闭，上层的喷淋水管开启，变频风机变频运行，压缩换热系统开启；
当水系统出现故障停水时，可以直接采用室外空气、直压缩换热系统冷却；
其中T0为室内空气温度，TH为数据中心的回风温度。
综上所述，由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、数据中心的高温回风，经过多风道换热，与室外空气进行非接触式换热，提高室内空气洁净度。
2、该系统根据室外空气的温度，通过风机、水泵、压缩机变频，实现室内空气与室外空气的非接触换热，能够实现对温度、湿度的精确控制，在保证室内洁净度的条件下节约了能源。
3、该系统采用上下两层分区进风道，以及上下两层喷淋水管，实现了系统的模块化及分区运行，模块之间可以实现柔性管理和工厂的定制生产，以及现场的精确安装配合，节省的施工周期、安装机房空间。
4、该系统利用了室外空气的不同湿球温度、干球温度的状态差值，根据室外空气的不同的温度，开启不同的模式，包括直接非接触式换热模式、蒸发冷却换热模式、蒸发冷却和直膨式冷却混合模式、直膨式冷却模式、应急模式(就是冷却水系统故障停水状态，通过室外空气干式冷却和直膨式压缩制冷冷却的三种多模式组合)。
5、采用工业级控制器，稳定性更强，操作方便简洁；支持标准通信协议实现远程管理。
附图说明
图1为本发明的系统结构图。
具体实施方式
如图1，一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统，包括
回风系统，所述回风系统包括热通道2、回风风道3和变频风机 4；所述热通道2用于连接回风风道3与服务器机柜1；所述变频风机4设置于回风风道3内；
所述回风风道3在变频风机4位置竖直设置，且可以为单分道或者双风道，对应分道设置单风机或者双风机，实现按需输送风量；风机前安装自垂式重力风阀，确保一个风道的变频风机4运行时，另外一个风道单向输送风运行，节省运行能耗。
送风系统，所述送风系统包括送风风道6、冷通道7；所述送风通道6与回风风道3连接；所述冷通道7用于连接送风通道6和服务器机柜1；
分区换热系统，所述分区换热系统包括冷却塔8、压缩换热系统、换热风管5、喷淋水管10、水泵12、送水阀13、排风机17；在所述冷却塔8侧壁设置双空气进风道9，相对设置于所述回风风道3上下侧；所述压缩换热系统包括压缩机16、蒸发器14、冷凝器15和膨胀阀(图中未画出，又为节流装置)，所述蒸发器14位于送风风道6内；所述冷凝器15位于冷却塔8内；所述换热风管5在回风风道3处阵列排布，且回风风道3在所述换热风管5处穿过冷却塔8；所述换热风管5为间接式多风道换热风管，优选铜和不锈钢材质；所述喷淋水管10有两根，分别对应设置于冷凝器15和换热风管5上方；两根喷淋水管10下方均设置积水盘11，上层的积水盘11积水通过重力自流式水管集聚到下层积水盘11(冷凝器15与换热风管5在冷却塔8内相对上下分布，对应的两根喷淋水管10也上下分布，对应的积水盘11也上下分布)，通过水泵12实现水的再循环；所述水泵12通过管路与两根喷淋水管10连接，对应于每根喷淋水管10管路上分别设置送水阀13；所述排风机17设置于冷却塔8上方；
和控制器(图中未画出，一般是计算机与单片机组合)，所述压缩换热系统、喷淋水管10、水泵12、送水阀13、排风机17与控制器智能化连接。
将室内的数据中心核心机房的高温回风进行集中收集，然后通过回风风道3的变频风机4送入分区换热系统，冷却后，经送风风道6 送回至数据中心核心机房。
上述一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统的控制方法，其依据室外空气的干球温度Tdry和湿球温度Twet、室内空气温度T0、数据中心的回风温度TH来实现系统的控制；具体地：
当室外空气的干球温度Tdry<<T0，也就是室外干球温度远低于数据中心室内空气温度时，双喷淋水管10均不开启，排风机17不开启，该模式下的换热是室外温度低的干空气与室内温度高的干空气进行非接触换热；根据Tdry和T0的温差控制排风机17的频率，温差越大，所控频率越低，如T0-Tdry>20℃时，该时的排风机17频率设置值为最低值20赫兹，当T0-Tdry>5℃时风机的频率满载运行，在室内外的温差处于[5,20]之间时，可以采用线性差值的算法计算并确定排风机 17频率；
当室外空气的干球温度T0-Tdry<5℃且T0-Twet>5℃，下层喷淋水管 10开启，通过细水状的蒸发，降低室外空气的温度；室外湿空气在湿球温度下与室内热空气进行热交换，延长了自然冷源的利用时间，节省了运行能耗；此时，排风机17满载运行。
当室外空气的湿球温度T0-Twet<5℃且T0>Tdry，开启直膨式压缩机 16制冷，分区的上下层喷淋水管10打开，蒸发冷却，室外空气在湿球温度下与高温回风以及冷凝器15的制冷介质进行换热；高温回风空气首先通过预冷，然后通过直膨式系统的蒸发器14再冷却，此时，系统转入了混合冷却模式，湿冷却模式承担了室内的部分负荷，不足部分由水冷直膨式压缩制冷系统承担；
当室外空气的湿球温度Twet>TH>T0时，下层喷淋水管10关闭，上层的喷淋水管10开启，水泵12及风机变频4运行，所有的负荷压缩制冷系统承担；
其中T0为室内空气温度，TH为数据中心的回风温度。
当水系统出现故障停水时，可以直接采用直膨式压缩机16对室外空气制冷冷却，将数据中心的高温回风直接冷却到数据中心所设定的送风温度范围，实现数据机房送风温度的精确控制，将冷却后的风送到所需要的区域，实现数据中心机房的精确冷却。
本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所限定的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统，包括服务器机柜，其特征在于：还包括
回风系统，所述回风系统包括热通道和回风风道；所述热通道用于连接回风风道与服务器机柜；
送风系统，所述送风系统包括送风风道和冷通道；所述送风通道与回风风道连接；所述冷通道用于连接送风通道和服务器机柜；
分区换热系统，所述分区换热系统包括冷却塔、压缩换热系统、换热风管、喷淋水管、水泵、送水阀、排风机；在所述冷却塔侧壁设置空气进风道；所述压缩换热系统包括压缩机、蒸发器和冷凝器、膨胀阀，所述蒸发器位于送风风道内；所述冷凝器位于冷却塔内；所述换热风管在回风风道处阵列排布，且回风风道在所述换热穿过冷却塔；所述喷淋水管有两根，分别对应设置于冷凝器和多风道换热风管上方；所述水泵通过管路与两根喷淋水管连接，对应于每根喷淋水管管路上分别设置送水阀；所述排风机设置于冷却塔上方；
和控制器，所述压缩换热系统、喷淋水管、水泵、送水阀、排风机与控制器智能化连接。
2.根据权利要求1所述的一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统，其特征在于：在所述回风风道内设置变频风机。
3.根据权利要求2所述的一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统，其特征在于：所述变频风机有两台，回风风道在变频风机位置一分为二，分别对应设置一台变频风机。
4.根据权利要求3所述的一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统，其特征在于：所述回风风道在变频风机位置竖直设置，对应每台所述变频风机前设置自垂式重力风阀。
5.根据权利要求1所述的一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统，其特征在于：所述换热风管为间接式多风道换热风管。
6.根据权利要求1所述的一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统，其特征在于：在所述冷却塔侧壁设置双空气进风道，相对设置于所述回风风道上下侧。
7.根据权利要求1所述的一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统，其特征在于：两根喷淋水管下方均设置积水盘。
8.根据权利要求7所述的一种数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统，其特征在于：上层的积水盘积水通过重力自流式水管集聚到下层的积水盘。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述的数据中心多冷源模块化分区冷却节能系统的控制方法，其特征在于：
当室外空气的干球温度Tdry<<T0，也就是室外干球温度远低于数据中心室内空气温度时，双喷淋水管均不开启，水泵及对应的电动阀关闭，该模式下的换热是室外温度低的干空气与室内温度高的干空气进行非接触换热，根据Tdry和T0的温差控制排风机的频率；
当室外空气的干球温度T0-Tdry<5℃且T0-Twet>5℃，下层喷淋水管开启，室外湿空气在湿球温度下与室内热空气进行热交换,冷却塔风机满载运行；
当室外空气的湿球温度T0-Twet<5℃且T0>Tdry，开启压缩换热系统，上下喷淋水管打开，蒸发冷却；高温回风空气首先通过预冷，然后通过压缩换热系统的蒸发器再冷却；此时为混合冷却模式；
当室外空气的湿球温度Twet>TH>T0时，下层喷淋水管关闭，上层的喷淋水管开启，变频风机变频运行，压缩换热系统开启；
当水系统出现故障停水时，可以直接采用室外空气、直压缩换热系统冷却；
其中T0为室内空气温度，TH为数据中心的回风温度。
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