CN110290683B - 基于冰蓄冷的数据中心冷却系统及数据中心冷却方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及冷却系统技术领域，公开了一种基于冰蓄冷的数据中心冷却系统及数据中心冷却方法；冷却系统中开式冷却塔通过冷却水循环泵与双工况机组的冷凝器侧和自然冷源供冷板式换热器连接；自然冷源供冷板式换热器与双工况机组供冷板式换热器并联，与融冰供冷板式换热器串联；蓄冰装置和双工况机组供冷板式换热器通过乙二醇泵与双工况机组的蒸发器侧相连；蓄冰装置通过释冷循环泵与融冰供冷板式换热器相连；末端空调水循环泵与自然冷源供冷板式换热器、双工况机组供冷板式换热器及融冰供冷板式换热器相连。本发明的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统及数据中心冷却方法中，利用可放置于地下室的蓄冰装置作为数据中心应急冷源，占地小、土建施工费用低。
Description
技术领域
本发明涉及冷却系统技术领域，具体地指一种基于冰蓄冷的数据中心冷却系统及数据中心冷却方法。
背景技术
随着云计算、大数据及人工智能的兴起，大型数据中心的需求与日俱增。数据中心作为耗能大户，且作为未来前沿技术的主要载体，其基础设施侧的主要要求在节能、快速灵活部署及成本优化上，制冷系统作为主要的耗能大户是优化的重点。
数据中心在运行过程中，需要冷却系统全年24小时不间断为其提供冷量，以带走设备运行产生的热量。根据《数据中心设计规范GB50174-2017》附录A规定：A级数据中心制冷设备应N+X冗余(X＝1～N)，B级数据中心宜N+1冗余。冷水机组+冷却塔是目前数据中心大多采用的冷却方式，并在环境温度达到要求的情况下，采用自然冷源冷却。
中国实用新型专利201420436955.7号“IDC机房冷却系统”中记载了基于冷水机组、蓄冷水罐和闭式冷却塔组合于一体的三冷源供冷系统，在完全自然冷源供冷工况下能够有效节能，但在部分自然冷源时却无法有效利用。这种冷却系统同时也存在蓄冷水罐体积大、占地大、施工费用及造价较高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于冰蓄冷的数据中心冷却系统，解决蓄冷水罐体积大、占地大、施工费用高的问题。
为实现上述目的，本发明所设计的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统连接至空调末端，接收自所述空调末端的回水并输出至所述空调末端的去水；所述冷却系统包括开式冷却塔、冷却水循环泵、双工况机组、自然冷源供冷板式换热器、乙二醇循环泵、蓄冰装置、双工况机组供冷板式换热器、释冷循环泵、末端空调水循环泵及融冰供冷板式换热器；所述开式冷却塔通过所述冷却水循环泵与所述双工况机组的冷凝器侧和所述自然冷源供冷板式换热器通过管路连接；所述自然冷源供冷板式换热器与所述双工况机组供冷板式换热器通过管路并联，与所述融冰供冷板式换热器通过管路串联；所述蓄冰装置和所述双工况机组供冷板式换热器通过乙二醇泵与双工况机组的蒸发器侧通过管路相连；所述蓄冰装置通过所述释冷循环泵与所述融冰供冷板式换热器通过管路相连；所述末端空调水循环泵将所述空调末端的输出端与所述自然冷源供冷板式换热器、所述双工况机组供冷板式换热器及所述融冰供冷板式换热器通过管路相连。
作为优选方案，所述双工况机组具有制冷和制冰两种工况。
作为优选方案，所述蓄冰装置在夜间利用所述开式冷却塔及所述双工况机组制冰进行蓄冰。
作为优选方案，所述冷却系统进一步包括温度传感器，所述温度传感器设置在至所述空调末端的进水端的管路上，以控制出水温度。
本发明的目的在于，提供一种基于冰蓄冷的数据中心冷却方法，解决蓄冷水罐体积大、占地大、施工费用高的问题。
为实现上述目的，本发明所设计的基于冰蓄冷的数据中心冷却方法包含以下五种供冷运行模式中至少一种：第一种运行模式为所述双工况机组供冷模式，第二种运行模式为开式冷却塔供冷模式，第三种运行模式为所述蓄冰装置供冷模式，第四种运行模式为所述双工况机组与所述蓄冰装置联合供冷模式，第五种运行模式为所述开式冷却塔与所述蓄冰装置联合供冷模式。
作为优选方案，所述第一种运行模式下，所述开式冷却塔、所述冷却水循环泵、所述双工况机组、所述乙二醇循环泵、所述双工况机组供冷板式换热器及所述末端空调水循环泵运行，自所述空调末端的回水经所述双工况机组降温后进入所述双工况机组供冷板式换热器降温。
作为优选方案，所述第二种运行模式下，所述开式冷却塔、所述自然冷源供冷板式换热器及所述末端空调水循环泵运行，所述开式冷却塔利用自然冷源制冷。
作为优选方案，所述第三种运行模式下，所述蓄冰装置、所述释冷循环泵、所述末端空调水循环泵及所述融冰供冷板式换热器运行，所述蓄冰装置融冰供冷。
作为优选方案，所述第四种运行模式下，所述开式冷却塔、所述冷却水循环泵、所述双工况机组、所述乙二醇循环泵、所述蓄冰装置、所述双工况机组供冷板式换热器、所述释冷循环泵、所述末端空调水循环泵及所述融冰供冷板式换热器运行，自所述空调末端的回水经所述双工况机组供冷板式换热器降温后进入所述融冰供冷板式换热器降温。
作为优选方案，所述第五种运行模式下，所述开式冷却塔、所述冷却水循环泵、所述自然冷源供冷板式换热器、所述蓄冰装置、所述释冷循环泵、所述末端空调水循环泵及所述融冰供冷板式换热器运行，自所述空调末端的回水经所述自然冷源供冷板式换热器降温后进入所述融冰供冷板式换热器降温。
作为优选方案，根据室外的环境湿球温度t在所述第一种运行模式、所述第二种运行模式、所述第三种运行模式、所述第四种运行模式及所述第五种运行模式之间切换。
作为优选方案，当t≤10℃时，所述数据中心冷却系统以所述第二种运行模式运行；当10℃＜t≤14℃时，所述数据中心冷却系统以所述第五种运行模式运行；当t＞14℃时，所述数据中心冷却系统以所述第一种运行模式、所述第三种运行模式或所述第四种运行模式运行。
作为优选方案，所述数据中心冷却方法包含第六种运行模式，所述第六种运行模式为所述双工况机组为所述蓄冰装置制冰模式。
作为优选方案，所述第六种运行模式下，所述开式冷却塔、所述冷却水循环泵、所述双工况机组、所述乙二醇循环泵及所述蓄冰装置运行，利用夜间谷价电时段采用冗余的制冷设备为所述蓄冰装置蓄冰。
本发明的有益效果是：本发明的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统及数据中心冷却方法中，(1)利用可放置于地下室的蓄冰装置作为数据中心应急冷源，比蓄冷水罐占地小、土建施工费用低；(2)蓄冰装置可与开式冷却塔联合供冷，使空气源自然冷却时间大大延长；(3)使用融冰板式供冷换热器控制出水温度，参数稳定、易于控制，整个冷却系统运行稳定；(4)使用融冰板式供冷换热器换控制出水温度，使蓄冰装置和空调末端隔离，避免了蓄冰装置中的冰水溢出的可能性。
附图说明
图1为本发明优选实施例的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的结构示意图。
图2为图1中的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统在第一种运行模式下的工作原理示意图。
图3为图1中的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统在第二种运行模式下的工作原理示意图。
图4为图1中的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统在第三种运行模式下的工作原理示意图。
图5为图1中的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统在第四种运行模式下的工作原理示意图。
图6为图1中的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统在第五种运行模式下的工作原理示意图。
图7为图1中的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统在第六种运行模式下的工作原理示意图。
图中各部件标号如下：开式冷却塔1、冷却水循环泵2、双工况机组3、自然冷源供冷板式换热器4、乙二醇循环泵5、蓄冰装置6、双工况机组供冷板式换热器7、释冷循环泵8、末端空调水循环泵9、融冰供冷板式换热器10、温度传感器11；空调末端12、室外温湿度传感器13。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，其为本发明优选实施例的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的结构示意图，数据中心冷却系统包括开式冷却塔1、冷却水循环泵2、双工况机组3、自然冷源供冷板式换热器4、乙二醇循环泵5、蓄冰装置6、双工况机组供冷板式换热器7、释冷循环泵8、末端空调水循环泵9、融冰供冷板式换热器10及温度传感器11。数据中心冷却系统连接至为数据中心散热供冷的空调末端12，接收自空调末端12的回水并输出至空调末端12的去水。
开式冷却塔1通过冷却水循环泵2与双工况机组3的冷凝器侧和自然冷源供冷板式换热器4相连。
双工况机组3具有制冷和制冰两种工况，蓄冰装置6和双工况机组供冷板式换热器7通过乙二醇泵5与双工况机组3的蒸发器侧相连。
自然冷源供冷板式换热器4与双工况机组供冷板式换热器7并联连接，与融冰供冷板式换热器10为串联连接。
蓄冰装置6通过释冷循环泵8与融冰供冷板式换热器10相连。蓄冰装置6具有制冰和融冰供冷两个功能，夜间利用开式冷却塔1提供的冷量及双工况机组3制冰来进行蓄冰。
末端空调水循环泵9将空调末端12与自然冷源供冷板式换热器4、双工况机组供冷板式换热器7、融冰供冷板式换热器10相连。末端空调水循环泵9用于将空调水在冷却系统与空调末端12之间进行循环。
温度传感器11设置在至空调末端12至空调末端处，用于控制空调水出水温度。
阀门V1至阀门V12用于各个工况的切换。
室外温湿度传感器13用于测量室外环境湿球温度。
上述基于冰蓄冷的数据中心冷却系统利用蓄冰装置6作为数据中心应急冷源，蓄冰装置6比蓄冷水罐占地小且土建施工费用低；蓄冰装置6可与开式冷却塔1联合供冷，使空气源自然冷却时间大大延长，并且出水温度恒定，整个空调系统运行稳定；使用冗余冷却系统进行对蓄冰装置进行蓄冰，通过谷电时段蓄冰峰电时段融冰，降低系统运行费用。
本发明的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统提供6种运行模式(包括5种供冷模式和1种蓄冰模式)，以适应不同的需求，下文将结合附图详述如下。
第一种运行模式为无自然冷源供冷工况下的“双工况机组供冷模式”。在第一种运行模式下，开式冷却塔1、冷却水循环泵2、双工况机组3、乙二醇循环泵5、双工况机组供冷板式换热器7、末端空调水循环泵9运行，阀门V1、阀门V2、阀门V7、阀门V8、阀门V10开启，其余阀门关闭，由双工况机组3为数据中心供冷。第一种运行模式下的水流向如图2中所示。
第二种运行模式为完全自然冷源供冷工况下的“开式冷却塔供冷模式”。在第二种运行模式下，开式冷却塔1、自然冷源供冷板式换热器4、末端空调水循环泵9运行，阀门V3、阀门V4、阀门V9、阀门V11开启，其余阀门关闭，利用自然冷源供冷。第二种运行模式下的水流向如图3中所示。
第三种运行模式为无自然冷源供冷工况下的“蓄冰装置供冷模式”。在第三种运行模式下，蓄冰装置6、释冷循环泵8、末端空调水循环泵9、融冰供冷板式换热器10运行，阀门V10、阀门V12开启，其余阀门关闭，使用蓄冰装置6融冰供冷。第三种运行模式下的水流向如图4中所示。
第四种运行模式为无自然冷源供冷工况下的“双工况机组与蓄冰装置联合供冷模式”。在第四种运行模式下，开式冷却塔1、冷却水循环泵2、双工况机组3、乙二醇循环泵5、蓄冰装置6、双工况机组供冷板式换热器7、释冷循环泵8、末端空调水循环泵9、融冰供冷板式换热器10运行，阀门V1、阀门V2、阀门V7、阀门V8、阀门V10、阀门V12开启，其余阀门关闭，空调末端12回水经双工况机组供冷板式换热器7初次降温后，进入融冰供冷板式换热器10降温至空调要求的参数。第四种运行模式下的水流向如图5中所示。
第五种运行模式为部分自然冷源供冷工况下的“开式冷却塔与蓄冰装置联合供冷模式”(部分自然冷源供冷工况)。第五种运行模式下，开式冷却塔1、冷却水循环泵2、自然冷源供冷板式换热器4、蓄冰装置6、释冷循环泵8、末端空调水循环泵9、融冰供冷板式换热器10运行，阀门V3、阀门V4、阀门V9、阀门V11开启，在部分自然冷源工况下空调末端12回水经自然冷源供冷板式换热器4初次降温后，进入融冰供冷板式换热器10降温至空调末端要求的参数。第五种运行模式下的水流向如图6中所示。
第六种运行模式为“双工况机组蓄冰模式”。在第六种运行模式下，开式冷却塔1、冷却水循环泵2、双工况机组3、乙二醇循环泵5、蓄冰装置6运行，阀门V1、阀门V2、阀门V5、阀门V6开启，其余阀门关闭，利用夜间谷价电时段蓄冰，峰段时或者平段时融冰供冷。在数据中心的规范中，要求设置备用的制冷设备，包括完整的制冷系统(冷却塔、主机、循环水泵等)。在第六种运行模式下，采用冗余的制冷设备(备用的制冷设备)为蓄冰装置6进行蓄冰，而数据中心的冷却使用的正常运行的制冷系统。第六种运行模式下的水流向如图7中所示。
本发明的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统中，利用峰谷平电价的价差夜间蓄冷、白天释冷，降低了运行费用，同时也解决了应急冷源的问题。同时设置室外温湿度传感器，依据环境湿球温度对运行完全自然冷源工况和部分自然冷源工况进行自动切换。在完全自然冷源工况下，冷却塔直接供冷；部分自然冷源工况下，不足冷源由蓄冰装置提供，有效降低了运行电耗及运行费用。
下面举例说明依据室外温湿度传感器13测得的环境湿球温度对运行完全自然冷源工况和部分自然冷源工况进行自动切换的模式，说明中的数据为举例说明，不限于以下数据定值。
假设某数据中心空调末端12的供水温度为12℃，回水温度为18℃。则根据环境温湿度传感器对工况进行自动切换，详见下表：
在t＞14℃的情况下，选择根据峰谷电价及负荷量进行选择第一、第三、第四种运行模式。如平段或者谷价电时采用双工况机组3供冷(第一种运行模式)，峰时电价采用蓄冰装置6供冷(第三种运行模式)；若负荷较大，双工况机组3无法满足供冷时，采用双工况机组3和蓄冰装置联6合供冷(第四种运行模式)。
与现有技术相比，本发明的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统及冷却方法的优势如下：
(1)可以设置室外温湿度传感器13进行控制，通过测量室外温度，并根据峰谷平电价分布，可以实现完全自然冷源利用(即开式冷却塔供冷)、部分自然冷源利用(即开式冷却塔及蓄冰装置联合供冷)、无自然冷源供冷(即蓄冰装置供冷、双工况机组供冷、双工况机组与蓄冰装置联合供冷)的自动切换，达到最经济的运行模式。
(2)利用蓄冰装置6作为数据中心应急冷源，比蓄冷水罐占地小、土建施工费用低；蓄冷水罐尺寸较大，一般放置于地面，蓄冰装置可放置于地下室，减少占地。
(3)蓄冰装置6与开式冷却塔1联合供冷，使空气源自然冷却时间大大延长，使用融冰板式供冷换热器10换控制出水温度，参数稳定、易于控制，整个冷却系统运行稳定。
(4)使用冗余的备用制冷设备进行蓄冰，通过谷电时段蓄冰峰电时段融冰，降低系统运行费用。
(5)使用融冰板式供冷换热器10换控制出水温度，使蓄冰装置6和空调末端12隔离，避免了蓄冰装置6中的溢出的可能性。当蓄冰装置6液面高于空调末端12管网最高点1～2m时，可以采用蓄冰装置6直接供冷。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (14)
1.一种基于冰蓄冷的数据中心冷却系统，连接至空调末端(12)，接收自所述空调末端(12)的回水并输出至所述空调末端(12)的去水，其特征在于：所述冷却系统包括开式冷却塔(1)、冷却水循环泵(2)、双工况机组(3)、自然冷源供冷板式换热器(4)、乙二醇循环泵(5)、蓄冰装置(6)、双工况机组供冷板式换热器(7)、释冷循环泵(8)、末端空调水循环泵(9)及融冰供冷板式换热器(10)；所述开式冷却塔(1)通过所述冷却水循环泵(2)与所述双工况机组(3)的冷凝器侧和所述自然冷源供冷板式换热器(4)通过管路连接；所述自然冷源供冷板式换热器(4)与所述双工况机组供冷板式换热器(7)通过管路并联，与所述融冰供冷板式换热器(10)通过管路串联；所述蓄冰装置(6)和所述双工况机组供冷板式换热器(7)通过乙二醇循环泵(5)与双工况机组(3)的蒸发器侧通过管路相连；所述蓄冰装置(6)通过所述释冷循环泵(8)与所述融冰供冷板式换热器(10)通过管路相连；所述末端空调水循环泵(9)将所述空调末端(12)的输出端与所述自然冷源供冷板式换热器(4)、所述双工况机组供冷板式换热器(7)及所述融冰供冷板式换热器(10)通过管路相连。
2.根据权利要求1所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统，其特征在于：所述双工况机组(3)具有制冷和制冰两种工况。
3.根据权利要求1所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统，其特征在于：所述蓄冰装置(6)在夜间利用所述开式冷却塔(1)及所述双工况机组(3)制冰进行蓄冰。
4.根据权利要求1所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统，其特征在于：所述冷却系统进一步包括温度传感器(11)，所述温度传感器(11)设置在至所述空调末端(12)的进水端的管路上，以控制出水温度。
5.一种采用权利要求1至4中任一项所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的数据中心冷却方法，其特征在于：所述数据中心冷却方法包含以下五种供冷运行模式中至少一种：第一种运行模式为所述双工况机组(3)供冷模式，第二种运行模式为开式冷却塔(1)供冷模式，第三种运行模式为所述蓄冰装置(6)供冷模式，第四种运行模式为所述双工况机组(3)与所述蓄冰装置(6)联合供冷模式，第五种运行模式为所述开式冷却塔(1)与所述蓄冰装置(6)联合供冷模式。
6.根据权利要求5所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的数据中心冷却方法，其特征在于：所述第一种运行模式下，所述开式冷却塔(1)、所述冷却水循环泵(2)、所述双工况机组(3)、所述乙二醇循环泵(5)、所述双工况机组供冷板式换热器(7)及所述末端空调水循环泵(9)运行，自所述空调末端(12)的回水经所述双工况机组(3)降温后进入所述双工况机组供冷板式换热器(7)降温。
7.根据权利要求5所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的数据中心冷却方法，其特征在于：所述第二种运行模式下，所述开式冷却塔(1)、所述自然冷源供冷板式换热器(4)及所述末端空调水循环泵(9)运行，所述开式冷却塔(1)利用自然冷源制冷。
8.根据权利要求5所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的数据中心冷却方法，其特征在于：所述第三种运行模式下，所述蓄冰装置(6)、所述释冷循环泵(8)、所述末端空调水循环泵(9)及所述融冰供冷板式换热器(10)运行，所述蓄冰装置(6)融冰供冷。
9.根据权利要求5所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的数据中心冷却方法，其特征在于：所述第四种运行模式下，所述开式冷却塔(1)、所述冷却水循环泵(2)、所述双工况机组(3)、所述乙二醇循环泵(5)、所述蓄冰装置(6)、所述双工况机组供冷板式换热器(7)、所述释冷循环泵(8)、所述末端空调水循环泵(9)及所述融冰供冷板式换热器(10)运行，自所述空调末端(12)的回水经所述双工况机组供冷板式换热器(7)降温后进入所述融冰供冷板式换热器(10)降温。
10.根据权利要求5所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的数据中心冷却方法，其特征在于：所述第五种运行模式下，所述开式冷却塔(1)、所述冷却水循环泵(2)、所述自然冷源供冷板式换热器(4)、所述蓄冰装置(6)、所述释冷循环泵(8)、所述末端空调水循环泵(9)及所述融冰供冷板式换热器(10)运行，自所述空调末端(12)的回水经所述自然冷源供冷板式换热器(4)降温后进入所述融冰供冷板式换热器(10)降温。
11.根据权利要求5所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的数据中心冷却方法，其特征在于：根据室外的环境湿球温度t在所述第一种运行模式、所述第二种运行模式、所述第三种运行模式、所述第四种运行模式及所述第五种运行模式之间切换。
12.根据权利要求11所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的数据中心冷却方法，其特征在于：当t≤10℃时，所述数据中心冷却系统以所述第二种运行模式运行；当10℃＜t≤14℃时，所述数据中心冷却系统以所述第五种运行模式运行；当t＞14℃时，所述数据中心冷却系统以所述第一种运行模式、所述第三种运行模式或所述第四种运行模式运行。
13.根据权利要求5所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的数据中心冷却方法，其特征在于：所述数据中心冷却方法包含第六种运行模式，所述第六种运行模式为所述双工况机组(3)为所述蓄冰装置制冰模式。
14.根据权利要求13所述的基于冰蓄冷的数据中心冷却系统的数据中心冷却方法，其特征在于：所述第六种运行模式下，所述开式冷却塔(1)、所述冷却水循环泵(2)、所述双工况机组(3)、所述乙二醇循环泵(5)及所述蓄冰装置(6)运行，利用夜间谷价电时段采用冗余的制冷设备为所述蓄冰装置(6)蓄冰。
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