CN111750465A - 数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统，涉及热能技术领域，包括：多级热管蒸发段、多级热管冷凝段、一次侧风机、二次侧风机、喷淋装置、过滤网、控制器、传感器等装置，能够实现全年完全的自然冷却，不需要机械制冷，从而减少能源浪费，提高能源利用率，节能环保。

Description

数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及热能技术领域，具体涉及一种用于数据中心的可实现全年自然冷却的热管式的间接蒸发数据中心冷却系统及其控制方式，涉及热能技术领域。
背景技术
随着云计算和大数据技术的蓬勃发展，数据中心规模越来越大，功耗也越来越多。研究表明，数据中心的能耗已经占到了全国耗电量的2％左右，而且呈不断上升的趋势。另外，研究还表明，数据中心的能耗中，除IT设备之外，空调系统的能耗占到了约70％，降低数据中心空调系统的能耗的需求非常迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现完全自然冷却的间接蒸发冷却系统及其控制和工作方式，能够在气候适宜的区域实现全年不使用机械制冷，从而减少能源浪费，提高能源利用率，节能环保。
同时，本发明还提供了一种依据室外气象条件分区的控制方法，从而可以大幅扩展数据中心空调自然冷却的工作范围。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统，包括空调机组20和机房模块30，所述空调机组20和机房模块30通过风管40连接，其特征在于：述机房模块30包括IT设备机柜1、冷通道2、热通道3和吊顶回风层4；所述空调机组20包括一组多级热管6和一喷淋装置；所述喷淋装置设置在多级热管冷凝段61上方；室内空气通过一次侧风机7进入冷通道2内，由IT设备机柜1内的IT设备发热对空气进行加热，IT设备排风至热通道3，热通道3内的空气经由回风吊顶层4吸入至空调机组20内部，经回风过滤网8过滤处理之后，进入多级热管蒸发段62，换热完成后再进入机房模块冷通道2内，完成整个一次侧空气循环；二次侧空气由室外吸入后进入多级热管冷凝段61，喷淋装置喷淋；在多级热管冷凝段61内，热管将一次侧吸收的热量带给二次侧空气和水，在多级热管6表面进行换热；换热后二次侧空气通过二次侧风机9排出室外；所述系统还包括控制器5，控制器5与空调机组20、机房模块30通讯连接，控制系统运行。
进一步的，上述技术方案中，所述一次侧风机7可设置在回风过滤网8之前或之后；所述二次侧风机9可设置在多级热管6之前或之后。
进一步的，上述技术方案中，所述喷淋装置包括喷雾或喷淋头10、水泵11、集水盘12，所述水泵11与控制器5通讯连接，控制器控制水泵运行。
进一步的，上述技术方案中，所述喷淋装置还包括均流布水装置，布置在喷雾或喷淋头10和多级热管6之间。
进一步的，上述技术方案中，依照风路，在空调机组内设置1个温湿度传感器13，设置在二次侧空气进入多级热管冷凝段之前；设置1个温度传感器，设置在二次侧空气排出室外之前；过滤网内外侧设置压差传感器；上述各传感器均与控制器通讯连接，用于采集空调机组运行参数。
进一步的，上述技术方案中，所述多级热管可以是气液管分离的重力式分离热管，或具有吸液芯的一体式热管；每一级热管表面有换热强化措施。
进一步的，上述技术方案中，所述空调机组可以若干个为一组，安装在机房模块侧面或顶面，均通过风管与机房模块连接。
一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统的控制方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤1：针对空调机组送风参数，划定两个范围，一个是推荐范围，一个是允许范围，推荐范围小于或等于允许范围；所述推荐范围和允许范围通过设定温度、湿度数值划定；
步骤2：根据不同推荐范围和允许范围，可将所有的室外温湿度气象条件划分为A、B、C三个不同的区域；其中A为使数据中心工作在允许范围之外的区域，其他为可使数据中心工作在推荐范围与允许范围之间的区域；
步骤3：根据室外气象参数所处的区域，控制空调机组运行；具体是在C区域，以保证送风温度或回风温度稳定为控制目标，控制二次侧风机运行；在AB区域，二次风机全速运转；一次侧风机为机组输出冷量匹配负荷大小为目标，采用保持回风温度稳定或送回风温差稳定的控制方式。
进一步的，上述技术方案中，所述步骤的区域划分方法具体如下：
绘制室外温湿度气象条件焓湿图，焓湿图中各区域的确定方法为：
A区域为允许范围的温度上限TH、送回风温差ΔT及机组湿球换热效率N根据下式确定的温度T0及100％等相对湿度线交点确定的等焓线及焓湿图边界确定的空气焓值高于该等焓线的范围：
T0＝TH+ΔT*(1-N-1)；
C区域为推荐范围的温度上限TM、送回风温差ΔT及机组湿球换热效率N根据下式确定的温度T1及100％等相对湿度线交点确定的等焓线及焓湿图边界确定的空气焓值低于该等焓线范围：
T1＝TM+ΔT*(1-N-1)；
其余为B区域。
本发明具有以下有益效果：
该系统能够在某些地域完全利用室外新风间接蒸发来冷却数据中心，拓展了完全自然冷却的范围，提升了数据中心冷却的效果，提高了能源利用率，降低数据中心能耗，节约成本，符合环保节能理念，降低环境压力。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明对空调机组送风参数划定范围焓湿图；
图3为本发明室外温湿度气象条件划定范围焓湿图；
图4为本发明的实施例1的原理图；
图5为本发明的实施例2的原理图。
具体实施方式
如图1所示，能够实现完全自然冷却的间接蒸发冷却系统的工作方式为：经过空调机组20处理的空气进入数据中心冷通道2内，由IT设备机柜1内的IT设备发热对空气进行加热，IT设备排风至热通道3，热通道3内的空气经由回风吊顶层4吸入至空调机组20内部，经回风过滤网8过滤处理之后，进入多级热管蒸发段62，换热完成后再进入机房模块冷通道2内，完成整个一次侧空气循环。
空调机组内一次侧风机7可在回风过滤网8之前，也可在回风过滤网8之后。
本发明二次侧空气由室外吸入后，进入多级热管冷凝段61，其上部有喷淋装置的喷淋头10，亦可有均流布水装置等。
在多级热管冷凝段61内，热管将一次侧吸收的热量带给二次侧空气和水，在热管表面进行换热。二次侧空气换热完成后通过二次侧风机9排至机组外。
本发明的关键特征之一在于采用多级热管，每一级热管表面可有换热强化措施。多级热管相对于单级热管的优势在于可提高一次侧与二次侧间的湿球效率。多级热管可以是气液管分离的重力式分离热管，或具有吸液芯的一体式热管。
二次侧风机9可在多级热管6后，亦可在多级热管6之前。
喷淋装置有喷雾或喷淋头，水泵、集水盘等构成。
如图2，对于数据中心的针对IT设备的空调系统室内送风参数，划定两个范围，一个是推荐范围，一个是允许范围，推荐范围小于或等于允许范围。
如图3，根据不同推荐范围和允许范围，可将所有的室外温湿度气象条件划分为不同的区域。
按照本发明所定义的数据中心完全自然冷却，可以将所有的室外温湿度气象条件划分为ABC等三个区域，其中C为可使数据中心工作在推荐范围的区域，A为使数据中心工作在允许范围之外的区域，其他为可使数据中心工作在推荐范围与允许范围之间的区域。
本发明所述的完全自然冷却，基于数据中心所在区域气象参数的小时数分布满足以下条件：
每年室外气象条件在允许范围之外的A区域的小时数小于某特定值，且每年室外气象条件在推荐范围与允许范围之间的B区域的小时数小于某特定值。
焓湿图中，各区域的确定方法为：
A区域为允许范围的温度上限TH、送回风温差ΔT及机组湿球换热效率N根据下式确定的温度T0及100％等相对湿度线交点确定的等焓线及焓湿图边界确定的空气焓值高于该等焓线的范围。
T0＝TH+ΔT*(1-N-1)
C区域为推荐范围的温度上限TM、送回风温差ΔT及机组湿球换热效率N根据下式确定的温度T1及100％等相对湿度线交点确定的等焓线及焓湿图边界确定的空气焓值低于该等焓线范围。
T1＝TM+ΔT*(1-N-1)
其余为B区域。
系统中，还设置了控制器、T/H温湿度传感器、压差传感器、温度传感器来控制机组的运行。具体的，依照风路，在空调机组内设置1个温湿度传感器13，设置在二次侧空气进入多级热管冷凝段之前；设置1个温度传感器，设置在二次侧空气排出室外之前；过滤网内外侧设置压差传感器；冷通道和热通道内分别设置温度传感器；上述各传感器均与控制器通讯连接，用于采集空调机组运行参数。根据送回风温差或回风温度、送风温度、送风压力等参数来控制风机转速。具体是在C区域，以保证送风温度或回风温度稳定为控制目标，控制二次侧风机运行；在AB区域，二次风机全速运转；一次侧风机为机组输出冷量匹配负荷大小为目标，采用保持回风温度稳定或送回风温差稳定的控制方式。
如图4、5所示，本发明空调机组20可以由若干个为一组，形成网络安装在机房模块30侧面或顶面，均通过风管40与机房模块30连接。

Claims (9)

1.一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统，包括空调机组(20)和机房模块(30)，所述空调机组(20)和机房模块(30)通过风管(40)连接，其特征在于：述机房模块(30)包括IT设备机柜(1)、冷通道(2)、热通道(3)和吊顶回风层(4)；所述空调机组(20)包括一组多级热管(6)和一喷淋装置；所述喷淋装置设置在多级热管冷凝段(61)上方；
室内空气通过一次侧风机(7)进入冷通道(2)内，由IT设备机柜(1)内的IT设备发热对空气进行加热，IT设备排风至热通道(3)，热通道(3)内的空气经由回风吊顶层(4)吸入至空调机组(20)内部，经回风过滤网(8)过滤处理之后，进入多级热管蒸发段(62)，换热完成后再进入机房模块冷通道(2)内，完成整个一次侧空气循环；
二次侧空气由室外吸入后进入多级热管冷凝段(61)，喷淋装置喷淋；在多级热管冷凝段(61)内，热管将一次侧吸收的热量带给二次侧空气和水，在多级热管(6)表面进行换热；换热后二次侧空气通过二次侧风机(9)排出室外；
所述系统还包括控制器(5)，控制器(5)与空调机组(20)、机房模块(30)通讯连接，控制系统运行。
2.如权利要求1所述一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统，其特征在于：所述一次侧风机(7)可设置在回风过滤网(8)之前或之后；所述二次侧风机(9)可设置在多级热管(6)之前或之后。
3.如权利要求1所述一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统，其特征在于：所述喷淋装置包括喷雾或喷淋头(10)、水泵(11)、集水盘(12)，所述水泵(11)与控制器(5)通讯连接，控制器控制水泵运行。
4.如权利要求3所述一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统，其特征在于：所述喷淋装置还包括均流布水装置，布置在喷雾或喷淋头(10)和多级热管(6)之间。
5.如权利要求1所述一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统，其特征在于：依照风路，在空调机组内设置1个温湿度传感器(13)，设置在二次侧空气进入多级热管冷凝段之前；设置1个温度传感器，设置在二次侧空气排出室外之前；过滤网内外侧设置压差传感器；上述各传感器均与控制器通讯连接，用于采集空调机组运行参数。
6.如权利要求1所述一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统，其特征在于：所述多级热管可以是气液管分离的重力式分离热管，或具有吸液芯的一体式热管；每一级热管表面有换热强化措施。
7.如权利要求1所述一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统，其特征在于：所述空调机组可以若干个为一组，安装在机房模块侧面或顶面，均通过风管与机房模块连接。
8.一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统的控制方法，其特征在于：包含如下步骤：
步骤1：针对空调机组送风参数，划定两个范围，一个是推荐范围，一个是允许范围，推荐范围小于或等于允许范围；所述推荐范围和允许范围通过设定温度、湿度数值划定；
步骤2：根据不同推荐范围和允许范围，可将所有的室外温湿度气象条件划分为A、B、C三个不同的区域；其中A为使数据中心工作在允许范围之外的区域，其他为可使数据中心工作在推荐范围与允许范围之间的区域；
步骤3：根据室外气象参数所处的区域，控制空调机组运行；具体是在C区域，以保证送风温度或回风温度稳定为控制目标，控制二次侧风机运行；在AB区域，二次风机全速运转；一次侧风机为机组输出冷量匹配负荷大小为目标，采用保持回风温度稳定或送回风温差稳定的控制方式。
9.如权利要求8所述一种数据中心热管式间接蒸发自然冷却系统的控制方法，其特征在于：所述步骤的区域划分方法具体如下：
绘制室外温湿度气象条件焓湿图，焓湿图中各区域的确定方法为：
A区域为允许范围的温度上限TH、送回风温差ΔT及机组湿球换热效率N根据下式确定的温度T0及100％等相对湿度线交点确定的等焓线及焓湿图边界确定的空气焓值高于该等焓线的范围：
T0＝TH+ΔT*(1-N-1)；
C区域为推荐范围的温度上限TM、送回风温差ΔT及机组湿球换热效率N根据下式确定的温度T1及100％等相对湿度线交点确定的等焓线及焓湿图边界确定的空气焓值低于该等焓线范围：
T1＝TM+ΔT*(1-N-1)；
其余为B区域。
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