CN112367802A - 一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其室外侧包括直接蒸发段、间接换热段、冷凝风机段，其室内侧包括过滤段、混风段、间接换热段、机械冷却段、直接蒸发段、送风机段。本发明利用室外与室内的温度差，根据室外空气温湿度与空气质量情况、数据中心机房内的IT负荷与机房环境要求，采用空气直接蒸发、空气间接换热及机械冷却的多种混合冷却模式，经计算分析，满足全工况复合即全年8760小时中任意时刻与任意室外空气条件下的机房环境要求，实现对数据中心机房进行全年冷却；充分利用自然冷源，有效降低数据中心能耗。

Description

一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组及控制方法

技术领域

本发明涉及一种数据中心的冷却技术，特别是一种适于全年使用的数据中心用全工况复合自然冷却的热管蒸发冷却模块化水冷空调机组。

背景技术

随着全球互联网、物联网、大数据与云计算等行业的快速发展，全社会需要建设大量的各类数据中心，其特点之一是能耗巨大，尤其是为了满足数据中心的服务器等IT硬件正常运行的机房环境的制冷空调与冷却系统消耗了大量能源。随着数据中心行业向大规模和超大规模的建设发展趋势，制冷空调与冷却系统的能耗越来越大。在这样的背景下，降低数据中心制冷空调与冷却系统的能耗的相关技术和产品显得尤为重要。数据中心优先选址于气候寒冷地区，其目的正是为了尽可能利用自然冷源，降低能耗。传统的节能技术措施是采用冷却塔与板式换热器结合，冬季关闭机械制冷压缩机以实现自然冷却，但存在较多弊端；近年来出现的间接换热冷却空调机组，虽取得了一定的节能效果，但也存在一些技术瓶颈。主要表现在：

（1）冷却塔集中冷却水方式的复杂度高，建设部署不灵活，不符合数据中心模块化发展的趋势。

（2）北方寒冷地区在冬季容易出现冷却塔结冰的现象，导致数据中心的冷却系统失效，机房升温，服务器过热，带来安全隐患。

（3）为保证冬季使用冷却塔而采取电伴热措施，增大能耗。

（4）冷却塔耗水量较大，浪费水资源。

（5）间接换热冷却空调机组换热效率较低，占地空间大，利用自然冷源的时间和地区均有限，节能效果不佳。

（6）间接换热冷却空调机组的蒸发过程发生在换热芯体表面，在水质不达标时容易产生结垢，降低换热效率，进而降低冷却能力，机房升温，服务器过热，带来安全隐患。而处理水质成本较高，运维工作量较大，提高了数据中心的运行成本。

由于上述原因，亟需研发一种新的技术，既符合数据中心的模块化发展趋势，又最大限度利用自然冷源，有效改进现有数据中心制冷空调和冷却系统的节能效果，拓宽蒸发冷却的应用范围。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供数据中心用全工况自然冷却的热管蒸发冷却模块化水冷空调机组。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种适于全年使用的数据中心用全工况自然冷却的热管蒸发冷却模块化水冷空调机组。

一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其特征在于：所述空调机组分为室内侧和室外侧，所述室内侧送风通道上依次布置过滤段、混风段、间接换热段、机械冷却段、直接蒸发段、送风机段，各段依次串联连接；所述室外侧排风通道上依次布置直接蒸发段、间接换热段、冷凝风机段，各段依次串联连接；所述送风机段出口与数据中心机房内送风通道相通，混风段回风口与数据中心机房内回风通道相通。

进一步的，上述技术方案中，所述过滤段由新风进风口10、新风电动调节阀11、空气过滤器12组成，上述部件在送风通道上依次布置。

进一步的，上述技术方案中，所述混风段由室外新风和数据中心机房的回风进行混合。

进一步的，上述技术方案中，所述机械冷却段采用冷冻水盘管水冷空调系统，由CW盘管13组成，CW盘管13位于室内侧送风通道，冷冻水来自外部冷源，通过冷冻水把数据中心机房内的热量由CW盘管转移至外部。

进一步的，上述技术方案中，所述间接换热段采用热管换热器进行自然冷却，该热管换热器由热管蒸发器1和热管冷凝器2组成，其热管蒸发器1位于室内侧送风通道，热管冷凝器位于室外侧排风通道；

进一步的，上述技术方案中，所述送风机段布置送风机6，将经过处理的低温空气送入数据中心机房内。

进一步的，上述技术方案中，所述直接蒸发段包含室内侧和室外侧，室外侧直接蒸发段包括湿膜（4）和喷淋装置，所述喷淋装置包括水泵（5）、接水盘和喷嘴，所述喷淋头布置在湿膜（4）的上方；室内侧直接蒸发段包括湿膜（4’）和喷淋装置，所述喷淋装置包括水泵（5’）、接水盘和喷嘴，所述喷淋头布置在湿膜（4’）的上方。

进一步的，上述技术方案中，所述冷凝机段设置有冷凝风机3，其布置在排风通道上的机械冷却段部分。

进一步的，上述技术方案中，所述各个功能段所涉及的设备规格与参数可以根据实际需要进行调整，各个功能段可以根据实际需要进行自由组合与灵活搭配，室外新风进风与排风和数据中心机房送风与回风的风口位置与方向可根据实际需要调整位置，以满足不同的安装位置与条件和不同的技术要求。

一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：根据室外空气温湿度、空气质量、数据中心机房内的IT负荷，将控制方法分为完全自然冷却模式、联合完全自然冷却模式、自然冷却与机械冷却的混合模式、完全机械冷却模式；具体如下：

（1）完全自然冷却模式：该模式属于空气-空气间接换热的完全自然冷却，适用于冬季寒冷季节，室外空气温度较低且室外空气质量情况达标，根据数据中心机房内的IT负荷与机房环境要求因素条件，经计算分析后，该模式优先采用间接换热段进行完全自然冷却，同时开启混风段、冷凝风机、送风机段，将满足机房环境要求的空气送入室内；如室外空气质量情况不达标，则关闭室外新风与机房回风混合的自然冷却，数据中心机房空气进行内循环；

（2）联合完全自然冷却模式：该模式属于空气-空气间接自然冷却与水-空气直接蒸发自然冷却的联合完全自然冷却，适用于春秋过度季节；随着过渡季节室外空气温度提升和（或）数据中心机房内的IT负荷加大出现且室外空气质量情况达标，而完全自然冷却的模式无法满足机房环境要求时，同时补充开启室外新风与机房回风混合的自然冷却和（或）直接蒸发段，对间接换热段中的热管冷凝器进行空气预冷，仍然采用完全自然冷却的模式，将经过处理的低温空气送入机房室内；可选择补充开启室外新风与机房回风混合的自然冷却和直接蒸发段的自然冷却其中的任一模式，也可同时补充开启两种模式，选择条件视室外空气温湿度与空气质量情况、数据中心机房内的IT负荷与机房环境要求因素综合确定，并由自动控制系统执行；如室外空气质量情况不达标，则关闭室外新风与机房回风混合的自然冷却，单独补充开启直接蒸发段的自然冷却，数据中心机房空气进行内循环；如受水质和（或）水处理成本以及运维成本限制，则关闭直接蒸发段的自然冷却，单独补充开启室外新风与机房回风混合的自然冷却；其中直接蒸发段分为室内侧和室外侧两套，可灵活选择开启其中之一或同时开启；

（3）自然冷却与机械冷却的混合模式：该模式属于空气-空气间接自然冷却与水-空气直接蒸发自然冷却及机械冷却的混合冷却，适用于夏季炎热季节；室外空气温度进一步提升和（或）数据中心机房内的IT负荷进一步加大因素出现，而联合完全自然冷却模式无法满足机房环境要求时，再补充开启机械冷却模式，室内侧空气由机械冷却段中的CW盘管进行冷却；

（4）完全机械冷却模式：该模式适用于夏季炎热季节，室外空气温度进一步提升和（或）数据中心机房内的IT负荷进一步加大因素、室外空气质量情况、受水质和（或）水处理成本以及运维成本限制而关闭直接蒸发段的自然冷却几种因素同时或分别出现，导致自然冷却及机械冷却的混合冷却模式无法开启来满足机房环境要求时，则单独开启机械冷却模式，室内侧空气由机械冷却段中的CW盘管进行冷却；

S2：模式切换：根据室外空气温湿度、室外空气质量、数据中心机房内的IT负荷、机房环境各参数要求，采用自动控制结合手动控制进行切换。

本发明有益效果如下：

（1）本发明外部冷冻水源如果采用冷却塔方式则在冬季可停用，解决了传统冷却塔与板式换热器结合的节能方式带来的集中水系统复杂度高、冬季电伴热、耗水量大等弊端。

（2）本发明解决了间接换热冷却空调机组换热效率低和容易结垢等缺点。

（3）本发明采用模块化安装，解决了数据中心建设的弹性部署和灵活建设的问题，节省初投资和运行费用。

（4）本发明提供了多种室内空气侧的复合运行模式：直接模式（全新风）、混合模式（混风）、间接模式（内循环），室外空气质量不达标时可避免新风进入室内；以及室内侧干式换热模式（空气-空气）、湿式换热模式（水-空气）。

（5）本发明提供了多种室外冷凝侧的复合运行模式：干式换热模式（空气-空气）、湿式换热模式（水-空气）。

（6）本发明提供了多种安装：可分段安装、可组装拆卸、可增减功能段、可方便维修。

（7）本发明利用室外与室内的温度差，根据室外空气温湿度与空气质量情况、数据中心机房内的IT负荷与机房环境要求，采用空气直接蒸发、空气间接换热及机械冷却的多种混合冷却模式，经计算分析，满足全工况即全年8760小时中任意时刻与任意室外空气条件下的机房环境要求，实现对数据中心机房进行全年冷却；充分利用自然冷源，有效降低数据中心能耗。

（8）在目前数据中心行业通用的机房环境要求条件下，本发明可实现全工况复合即全年8760小时中任意时刻均采用自然冷却的模式（包含完全自然冷却模式和（或）部分自然冷却即自然冷却与机械冷却的混合冷却模式）或完全机械冷却模式，可大大降低数据中心的制冷空调能耗和数据中心整体PUE。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明所述的数据中心用全工况自然冷却的热管蒸发冷却模块化风冷空调机组的技术原理图。其室外侧包括直接蒸发段、间接换热段、冷凝风机段，其室内侧包括过滤段、混风段、间接换热段、机械冷却段、直接蒸发段、送风机段。

其中各个功能段分段设置、分段相连、分段安装、分段检修，可整体交付或分体交付，形成模块化空调机组，并可按照需求，选择其中部分功能段定制组合。所述间接换热段包括重力自然循环的高效热管换热器和冷凝风机，该热管换热器由热管蒸发器和热管冷凝器组成，所述热管蒸发器位于室内侧通道，热管冷凝器和热管冷凝风机位于室外侧通道。所述机械冷却段包括冷冻水（CW）盘管水冷空调系统，由CW盘管组成，所述CW盘管位于室内侧通道。所述直接蒸发段包含室内侧和室外侧，分别包括湿膜、水泵、喷嘴、集水盘，室外侧湿膜布置于室外新风与进入空调机组的冷凝侧的通道内，与热管冷凝器相邻；室内侧湿膜布置于机械冷却段与送风机段之间的室内送风通道内。所述水冷指机械冷却段的冷却方式采用冷冻水盘管（CW）水冷空调系统。

本发明中，所述过滤段由新风进风口、新风电动调节阀、空气过滤器组成，

空气过滤器可根据室外空气环境条件和室内环境要求选择相应的过滤级别。

本发明中，所述混风段由室外新风和数据中心机房的回风进行混合，根据室外空气环境温湿度、室外空气质量和数据中心机房的空调冷负荷等因素，由室外新风电动调节阀、数据中心机房的回风风阀（安装于机房回风管道上）分别调节，自动控制新风量和回风量的比例和大小，以达到数据中心机房要求的送风温度，同时避免寒冷季节室外送风温度过低造成机房结露，在室外空气温湿度和室外空气质量达标时尽量利用室外新风冷源，不达标时关闭新风电动调节阀，避免室外污染气体进入数据中心机房环境内。

本发明中，所述机械冷却段采用冷冻水盘管（CW）水冷空调系统，由CW盘管组成，CW盘管位于室内侧送风通道，冷冻水来自外部冷源，通过冷冻水把数据中心机房内的热量由CW盘管转移至外部。

本发明中，所述间接换热段采用重力自然循环的高效热管换热器进行自然冷却，该热管换热器由热管蒸发器和热管冷凝器组成，其热管蒸发器位于室内侧送风通道，热管冷凝器位于室外侧排风通道，采用空气-空气的间接换热方式进行热量的交换，把数据中心机房内的热量由热管蒸发器转移至热管冷凝器，并由冷凝风机将热量带走。实际使用中，间接换热段也可以采用热管以外的其他形式的换热器进行换热。

本发明中，所述直接蒸发段的室内侧和室外侧均采用湿膜加湿进行自然冷却，同时设置水泵、喷嘴、接水盘，并设置自动控制系统，控制喷水量和加湿量，以达到空气预冷的作用，并在寒冷季节时停用直接蒸发段，将水防空，以防冻结。

本发明中，所述送风机段设有送风机，将经过处理的低温空气送入数据中心机房内。

本发明中，视室外空气温湿度与空气质量情况、数据中心机房内的IT负荷与机房环境要求等因素综合确定各个功能段的设备的数量多少和规格大小。

本实施例所示系统工作模式如下：

（1）冬季寒冷季节：室外空气温度较低且空气质量情况达标，根据数据中心机房内的IT负荷与机房环境要求等因素条件，经计算分析后，在寒冷季节优先采用间接换热段进行完全自然冷却的模式即使用热管蒸发器1、热管冷凝器2，同时开启混风箱7、冷凝风机3、送风机6，将满足机房环境要求的空气送入室内。如室外空气质量情况不达标，则关闭新风电动风阀11，数据中心机房空气进行内循环。该过程属于空气-空气间接换热的完全自然冷却模式。

（2）春秋过渡季节：随着过渡季节室外空气温度提升和（或）数据中心机房内的IT负荷加大等因素出现且室外空气质量情况达标，而完全自然冷却的模式无法满足机房环境要求时，同时补充开启新风电动风阀11，室外新风与机房回风进行混合自然冷却和（或）直接蒸发段的湿膜4、水泵5，对间接换热段中的热管冷凝器2进行空气预冷，仍然采用完全自然冷却的模式，将经过处理的低温空气送入机房室内；可选择补充开启室外新风与机房回风混合的自然冷却和直接蒸发段的自然冷却其中的任一模式，也可同时补充开启两种模式，选择条件视室外空气温湿度与室外空气质量情况、数据中心机房内的IT负荷与机房环境要求等因素综合确定，并由自动控制系统执行。如空气质量情况不达标，则关闭新风电动风阀11，单独补充开启直接蒸发段（室内侧或（和）室外侧）的湿膜4或（和）4’、水泵5或（和）5’进行自然冷却，数据中心机房空气进行内循环；如受水质和（或）水处理成本以及运维成本限制，则关闭直接蒸发段（室内侧或（和）室外侧）的湿膜4或（和）4’、水泵5或（和）5’，单独补充开启新风电动风阀11，室外新风与机房回风混合自然冷却。该过程属于空气-空气间接自然冷却与水-空气直接蒸发自然冷却的联合完全自然冷却模式。

（3）夏季炎热季节：室外空气温度进一步提升和（或）数据中心机房内的IT负荷进一步加大等因素出现，而联合完全自然冷却模式无法满足机房环境要求时，再补充开启机械冷却模式，室内侧空气由机械冷却段中的CW盘管进行冷却。该过程属于空气-空气间接自然冷却与水-空气直接蒸发自然冷却及机械冷却的混合冷却模式。

（4）夏季炎热季节：室外空气温度进一步提升和（或）数据中心机房内的IT负荷进一步加大等因素、室外空气质量情况、受水质和（或）水处理成本以及运维成本限制而关闭直接蒸发段的自然冷却等几种因素同时或分别出现，导致自然冷却及机械冷却的混合冷却模式无法开启来满足机房环境要求时，则单独开启机械冷却模式，室内侧空气由机械冷却段中的CW盘管进行冷却。该过程属于完全机械冷却模式。

（5）季节模式切换：用于完全自然冷却模式、联合完全自然冷却模式、自然冷却与机械冷却的混合模式、完全机械冷却模式的切换条件有：室外空气温湿度、室外空气质量、数据中心机房内的IT负荷、机房环境参数要求、水处理要求等。采用自动控制结合手动控制进行切换。

本发明提供了一种适于全年使用的数据中心用全工况复合自然冷却的热管蒸发冷却模块化水冷空调机组，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其特征在于：所述空调机组分为室内侧和室外侧，所述室内侧送风通道上依次布置过滤段、混风段、间接换热段、机械冷却段、直接蒸发段、送风机段，各段依次串联连接；所述室外侧排风通道上依次布置直接蒸发段、间接换热段、冷凝风机段，各段依次串联连接；所述送风机段出口与数据中心机房内送风通道相通，混风段回风口与数据中心机房内回风通道相通。

2.根据权利要求1所述的一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其特征在于：所述过滤段由新风进风口（10）、新风电动调节阀（11）、空气过滤器（12）组成，上述部件在送风通道上依次布置。

3.根据权利要求1所述的一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其特征在于：所述混风段由室外新风和数据中心机房的回风进行混合。

4.根据权利要求1所述的一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其特征在于：所述机械冷却段采用冷冻水盘管水冷空调系统，由CW盘管（13）组成，CW盘管（13）位于室内侧送风通道，冷冻水来自外部冷源，通过冷冻水把数据中心机房内的热量由CW盘管转移至外部。

5.根据权利要求1所述的一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其特征在于：所述间接换热段采用热管换热器进行自然冷却，该热管换热器由热管蒸发器（1）和热管冷凝器（2）组成，其热管蒸发器（1）位于室内侧送风通道，热管冷凝器位于室外侧排风通道。

6.根据权利要求1所述的一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其特征在于：所述送风机段布置送风机（6），将经过处理的低温空气送入数据中心机房内。

7.根据权利要求1所述的一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其特征在于：所述直接蒸发段包含室内侧和室外侧，室外侧直接蒸发段包括湿膜（4）和喷淋装置，所述喷淋装置包括水泵（5）、接水盘和喷嘴，所述喷淋头布置在湿膜（4）的上方；室内侧直接蒸发段包括湿膜（4’）和喷淋装置，所述喷淋装置包括水泵（5’）、接水盘和喷嘴，所述喷淋头布置在湿膜（4’）的上方。

8.根据权利要求1所述的一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其特征在于：所述冷凝机段设置有冷凝风机（3），其布置在排风通道上的机械冷却段部分。

9.根据权利要求1所述的一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组，其特征在于：所述各个功能段所涉及的设备规格与参数可以根据实际需要进行调整，各个功能段可以根据实际需要进行自由组合与灵活搭配，室外新风进风与排风和数据中心机房送风与回风的风口位置与方向可根据实际需要调整位置，以满足不同的安装位置与条件和不同的技术要求。

10.一种数据中心用蒸发冷却模块化水冷空调机组的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：根据室外空气温湿度、空气质量、数据中心机房内的IT负荷，将控制方法分为完全自然冷却模式、联合完全自然冷却模式、自然冷却与机械冷却的混合模式、完全机械冷却模式；具体如下：

（1）完全自然冷却模式：该模式属于空气-空气间接换热的完全自然冷却，适用于冬季寒冷季节，室外空气温度较低且室外空气质量情况达标，根据数据中心机房内的IT负荷与机房环境要求因素条件，经计算分析后，该模式优先采用间接换热段进行完全自然冷却，同时开启混风段、冷凝风机、送风机段，将满足机房环境要求的空气送入室内；如室外空气质量情况不达标，则关闭室外新风与机房回风混合的自然冷却，数据中心机房空气进行内循环；

（2）联合完全自然冷却模式：该模式属于空气-空气间接自然冷却与水-空气直接蒸发自然冷却的联合完全自然冷却，适用于春秋过度季节；随着过渡季节室外空气温度提升和（或）数据中心机房内的IT负荷加大出现且室外空气质量情况达标，而完全自然冷却的模式无法满足机房环境要求时，同时补充开启室外新风与机房回风混合的自然冷却和（或）直接蒸发段，对间接换热段中的热管冷凝器进行空气预冷，仍然采用完全自然冷却的模式，将经过处理的低温空气送入机房室内；可选择补充开启室外新风与机房回风混合的自然冷却和直接蒸发段的自然冷却其中的任一模式，也可同时补充开启两种模式，选择条件视室外空气温湿度与空气质量情况、数据中心机房内的IT负荷与机房环境要求因素综合确定，并由自动控制系统执行；如室外空气质量情况不达标，则关闭室外新风与机房回风混合的自然冷却，单独补充开启直接蒸发段的自然冷却，数据中心机房空气进行内循环；如受水质和（或）水处理成本以及运维成本限制，则关闭直接蒸发段的自然冷却，单独补充开启室外新风与机房回风混合的自然冷却；其中直接蒸发段分为室内侧和室外侧两套，可灵活选择开启其中之一或同时开启；

（3）自然冷却与机械冷却的混合模式：该模式属于空气-空气间接自然冷却与水-空气直接蒸发自然冷却及机械冷却的混合冷却，适用于夏季炎热季节；室外空气温度进一步提升和（或）数据中心机房内的IT负荷进一步加大因素出现，而联合完全自然冷却模式无法满足机房环境要求时，再补充开启机械冷却模式，室内侧空气由机械冷却段中的CW盘管进行冷却；

（4）完全机械冷却模式：该模式适用于夏季炎热季节，室外空气温度进一步提升和（或）数据中心机房内的IT负荷进一步加大因素、室外空气质量情况、受水质和（或）水处理成本以及运维成本限制而关闭直接蒸发段的自然冷却几种因素同时或分别出现，导致自然冷却及机械冷却的混合冷却模式无法开启来满足机房环境要求时，则单独开启机械冷却模式，室内侧空气由机械冷却段中的CW盘管进行冷却；

S2：模式切换：根据室外空气温湿度、室外空气质量、数据中心机房内的IT负荷、机房环境各参数要求，采用自动控制结合手动控制进行切换。

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