CN207065759U - 一种带热回收/全自然冷却的机房散热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种带热回收/全自然冷却的机房散热系统，包括全自然冷却系统和热回收系统；所述全自然冷却系统包括冷却单元、冷却水泵、液冷系统和气冷系统，所述液冷系统和气冷系统的供液管和回液管分别通过管路并联的方式与所述冷却单元相连；所述热回收系统包括水源热泵机组、热源泵和用热设备，所述水源热泵机组与所述冷却单元并联，所述用热设备、热源泵和水源热泵机组依次连接形成循环回路。本实用新型利用自然冷源实现数据中心完全自然冷却，并且通过水源热泵机组回收利用液/气双通道的散热量，在夏季既为冷却单元作温度补偿，又同时提供冷量，在冬季则可以供暖，提高了机房能源利用效率，最大限度降低机房能耗。

Description

一种带热回收/全自然冷却的机房散热系统

技术领域

本实用新型涉及机房采暖散热领域，尤其是涉及一种带热回收/全自然冷却的机房散热系统。

背景技术

根据统计数据，我国数据中心能耗约占全国总能耗1.8%，相当于三峡水电站整年约1000亿度的发电量。但大量能源被制冷系统浪费（占比高达40%～50%，PUE值普遍高于2.2），严重制约了数据中心绿色可持续发展。

解决数据中心高能耗、高浪费问题的核心在于减少空调，甚至去除空调。而压缩机是空调系统主要的耗电部件，因此如何减少压缩机运行时间甚至去除压缩机是降低机房能耗的关键。目前在低温地区有数据中心采用自然冷源和转轮致冷等方式散热降温，但该方法对数据中心的选址存在限制；而采用行级空调或者热管背板空调等方式，虽然能在一定程度上降低机房的能耗，但是本质上还是依赖压缩机致冷，并不能从根本上解决机房能耗过大的问题。另一方面，数据中心全年对外散发大量热量，而与数据中心配套的周边办公、运维和宿舍等辅助建筑在冬季却同时需要大量的热量来解决供暖的问题，在非采暖季节也有提供生活、洗浴热水的需要。常规设计中，供暖通常需要锅炉解决，需要消耗大量煤炭、燃油、天然气等不可再生能源。而化石原料燃烧过程产生大量的CO₂是造成温室效应的主要原因，并且发电过程中粉尘和酸性气体等排放物严重污染环境，对人体健康造成损害。因此对数据中心热回收利用对提高能源利用效率，降低环境污染具有重要意义。

发明内容

为克服现有的技术缺陷，本实用新型提供了一种能源利用合理高效的带余热回收同时采用全自然冷却的机房散热系统。

为实现本实用新型的目的，采用以下技术方案予以实现：

一种带热回收/全自然冷却的机房散热系统，包括全自然冷却系统和热回收系统；所述全自然冷却系统包括冷却单元、冷却水泵、液冷系统和气冷系统，所述冷却单元、冷却水泵和液冷系统通过管路依次循环连接，所述气冷系统通过管路与液冷系统并联，同时与所述冷却单元和冷却水泵串联；所述热回收系统包括水源热泵机组、热源泵和用热设备，所述水源热泵机组与所述冷却单元并联且与冷却水泵和液冷系统串联，所述用热设备、热源泵和水源热泵机组依次循环连接。

在即将颁布的新版GB-50174中，我国国家和行业标准均将服务器允许进风温度由27℃扩大为32℃，这对冷却系统送风要求进一步放宽。本实用新型通过利用液/气双通道致冷技术，由液冷致冷系统带走服务器主要发热量，大幅提高了气冷系统的送风温度，因此使得液冷系统和气冷系统能够共用冷却单元，从而实现数据中心完全自然冷却，最大限度降低数据中心的PUE值。同时，本实用新型还设有包括水源热泵机组的热回收系统，一方面水源热泵机组回收一部分液/气双通道的散热量，减少冷却单元热负荷，同时为冷却单元作温度补偿，保证数据中心的自然冷却，另一方面还能够利用水源热泵机组将热量回收使用，如夏季为数据中心周边的办公、运维、宿舍等辅助建筑提供冷量，冬季则可以为数据中心周边的办公、运维、宿舍等辅助建筑供暖。如此，本实用新型实现了数据中心能量的合理高效利用，提高了数据中心能源的利用效率。

进一步地，所述液冷系统包括通过管路依次连接形成第一循环回路的中间换热器、液冷服务器机柜和内循环泵，所述中间换热器通过管路与所述冷却水泵和所述冷却单元依次连接形成第二循环回路，所述第一循环回路和所述第二循环回路在所述中间换热器中进行换热；所述气冷系统包括空调末端，所述空调末端、所述冷却单元和所述冷却水泵依次连接形成第三循环回路。

进一步地，所述液冷系统供液管和气冷系统供液管在并联处设有第一电动三通分流阀；所述液冷系统回液管和气冷系统回液管在并联处设有第一电动三通合流阀。其中，通过控制所述第一电动三通分流阀的开度来控制进入液冷系统和气冷系统供液管的冷却液的流量，而阀门的开度则根据液冷系统和气冷系统的热负荷比例来确定，并且阀门的开度也根据负荷的变化同步调节。

进一步地，所述冷却单元出口处设有第二电动三通合流阀，且所述第二电动三通合流阀的两个入口分别与水源热泵机组蒸发器出口以及所述冷却单元的出口相连，所述第二电动三通合流阀的出口与所述第一电动三通分流阀的入口相连；所述冷却单元进口处设有第二电动三通分流阀，所述第二电动三通分流阀的入口与所述第一电动三通合流阀的出口相连，所述第二电动三通分流阀的两出口分别与水源热泵机组蒸发器入口以及冷却单元的入口相连。其中，所述第二电动三通分流阀用于控制进入冷却单元和水源热泵机组的冷却液的流量，通过控制阀门的开度来控制冷却液的流量，而该阀门的开度根据冷却单元与水源热泵机组的热负荷比例来确定，并且也可根据负荷的变化同步调节阀门的开度。

优选地，所述空调末端为冷水盘管和/或机柜级风机墙；所述冷却单元为冷却塔或者干冷器；所述中间换热器优选板式换热器；所述用热设备包括吸收式制冷机、供暖末端。

一种上述的带热回收/全自然冷却的机房散热系统的运行方法，包括以下工作模式：

模式A：控制第一电动三通分流阀和第一电动合流阀打开，控制第二电动三通分流阀和第二电动三通合流阀关闭水源热泵机组蒸发器进出口的液体通道，水源热泵机组关闭；

模式B：控制第一电动三通分流阀和第一电动合流阀打开，将第二电动三通分流阀流向冷却单元和水源热泵的通道均打开，第二电动三通合流阀打开，同时启动水源热泵机组。

进一步地，所述模式B具体包括：

模式B1：控制与水源热泵机组相连的用热设备采用吸收式制冷机；

模式B2：控制与水源热泵机组相连的用热设备采用供暖末端。

当数据中心周边区域没有供冷或采暖需求时（如春季和秋季），本实用新型所提供的机房散热系统采用模式A运行，即关闭水源热泵机组蒸发器进出口的液体通道，数据中心服务器依靠全自然冷却系统实现散热；而当数据中心周边区域有供冷或采暖需求时（如夏季和冬季），本实用新型所提供的机房散热系统采用模式B运行，即启动水源热泵机组，利用水源热泵机组作为冷却单元温度补偿保证机房自然散热，并同时为数据中心办公区域供冷/供暖。

进一步地，由供液总管经过第一电动三通分流阀进入液冷系统和气冷系统供液管的冷却液的流量根据液冷系统和气冷系统的热负荷比例来确定，并且阀门的开度根据负荷的变化同步调节；由回液总管经过第二电动三通分流阀进入冷却单元和水源热泵机组的冷却液的流量根据冷却单元与水源热泵机组的热负荷比例来确定，并且阀门的开度根据负荷的变化同步调节。

液冷通道带走的是机柜内服务器主要发热元器件（例如CPU）的发热量，此部分的发热量占服务器总发热量的60%～90%（随CPU工作状态（满载或者降频）变化）；风冷通道解决液冷通道无法带走的服务器其余10%～30%分布式的发热量，因此通常情况下供液总管上第一电动三通分流阀流向液冷通道和气冷通道的冷却水的流量分配按此热负荷比例确定。冷却单元和水源热泵机组热负荷的比例按实际需求确定，例如数据中心办公区域/宿舍等辅助建筑供冷/采暖需求量大时，水源热泵机组可以100%回收液气双通道散热量，不需要冷却单元进行散热。具体如何得出热负荷比例需要进行参数监测及暖通计算，不在此详述。

与现有技术比较，本实用新型利用自然冷源实现数据中心完全自然冷却，并且通过水源热泵机组回收利用液/气双通道的散热量，在夏季既为冷却单元作温度补偿，又同时提供冷量，在冬季则可以供暖，提高了机房能源利用效率，最大限度降低机房能耗。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

附图说明：1. 冷却单元；2. 第二电动三通合流阀；3. 冷却水泵；4. 第一电动三通分流阀；5. 中间换热器；6. 内循环泵；7. 液冷服务器机柜；8. 空调末端；9. 第一电动三通合流阀；10. 第二电动三通分流阀；11. 水源热泵机组；12. 热源泵；13. 用热设备；14. 供液总管；15. 回液总管；16. 气冷系统供液管；17. 气冷系统回液管；18. 液冷系统供液管；19. 液冷系统回液管。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型实施方式作进一步详细地说明。

实施例

本实施例提供了一种带热回收/全自然冷却的机房散热系统，包括全自然冷却系统和热回收系统；所述全自然冷却系统包括冷却单元1、冷却水泵3、液冷系统和气冷系统，其中，冷却单元1、冷却水泵3和液冷系统通过管路依次循环连接，且气冷系统通过管路与液冷系统并联，同时与冷却单元1和冷却水泵3串联。所述液冷系统包括通过管路依次连接形成第一循环回路的中间换热器5、液冷服务器机柜7和内循环泵6，所述中间换热器5通过管路与所述冷却水泵3和所述冷却单元1依次连接形成第二循环回路，所述第一循环回路和所述第二循环回路在所述中间换热器5中进行换热。所述气冷系统包括空调末端8，所述空调末端8、所述冷却单元1和所述冷却水泵3依次连接形成第三循环回路。所述热回收系统包括水源热泵机组11、热源泵12和用热设备13，所述水源热泵机组11与所述冷却单元1并联且与冷却水泵3和液冷系统串联，所述用热设备13、热源泵12和水源热泵机组11依次连接形成循环回路。

所述液冷系统供液管18和气冷系统供液管16通过管路并联的方式与冷却单元1出口相连；所述液冷系统回液管19和气冷系统回液管17与冷却单元1入口相连。其中，所述液冷系统供液管18和气冷系统供液管16共用部分为供液总管14，所述液冷系统回液管19和气冷系统回液管17共用的部分为回液总管15。

其中，所述液冷系统供液管18和气冷系统供液管16的并联处设有第一电动三通分流阀4；所述液冷系统回液管19和气冷系统回液管17并联处设有第一电动三通合流阀9。

其中，冷却单元1的出口处设有第二电动三通合流阀2，且第二电动三通合流阀2的两个入口分别与水源热泵机组11的蒸发器出口以及冷却单元1的出口相连，第二电动三通合流阀2的出口与第一电动三通分流阀4的入口相连；所述冷却单元1的进口处设有第二电动三通分流阀10，所述第二电动三通分流阀10的入口与所述第一电动三通合流阀9的出口相连，所述第二电动三通分流阀10的两出口分别与水源热泵机组11蒸发器入口以及冷却单元1的入口相连。

优选地，中间换热器5优选板式换热器；空调末端8为冷水盘管和机柜级风机墙，或者其它形式的散热末端；冷却单元1为冷却塔或者干冷器；用热设备13包括吸收式制冷机以及暖气片、风机盘管或者其它形式的供暖末端。

本实施例的运行方式如下：

所述机房散热系统运行时默认第一电动三通分流阀和第一电动合流阀完全打开，根据季节不同，运行方式如下：

（一）在夏季，气温炎热的时候，冷却单元1换热能力不足时，为保证数据中心自然冷却，此时第二电动三通分流阀10流向冷却单元1和水源热泵11的通道均打开，第二电动三通合流阀2打开；启动水源热泵机组11，与水源热泵机组11相连的用热设备启用吸收式制冷机13，水源热泵机组11回收一部分液/气双通道散热量，减少冷却单元1热负荷，同时为冷却单元1作温度补偿；并通过吸收式制冷机13为数据中心办公区域提供冷量。如此实现利用水源热泵11作为冷却单元温度补偿并同时为数据中心办公区域供冷的目的。

（二）在冬季，气温较低，液气双通道均可通过自然冷却满足数据中心的散热需求。但此时与数据中心配套的周边办公、运维、宿舍等建筑还有供暖和供热水的需要。此时系统的运行方式如下：第二电动三通分流阀10流向冷却单元1和水源热泵11的通道均打开，第二电动三通合流阀2打开；启动水源热泵机组11，与水源热泵机组11相连的用热设备13启用风机盘管、暖气片或者其它形式的供暖末端，水源热泵11回收一部分或者全部的液/气双通道散热量，并通过供暖末端为数据中心办公区域提供热量。如此实现利用水源热泵11回收液气双通道散热量为数据中心办公区域供暖的目的。

（三）在过渡季节（春季和秋季），数据中心周边区域没有供冷或采暖需求时，通过控制第二电动三通分流阀10和第二电动三通合流阀2，关闭水源热泵机组11蒸发器进出口的液体系统，数据中心服务器依靠全自然冷却系统实现散热。

进一步地，由供液总管经过第一电动三通分流阀4进入液冷系统和气冷系统的冷却液的流量根据液冷系统和气冷系统的热负荷比例来确定，并且阀门的开度根据负荷的变化同步调节；由回液总管经过第二电动三通分流阀10进入冷却单元1和水源热泵机组11的冷却液回液的流量根据冷却单元1与水源热泵11的热负荷比例来确定，并且阀门的开度根据负荷的变化同步调节。

Claims (7)

1.一种带热回收/全自然冷却的机房散热系统，其特征在于，包括全自然冷却系统和热回收系统；

所述全自然冷却系统包括冷却单元、冷却水泵、液冷系统和气冷系统，所述冷却单元、冷却水泵和液冷系统通过管路依次循环连接，所述气冷系统通过管路与液冷系统并联，同时与所述冷却单元和冷却水泵串联；

所述热回收系统包括水源热泵机组、热源泵和用热设备，所述水源热泵机组与所述冷却单元并联且与冷却水泵和液冷系统串联，所述用热设备、热源泵和水源热泵机组依次循环连接。

2.根据权利要求1所述的带热回收/全自然冷却的机房散热系统，其特征在于，所述液冷系统包括通过管路依次连接形成第一循环回路的中间换热器、液冷服务器机柜和内循环泵，所述中间换热器通过管路与所述冷却水泵和所述冷却单元依次连接形成第二循环回路，所述第一循环回路和所述第二循环回路在所述中间换热器中进行换热；所述气冷系统包括空调末端，所述空调末端、所述冷却单元和所述冷却水泵依次连接形成第三循环回路。

3.根据权利要求1或2所述的带热回收/全自然冷却的机房散热系统，其特征在于，所述液冷系统供液管和气冷系统供液管在并联处设有第一电动三通分流阀；所述液冷系统回液管和气冷系统回液管在并联处设有第一电动三通合流阀。

4.根据权利要求3所述的带热回收/全自然冷却的机房散热系统，其特征在于，所述冷却单元出口处设有第二电动三通合流阀，且所述第二电动三通合流阀的两个入口分别与水源热泵机组蒸发器出口以及所述冷却单元的出口相连，所述第二电动三通合流阀的出口与所述第一电动三通分流阀的入口相连；所述冷却单元进口处设有第二电动三通分流阀，所述第二电动三通分流阀的入口与所述第一电动三通合流阀的出口相连，所述第二电动三通分流阀的两出口分别与水源热泵机组蒸发器入口以及冷却单元的入口相连。

5.根据权利要求2所述的带热回收/全自然冷却的机房散热系统，所述空调末端为冷水盘管和/或机柜级风机墙。

6.根据权利要求2所述的带热回收/全自然冷却的机房散热系统，其特征在于，所述冷却单元为冷却塔或者干冷器；所述中间换热器为板式换热器。

7.根据权利要求1所述的带热回收/全自然冷却的机房散热系统，其特征在于，所述用热设备包括吸收式制冷机、供暖末端。