CN208332588U - 一种双冷源数据中心 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种双冷源数据中心，包括：壳体、至少一个服务器机柜、换热器、第一制冷单元、第二制冷单元和第三制冷单元，所述第一制冷单元为冷却水机组，所述第二制冷单元为闭式冷却塔，所述至少一个服务器机柜设置在所述壳体内；本方案采用双冷源液冷方式，根据室外空气的干球温度和湿球温度来选择双冷源液冷系统的运行模式，避免全年开启压缩机，也避免单独冷却塔系统难以应对极端天气情况，实现集装箱数据中心的节能冷却、精确控制和安全可靠运行，能够解决现有数据中心风冷末端散热能力低、室内外机占用空间、机柜数目摆放少等问题。

Description

一种双冷源数据中心

技术领域

本实用新型涉及数据中心技术领域，特别是涉及一种双冷源数据中心。

背景技术

数据中心传统的制冷方式通常采用以冷媒冷却空气、利用冷空气带走服务器热量的冷却方式，这种末端风冷的冷却方式具有技术成熟、系统简单安全的优点。随着数据中心规模的发展，数据中心功率密度也越来越高，而若采用传统的风冷冷却方式，利用地板送风的数据中心功率密度仅能支持单机柜3～5kW，利用行级空调的数据中心可以将功率密度提升到单机柜8～15kW，当功率密度提高时，就必须采取加大送风风量、降低送风温度等措施，对制冷系统的要求大幅提高，也会因此浪费大量冷量，耗费大量电能；而当功率密度进一步提高，单机柜功率高于10kW以及更高时，采用风冷往往不能满足局部热点的散热需求，单机柜十几千瓦功率接近风冷冷却的极限，更高的单机柜功率密度则很难采用风冷末端来实现制冷，空气的传热效率极大地限制了数据中心功率密度的提升，同时也存在室内外机占用空间、机柜数目摆放少的缺陷。

液冷数据中心顺应高密度和低PUE的发展趋势而生，液冷数据中心的出现随着机械加工工艺的提升消除了数据中心对液体泄露的担忧。采用水等液体带走服务器发热元件的热量是一种效率远高于空气的冷却方式，采用液冷可以实现数据中心的高密布置和对热点的精确控制，更加适应越来越大规模的数据中心。

某些小型液冷数据中心规模较小，尤其是只有几个液冷机柜时，往往采用风冷冷凝器+直膨式机械制冷机组制备冷水，冷水再通过换热器冷却电子信息设备液冷循环水。这种系统全年开启机械制冷机组，虽采用液冷提高了机房的功率密度，但并不节能。

某些液冷数据中心利用冷却塔提供的高温冷水，经过一次换热制备35～45℃的温水并通到电子信息设备中。这种系统虽然取消了机械制冷机组，但仅在部分全年干冷的地区适用，当遇到超出冷却塔额定工况的极端工况时，冷却塔提供的温水往往不满足电子信息设备对循环冷却水的温度要求，该系统PUE虽低，对系统安全可靠运行却有所影响。

因此，亟需一种双冷源数据中心，以能够解决现有数据中心风冷末端散热能力低、室内外机占用空间、机柜数目摆放少等问题。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种双冷源数据中心，采用双冷源液冷方式，根据室外空气的干球温度和湿球温度来选择双冷源液冷系统的运行模式，避免全年开启压缩机，也避免单独冷却塔系统难以应对极端天气情况，实现集装箱数据中心的节能冷却、精确控制和安全可靠运行，能够解决现有数据中心风冷末端散热能力低、室内外机占用空间、机柜数目摆放少等问题。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：

第一方面，提供一种双冷源数据中心，包括：壳体、至少一个服务器机柜、换热器、第一制冷单元、第二制冷单元和第三制冷单元，其中，

所述至少一个服务器机柜设置在所述壳体内，

所述第一制冷单元，用于当所述壳体外部的温度大于所述第一温度阈值，利用机械制冷提供的冷却水在换热器内对所述至少一个服务器机柜的热回水进行冷却；

所述第二制冷单元，用于当所述壳体外部的温度大于所述第二温度阈值，利用冷却塔制冷提供的冷却水在换热器内对所述至少一个服务器机柜的热回水进行冷却；

所述第三制冷单元，用于当所述壳体外部的温度小于等于所述第二温度阈值，利用空气制冷提供的冷却水在换热器内对所述至少一个服务器机柜的热回水进行冷却；

所述第一温度阈值大于第二温度阈值。

进一步的，所述第一制冷单元为冷却水机组，所述第二制冷单元为闭式冷却塔，还包括板式换热器，其中，

所述闭式冷却塔与板式换热器之间位于进出水管路上设置有冷却水机组，

所述闭式冷却塔与冷却水机组的冷却水出水、进水管路上分别设置有第一电动阀门、第二电动阀门，

所述冷却水机组与板式换热器的冷却水出水、进水管路上分别设置有第五电动阀门、第六电动阀门，

位于冷却水机组两侧的进出水管路之间设置有用于直接连通所述闭式冷却塔与板式换热器的旁通进出水管，

所述的旁通出水管、旁通进水管上分别设置有第三电动阀门、第四电动阀门。

进一步的，所述冷却水机组包括冷凝器、膨胀阀、压缩机、蒸发器。

进一步的，所述闭式冷却塔包括喷淋水循环泵、喷淋装置、盘管。

进一步的，所述第一温度阈值为28度，第二温度阈值为10度。

进一步的，所述第一电动阀门位于冷却塔出口-冷凝器入口管路，所述第二电动阀门位于冷凝器出口-冷却塔入口管路，所述第三电动阀门位于冷却塔出口-板式换热器低温侧入口管路，所述第四电动阀门位于板式换热器低温侧出口-冷却塔入口管路，所述第五电动阀门位于蒸发器出口-板式换热器低温侧入口管路，所述第六电动阀门位于板式换热器低温侧出口-蒸发器入口管路。

进一步的，所述板式换热器另一侧设有板式换热器高温侧进水管，板式换热器高温侧出口管，板式换热器高温侧进水管为电子信息设备液冷环路回水管，板式换热器高温侧出水管为电子信息设备液冷环路供水管。

相对于现有技术，本实用新型的有益效果：

(1)本申请为了解决风冷末端散热能力低的问题，采用液冷冷却方式，将冷却介质通到电子信息设备发热元件上，利用水等液体通过冷板等小型换热器直接带走发热元件产生的热量，实现更高的散热效率和更高的功率密度，能够支持单机柜几十甚至上百千瓦的功率，从而意味着相同的集装箱内可以承载更多数量、更高功率的电子信息设备。

(2)本申请冷却介质直接通入电子信息设备发热元件的小型换热器上，无需设置空调室内机，并用集中冷却水机组取代室外机，从而解决了传统集装箱数据中心电子信息设备机柜空间不足的问题，解放出集装箱内更大的空间来摆放机柜，承载更多的电子信息设备。

(3)本申请采用双冷源液冷方式，针对一般的液冷系统不利用或单纯依赖自然冷源的问题，实时采集室外空气气象参数，对比集装箱数据中心的设定温度，根据室外空气的干球温度和湿球温度来选择双冷源液冷系统的运行模式，避免全年开启压缩机，也避免单独冷却塔系统难以应对极端天气情况，实现集装箱数据中心的节能冷却、精确控制和安全可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例的结构示意图。

图2是本申请另一个实施例的结构示意图。

图中，1-闭式冷却塔；2-喷淋水循环泵；3-喷淋装置；4-盘管；5-冷凝器；6-膨胀阀；7-冷却水机组压缩机；8-蒸发器；9-板式换热器；10-第一电动阀门；11-第二电动阀门；12-第三电动阀门；13-第四电动阀门；14-第五电动阀门；15-第六电动阀门；16-板式换热器高温侧进水管；17-板式换热器高温侧出口管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

图1是本申请一个实施例的结构示意图。

如图1所示，该双冷源数据中心100包括：

壳体101、至少一个服务器机柜102、换热器103、第一制冷单元104、第二制冷单元105和第三制冷单元106，其中，

所述至少一个服务器机柜102设置在所述壳体101内，

所述第一制冷单元104，用于当所述壳体101外部的温度大于所述第一温度阈值，利用机械制冷提供的冷却水在换热器103内对所述至少一个服务器机柜102的热回水进行冷却；

所述第二制冷单元105，用于当所述壳体101外部的温度大于所述第二温度阈值，利用冷却塔制冷提供的冷却水在换热器内103对所述至少一个服务器机柜102的热回水进行冷却；

所述第三制冷单元106，用于当所述壳体101外部的温度小于等于所述第二温度阈值，利用空气制冷提供的冷却水在换热器103内对所述至少一个服务器机柜102的热回水进行冷却；

所述第一温度阈值大于第二温度阈值。

图2是本申请另一个实施例的结构示意图。

如图2所示，双冷源液冷集装箱数据中心的外部冷源有两个，分别是闭式冷却塔+冷却水机组和闭式冷却塔，该系统包含两套通道：闭式冷却塔-冷却水机组-板式换热器和闭式冷却塔-板式换热器。

双冷源数据中心系统主要包括：

闭式冷却塔4、冷却水机组、板式换热器9，其中，

所述闭式冷却塔4与板式换热器9之间位于进出水管路上设置有冷却水机组，

所述闭式冷却塔4与冷却水机组的冷却水出水、进水管路上分别设置有第一电动阀门10、第二电动阀门11，

所述冷却水机组与板式换热器9的冷却水出水、进水管路上分别设置有第五电动阀门14、第六电动阀门15，

位于冷却水机组两侧的进出水管路之间设置有用于直接连通所述闭式冷却塔4与板式换热器9的旁通进出水管，

所述的旁通出水管、旁通进水管上分别设置有第三电动阀门12、第四电动阀门13。

可选地，作为本申请一个实施例，所述冷却水机组包括冷凝器5、膨胀阀6、压缩机7、蒸发器8。

可选地，作为本申请一个实施例，所述闭式冷却塔包括喷淋水循环泵2、喷淋装置3、盘管4。

可选的，作为本申请一个实施例，所述第一电动阀门10位于冷却塔出口-冷凝器入口管路，所述第二电动阀门11位于冷凝器出口-冷却塔入口管路，所述第三电动阀门12位于冷却塔出口-板式换热器低温侧入口管路，所述第四电动阀门13位于板式换热器低温侧出口-冷却塔入口管路，所述第五电动阀门14位于蒸发器出口-板式换热器低温侧入口管路，所述第六电动阀门位于板式换热器低温侧出口-蒸发器入口管路。

可选的，作为本申请一个实施例，所述板式换热器9另一侧设有板式换热器高温侧进水管16，板式换热器高温侧出口管17，板式换热器高温侧进水管16为电子信息设备液冷环路回水管，板式换热器高温侧出水管17为电子信息设备液冷环路供水管。

具体的：

(1)闭式冷却塔

闭式冷却塔是自然冷源的利用端，利用喷淋水的蒸发来冷却盘管里的水，理论上可以将冷却塔的回水降低到室外空气的湿球温度(湿球温度比干球温度要低，而且空气相对湿度越小，干球温度与湿球温度的差值越大，间接蒸发冷却的效果越好)。在寒冷地区冬季室外空气温度比较低的情况下，可以关闭喷淋，单纯利用空气对流来冷却盘管里的水。

喷淋水循环泵、喷淋装置构成了冷却塔的喷淋系统，当室外温度较高而相对湿度较低时，开启喷淋系统，喷淋水在盘管上雾化蒸发吸热，理论上可以将盘管内的水温降低到室外空气的湿球温度，实际工程中由于不完全蒸发和存在换热效率，可以将盘管内的水温降低到比室外空气湿球温度高1～3℃的温度，即使如此，仍然比表冷器的换热效率高得多。

盘管内流动的是闭式冷却塔的供回水，冷却塔出水在两个通道的作用相同，都是用于冷却，但冷却对象不同。在闭式冷却塔-冷却水机组-板式换热器这一通道内，冷却塔出水进入冷却水机组的冷凝器，用于带走冷凝器中制冷剂的热量；在闭式冷却塔-板式换热器通道内，冷却塔出水进入板式换热器低温侧的入口，用于直接带走电子信息设备液冷回路回水的热量。盘管外可以增加填料，用于增大喷淋水与盘管的接触面积，进一步增强喷淋蒸发冷却效果。

(2)冷却水机组

冷却水机组的作用是利用机械制冷提供的冷却水，保证液冷集装箱数据中心能够在极端室外气象条件下，冷却塔供水温度上升时，依然稳定地为电子信息设备提供充足且稳定的冷量，提高对抗夏季高温高湿之类极端环境的能力。

(3)板式换热器

板式换热器作用是在集装箱数据中心液冷环路和外部冷源之间进行热量交换，利用外部冷源冷却电子信息设备液冷环路的回水，提供一定流量、一定温度的供水，冷量来自冷却水机组的冷却水出水或冷却塔直接提供的温水。

本实用新型所设计的双冷源液冷系统用于单个集装箱时，无需分集水器，板式换热器直接连接集装箱内的液冷循环回路。当用于多个集装箱组成的集群时，则需要设置分水器和集水器。分水器入口连接板式换热器高温侧出口，出口分别连接若干个集装箱数据中心电子信息设备液冷回路的供水口，用于液冷循环回路的供水分流。集水器出口连接板式换热器高温侧入口，入口分别连接若干个集装箱数据中心电子信息设备液冷回路的回水口，用于液冷循环回路的回水合流。

也就是说，在不同室外环境工况下，主要由以下三种运行模式：

(1)在炎热夏季或者空气湿度较高的情况下，通常是室外空气湿球温度高于冷却塔额定工况要求的28℃时，闭式冷却塔不能按照额定工况运行，其出水温度较高，不能直接用来冷却电子信息设备液冷环路回水。在这种情况下，①闭式冷却塔喷淋水系统开启，阀门10/11/14/15开启，即闭式冷却塔-冷却水机组-板式换热器通道开启；②阀门12/13关闭，即闭式冷却塔-板式换热器通道关闭；③开启2/3，启动喷淋装置和喷淋水循环泵，对盘管里的水进行间接蒸发冷却降温。此时闭式冷却塔和冷却水机组同时工作，对回水进行冷却；系统由冷却水机组提供冷水与电子信息设备液冷环路回水在换热器内进行换热，热量经过板式换热器、蒸发器、冷凝器、冷却塔盘管，最终通过闭式冷却塔的喷淋水蒸发随着空气流动排到大气中。

(2)在室外空气湿球温度低于冷却塔的额定要求(一般是28℃)但干球温度仍然较高时，闭式冷却塔在喷淋系统启动的情况下出水温度较低(低于但接近室外空气湿球温度)，能够使电子信息设备液冷环路回水降低到所需温度。在这种情况下，①关闭阀门10/11/14/15，冷却水机组压缩机关闭，冷却水机组停止运行，即闭式冷却塔-冷却水机组-板式换热器通道关闭；②阀门12/13开启，即闭式冷却塔-板式换热器通道开启；③开启2/3，启动喷淋装置和喷淋水循环泵，对盘管里的水进行间接蒸发冷却降温。系统由冷却塔直接提供温水与电子信息设备液冷环路回水进行换热，热量经过板式换热器、冷却塔盘管，通过闭式冷却塔的喷淋水蒸发随着空气流动排到大气中。

(3)在室外空气干球温度较低时(一般是低于10℃)，即使不开启喷淋，冷却塔单纯通过室外空气的对流换热就能将盘管内的水降低到可以直接冷却电子信息设备液冷回水的温度。在这种情况下，①关闭阀门10/11/14/15，冷却水机组压缩机关闭，冷却水机组停止运行，即闭式冷却塔-冷却水机组-板式换热器通道关闭；②阀门12/13开启，即闭式冷却塔-板式换热器通道开启；③关闭2/3，关闭冷却塔的喷淋装置和喷淋水循环泵，只依赖冷却塔自带风机带动空气流动，冷却盘管中的水。系统由冷却塔直接提供温水与电子信息设备液冷环路回水进行换热，热量经过板式换热器、冷却塔盘管，通过闭式冷却塔空气对流换热排到大气中。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本实用新型进行了详细描述，但本实用新型并不限于此。在不脱离本实用新型的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本实用新型的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本实用新型的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种双冷源数据中心，其特征在于，包括：

壳体、至少一个服务器机柜、换热器、第一制冷单元、第二制冷单元和第三制冷单元，其中，

所述至少一个服务器机柜设置在所述壳体内，

所述第一制冷单元，用于当所述壳体外部的温度大于28度时，利用机械制冷提供的冷却水在换热器内对所述至少一个服务器机柜的热回水进行冷却；

所述第二制冷单元，用于当所述壳体外部的温度大于10度时，利用冷却塔制冷提供的冷却水在换热器内对所述至少一个服务器机柜的热回水进行冷却；

所述第三制冷单元，用于当所述壳体外部的温度小于等于10度时，利用空气制冷提供的冷却水在换热器内对所述至少一个服务器机柜的热回水进行冷却。

2.根据权利要求1所述的双冷源数据中心，其特征在于，所述第一制冷单元为冷却水机组，所述第二制冷单元为闭式冷却塔，还包括板式换热器，其中，

所述闭式冷却塔与板式换热器之间位于进出水管路上设置有冷却水机组，

所述闭式冷却塔与冷却水机组的冷却水出水、进水管路上分别设置有第一电动阀门、第二电动阀门，

所述冷却水机组与板式换热器的冷却水出水、进水管路上分别设置有第五电动阀门、第六电动阀门，

位于冷却水机组两侧的进出水管路之间设置有用于直接连通所述闭式冷却塔与板式换热器的旁通进出水管，

所述的旁通出水管、旁通进水管上分别设置有第三电动阀门、第四电动阀门。

3.根据权利要求2所述的双冷源数据中心，其特征在于，所述冷却水机组包括冷凝器、膨胀阀、压缩机、蒸发器。

4.根据权利要求3所述的双冷源数据中心，其特征在于，所述闭式冷却塔包括喷淋水循环泵、喷淋装置、盘管。

5.根据权利要求2所述的双冷源数据中心，其特征在于，所述第一电动阀门位于冷却塔出口-冷凝器入口管路，所述第二电动阀门位于冷凝器出口-冷却塔入口管路，所述第三电动阀门位于冷却塔出口-板式换热器低温侧入口管路，所述第四电动阀门位于板式换热器低温侧出口-冷却塔入口管路，所述第五电动阀门位于蒸发器出口-板式换热器低温侧入口管路，所述第六电动阀门位于板式换热器低温侧出口-蒸发器入口管路。

6.根据权利要求4所述的双冷源数据中心，其特征在于，所述板式换热器另一侧设有板式换热器高温侧进水管，板式换热器高温侧出口管，板式换热器高温侧进水管为电子信息设备液冷环路回水管，板式换热器高温侧出水管为电子信息设备液冷环路供水管。