RU2719561C2

RU2719561C2 - Energy-efficient container-modular data processing centre

Info

Publication number: RU2719561C2
Application number: RU2018129265A
Authority: RU
Inventors: Вера Сергеевна Бурцева; Андрей Сергеевич Бурцев; Константин Андреевич Куфтырев; Игорь Александрович Рубцов; Илья Юрьевич Юфа
Original assignee: Акционерное Общество "БЮРО ТЕХНИКИ"
Priority date: 2018-08-09
Filing date: 2018-08-09
Publication date: 2020-04-21
Also published as: RU2018129265A; RU2018129265A3

Abstract

FIELD: ventilation.

SUBSTANCE: invention relates to air conditioning and ventilation devices in heat centres of data processing centres (DPC). Unlike known technical solutions, water evaporation and evaporation cooling chamber is discharged into environment. At the same time the container is used, on the housing sides of which there are air intake and air outlet openings, and inside there are stands with computer equipment, data storage systems, and also heat-removing ventilation, which includes air filters and fans. Cooling system is arranged outside container and is made in the form of evaporative cooling equipment for air containing pump, as well as distributing pipelines and sprayers, which are installed in zone of action of suction plume of air intake holes.

EFFECT: technical result is to reduce power consumption of the data processing centers.

4 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха и вентиляции и может быть использовано в различных теплонапряженных помещениях центров обработки данных (ЦОД), расположенных в основном в труднодоступных районах, в сложных условиях горного рельефа, в условиях вечной мерзлоты, но может быть использовано и для обычных офисных и производственных помещений с большим количеством тепловыделяющего оборудования в целях создания комфортных условий микроклимата. При этом в основном заявленное изобретение предназначено для ускоренной и мало затратной постройки ЦОД малой, средней и большой производительности.The invention relates to air conditioning and ventilation systems and can be used in various heat-stressed rooms of data processing centers (DPCs), located mainly in hard-to-reach areas, in difficult conditions of mountainous terrain, in permafrost, but can also be used for ordinary office and production facilities with a large amount of heat-generating equipment in order to create comfortable microclimate conditions. However, basically the claimed invention is intended for accelerated and low cost construction of data centers of small, medium and high performance.

Известны технические решения модульных ЦОД контейнерного типа, например, описанные в патентах №№2638731, 2610144, 2598355, 2444868, а также действующие ЦОД, см., например, https://cont-plus.ru/gotovye-resheniya-iz-konteynerov/konteyner-dlya-maining-ferm, http://www.trinitymining.com/ru.html, http://bit-cube.ru/.Known technical solutions of modular data centers of the container type, for example, described in patents No. 2638731, 2610144, 2598355, 2444868, as well as existing data centers, see, for example, https://cont-plus.ru/gotovye-resheniya-iz-konteynerov / konteyner-dlya-maining-ferm, http://www.trinitymining.com/ru.html, http://bit-cube.ru/.

Известен также ЦОД, выбранный в качестве прототипа, http://www.cioperm.ru/doc_2014/Conteyner%20COD_Schneider%20Electric.pdf.Also known is the data center, selected as a prototype, http://www.cioperm.ru/doc_2014/Conteyner%20COD_Schneider%20Electric.pdf.

В то же время недостатками всех этих решений является то, что сама система охлаждения таких контейнерных ЦОД потребляет значительное количество электроэнергии, реализуя холодильный цикл. Однако вследствие того, что эксплуатационные платежи за электроэнергию в настоящее время достаточно высоки, поэтому повышение энергоэффективности работы ЦОД приобретает большое значение.At the same time, the disadvantages of all these solutions is that the cooling system of such container data centers consumes a significant amount of electricity, realizing the refrigeration cycle. However, due to the fact that operating payments for electricity are currently quite high, therefore, increasing the energy efficiency of the data center is of great importance.

Задачей изобретения является создание энергоэффективной и малозатратной системы охлаждения, но отвечающей одновременно требованиям ASHRAE Standard 90.4-2016 - Energy Standard for Data Centers (ANSI Approved) по оптимальным и допустимым значениям температур и влажности на входе в электрические вычислители.The objective of the invention is the creation of an energy-efficient and low-cost cooling system, but at the same time meeting the requirements of ASHRAE Standard 90.4-2016 - Energy Standard for Data Centers (ANSI Approved) for optimal and permissible values of temperature and humidity at the entrance to electrical computers.

Технический результат заключается в снижении энергоемкости ЦОД за счет испарительного охлаждения воздуха за границами контейнерного корпуса и повышения интенсивности массообмена между воздухом и каплями воды.The technical result consists in reducing the energy consumption of the data center due to evaporative cooling of the air outside the container body and increasing the intensity of mass transfer between air and water drops.

Это достигается за счет того, что в отличие от известных технических решений для охлаждения оборудования используется система испарительного охлаждения, причем камера испарения воды и испарительного охлаждения воздуха из-за недостатка свободных пространств в ЦОД контейнерного типа вынесена в окружающую среду, а точнее в область всасывающих факелов воздухозаборных отверстий.This is achieved due to the fact that, in contrast to the known technical solutions, an evaporative cooling system is used to cool the equipment, and the chamber for evaporating water and evaporative air cooling due to the lack of free spaces in the container-type data center is placed in the environment, and more precisely in the region of suction flares air intake holes.

С учетом сказанного указанный технический результат достигается при реализации заявленного энергоэффективного контейнерно-модульного ЦОД, оборудованного системой охлаждения и содержащего, по меньшей мере, один контейнер, на сторонах корпуса которого размещены воздухозаборные и воздуховыпускные отверстия, а внутри размещены стойки с вычислительным оборудованием, системами хранения данных, а также теплоотводящая вентиляция, включающая воздушные фильтры и вентиляторы. При этом система охлаждения размещена снаружи контейнера и выполнена в виде оборудования для испарительного охлаждения воздуха, содержащего насос, а также распределительные трубопроводы и распылители, которые установлены в зоне действия всасывающего факела воздухозаборных отверстий.In view of the foregoing, the indicated technical result is achieved by implementing the claimed energy-efficient container-modular data center equipped with a cooling system and containing at least one container, on the sides of the housing of which there are air intake and air outlet openings, and racks with computing equipment and data storage systems are placed inside as well as heat dissipation ventilation, including air filters and fans. In this case, the cooling system is located outside the container and is made in the form of equipment for evaporative cooling of air containing a pump, as well as distribution pipelines and sprayers, which are installed in the zone of operation of the suction plume of the air intake openings.

В частном случае распылители ЦОД выполнены в виде полимерных или металлических мембран толщиной 0,1÷0,5 мм с квадратным или прямоугольным отверстием для истечения воды, соотношение сторон которого от 1:1 до 1:4, а их минимальный размер 0,3÷1,0 мм, при этом отверстие со стороны набегающего потока воды перекрыто арочным элементом, ось которого расположена вдоль длинной стороны отверстия. Под арочным элементом возникает мощный автоколебательный процесс в ходе которого идет интенсивное распыление воды.In the particular case, the data center sprays are made in the form of polymer or metal membranes with a thickness of 0.1 ÷ 0.5 mm with a square or rectangular hole for water outflow, the aspect ratio of which is from 1: 1 to 1: 4, and their minimum size is 0.3 ÷ 1.0 mm, while the hole on the side of the incoming water flow is blocked by an arched element, the axis of which is located along the long side of the hole. Under the arched element, a powerful self-oscillating process occurs during which intense spraying of water occurs.

В другом частном случае зона воздухозаборных отверстий для механической защиты электронного оборудования и фильтров от пыли, переносимой ветрами вдоль поверхности земли, и защиты капельного спрея распылителей от воздействия порывов ветра отделена от окружающей среды выгородкой из легких панелей высотой не менее двух метров и выполненных, например, из сотового поликарбоната, с трех сторон в случае, если в состав ЦОД КТ входит только один элемент модуля - контейнерный ЦОД (фиг. 1), и с двух сторон, если контейнеры ЦОД образуют модуль, состоящий из двух контейнерных ЦОД (фиг. 3). Таким образом, воздух окружающей среды может попасть в выгородку только через открытую верхнюю горизонтальную плоскость, расположенную выше уровня земли на 2÷3,5 метра.In another particular case, the zone of air intake openings for mechanical protection of electronic equipment and filters from dust carried by winds along the earth's surface and for protecting the spray droplets of sprayers from the effects of wind gusts is separated from the environment by a wall of lightweight panels at least two meters high and made, for example, from cellular polycarbonate, on three sides, if the CT data center includes only one module element - a container data center (Fig. 1), and on both sides, if the data center containers form a module, consisting of one of two container data centers (Fig. 3). Thus, ambient air can enter the partition only through an open upper horizontal plane located 2–3.5 meters above ground level.

В третьем частном случае в нижней трети вышеуказанной огороженной зоны устроен воздуховод, присоединенной к осевому вентилятору, всасывающий патрубок которого может быть размещен в упомянутой зоне или вынесен наружу, а на верхней образующей воздуховода вдоль его оси выполнено два или более прямоугольных отверстия с соотношением сторон от 1:1 до 1:4, причем меньший размер отверстий находится в интервале 50÷200 мм, а сами отверстия перекрыты с внутренней стороны воздуховода арочными элементами, при этом ось каждого арочного элемента параллельна большей оси отверстия. Задача этого воздуховода интенсификация массообмена между воздухом и каплями, т.е. заставить двигаться каплю относительно воздуха, создавая турбулентные пульсации для ускорения испарения капли.In the third particular case, an air duct is arranged in the lower third of the above-mentioned enclosed zone, connected to an axial fan, the suction pipe of which can be placed in the said zone or carried out, and on the upper generatrix of the air duct, two or more rectangular openings are made along its axis with an aspect ratio of 1 : 1 to 1: 4, and the smaller size of the holes is in the range of 50 ÷ 200 mm, and the holes themselves are blocked from the inside of the duct by arched elements, while the axis of each arched element is parallel in much the bore axis. The task of this duct is to intensify the mass transfer between air and drops, i.e. make the droplet move relative to the air, creating turbulent pulsations to accelerate the evaporation of the droplet.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется рисунками. На фиг. 1÷6 представлено схематическое изображение ЭКМ ЦОД, а на фиг. 7÷8 представлены 3D-модели ЭКМ ЦОД.The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings. In FIG. 1 ÷ 6 is a schematic representation of the ECM of the data center, and in FIG. 7 ÷ 8 presents 3D models of ECM data centers.

ЭКМ ЦОД содержит по меньшей мере один контейнер, выполненный, как вариант, из морского грузового или специально изготовленного контейнера.The ECM data center contains at least one container, made, as an option, from a sea cargo or specially made container.

На фиг. 1 и 2 представлен вариант ЭКМ ЦОД, состоящего из одного контейнера и содержащий корпус 1 с воздуховыпускными 2 и воздухозаборными 3 отверстиями, пространство корпуса содержит тамбур 4 и помещение, внутри которого размещены вычислительные электрические устройства 5. Воздухозаборные отверстия 3 оснащены фильтрами грубой очистки 6, вентиляторами 7 и фильтрами тонкой очистки 8. Как вариант отверстия 2 и 3 могут оснащаться воздухозаборными решетками 13 и воздуховыпускными решетками 14. Система испарительного охлаждения содержит насос 9, расположенный, как вариант, в тамбуре 4, распределительный трубопровод с распылителями 10, размещенный в выгородке 12; кроме того, в выгородке 12, как вариант, может быть расположен воздуховод 15 с воздуховыпускными отверстиями, перекрытыми арочными элементами, и осевой вентилятор 16.In FIG. Figures 1 and 2 show a variant of an ECM data center consisting of one container and comprising a housing 1 with air outlet 2 and air intake 3 openings, the housing space contains a vestibule 4 and a room inside which computing electrical devices 5 are placed. Air intake openings 3 are equipped with coarse filters 6, fans 7 and fine filters 8. Alternatively, openings 2 and 3 can be equipped with air intake grilles 13 and air exhaust grilles 14. The evaporative cooling system comprises a pump 9 located the second, as an option, in the vestibule 4, the distribution pipe with sprayers 10, located in the baffle 12; in addition, in the partition 12, as an option, an air duct 15 with air outlet openings blocked by arched elements and an axial fan 16 can be located.

На фиг. 3 и 4 представлен вариант ЭКМ ЦОД, состоящий из двух контейнеров, зоны выгородок 12 объединены.In FIG. 3 and 4, a variant of the ECM data center is presented, consisting of two containers, the walls of the baffles 12 are combined.

На фиг. 7 и 8 показан воздуховод 15 с осевым вентилятором 16, размещенный в нижней трети выгородки.In FIG. 7 and 8 show the duct 15 with an axial fan 16, located in the lower third of the partition.

Вся электрическая мощность, потребляемая находящимися в ЭКМ ЦОД вычислительными электрическими устройствами, переходит в теплоту, для отвода которой вентиляторы 7 нагнетают через устройства 5 воздух, в объеме 200÷300 м³/час на каждый 1,0 кВт потребляемой мощности.All the electrical power consumed by the computing electrical devices located in the ECM DPC is converted to heat, for the removal of which the fans 7 pump air through the devices 5 in a volume of 200 ÷ 300 m ³ / h for every 1.0 kW of power consumption.

Для очистки воздуха от пыли служат фильтры грубой очистки 6 и тонкой очистки 8, например, G4 и F5.Coarse filters 6 and fine filters 8, for example, G4 and F5, are used to clean air from dust.

В теплый период года, особенно в условиях, когда солнечная радиация перегревает дневную поверхность земли, начинает работать система испарительного охлаждения воздуха, включая насос 9, распределительную сеть трубопроводов с распылителями 10. Распределительная сеть и распылители, а возможно и насос, вынесены из корпуса контейнера и размещены таким образом, что водный спрей, образуемый распылителями поступает в зону всасывающих факелов воздухозаборных отверстий 3.In the warm season, especially in conditions when solar radiation overheats the surface of the earth, an evaporative air cooling system starts to work, including pump 9, a distribution network of pipelines with sprayers 10. The distribution network and sprayers, and possibly the pump, are removed from the container body and placed in such a way that the water spray formed by the nozzles enters the zone of the suction flames of the air intake holes 3.

Для защиты воздухозаборов от пыли и песка, перемещаемых ветром вдоль поверхности земли, а также, для увеличения пути испарения капель воды и защиты капельного спрея от порывов ветра, зоны всасывающих факелов воздухозаборов защищены выгородками 12 из легких панелей.To protect the air intakes from dust and sand moved by the wind along the surface of the earth, as well as to increase the evaporation path of water droplets and protect the drip spray from wind gusts, the zones of the suction flares of the air intakes are protected by barriers 12 from light panels.

В результате работы вентиляторов 7 наружный воздух засасывается через открытую часть выгородки 12, проходит сквозь водный спрей 11 и охлажденный поступает в корпус контейнера 1 ЭКМ ЦОД через воздухозаборные отверстия 3, фильтры грубой 6 и тонкой очистки 8, далее проходит сквозь вычислительные электрические устройства, нагреваясь и отводя тем сам от них избытки тепла и удаляется из ЭКМ ЦОД через воздуховыпускные отверстия 2. Водяной спрей 11 создается путем распыла воды, подаваемой насосом 9, расположенным в тамбуре 4 (или за габаритами корпуса контейнера) в распределительный трубопровод с распылителями 10.As a result of the operation of the fans 7, the external air is sucked in through the open part of the baffle 12, passes through the water spray 11 and the cooled enters the casing of the container 1 of the ECM data center through the air inlet 3, coarse filters 6 and fine filters 8, then passes through the computing electrical devices, heating up and thereby removing excess heat from them and is removed from the ECM of the data center through the air outlet 2. A water spray 11 is created by spraying water supplied by a pump 9 located in the vestibule 4 (or outside the housing onteiner) into the distribution pipe with sprayers 10.

Если в состав ЭКМ ЦОД входят два контейнера (фиг. 3 и 4) и более, то располагаются они таким образом, чтобы выгородка 12 была общим пространством между распределительными трубопроводами с распылителями первого и второго контейнеров.If the ECM data center includes two containers (Figs. 3 and 4) or more, then they are positioned so that the partition 12 is the common space between the distribution pipelines with atomizers of the first and second containers.

В выгородке идут тепломассообменные процессы в двухфазной среде: капли воды взаимодействуют с воздухом окружающей среды и испаряясь охлаждают воздух.Heat and mass transfer processes occur in a baffle in a two-phase medium: water droplets interact with the ambient air and evaporate to cool the air.

Процесс тепломассообмена нельзя считать интенсивным, хотя бы потому, что естественно природная интенсивность турбулентности окружающей среды составляет всего 3%, ε=v'/v100=3%, где v' - пульсационная составляющая в атмосферном воздухе, v - средняя скорость потока атмосферного воздуха.The process of heat and mass transfer cannot be considered intense, if only because naturally the natural intensity of environmental turbulence is only 3%, ε = v '/ v100 = 3%, where v' is the pulsation component in atmospheric air, v is the average flow rate of atmospheric air.

Малая интенсивность турбулентности обеспечивает очень небольшое относительное движение капель и воздуха. Для повышения ε до 50÷55% в нижней части выгородки установлен воздуховод 15, в который подают осевым вентилятором 16 воздух самой выгородки или воздух окружающей среды, (фиг. 7 и 8).The low intensity of turbulence provides a very small relative movement of droplets and air. To increase ε to 50–55%, an air duct 15 is installed in the lower part of the partition, into which the air of the partition itself or ambient air is supplied with an axial fan 16 (Figs. 7 and 8).

На верхней образующей воздуховода 15 выполнено два и более прямоугольных отверстий с соотношением сторон от 1:1 до 1:4. Отверстия, со стороны набегающего потока перекрыты арочными элементами.On the upper generatrix of the duct 15, two or more rectangular holes are made with an aspect ratio of 1: 1 to 1: 4. The openings on the side of the incoming flow are blocked by arched elements.

Истечение воздуха из отверстия, перекрытого арочным элементом, сопровождается сильным автоколебательным процессом под аркой. Результирующее течение имеет угол раскрытия ~120°, а интенсивность турбулентности в нем 50÷60%, то есть пульсации потока, порожденные под аркой в автоколебательном процессе сохраняются в последующем и в результирующем течении.The outflow of air from an opening covered by an arched element is accompanied by a strong self-oscillating process under the arch. The resulting flow has an opening angle of ~ 120 °, and the intensity of turbulence in it is 50 ÷ 60%, that is, the flow pulsations generated under the arch in the self-oscillating process are stored in the subsequent and in the resulting flow.

Так, если отверстие имеет размеры 150×300, а скорость истечения из-под арки 5,0 м/с, то частота автоколебаний по перекладке потока по концам арки составит ориентировочно:So, if the hole has dimensions of 150 × 300, and the outflow speed from under the arch is 5.0 m / s, then the frequency of self-oscillations along the flow transfer along the ends of the arch will be approximately:

f=Sh⋅v/l=2,98 Гц, гдеf = Sh⋅v / l = 2.98 Hz, where

Sh ≈ 0,2 число СтрухаляSh ≈ 0.2 Strouhal number

V=5 м/с - скорость истеченияV = 5 m / s - discharge velocity

L=0,335 м - диагональ отверстияL = 0.335 m - hole diagonal

Порождаемая автоколебаниями интенсивность турбулентности до уровня 50÷55% обеспечивает интенсивное относительное движение капель и воздуха. Массообмен интенсифицируется и капли активно испаряются в воздух.The turbulence intensity generated by self-oscillations up to the level of 50–55% ensures intensive relative motion of droplets and air. Mass transfer is intensified and droplets actively evaporate into the air.

Результирующее течение поднимает капли, вовлекает их в интенсивный массообмен и не позволяет каплям, особенно условно крупным с d≈30 мкм, упасть на грунт выгородки.The resulting flow raises the droplets, draws them into intense mass transfer and does not allow the droplets, especially conditionally large with d≈30 μm, to fall onto the soil of the septum.

Claims

1. An energy-efficient container-modular data center (DPC), equipped with a cooling system and including at least one container, on the sides of the housing of which there are air intake and air outlet openings, and racks with computing electrical equipment, data storage systems, and a heat sink are placed inside ventilation, including air filters and fans, characterized in that the cooling system is located outside the container and is made in the form of equipment for evaporative cooling the air containing the pump, as well as distribution pipelines and atomizers, which are installed in the area of operation of the suction plume of the air intake openings.

2. The data center according to claim 1, characterized in that the atomizers are made in the form of polymer or metal membranes with a thickness of 0.1 ÷ 0.5 mm with a square or rectangular hole for water outflow, the aspect ratio of which is from 1: 1 to 1: 4, and their minimum size is 0.3 ÷ 1.0 mm, while the hole on the side of the incoming water flow is blocked by an arched element, the axis of which is located along the long side of the hole.

3. The data center according to claim 1, characterized in that the area of the air inlet openings is enclosed by a partition made, for example, of sheets of cellular polycarbonate, the height of the partition being at least two meters.

4. The data center according to claim 3, characterized in that in the lower third of the fenced area there is a duct connected to an axial fan, the suction pipe of which can be placed in the said zone or brought out, on the upper generatrix of the duct along its axis there are two or more rectangular holes with an aspect ratio of 1: 1 to 1: 4, the smaller size of the holes being in the range of 50 ÷ 200 mm, and the holes themselves are blocked from the inside of the duct by arched elements, while the axis of each arched element is parallel to the pain neck axis of the hole.