数据中心的制冷系统、制冷方法和机房改建方法

技术领域

本发明涉及数据中心机房的制冷方法及系统，特别涉及一种基于干盘管蒸发冷却的机房，以及对现有机房进行改造形成基于干盘管蒸发冷却机房的方法。

背景技术

PUE(Power Usage Effectiveness)是评价数据中心能源效率的指标。PUE的值约趋近于1表明非IT设备耗能越少，即能效水平越好，现有的机房PUE值通常在1.4至1.5左右。

现有的机房制冷通常是采用风冷精密空调，其单机制冷能力较小，一个机房需要多台风冷空调才能满足需求。而风冷空调的制冷系统的能效比低：采用风冷方式，能效比较水冷制冷系统低，全年运行能耗大。

现有机房制冷系统也有采用水冷制冷机组系统或者间接蒸发制冷，水冷精密空调工作时产生大量冷凝水，为了保证机房内设备运行需要设置处理冷凝水的相关设备。而间接蒸发制冷需要占用较大的空间，一般的数据中心场地无法满足要求，间接蒸发技术主要在层数较少的多层建筑，且室外场地较宽裕的数据中心使用，数据中心同时满足这两者条件的并不多见，并且如果要重新打造使用这种技术的数据中心，就需要牺牲宝贵的建筑面积，减少总体机柜数来作为代价。

在中国发明专利申请(公开号CN104456774A)中公开了一种应用于IDC机房热湿独立控制空调系统，其包括闭式冷却塔、水冷制冷机组、冷水罐、冷冻水泵、冷却水泵、干盘管模块、新风除湿模块、排风设备、嵌入式控制系统、、闭式冷却塔进风干湿球温度传感器、干盘管模块进水温度传感器、干盘管模块出水温度传感器。其运行时基于判断室外空气的干球温度，选择水冷制冷机组运行或停机，和闭式冷却塔湿运行工况，以达到节能的目的。该发明的系统实质上是通过闭式冷却塔和水冷制冷机组对热交换介质进行冷却，然后热交换介质通过干盘管冷却室内的空气。其主要是通过干盘管本身无需除湿的特性实现节能，仅有一种干盘管一种末端设备，但该系统中干盘管与水冷制冷机组为串联连接，需要强大的控制系统进行调节控制，无形中增加成本，若某一处发生故障将导致制冷系统瘫痪。

为了降低冷却系统的功耗，中国实用新型专利(公开号CN204902077U)公开了一种二级制冷换热系统，包括位于室外的第一级制冷单元、位于室外的第二级制冷单元和位于室内的室内机单元，室外的第一级制冷单元和第二级制冷单元分别通过传输管与室内机单元连接，室内机单元包括风机、第一蒸发器和第二蒸发器，所述第一蒸发器与所述第一换热器相连，所述第二蒸发器与所述第二换热器相连。其通过两个制冷单元为室内机单元提供交换热的冷源，实现大温差制冷，更加节能。但该系统中采用液冷制冷的方式，需要特定场地安装，且成本高。其他的二级制冷技术在国际专利申请(公开号WO2020/037843A1)、中国实用新型专利(公开号CN210980215U)和美国专利(专利号US7270278B2)中均有公开。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中数据中心制冷能耗较高的不足，提供一种基于干盘管蒸发冷却系统，以及对现有机房进行改造形成基于干盘管蒸发冷却系统的方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种数据中心的制冷系统，包括第一制冷系统和第二制冷系统，第一制冷系统包括位于室外的第一制冷单元，与第一制冷单元相连的第一室内换热单元，第二制冷系统包括第二制冷单元，与第二制冷单元相连的第二室内换热单元，其中：

所述第一制冷单元为冷机，第一室内换热单元为精密空调，所述第二制冷单元为闭式冷却塔，第二室内换热单元为干盘管。

本发明的一些优选技术方案如下：

优选地，所述制冷系统还包括开式冷却塔，所述开式冷却塔的冷却水管路通过板式换热器与第一室内换热单元(精密空调)排出的热交换介质(冷冻水)进行热交换，吸收第一室内换热单元释放的热量。冷冻水经过降温后进入冷机进一步降低温度，然后再输入室内的精密空调。

优选地，当室外湿球温度低于5.5℃，或开式冷却塔供水温度低于10.5℃时，所述开式冷却塔与板式换热器运行，所述精密空调的制冷介质通过管路系统在所述板式换热器与所述开式冷却塔的冷却水换热；第一制冷单元和第二制冷单元关闭，开式冷却塔和板式换热器及精密空调组成的制冷系统承担第一制冷系统的全部冷负荷。

优选地，机房内的空气经由第二换热单元后，再经由第一换热单元从出风口进入机房。

还包括设置在空调室内的温度传感器，所述冷机为冷水机组，该冷水机组将冷却介质输出至精密空调，当所述温度传感器测量温度低于或等于预设温度阈值时，所述冷水机组停止为IT机房供冷。

优选地，所述预设温度阈值小于或等于23℃。

优选地，还包括设置在干盘管的风扇。

优选地，在干盘管出风口处还设有温度传感器，当所述温度传感器探测温度低于或等于设定温度阈值时，第一制冷单元不再为IT机房供冷，仅保持低频率承担其他区域负荷运行。

优选地，所述冷机为冷水机组，该冷水机组输出冷冻水的温度是供水12℃回水18℃。

优选地，所述精密空调和所述干盘管安装在室内的空调间内，所述干盘管安装在所述空调间的上方侧壁上，机房内的空气经由侧壁上的干盘管进入所述空调间，所述精密空调的出风从所述空调间下部进入机房。

优选地，所述精密空调和所述干盘管安装在室内的空调间内，所述干盘管安装在所述空调间的上方吊顶上，机房内的空气经由吊顶上的所述干盘管进入所述空调间，所述精密空调的出风从所述空调间下部进入机房。

优选地，输入所述干盘管的冷却介质温度是12℃至33℃，对应的输入所述精密空调的冷却介质的温度是12℃。

优选地，所述干盘管设置在机房内服务器机柜的出风口。

另一方面，本发明还提供一种数据中心机房制冷方法，包括，在机房空气进入空调间之前设置干盘管；机房内空气经由干盘管后进入空调间，通过在空调间设置温度传感器监测空调间的温度，根据监测的空调间温度控制第一制冷系统运行为机房提供冷气从所述空调间下部进入机房。

再一方面，本发明还提供一种将现有数据中心机房制冷系统的改造方法，包括，在机房至空调间的进气口处安装干盘管，将干盘管与室外的闭式冷却塔连接。

优选地，在空调间侧壁上部设置所述进气口，将所述干盘管安装在所述进气口处。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明使用二级制冷，其中的干盘管与闭式冷却塔的制冷方式可以尽量利用湿球温度的自然冷却，在某些工况下其PUE可以达到1.1以下，再结合精密空调制冷，二者相互作用，机房的PUE值可以达到1.25以下。并且两级制冷能够独立工作，在单独设备需要停机或出现故障时，另一套制冷系统可以单独工作，维持机房内服务器的正常工作。考虑到机房所在地的气候原因，在某些时段的气候条件，可以由干盘管和闭式冷却塔单独制冷，降低PUE值，提高能效比例。进一步的，本发明的系统和方法适用于对现有存量机房的改建，无需停机修建，只需要在空调间内增加干盘管，在室外增加闭式冷却塔即可，整个改建占地小，无需停机改建。

附图说明：

图1为本发明实施例的示意图。

图2位本发明实施例机房布置的示意图。

图3是本发明另一实施例的机房布置的示意图。

图4是本发明实施例中所采用的干盘管部分的系统示意图。

图5是本发明实施例中开式冷却塔和冷机部分的连接示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1和图2所示，本发明的具体实施例一种数据中心的制冷系统，包括位于室外的冷机(第一制冷单元)，与冷机相连的精密空调，精密空调位于室内的空调间中，用于向机房提供冷风。

现有的机房也通常会采用精密空调进行温度控制，精密空调是在原有普通空调架构上，把传统的泵组、阀组、过滤除污器、仪器仪表，配套部件和控制系统等部件组合在一起形成的具有省电、低噪音、低辐射、低功耗特点的空调系统。精密空调通常会采用下送上回式送风，即将冷气直接进入活动地板下，这样使地板下形成静压箱，然后通过地板送风口，把冷气均匀地送入机房内，送入设备机柜内。在某些情况下也可以采用上送下回式送风，在本实施例中是采用下送上回式送风。而对应的冷机采用的是冷水机组。精密空调的制冷系统，冷冻水供回水12/18℃，PUE一般在1.4～1.6之间。

通常的精密空调制冷系统包括两个制冷循环，冷却水循环和冷冻水循环，其中，冷却水循环由开式冷却塔1及其管路组成，冷冻水循环由冷机2(冷水机组)、精密空调(室内机)及其管路组成。冷却水和冷冻水在板式换热器处进行换热。根据室外季节变化，冷却水温度会不断变化，从而可以将冷冻水制备分为三种模式，即采用电制冷模式、部分自然冷却模式、完全自然冷却模式,三种工况切换由BMS自控系统实现。自然冷却设计可以充分利用室外天然冷源，以节省冷水机组运行费用。三种制冷模式及其管路设计对于本领域技术人员来说是熟知的。其中，部分自然冷却模式：当室外湿球温度降低(低于11℃)，冷却塔提供的冷却水供水温度低于16.5℃时，系统进入部分自然冷却状态，冷却水经板式换热器冷却冷冻水回水，冷冻水回水经板式换热器部分冷却后进入冷水机组蒸发器，提供12℃的冷冻水。完全自然冷却模式：当室外湿球温度足够低(低于5.5℃)，冷却塔可以提供低于10.5℃的冷却水时，系统进入完全自然冷却状态，冷冻水经板式换热器与冷却水水水交换，直接提供12℃的冷冻水，冷水机组关闭。具体的模式转换条件及电动阀门等执行机构的开关控制。

为了达到降低PUE的发明目的，在精密空调的基础上，本实施例增加了干盘管(第二制冷单元)换热的第二制冷系统。如图1所示的，所述第二制冷系统包括干盘管，及与干盘管连接至室外的闭式冷却塔，利用湿球温度的变化调节干盘管与闭式冷却塔之间水风(空气)换热。干盘管与闭式冷却塔用风水换热完全可以达到与间接蒸发制冷一样的节能效果，全年PUE可以达到1.25以下。干盘管安装在空调间与机房之间的进气通道中(侧壁上的进气口)。机房中的热空气经过干盘管换热后再进入精密空调的进气口。这样进入精密空调的空气已经是经过干盘管预冷的空气，经干盘管预冷的空气，可以保持精密空调低负荷运行，有效的降低精密空调的能耗，进而降低整个机房的PUE。

本实施例的方案充分利用了湿球温度进行风水换热，即自然冷却，其PUE可以达到1.1以下，再与精密空调配合，达到机房所需温度，并降低精密空调的能耗，即本实施例的方案能够在节能效果达到与间接蒸发制冷一致同时，避免了间接蒸发制冷的缺陷。考虑到闭式冷却塔的体积和干盘管的设置无需占用大量的空间，并且可以在现有的数据中心里进行增设，实现双制冷系统，降低了PUE的同时，提高了数据中心的可靠性。

在实际控制中，干盘管低温进水温度与送风温度的温差可按4℃考虑，则干盘管供水温度达到19℃，可实现完全自然冷却；闭式冷却塔出水温度与湿球温度Tw的温差可按3℃考虑，出水温度19℃时，湿球温度须16℃，可实现完全自然冷却，此时冷水机组不再承担IT机房制冷负荷。

如图3所示的，本发明的另一实施例，其与上一实施例不同之处仅在于干盘管的安装位置不同，本实施例中，在空调间上部形成吊顶，干盘管安装在吊顶上，机房的空气(大部分空气或绝大部分空气)经由吊顶上的干盘管进入空调间。

在上述实施例的基础上，可以将所述冷机选定为冷水机组，该冷水机组将冷却介质输出至精密空调，并且在空调室内安装的温度传感器，当所述温度传感器测量温度低于或等于预设温度阈值(例如23℃，或者其他预定的适于机房运行的温度)时，所述冷水机组停止为IT机房供冷。

如图4所示的，本发明的实施例中，在机房的制冷系统中，闭式冷却塔可以安装在屋面(或者屋顶)，其输送的冷水经过水泵进入机房内的干盘管系统，完成制冷工作。在本实施例中，部分干盘管为带风机的干盘管(DC4-5)，其管外余压为0Pa，部分干盘管为不带风机的干盘管(DC5-1)。与精密制冷空调结合设置后，由于已经有了完整的制冷系统作为N使用，此系统不需要再设置冗余备份。闭式冷却塔与冷机同步启停，当进入常规系统的完全自然冷却阶段时，此系统冷却塔及水泵完全停止运行。在本实施例中，还提供了一些对应的闭式冷却塔参数和干盘管参数，依照次参数设置，可以在对应的机房中得到更好的制冷效果。具体的闭式冷却塔的设置细节和参数如表1：

表1

对应的配合工作的干盘管(DC4-5)以及干盘管(DC5-1)的参数分别如表2和表3所示。

表2

表3

本领域技术人员可以根据上述参数，根据机房所需要的冷量、精密制冷空调的参数、当地的气候和机房的环境温度需求调整参数设计，以得到适用的闭式冷却塔和干盘管参数。

在某些实施例中，本领域技术人员也可以将干盘管设置在机柜的出风口，其也能够起到降低机房PUE的作用，但该设置相对于将干盘管设置在空调间会增加设置难度，可能在安装时会影响设备运行。

从现有存量机房改造成本发明实施例的机房制冷系统仅需在空调间增设干盘管，并在室外增设与干盘管连接的闭式冷却塔。该方案具有以下优点：改造时可以不影响现有系统运行，两套制冷系统可以增加可靠性(如果有一套发生故障，另一套仍可维持机房温度)，利用湿球温度的自然制冷时间大大增加，在送风温度25℃的情况下，全国各地方都可以将PUE控制在1.3以下，改建成本较低，而节约能耗效果明显，各个组件都可以在市场上采购到成熟的设备。

现有的存量机房中，北京、上海、深圳常规方案(送风23℃)理论计算PUE值分别为1.4，1.47和1.58。在对现有机房进行改建，以上述干盘管加精密空调的方式制冷，充分利用自然冷却的效果后，基于各地的温度、湿度条件，北京、上海、深圳改建后的机房预期PUE值可以达到1.23，1.26和1.34。对应的改建后的机房由于能效比的提升，节约的能源可以在一个合理的期间收回投入改建的成本，整套改建方案成本低，效果显著。