一种适应上海地区的高能效数据中心冷却系统的制作方法

本发明涉及数据中心节能技术领域，尤其涉及一种适应上海地区的高能效数据中心冷却系统。

背景技术：

互联网和信息化技术服务市场的快速扩张，对数据中心基础设施建设的需求不断增长，机房密度的提高使得数据中心的耗能成为一个越来越严重的课题。优化数据中心冷却系统是实现数据中心节能的有效途径。但是数据中心冷却系统随着地区的不同呈现不同的技术特征，对于上海地区而言，其气候特性并不适合照抄一些湖水冷却、室外新风冷却等技术，甚至不能照搬北方地区适用的单纯热管技术。因此，必须针对上海地区的气候特征，建立一套完整的适合上海地区的高能效数据中心冷却系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种适应上海地区的高能效数据中心冷却系统，达到降低数据中心能耗，确保数据中心核心设备的稳定高效运行并适应上海地区的效果。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种适应上海地区的高能效数据中心冷却系统，包括自然冷量利用系统、多次换热全氟利昂热量输配系统、末端吸热系统；所述自然冷量利用系统连接着所述多次换热全氟利昂热量输配系统，所述多次换热全氟利昂热量输配系统连接着所述末端吸热系统；

所述自然冷量利用系统包括冷却塔，所述冷却塔内设置有风水一次换热翅片、风水一次垂直换热盘管、风水二次换热翅片、风水二次水平换热盘管、整体可敞开阵列式轴流风机、气流紊流导流板和雾化喷嘴；所述风水一次垂直换热盘管为多组并联的由里至外的蛇形盘管，盘绕着所述风水一次换热翅片，所述风水一次垂直换热盘管连接着所述风水二次水平换热盘管，所述风水二次水平换热盘管为多组平行的由上至下的蛇形盘管，盘绕着所述风水二次换热翅片；所述整体可敞开阵列式轴流风机为两个4*2的矩阵组共16个直流无刷风机并安装在所述风水二次水平换热盘管上方；所述风水二次水平换热盘管下方设置有所述雾化喷嘴，所述雾化喷嘴下方安装有所述气流紊流导流板。

优选的，所述末端吸热系统包括三级氟利昂热管吸热盘管、三级氟利昂热管吸热翅片和阵列式三级氟利昂热管吸热风机；

所述三级氟利昂热管吸热盘管盘绕着所述三级氟利昂热管吸热翅片，所述三级氟利昂热管吸热盘管一侧设置有所述阵列式三级氟利昂热管吸热风机。

优选的，所述多次换热全氟利昂热量输配系统包括一级气液转化装置、二级气液转化装置、三级气液转化装置和最终气液转化装置，所述最终气液转化装置连接着所述一级气液转化装置，所述一级气液转化装置连接着所述二级气液转化装置，所述二级气液转化装置连接着所述三级气液转化装置，所述三级气液转化装置包括接触式三级氟利昂热管冷凝器、三级氟利昂热管液体输配管和三级氟利昂热管气体输配管；

所述接触式三级氟利昂热管冷凝器一端连接着所述三级氟利昂热管液体输配管，另一端连接着所述三级氟利昂热管气体输配管，所述三级氟利昂液体输配管连接着所述三级氟利昂热管吸热盘管的一端，所述三级氟利昂气体输配管连接着所述三级氟利昂热管吸热盘管的另一端。

优选的，所述二级气液转化装置包括板换式二级氟利昂热管冷凝器、二级氟利昂热管液体分配器、二级氟利昂热管液体输配管、接触式二级氟利昂热管液体气化器、二级氟利昂热管气体输配管和二级氟利昂热管气体汇总器；

所述接触式二级氟利昂热管液体气化器紧密贴合所述接触式三级氟利昂热管冷凝器，所述接触式二级氟利昂热管液体气化器一端连接着所述氟利昂热管液体输配管，另一端连接着二级氟利昂热管气体输配管，所述二级氟利昂热管液体输配管中间设置有所述二级氟利昂热管液体分配器，所述二级氟利昂气体输配管中间设置有所述二级氟利昂气体分配器，所述板换式二级氟利昂热管冷凝器一端连接着所述二级氟利昂热管气体输配管，另一端连接着所述二级氟利昂热管液体输配管。

优选的，所述一级气液转化装置包括壳管式氟利昂气化器、一级氟利昂热管液体分配器、一级氟利昂热管液体输配管、板换式一级氟利昂液体气化器、一级氟利昂热管气体输配管和一级氟利昂热管气体汇总器；

所述壳管式氟利昂气化器内设置有一级氟利昂热管冷凝管，所述一级氟利昂热管冷凝管一端连接着所述一级氟利昂热管液体输配管，另一端连接着所述一级氟利昂热管气体输配管，所述一级氟利昂热管液体输配管中间设置有一级氟利昂热管液体分配器，所述一级氟利昂热管气体输配管中间设置有一级氟利昂热管气体汇总器，所述板换式一级氟利昂热管液体气化器紧密贴合所述板换式二级氟利昂热管冷凝器，所述板换式一级氟利昂热管液体气化器一端连接着所述一级氟利昂热管液体输配管，另一端连接着所述一级氟利昂热管气体输配管。

优选的，所述最终气液转化装置包括氟利昂气体总管、氟利昂气体分配管、氟利昂气体汇总管、气体单向止回阀、氟利昂气体传输管、磁悬浮压缩机、低压氟利昂气体分配器、氟利昂气液混合分离汇总器和氟利昂气液混合输送管；

所述氟利昂气液混合输送管一端连接着所述壳管式氟利昂气化器，另一端连接着所述氟利昂气液混合分离汇总器，所述氟利昂气液混合分离汇总器连接着所述低压氟利昂气体分配器，所述低压氟利昂气体分配器连接着所述磁悬浮压缩机，所述磁悬浮压缩机连接着所述气体单向止回阀，所述气体单向止回阀连接着所述氟利昂气体输送管，所述氟利昂气体输送管连接着所述氟利昂气体汇总管，所述氟利昂气体汇总管连接着所述氟利昂气体总管，所述氟利昂气体总管连接着所述氟利昂气体分配管，所述氟利昂气体分配管连接着所述高压氟利昂气体分配器。

优选的，所述风水二级水平换热盘管连接着氟利昂液气输配管，所述氟利昂液气输配管连接着氟利昂液体分配器，所述氟利昂液体分配器连接着所述氟利昂液体输配管，所述氟利昂液体输配管连接着所述壳管式氟利昂液体气化器。

优选的，所述壳管式氟利昂气化器内流动着一类型氟利昂，所述一类型氟利昂是一种经过压力控制后，可在5℃至18℃蒸发的氟利昂工质；

所述板换式一级氟利昂热管液体气化器内部流动着二类型氟利昂，所述二类型氟利昂是一种经过压力控制后，可在8℃至20℃蒸发的氟利昂工质。

优选的，所述接触式二级氟利昂热管液体气化器内部流动着三类型氟利昂液体，所述三类型氟利昂液体是一种经过压力控制后，可在10℃至23℃蒸发的氟利昂工质。

优选的，所述接触式三级氟利昂热管冷凝器内流动着所述四类型氟利昂液体，所述四类型氟利昂液体是一种经过压力控制后，可在12℃至25℃蒸发的氟利昂工质。

附图说明

图1是本发明的框架图。

其中：(1)风水一次换热翅片、(2)风水一次垂直换热盘管、(3)风水二次换热翅片、(4)风水二次水平换热盘管、(5)整体可敞开阵列式轴流风机、(6)气流紊流导流板、(7)近距离雾化喷嘴、(8)高压氟利昂气体分配器、(9)氟利昂气体总管、(10)氟利昂气体分配管、(11)氟利昂气体汇总器、(12)气体单向止回阀、(13)氟利昂气体传输管、(14)磁悬浮压缩机、(15)低压氟利昂气体分配器、(16)氟利昂气液混合分离汇总器、(17)氟利昂气液混合输送管、(18)壳管式氟利昂液体气化器、(19)氟利昂液气输配管、(20)氟利昂液体分配器、(21)氟利昂液体输配管、(22)一级氟利昂热管冷凝管、(23)一级氟利昂热管液体分配器、(24)一级氟利昂热管液体输配管、(25)板换式一级氟利昂热管液体气化器、(26)一级氟利昂热管气体输配管、(27)一级氟利昂热管气体汇总器、(28)板换式二级氟利昂热管冷凝器、(29)二级氟利昂热管液体分配器、(30)二级氟利昂热管液体输配管、(31)接触式二级氟利昂热管液体气化器、(32)二级氟利昂热管气体输配管、(33)二级氟利昂热管气体汇总器、(34)接触式三级氟利昂热管冷凝器、(35)三级氟利昂热管液体输配管、(36)三级氟利昂热管吸热盘管、(37)三级氟利昂热管吸热翅片、(38)阵列式三级氟利昂热管吸热风机、(39)三级氟利昂热管气体输配管、(40)一类型氟利昂、(41)二类型氟利昂、(42)三类型氟利昂(43)四类型氟利昂、(44)冷却塔、(45)末端吸热系统。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例的一种适应上海地区的高能效数据中心冷却系统，当数据机房内的服务器发热，产生热量，并散发到空气中，使得空气温度升高。如图1所示，高温空气被(38)阵列式三级氟利昂热管吸热风机产生的负压扰动，吸入(45)末端吸热系统，流经紧密结合的(36)三级氟利昂热管吸热盘管和(37)三级氟利昂热管吸热翅片后，温度降低，并从(45)末端吸热系统流出，为服务器提供冷风。

在此过程中，控制流经(45)末端吸热系统的空气的温度下降幅度在2℃±0.5℃内，且(38)阵列式三级氟利昂热管吸热风机的风量是服务器所需风量之和的1.25倍～1.8倍。

优选的，(36)三级氟利昂热管吸热盘管内部的(43)氟利昂类型4液体的沸点在12℃至25℃之间。此液体通过(36)三级氟利昂热管吸热盘管并间接通过(37)三级氟利昂热管吸热翅片吸收流经的空气的热量，然后沸腾并气化成氟利昂气体。氟利昂气体从(36)三级氟利昂热管吸热盘管上部流出，通过(39)三级氟利昂热管气体输配管到达(34)接触式三级氟利昂热管冷凝器。氟利昂气体从(34)接触式三级氟利昂热管冷凝器上部进入，将热量通过(34)接触式三级氟利昂热管冷凝器传给(31)接触式二级氟利昂热管液体气化器，自身冷凝形成氟利昂液体并流到(34)接触式三级氟利昂热管冷凝器的下部。氟利昂液体经过(35)三级氟利昂热管液体输配管回流到(36)三级氟利昂热管吸热盘管下端。

在此过程中，(34)接触式三级氟利昂热管冷凝器的位置高于(36)三级氟利昂热管吸热盘管。

优选的，(31)接触式二级氟利昂热管液体气化器内部的(42)氟利昂类型3液体的沸点在10℃至23℃之间。此液体在(31)接触式二级氟利昂热管液体气化器中吸取从(34)接触式三级氟利昂热管冷凝器传来的热量后沸腾气化成氟利昂气体。氟利昂气体从(31)接触式二级氟利昂热管液体气化器上部流出，通过(32)二级氟利昂热管气体输配管到达(33)二级氟利昂热管气体汇总器。从多个(31)接触式二级氟利昂热管液体气化器中流出的氟利昂气体在(33)二级氟利昂热管气体汇总器中汇总后，经过(32)二级氟利昂热管气体输配管继续流动到(28)板换式二级氟利昂热管冷凝器。氟利昂气体从(28)板换式二级氟利昂热管冷凝器上部进入，将热量通过(28)板换式二级氟利昂热管冷凝器传给(25)板换式一级氟利昂热管液体气化器，自身冷凝形成氟利昂液体并流到(28)板换式二级氟利昂热管冷凝器的下部。氟利昂液体经过(30)二级氟利昂热管液体输配管流到(29)二级氟利昂热管液体分配器。氟利昂液体在(29)二级氟利昂热管液体分配器内被分配给多个(31)接触式二级氟利昂热管液体气化器，再经过(30)二级氟利昂热管液体输配管回流到(31)接触式二级氟利昂热管液体气化器下端。

在此过程中，(28)板换式二级氟利昂热管冷凝器的位置高于(31)接触式二级氟利昂热管液体气化器。

优选的，(25)板换式一级氟利昂热管液体气化器内部的(41)氟利昂类型2液体的沸点在8℃至20℃之间。此液体在(25)板换式一级氟利昂热管液体气化器中吸取从(28)板换式二级氟利昂热管冷凝器传来的热量后沸腾气化成氟利昂气体。氟利昂气体从(25)板换式一级氟利昂热管液体气化器上部流出，通过(26)一级氟利昂热管气体输配管到达(27)一级氟利昂热管气体汇总器。从多个(25)板换式一级氟利昂热管液体气化器中流出的氟利昂气体在(27)一级氟利昂热管气体汇总器中汇总后，经过(26)一级氟利昂热管气体输配管继续流动到(22)一级氟利昂热管冷凝管。氟利昂气体从(22)一级氟利昂热管冷凝管上部进入，将热量通过(22)一级氟利昂热管冷凝管传给(18)壳管式氟利昂气化器内的(40)氟利昂类型1的氟利昂液体，自身冷凝形成氟利昂液体并流到(22)一级氟利昂热管冷凝管的下部。氟利昂液体经过(24)一级氟利昂热管液体输配管流到(23)一级氟利昂热管液体分配器。氟利昂液体在(23)一级氟利昂热管液体分配器内被分配给多个(25)板换式一级氟利昂热管液体气化器，再经过(24)一级氟利昂热管液体输配管回流到(25)板换式一级氟利昂热管液体气化器。

在此过程中，(22)一级氟利昂热管冷凝管的位置高于(25)板换式一级氟利昂热管液体气化器。

优选的，(18)壳管式氟利昂气化器内的(40)氟利昂类型1的氟利昂液体，吸收(22)一级氟利昂热管冷凝管散发的热量，沸腾气化后，通过(17)氟利昂气液混合输送管输送到(16)氟利昂气液混合分离汇总器。(16)氟利昂气液混合分离汇总器汇总多台(18)壳管式氟利昂气化器提供的氟利昂气体，将气体中残留的液体分离。氟利昂气体汇总后流入(15)低压氟利昂气体分配器并进一步分配给多台(14)磁悬浮压缩机。(14)磁悬浮压缩机将低压氟利昂气体进行压缩，形成高压氟利昂气体，并通过(12)气体单向止回阀后输送到(11)氟利昂气体汇总器。(11)氟利昂气体汇总器汇总多个(14)磁悬浮压缩机的高压氟利昂气体，并通过9)氟利昂气体总管分配给多台(44)冷却塔。

在此过程中，多个(14)磁悬浮压缩机一直运行，除检修外不进行启停控制，只改变压缩机的压缩比。

优选的，氟利昂气体在进入(44)冷却塔后，先流经(2)风水一次垂直换热盘管。在冬季，在盘管内将热量直接和通过(1)风水一次换热翅片间接交换给流经的空气，在夏季，则在盘管内将直接和通过(1)风水一次换热翅片间接从流经的空气中吸热。然后流入(4)风水二次水平换热盘管。在(4)风水二次水平换热盘管内直接和通过(3)风水二次换热翅片将热量交换给流经的空气，然后冷凝成氟利昂液体，再流出(44)冷却塔。流出(44)冷却塔的氟利昂液体通过(19)氟利昂液气输配管流入(20)氟利昂液体分配器，并在分配后通过(21)氟利昂液体输配管继续流入至多个(18)壳管式氟利昂气化器中。

在此过程中，控制流经(2)风水一次垂直换热盘管时的氟利昂气体流量与流经(2)风水一次垂直换热盘管的空气流量的比例。使得在冬天的时候，空气在流经(2)风水一次垂直换热盘管后的温度在5℃～10℃之间，且氟利昂气体在此不冷凝。而在夏天的时候，空气在流经(2)风水一次垂直换热盘管后的温度下降。

优选的，空气受到(5)整体可敞开阵列式轴流风机的影响，从外部进入(44)冷却塔，流经(2)风水一次垂直换热盘管和(1)风水一次换热翅片时吸热并温度变化。在夏季，空气放热并降低温度，再流经(6)气流紊流导流板后形成紊流气流，流经(7)近距离雾化喷嘴时，由于雾化喷嘴喷出雾化净水的等焓蒸发作用，空气温度下降更低。再流经(4)风水二次水平换热盘管和(3)风水二次换热翅片后，逐次吸收热量并温度升高。在冬季，空气吸热使得等焓蒸发露点温度在冰点以上，，再流经(6)气流紊流导流板后形成紊流气流，流经(7)近距离雾化喷嘴时，由于雾化喷嘴喷出雾化净水的等焓蒸发作用，空气温度下降。再流经(4)风水二次水平换热盘管和(3)风水二次换热翅片后，逐次吸收热量并温度升高。流出(4)风水二次水平换热盘管和(3)风水二次换热翅片的空气经过(5)整体可敞开阵列式轴流风机流出(44)冷却塔。若室外温度过低，使得冷却塔无需进行雾化，则关闭雾化喷嘴。若温度进一步下降，也可将(5)整体可敞开阵列式轴流风机关机并敞开，利用热压和风压实现空气流动。

在此过程中，冷却塔的运行模式随着室外空气的温度变化而变化。当室外温度高时，(2)风水一次垂直换热盘管和(1)风水一次换热翅片吸热，(7)近距离雾化喷嘴喷雾，(5)整体可敞开阵列式轴流风机启动。当室外温度降低到与(2)风水一次垂直换热盘管内氟利昂温度相同时，(2)风水一次垂直换热盘管和(1)风水一次换热翅片不吸热或者放热，(7)近距离雾化喷嘴喷雾，(5)整体可敞开阵列式轴流风机启动。当室外温度低于10℃时，(2)风水一次垂直换热盘管和(1)风水一次换热翅片放热，(7)近距离雾化喷嘴喷雾，(5)整体可敞开阵列式轴流风机启动。当室外温度更低时，(2)风水一次垂直换热盘管和(1)风水一次换热翅片放热，(5)整体可敞开阵列式轴流风机启动。当室外温度非常低时，(2)风水一次垂直换热盘管和(1)风水一次换热翅片放热，(5)整体可敞开阵列式轴流风机关机并敞开。

有益效果：

1、(45)末端吸热系统部分，风量的设定值范围合理，使得空调送风风量大于服务器所需风量，避免从热通道串风回冷通道，导致服务器高温报警。同时，又避免过高风量导致风机能耗过大。

2、从(45)末端吸热系统传热至(18)壳管式氟利昂气化器的过程中，采用多个循环接力实现热量传递。可通过控制合理的不同循环内的氟利昂类型和压力，从而控制各个循环的不同氟利昂蒸发温度，使得各个循环的蒸发温度满足服务器制冷需求。同时，多个循环接力，可避免一个装置损坏影响整个数据中心供冷系统的情况发生。

3、在(14)磁悬浮压缩机的氟利昂气体循环中，所有(14)磁悬浮压缩机常年运行不停机，仅通过调节转速和叶片角度来控制压差和流量。从而使得在夏季工况下，磁悬浮压缩机的效率提升，在冬季工况下，磁悬浮压缩机的阻力下降。

4、在(44)冷却塔部分，在冬季通过(2)风水一次垂直换热盘管的加热，避免喷雾口在冬季结冰，在夏季通过(2)风水一次垂直换热盘管的降温，进一步降低喷雾后的空气温度。采用喷雾作为冷却塔内部的加湿降温方式，相比传统的喷淋方式，具有动力无损失的特点，供水水泵的多余压头不会白白浪费。采用(5)整体可敞开阵列式轴流风机，可避免室外温度过低，仅仅依靠热压和风压可实现所需风量而不需要开风机的时候，降低由于风机的存在而增加的阻力。而且矩阵式风机组的更换便捷，在需要更换某个风机的时候，可以将该侧风机敞开并停机，在整个冷却塔运行的要求下，实现安全更换。

5、系统整体的设计思路是重要优点。此系统整体采用多类型氟利昂的全氟系统，做到机房无水条件下的液体冷却机柜末端。但同时又通过多个氟利昂循环，避免了单一氟利昂系统的可控温度单一、系统单点损坏影响全局的问题。而且此多循环全氟利昂系统与磁悬浮冷机的结合比单一循环系统更加稳定。此系统利用氟利昂进行冷却塔的二次换热，相比于一次换热系统，可保障喷雾的安全，且夏季冷却温度更低。在此系统中，因为要做到末端冷却，且要全年制冷，避免冬季冷却水系统维护等工作，所以必须要用氟利昂系统，因为要加强氟利昂系统的安全性，所以要用多循环系统。因为采用全氟利昂系统，所以压缩机不能用常规压缩机，只能使用磁悬浮压缩机。因为磁悬浮压缩机的不适合频繁启停的特点，采用多机长期运行不停机的运行模式。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。