一种用于数据中心机房的多级制冷系统的制作方法

本发明涉及室内空气冷却技术领域，更具体地，涉及一种用于数据中心机房的多级制冷系统。

背景技术：

根据分析，全球数据中心在2014年占世界能源使用量的1.62％左右。到2017年，这个数字已经上升到3％以上(约420太瓦)，数据中心的排放量也将占到温室气体排放总量的2％左右。到2020年全球将使用多达500亿台的物联网设备，而其他一些统计数据表明，在未来五年内物联网设备有可能超过1000亿台。在全球范围内，数据中心成为全球能源使用规模最大的用户，将从2015年的0.9％上升到2025年的4.5％。该研究表明数据中心将成为全球最大的能源消费者之一，超过了许多国家的能源消费水平。

传统的数据中心机房冷却系统通常采用机械制冷方式，即利用压缩机做功，以各种型式的冷媒作为载体，将数据中心机房产生的大量热量从数据中心机房室内搬运至室外，以此实现对机房的降温。但这种传统机械制冷系统能效比过低，需要消耗大量的能源，对于大型数据中心机房来说，成本很高且制冷效果也不好，绝非最经济的选择。

基于间接蒸发冷却原理，即利用室外的冷空气自身的冷量，再加上水蒸发冷却原理，将其与数据中心机房室内较高温度的热空气通过非直接接触式换热器进行冷量传递，从而实现数据中心机房内较热空气降温的过程，也就是从自然环境中获取冷量，利用室外冷空气对数据中心机房进行降温。这样建设的数据中心机房制冷效果更好，同时也更加节能。但是间接蒸发冷却系统的应用受限于应用区域的气候条件，在部分区域由于全年寒冷时间过短、平均气温较高，导致全年能够利用自然冷空气的时间较短、能效比过低；另外间接蒸发冷却系统由于利用空气直接换热输送冷风，而无法蓄冷，因此无法满足不间断制冷的需求，从而导致间接蒸发冷却系统的应用场景非常有限。综上所述，如何构建一种系统，能够在间接蒸发冷却技术的基础上，进一步延长利用自然冷空气的时间，提高数据中心机房的能效比，扩大间接蒸发冷却系统的应用区域，同时还能够提供蓄冷，满足数据中心机房不间断制冷的需求，成为了一项有待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种用于数据中心机房的多级制冷系统的新技术方案。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于数据中心机房的多级制冷系统，所述多级制冷系统包括：

第一冷却室，所述第一冷却室具有进风口及出风口，所述第一冷却室的进风口用于接收室外新风，所述第一冷却室被配置为对室外新风进行降温并形成第一冷风；

蓄冷空间，所述蓄冷空间具有进风口及出风口，所述蓄冷空间的进风口与第一冷却室的出风口连接，所述蓄冷空间被配置为用于接收并存储第一冷风；

第二冷却室，所述第二冷却室具有进风口及出风口，所述第二冷却室的进风口与蓄冷空间的出风口连接，用于接收蓄冷空间输出的第一冷风；所述第二冷却室被配置为对第一冷风进行降温并形成第二冷风，所述第二冷却室的出风口与数据中心机房的进风口连接，用于向数据中心机房输送第二冷风。

可选地，所述第一冷却室设置有喷淋设备，或者所述第一冷却室设置有喷淋设备及空气处理机组。

可选地，所述第一冷却室设置有接水盘，所述接水盘被配置为用于回收喷淋设备喷淋后的水。

可选地，所述第二冷却室设置有喷淋设备，或者所述第二冷却室设置有喷淋设备及空气处理机组。

可选地，所述第二冷却室设置有接水盘，所述接水盘被配置为用于回收喷淋设备喷淋后的水。

可选地，所述多级制冷系统还包括预冷室，所述预冷室具有进风口及出风口，所述预冷室的进风口用于接收室外新风，所述预冷室被配置为对室外新风进行预冷，所述预冷室的出风口与第一冷却室的进风口连接，用于将预冷后的室外新风输送给第一冷却室。

可选地，所述预冷室内设置有冷盘管以及与冷盘管连通的冷水管，所述冷水管用于向冷盘管输送水，所述冷盘管被配置为对其内的水进行冷却并采用冷却水对进入预冷室的室外新风进行预冷。

可选地，所述第二冷却室设置有喷淋设备及接水盘，所述接水盘被配置为用于回收喷淋设备喷淋后的水；所述第二冷却室的接水盘与冷水管连通。

可选地，所述第一冷却室设置有喷淋设备及空气处理机组，所述第一冷却室还设置有风机，所述风机位于空气处理机组的顶部。

可选地，所述第二冷却室设置有喷淋设备及空气处理机组，所述第二冷却室还设置有风机，所述风机位于空气处理机组的顶部。

可选地，所述蓄冷空间为设置在地表以下的隔热空间。

本发明的用于数据中心机房的多级制冷系统，通过设置蓄冷空间，满足该多级制冷系统的不间断制冷需求；通过设置多级冷却室，制冷效果更佳。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明一种用于数据中心机房的多级制冷系统的结构示意图；

图2为本发明一种用于数据中心机房的多级制冷系统的焓湿图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明实施例提供了一种用于数据中心机房的多级制冷系统，参考图1所示，所述多级制冷系统包括第一冷却室1、蓄冷空间2以及第二冷却室3，其中，所述第一冷却室1具有进风口及出风口，所述第一冷却室1的进风口用于接收室外新风，所述第一冷却室1被配置为对室外新风进行降温并形成第一冷风；所述蓄冷空间2具有进风口及出风口，所述蓄冷空间2的进风口与第一冷却室1的出风口连接，所述蓄冷空间2被配置为用于接收并存储第一冷风；所述第二冷却室3具有进风口及出风口，所述第二冷却室3的进风口与蓄冷空间2的出风口连接，用于接收蓄冷空间2输出的第一冷风；所述第二冷却室3被配置为对第一冷风进行降温并形成第二冷风，所述第二冷却室3的出风口与数据中心机房的进风口连接，用于向数据中心机房输送第二冷风。

室外新风从第一冷却室1的进风口进入到第一冷却室1中，第一冷却室1对室外新风进行降温并形成第一冷风，然后第一冷风从第一冷却室1的出风口流入到蓄冷空间2内，蓄冷空间2对第一冷风进行存储，当蓄冷空间2内的温度达到预设的温度阈值时，蓄冷空间2从其出风口向第二冷却室3的进风口输送第一冷风，第一冷风进入到第二冷却室3后，第二冷却室3对第一冷风进行降温并形成第二冷风，最后，第二冷风从第二冷却室3的出风口流入到数据中心机房中，用于对数据中心机房内的热空气进行冷却降温。

在本发明的实施例中，由于设置了蓄冷空间2，蓄冷空间2能够对冷空气(例如上述的第一冷风)进行存储，蓄冷空间2为一个设置在地表以下的足够大的隔热空间，优选可以利用现成的深坑例如矿坑等空间实现，而无需新建建筑空间。当数据中心机房室外的自然温度较高、无法提供足够的自然冷空气时，蓄冷空间2内存储的冷空气(例如上述的第一冷风)能够弥补自然冷空气的不足，满足该多级制冷系统的不间断制冷需求，同时给第二冷却室3提供一个温度比较低的状态点。另外，在该多级制冷系统中，由于对数据中心机房提供的是经过第一冷却室1及第二冷却室3两次降温的第二冷风，相比只经过一个冷却室，能够明显降低最终进入到数据中心机房的冷空气的平均温度，制冷效果更佳。

在一个实施例中，所述第一冷却室1设置有喷淋设备，或者所述第一冷却室1设置有喷淋设备及空气处理机组。参考图1所示，在第一冷却室1内可以单独设置第一喷淋设备11，或者在第一冷却室1内同时设置有第一喷淋设备11及第一空气处理机组12。当第一冷却室1内单独设置第一喷淋设备11时，第一喷淋设备11单独对第一冷却室1接收的室外新风进行喷淋降温，喷淋降温后的室外新风与第一冷却室1内的空气混合并形成第一冷风；当第一冷却室1内同时设置第一喷淋设备11及第一空气处理机组12时，室外新风进入到第一冷却室1之后首先接受第一喷淋设备11的喷淋降温，然后在第一空气处理机组12内进行间接蒸发冷却从而形成第一冷风；所谓间接蒸发冷却是指通过非直接接触式换热器将直接蒸发冷却得到的湿空气的冷量传递给待处理空气从而实现空气等湿降温的过程，具体到本实施例是指室外新风进入到第一冷却室1后首先接受喷淋降温，喷淋降温后的室外新风通过第一空气处理机组12的换热芯体与第一冷却室1内的空气进行冷量传递，使第一冷却室1内的空气降温后形成第一冷风。在实际应用中，可以在第一冷却室1内同时设置第一喷淋设备11及第一空气处理机组12，如果只需要单独使用第一喷淋设备11则只开启第一喷淋设备11；如果需要使用第一喷淋设备11及第一空气处理机组12，则两者都开启。

在一个实施例中，参考图1所示，所述第一冷却室1内的底部设置有第一接水盘13，所述第一接水盘13用于回收第一喷淋设备11喷淋后落下的水，水回收后方便进行下一步的处理。

在一个实施例中，所述第二冷却室3设置有喷淋设备，或者所述第二冷却室3设置有喷淋设备及空气处理机组。参考图1所示，在第二冷却室3内可以单独设置第二喷淋设备31，或者在第二冷却室3内同时设置有第二喷淋设备31及第二空气处理机组32。当第二冷却室3内单独设置第二喷淋设备31时，第二喷淋设备31单独对第二冷却室3接收的第一冷风进行喷淋降温，喷淋降温后的第一冷风与第二冷却室3内的空气混合并形成第二冷风；当第二冷却室3内同时设置第二喷淋设备31及第二空气处理机组32时，第一冷风进入到第二冷却室3之后首先接受第二喷淋设备31的喷淋降温，然后在第二空气处理机组32内进行直接蒸发冷却从而形成第二冷风；即第一冷风进入到第二冷却室3后首先接受喷淋降温，喷淋降温后的第一冷风通过第二空气处理机组32的换热芯体与第二冷却室3内的空气进行冷量传递，使第二冷却室3内的空气降温后形成第二冷风。

在实际应用中，可以在第二冷却室3内同时设置第二喷淋设备31及第二空气处理机组32，如果只需要单独使用第二喷淋设备31则只开启第二喷淋设备31；如果需要使用第二喷淋设备31及第二空气处理机组32，则两者都开启。

在一个实施例中，参考图1所示，所述第二冷却室3内的底部设置有第二接水盘33，所述第二接水盘33用于回收第二喷淋设备31喷淋后落下的水，水回收后方便进行下一步的处理。

在一个实施例中，参考图1所示，所述多级制冷系统还包括预冷室4，所述预冷室4具有进风口及出风口，所述预冷室4的进风口用于接收室外新风，所述预冷室4被配置为对室外新风进行预冷，所述预冷室4的出风口与第一冷却室1的进风口连接，用于将预冷后的室外新风输送给第一冷却室1。在该实施例中，室外新风首先经过预冷室4的预冷降温然后再进入到第一冷却室1内，这样可以进一步提高整个系统的制冷效果。

在一个实施例中，所述预冷室4内设置有冷盘管41以及与冷盘管连通的冷水管，所述冷水管用于向冷盘管41输送水，所述冷盘管41被配置为对其内的水进行冷却并采用冷却水对进入预冷室4的室外新风进行预冷。在实际应用中，在第一冷却室1前段设置预冷室4，如果需要对室外新风进行预冷则开启预冷室4内设置的冷盘管41；如果不需要对室外新风进行预冷则关闭预冷室4内设置的冷盘管41。

在一个实施例中，参考图1所示，所述多级制冷系统还包括供水管5，所述供水管5与第一喷淋设备11及第二喷淋设备31相连，用于向第一喷淋设备11及第二喷淋设备31提供喷淋用水；所述多级制冷系统还包括排水管6，所述排水管6与第一接水盘13及第二接水盘33相连，用于将第一接水盘13及第二接水盘33中的水排出。

在另一个实施例中，所述第二接水盘33与预冷室4内设置的冷水管连通，利用水泵抽取第二接水盘33的水送入到冷水管中进而进入冷盘管41中对室外新风进行预冷。这样可以实现喷淋水的再次利用，有效节省了能源。当然，第一接水盘13和/或第二接水盘33的水还可以连通至供水管5，实现喷淋水的循环利用，同样也能节省能源。

在另一个实施例中，在与所述第二接水盘33连通的管道上设置有检测模块及控制模块，检测模块负责检测第二接水盘33中水的水质，当水质合格时，控制模块控制第二接水盘33中的水流入到冷水管中进而进入冷盘管41中对室外新风进行预冷；当水质不合格时，控制模块控制第二接水盘33中的水从排水管6排出。

在一个实施例中，当所述第一冷却室1设置有第一空气处理机组12时，第一冷却室1还设置有风机14，风机14位于第一空气处理机组12的顶部，用于抽取第一空气处理机组12间接蒸发冷却后的热空气。

在一个实施例中，当所述第二冷却室3设置有第二空气处理机组32时，第二冷却室3还设置有风机34，风机34位于第二空气处理机组32的顶部，用于抽取第二空气处理机组32间接蒸发冷却后的热空气。

在一个具体的例子中，开启预冷室4的冷盘管41；将第一冷却室1的第一喷淋设备11及第一空气处理机组12同时开启；并且将第二冷却室3的第二喷淋设备31及第二空气处理机组32也同时开启：

参考图2所示的焓湿图，图2中纵轴表示湿球温度t，横轴表示相对湿度，曲线表示等相对湿度线，w0表示室外新风，w1表示预冷后的室外新风，w2表示第一冷风，w3表示第二冷风。

在现有技术中，只有单一的一级间接蒸发冷却，室外新风w0经一级间接蒸发冷却后形成冷新风w1’对数据中心机房进行制冷，冷新风w1’的温度处于w1和w2之间，但达不到w3的温度。

本发明为了达到更好的制冷效果，使得最终流入数据中心机房的温度更低更稳定，先将室外新风w0经预冷室4进行等湿降温，经过此过程，新风中绝对含湿量不变，但温度降低，降温至w1的状态，形成预冷后的室外新风；预冷后的室外新风再经第一冷却室1进行第一次间接蒸发冷却的等湿降温过程，将预冷后的室外新风w1降温至w2的第一冷风；对状态为w2的第一冷风在蓄冷空间2内进行封闭存储，然后第一冷风w2经第二冷却室3进行直接蒸发冷却的等焓降温过程，将第一冷风w2降温至w3的第二冷风，最终利用第二冷风w3对数据中心机房进行制冷。此第二冷风w3状态点的温度介于w0状态点的湿球温度(w2)和露点温度之间，根据不同区域的气象条件不同，此w3温度通常比w0状态点的湿球温度(w2)低2～5℃。

通常经过一次间接蒸发冷却的等湿降温后，新的状态点温度一般都在初始状态点的湿球温度的2～5℃以上。

通过本发明的多级制冷系统，相比现有技术中单一次的间接蒸发冷却设备，最终状态点的温度低了4～10℃，此状态点的改变能够使得该系统可利用的自然冷却的温度点往上提高4～10℃。假设原某区域的自然冷却温度点为湿球温度16℃，应用此系统后，该自然冷却温度点将提高至20～26℃，因此将大大延长全年自然冷却的时间，降低系统能耗，提高该制冷系统的全年能效比。以北京区域为例，如果考虑自然冷却温度点提高7℃，每年将可多出1800小时的自然冷却时间，将产生巨大的节能效益。

另外，在本发明的系统里，单独设置了一个巨大的封闭隔热空间即蓄冷空间2，该空间储藏了大量w2状态点的冷空气，可以作为数据中心机房的蓄冷空间，满足数据中心机房的不间断供冷需求。

在优选实施例中，将第二冷却室3的第二接水盘33的水通过水泵及冷水管引入到冷盘管41中对室外新风进行预冷，这样，第二冷却室3不仅可以通过第二空气处理机组32的换热芯体实现热交换给数据中心机房降温，还可以输出w2状态点的冷水，该冷水通过水泵和冷水管引入预冷室4的冷盘管41中，给室外新风进行降温预冷，并且冷水经过冷盘管41后，还可以和供水混合，用作第一冷却室1及第二冷却室3的喷淋用水，实现冷却水的循环利用。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。