一种集装箱数据中心热能回收系统及方法与流程

本发明属于数据中心节能冷却技术领域，具体涉及一种集装箱数据中心热能回收系统及方法。

背景技术：

集装箱数据中心近年来在国内外应用十分广泛，由于其占地面积小、部署便利，无需新建机房即可部署数据中心，在不打破建筑格局的基础上实现信息化数据存储、运算等需求。事实上，并非只有偏远地区、野外或者海岛等不利于新建机房的场景才会用到集装箱数据中心，更多的是政府机关、高校以及无法提供足够的机房面积的企业等，而且有越来越多的集装箱数据中心投入使用。

同传统机房类似，集装箱数据中心尤其是集群式的集装箱数据中心也是耗能大户，但由于空间有限、增加系统复杂度等原因，目前几乎所有的集装箱数据中心都没有热能回收系统，都只是通过精密空调室外机向集装箱外空气中散发热量，造成集装箱数据中心整体pue较高，能源浪费严重。

此为现有技术的不足，因此，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种集装箱数据中心热能回收系统及方法，是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述集装箱数据中心发热量大，通过空调系统散热能源浪费严重的缺陷，提供一种集装箱数据中心热能回收系统及方法，以解决上述技术问题。

为实现上述目的，本发明给出以下技术方案：

一种集装箱数据中心热能回收系统，包括内循环支路、外循环支路以及换热模块；内循环支路与换热模块形成内循环回路，外循环支路与换热模块形成外循环回路；

内循环支路包括末端元件散热模块、服务器分集水模块以及机柜分集水模块；外循环支路包括储水模块、补水模块以及冷却模块；

所述集装箱数据中心包括若干机柜，每个机柜内设有若干服务器；

每个机柜内设置一个机柜分集水模块，机柜分集水模块包括机柜分水器、机柜集水器、机柜总进水口和机柜总出水口；机柜分水器通过机柜总进水口连接有内循环供水干管，机柜集水器通过机柜总出水口连接有内循环回水干管；内循环供水干管和内循环回水干管连接换热模块；

每个服务器内设置一个服务器分集水模块，服务器分集水模块包括服务器分水器、服务器集水器、服务器进水口和服务器出水口；服务器分水器通过服务器进水口连接所在机柜的机柜分水器，服务器分水器还连接末端元件散热模块，用于给末端元件散热模块提供冷水；服务器集水器通过服务器出水口连接所在机柜的机柜集水器，服务器集水器还连接末端元件散热模块，用于收集末端元件散热模块的回水；

每个服务器内的末端元件散热模块包括若干芯片散热单元、若干内存散热单元以及若干显卡散热单元；每两个芯片散热单元串联后连接服务器分水器和服务器集水器形成回路；每个内存散热单元连接服务器分水器和服务器集水器形成回路；每个显卡散热单元连接服务器分水器和服务器集水器形成回路；

换热模块还连接有流量旁通阀以及回水补水阀，回水补水阀还连接有补水口，补水口连接补水模块，换热模块通过流量旁通阀连接冷却模块和储水模块，换热模块还通过回水补水阀连接冷却模块，储水模块上还设有热水供水口；

储水模块用于储存换热模块流出的热水，热水供水口连接建筑的热水供应系统，为建筑提供满足温度要求的热水；

补水模块用于向外循环中补充水，补充水量等于热水用户消耗掉的热水量；

冷却模块用于在无热水消耗或热水消耗量小于外循环水量时，对外循环水或部分外循环水进行冷却。

进一步地，储水模块中还设有水位流量监测装置，换热模块包括板式换热器、流量计和控制箱；控制箱连接水位流量监测装置、流量计、流量旁通阀以及回水补水阀；

板式换热器包括内循环供水端、内循环回水端、外循环供水端和外循环回水端，内循环供水端连接内循环供水干管，内循环回水端连接内循环回水干管，外循回水端连接回水补水阀，外循环供水端连接流量旁通阀；流量计设置在外循环回水端；

水位流量监测装置用于监测实际热水消耗量和储水模块的水位，流量计用于监测外循环进行正常换热的水流量；

当实际热水消耗量小于正常换热的水流量时，且储水模块中水位未上升到设定阈值时，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入储水模块的阀门处于开启状态，向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程工作；

当实际热水消耗量小于正常换热的水流量时，且储水模块中水位上升到设定阈值时，控制箱控制流量旁通阀关断由外循环供水端进入储水模块的阀门，停止向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程不工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程不工作；

当实际热水消耗量为零时，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入储水模块的阀门处于关闭状态，停止向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程不工作；

当实际热水消耗量大于正常换热的水流量时，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入储水模块的阀门处于开启状态，向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于关闭状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于关闭状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程不工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程工作。

进一步地，芯片散热单元为包裹或覆盖芯片的散热结构，内存散热单元为包裹或覆盖内存的散热结构，显卡散热单元为包裹或覆盖显卡的散热结构，芯片散热单元、内存散热单元以及显卡散热单元的散热结构，利用水在内部流动带走芯片、内存以及显卡工作时散发的热量。

进一步地，机柜分水器和机柜集水器分别设置在机柜后部的两侧；或者，机柜分水器和机柜集水器设置在机柜后部的同一侧，且机柜分水器与机柜集水器之间做保温隔离，以避免彼此之间相互换热。

进一步地，机柜分水器和机柜集水器与机柜电源分配单元pdu隔离，避免漏水引起机柜电源分配单元pdu短路。

进一步地，机柜分集水模块还包括备用机柜分水器和备用机柜集水器，实现机柜分水器和机柜集水器的一用一备。

进一步地，冷却模块采用冷却塔；储水模块采用储水罐；补水模块通过补水口进行补水。

本发明还给出如下技术方案

一种基于上述集装箱数据中心热能回收系统的热能回收方法，包括内循环过程和外循环过程，内循环过程为水从服务器内末端元件散热到换热模块的循环过程，外循环过程为水从换热模块到储水模块循环过程以及水从换热模块到冷却模块的循环过程；

内循环具体步骤如下：

换热模块为内循环过程提供冷水，冷水通过内循环供水干管输送到集装箱数据中心每个机柜的机柜分水器，从机柜分水器分流进入每个服务器分水器，再经过服务器分水器分流进入芯片散热单元、内存散热单元以及显卡散热单元，经过换热，冷水升温成热水，分别回流入每个服务器集水器，每个机柜的所有服务器集水器的回水回流进入每个机柜的机柜集水器，最后通过内循环回水干管流回换热模块，完成一个内循环过程；

外循环具体步骤如下：

当实际热水消耗量小于正常换热的水流量时，且储水模块中水位未上升到设定阈值时，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入储水模块的阀门处于开启状态，向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程工作；

当实际热水消耗量小于正常换热的水流量时，且储水模块中水位上升到设定阈值时，控制箱控制流量旁通阀关断由外循环供水端进入储水模块的阀门，停止向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程不工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程不工作；

当实际热水消耗量为零时，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入储水模块的阀门处于关闭状态，停止向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程不工作；

当实际热水消耗量大于正常换热的水流量时，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入储水模块的阀门处于开启状态，向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于关闭状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于关闭状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程不工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程工作。

进一步地，换热模块为内循环提供冷水的温度为35摄氏度，内循环返回换热模块的热水温度为50摄氏度。

本发明的有益效果在于：

本发明充分利用集装箱数据中心电子信息设备散热的热量，并通过换热模块为集装箱数据中心附近的建筑场所提供热水，本发明还可以完全利用自然冷源，不必投资冷水机组，运行期间同时回收热量，减少了冷却塔的运行时间，提高了集装箱数据中心的能源利用效率，也为建筑提供了热水，实现了废热的有效利用。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明的集装箱数据中心热能回收系统的机柜部分；

图2为本发明的集装箱数据中心热能回收系统外循环部分；

图3为本发明的集装箱数据中心热能回收系统控制原理示意图；

其中，1-机柜；2-机柜集水器；3-服务器；4-服务器集水器；5-内存散热单元；6-芯片散热单元；7-显卡散热单元；8-服务器分水器；9-机柜分水器；10-机柜总进水口；11-机柜总出水口；12-备用机柜集水器；13-备用机柜分水器；14-内循环回水干管；15-内循环供水干管；16-换热模块；16.1-板式换热器；17-流量旁通阀；18-回水补水阀；19-冷却模块；20-储水模块；20.1-水位流量监测装置；21-热水供水口；22-补水模块；23-控制箱；24-流量计。

具体实施方式：

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明具体实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1和图2所示，本发明提供一种集装箱数据中心热能回收系统，包括内循环支路、外循环支路以及换热模块；内循环支路与换热模块形成内循环回路，外循环支路与换热模块形成外循环回路；

内循环支路包括末端元件散热模块、服务器分集水模块以及机柜分集水模块；外循环支路包括储水模块20、补水模块22以及冷却模块19；

所述集装箱数据中心包括若干机柜，每个机柜内设有若干服务器；

每个机柜1内设置一个机柜分集水模块，机柜分集水模块包括机柜分水器9、机柜集水器2、机柜总进水口10和机柜总出水口11；机柜分水器9通过机柜总进水口10连接有内循环供水干管15，机柜集水器2通过机柜总出水口11连接有内循环回水干管14；内循环供水干管15和内循环回水干管14连接换热模块16；机柜分水器9和机柜集水器2分别设置在机柜1后部的两侧；或者，机柜分水器9和机柜集水器2设置在机柜1后部的同一侧，且机柜分水器9与机柜集水器2之间做保温隔离，以避免彼此之间相互换热；机柜分水器9和机柜集水器2与机柜电源分配单元pdu隔离，避免漏水引起机柜电源分配单元pdu短路；机柜分集水模块还包括备用机柜分水器13和备用机柜集水器12，实现机柜分水器和机柜集水器的一用一备；

每个服务器3内设置一个服务器分集水模块，服务器分集水模块包括服务器分水器8、服务器集水器4、服务器进水口和服务器出水口；服务器分水器8通过服务器进水口连接所在机柜的机柜分水器9，服务器分水器8还连接末端元件散热模块，用于给末端元件散热模块提供冷水；服务器集水器4通过服务器出水口连接所在机柜的机柜集水器2，服务器集水器4还连接末端元件散热模块，用于收集末端元件散热模块的回水；

每个服务器3内的末端元件散热模块包括若干芯片散热单元6、若干内存散热单元5以及若干显卡散热单元7；每两个芯片散热单元6串联后连接服务器分水器8和服务器集水器4形成回路；每个内存散热单元5连接服务器分水器8和服务器集水器4形成回路；每个显卡散热单元7连接服务器分水器8和服务器集水器4形成回路；芯片散热单元为包裹或覆盖芯片的散热结构，内存散热单元为包裹或覆盖内存的散热结构，显卡散热单元为包裹或覆盖显卡的散热结构，芯片散热单元、内存散热单元以及显卡散热单元的散热结构，利用水在内部流动带走芯片、内存以及显卡工作时散发的热量；

换热模块16还连接有流量旁通阀17以及回水补水阀18，回水补水阀18还连接有补水口，补水口连接补水模块22，换热模块16通过流量旁通阀17连接冷却模块19和储水模块20，换热模块16还通过回水补水阀18连接冷却模块19，储水模块20上还设有热水供水口21；

储水模块20用于储存换热模块流出的热水，热水供水口21连接建筑的热水供应系统，为建筑提供满足温度要求的热水；储水模块采用储水罐；

补水模块22用于向外循环中补充水，补充水量等于热水用户消耗掉的热水量；补水模块通过补水口进行补水；

冷却模块19用于在无热水消耗或热水消耗量小于外循环水量时，对外循环水或部分外循环水进行冷却；冷却模块采用冷却塔；

如图3所示，储水模块20中还设有水位流量监测装置20.1，换热模块16包括板式换热器16.1、流量计24和控制箱23；控制箱23连接水位流量监测装置16.1、流量计24、流量旁通阀17以及回水补水阀18；

板式换热器16包括内循环供水端、内循环回水端、外循环供水端和外循环回水端，内循环供水端连接内循环供水干管15，内循环回水端连接内循环回水干管14，外循回水端连接回水补水阀18，外循环供水端连接流量旁通阀17；流量计24设置在外循环回水端；

水位流量监测装置20.1用于监测实际热水消耗量和储水模块的水位，流量计24用于监测外循环进行正常换热的水流量；

当实际热水消耗量小于正常换热的水流量时，且储水模块20中水位未上升到设定阈值时，控制箱23控制流量旁通阀17由外循环供水端进入储水模块20的阀门处于开启状态，向储水模块20储水，控制箱23控制流量旁通阀17由外循环供水端进入冷却模块19的阀门处于开启状态，控制箱23控制回水补水阀18由冷却模块19进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱23控制回水补水阀18由补水模块22向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块16到冷却模块19的循环过程工作，外循环从换热模块16到储水模块20的循环过程工作；

当实际热水消耗量小于正常换热的水流量时，且储水模块20中水位上升到设定阈值时，控制箱23控制流量旁通阀17关断由外循环供水端进入储水模块20的阀门，停止向储水模块20储水，控制箱23控制流量旁通阀17由外循环供水端进入冷却模块19的阀门处于开启状态，控制箱23控制回水补水阀18由冷却模块19进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱23控制回水补水阀18由补水模块22向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块16到冷却模块19的循环过程不工作，外循环从换热模块16到储水模块20的循环过程不工作；

当实际热水消耗量为零时，控制箱23控制流量旁通阀17由外循环供水端进入储水模块20的阀门处于关闭状态，停止向储水模块20储水，控制箱23控制流量旁通阀17由外循环供水端进入冷却模块19的阀门处于开启状态，控制箱23控制回水补水阀18由冷却模块19进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱23控制回水补水阀18由补水模块22向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块16到冷却模块19的循环过程工作，外循环从换热模块16到储水模块20的循环过程不工作；

当实际热水消耗量大于正常换热的水流量时，控制箱23控制流量旁通阀17由外循环供水端进入储水模块20的阀门处于开启状态，向储水模块20储水，控制箱23控制流量旁通阀17由外循环供水端进入冷却模块19的阀门处于关闭状态，控制箱23控制回水补水阀18由冷却模块19进入外循环回水端的阀门处于关闭状态，控制箱23控制回水补水阀18由补水模块22向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块16到冷却模块19的循环过程不工作，外循环从换热模块16到储水模块20的循环过程工作。

本发明还提供一种基于上述集装箱数据中心热能回收系统的热能回收方法，包括内循环过程和外循环过程，内循环过程为水从服务器内末端元件散热到换热模块的循环过程，外循环过程为水从换热模块到储水模块循环过程以及水从换热模块到冷却模块的循环过程；

内循环具体步骤如下：

换热模块为内循环过程提供冷水，冷水通过内循环供水干管输送到集装箱数据中心每个机柜的机柜分水器，从机柜分水器分流进入每个服务器分水器，再经过服务器分水器分流进入芯片散热单元、内存散热单元以及显卡散热单元，经过换热，冷水升温成热水，分别回流入每个服务器集水器，每个机柜的所有服务器集水器的回水回流进入每个机柜的机柜集水器，最后通过内循环回水干管流回换热模块，完成一个内循环过程；换热模块为内循环提供冷水的温度为35摄氏度；内循环返回换热模块的热水温度为50摄氏度；

外循环具体步骤如下：

当实际热水消耗量小于正常换热的水流量时，且储水模块中水位未上升到设定阈值时，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入储水模块的阀门处于开启状态，向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程工作；

当实际热水消耗量小于正常换热的水流量时，且储水模块中水位上升到设定阈值时，控制箱控制流量旁通阀关断由外循环供水端进入储水模块的阀门，停止向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程不工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程不工作；

当实际热水消耗量为零时，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入储水模块的阀门处于关闭状态，停止向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于开启状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程不工作；

当实际热水消耗量大于正常换热的水流量时，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入储水模块的阀门处于开启状态，向储水模块储水，控制箱控制流量旁通阀由外循环供水端进入冷却模块的阀门处于关闭状态，控制箱控制回水补水阀由冷却模块进入外循环回水端的阀门处于关闭状态，控制箱控制回水补水阀由补水模块向外循环回水端的阀门处于开启状态；外循环从换热模块到冷却模块的循环过程不工作，外循环从换热模块到储水模块的循环过程工作。

本发明的实施例是说明性的，而非限定性的，上述实施例只是帮助理解本发明，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他的具体实施方式，同样属于本发明保护的范围。