用于调节服务器房间内温度的系统和应用的制作方法

1.本发明的客体是用于服务器房间的温度调节的系统和过程。


背景技术：

2.基本标准是服务器房间的温度必须保持在一定温度以下，以确保数据中心的适当运行。由于服务器在一周中的每一天连续运行，从而产生热量，没有充分冷却，它们可以容易地过热。
3.公开文件no.us2018035568(a1)描述了这样的冷却解决方案，其中冷却系统包括空气处理单元和直接膨胀(dx)单元。空气处理单元包括前导管，其中冷外部空气进入空气处理单元，并且加热的外部空气向外排出，而第二管道使服务器房间空气进入空气处理单元并将冷的服务器空气回送到服务器房间中。空气处理单元包括用于将服务器房间空气的热量与冷外部空气交换的热交换器，和在板式热交换器上方的第一导管中的用于冷却冷外部空气的绝热加湿剂(adiabatic humidifier)，以便增加板式热交换器上的热传递。dx单元包括蒸发器，其与第二管道热连接。
4.已知解决方案的特点是压缩机消耗冷却系统中约80％的能量，并且风扇消耗剩余的20％的能量。本发明所呈现的应用和系统可以使现有技术的冷却系统比现在更加经济。


技术实现要素：

5.本发明的目的是使当前用于冷却服务器房间的系统更具成本效益。
6.根据本发明的解决方案是基于本发明的概念，即服务器房间的热管理允许冷却过程被定时，使得它们以经受环境温度的最低可能电力需求被执行。
7.根据本发明的解决方案利用自然现象，即在上午11:00点至下午5:00点之间的间隔期间，外部温度通常最高。已知空调系统的有效性是由于它们的特性在此期间是最低的。通过本发明的实现是，使用缓冲存储(buffer storage)，空调器能够确保在间歇地操作的同时确保低于26℃的期望温度，并且因此当空调系统能够把目标冷却到最好功效时才需要操作。在剩余时间中，冷却系统能够从容纳电子设备的房屋中除去足够的热量，而不用提供外部电力。
8.本发明的目的是用适用于调节服务器房间的温度的系统来实现，其中该房屋配备有空调；其中该系统进一步包括完全具有热再生器的冷却阵列，该热再生器包括外部初级回路和内部次级回路；其中外部初级回路用初级传导介质灌注，该初级传导介质可以用方便地是初级泵(p1)的第一流体机构循环，并流过位于房屋外部的初级热交换器(h1)单元；内部次级回路用次级传导介质灌注，该次级传导介质可以用方便便地是次级泵(p2)的第二流体机构循环，并流过位于房屋内部的次级热交换器(h2)单元；并且，通过适合于控制的模型，可以彼此独立地控制外部初级回路和内部次级回路。
9.在根据本发明的系统的一种有利形式的实施方式的情况下，外部初级热交换器配备有外部初级空气循环风扇和/或内部次级热交换器具有次级空气循环风扇。
10.在根据本发明的系统的进一步有利形式的实施方式中，热再生器是用相变材料灌注的再生器单元。
11.在根据本发明的系统的一个有利形式的实施方式的情况下，热传递介质是气态的，并且该系统不包括泵。
12.此外，本发明的目的利用适用于操作根据本发明的系统的应用而实现，其中外部初级回路、内部次级回路和空调单元在系统的操作期间被操作；其中在系统操作期间以下操作模式交替：
13.‑
免费冷却(free cooling)，
14.‑
根据hv模型的情形1，
15.‑
根据hv模型的情形2或
16.‑
根据hv模型的情形3。
17.这里，hv模型应理解为意思是所谓的“散热器(heat ventor)”模型，这将在本说明书中稍后一点描述.。
18.在对应于本发明的目的的应用的一个有利的变型的情况下，各种操作模式，以利用hv模型产生的时间间隔，基于温度预测而交替。
附图说明
19.按照本发明的系统和应用的有利的设计借助附图而被描述，其中
20.图1是根据本发明的系统的实施的一个有利形式的框图布局，
21.图2
‑
6是属于根据本发明的系统的应用的相干逻辑过程的流程图，和
22.图7是比较为了在平均温暖的日子操作，根据本发明的系统和没有根据本发明的系统的冷却系统所需要的功率输入的图。
具体实施方式
23.图1示出了根据本发明的冷却系统和应用的设计。该系统被设计成平行于本身是已知的和所使用的c1空调单元，并且包括：一个p1初级泵，具有一个v1初级外部风扇的一个h1初级外部热交换器，一个p2次级泵，具有一个v2次级内部风扇的一个h2次级内部热交换器，和以适合于环境条件和热力学目的的任意pcm相变材料灌注的一个t1热再生器单元。该pcm相变材料方便地可以是能够液体到固体相移的一种物质，其具有高的熔化潜热，而其相移温度是在15至24℃之间的范围内在服务器房间的预期温度和平均外界温度的基础上被选择。
24.所述c1空调单元，本身是已知的，因而是根据本发明的系统的一部分，并且还可以被独立地控制。
25.在t1热再生器单元便利地是填充有pcm相变材料的缓冲存储布置、设计成以一个热交换元件被布置在缓冲存储中和液体到固体相变材料围绕所述存储中的所述热交换元件来储存热量。热交换器被选择以便基本上通过初级冷却回路和次级冷却回路被连接到冷却系统。自然地，t1热再生器单元也可以用具有类似性质的任何其它热再生器单元代替。
26.根据本发明的系统的一个外部初级回路(下文图2
‑
6上的“回路1”)包括一个h1初级外部热交换器和一个v1初级外部风扇，其或者被设计为独立的装置或者是在单个装置内
部，例如作为热通风机。管道1，2和3用于把h1初级外部热交换器连接到t1热再生器的箱中的热交换器(图中未示出)，从而使由此闭合的外部初级回路配备有附加的p1泵用来循环外部初级回路内部的初级热传递介质。
27.根据本发明的系统的一个内部次级回路(下文图2
‑
6上的“回路2”)包括一个h2次级内部热交换器和一个v2次级内部风扇，其或者被设计为独立的装置或者是在单个装置内部，例如作为热通风机。管道4，5和6被用于把h 2次级内部热交换器连接到t1热再生器的箱中的热交换器(图中未示出)，从而使由此闭合的内部次级回路配备有附加的p2泵用来循环内部次级回路内部的次级热传递介质。
28.外部初级回路和所述内部次级回路的循环是根据期望的热传递而彼此独立地可调节的。在外部初级回路和内部次级回路的初级和次级热传递介质便利地沿相反的方向流动。
29.在外部初级回路中循环的初级热传递介质可以是水或不同的冷却剂，在内部次级回路内循环的热传递介质便利地是水。
30.此外，本发明的目的是一种应用，它涉及根据本发明的系统的各种有利形式的实施。在该系统的描述中指定的一个外部初级回路、在该系统的描述中指定的一个内部次级回路和一个c1空调单元在应用期间被控制，其中，外部初级回路和内部次级回路被连接到热再生器单元。热再生器单元便利地是用pcm相变材料灌注的t1热再生器，其具有存储的能力或确保由外部初级回路和内部次级回路传递的热量的差异。本身已知的c1空调器，或本身已知的另一种热控制解决方案在应用期间也被控制。
31.图2
‑
6描述了控制的逻辑过程流程图，其中所述应用控制了外部初级回路中的初级泵p1和初级外部风扇v1；在内部次级回路中的次级泵p2和次级内部风扇v2；以及本身已知的空调器c1，受到数据比较的多个步骤的结果。
32.根据图2中描述的逻辑过程流程图树图，在缓冲存储内部的如使用测量值基于hv模型计算的t
pcm
温度大于房屋外部的温度情况下，那么系统以指定的“免费冷却”功能操作(见图3)。但是，当在缓冲存储内部的t
pcm
温度不大于房屋外部的温度的情况下，那么系统以基于预定义的hv模型(“散热器”模型，由发明人以后描述)选择的附加的1至3个功能操作(图4
‑
6)。
33.图3描述了“免费冷却”功能。如果在房屋外部发现的外部空气的房屋外部温度低于在热再生器t1内部的相变材料的在缓冲存储内的t
pcm
温度，并且热再生器内部的t
pcm
温度大于t
min
最小系统温度，那么在这种情况下，通过运行循环位于外部初级回路中的初级热传递介质的泵p1及其对应的v1初级空气循环风扇来操作外部初级回路，从而囤积房屋外部的外部空气的冷却容量。此时，外部初级风扇v1通过外部初级热交换器h1提供外部空气流，外部初级热交换器h1处理通过管道2和3从再生器到达的冷却剂，该冷却剂在冷却状态下通过管道1返回缓冲存储，在那里它冷却pcm相变材料。
34.在缓冲存储内部的热再生器t1的t
pcm
温度达到系统的t
min
最小温度值的情况下(其在一个有利的实施方式的情况下，便利地是例如14℃)，那么系统的进一步冷却停止，并且泵p1及其相应的次级空气循环风扇v1被停用。此时，再生器t1中的相变材料处于固态，并且因此适于冷却。在次级回路中的泵p2和次级空气循环风扇v2接通，而且因为使用再生器t1提供冷却，空调器c1停用。通过在应用期间使用的系统中的冷凝已经凭经验确定有利的最
小值14℃。
35.内部次级回路的调节需要房间的t
b
内部温度，以及缓冲存储中t1热再生器的t
pcm
温度，和预定义的dt温度差异。dt温度差异的有利值是1
‑
5℃，更便利地是3℃。如果pcm相变材料的温度低于房间的内部温度达到系统依赖的dt温度差异，则t1热再生器能够执行冷却。c1空调单元被停用，而次级回路被启用。在启用的次级内部回路中的p2次级泵循环次级内部回路的冷却剂，同时，内部次级空气循环风扇v2通过次级内部热交换器h2从房屋汲取暖空气。热交换器冷却来自房间的空气，同时消耗t1再生器的冷却容量。
36.在热再生器t1不再能够提供冷却的情况下，换句话说，dt温度差异不足，次级回路被停用，并且空调器被接通以执行冷却。
37.一旦外部温度变得对于进一步冷却热再生器t1中的pcm相变材料来说太高，系统就从“自由冷却”切换到根据如利用hv模型所选择的情形1
‑
3的操作模式之一。
38.图4至6呈现hv模型可以选择的功能1
‑
3。hv模型是一种算法，其可用于计算整个频谱上的经受了便利地是水的入口热传递介质的温度和质量流量的热能缓冲存储的输出，以及热再生器t1中的pcm相变材料的状态(温度和相)。对于包含pcm相变材料的热再生器t1，该输出受到pcm相变材料的物质状态和相应可变热阻的幅度的很大影响。hv模型旨在允许在每个时间点计算瞬时缓冲存储容量。因此，该模型可被用于计算在每个时间点在t1再生器中的瞬时冷却容量。
39.使用缓冲存储的对称性轴，必须以服从以下标准的最小基本实体的热分析来开始该过程：
40.·
丢弃元素之间的热量和物质的交换；
41.·
缓冲存储介质和热传递介质的温度在单个基本实体内是恒定的；
42.·
热传递系数是恒定的；
43.·
维持传导介质的连续性；
44.·
基本实体是无热源的；
45.·
由缓冲存储壁存储的能量是可以忽略不计的。
46.描述热交换的微分方程是：
47.(1)(1)
48.根据以下编号，其元素表达以下内容：
49.(i)
–
(ii)＝(iii)+(iv):
50.(i)是在δx长度管道部分的入口处的热回收介质的焓流率，
51.(ii)是在δx长度管道部分的出口处的热回收介质的焓流率，
52.(iii)是通过相变材料获得的热功率，
53.(iv)是由热交换器的材料存储的能量。
54.随该标准之后，公式1可以被精减如下：
55.(2)
56.(3)
57.在引入基于温度差异的正常传输单元之后：
58.(4)
59.通过把其代入公式3中：
60.(5)
61.(6)
62.分选后，下面的公式将得出离开相应的管道圈回路的水的温度：
63.(7)t
watern
＝t
watern
‑1‑
(t
watern
‑1‑
t
pcmn
‑1)
·
(1
‑
e
‑
ntu
).
64.水的功率输出是：
65.(8)
66.在一次递增中存储的能量是：
67.(9)
68.索引i区分了来自多个来源的热流。
69.他们本身是已知的规格划分(dimensioning)的方法可用于设计状态；为此，必须将缓冲存储分成基本部分，并执行迭代。使用这样的模型难以遵循操作情况中的变化，但由于适当的监管和跟踪，这是必要的。目标是找到方程式。
70.可以使用前面描述的相关性来计算基本实体的热功率。进行时间和空间模拟允许计算作为时间的函数的整个缓冲存储的性能。
71.实践经验表明，特定的热功率的值与进入箱的水的温度无关。
72.(10)
73.该模型适用于在短期工作时间上运行较长的时间的月度或年度长的经受恒定质量流量的模拟。随时间的缓冲存储的性能被重新计算为质量流量变化，或者产生多个性能图，并且使用他们本身是已知的方式插值可以从它们当中读取性能。
74.因此，该模型可以适应于系统，其中其性能易于计算是否作为热量消耗者或热量生产者，而由系统节省的能量可以通过热累积来计算。
75.在冷却系统中，外部温度预测可被用于产生冷却系统的效率和冷却需求。通过使用这些和hv模型，即使具有低计算能力，该系统也能够计算在接下来的24小时内的冷却需求和空调器的效率。这允许利用他们本身是已知的方法来确定何时切换到各种操作状态。
76.因此，hv模型在操作模式1,2和3中实际上不同地操作系统。在每个操作模式中，有
效的是，外部温度高于t
pcm
缓冲存储温度，从而“免费冷却”选项不可用，并且外部初级回路被停用。
77.在当空调器的效率是最好时的情况下，操作模式1(图4)是激活的。这通常发生在晚上和黎明时段。那个时间间隔始终是外部温度的函数，它在每种情况下都有不对应于同一时段，也不是每次相同的间隔的长度，因此缺少适当的模型，基于时间的具有满意精度的调节是不可能的。
78.t
pcmmin
是相变滞后现象的最低温度，并且低于该温度，pcm相变材料完全是固体。t
pcmmin
的值是给定pcm相变材料的热力学性质，例如，19℃。
79.在该时段，空调器c1的效率最高，因此，在该时间操作空调器c1具有成本效益，因此在这种情况下通过所有手段通电。由于此时由于外部温度不能足够低，因此不能使用“免费冷却”，因此使用空调器灌注缓冲存储，换句话说，热再生器t1中的pcm相变材料被冷冻。利用空调器c1的冷却相对于“免费冷却”不具有成本效率，因此不值得使在热再生器t1内部的pcm相变材料冷却至其凝固点以下。如果pcm相变材料的温度，在这种情况下，是在缓冲存储的最热点处的pcm相变材料的温度，高于t
pcmmin
，则缓冲存储尚未被满灌注，因此内部次级回路被接通，并且利用空调器冷却热再生器t1。否则，缓冲存储被满灌注，因此内部次级回路被驱动关闭。
80.图5描述了操作模式2。在白天期间，这是空调器的效率最差时的时段，并且它通常在白天期间发生。时间间隔始终是外部温度的函数，它在每种情况下都不对应于同一时段，也不是每次相同的间隔长度，因此基于时间的具有令人满意精度的调节是不可能的。
81.在这种情况下，外部温度最高，因此这是空调器c1的效率最差时，并且因此通过热再生器t1执行冷却，只要由dt温度差异提供的驱动力允许其这样做即可。对于这种情况，我们需要房间的t
b
内部温度以便调节，连同pcm相变材料在再生器t1的最冷点处的t
pcm
温度，和取决于系统规格划分的温度差异预设：dt。dt温度差异的有利值在1
‑
5℃之间，更便利地是3℃。如果pcm相变材料的温度低于房间的内部温度达到取决于系统的dt温度差异，则t1热再生器能够执行冷却。c1空调单元被停用，同时次级回路被启用，使得再生器可以执行冷却。否则，热再生器t1不再能够提供冷却，因此次级回路被停用，并且空调器被接通以执行冷却。这将不仅消除具有最差效率的操作，而且还提供性能峰值，因此将空调单元c1规格划分为较小规模就足够了。
82.在过渡状态的情况下，操作模式3是可能的，该过渡状态如图6中所示。在这种情况下，空调单元c1的效率对于使用它来灌注缓冲存储不是充分高，对于需要被关闭不是足够低。由于对于情形2，缓冲存储容量被保留，因此不值得利用缓冲存储冷却房间。不存在“免费冷却”，因此外部初级回路被关闭，热再生器t1不被灌注也不被排空，因此，内部次级回路也被关闭。空调单元c1自行执行冷却，因此空调单元c1被接通。
83.图7示出了hv模型的一个最佳操作和根据现有技术连续运行的一个c1空调单元的比较。该图表明，空调单元c1的功耗在一天的不同时间期间是不同的，因此，为了消除这种情况，可以在一天的某些时间期间更具成本效益地灌注热再生器t1，而在其他时间，正是利用更具成本效益的热再生器t1的冷却能力。
84.根据本发明的系统和应用的益处是，通过安装系统并使用该应用，可以降低服务器房间中热管理的功率需求，从而降低成本。
85.根据本发明的解决方案的另一个益处是，它可以与任何现有的c1空调单元或其他平行冷却解决方案组合，并且被安装和被用于冷却服务器房间，以及用于任何其他冷却系统。
86.附图标记列表
[0087]1‑
管道
[0088]2‑
管道
[0089]3‑
管道
[0090]4‑
管道
[0091]5‑
管道
[0092]6‑
管道
[0093]
c1
‑
空调单元
[0094]
h1
–
初级外部热交换器
[0095]
h2
‑
次级内部热交换器
[0096]
p1
‑
初级泵
[0097]
p2
‑
次级泵
[0098]
t1
‑
热再生器
[0099]
pcm
‑
相变材料
[0100]
v1
‑
初级空气循环风扇
[0101]
v2
‑
次级空气循环风扇