串联式液气双通道数据中心制冷系统的制作方法

1.本发明属于数据中心制冷技术领域，更具体地说，是涉及一种串联式液气双通道数据中心制冷系统。


背景技术：

2.随着大数据、云计算的快速发展，数据中心越来越往大型化、高密度、高可靠性及绿色节能的方向发展。液气双通道冷却技术作为液冷技术的一个分支，因其具有支持高功率服务器、可使用自然风冷却、能耗低等优点，广泛用于数据中心的制冷系统中。液气双通道技术通常采用两套独立系统
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液冷系统和气冷系统。服务器cpu等电子元器件发热量占整个数据中心发热的70%-80%，其热量由液冷系统带走；数据中心剩余20%-30%的热量由空调末端的气冷系统带走。
3.液冷系统和气冷系统分别独立设置，占地面积大，所需设备和管路多，成本高，不利于集成化发展。又由于数据中心内20%的热量通常由压缩机机械制冷带走，消耗了部分电能资源。根据t/cie 051-2018《液/气双通道散热数据中心数据中心设计规范》的要求，气冷通道机柜进风区域的温度为18℃-30℃，南方夏天部分日期冷却塔的出水温度已经超过了30℃，为了满足规范及数据中心的可靠性，完全使用自然散热已无法满足使用要求。
4.目前数据中心用的液气双通道制冷系统急需改进。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种串联式液气双通道数据中心制冷系统，旨在解决目前的数据中心制冷系统占地面积大，所需设备和管路多，能耗高的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种串联式液气双通道数据中心制冷系统，包括：冷却塔、第一换热器、空调末端、第二换热器和液冷服务器机柜；所述冷却塔、所述第一换热器的二次侧和所述第二换热器的二次侧循环串联连通形成自然散热系统；所述第一换热器的一次侧和所述空调末端循环连通形成气冷系统；所述第二换热器的一次侧和所述液冷服务器机柜循环连通形成液冷系统；所述气冷系统、所述液冷系统分别通过所述第一换热器、所述第二换热器与所述自然散热系统进行热交换，所述气冷系统与所述液冷系统并联并且所述气冷系统与所述液冷系统不连通。
7.进一步地，所述第二换热器的一次侧的出口和所述液冷服务器机柜的入口之间还设置有第一循环泵。
8.进一步地，所述液冷系统内设置有连通所述第二换热器的一次侧出口和入口的第一旁路，及用于调节所述液冷服务器机柜的出水向所述第一旁路入口和/或所述第二换热器一次侧入口供应量的第一三通阀；所述液冷服务器机柜的出水能够经所述述第一三通阀的入口和第一出口流至所
述第二换热器的入口，还能够经所述第一三通阀的入口、第二出口、所述第一旁路与所述第二换热器的出水汇流并回流至所述液冷服务器机柜的入口。
9.进一步地，所述自然散热系统内还设置有用于检测所述第一换热器二次侧入口水温的第一温度检测装置、用于检测所述第一换热器二次侧出口水温的第二温度检测装置、用于检测所述第二换热器二次侧入口水温的第三温度检测装置和用于检测所述第二换热器二次侧出口水温的第四温度检测装置。
10.进一步地，所述自然散热系统内还设置有连通所述冷却塔出口和入口的第二旁路、连通所述第一换热器二次侧入口与所述第二换热器二次侧入口的第三旁路、用于调节所述第一换热器二次侧出水向所述冷却塔入口和/或所述第二旁路入口供应量的第二三通阀，及用于调节所述冷却塔出水与所述第二旁路出水的汇流液体向所述第一换热器一次侧入口和/或所述第三旁路入口供应量的第三三通阀。
11.进一步地，所述第一温度检测装置、所述第二温度检测装置、所述第三温度检测装置、所述第四温度检测装置、所述第二三通阀和所述第三三通阀分别与控制装置连接；所述控制装置能够通过所述第一换热器和所述第二换热器的温度调节所述第二三通阀和/或所述第三三通阀的开度。
12.进一步地，所述冷却塔出口与所述第二旁路出口之间设置有第二循环泵。
13.进一步地，所述自然散热系统内还设置有连通所述第二换热器二次侧入口和出口的第四旁路，及用于调节所述第一换热器二次侧出水与所述第三旁路出水的混合液体向所述第二换热器二次侧的入口和/或所述第二换热器二次侧的出口供应量的第四三通阀。
14.本发明提供的串联式液气双通道数据中心制冷系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明串联式液气双通道数据中心制冷系统将液冷系统与气冷系统串联在一起，共用冷却塔，大大减少了设备与管路投入，降低了购置及生产成本，节约了空间，便于统一管理与调节控制，提高了制冷效率，不仅适合大型数据中心，同时适用体积狭小的集装箱数据中心制冷，具有模块化的特点。又由于液冷系统中的第二换热器二次侧的进水温度可达到40℃，将液冷系统与气冷系统串联在一起，气冷系统经过第一换热器换出来的较高温度水进入第二换热器，供液冷系统换热使用，有效提高了液冷系统的进出水温度，进而达到了节能目的。
15.另外，全年大约使用压缩机制冷可带走数据中心5%-10%的热量，此时制冷系统消耗电能较大。氟泵系统全年可充分利用冷却塔的自然风冷来散热，大约可带走数据中心10%-15%的热量。已知液冷系统可带走数据中心80%的热量，综上所述，利用液气双通道与氟泵相结合的集成系统，可带走数据中心90%-95%（其中液冷系统占80%，氟泵系统占10%-15%）的热量，仅5%-10%的数据中心热量使用压缩机机械制冷，从而使数据中心节能降耗显著。又由于采用本发明提供的串联式液气双系统数据中心制冷系统，仅在夏季温度较高时需要开启压缩机，有效降低了压缩机的使用时长，实现了全年大部分时间的自然冷却，从而解决了大型高热功率密度数据中心散热问题，进一步降低了电能消耗。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些
实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的串联式液气双通道数据中心制冷系统的结构示意图；图2为本发明实施例提供的控制结构框线示意图。
18.图中：1、冷却塔；2、第一换热器；3、储液罐；4、氟泵；5、膨胀阀；6、空调末端；7、电磁阀；8、压缩机；9、第二换热器；10、控制装置；11、液冷服务器机柜；12、第一单向阀；13、第二单向阀；14、第三单向阀；15、第一循环泵；16、第一旁路；17、第一三通阀；18、第一温度检测装置；19、第二温度检测装置；20、第三温度检测装置；21、第四温度检测装置；22、第二循环泵；23、第二旁路；24、第三旁路；25、第二三通阀；26、第三三通阀；27、第四旁路；28、第四三通阀。
具体实施方式
19.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
20.请一并参阅图1，现对本发明实施例提供的串联式液气双通道数据中心制冷系统进行说明。所述串联式液气双通道数据中心制冷系统，包括冷却塔1、第一换热器2、储液罐3、氟泵4、膨胀阀5、空调末端6、电磁阀7、压缩机8、第二换热器9和液冷服务器机柜11。冷却塔1、第一换热器2的二次侧和第二换热器9的二次侧循环连通形成自然散热系统。第一换热器2的一次侧、储液罐3、氟泵4、空调末端6、电磁阀7和压缩机8循环连通形成气冷系统。气冷系统内还设置有与氟泵4并联的第一单向阀12，及与电磁阀7和压缩机8串联管路并联的第二单向阀13。第二换热器9的一次侧和液冷服务器机柜11循环连通形成液冷系统。气冷系统、液冷系统分别通过第一换热器2、第二换热器9与自然散热系统进行热交换。
21.制冷时，数据中心服务器内80%的热量通过液冷服务器机柜11及相应液冷管道传递至第二换热器9的一次侧，一次侧与二次侧进行热量交换，将热量传递给自然散热系统，最终通过冷却塔1散热到大气中。数据中心服务器内20%的热量由空调末端6及相应气冷管道传递至第一换热器2的一次侧，一次侧与二次侧进行热量交换，将热量传递给自然散热系统，最终通过冷却塔1散热到大气中。
22.其中，液冷系统全年开启并制冷，可带走80%的数据中心热量。气冷系统则根据不同地区、不同季节选择相应的制冷方式，具体操作如下：温度较高时（如夏季），断开氟泵4，开启压缩机8和电磁阀7，第一换热器2一次侧出口流出的制冷剂依次经过储液罐3、第一单向阀12、空调末端6、电磁阀7、压缩机8，回流至第一换热器2一次侧入口内。其中，储液罐3的作用是给氟泵4提供足够多的液态制冷剂。
23.温度较冷时（如春季、秋季或冬季），开启氟泵4，断开压缩机8，并关闭电磁阀7。从第一换热器2一次侧出口出来的制冷剂依次经过储液罐3、氟泵4、空调末端6、第二单向阀13，回流至第一换热器2一次侧入口内。
24.在过渡季节时，温度在全开氟泵4临界值与全开压缩机8运行临界温度之间时，开启氟泵4，开启压缩机8，打开电磁阀7。从第一换热器2一次侧出口出来的制冷剂依次经过储液罐3、氟泵4、膨胀阀5、空调末端6、电磁阀7、压缩机8，回流至第一换热器2一次侧入口内。
25.本发明实施例提供的带氟泵的串联式液气双系统数据中心制冷系统，与现有技术相比，本发明提供的带氟泵的串联式液气双系统数据中心制冷系统将液冷系统与气冷系统串联在一起，共用冷却塔1，大大减少了设备与管路投入，降低了购置及生产成本，节约了空间，便于统一管理与调节控制，提高了制冷效率，不仅适合大型数据中心，同时适用体积狭小的集装箱数据中心制冷，具有模块化的特点。又由于液冷系统中的第二换热器9二次侧的进水温度可达到40℃，将液冷系统与气冷系统串联在一起，气冷系统经过第一换热器2换出来的较高温度水进入第二换热器9，供液冷系统换热使用，有效提高了液冷系统的进出水温度，进而达到了节能目的。
26.另外，全年大约使用压缩机制冷可带走数据中心5%-10%的热量，此时制冷系统消耗电能较大。氟泵系统全年可充分利用冷却塔1的自然风冷来散热，大约可带走数据中心10%-15%的热量。已知液冷系统可带走数据中心80%的热量，综上所述，利用液气双通道与氟泵相结合的集成系统，可带走数据中心90%-95%（其中液冷系统占80%，氟泵系统占10%-15%）的热量，仅5%-10%的数据中心热量使用压缩机机械制冷，从而使数据中心节能降耗显著。又由于采用本发明提供的带氟泵的串联式液气双系统数据中心制冷系统，仅在夏季温度较高时需要开启压缩机8，有效降低了压缩机8的使用时长，实现了全年大部分时间的自然冷却，从而解决了大型高热功率密度数据中心散热问题，进一步降低了电能消耗。
27.具体的，冷却塔1与第一换热器2二次侧和第二换热器9二次侧之间管路内走水；第一换热器2一次侧走制冷剂；第二换热器9一次侧走制冷剂、去离子水、乙二醇等。
28.作为本发明提供的带氟泵4的串联式液气双通道数据中心制冷系统的一种具体实施方式，请参阅图1，压缩机8与第一换热器2的一次侧之间还串联有第三单向阀14，电磁阀7、压缩机8和第三单向阀14串联形成压缩机制冷管路，压缩机制冷管路与第二单向阀13并联。
29.第一换热器2的一次侧出口与储液罐3入口连通，储液罐3出口与氟泵4入口连通，氟泵4出口与膨胀阀5入口连通，膨胀阀5出口与空调末端6的入口连通。空调末端6主要由蒸发器61、变频风机62两大部件组成，空调末端6可以是房级空调、列间空调或其它形式的空调。空调末端6的出口与电磁阀7的入口连通，电磁阀7的出口与压缩机8的入口连通，压缩机8的出口与第三单向阀14的入口连通，第三单向阀14的出口与第一换热器2的一次侧入口连通。其中，第一单向阀12旁路于氟泵4，第一单向阀12的入口位于储液罐3与氟泵4之间，第一单向阀12的入口位于氟泵4与膨胀阀5之间。第二单向阀13可旁路于第三单向阀14、压缩机8和电磁阀7串联形成的管路，第二单向阀13的入口位于膨胀阀5与空调末端6出口之间，第二单向阀13的出口位于第三单向阀14与第一换热器2一次侧入口之间。
30.第三单向阀14的设置有效阻止了从第二单向阀13流出的制冷剂倒流进入压缩机8内的现象发生，降低了压缩机8发生损坏的风险。
31.作为本发明提供的带氟泵4的串联式液气双通道数据中心制冷系统的一种具体实施方式，请参阅图1，第二换热器9的一次侧的出口和液冷服务器机柜11的入口之间还设置有第一循环泵15。
32.第二换热器9的一次侧出口与第一循环水泵的入口连通，第一循环水泵的出口与液冷服务器机柜11的入口连通，液冷服务器机柜11的出口与第二换热器9的一次侧入口连接。
33.第一循环泵15的设置确保了液冷系统内制冷剂循环顺畅，保证了制冷效果。
34.作为本发明提供的带氟泵4的串联式液气双通道数据中心制冷系统的一种具体实施方式，请参阅图1，液冷系统内设置有连通第二换热器9的一次侧出口和入口的第一旁路16，及用于调节液冷服务器机柜11的出水向第一旁路16入口和/或第二换热器9一次侧入口供应量的第一三通阀17。
35.液冷服务器机柜11的出水能够经述第一三通阀17的入口和第一出口流至第二换热器9的入口，还能够经第一三通阀17的入口、第二出口、第一旁路16与第二换热器9的出水汇流并回流至液冷服务器机柜11的入口。
36.第一三通阀17的入口通过管路与液冷服务器机柜11出口连通，第一出口通过管路与第二换热器9一次侧入口，第二出口与第一旁路16的入口连通，第一旁路16的出口与连通第二换热器9一次侧出口和液冷服务器机柜11入口的管路连通。当液冷服务器机柜11的温度不高时，可将第一出口和第二出口同时导通，由液冷服务器机柜11出口流出的一部分液体经第一出口流至第二换热器9中进行热交换，另一部分通过第一旁路16与第二换热器9一次侧出口流出的液体汇合后回流至液冷服务器机柜11，从而提高了进入液冷服务器机柜11内制冷剂的温度。综上所述，通过调节第一三通阀17旁通（即第二出口）的开度大小可以实现液冷系统中制冷量的调节。
37.作为本发明提供的带氟泵4的串联式液气双通道数据中心制冷系统的一种具体实施方式，请参阅图1，自然散热系统内还设置有用于检测第一换热器2二次侧入口水温的第一温度检测装置18、用于检测第一换热器2二次侧出口水温的第二温度检测装置19、用于检测第二换热器9二次侧入口水温的第三温度检测装置20和用于检测第二换热器9二次侧出口水温的第四温度检测装置21。
38.第一温度检测装置18、第二温度检测装置19、第三温度检测装置20和第四温度检测装置21的设置使得操作人员可实时、准确获知第一换热器2二次侧和第二换热器9二次侧的温度，并根据检测结果调整自然散热系统中供回水温度，以确保整个制冷系统始终满足数据中心的制冷要求。
39.具体的，当检测到第一换热器2的二次侧和第二换热器9的二次侧温度较低时，操作人员可以根据数据中心的制冷需要通过调节冷却塔1的变频风机与变频水泵开度大小，从而提高自然散热系统中供回水的温度。
40.作为本发明提供的带氟泵4的串联式液气双通道数据中心制冷系统的一种具体实施方式，请参阅图1，自然散热系统内还设置有连通冷却塔1出口和入口的第二旁路23、连通第一换热器2二次侧入口与第二换热器9二次侧入口的第三旁路24、用于调节第一换热器2二次侧出水向冷却塔1入口和/或第二旁路23入口供应量的第二三通阀25，及用于调节冷却塔1出水与第二旁路23出水的汇流液体向第一换热器2一次侧入口和/或第三旁路24入口供应量的第三三通阀26。
41.当检测到第一换热器2的二次侧和第二换热器9的二次侧温度较低时，可不调节冷却塔1的参数，将第二三通阀25的旁路阀打开，使得第二三通阀25的入口与第二出口导通，这样第二换热器9二次侧出口流出的较高温度的回水可通过第二旁路23与冷却塔1出口流出的较低温度的供水混合后再次进入第一换热器2。这种调节方式，巧妙利用了自然散热系统中的回水的温度来提高供水的温度，且降低了冷却塔1接收到的回水量，既提高了自然散
热系统中供回水的温度，又降低了自然散热系统制冷所需能耗，达到了节能的制冷要求。
42.当第一温度检测装置18和第二温度检测装置19检测到第一换热器2二次侧温度偏低，同时第三温度检测装置20和第四温度检测装置21检测到第二换热器9二次侧温度偏高时，可开通并调节第三三通阀26的旁路阀，使得第三三通阀26的入口与第一出口、第二出口均导通，这样冷却塔1的部分较低温出水可直接通过第三旁路24与第一换热器2二次侧出水混合后进入第二换热器9中，从而有效降低了第二换热器9二次侧的温度，确保了液冷系统良好的制冷效果。
43.第二三通阀25和第三三通阀26的设置，实现了不同位置管路之间的连通，使得自然散热系统或液冷系统温度较高时，无需调节冷却塔1参数或更换设备，直接借助自然散热系统中不同位置管路中供回水的温度差便可实现自然散热系统中供回水或用于液冷系统降温的第二换热器9二次侧的降温，操作方便，节能高效。
44.作为本发明提供的带氟泵4的串联式液气双通道数据中心制冷系统的一种具体实施方式，请参阅图2，第一温度检测装置18、第二温度检测装置19、第三温度检测装置20、第四温度检测装置21、第二三通阀25和第三三通阀26分别与控制装置10连接。控制装置10能够通过第一换热器2和第二换热器9的温度调节第二三通阀25和/或第三三通阀26的开度。
45.第一温度检测装置18、第二温度检测装置19、第三温度检测装置20、第四温度检测装置21可分别采用温度传感器，第二三通阀25和第三三通阀26分别采用电控三通阀。使用时控制装置10获取各温度传感器的检测数据，通过内置程序进行数据分析，控制第二三通阀25和第三三通阀26开度，实现自然散热系统内供回水温度和第二换热器9二次侧温度的调节。
46.控制装置10的设置实现了第二三通阀25及第三三通阀26的自动控制，无需人工操作，大大提高了第二三通阀25及第三三通阀26调整的及时性和准确性。
47.具体的，控制装置10可采用plc控制系统，使用前在plc控制系统内预存所需执行程序，使得当控制装置10识别到第一温度检测装置18、第二温度检测装置19、第三温度检测装置20和第四温度检测装置21所检测到温度值分别低于各自对应的温度阈值时，控制第二三通阀25的旁路阀打开，使得第二三通阀25的入口与第二出口导通，这样第二换热器9二次侧出口流出的较高温度的回水可通过第二旁路23与冷却塔1出口流出的较低温度的供水混合后再次进入第一换热器2。
48.当控制装置10识别到第一温度检测装置18、第二温度检测装置19所检测到温度值分别低于各自对应的温度阈值，第三温度检测装置20和第四温度检测装置21所检测到温度值分别高于各自对应的温度阈值时，控制第三三通阀26的旁路阀打开一定角度，使得第三三通阀26的入口与第一出口、第二出口均导通，这样冷却塔1的部分较低温出水可直接通过第三旁路24与第一换热器2二次侧出水混合后进入第二换热器9中。
49.作为本发明提供的带氟泵4的串联式液气双通道数据中心制冷系统的一种具体实施方式，请参阅图1，冷却塔1出口与第二旁路23出口之间设置有第二循环泵22。
50.冷却塔1出口与第二循环泵22的入口连通，第二循环泵22的出口与第一换热器2的二次侧入口连通，第一换热器2的二次侧出口与第二换热器9的二次侧入口连通，第二换热器9的一次侧出口与冷却塔1的入口连通。
51.第二循环泵22的设置确保了自然散热系统内供回水循环的顺畅性，保证了自然散
热系统良好的制冷效果。
52.作为本发明提供的带氟泵4的串联式液气双通道数据中心制冷系统的一种具体实施方式，请参阅图1，自然散热系统内还设置有连通第二换热器9二次侧入口和出口的第四旁路27，及用于调节第一换热器2二次侧出水与第三旁路24出水的混合液体向第二换热器9二次侧的入口和/或第二换热器9二次侧的出口供应量的第四三通阀28。
53.当液冷系统中某管道出现故障时，可将第四三通阀28旁通阀完全打开，使得第四三通阀28的入口与第二出口导通，同时关断第二换热器9二次侧入口阀门，此时液冷系统从制冷系统中去除，气冷系统将承担全部热负荷，可应急和延缓一定时间。
54.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。