一种具有余热回收和相变储能功能的数据中心液冷系统的制作方法

本发明涉及服务器，具体涉及一种具有余热回收和相变储能功能的数据中心液冷系统。

背景技术：

1、蓬勃发展的新一代网络技术产生的数据量、数据交互与数据计算的规模越来越大。截止2021年年底，我国在用数据中心机架规模达到520万架，近五年年均复合增速超过30％。过去十年间，我国数据中心整体用电量以每年超过10％的速度递增，其耗电量在2020年突破2000亿千瓦时。

2、而数据中心能耗主要来源于it设备、空调系统、照明系统和供配电系统等，其中空调系统能耗约占整个数据中心能耗的40％左右，因此自然冷源的利用可以显著降低数据中心冷却能耗及pue。另外，数据中心机房设备所消耗的电能几乎全部转化为热能，这些余热有着易提取、热源充足等特点。如果能收集这些余热用于周围建筑的采暖和热水供应，一方面可以缓解周围建筑的供暖压力，另一方面可以缓解数据中心冷却系统的供冷压力。

3、与风冷技术相比，液冷系统更具发展前景且pue值显著降低。其中浸没式液冷系统和直接冷板式液冷系统已有实施例，但在实际运行中仍存在诸多问题，譬如：浸没式液冷系统需要大量冷却液，极大地限制了数据中心规模，且难以运营维护。而喷淋式液冷技术有局部精准散热、接触热阻小、传热温差小、温控精度高、响应速度快等优点。目前已经提出的喷淋式液冷系统采用的喷淋方式主要是直接滴淋冷却液，其形式更接近在局部形成浸没的浸没式液冷系统，存在因冷却液滞留在换热表面导致传热恶化的问题。

4、数据中心的冷负荷有一定的波动性，而数据中心的可靠性要求极高，增设储能模块可起到应急、缓冲的效果，满足数据中心高可靠性要求。目前常用的储能技术包括化学储能技术和显热储能技术，但这两种技术均存在一定的缺陷，比如，化学储热存在反应过程复杂、设备性能要求高、性价比低等问题。而显热储能的材料大都热密度低，温度变化大、系统占用空间大，难以在紧凑空间内使用。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的至少一个缺陷，提供一种具有余热回收和相变储能功能的数据中心液冷系统，能够回收余热并且有助于数据中心低能耗、安全、可靠运行。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有余热回收和相变储能功能的数据中心液冷系统，该系统包括冷却系统、综合制冷热回收系统以及余热利用系统。所述冷却系统包括服务器喷淋液冷系统、第一换热器以及蜂窝套管式相变储能换热器。所述冷却系统能够在不同的制冷剂循环回路之间切换，所述不同的制冷剂循环回路包括由所述服务器喷淋液冷系统、第一换热器通过管路连通形成的第一制冷剂循环回路以及由所述服务器喷淋液冷系统、第一换热器、蜂窝套管式相变储能换热器通过管路连通形成的第二制冷剂循环回路。所述服务器喷淋液冷系统用于将服务器热量转移至制冷剂循环回路的第一制冷剂。

3、所述综合制冷热回收系统包括综合制冷模块和余热回收模块。所述综合制冷模块包括第二换热器、冷水机组、蒸发器以及自然冷源，所述综合制冷热回收系统能够在不同的冷却水循环回路之间切换，所述不同的循环回路包括由所述蜂窝套管式相变储能换热器与所述第二换热器连通形成的完全自然制冷循环回路、由所述蜂窝套管式相变储能换热器与冷水机组连通形成的机械制冷循环回路以及由所述蜂窝套管式相变储能换热器、所述第二换热器、冷水机组连通形成的部分自然制冷循环回路。所述第二换热器用于对所述冷却水循环回路的冷却水与来自自然冷源的冷却水换热。

4、所述余热回收模块包括蒸发器、压缩机以及冷凝器，所述蒸发器与所述第一换热器可选择地连通形成余热回收循环回路。所述蒸发器、压缩机以及所述冷凝器可选择地连通形成热泵循环回路。所述余热回收循环回路与所述热泵循环回路通过所述蒸发器换热，所述热泵循环回路的热量通过所述冷凝器传递给所述余热利用系统。

5、具体的，所述余热利用系统包括具有第一通道和第二通道的储热水箱和采暖末端，所述冷凝器、储热水箱的第二通道的入口与出口、采暖末端可选择地连通形成热水循环回路，冷水经过冷凝器吸收高温制冷剂热量后变为热水，进入储热水箱，储热水箱的第一通道用于连接生活热水管网。

6、具体的，所述服务器箱体呈倾斜设置且包括喷淋面，所述服务器喷淋液冷系统的雾化喷头与所述喷淋面正对设置。

7、具体的，所述蜂窝套管式相变储能换热器包括壳体，所述壳体内设置有圆柱形腔体，所述圆柱形腔体内设置有若干套管，所述套管内设置有制冷剂通道，所述套管外壁设置有相变材料层，所述圆柱形腔体的侧壁与所述相变材料层之间设置有冷却水通道。

8、可选的，所述相变材料层选用的材料的相变温度为35℃～40℃。优选的，所述相变材料层的材料为zn(no3)2·6h2o，相变温度为36～36.4℃，相变储热为134～258kj/kg，比热容为1.34kj/(kg·m3)，密度为1937～2065kg/m3，导热系数为0.464～0.469w/(m·k)。

9、具体的，所述冷却系统包括第一阀门和第二阀门，所述第二阀门连接于第一换热器与蜂窝套管式相变储能换热器之间的管路上。所述第一阀门的一端连接于第一换热器与第二阀门之间的管路上，另一端连接于蜂窝套管式相变储能换热器与服务器喷淋液冷系统之间的管路上。

10、具体的，所述综合制冷热回收系统包括第三阀门、第四阀门、第五阀门以及第六阀门。所述蜂窝套管式相变储能换热器、第三阀门、所述第二换热器与第五阀门依次连通形成所述自然制冷循环回路。所述蜂窝套管式相变储能换热器、第四阀门、第六阀门与冷水机组依次连通形成所述机械制冷循环回路。所述蜂窝套管式相变储能换热器、第三阀门、所述第二换热器、第六阀门与冷水机组依次连通形成所述部分自然制冷循环回路。

11、具体的，所述余热回收模块还包括节流元件和第八阀门，所述蒸发器、压缩机、冷凝器、节流元件与第八阀门依次连通形成热泵循环回路。所述余热利用系统包括第七阀门，所述冷凝器、储热水箱的第二通道的入口与出口、第七阀门与采暖末端依次连通形成热水循环回路。所述热水循环回路设置有用于补给冷冻水的补水口，所述补水口位于所述采暖末端与所述冷凝器之间的管路上。

12、具体的，所述系统具有三个模式，所述三个模式包括余热全回收模式、余热部分回收模式以及余热不回收模式。当周围建筑有热需求且第一换热器第一通道流出的制冷剂温度在18～27℃内，所述系统处于余热全回收模式。当周围建筑有热需求且第一换热器第一通道流出的制冷剂温度高于27℃，所述系统处于余热部分回收模式。当周围建筑无热需求时，所述系统处于余热不回收模式。

13、当所述系统处于余热全回收模式时，第一阀门16开启，第二阀门关闭，第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门均关闭，蜂窝套管式相变储能换热器、第二换热器和冷水机组均关闭，第七阀门至第八阀门均打开，所述热泵循环回路处于工作状态。

14、当系统处于余热部分回收模式和余热不回收模式时，若所述蜂窝套管式相变储能换热器与所述第二换热器连通的一侧通道出口流出的冷却水温度高于所述第二换热器与所述自然冷源连通的一侧通道入口流入的冷却水温度，则第一阀门关闭，第二阀门开启，打开第四阀门和第六阀门，关闭第三阀门和第五阀门，所述冷水机组和所述蜂窝套管式相变储能换热器均处于工作状态。

15、若所述蜂窝套管式相变储能换热器与所述第二换热器连通的一侧通道出口流出的冷却水温度低于所述第二换热器与所述自然冷源连通的一侧通道入口流入的冷却水温度且所述第二换热器与所述蜂窝套管式相变储能换热器连通的一侧通道出口流出的冷却水温度达到设定值，则第一阀门关闭，第二阀门开启，打开第三阀门和第五阀门，关闭第四阀门和第六阀门，关闭冷水机组，所述第二换热器和蜂窝套管式相变储能换热器均处于工作状态。

16、若所述蜂窝套管式相变储能换热器与所述第二换热器连通的一侧通道出口流出的冷却水温度低于所述第二换热器与所述自然冷源连通的一侧通道入口流入的冷却水温度且所述第二换热器与所述蜂窝套管式相变储能换热器连通的一侧通道出口流出的冷却水温度未达到设定值，则第一阀门关闭，第二阀门开启，打开第三阀门和第六阀门，关闭第四阀门和第五阀门，所述冷水机组、所述第二换热器和蜂窝套管式相变储能换热器均处于工作状态。

17、当系统处于余热不回收模式时，第七阀门至第八阀门均关闭，所述热泵循环回路处于不启用状态，第九阀门关闭，储热水箱、采暖末端和补水口均处于不启用状态。

18、有益效果：

19、(1)本发明提出的一种具有余热回收和相变储能功能的数据中心液冷系统具有三个模式，包括余热全回收模式、余热部分回收模式以及余热不回收模式。在余热全回收模式和余热部分回收模式下，余热回收模块和余热利用系统的设置，避免了数据中心热耗的浪费，同时在余热部分回收模式以及余热不回收模式下，因系统中的综合制冷热回收系统能够在机械制冷循环回路、完全自然制冷循环回路与部分自然制冷循环回路之间切换，使得系统能够最大化利用自然冷源进行冷却，有助于降低数据中心的能耗。

20、(2)本发明的服务器喷淋液冷系统采用雾化直接喷淋的冷却手段，相比于现有喷淋液冷系统采用的直接滴淋冷却液的方式，其换热效率更高，服务器箱体呈倾斜放置，使得冷却液无法滞留在换热表面，避免了冷却液滞留引起的传热恶化，大大提高了冷却效率。

21、(3)作为一种相变储能装置，本发明的蜂窝套管式相变储能换热器能够缓冲服务器负荷变化时带来的冲击，在停机检修或空调出现故障时，确保一定的应急过渡时间，保证服务器正常、可靠连续运行。相比于现有技术中采用的化学储能技术和显热储能技术，相变储能的储能密度是显热储能的5～10倍，相变材料在相变过程中温度和体积变化小，同时，相变储能的成本低于显热储能和化学储能。

22、(4)本发明设置的余热利用系统将从数据中心回收的余热用于周围建筑全年生活热水与冬季供暖，有助于节约周围建筑用热成本。