地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温系统及方法

本发明属于地下空间数据中心降温，尤其涉及空间受限的地铁地下数据机房精准降温系统及方法。

背景技术：

1、地下空间作为数据中心的重要场所,在现代社会的信息化进程中发挥着关键作用。随着数据量的爆发式增长和对高性能计算的需求，数据中心对运行环境和散热系统提出了更高要求。地铁地下机房作为一种特殊的地下空间数据中心类型，备受关注。现有的地铁站的地下设备机房，普遍存在以下四点问题：第一：由于地铁地下机房设备工作时间长、工作强度高、散热量大、散热困难，导致设备过热，性能和可靠性降低，容易出现宕机，安全隐患大；第二：由于地下环境的限制，目前采用的常规空调进行房间级冷却技术缺乏针对性，气流组织差、制冷效率低、能源消耗高；导致服务器设备局部热点多、粉尘堆积大；第三：机房热量大多直接排放至地铁隧道内，热量仍旧在地下空间内循环，未从根本上解决热量去除问题；第四：地铁地下机房通常受到空间限制，无法扩展或布置更多的散热设备，这导致散热设备的数量和容量有限，难以满足地铁地下机房高功率设备的散热需求。

2、因此，如何消除局部热点，降低地下数据中心空调能耗，尤其是空间受限的地铁地下数据机房空调能耗成为关键技术难点。

技术实现思路

1、为解决地下空间数据中心发热量大，散热困难、能耗大的问题，尤其是解决空间受限的地铁地下机房数据中心出现的发热量大，散热困难导致的服务器设备宕机，寿命缩短，运行效率低的问题，本发明主要目的是提供一种地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温系统及方法，能够实现地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温，具有高能效、低能耗、灵活性强、可控性高的优点。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温系统及方法，包括移动冷源、送风主管、架空支架、靶向精准降温对象、送风支管、送风口、精准送风柜、热流体通道、排风扇、涡轮风机。针对地下空间数据中心空间受限的制约因素，采用移动冷源对地下空间数据中心制冷，移动冷源分为更换前的移动冷源、地下空间数据中心使用中的移动冷源和更换后的移动冷源三种状态，定义在内循环制冷系统之外提前储存冷量未使用的状态为更换前的移动冷源，定义在地下空间数据中心空间内循环制冷系统工作状态为使用中的移动冷源，定义使用后在空间内循环制冷系统之外交换热能量的状态为更换后的移动冷源。当使用中的移动冷源吸收地下空间数据中心服务器产生的热量后从固态变成液态发生完全相变时更换移动冷源，更换后的移动冷源将地下空间数据中心的热量转移到地下空间内循环制冷系统之外交换热量提高制冷效率；更换前的移动冷源在内循环制冷系统之外提前储存冷量，提高移动冷源对地下空间数据中心的制冷能力；通过更换移动冷源打破原地下空间数据中心的内循环制冷模式，实现地下空间数据中心的外循环制冷，充分发挥受限空间内的移动冷源的制冷作用，提高地下空间数据中心受限空间内的制冷效率，避免地下空间数据中心热量积聚导致地下空间数据中心设备宕机，解决设备由温度积聚导致的寿命降低问题。所述送风主管用于输送冷空气；所述架空支架用于支撑所述机柜；所述送风支管将送风主管输送的冷空气送至目标区域，通过所述送风口喷洒出去；所述热流体通道用于换热后的热气流流通；所述排风扇用于增强室内气流循环速率；所述涡轮风机用于增压，提供气流动能。

4、综合成本和储热性能，作为优选，移动冷源选用冰，便于吸收地下空间数据中心的热量，降低地下空间数据中心受限空间内的温度，变废为宝，所述移动冷源冰可按需求提供冷负荷，地下空间数据中心受限空间内的冷负荷主要是服务器发热冷负荷，服务器冷负荷q由地下空间数据中心受限空间内的服务器数量(n)和功率(p)决定，α1，α2，α3，…αn，α为对应功率下服务器工作负荷指数，则服务器冷负荷q由下式(1)决定

5、

6、在式(1)基础上增加5％-10％的安全系数，即为移动冷源冰最大储冷量qmax＝(1.05-1.1)q。

7、为了进一步提高地下空间数据中心受限空间内制冷系统的效率、可控性、可靠性，降低能耗，提高经济效益，更换前的移动冷源，采用利用磁悬浮技术和膨胀机制的直膨式磁悬浮空调机组为移动冷源提供冷量，磁悬浮空调机组具有控制系统，通过传感器监测压力p，速度参数v，按照需求调整磁力和气流，调节与移动冷源模块相连接的磁悬浮空调机组的冷却系统，将冷量传递给水制成冰块，提高更换前的移动冷源的储存冷量容量。

8、为了优化地下空间数据中心受限空间内气流组织，实现靶向精准送风，为靶向精准降温对象高效降温，作为优选，所述送风支管根据靶向精准降温对象特征垂直方向梯度配置。

9、为了增强换热效率，根据冷空气密度ρl大于热空气密度ρg，在浮力作用下热气流上升原理，作为优选，所述地下空间数据中心移动冷源采用靶向精准降温系统置换送风，将温度低的冷空气从下部区域直接送至靶向精准降温对象，冷空气经过靶向精准降温对象吸收热量在热羽流作用下上升，作为进一步优选，所述靶向送风系统采用下送上回置换通风模式。靶向精准降温对象与送风口送风之间的换热量根据式(2)计算：

10、q＝ha(tw-tf)                    (2)

11、其中，q为所述靶向精准降温对象与送风口送风之间的换热量，单位w；h为对流换热系数，单位w/(m2·℃)；a为所述靶向精准降温对象与所述送风口冷风之间的接触面积，单位m2；tw为服务器表面温度，单位为℃；tf为送风口送风温度，单位为℃；为了增大换热接触面积，作为优选，所述送风口选择小孔径，多数目。

12、为了降低靶向精准降温对象温度，提高地下空间数据中心受限空间内的制冷效率，在实现高效降温和高密度热能储存的同时，充分利用地下空间数据中心服务器释放的热量，变废为宝。作为优选，靶向精准降温对象内布设储热密度高的相变材料和导热系数大的翅片，布设相变材料的质量由式(3)决定：

13、

14、其中，l为相变材料的潜热，kj/kg；cp为相变材料的比热，j/(kg·k)；te为相变材料吸热融化后的温度，℃；ti为相变材料的初始温度，℃；q为服务器发热冷负荷，kw。

15、为了保证地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温系统送风具有足够的动能，作为优选，所述送风主管内布置涡轮风机进行驱动增压。为了响应多模式的服务器工作场景，根据靶向精准降温对象载荷密度，合理匹配冷负荷，避免不必要的冷量浪费，作为优选，所述涡轮机由可调面积进风口、可调面积送风口、可调功率涡轮机组成，根据不同模式服务器工作场景，控制系统送风量，避免能源的浪费。为了保证运行稳定，维护方便，作为优选，所述涡轮风机并行安装且设有备用涡轮风机，所述送风支管可独立工作。为了有效去除灰尘和湿气，保证设备使用质量和寿命，作为优选，所述移动冷源内设有过滤装置。为了增强过滤效果，实现自动清理过滤灰尘，作为优选，所述过滤装置包含多层过滤单元，并且具有自动收集装置，可定期更换。为了避免冷量不必要的耗散、浪费，作为优选，所述服务器设备由精准送风柜罩住，使得冷风对其精准降温。为了增强数据中心内空气循环，优化气流组织，作为优选，在一侧安装排风扇；所述排风扇内设涡轮增压装置，实现空气倍增效果。

16、本发明公开的地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温系统及方法的工作方法为：

17、步骤1：根据地下空间数据中心服务器设备散热功率，确定地下空间数据中心受限空间内服务器热负荷。

18、步骤2：根据地下空间数据中心服务器设备尺寸、型号、布局，确定精准送风柜的尺寸，架空支架的尺寸，送风主管大小，送风支管的大小，送风口的高度。

19、步骤3：将地下空间数据中心服务器设备置于定制好的架空层上并进行固定。

20、步骤4：在地下空间数据中心靶向精准降温对象表面布设翅片。

21、步骤5：为地下空间数据中心靶向精准降温对象布设相变材料。

22、步骤6：将精准送风柜布设于地下空间数据中心服务器设备外层。

23、步骤7：根据送风主管和送风支管的大小及高度，确定涡轮机的选型。

24、步骤8：在地下空间数据中心受限空间内移动冷源对侧安装排风扇，创造良好的下送上回气流组织。

25、步骤9：建立地下空间数据中心服务器多模式工作下的冷负荷数据库，匹配对应冷负荷下涡轮机进风口面积，送风口面积，通过磁悬浮技术控制移动冷源储冷量和涡轮机控制精准送风系统送风量，实现多模式精准送风。

26、步骤10：根据地下空间数据中心受限空间内服务器设备散热功率，按照公式(1)确定移动冷源模块容量，利用直膨式磁悬浮空调机组在夜间波谷电价时期为移动冷源预先储冷，保证提供地下空间数据中心受限空间内服务器设备冷却所需冷量。

27、步骤11：移动冷源储存的冷量首先通过所述精准送风系统中的送风主管送出，其次经过送风主管中的涡轮机进行增压，高速旋转的涡轮机会迅速改变气流流动的方向而形成快速流动的旋转空气；所述涡轮机通过转轴与送风口面板连接，通过转速调节面板控制送风口面积，进而实现风量的调节，满足地下空间数据中心服务器多模式工作下风量的需求；所述涡轮机增压送出的冷空气具有满足要求的初始速度，然后经送风支管送至送风口；所述送风口采用孔板送风，所述送风口外圈边缘为空气进气圈，服务器周围部分空气通过所述进气圈进入送风口和内部冷空气混合，接着经所述多孔风口送至靶向精准降温对象，与靶向精准降温对象周围空气接触面积更大，同时将主要冷量传递至靶向精准降温对象周围空气，使服务器快速降温，所述服务器置于架空支架上；冷却完服务器后的热空气经机柜风道向上流出，在排风扇的驱动下，循环至移动冷源。

28、步骤12：将靶向精准降温对象表面的吸收地下空间数据中心服务器释放的热量后的熔融相变材料移除至非地下空间，转移地下空间数据中心热量，用以给其余用热场所(如生活热水、建筑供暖、温室大棚)供热。

29、步骤13：将吸收热量后由固体变成液体发生相变的移动冷源移至非地下空间，转移地下空间数据中心热量，用以给其余用热场所(如生活热水、建筑供暖、温室大棚)供热。

30、有益效果：

31、1.本发明公开的地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温系统及方法，适用于地下空间数据中心受限空间内的地铁地下数据机房精准降温，通过采用移动冷源打破原地下空间数据中心的内循环制冷模式，实现地下空间数据中心的外循环制冷，将地下空间数据中心的热量转移至非地下空间，充分发挥受限空间内的移动冷源的制冷作用，提高地下空间数据中心受限空间内的制冷效率，避免地下空间数据中心热量积聚导致地下空间数据中心设备宕机，解决设备由温度积聚导致的寿命降低问题。

32、2.本发明公开的地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温系统及方法，通过采用直膨式磁悬浮空调机组在夜间波谷电价时期为移动冷源预先储冷，不仅减少用电成本，也能够避免白天用电高峰电力紧张供需不平衡导致的制冷系统波动，提高地下空间数据中心受限空间内机房的稳定性；减少对传统能源的依赖，降低对环境的污染；移动冷源可根据地下空间数据中心服务器需求进行扩大或缩小，实现供冷系统的灵活性和适应性；通过将吸收热量后由固体变成液体发生相变的移动冷源移至非地下空间，变废为宝，用以给其余用热场所(如生活热水、建筑供暖、温室大棚)供热，实现节能与降温。

33、3.本发明公开的地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温系统及方法，通过在地下空间数据中心靶向精准降温对象布设相变材料，利用相变材料的高储能密度将地下空间数据中心服务器释放的热量收集实现废热利用，变废为宝，用以给其余用热场所(如生活热水、建筑供暖、温室大棚)供热，实现节能与降温。

34、4.本发明公开的地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温系统及方法，通过采用可移动冷源靶向精准降温系统及方法，利用热羽流原理在浮力作用下热气流上升，将温度低的冷空气从下部区域直接送至靶向精准降温对象，冷空气经过靶向精准降温对象吸收热量在热羽流作用下上升，避免冷空气耗散，增强冷空气与靶向精准降温对象间的换热速率，提高地下空间数据中心受限空间内的制冷效率。

35、5.本发明公开的地下空间数据中心可移动冷源靶向精准降温系统及方法，通过采用安装架空支架，精准送风柜，翅片，排气扇多部件的方法有效增加换热面积，减少冷量损失，强化换热过程，增强数据中心降温效率，保证服务器高效运行和使用寿命，而且节能；通过采用孔板送风口，使送出来的冷空气与服务器周围空气充分混合，实现均匀送风，增强换热效率的同时节约冷量；通过采用涡轮机，利用涡轮增压技术，保证送风动力，创造优良的气流组织，靶向冷却降温；通过将涡轮机与送风口面板连接按地下空间数据中心需求控制送风口送风量，响应地下空间数据中心服务器多模式工作场景，按需供冷，节约能源，灵活可靠。