一种室外用集装箱数据中心自然冷却系统及其运行方法与流程

本发明属于节能，具体涉及一种室外用集装箱数据中心自然冷却系统及其运行方法。

背景技术：

1、数据中心冷却系统已被列为我国节能减排的重点对象，其节水也被列为了发展目标。但值得注意的是，现阶段集装箱数据中心正成为许多运营商的选择，根据qyresearch公开的最新数据，全球集装箱数据中心市场规模已达90亿美元，增速达13.9%。正因如此，集装箱数据中心冷却系统的能耗、水耗和碳排放正在逐年升高。当前，自然冷却被认为是能较好应用至工程实际并兼顾经济性和实用性的数据中心冷却系统节能减排手段。但现阶段多数集装箱数据中心实际应用的冷却系统仍是传统机械制冷系统，仅少数采用了自然冷却。从提高冷却系统能源环境和经济效益的角度上看，探讨符合集装箱数据中心特点的自然冷却方案非常必要。然而集装箱数据中心对灵活移动、快速部署以及集成扩容有较高要求，这使得集装箱数据中心自然冷却的应用及优化改进相较传统数据中心存在更多限制，需要进一步研究。

2、现阶段数据中心常用的自然冷却是直接或间接的风侧和水侧自然冷却，间接水侧自然冷却在炎热地区水耗较高，不太适合干旱缺水地区使用，同时其在集装箱数据中心应用时冷却塔安装易使箱体高度和载荷超过gb/t36448—2018所建议的值，移动和寿命可能受影响。直接水侧自然冷却高度依赖于地理位置和水资源，同时存在潜在的环境风险，如大量温排水的影响，尚未广泛应用。间接风侧自然冷却的节能减排效益受地理位置和气候条件影响较大，具有蒸发设备的系统水耗相对较高，同时由于其设备较为庞大，目前应用该技术的集装箱数据中心较少见。直接风侧自然冷却节能减排效果较优，但其操作策略受到环境温湿度和空气质量的制约明显，加湿水耗也不容忽视。因此，针对集装箱数据中心特点，在其冷却系统中考虑一种新的自然冷却方案对集装箱数据中心未来发展具有重要意义。

3、现在，一种新颖的自然冷却技术正在崛起，业界称它为天空辐射制冷，它通过两个对热辐射有很高透过率的大气窗口(8-14um,16-25um)将废热以可再生和完全被动的方式放散到接近3k的宇宙背景中。天空辐射制冷具有结构简单塑性强以及冷量产生过程无能耗水耗，无环境影响等优点，在世界范围内能源、水资源及全球变暖等问题日益严峻的当下正在被大量关注和研究。然而以天空辐射制冷作为集装箱数据中心自然冷却系统的研究现阶段还较为匮乏。

4、针对上述问题，中国专利cn109757078a提供了一种带天空辐射制冷模块、相变传热装置、补冷蓄冷和通风设备的数据中心冷却系统，其实施方法为通过两个两位三通阀将天空辐射制冷模块、制冷机组和地下蓄冷装置进行连接，在风管中再设置与可用冷源相连的换热器，实现蓄冷、制冷、释冷模式自由切换，更大程度利用自然冷源，然而其设计复杂且成本较高，较难运用于需灵活移动和快速部署的集装箱数据中心。中国专利cn211977127u提出了一种结合室外风侧换热器、天空辐射制冷模块和蓄冷设备的数据中心热管空调系统，其实施方法为将蒸发器通过集气器与室外换热器或天空辐射制冷模块组相连，在天空辐射制冷模块后设置蓄冷罐，通过plc控制模块进行控制，系统制冷范围和强度得到提高，然而其冷却系统运行并不够灵活，难以在复杂的气象条件下实现自然冷源利用的最大化，不设置机械制冷模块可能导致其在某些场合不可用。中国专利cn112432275a提出了一种带有蓄冷装置、水源热泵、天空辐射制冷模块、组合式空调箱、水侧自然冷却设备的新型空调系统，其实施方法是将水源热泵和天空辐射制冷模块通过蓄能装置关联，并连接两个换热盘管满足组合式空调箱的换热需求，然而该系统涉及供热回路，对数据中心针对性不强，设备组较为庞大，难以用于集装箱数据中心。中国专利cn114071954a提出了一种耦合有天空辐射制冷模块的集装箱数据中心冷却系统，并结合了风侧自然冷却和水侧自然冷却模块，其实施方法是将天空辐射制冷模块安装在集装箱箱体上，并设置冷热水罐和蓄水箱来维持数据中心稳定的供水温度，该系统可以针对不同气象条件自由切换冷却模式，同时设计了可根据集装箱数据中心需求自由安装风侧和水侧自然冷却模块的接口，然而该系统是基于水冷背板数据中心设计的，并不适用于一般数据中心的升级改造，与此同时，耦合三种自然冷源使得其系统和控制方法较为复杂，实用存在困难。中国专利cn115175543a提出了一种耦合新风冷却和天空辐射制冷的数据中心耦合冷却系统，该系统集成了新风系统和风基天空辐射制冷模块，同时设计了各种气象条件下的耦合运行方法，提高了系统的冷却潜力，然而该系统中的风基天空辐射制冷模块需要大量的辅助设备和风管，压力损失较大，同时该系统未能将风基天空辐射制冷模块与数据中心内部气流组织协同考虑，且其新风系统存在持续水耗。

5、因此如何克服现有技术的不足是目前节能技术领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种室外用集装箱数据中心自然冷却系统及其运行方法，通过合理的配置置顶空调，将天空辐射制冷技术与数据中心内部气流组织协同考虑，简单方便的利用天空辐射制冷模块这一自然冷源来实现完全或部分的自然冷却，同时考虑了极端情况下的系统运行方法；通过加装温度传感器，可实时监测天空辐射制冷模块的运行状况，便于运维；系统改造成本低，实现难度小，可降低制冷系统能耗水耗，提升系统能源经济效益，同时保证集装箱数据中心的灵活移动和快速部署能力。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种室外用集装箱数据中心自然冷却系统，包括去除顶面钢板的集装箱箱体、重型隔热门、供配电设备室、重型隔热墙、开放冷机室、置顶空调、机柜、自然冷却流道、天空辐射制冷模块、空气热通道、空气冷通道和机柜安装室；

4、去除顶面钢板的集装箱箱体从前到后被分隔为机柜安装室、供配电设备室、开放冷机室；

5、机柜安装室与供配电设备室之间采用重型隔热墙分隔；

6、机柜安装室内中部安装有机柜阵列；

7、机柜的顶部架设有置顶空调；

8、天空辐射制冷模块设置在机柜阵列正上方对应的去除顶面钢板的集装箱箱体的空置顶面上；

9、机柜的左侧为空气热通道，右侧为空气冷通道；机柜阵列顶部与天空辐射制冷模块之间形成的空间为自然冷却流道；

10、在开放冷机室的后侧壁、空气热通道的左侧壁均安装有重型隔热门；

11、开放冷机室与供配电设备室之间的侧壁上也安装有重型隔热门；

12、供配电设备室用于为机柜安装室和开放冷机室供电；

13、开放冷机室与室外环境相通，室内设置风冷空调外机，用于将机柜产生的热量从机柜安装室传至室外环境；

14、机柜空气出口与空气热通道入口连接，空气热通道出口与自然冷却流道空气入口连接；自然冷却流道空气出口与置顶空调空气入口连接，置顶空调的置顶空调空气出口与空气冷通道入口连接，空气冷通道出口与机柜空气入口连接。

15、进一步，优选的是，供配电设备室顶面采用钢板进行封闭，并在钢板表面设置高太阳反射率材料，该材料太阳辐射吸收率不高于0.1；供配电设备室设置不间断供电电源与电源分配单元，二者通过电缆相连。

16、进一步，优选的是，置顶空调包括置顶空调空气入口、置顶空调空气出口、气流隔板、冷却盘管、制冷剂入口、制冷剂出口、外壳、内置风机和空气流道；

17、制冷剂入口与冷却盘管冷却工质入口连接，冷却盘管冷却工质出口与制冷剂出口连接；

18、制冷剂入口和制冷剂出口通过管路与开放冷机室中的风冷空调外机连接形成冷却工质循环；

19、置顶空调空气入口与内置风机空气入口连接，内置风机空气出口通过空气流道与冷却盘管空气入口连接，冷却盘管空气出口通过空气流道与置顶空调空气出口连接，实现空气冷却。

20、进一步，优选的是，风冷空调外机包括制冷剂压缩机入口、制冷剂膨胀阀出口、压缩机、冷凝器、膨胀阀、冷凝风扇；

21、制冷剂压缩机入口和制冷剂膨胀阀出口通过管道分别与置顶空调的制冷剂出口及制冷剂入口相连；

22、压缩机、冷凝器、膨胀阀通过管道依次相连，压缩机入口通过管道与制冷剂压缩机入口相连；

23、膨胀阀出口通过管道和制冷剂膨胀阀出口相连；

24、冷凝风扇正对冷凝器设置。

25、进一步，优选的是，天空辐射制冷模块包括屏蔽层、气隙、粘结剂、隔离保温层、天空辐射制冷薄膜、隔离导热层和强化传热肋板；屏蔽层设置在天空辐射制冷模块的上表面，在其下方中部设有气隙，其下方两侧设有隔离保温层，屏蔽层两侧通过粘结剂与隔离保温层连接；隔离保温层与去除顶面钢板的集装箱箱体侧壁面相连；气隙下方设有天空辐射制冷薄膜，天空辐射制冷薄膜下方设有隔离导热层，天空辐射制冷薄膜与隔离导热层通过粘结剂相连；隔离导热层底面两端通过粘结剂与隔离保温层相连，隔离导热层下方中段均匀布设多个强化传热肋板。

26、进一步，优选的是，空气热通道出口处设置有热通道温度传感器；自然冷却流道空气出口处设置有置顶空调空气入口温度传感器；空气冷通道入口设置有冷通道温度传感器。

27、本发明还提供上述室外用集装箱数据中心自然冷却系统的运行方法，包括三种工作模式：部分自然冷却模式、完全自然冷却模式和极端工作模式；

28、其中，所述的部分自然冷却模式具体为：机柜运行过程中产生的热空气进入空气热通道，随后进入自然冷却流道，在空气流经自然冷却流道的过程中经由天空辐射制冷模块冷却；如果此时置顶空调空气入口温度传感器监测温度大于数据中心预设的送风温度，则置顶空调开启内置风机，同时位于开放冷机室中的风冷空调外机运行，使得冷通道温度传感器监测温度等于数据中心预设的送风温度，实现部分自然冷却；

29、所述的完全自然冷却模式具体为：机柜运行过程中产生的热空气进入空气热通道，随后进入自然冷却流道，在空气流经自然冷却流道的过程中经由天空辐射制冷模块冷却；如果此时置顶空调空气入口温度传感器监测温度等于数据中心预设的送风温度，则置顶空调开启内置风机，开放冷机室中的风冷空调外机不运行，实现完全自然冷却；如果此时置顶空调空气入口温度传感器监测温度小于数据中心预设的送风温度，则置顶空调开启内置风机，开放冷机室中的风冷空调外机不运行，同时置顶空调的内置风机减小风量，使得热通道温度传感器监测温度为数据中心预设的出风温度，实现完全自然冷却；

30、所述的极端工作模式具体为：当出现极端天气情况或热通道温度传感器监测温度小于置顶空调空气入口温度传感器监测温度的值达到预设值时，置顶空调开启内置风机，同时开放冷机室中的风冷空调外机运行，使得冷通道温度传感器监测温度为数据中心预设的送风温度；同时需人工在天空辐射制冷模块的屏蔽层上方设置隔离保护装置，以防止天空辐射制冷模块的机械性能遭到破坏或制冷系统能耗升高；在极端天气情况结束且热通道温度传感器监测温度大于等于置顶空调空气入口温度传感器监测温度的时间达到规定时间后，人工拆除隔离保护装置并对天空辐射制冷模块的屏蔽层进行清洁维护，维护时应切出极端工作模式。

31、本发明中，优选的，天空辐射制冷模块隔离保温层通过粘结剂与去除顶面钢板的集装箱箱体侧壁面相连，二者之间还需采用螺栓进一步紧固；隔离导热层下方中段通过电弧焊或激光焊与强化传热肋板相连。

32、本发明与现有技术相比，其有益效果为：

33、本发明公开的室外用集装箱数据中心自然冷却系统，将天空辐射制冷技术与集装箱数据中心气流组织协同考虑，将天空辐射辐射制冷模块集成进集装箱数据中心冷却系统中从而实现自然冷却，系统改造和布置简单方便，可有效降低数据中心冷却系统的能耗水耗；系统中关键位置设置有温度传感器，可以实时监测整个天空辐射制冷模块的运行情况，从而实现灵活的运行控制。相比集装箱数据中心常用的纯机械制冷或风水侧自然冷却，本系统建设和运行的灵活性更高，同时天空辐射模块利用开顶式集装箱在顶面进行架设，不影响集装箱数据中心的快速部署和灵活移动；天空辐射制冷技术的应用可以有效提高自然冷却的可用时长，多数地区自然冷却可用时长达到全年的85%以上，且自然冷却设备占用面积小，可在不影响部署和移动的前提下实现节能减排。较之目前现有的数据中心天空辐射制冷系统，本系统对集装箱数据中心针对性更强，同时将天空辐射制冷技术与箱体内气流组织协同考虑，二者契合度更高，整个系统结构简单，布置灵活容易，新建改造或维护的难度小成本低，实用性更强。

34、本发明公开的室外用集装箱数据中心自然冷却系统的运行方法，基于冷热通道温度传感器和置顶空调入口温度传感器来进行自动化控制，形成了完全自然冷却和部分自然冷却两种工作模式；在保证数据中心空气质量符合要求的同时利用了天空辐射制冷模块这一自然冷源，有效降低了集装箱数据中心冷却系统的能耗水耗；相较现有的类似技术，没有较为繁琐的控制策略，响应速度快，同时以冷热通道和置顶空调空气入口三处温度监测点作为天空辐射制冷模块和系统运行模式切换的依据，避免了气象条件改变对天空辐射制冷能力产生影响从而导致数据中心内部环境产生较大变化的情况；进一步考虑了极端条件下系统的保护和响应策略，地区和气候适应性得以提升。