基于自然冷却与服务器级别冷却的灾备数据中心冷却系统

摘要

一种基于自然冷却与服务器级别冷却的灾备数据中心冷却系统，应用于地下环境，包括空冷模块、数据中心机房室内循环模块、双级回路服务器冷却模块、机械制冷模块和地下水源制冷模块；一方面，通过机械制冷模块和地下水源制冷模块最大限度地利用自然冷源，延长自然冷却时间，降低能耗；另一方面，当出现灾害时，地下水源制冷模块作为灾备系统独立制备冷水，为服务器正常工作提供所需制冷量。本发明采用间接蒸发冷却技术实现了数据中心全年自然冷却，满足夏季等高温工况下制备冷水的需求；采用地下水源制冷系统作为备用冷却系统；利用双级回路服务器级别冷却技术实现超高发热密度机柜的高效换热，大幅降低数据中心能耗，同时提高了元件换热效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于自然冷却与服务器级别冷却的灾备数据中心冷却系统，属于数据中心冷却技术领域。

背景技术

全球云计算、大数据、物联网、人工智能、5G通信等信息技术快速发展，传统产业的数字化转型，推动数据中心快速发展。数据中心的能耗问题是全球数据中心发展和建设面临的重大挑战，数据中心冷却系统作为数据中心的一部分，其能耗也是数据中心能耗的主要组成部分。

电子设备运行效率低下的主要原因源自于其自身温度，当发热元件温度过高时，不仅会增加能耗，还会引起不必要的宕机，因此，数据中心冷却系统的运行好坏直接影响着电子设备运行的效率和可靠性。而随着超高发热密度机柜的普及，服务器发热元件的散热问题对数据中心冷却系统带来了更大的挑战，如何全面利用节能减排技术，实现绿色计算是当下数据中心建设面临的问题。

灾备数据中心作为数据中心的一种，其在节能、防灾等方面具有独特优势，目前，灾备数据中心的冷却系统在发展中主要面临以下难题：一方面，如何能够更加充分发挥灾备数据中心冷却系统地下空间的独特优势，利用环境冷源，进一步降低数据中心能耗；另一方面，当灾害或战争发生时，在地面基础设施失效时，如何提供额外的冷却系统以确保服务器的高效运行。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于自然冷却与服务器级别冷却的灾备数据中心冷却系统，该冷却系统能够充分利用地下空间的独特优势，实现数据中心全年自然冷却，并能够满足在夏季高温工况下制备冷水的需求；能够应对灾备情况下数据中心的制冷需求，以保证服务器安全高效运行；能够解决超高发热密度机柜的散热问题，实现高效换热，大幅度降低灾备数据中心的能耗。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于自然冷却与服务器级别冷却的灾备数据中心冷却系统，包括空冷模块、数据中心机房室内循环模块、双级回路服务器冷却模块、机械制冷模块和地下水源制冷模块；

所述空冷模块包括填料塔、表冷器、排风机、循环水泵、板式换热器一、冷却水循环阀组一、回水水泵一、冷却水循环阀；所述数据中心机房室内循环模块包括机柜、服务器、回水分流器、储冷罐一、充冷阀一、放冷阀一、保冷阀一、储冷罐二、充冷阀二、放冷阀二、保冷阀二；所述双级回路服务器冷却模块包括双级回路水泵、可移动支架、冷媒汇集管、冷媒回流管、中间换热冷板、快接插头配件、蒸发端平接换热器、冷凝端平接换热器、热管环路、流体输配管路；所述机械制冷模块包括空冷单元和水冷单元，所述空冷单元包括冷凝器一、蒸发器一、压缩机一、膨胀阀一，所述水冷单元包括冷凝器二、压缩机二、膨胀阀二、蒸发器二；所述地下水源制冷模块包括地下水源、过滤器、供水水泵、原水循环阀组、板式换热器二、回水水泵二、冷却水循环阀组二；

所述供水水泵的吸水口通过主供水管路与地下水源连接，其排水口依次通过原水循环阀组中的原水循环阀A、板式换热器二的一次侧与冷凝器二的进水口连接，冷凝器二的出水口通过原水循环阀组中的原水循环阀B与主回水管路的一端连接，主回水管路的另一端与地下水源连接；所述压缩机二的吸气口、排气口分别与蒸发器二的冷媒出口、冷凝器二的冷媒进口连接，蒸发器二的冷媒进口通过膨胀阀二与冷凝器二的冷媒出口连接；

所述回水水泵二的排水口与蒸发器二的进水口连接，蒸发器二的出水口依次通过板式换热器二的二次侧、冷却水循环阀组二中的冷却水循环阀二A与充冷阀二的入口端连接，充冷阀二的出口端与储冷罐二的进水口连接，储冷罐二的出水口与放冷阀二的入口端连接，充冷阀二的入口端还通过保冷阀二与放冷阀二的出口端连接，回水水泵二的吸水口通过冷却水循环阀组二中的冷却水循环阀二B与回水分流器的一个出水口连接；

所述可移动支架底部设置有滚轮，其上部并排的安装有冷媒汇集管和冷媒回流管，且冷媒汇集管和冷媒回流管上由上到下相对应的连接有多对快接插头配件；所述双级回路水泵的吸水口通过流体输配管路与放冷阀一和放冷阀二的出口端连接，其排水口与冷媒汇集管的上端连接，冷媒回流管的上端与回水分流器的进水口连接；

所述蒸发端平接换热器安装在机柜中的服务器上，其通过热管环路与冷凝端平接换热器连接；冷凝端平接换热器紧贴于中间换热冷板上，中间换热冷板的换热通道两端分别与冷媒汇集管和冷媒回流管上的一对快接插头配件连接；

所述回水水泵一的吸水口与回水分流器的另一个出水口连接，其排水口依次通过冷却水循环阀组一中的冷却水循环阀一A、板式换热器一的二次侧、冷却水循环阀组一中的冷却水循环阀一B与蒸发器一的进口水连接，蒸发器一的出水口通过充冷阀一与储冷罐一的进水口连接，储冷罐一的出水口与放冷阀一的入口端连接，放冷阀一的出口端与放冷阀二的出口端连接，放冷阀一的出口端还通过保冷阀一与蒸发器一的出水口连接；回水水泵一的排水口还通过冷却水循环阀与蒸发器一的进口水连接；

所述表冷器安装在填料塔的外表面，所述排风机安装在填料塔的顶部排气口中；所述循环水泵的吸水口与填料塔底部的排水口连接，其排水口通过板式换热器一的一次侧与冷凝器一的进水口连接，冷凝器一的出水口与表冷器的一端连接，表冷器的另一端与填料塔内部的液体喷淋器连接；

所述压缩机一的吸气口、排气口分别与蒸发器一的冷媒出口、冷凝器一的冷媒进口连接，蒸发器一的冷媒进口通过膨胀阀一与冷凝器一的冷媒出口连接。

进一步地，所述地下水源制冷模块还包括过滤器，所述过滤器串接在主供水管路和主回水管路的中部。

进一步地，所述表冷器的数量至少为两个。

进一步地，所述的双级回路水泵、可移动支架、冷媒汇集管、冷媒回流管、中间换热冷板、快接插头配件和流体输配管路构成可移动流体分配单元。

进一步地，所述的蒸发端平接换热器、冷凝端平接换热器和热管环路构成微通道热管换热器，微通道热管换热器采用超薄环路热管或闭式环路脉动热管，其结构为毛细结构，通过管内工质的循环相变实现热量由蒸发端平接换热器向冷凝端平接换热器的传递。

进一步地，所述的空冷单元位于地上区域，为常备冷却系统；数据中心机房室内循环模块、机械制冷模块和地下水源制冷模块均位于地下区域，其中，数据中心机房室内循环模块包含双级回路服务器冷却模块，为常备冷却系统，机械制冷模块和地下水源制冷模块为冗余/灾备系统。

本发明通过设置空冷模块、数据中心机房室内循环模块、双级回路服务器冷却模块、机械制冷模块和地下水源制冷模块，一方面，通过机械制冷模块和地下水源制冷模块最大限度地利用自然冷源，延长自然冷却时间，降低能耗；另一方面，当出现自然灾害时，地下水源制冷模块作为灾备系统可独立制备冷水，为服务器正常工作提供所需的制冷量，地下区域可采用废弃矿井或退役军事设施如防空洞以降低建造成本，地下水源制冷模块根据政策及成本需求可采用地下矿井水源或者地下水作为冷源。本发明采用间接蒸发冷却技术实现了数据中心全年自然冷却；采用机械冷却与间接蒸发冷却技术相结合，满足夏季等高温工况下制备冷水的需求；采用地下水源制冷模块作为备用冷却系统；利用双级回路服务器级别冷却技术解决超高发热密度机柜的散热问题，实现了高效换热，最终实现了数据中心全年自然冷却，大幅降低了灾备数据中心能耗，同时提高了元件换热效率。

附图说明

图1是本发明的工作原理框图；

图2是本发明的结构示意图。

图中：1、空冷模块，101、填料塔，102、表冷器，103、排风机，104、循环水泵，105、板式换热器一，106、冷却水循环阀组一，107、回水水泵一，108、冷却水循环阀，109、冷却水循环阀一A，110、冷却水循环阀一B；

2、数据中心机房室内循环模块，201、机柜，202、服务器，203、回水分流器，204、储冷罐一，205、充冷阀一，206、放冷阀一，207、保冷阀一，208、储冷罐二，209、充冷阀二，210、放冷阀二，211、保冷阀二；

3、双级回路服务器冷却模块，31、可移动流体分配单元，32、微通道热管换热器，301、双级回路水泵，302、可移动支架，303、冷媒汇集管，304、冷媒回流管，305、中间换热冷板，306、快接插头配件，307、蒸发端平接换热器，308、冷凝端平接换热器，309、热管环路，310、流体输配管路；

4、机械制冷模块，401、冷凝器一，402、蒸发器一，403、压缩机一，404、膨胀阀一，405、冷凝器二，406、压缩机二，407、膨胀阀二，408、蒸发器二；

5、地下水源制冷模块，501、地下水源，502、过滤器，503、供水水泵，504、原水循环阀组，505、板式换热器二，506、回水水泵二，507、冷却水循环阀组二，508、原水循环阀A，509、原水循环阀B，510、冷却水循环阀二A，511、冷却水循环阀二B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于自然冷却与服务器级别冷却的灾备数据中心冷却系统，包括空冷模块1、数据中心机房室内循环模块2、双级回路服务器冷却模块3、机械制冷模块4和地下水源制冷模块5；

所述空冷模块1包括填料塔101、表冷器102、排风机103、循环水泵104、板式换热器一105、冷却水循环阀组一106、回水水泵一107、冷却水循环阀108；所述数据中心机房室内循环模块2包括机柜201、服务器202、回水分流器203、储冷罐一204、充冷阀一205、放冷阀一206、保冷阀一207、储冷罐二208、充冷阀二209、放冷阀二210、保冷阀二211；所述双级回路服务器冷却模块3包括双级回路水泵301、可移动支架302、冷媒汇集管303、冷媒回流管304、中间换热冷板305、快接插头配件306、蒸发端平接换热器307、冷凝端平接换热器308、热管环路309、流体输配管路310；所述机械制冷模块4包括空冷单元和水冷单元，所述空冷单元包括冷凝器一401、蒸发器一402、压缩机一403、膨胀阀一404，所述水冷单元包括冷凝器二405、压缩机二406、膨胀阀二407、蒸发器二408；所述地下水源制冷模块5包括地下水源501、供水水泵503、原水循环阀组504、板式换热器二505、回水水泵二506、冷却水循环阀组二507；

所述供水水泵503的吸水口通过主供水管路与地下水源501连接，其排水口依次通过原水循环阀组504中的原水循环阀A508、板式换热器二505的一次侧与冷凝器二405的进水口连接，冷凝器二405的出水口通过原水循环阀组504中的原水循环阀B509与主回水管路的一端连接，主回水管路的另一端与地下水源501连接；所述压缩机二406的吸气口、排气口分别与蒸发器二408的冷媒出口、冷凝器二405的冷媒进口连接，蒸发器二408的冷媒进口通过膨胀阀二407与冷凝器二405的冷媒出口连接；

所述回水水泵二506的排水口与蒸发器二408的进水口连接，蒸发器二408的出水口依次通过板式换热器二505的二次侧、冷却水循环阀组二507中的冷却水循环阀二A510与充冷阀二209的入口端连接，充冷阀二209的出口端与储冷罐二208的进水口连接，储冷罐二208的出水口与放冷阀二210的入口端连接，充冷阀二209的入口端还通过保冷阀二211与放冷阀二210的出口端连接，回水水泵二506的吸水口通过冷却水循环阀组二507中的冷却水循环阀二B511与回水分流器203的一个出水口连接；

所述可移动支架302底部设置有滚轮，其上部并排的安装有冷媒汇集管303和冷媒回流管304，且冷媒汇集管303和冷媒回流管304上由上到下相对应的连接有多对快接插头配件306；所述双级回路水泵301的吸水口通过流体输配管路310与放冷阀一206和放冷阀二210的出口端连接，其排水口与冷媒汇集管303的上端连接，冷媒回流管304的上端与回水分流器203的进水口连接；

所述蒸发端平接换热器307安装在机柜201中的服务器202上，其通过热管环路309与冷凝端平接换热器308连接；冷凝端平接换热器308紧贴于中间换热冷板305上，中间换热冷板305的换热通道两端分别与冷媒汇集管303和冷媒回流管304上的一对快接插头配件306连接；

所述回水水泵一107的吸水口与回水分流器203的另一个出水口连接，其排水口依次通过冷却水循环阀组一106中的冷却水循环阀一A109、板式换热器一105的二次侧、冷却水循环阀组一106中的冷却水循环阀一B110与蒸发器一402的进口水连接，蒸发器一402的出水口通过充冷阀一205与储冷罐一204的进水口连接，储冷罐一204的出水口与放冷阀一206的入口端连接，放冷阀一206的出口端与放冷阀二210的出口端连接，放冷阀一206的出口端还通过保冷阀一207与蒸发器一402的出水口连接；回水水泵一107的排水口还通过冷却水循环阀108与蒸发器一402的进口水连接；

所述表冷器102安装在填料塔101的外表面，所述排风机103安装在填料塔101的顶部排气口中；所述循环水泵104的吸水口与填料塔101底部的排水口连接，其排水口通过板式换热器一105的一次侧与冷凝器一401的进水口连接，冷凝器一401的出水口与表冷器102的一端连接，表冷器102的另一端与填料塔101内部的液体喷淋器连接；

所述压缩机一403的吸气口、排气口分别与蒸发器一402的冷媒出口、冷凝器一401的冷媒进口连接，蒸发器一402的冷媒进口通过膨胀阀一404与冷凝器一401的冷媒出口连接。

为实现对地下水源的过滤，所述地下水源制冷模块5还包括过滤器502，所述过滤器502串接在主供水管路和主回水管路的中部。

作为一种优选的实施方式，所述表冷器102的数量至少为两个，且相对的设置于填料塔101的两侧。

如图1和图2所示，作为本发明的一种实施方式，所述的双级回路水泵301、可移动支架302、冷媒汇集管303、冷媒回流管304、中间换热冷板305、快接插头配件306和流体输配管路310构成可移动流体分配单元31。

作为本发明的一种实施方式，所述的蒸发端平接换热器307、冷凝端平接换热器308和热管环路309构成微通道热管换热器32，微通道热管换热器32采用超薄环路热管或闭式环路脉动热管，其结构为毛细结构，通过管内工质的循环相变实现热量由蒸发端平接换热器307向冷凝端平接换热器308的传递。

作为本发明的一种实施方式，所述的空冷单元位于地上区域，为常备冷却系统；数据中心机房室内循环模块2、机械制冷模块4和地下水源制冷模块5均位于地下区域，其中，数据中心机房室内循环模块2包含双级回路服务器冷却模块3，为常备冷却系统，机械制冷模块4和地下水源制冷模块5为冗余/灾备系统。

工作过程：

机械制冷模块4的空冷单元独立运行模式：当室外空气处于高温高湿环境，关闭冷却水循环阀组一106的冷却水循环阀一A109和冷却水循环阀一B110，开启冷却水循环阀108，此时，空冷模块1不与数据中心机房室内循环模块2内回水进行换热；

空冷模块1独立运行模式：当空冷模块1制备的冷水温度低于数据中心机房室内冷水的设定温度时，开启冷却水循环阀组一106，关闭冷却水循环阀108和机械制冷模块4的空冷单元，空冷模块1进入独立工作模式，室外空气经表冷器102等湿冷却之后进入填料塔101，经填料塔101内部的液体分配器喷淋水接触，进行传热传质，水蒸气吸收汽化潜热进入空气中，空气被加湿加热后由排风机103排出填料塔101，冷却水经冷却后经填料塔101底部排水口进入循环水泵104，再由循环水泵104进入板式换热器一105，吸收热量后进入表冷器102冷却进风，从表冷器102的出水口回到填料塔101进行喷淋，与空气接触进行蒸发冷却后再次进行冷水制备。经由回水水泵一107进行循环的的数据中心机房室内冷水通过冷却水循环阀组一106进入板式换热器一105与空冷模块1制备的冷水进行换热，被冷却后通过充冷阀一205进入储冷罐一204中储存，或通过保冷阀一207直接输送到可移动流体分配单元31。

空冷模块1与机械制冷模块4的空冷单元联合运行模式：常规工况下，开启冷却水循环阀组一106和和机械制冷模块4的空冷单元，关闭冷却水循环阀108，室外空气经表冷器102等湿冷却之后进入填料塔101，经填料塔101内部的液体分配器喷淋水接触，进行传热传质，水蒸气吸收汽化潜热进入空气中，空气被加湿加热后由排风机103排出填料塔101，冷却水经冷却后经填料塔101底部排水口进入循环水泵104，再由循环水泵104进入板式换热器一105，吸收热量后进入机械制冷模块4的冷凝器一401吸收热量后，然后进入表冷器102冷却进风，并从表冷器102的出水口回到填料塔101进行喷淋，与空气接触进行蒸发冷却后再次进行冷水制备；经由回水水泵一107进行循环的的数据中心机房室内冷水通过冷却水循环阀组一106进入板式换热器一105与空冷模块1制备的冷水进行换热，被冷却后进入机械制冷模块4的蒸发器一402再次被冷却，最后通过充冷阀一205进入储冷罐一204中储存，或通过保冷阀一207直接输送到可移动流体分配单元31。

灾备运行模式：当处于灾备状态时，关闭冷却水循环阀组一106、回水水泵一107和冷却水循环阀108，关闭空冷模块1以及机械制冷模块4中的空冷单元，开启供水水泵503、原水循环阀组504、回水水泵二506、冷却水循环阀组二507，开启机械制冷模块4中的水冷单元和地下水源制冷模块5，在过滤器502中进行沉降、过滤后的地下水源501经由供水水泵503、原水循环阀组504送至板式换热器二505，进行吸热后的地下水或矿井水经冷凝器二405再次吸收热量后排至地下水源501。流经冷却水循环阀组二507并由回水水泵二506进行循环的数据中心机房室内冷水经蒸发器二408进行换热，放出热量后在板式换热器二505中与地下水源制冷模块5制备的冷水进行换热再次被冷却，最后通过充冷阀二209进入储冷罐二208中储存，或通过保冷阀二211直接输送到可移动流体分配单元31，实现灾备状态下为数据中心服务器提供高效冷源。

储冷模式：开启充冷阀一205、充冷阀二209，关闭保冷阀一207、保冷阀二211，空冷模块1、机械制冷模块4、地下水源制冷模块5制备的冷水储存于储冷罐一204和储冷罐二208中。该模式旨在储备灾备情况下与不间断电源匹配的冷量。

保冷模式：关闭充冷阀一205、充冷阀二209，开启保冷阀一207、保冷阀二211，空冷模块1、机械制冷模块4、地下水源制冷模块5制备的冷水直接输送到可移动流体分配单元31。该模式旨在提供常规状态下的冷量。

放冷模式：开启充冷阀一205、放冷阀一206、充冷阀二209、放冷阀二210，关闭保冷阀一207、保冷阀二211，储冷罐一204和储冷罐二208中储存的冷水经由放冷阀一206、放冷阀二210输送到可移动流体分配单元31。该模式旨在提供灾备情况下与不间断电源匹配的冷量。

服务器级别冷却模块：输送至可移动流体分配单元31的冷水通过冷媒汇集管303分配给中间换热冷板305，从冷凝端平接换热器308吸热后经由冷媒回流管304回到回水分流器203进行分流送至空冷系统1和地下水源制冷模块5进行冷却。蒸发端平接换热器307吸收超高发热密度元件的热量，通过热管环路309送至冷凝端平接换热器308进行放热，实现服务器级别的冷却，具有高热导率和低输配能耗等优势。