一种数据中心水冷冷源自然冷却系统的制作方法

本申请涉及数据中心中温冷源供应技术，特别涉及一种数据中心水冷冷源自然冷却系统。

背景技术：

随着物联网、云计算、大数据、人工智能、5g等领域的不断发展，作为载体的高能耗数据中心必须绿色选址、绿色规划、绿色设计、绿色运维，从而降低数据中心整个生命周期的能耗和运维成本。据统计数据中心电费占其运营总成本的60％-70％，而空调能耗占总电费约40％。故可结合数据中心选址以及多种空调节能技术可以大幅度降低空调能耗。数据中心常用的空调节能技术有：ec风机变频、水泵变频、冷机变频、气流组织优化管理、风侧节能、水侧节能等。在这些技术中水侧节能是降低空调能耗的主要手段。

数据中心全年需要供冷，而室外空气在过渡季和冬季是天然冷源，通过冷却塔换等换热设备可将室外空气的冷量传递到主机房内进行降温，从而降低了数据中心制冷的全年能耗。数据中心的水冷冷源自然冷却系统根据室外湿球温度的变化可分为三种模式：冷机制冷模式、部分自然冷却模式、完全自然冷却模式。

现阶段，部分已建数据中心虽已有采用水冷冷源的自然冷却技术，但是三种模式切换的自动化程度不高，需要人工操作。据有关咨询机构统计数据中心的故障中有70％是人为故障。有些数据中心为了降低运维难度，在过渡季时只开冷机，不用板换，无法利用过渡季时的室外自然冷源。而在贵阳等一些温和地区，其过渡季所能利用的时间小时数要远远大于冬季。

另外部分数据中心的水冷冷源自然冷却系统设计在三种运行模式中，冷冻水泵都依次过板换和冷机，这种方式会额外增加冷冻水泵的运行能耗。冷却水系统设计采用单管制，单台冷却塔的管道与对应的冷水机组成独立环路，此种管路系统的设计塔与塔之间无法互相合用，不能进一步降低冷却水温，提高冷机的cop。

技术实现要素：

本申请提供了一种数据中心水冷冷源自然冷却系统，能够通过设置控制阀门以及传感器可实现无人工干预的自动化运行，从而提高数据中心的运行可靠性，降低运维难度，实现数据中心在冷源管理方面的绿色化、智能化、自动化。

为了达到上述目的，本申请提供了一种数据中心水冷冷源自然冷却系统，包括多个冷却侧单元、与所述冷却侧单元一一对应、用于监测环境温度数据的传感器以及用于接收所述传感器的信息、并控制所述冷却侧单元切换工作状态的控制阀门；所述冷却侧单元包括第一进水管路、第一出水管路、第一板式换热器、第一冷水机组、冷却水泵和冷却塔；其中，

所述冷却塔的出水口与所述第一进水管路连通、并与所述冷却水泵串联后与所述板式换热器的进水口连通，所述冷却水泵用于将水泵入所述板式换热器；

所述第一板式换热器的出水口通过第一进水支管与所述第一冷水机组的进水口连通，所述第一冷水机组的出水口通过所述第一出水管路与所述冷却塔的进水口连通；

所述第一进水管路通过第一连接支管与所述第一出水管路连接，所述第一连接支管与所述第一进水管路的连接结点为第一结点，所述第一连接支管与所述第一出水管路的连接结点为第二结点；

所述第一连接支管通过第二连接支管与所述第一进水支管连接，所述第二连接支管与所述第一连接支管的连接结点为第三结点，所述第二连接支管与所述第一进水支管的连接结点为第四结点；

所述第一结点与所述第三结点之间设有第一开关阀门，所述第三结点与所述第二结点之间设有第一调节阀门，所述第一板式换热器的出水口与所述第四结点之间设有第二开关阀门，所述第四结点与所述第一冷水机组之间设有第二调节阀门。

上述数据中心水冷冷源自然冷却系统，在每一个冷却侧单元中，设有传感器和控制阀门，用于监测室外环境温度数据以及通过数据判断系统的运行模式以及是否切换模式。具体地，本申请中，第一板式换热器的出水口与第一冷水机组的进水口连通，第一进水管路和第一出水管路之间设有第一连接管，第一连接管与第一进水管之间设有第二连接管，第一连接管和第一进水管上均设有开关阀门和调节阀门，通过开闭开关阀门和调节阀门，以改变水流的路径，从而实现不同的运行模式。

具体地，当处于夏季，室外湿球温度较高时，系统采用冷机制冷模式，冷却塔出水直接进入第一冷水机组；此时，第二开关阀门和第一调节阀门关闭，第一开关阀门和第二调节阀门开启，水直接通过第一出水管路流回冷却塔。当处于过渡季时，系统采用部分自然冷却模式，冷却塔出水先经过第一板式换热器吸热后，再进入第一冷水机组中，再通过第一出水管路流回冷却塔；此时，第一开关阀门关闭，第二开关阀门开启，第一调节阀门和第二调节阀门可调节进入冷凝器的冷却水量，维持冷凝器内最低工作压力，保证第一冷水机组的正常运行。当处于冬季，室外湿球温度较低时，系统采用完全自然冷却模式，冷却塔出水直接进入第一板式换热器，第一冷水机组关闭；此时，第一开关阀门和第二调节阀门关闭，第二开关阀门和第一调节阀门开启。

由于本申请中的开关阀门和调节阀门均为电动阀门，因此本申请中的数据中心水冷冷源自然冷却系统，通过增加电动开关阀门、电动调节阀门、传感器和控制阀门可实现系统在冷机制冷模式、部分自然冷却模式、完全自然冷却模式之间的自动切换，无需运维人员本地操作，同时降低了数据中心运维中的人为故障概率，提高了数据中心基础设施运行中的可靠性。

优选地，所述第一进水管路通过第三连接支管与所述第一出水管路连接，所述第三连接支管上设有旁通阀门。

优选地，所述数据中心水冷冷源自然冷却系统还包括与多个所述冷却塔的出水口连通的供水环路和与多个所述冷却塔的进水口连通的回水环路，所述供水环路与每一个所述冷却塔的第一进水管路连接，所述回水环路与每一个所述冷却塔的第一出水管路连接。

优选地，所述数据中心水冷冷源自然冷却系统还包括用于为数据中心提供冷水的冷冻侧单元，所述冷冻侧单元包括供水管路、回水管路和多个冷冻组件，所述冷冻组件包括第二进水管路、第二出水管路、冷冻水泵、第二板式换热器和第二冷水机组；其中，

所述冷冻水泵通过第二进水管路与所述回水管路连通，第二进水管路与所述第二板式换热器的进水口连通，所述冷冻水泵将水泵入所述第二板式换热器；

所述第二板式换热器的出水口通过第二进水支管与所述第二冷水机组的进水口连通，所述第二冷水机组的出水口通过第二出水管路与所述供水管路连通；

所述第二进水管路通过第四连接支管与所述第二出水管路连接，所述第二进水管路与所述第四连接支管的连接结点为第五结点，所述第四连接支管与所述第二出水管路的连接结点为第六结点；

所述第四连接支管通过第五连接支管与所述第二进水支管连接，所述第五连接支管与所述第四连接支管的连接结点为第七结点，所述第五连接支管与所述第二进水支管的连接结点为第八结点；

所述第五结点与所述第七结点之间设有第三开关阀门，所述第七结点与所述第六结点之间设有第四开关阀门，所述第二板式换热器的出水口与所述第八结点设有第五开关阀门，所述第八结点与所述第二冷水机组之间设有第六开关阀门。

优选地，所述冷冻侧单元还包括出水管路、进水管路、至少一个蓄冷罐，所述蓄冷罐的一端与所述供水管路连通，另一端与所述出水管路连通，所述出水管路与所述供水管路连通。

优选地，所述传感器还用于监测所述冷冻侧单元的环境温度数据，且所述控制阀门能够控制所述冷冻侧单元和冷却侧单元同步切换工作状态。

附图说明

图1为本申请中冷却侧的一种结构图；

图2为本申请中冷冻侧的一种结构图；

图3为本申请中冷却侧的一种结构图。

图中：

1-冷却塔；2-第一进水管路；3-第一出水管路；4-冷却水泵；5-第一进水支管；6-第一板式换热器；7-第一冷水机组；8-第一连接支管；9-第二连接支管；10-第一开关阀门；11-第一调节阀门；12-第二开关阀门；13-第二调节阀门；14-第三连接支管；15-旁通阀门；16-回水管路；17-供水管路；18-第二进水管路；19-冷冻水泵；20-第二出水管路；21-第二冷水机组；22-第二板式换热器；23-第二进水支管；24-第四连接支管；25-第五连接支管；26-第三开关阀门；27-第四开关阀门；28-第五开关阀门；29-第六开关阀门；30-出水管路；31-进水管路；32-蓄冷罐；33-供水环路；34-回水环路。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参考图1，本申请提供了一种数据中心水冷冷源自然冷却系统，包括多个冷却侧单元、与冷却侧单元一一对应、用于监测环境温度数据的传感器(图中未示出)以及用于接收传感器的信息、并控制冷却侧单元切换工作状态的控制阀门(图中未示出)；冷却侧单元包括第一进水管路2、第一出水管路3、第一板式换热器6、第一冷水机组7、冷却水泵4和冷却塔1；其中，

冷却塔1的出水口与第一进水管路2连通、并与冷却水泵4串联后与板式换热器的进水口连通，冷却水泵4用于将水泵入板式换热器；

第一板式换热器6的出水口通过第一进水支管5与第一冷水机组7的进水口连通，第一冷水机组7的出水口通过第一出水管路3与冷却塔1的进水口连通；

第一进水管路2通过第一连接支管8与第一出水管路3连接，第一连接支管8与第一进水管路2的连接结点为第一结点，第一连接支管8与第一出水管路3的连接结点为第二结点；

第一连接支管8通过第二连接支管9与第一进水支管5连接，第二连接支管9与第一连接支管8的连接结点为第三结点，第二连接支管9与第一进水支管5的连接结点为第四结点；

第一结点与第三结点之间设有第一开关阀门10，第三结点与第二结点之间设有第一调节阀门11，第一板式换热器6的出水口与第四结点之间设有第二开关阀门12，第四结点与第一冷水机组7之间设有第二调节阀门13。

上述数据中心水冷冷源自然冷却系统，在每一个冷却侧单元中，设有传感器和控制阀门，用于监测室外环境温度数据以及通过数据判断系统的运行模式以及是否切换模式。具体地，本申请中，第一板式换热器6的出水口与第一冷水机组7的进水口连通，第一进水管路2和第一出水管路3之间设有第一连接管，第一连接管与第一进水管之间设有第二连接管，第一连接管和第一进水管上均设有开关阀门和调节阀门，通过开闭开关阀门和调节阀门，以改变水流的路径，从而实现不同的运行模式。以下将结合系统的冷冻侧对系统每一个运行模式进行具体说明：

本申请的冷却系统中冷冻侧的供、回水温度为15/21℃。

当处于夏季，监测到室外空气湿球温度＞15℃，冷却塔1出水温度＞19.5℃的时间长达15～30min时，系统进入冷机制冷模式。冷却塔1出水直接进入第一冷水机组7。此时，第二开关阀门12和第一调节阀门11关闭，第一开关阀门10和第二调节阀门13开启，将冷却塔1出水温度设定在20℃，优先通过冷却塔1风机的变频控制。当冷却塔1风机降低至最小频率30hz，且低于设定值时，关闭冷却塔1风机。

当处于过渡季时，室外湿球温度≤15℃高于8℃的时间长达15～30min时，检测冷却塔1出水温度，若冷却塔1的出水温度≤19.5℃时间长达15～30min、且控制器监测到相应设备处于正常状态时，发出报警提醒操作人员可进入部分自然冷却模式。控制器可延时15～30min供操作人员确认是否进入部分自然冷却模式，如果操作人员在15～30min内不确认，则系统自动进入部分自然冷却模式。冷却塔1出水先经过第一板式换热器6吸热后，再进入第一冷水机组7中，再通过第一出水管路3流回冷却塔1。此时，第一开关阀门10关闭，第二开关阀门12开启，第一调节阀门11和第二调节阀门13可调节进入冷凝器的冷却水量，维持冷凝器内最低工作压力，保证第一冷水机组7的正常运行。当冷却塔1风机降低到最小频率30hz，且低于设定值时，关闭冷却塔1风机。

当处于冬季，室外湿球温度t≤8.0℃的时间长达15～30min，控制器开始检测冷却塔1的出水温度，若≤15℃的时间长达15～30min时，冷却塔1风机的转速≤40hz、且控制器监测到相应设备处于正常状态时，发出报警提醒操作人员可进入完全自然冷却模式，控制器可延时15～30min供操作人员确认是否进入完全自然冷却模式，如果操作人员在15～30min内不确认，则系统自动进入。冷却塔1出水直接进入第一板式换热器6，第一冷水机组7关闭；此时，第一开关阀门10和第二调节阀门13关闭，第二开关阀门12和第一调节阀门11开启。当冷却塔1风机降低至最小频率30hz，且低于设定值15℃时，关闭冷却塔1风机。

冷却水泵4也可调节变频器保证上塔压力或冷却侧设计流量，上述方案中所设定的数值均可根据不同应用情况调节。需要说明的是，三种运行模式下对于室外湿球温度值的设定是随着冷冻侧供、回水温度的设定值同步调整的，例如，当处于夏季时，供回水温度调整为12/18℃，则室外湿球温度的设定值调整为18℃。

由于本申请中的开关阀门和调节阀门均为电动阀门，因此本申请中的数据中心水冷冷源自然冷却系统，通过增加电动开关阀门、电动调节阀门、传感器和控制阀门可实现系统在冷机制冷模式、部分自然冷却模式、完全自然冷却模式之间的自动切换，无需运维人员本地操作，同时降低了数据中心运维中的人为故障概率，提高了数据中心基础设施运行中的可靠性。

一种可选的方案中，第一进水管路2通过第三连接支管14与第一出水管路3连接，第三连接支管14上设有旁通阀门15，系统处于任意一种运行模式中，当冷却塔1风机停止后冷却塔1出水温度仍然低于设定值时，可通过调节旁通阀门15进行调节。

一种可选的方案中，如图3所述，冷却侧单元还包括与多个冷却塔1的出水口连通的供水环路33和与多个冷却塔1的进水口连通的回水环路34，供水环路33与每一个冷却塔1的第一进水管路2连接，回水环路34与每一个冷却塔1的第一出水管路3连接。通过环路设计将多台冷却塔1连接，经过环路之后再按照单管制，将冷却水泵4、第一冷水机组7成独立环路，这种设计可方便运维人员灵活控制冷却塔1的使用台数。当数据中心前期负荷低时，可以增开冷却塔1，进一步降低冷却塔1出水水温，可延长部分自然冷却模式和完全自然冷却模式的使用时间小时数，有利于降低数据中心的pue值。

一种可选的方案中，可参考图2，系统还包括用于为数据中心提供冷水的冷冻侧单元，冷冻侧单元包括供水管路17、回水管路16和多个冷冻组件，冷冻组件包括第二进水管路18、第二出水管路20、冷冻水泵19、第二板式换热器22和第二冷水机组21；其中，

冷冻水泵19通过第二进水管路18与回水管路16连通，第二进水管路18与第二板式换热器22的进水口连通，冷冻水泵19将水泵入第二板式换热器22；

第二板式换热器22的出水口通过第二进水支管23与第二冷水机组21的进水口连通，第二冷水机组21的出水口通过第二出水管路20与供水管路17连通；

第二进水管路18通过第四连接支管24与第二出水管路20连接，第二进水管路18与第四连接支管24的连接结点为第五结点，第四连接支管24与第二出水管路20的连接结点为第六结点；

第四连接支管24通过第五连接支管25与第二进水支管23连接，第五连接支管25与第四连接支管24的连接结点为第七结点，第五连接支管25与第二进水支管23的连接结点为第八结点；

第五结点与第七结点之间设有第三开关阀门26，第七结点与第六结点之间设有第四开关阀门27，第二板式换热器22的出水口与第八结点设有第五开关阀门28，第八结点与第二冷水机组21之间设有第六开关阀门29。

以下将结合冷却侧单元对系统的三种运行模式具体说明：

冷冻侧供、回水温度为15/21℃，板式换热器的换热温差为1.5℃。

当处于夏季，监测到室外空气湿球温度＞15℃，冷却塔1出水温度＞19.5℃的时间长达15～30min时，系统进入冷机制冷模式。冷却侧：第二开关阀门12和第一调节阀门11关闭，第一开关阀门10和第二调节阀门13开启；冷冻侧：第四开关阀门27和第五开关阀门28关闭，第三开关阀门26和第六开关阀门29开启。将冷却塔1出水温度设定在20℃，优先通过冷却塔1风机的变频控制。当冷却塔1风机降低至最小频率30hz，且低于设定值时，关闭冷却塔1风机。

当处于过渡季时，室外湿球温度≤15℃高于8℃的时间长达15～30min时，检测冷却塔1出水温度及该温度与冷冻水回水温度的差值△t，若冷却塔1的出水温度≤19.5℃和△t≥1.5℃的时间长达15～30min、且控制器监测到相应设备处于正常状态时，发出报警提醒操作人员可进入部分自然冷却模式。控制器可延时15～30min供操作人员确认是否进入部分自然冷却模式，如果操作人员在15～30min内不确认，则系统自动进入部分自然冷却模式。此时，冷却侧：第一开关阀门10和第一调节阀门11关闭，第二开关阀门12和第二调节阀门13开启；冷冻侧：第五开关阀门28和第六开关阀门29开启，第三开关阀门26和第四开关阀门27关闭。

第一调节阀门11和第二调节阀门13可调节进入冷凝器的冷却水量，维持冷凝器内最低工作压力，保证第一冷水机组7的正常运行。当冷却塔1风机降低到最小频率30hz，且低于设定值时，关闭冷却塔1风机。

当处于冬季，室外湿球温度t≤8.0℃的时间长达15～30min，控制器开始检测冷却塔1的出水温度，若≤15℃的时间长达15～30min时，冷却塔1风机的转速≤40hz，换热器进入第二冷水机组21的冷冻水温≤16.5℃的时间长达15～30min、且控制器监测到相应设备处于正常状态时，发出报警提醒操作人员可进入完全自然冷却模式，此过程中第二冷水机组21冷冻水回水温度设定值将从部分自然冷却模式下的设定值16.5℃缓慢重设至15℃，以卸载第二冷水机组21。第二冷水机组21的单元控制器监视着冷机运行产冷吨数，当冷机运行冷量降低至满载冷量的20％时，单元控制器将关闭第二冷水机组21。控制器可延时15～30min供操作人员确认是否进入完全自然冷却模式，如果操作人员在15～30min内不确认，则系统自动进入。此时，冷却侧：第一开关阀门10和第二调节阀门13关闭，第二开关阀门12和第一调节阀门11开启；冷冻侧：第三开关阀门26与第六开关阀门29关闭，第四开关阀门27与第五开关阀门28开启。

第二板式换热器22的冷冻水出水温度优先通过冷却塔1风机的变频控制，当冷却塔1风机降低至最小频率30hz，且低于设定值15℃时，关闭冷却塔1风机。

上述三种运行模式中所有设定值均可根据不同情况调节，且当冷却塔1风机停止后冷却塔1出水温度仍然低于设定值时，可通过调节旁通阀门15进行调节。需要说明的是，三种运行模式下对于室外湿球温度值的设定是随着冷冻侧供、回水温度的设定值同步调整的。

一种可选的方案中，冷冻侧单元还包括出水管路30、进水管路31、至少一个蓄冷罐32，蓄冷罐32的一端与供水管路17连通，另一端与出水管路30连通，出水管路30与供水管路17连通，可对冷冻水进一步制冷。当然，蓄冷罐32与供水管路17之间可通过阀门进行开启或关闭。

一种可选的方案中，传感器还用于监测冷冻侧单元的环境温度数据，且控制阀门能够控制冷冻侧单元和冷却侧单元同步切换工作状态。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。