一種基于余熱回收的數據中心綜合冷卻系統的制作方法

本實用新型屬于熱回收與溫水冷卻技術領域，具體涉及一種基于余熱回收的數據中心綜合冷卻系統。

背景技術：

近年來，隨著信息化社會的高速發展，各種互聯網數據中心、云計算數據中心等各種大型服務器集群建設也得到了快速發展，隨之而來的數據中心的能耗也增長迅速。數據中心的能耗涉及多個方面，據統計空調系統的能耗約占總能耗的三分之一。但是目前傳統的空調制冷方式都是采用水冷或者空氣冷卻把IT設備散熱排到空氣中，從而造成了能耗的增加和環境的污染。

數據中心的液體冷卻技術是用管道將冷凍液(通常是水和乙二醇)輸送到高架地板之上或者輸送到機柜內部，然后通過風和冷凍液之間的熱交換達到降溫目的。由于液體比空氣的比熱大，散熱速度也大于空氣，其制冷效率遠高于風冷散熱，因此液體冷卻系統是未來高性能計算數據中心冷卻產業的發展趨勢。從系統模式上來說，液體冷卻系統可分為間接冷卻式(冷板式)和直接冷卻式(浸沒式)兩種節能方式。

溫水冷卻技術指的是利用溫度較高的水來冷卻對象。溫水冷卻技術使得所需水的溫度較傳統冷卻方式有所提高，能進一步提高制冷系統效率，達到節能并高效冷卻的目的。通常來說，數據中心的電子元件工作溫度較高(特別是CPU，工作溫度通常為60℃ˉ80℃)，保持與 冷卻液體15℃-20℃溫差即可保證電子元件正常的散熱，因此數據中心使用溫水進行冷卻是可行的。

吸附式制冷技術作為一種綠色的制冷技術，吻合了當前能源、環境協調發展的總趨勢。固體吸附式制冷可采用余熱驅動，不僅對電力的緊張供應起到減緩作用，而且能效利用大量的低品位熱能。另外，吸附式制冷不采用氯氟烴類制冷劑，也無溫室效應作用，是一種環境友好型制冷方式。但是，吸附式制冷的過程不像壓縮式制冷那樣連續進行，為了保證吸附劑順利吸附、解吸，需要對吸附床間歇加熱和冷卻，因此其制冷系數低，且系統體積較大。

當室外溫度低于室內設計溫度時，可考慮采用一定的技術手段直接采用室外低溫空氣對室內直接換冷，這種技術稱為自然冷卻節能技術。自然冷卻技術分為空氣側自然冷卻和水側自然冷卻。自然冷卻技術的應用可以不開啟壓縮機，符合國家節能減排的要求。

傳統的單一供冷方式既無法充分利用數據中心IT設備的散熱，又不能保證數據中心高效節能的運行，所以有必要考慮一種利用數據中心余熱的綜合冷卻系統。

技術實現要素：

本實用新型要解決的技術問題是提供一種基于余熱回收的數據中心綜合冷卻系統，數據中心的散熱模式是溫水系統帶走大部分熱量，其余部分由機柜風扇吹到室內環境，由吸附機組輸出冷量或者熱管系統輸出冷量帶走。其系統能夠充分利用數據中心余熱和自然冷源完成其制冷過程。

同時結合智能自控系統，在保證數據中心安全運行條件下，同時為避免頻繁調節，采用逐步調整優化控制策略，使整個系統自動實現各部分需要，并且達到一種近似全局最優的狀態，從而進一步節能。

為實現以上目的，本實用新型采取了以下的技術方案：

一種基于余熱回收的數據中心綜合冷卻系統，包括余熱回收系統、生活熱水系統、自然冷源利用系統、供暖系統和吸附式制冷系統；所述余熱回收系統和生活熱水系統由數據中心機柜、第一三通閥、第二三通閥、熱水箱、板式換熱器、溫水泵通過管路連接而成；

自然冷源利用系統由分離式微通道熱管系統和冷卻塔系統組成，其中所述熱管系統包括室內機、氣管、液管、微通道換熱器、室內外風機；所述冷卻塔系統由冷卻塔、冷卻水泵、第三三通閥、板式換熱器、第四三通閥通過管路連接而成；所述供暖系統與所述冷卻塔系統并聯，通過第三三通閥和第四三通閥調節兩部分流量；所述吸附式制冷系統包括第一吸附床、第二吸附床、第一閥門、第三吸附床、第四吸附床、第二閥門，驅動熱源交替經過第一三通閥和第二三通閥，冷凍水交替經過第一截止閥、第四吸附床和第二截止閥、第三吸附床冷卻后經冷凍水泵、第六三通閥送到空氣處理機組和其他區域供冷；

吸附式制冷系統的吸附熱和冷凝熱依次經過冷卻水泵、第三截止閥、第五截止閥、第一吸附床、第六截止閥、第七截止閥、第三吸附床、第八截止閥、第四截止閥或者第三截止閥、第九截止閥、第四吸附床、第十截止閥、第十一截止閥、第二吸附床、第十二截止閥、第四截止閥進入到冷卻塔中。

進一步地，所述數據中心IT設備余熱回收的綜合冷卻系統分為風冷和水冷；風冷利用吸附式制冷系統冷卻室內回風；水冷采用55-60℃的溫水冷卻機柜CPU。

進一步地，所述吸附式制冷系統是采用數據中心的60-65℃的回水作為驅動熱源，交替加熱第一吸附床和第二吸附床完成連續制冷。

進一步地，所述吸附式制冷系統分為上側腔體和下側腔體，第二吸附床和第三吸附床在上側腔體；第一吸附床和第四吸附床在下側腔體；系統所用工質對為硅膠-水。

進一步地，所述數據中心IT設備余熱回收的綜合冷卻系統，利用數據中心的回水加熱生活熱水。

進一步地，所述吸附式制冷系統與熱水箱和板式換熱器并聯，通過第一三通閥和第二三通閥調節兩部分流量。

進一步地，所述吸附式制冷系統過渡季節開啟時，冷量一部分用于控制數據中心的室內溫度，一部分用于其他區域供冷。

進一步地，所述熱管系統是微通道分離式熱管，在冬季和過渡季節開啟，用于控制數據中心室內溫度。

本實用新型與現有技術相比，具有如下優點：

對數據中心的機柜采用溫水冷卻技術，制冷效率高，對其散發的熱量進行了充分的利用。夏季可以利用數據中心回水來驅動吸附式制冷，室內負荷由吸附式制冷，生活熱水以及冷卻塔承擔，根據負荷的大小通過三通閥調節進入吸附式制冷與熱水箱和板式換熱器的流量，使得數據中心IT設備的散熱可以充分利用。吸附式系統驅動的空氣 處理機組用來控制室內溫度。過渡季節運行模式與夏季不同之處在于開啟熱管系統，與空氣處理機組共同控制室內溫度，同時吸附式機組產生的冷量可以分離出一部分用于其他區域供冷。冬季室內IT設備的散熱用于加熱生活熱水和輻射供暖系統的熱水，多余的負荷由冷卻塔和熱管承擔，熱管系統用于控制室內溫度。本實用新型可以充分利用IT設備余熱和自然冷源，在滿足數據中心自身負荷前提下，可以為其他區域輸送冷量，保證了數據中心高效節能的運行。

附圖說明

圖1為本實用新型一種基于余熱回收的數據中心綜合冷卻系統結構示意圖；

圖2為本發明吸附式制冷機組內部結構示意圖；

圖3為本發明微通道分離式熱管系統I向剖面示意圖；

圖4為本發明配套智能控制系統控制框圖。

附圖標記：1-數據中心；2-機柜；3-空氣處理機組；4-微通道熱管室內機；5-冷凍水泵；6-第二截止閥；7-第一截止閥；8-吸附機組上側腔體；9-吸附機組下側腔體；10-第二三通閥；11-第一三通閥；12-溫水泵；13-熱水箱；14-板式換熱器；15-第四三通閥；16-第三三通閥；17-冷卻塔；18-冷卻水泵；19-第三截止閥；20-第四截止閥；21-第一吸附床；22-第二吸附床；23-第三吸附床；24-第四吸附床；25-第九截止閥；26-第五截止閥；27-第二閥門；28-第十截止閥；29-第六截止閥，30-第七截止閥；31-第十一截止閥；32-第一閥門；33-第八截止閥；34-第十二截止閥；35-42-溫度傳感器；43-相對濕度傳 感器；44-第五三通閥；45-第六三通閥。

具體實施方式

下面結合附圖并通過具體實施方式對本實用新型的內容做進一步詳細說明。

實施例1：

請參閱圖1和圖2，圖3所示，一種基于余熱回收的數據中心綜合冷卻系統，包括余熱回收系統、吸附式制冷系統、生活熱水系統、供暖系統、自然冷源利用系統；所述余熱回收系統和生活熱水系統由數據中心機柜2、第一三通閥11、第二三通閥10、熱水箱13、板式換熱器14、溫水泵12通過管路連接而成。自然冷源利用包括冷卻塔系統和熱管系統；冷卻塔系統由冷卻塔17、冷卻水泵18、第三三通閥16、板式換熱器14、第四三通閥15通過管路連接而成；所述吸附式制冷系統中機組包括第一吸附床21、第二吸附床22、第一閥門32、第三吸附床23、第四吸附床24、第二閥門27，驅動熱源交替經過第一三通閥11和第二三通閥10，冷凍水交替經過第一截止閥7、第四吸附床24和第二截止閥6、第三吸附床23冷卻后經冷凍水泵5、第六三通閥45送到空氣處理機組3和其他區域供冷。吸附式制冷系統的吸附熱和冷凝熱依次經過冷卻水泵18、第三截止閥19、第五截止閥26、第一吸附床21、第六截止閥29、第七截止閥30、第三吸附床23、第八截止閥33、第四截止閥20或者第三截止閥19、第九截止閥25、第四吸附床24、第十截止閥28、第十一截止閥31、第二吸附床22、第十二截止閥34、第四截止閥20進入到冷卻塔17中。熱管系 統由室內機4，氣管，液管，微通道換熱器，室內外風機組成，通過室內機4與數據中心室內空氣進行換熱，制冷劑吸熱相變氣化吸熱冷卻室內空氣，由室內風機吹入機柜之間，同時制冷劑進入氣管，并上升進入微通道換熱器進行排熱并冷凝成液體，熱量由室外風機帶走，然后制冷劑液體依靠重力作用通過液管回流到室內機4，完成一個循環。

數據中心的室內設計溫度一般在23℃-28℃，夏季室外溫度很高，可利用的自然冷源很少，但是數據中心輸出大量的熱可以用來驅動吸附式制冷機組，吸附式機組和生活熱水以及少量自然冷源承擔數據中心的負荷；過渡季節室外有一定的自然冷源，同樣利用吸附式機組、生活熱水和自然冷源來消除室內的熱量，同時開啟熱管系統，與空氣處理機組共同控制室內溫度，同時吸附式機組產生的冷量可以分離出一部分用于其他區域供冷；冬季室外有足夠的自然冷源，不再需要開啟吸附機組，考慮到數據中心還存在一定的常駐維護人員，冬季需要供暖，因此使用數據中心的熱量來供應地板輻射供暖，當熱量過剩或者說輻射供暖系統無法承擔其負荷時，則開啟冷卻塔22，同時用熱管控制室內溫度。

1.夏季模式

作為優選方案，夏季考慮到數據中心環境的控制壓力大，熱管系統表現不佳，開啟吸附式機組控制室內環境，必要時開啟冷卻塔系統。數據中心回水經過第一三通閥11進入到吸附式機組的第一吸附床21，加熱其解吸產生水蒸氣，此時第一閥門32和第二閥門27關閉， 第一吸附床21內的壓力不斷升高，直到達到冷凝溫度下的飽和壓力，打開第二閥門27，在恒壓條件下，水蒸氣不斷脫附出來，并在第四吸附床24中冷凝，冷凝下來的液體進入第三吸附床23。關閉第二閥門27，冷卻塔17處理后的冷卻水經過冷卻水泵18、第三截止閥19、第九截止閥25、第十截止閥28、第十一截止閥31、第十二截止閥34、第四截止閥20對第四吸附床24和第二吸附床22進行冷卻，第二吸附床22內的壓力降至蒸發溫度下的飽和壓力。打開第一閥門32，第三吸附床23內的液體因壓強驟減而沸騰起來，從而蒸發制冷，來自空氣處理機組3的回水經第二截止閥6進入第三吸附床23冷卻后，經冷凍水泵5回到空氣處理機組3。第三吸附床23蒸發出來的氣體進入到第二吸附床22被吸附，第一閥門32關閉。為完成連續制冷，數據中心的回水此時需經過第二三通閥10對第二吸附床22加熱解吸，打開第一閥門32，產生的水蒸氣進入第三吸附床23冷凝，冷凝液體進入到第四吸附床24。關閉第一閥門32，冷卻水經過第三截止閥19、第五截止閥26、第六截止閥29、第七截止閥30、第八截止閥33、第四截止閥20對第一吸附床21和第三吸附床23進行冷卻。打開第二閥門27，第四吸附床24內的液體因壓強驟減而沸騰起來，從而蒸發制冷，來自空氣處理機組3的回水經第一截止閥7進入第四吸附床24冷卻后，經冷凍水泵5回到空氣處理機組3。第四吸附床24蒸發出來的氣體進入到第一吸附床21被吸附，第二閥門27關閉。如果數據中心的負荷可以完全由吸附式制冷承擔，則第一三通閥11和第二三通閥10向AC向全開，回水經過吸附式機組后由溫水泵12重 新送到機柜制冷；如果數據中心的負荷需要吸附式制冷和生活熱水共同承擔，則第一三通閥11和第二三通閥10向ABC向處于三通狀態，一部分回水經過吸附式機組，一部分經過生活熱水箱13和板式換熱器14換熱。板式換熱器14另一側第三三通閥16和第四三通閥15向AB向全開，通過冷卻塔17將熱量排到空氣中。

2.過渡季節模式

作為優選方案，過渡季節也是采用吸附式制冷機組和自然冷源共同承擔數據中心室內負荷，并且利用余熱對生活熱水箱13進行加熱，其運行方式與夏季相同。不同之處在于開啟熱管系統，利用室外自然冷源與空氣處理機組3共同控制室內溫度。同時吸附式機組產生的冷量可以通過第六三通閥45分離出一部分用于其他數據中心區域的供冷。

3.冬季模式

作為優選方案，冬季完全采用熱管系統對數據中心室內溫度的進行控制，冷卻塔來降低溫水回路進水，充分利用外界大量自然冷源，關閉吸附機組。第一三通閥11和第二三通閥10向AB向全開，即關閉吸附式制冷機組，第三截止閥19和第四截止閥20關閉，數據中心回水經過生活熱水箱13、板式換熱器14換熱后由溫水泵12直接送入機柜。板式換熱器14的另一側，如果輻射采暖系統可以承擔數據中心負荷，則第三三通閥16和第四三通閥15向BC向全開；如果需要輻射供暖系統和自然冷源共同承擔，則第三三通閥16和第四三通閥15向ABC向處于三通狀態，根據負荷大小，調節進入兩部分的流 量。

實施例2：

參見圖4，是本實用新型實施例的結構示意圖，控制方法如下：

檢測模塊：利用溫度傳感器35、36、37、38、39、40、41、42分別檢測室外干球溫度T₁，室內回風溫度T₂，①回路進回水溫度T₃、T₄，②回路進回水溫度T₅、T₆，③回路進回水溫度T₇、T₈；利用相對濕度傳感器43檢測室外相對濕度φ₁。

智能控制模塊：系統控制系統由三部分組成：1、模式判斷模塊；2、吸附機組控制模塊；3、運行控制模塊。具體控制如下：

步驟A：

第一部分為模式判斷模塊，這一模塊的作用是判斷室外是否有足夠的自然冷源供數據中心使用，從而控制相關閥門，選擇不同的運行模式。具體的控制方法：通過檢測模塊獲得室外干球溫度T₁，室外相對濕度φ₁，利用線性化的計算式計算室外濕球溫度T_s1，具體計算式：

所述是在相對濕度φ₁下的相關擬合系數，基于標準數據庫最小二乘法擬合的數據。

a1、T_s1＞T₂-5，選擇夏季模式，即具體實施1中的模式1，并傳遞給下一控制模塊模式信號S1＝1，第四三通閥15、第三三通閥16向AB向導通，C向不導通，開啟溫水泵12，冷卻水泵18、冷凍水泵5，第三截止閥門19、第四截止閥20開啟；

a2、10＜T_s1＜T₂-5，選擇過渡季模式，即具體實施1中的模式2， 并傳遞給下一控制模塊模式信號S₂＝1，第四三通閥15、第三三通閥16向AB向導通，C向不導通，開啟溫水泵12，冷卻水泵18、冷凍水泵5，第三截止閥門19、第四截止閥20開啟；

a3、T_s1＜10，選擇冬季模式，即具體實施1中的模式,3，并傳遞下一控制模塊模式信號S₃＝1，第四三通閥15、第三三通閥16向ABC向導通，打開溫水泵12、冷卻水泵18，關閉冷凍水泵5，第三截止閥門19、第四截止閥20開啟。

步驟B：

第二部分為吸附機組控制模塊，吸附機組控制模塊主要是考慮到吸附制冷的特性，需要切換吸附床到達連續輸出冷量的目的。具體控制方法：通過測量模塊獲得②回路的供回水溫度T₅、T₆，通過上一步驟獲得模式信號S，若S₃＝1，則跳過下列動作，進入步驟C，否則執行下列步驟：計算ΔT₁＝|T₅-T₆|，當檢測到ΔT₁<1℃時，切換到另一個吸附床，具體控制動作：

b1、第三吸附床23輸出冷量：第一三通閥11向AC向導通①回路水進入第一吸附床21，第二三通閥10關閉，參見圖2內部第九截止閥25、第十截止閥28、第十一截止閥31、第十二截止閥34開啟，第五截止閥26、第六截止閥29、第七截止閥30、第八截止閥33關閉；

b2、第四吸附床24輸出冷量：第二三通閥10向AC向導通①回路水進入第二吸附床22，第一三通閥11關閉，參見圖2內部第五截止閥26、第六截止閥29、第七截止閥30、第八截止閥33開啟，第 九截止閥25、第十截止閥28、第十一截止閥31、第十二截止閥34關閉。

第二閥門27、第一閥門32為壓力開關，反饋信號分別是第一、第四吸附床21、24與第二、第三吸附床22、23的壓力信號，由實驗調節好，本控制系統不對其進行設置。

步驟C：

第三部分為運行控制模塊，此部分是以前面控制為基礎，考慮到系統的復雜性，為避免系統頻繁切換，采用一種智能逐步優化控制。具體控制方法：

c1、夏季模式：夏季室外溫度比室內溫度高，或者溫差過小，熱管系統表現不佳，自然冷源利用系統主要是開啟冷卻塔。所以開啟吸附式制冷機組，關閉熱管系統。首先第二三通閥10或者第一三通閥11(由第二部分控制系統切換)AC導通，B不導通；然后通過檢測模塊反饋①回路供回水溫度T₃和T₄，計算ΔT₂＝|T₃-T₄|，若T₂平穩,ΔT₂≥6℃，第四三通閥15、第三三通閥16關閉，調整冷卻水泵18到設計流量V_s，跳過下列步驟，保持當前采用逐步調整的控制策略：

(1)通過檢測模塊反饋②回路供回水溫度T₅、T₆，③回路冷卻水進水溫度T₇，并計算吸附機組所需熱水量V：

$\mathrm{\&theta;}=\frac{T_7-T_6}{T_4-T_7}$

COP＝a+bθ

$V=\frac{V_2(T_6-T_5)}{5COP}$

所述θ是指吸附機組溫度系數，a，b是基于實驗數據的最小二 乘擬合系數，COP指的是吸附機組制冷系數，得到的冷量與所需熱量之比，V₂是②回路的設計流量。

第二三通閥10或者第一三通閥11向AB向導通，并調整三通閥開度，保證AC方向流量為V。

(2)持續反饋①回路供回水溫度T₃和T₄，計算ΔT₂＝|T₃-T₄|，保證ΔT₂＝|T₃-T₄|＝5～7℃，利用PID控制器通過冷卻水泵18的頻率調節其流量；

c2、過渡季節模式：過渡季節外界存在一定可直接利用自然冷源，通過熱管、冷卻塔來利用外界的自然冷源，開啟吸附式制冷機組，開啟熱管系統。其中，吸附式制冷機組輸出的冷凍水回路②，通過第六三通閥45、第五三通閥44向ABC導通一部分給數據中心其他區域供冷，其他運行控制如下，采用逐步調整控制策略：

(1)計算吸附機組所需熱水量V控制同c1的夏季模式控制，第二三通閥10或者第一三通閥11向AB向導通，并調整三通閥開度，保證AC方向流量為V。

(2)持續反饋①回路供回水溫度T₃和T₄，計算ΔT₂＝|T₃-T₄|，保證ΔT₂＝|T₃-T₄|＝5-7℃，利用PID控制器控制冷卻塔17的流量，即控制冷卻水泵18流量；持續反饋室內回風溫度T₂，利用PID控制器控制風冷熱管的室外風機流量。

c3、冬季模式：冬季開啟熱管系統來控制機房內溫度，關閉吸附機組，熱管冷卻塔部分的控制同c2。冬季模式是還需要將數據機房的熱應用到地板輻射采暖，多余部分則是利用冷卻塔17自然冷源帶 走。考慮到維護人員人的舒適性，獲取需要供暖的區域的地面溫度T_s，為避免冷卻水泵18調節帶來開度頻繁調節，預留一定的溫度空間，使用PID控制器進行控制，控制策略如下：

(1)24℃≤T_s≤26℃，保持第四三通閥15、第三三通閥16的開度；

(2)T_s＜24℃，加大第四三通閥15、第三三通閥16B方向的流量，即調節第四三通閥15、第三三通閥16的開度；

(3)T_s＞26℃，減小第四三通閥15、第三三通閥16B方向的流量，即調節第四三通閥15、第三三通閥16的開度。

在處于冬季模式時，本系統若處于寒冷地區，冬季水會結冰的地區，還應時監測③回路的回水溫度T₈，如T₈<2℃且T₈下降速率快，則需要開啟冷卻塔的防凍措施。

以上所述是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。