一种集装箱数据中心冷却系统及其运行策略技术方案

本发明专利技术公开的一种集装箱数据中心冷却系统及其运行策略，属于节能技术领域。包括箱体内水冷循环模块、新风自然冷却模块、热水罐、天空辐射制冷模块、水侧自然冷却模块、冷水罐、蒸汽压缩制冷模块、蓄水箱、第一电磁三通阀、第二电磁三通阀、第一三通接头和第二三通接头。本发明专利技术将天空辐射制冷技术结合至集装箱数据中心冷却系统中，考虑了多种冷源耦合情况，对集装箱数据中心冷却系统广域全天候应用进行了科学的集成优化设计，并通过加装温度传感器、流量计、阀门和旁通管道，实时监测运行状况并根据系统内外参数灵活切换冷却模式，充分利用自然冷源，降低制冷能耗，提升能源经济效益。同时，保证集装箱数据中心的灵活移动和快速建设安装能力。安装能力。安装能力。

【技术实现步骤摘要】
一种集装箱数据中心冷却系统及其运行策略


[0001]本专利技术属于节能
，具体涉及一种集装箱数据中心冷却系统及其运行策略。

技术介绍

[0002]现阶段最常用的数据中心自然冷却是风侧和水侧自然冷却，但直接风冷在室外空气质量较差时存在IT设备的腐蚀问题，同时室内空气质量较难满足要求。而间接风冷的投资又相对较高，换热效率较低，占用空间大。直接水冷往往需要数据中心位于水源丰富的地区，还需要考虑余热废水的环境影响。间接水冷最为常用，但在炎热干旱的地区不太可行，而在寒冷地区冷却塔的防冻也是技术难点所在。并且，间接水冷和结合蒸发冷却的风侧自然冷却还需要消耗大量水。从这方面看，耦合新的自然冷却技术可能有助于缓和现有的问题，进一步提高数据中心自然冷却的强度和广度。
[0003]值得注意的是，一种以集装箱为单元的模块化数据中心正在逐渐取代一些传统数据中心，它们具有更高能源利用效率和较低的投资成本，模块化设计也使得它们从建设到部署的时间相对较短。如今IBM、谷歌和华为等集装箱数据中心生产商采用的自然冷却方式多为直接风冷，而许多的集装箱数据中心研究集中在箱体内的气流组织优化，少有研究针对集装箱数据中心模块化及快速部署等特点来探讨其他自然冷却方式。
[0004]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，天空辐射制冷以其结构简单、塑性强、无能耗、无环境影响等优点正在被广泛关注和研究。然而耦合天空辐射制冷作为数据中心自然冷却系统的研究现阶段还比较匮乏。
[0005]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，然其设计复杂且不具备快速部署和灵活移动能力，过多耦合自然冷源但并未设计完善的运行策略，使得其实际运用存在困难；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，然而其冷却模式设计和切换都不够灵活，难以在复杂的气象条件实现自然冷源最大化，不设置蒸汽压缩制冷模块可能导致在某些场合不可用；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换热需求，水源热泵冷却可借助蓄能装置和冷却塔，降低空调系统的能耗，同时可灵活进行模式切换，然而该系统由于考
虑了供热回路，对数据中心针对性不强，且对水侧自然冷源和风侧自然冷源利用并不充分，同时系统未对天空辐射制冷模块在特殊情况即冷却能力过低或过高的运行做出规划。

技术实现思路

[0006]为了解决上述现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种集装箱数据中心冷却系统及其运行策略，通过天空辐射制冷、新风冷却、水侧塔式自然冷却获取冷量，在自然冷量盈余时予以蓄存，在自然冷量不足时予以机械冷源补充，形成多种工作模式，有效降低集装箱数据中心冷却系统能耗，最大程度利用自然冷源，同时保证集装箱数据中心的灵活移动和快速建设安装能力。
[0007]本专利技术通过以下技术方案来实现：
[0008]本专利技术公开的一种集装箱数据中心冷却系统，包括箱体内水冷循环模块、新风自然冷却模块、热水罐、天空辐射制冷模块、水侧自然冷却模块、冷水罐、蒸汽压缩制冷模块、蓄水箱、第一电磁三通阀、第二电磁三通阀、第一三通接头和第二三通接头；
[0009]箱体内水冷循环模块设置在集装箱箱体内部，新风自然冷却模块设在集装箱箱体上，天空辐射制冷模块设在集装箱箱体顶部；箱体内水冷循环模块的出口与热水罐的入口连接，热水罐的出口与第一电磁三通阀的输入端连接，第一电磁三通阀的第二输出端与第二三通接头的第二输入端连接，第二三通接头的输出端与蒸汽压缩制冷模块的入口连接，蒸汽压缩制冷模块的出口与蓄水箱的入口连接，蓄水箱的出口与箱体内水冷循环模块的入口连接；蒸汽压缩制冷模块旁接有第一电动调节阀；
[0010]第一电磁三通阀的第一输出端与第二电磁三通阀的第一输入端连接，第二电磁三通阀的输出端与天空辐射制冷模块的入口连接，天空辐射制冷模块的出口与冷水罐的入口连接，冷水罐与水侧自然冷却模块连接，冷水罐的出口与第一三通接头的输入端连接，第一三通接头的第一输出端与第二电磁三通阀的第二输入端连接；第一三通接头的第二输出端与第二三通接头的第一输入端连接。
[0011]优选地，箱体内水冷循环模块包括配水单元和若干水冷背板，水冷背板设在集装箱箱体内每个单列排布的待冷却设备处，若干水冷背板分别连接至配水单元形成循环，配水单元的出口与热水罐的入口连接，配水单元的入口与蓄水箱的出口连接。
[0012]优选地，新风自然冷却模块包括新风过滤器、进风风道百叶及配套风扇、排风风道百叶及配套风扇和进出风口，新风过滤器、进风风道百叶及配套风扇、排风风道百叶及配套风扇和进出风口可设在集装箱箱体上，新风过滤器与进风风道百叶及配套风扇连接。
[0013]优选地，天空辐射制冷模块包括若干并联的制冷单元，每个制冷单元由下至上依次包括保温层、隔离导热层、水通道、压敏粘接剂、天空辐射制冷薄膜、屏蔽气隙和屏蔽材料；每个制冷单元中水通道的入口与进水总管连接，水通道的出口与出水总管连接，进水总管与第二电磁三通阀的输出端连接，出水总管与冷水罐的入口连接。
[0014]进一步优选地，每个所述制冷单元连接有阻断阀，旁路上设置有旁通阀。
[0015]优选地，水侧自然冷却模块包括第三电动调节阀、第四水泵和闭式冷却塔，第三电动调节阀、第四水泵和闭式冷却塔通过管道与冷水罐形成循环。
[0016]优选地，蒸汽压缩制冷模块包括蒸发器、节流阀、冷凝器、压缩机和冷凝风扇；蒸发器的冷冻水输入端与第二三通接头的输出端连接，蒸发器的冷冻水输出端与蓄水箱的入口
连接；蒸发器、压缩机、冷凝器和节流阀依次连接构成蒸汽压缩制冷循环，冷凝风扇正对冷凝器设置。
[0017]优选地，箱体内水冷循环模块的出口与热水罐的入口之间的连接管道上设有第一水泵，天空辐射制冷模块的出口与冷水罐的入口之间的连接管道上设有第二水泵，第二三通接头的输出端与蒸汽压缩制冷模块的入口之间的连接管道上设有第三水泵；第一三通接头的第二输出端与第二三通接头的第一输入端之间的连接管道上设有第二电动调节阀；热水罐、冷水罐和蓄水箱上分别设有排水补水管路。
[0018]优选地，蓄水箱的出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集装箱数据中心冷却系统，其特征在于，包括箱体内水冷循环模块、新风自然冷却模块、热水罐(4)、天空辐射制冷模块(5)、水侧自然冷却模块、冷水罐(6)、蒸汽压缩制冷模块、蓄水箱(13)、第一电磁三通阀(18)、第二电磁三通阀(19)、第一三通接头(32)和第二三通接头(33)；箱体内水冷循环模块设置在集装箱箱体(1)内部，新风自然冷却模块设在集装箱箱体(1)上，天空辐射制冷模块(5)设在集装箱箱体(1)顶部；箱体内水冷循环模块的出口与热水罐(4)的入口连接，热水罐(4)的出口与第一电磁三通阀(18)的输入端连接，第一电磁三通阀(18)的第二输出端与第二三通接头(33)的第二输入端连接，第二三通接头(33)的输出端与蒸汽压缩制冷模块的入口连接，蒸汽压缩制冷模块的出口与蓄水箱(13)的入口连接，蓄水箱(13)的出口与箱体内水冷循环模块的入口连接；蒸汽压缩制冷模块旁接有第一电动调节阀(12)；第一电磁三通阀(18)的第一输出端与第二电磁三通阀(19)的第一输入端连接，第二电磁三通阀(19)的输出端与天空辐射制冷模块(5)的入口连接，天空辐射制冷模块(5)的出口与冷水罐(6)的入口连接，冷水罐(6)与水侧自然冷却模块连接，冷水罐(6)的出口与第一三通接头(32)的输入端连接，第一三通接头(32)的第一输出端与第二电磁三通阀(19)的第二输入端连接；第一三通接头(32)的第二输出端与第二三通接头(33)的第一输入端连接。2.根据权利要求1所述的集装箱数据中心冷却系统，其特征在于，箱体内水冷循环模块包括配水单元(3)和若干水冷背板(2)，水冷背板(2)设在集装箱箱体(1)内每个单列排布的待冷却设备处，若干水冷背板(2)分别连接至配水单元(3)形成循环，配水单元(3)的出口与热水罐(4)的入口连接，配水单元(3)的入口与蓄水箱(13)的出口连接。3.根据权利要求1所述的集装箱数据中心冷却系统，其特征在于，新风自然冷却模块包括新风过滤器(28)、进风风道百叶及配套风扇(29)、排风风道百叶及配套风扇(37)和进出风口，新风过滤器(28)、进风风道百叶及配套风扇(29)、排风风道百叶及配套风扇(37)和进出风口可设在集装箱箱体(1)上，新风过滤器(28)与进风风道百叶及配套风扇(29)连接。4.根据权利要求1所述的集装箱数据中心冷却系统，其特征在于，天空辐射制冷模块(5)包括若干并联的制冷单元，每个制冷单元由下至上依次包括保温层(501)、隔离导热层(502)、水通道(503)、压敏粘接剂(504)、天空辐射制冷薄膜(505)、屏蔽气隙(506)和屏蔽材料(507)；每个制冷单元中水通道(503)的入口与进水总管连接，水通道(503)的出口与出水总管连接，进水总管与第二电磁三通阀(19)的输出端连接，出水总管与冷水罐(6)的入口连接。5.根据权利要求4所述的集装箱数据中心冷却系统，其特征在于，每个所述制冷单元连接有阻断阀(509)，旁路上设置有旁通阀(508)。6.根据权利要求1所述的集装箱数据中心冷却系统，其特征在于，水侧自然冷却模块包括第三电动调节阀(30)、第四水泵(31)和闭式冷却塔(34)，第三电动调节阀(30)、第四水泵(31)和闭式冷却塔(34)通过管道与冷水罐(6)形成循环。7.根据权利要求1所述的集装箱数据中心冷却系统，其特征在于，蒸汽压缩制冷模块包括蒸发器(7)、节流阀(8)、冷凝器(9)、压缩机(10)和冷凝风扇(11)；蒸发器(7)的冷冻水输入端与第二三通接头(33)的输出端连接，蒸发器(7)的冷冻水输出端与蓄水箱(13)的入口连接；蒸发器(7)、压缩机(10)、冷凝器(9)和节流阀(8)依次连接构成蒸汽压缩制冷循环，冷
凝风扇(11)正对冷凝器(9)设置。8.根据权利要求1所述的集装箱数据中心冷却系统，其特征在于，箱体内水冷循环模块的出口与热水罐(4)的入口之间的连接管道上设有第一水泵(16)，天空辐射制冷模块(5)的出口与冷水罐(6)的入口之间的连接管道上设有第二水泵(21)，第二三通接头(33)的输出端与蒸汽压缩制冷模块的入口之间的连接管道上设有第三水泵(27)；第一三通接头(32)的第二输出端与第二三通接头(33)的第一输入端之间的连接管道上设有第二电动调节阀(22)；热水罐(4)、冷水罐(6)和蓄水箱(13)上分别设有排水补水管路。9.根据权利要求1所述的集装箱数据中心冷却系统，其特征在于，蓄水箱(13)的出口与箱体内水冷循环模块的入口之间的连接管道上设有第一温度传感器(14)，箱体内水冷循环模块的出口与热水罐(4)的入口之间的连接管道上设有第一流量计(15)，热水罐(4)的出口与第一电磁三通阀(18)的输入端之间的连接管道上设有第二温度传感器(17)，天空辐射制冷模块(5)的出口与冷水罐(6)的入口之间的连接管道上设有第三温度传感器(20)，第一三通接头(32)的第一输出端与第二电磁三通阀(19)的第二输入端之间的连接管道上设有第四温度传感器(23)和第二流量计(24)，第一三通接头(32)的第二输出端与第二三通接头(33)的第一输入端之间的连接管道上设有第五温度传感器(25)，第一电磁三通阀(18)的第二输出端与第二三通接头(33)的第二输入端之间的连接管道上设有第三流量计(26)。10.权利要求1～9任意一项所述集装箱数据中心冷却系统的运行策略，其特征在于，包括以下工作模式：新风蓄冷模式：当室外温湿度和空气质量满足数据中心新风冷却要求，且天空辐射制冷模块(5)和水侧自然冷却模块任一可使当前状态冷水罐(6)内水在允许流量范围内降温幅度达到温降设定值及以上时，启动该模式；新风自然冷却模块启动，蒸汽压缩制冷模块关闭，室外新风经过新风自然冷却模块冷却待冷设备；当天空辐射制冷模块(5)满足模式启动要求时，冷水罐(6)中的水经天空辐射制冷模块(5)冷却后回到冷水罐(6)，在水侧自然冷却模块也满足模式启动要求时，冷水罐(6)中部分水可直接进入水侧自然冷却模块实现冷却后回到冷水罐(6)；当天空辐射制冷模块(5)不满足模式启动要求时，该模块关闭；根据天空辐射制冷模块(5)和水侧自然冷却模块各自是否满足模式启动要求可同时运行两者或只运行其一；该模式在运行至冷水罐(6)出水温度低于蓄冷设定值即蓄冷至极限时将不再可用并在新风仍满足要求时切换为新风模式；新风模式：当室外温湿度和空气质量满足数据中心新风冷却要求且新风蓄冷模式不可用时，启动该模式；室外新风经过新风自然冷却模块进入箱体(1)冷却待冷设备；蒸汽压缩制冷模块、天空辐射制冷模块(5)和水侧自然冷却模块关闭，系统完全由新风实现冷却；联合蓄冷模式：当室外温湿度和空气质量不满足数据中心新风冷却要求，天空辐射制冷模块(5)可使其出水温度降至数据中心供水温度最小设定值及以下或水侧自然冷却模块监测的室外湿球温度小于等于完全自然冷却设定值时，联合蓄冷模式启动；蒸汽压缩制冷模块将关闭，此时冷水罐(6)出水温度如果高于数据中心供水温度最大设定值则蒸汽压缩制冷模块延迟关闭维持蓄水箱(13)供水温度，直至冷水罐(6)出水温度降至供水温度最大设定值；在天空辐射制冷模块(5)符合模式启动要求时，箱体内水冷循环模块输出的热水进入热水罐(4)，再进入天空辐射制冷模块(5)冷却后进入冷水罐(6)，冷水罐(6)中的水按照数据中心的冷却需求，一部分进入蓄水箱(13)，再回到箱体内水冷循环模块，同时从冷水罐
(6)中再分出一部分水进入天空辐射制冷模块(5)再回到冷水罐(6)；当冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓坡，文凯，张念祖，李汝群，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：