СИСТЕМА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА ВНУТРЕННЕГО ПРОСТРАНСТВА ЦЕНТРА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
AIR CONDITIONING SYSTEM FOR INNER SPACE OF DATA PROCESSING CENTRE

Настоящее изобретение относится к системе кондиционирования воздуха во внутреннем пространстве центра обработки данных.
В частности, настоящее изобретение подходит для применения в центрах обработки данных, сформированных из отдельных контейнеров, смешанных или компактных контейнеров, промышленных модулей или любых других типов зданий, подходящих для них.
Предпосылки создания изобретения
Центры обработки данных образованы большими помещениями или зданиями, внутри которых находится множество электронного оборудования, предназначенного для обработки информации какой-либо компании или организации. Такой тип центров характеризуется высоким энергопотреблением, которое на сегодняшний день делится примерно следующим образом: электронное оборудование - 38%-63%, кондиционирование воздуха - 23%-54%, блоки бесперебойного питания (uninterrupted power supply, UPS) - 6%-13% и освещение - 1%-2%, помимо других менее важных потребителей. При этом анализ показывает, что стоимость упомянутого энергопотребления ежегодно вырастает на величину между 10% и 25%.
Потребление, соответствующее оборудованию кондиционирования воздуха, особенно значимо, поскольку оно дает большой вклад в коэффициент PUE (эффективности использования электроэнергии, Power Usage Effectiveness). Этот коэффициент вычисляют как отношение электроэнергии, затрачиваемой на обработку данных, к общей электроэнергии, потребляемой центром обработки данных. Чем ближе к 1 значение упомянутого коэффициента, тем эффективнее используется электроэнергия, потребляемая центром обработки данных. Однако потребление, идущее на оборудование для кондиционирования воздуха, часто значительно ухудшает значение PUE. Например, средние значения PUE могут быть около 1,05, если применяют системы охлаждения, основанные на естественной вентиляции, около 1,6 в только что установленных центрах обработки данных с традиционными системами охлаждения, например газовоздушными и водовоздушными, и до 2,5 и 3 в существующих центрах обработки данных с системами этого типа. Другими коэффициентами, на которые негативно влияют традиционные системы охлаждения, являются САРЕХ и ОРЕХ. Первый относится к капитальным затратам, а второй - к эксплуатационным затратам.
Соответственно, на сегодняшний день налицо растущий интерес к снижению энергопотребления систем кондиционирования центров обработки данных. В этом отношении известны следующие решения.
Первое из них включает использование систем на основе прямой естественной вентиляции центров обработки данных, что может давать значения PUE, очень близкие к 1. Однако подобное решение имеет множество недостатков.
Во-первых, имеется проблема с загрязнением воздуха. А именно, к условиям во внутреннем пространстве центра обработки данных предъявляются такие высокие требования, что необходима установка воздушных фильтров, чтобы избежать повреждения электронного оборудования и снижения срока его службы. Однако фильтры дают определенный процент потери эффективности системы, который постоянно растет по мере их загрязнения. Следовательно, необходимо обеспечивать постоянное техническое обслуживание системы и периодически заменять загрязненные фильтры.
Еще одной проблемой систем естественной вентиляции является отсутствие контроля относительной влажности во внутреннем пространстве центра обработки данных, которая в соответствии с существующими стандартами нормами, например ASHRAE, и с требованиями производителей электронного оборудования имеет приемлемые значения около 50%.
Высокий риск попадания влаги внутрь центра обработки данных также является одной из главных проблем систем естественной вентиляции. Влага является опаснейшим элементом в центре обработки данных, будучи крайне вредной для электронного оборудования и его корректной работы. Для естественной вентиляции необходимы отверстия, устанавливающие сообщение между внешним и внутренним пространством центров обработки данных, что дает точку доступа для влаги. Для исключения подобных нежелательных проникновений часто применяют фильтры, односкатные крыши или даже внешние кожухи или другие строительные или промышленные модули, внутри которых располагают центр обработки данных.
Наконец, еще одной проблемой естественной вентиляции является то, что она может применяться только в определенных географических областях, где внешняя температура круглогодично является достаточно низкой для корректной работы центра обработки данных. Соответственно, системы естественной вентиляции во многих случаях образуют лишь часть смешанных систем, то есть систем, комбинирующих естественную вентиляцию с традиционными установками кондиционирования воздуха, с целью обеспечения возможности их применения в более широком диапазоне географических областей.
Еще одно из существующих решений для снижения энергопотребления систем кондиционирования воздуха центров обработки данных может быть найдено в документе ЕР 1903849 А1. Этот документ раскрывает систему кондиционирования воздуха для внутреннего пространства центра обработки данных, в которой применяют вращающийся воздушный теплообменник (теплообменник типа "воздух-воздух"), сконфигурированный для обеспечения теплообмена между потоком внешнего воздуха и потоком рециркуляционного воздуха, поступающего из внутреннего пространства центра обработки данных. Теплообменники такого типа обычно выполняют в виде большого вращающегося цилиндра, сформированного из металлических пластин высокой плотности. Его работа основана на тепловой инерции образующих его материалов, которые поглощают и удерживают тепло потока рециркуляционного воздуха и передают его в поток внешнего воздуха при вращении упомянутого цилиндра. Подобное решение также имеет множество недостатков.
Во-первых, упомянутое решение не гарантирует на 100% отсутствие перекрестного загрязнения между упомянутыми выше потоками. Несмотря на то что теплообменник расположен между двумя отдельными воздушными камерами, причем в каждой из них находится по его половине, невозможно разделение по его диаметру, длине и ширине. Соответственно, разность давлений между потоками всегда дает какой-то минимум перекрестного загрязнения. По этой же причине нельзя гарантировать отсутствия воды, которая появляется в результате конденсации на металлических пластинах и попадает в поток рециркуляционного воздуха, при этом невозможно осуществление строгого контроля относительной влажности во внутреннем пространстве.
Однако еще более существенным недостатком такой системы является необходимость поддержания теплообменника в непрерывном движении и значительное энергопотребление двигателя, требуемого для этой цели, учитывая большой вес и объем подобных теплообменников. Первый из упомянутых недостатков вынуждает иметь аналогичные резервные средства, гарантирующие непрерывность работы, необходимую для центров обработки данных. Для этого необходимо иметь по меньшей мере один резервный двигатель и дублированный источник питания, предназначенный для обеспечения упомянутого движения. С другой стороны, второй из упомянутых недостатков непосредственно влияет на энергоэффективность системы, поскольку потребление двигателя и связанных с ним компонентов оказывает негативное влияние на коэффициент PUE.
Высокоэффективная система для кондиционирования воздуха внутреннего пространства центра обработки данных, предложенная в настоящем изобретении, решает описанные выше проблемы. А именно, в системе согласно настоящему изобретению применяется пассивный воздушный теплообменник, не имеющий подвижных элементов, сконфигурированный для обеспечения теплообмена без перекрестного загрязнения воздуха между потоком внешнего воздуха и потоком рециркуляционного воздуха. При этом упомянутая система обеспечивает также возможность рекуперации тепла, рассеиваемого электронным оборудованием обработки данных, для его дальнейшей утилизации, и упомянутая система может быть дополнена другими элементами, обеспечивающими возможность работы системы в широком диапазоне географических областей с самым различным климатом.
Описание изобретения
С целью решения описанных выше проблем в настоящем изобретении система для кондиционирования воздуха внутреннего пространства центра обработки данных, оснащенного электронным оборудованием, включает пассивный воздушный теплообменник, сконфигурированный для обеспечения теплообмена без перекрестного загрязнения воздуха между потоком внешнего воздуха и потоком рециркуляционного воздуха, причем упомянутый рециркуляционный воздух поступает из внутреннего пространства центра обработки данных и предназначен для кондиционирования после прохождения через упомянутый воздушный теплообменник. Упомянутое кондиционирование имеет целью обеспечение во внутреннем пространстве центра обработки данных наиболее подходящих значений температуры и относительной влажности для его корректной работы.
Предпочтительно, упомянутый воздушный теплообменник представляет собой тепловую трубу. Такой тип теплообменников обычно выполняют на основе рамы, включающей множество замкнутых трубок, расположенных параллельно. В свою очередь, внутренность каждой из этих трубок включает жидкость под соответствующим давлением, обеспечивающим ее испарение и конденсацию в заданном диапазоне температур. Конец, или часть, теплообменника, в которой осуществляется конденсация жидкости, обеспечивает отдачу тепла, тогда как конец, или часть, теплообменника, в которой осуществляется испарение жидкости, обеспечивает поглощение тепла. Таким образом, упомянутый тип теплообменника не требует подвижных элементов для его корректной работы, то есть является статическим - в отличие от вращающихся теплообменников, при этом он не потребляет электроэнергии, за исключением управляющих и измерительных элементов, которые могут быть с ним связаны.
Другим типом пассивных теплообменников, который может применяться, является так называемый пластинчатый теплообменник. Их выполняют из множества параллельно расположенных металлических пластин, имеющих высокую тепловую инерцию, между которыми происходит теплообмен двух воздушных потоков, перпендикулярных друг другу, без появления перекрестного загрязнения между ними.
Поток рециркуляционного воздуха выводят непосредственно из одного или более горячих коридоров, в которых рассеивается тепло, формируемое электронным оборудованием, при этом его вводят, также непосредственно, после прохождения упомянутого воздушного теплообменника в один или более холодных коридоров для кондиционирования пространства внутри них. Упомянутые горячие и холодные коридоры соответствующим образом разделены для исключения смешивания находящегося в них воздуха. Упомянутый вывод и введение воздуха осуществляют непосредственно, то есть без использования воздуховодов или с их минимальным количеством, либо естественным образом, либо принудительно.
Дополнительно, система согласно настоящему изобретению включает альтернативный контур, или обводную трубу, являющийся альтернативой прохождению через упомянутый воздушный теплообменник и сконфигурированный для управляемого отвода воздушного потока рекуперации энергии из внутреннего пространства с целью утилизации избытка тепла, имеющегося в нем. Это выполняют с целью утилизации большого количества тепла, отдаваемого электронным оборудованием, для обогрева помещений других типов, расположенных рядом с центром обработки данных, или для нагрева водопроводных контуров горячей воды, помимо других вариантов утилизации. Однако одно из главных применений упомянутого альтернативного контура включает смешивание воздушного потока рекуперации энергии с потоком рециркуляционного воздуха на выходе упомянутого воздушного теплообменника перед его введением в упомянутое внутреннее пространство. Это обеспечивает возможность реализации системы согласно настоящему изобретению в центрах обработки данных, расположенных в географических областях с очень низкими температурами. Все упомянутое выше осуществляют управляемым образом, то есть с применением необходимых управляющих и измерительных элементов для точного регулирования скорости воздушного потока рекуперации энергии в каждый момент времени.
Система согласно настоящему изобретению включает также средства охлаждения, которые поглощают часть тепловой энергии из потока рециркуляционного воздуха перед его введением в упомянутое внутреннее пространство. Упомянутые средства включают один или более испарителей газовоздушного типа охлаждения или водовоздушных теплообменников, выполненных с возможностью обеспечения дополнительной охлаждающей нагрузки для потока рециркуляционного воздуха. Упомянутые теплообменники включают гидравлические контуры, связанные с соответствующим холодильным оборудованием, расположенным снаружи или внутри центра обработки данных. Подобное вспомогательное оборудование особенно полезно при применениях в центрах обработки данных, расположенных в географических областях с очень высокими температурами.
Дополнительно, система согласно настоящему изобретению включает первые средства увлажнения, сконфигурированные для управления относительной влажностью потока рециркуляционного воздуха перед его введением в упомянутое внутреннее пространство с целью обеспечения в нем подходящих условий влажности.
Помимо этого, система согласно настоящему изобретению включает также вторые средства увлажнения, сконфигурированные для управления относительной влажностью потока внешнего воздуха перед его прохождением через упомянутый воздушный теплообменник, главным образом для снижения температуры сухого воздуха на его входе. Предпочтительно, такое вспомогательное оборудованием также снабжается описанным выше модулем охлаждения, который особенно полезен для применений в центрах обработки данных, расположенных в географических областях с очень высокими температурами.
Предпочтительно, упомянутые первые и вторые средства увлажнения имеют испарительный тип, чтобы исключить наличие влаги внутри центра обработки данных. Предпочтительно, упомянутые средства включают группы нагнетания, связанные с одним или более емкостями, которые управляемо пульверизируют воду посредством двух независимых контуров. Один из них предназначен для потока внешнего воздуха, а второй - для потока рециркуляционного воздуха.
Как отмечалось выше, настоящее изобретение особенно хорошо подходит для применения в центрах обработки данных, образованных из отдельных контейнеров, смешанных или компактных контейнеров, промышленных модулей или любых других подходящих для них зданий. Следовательно, в соответствии с типом центра обработки данных, в котором реализуют систему согласно настоящему изобретению, могут быть осуществлены различные варианты ее конструкции, в соответствии с дальнейшим описанием.
Предпочтительно, общей чертой всех упомянутых вариантов конструкции системы согласно настоящему изобретению является наличие воздушного теплообменника, включающего:
- первую часть, через которую циркулирует поток внешнего воздуха; и
- вторую часть, через которую циркулирует поток рециркуляционного воздуха.
Обе - первая и вторая - части расположены в областях, разделенных оболочками, для исключения перекрестного загрязнения между потоком внешнего воздуха и потоком рециркуляционного воздуха. Такое разделение осуществляют в волюметрических целях, для изоляции потоков воздуха, циркулирующих через каждую из частей упомянутого теплообменника, исключая перекрестное загрязнение.
В соответствии с первым вариантом конструкции, особенно хорошо подходящим для центров обработки данных типа отдельного контейнера, система согласно настоящему изобретению включает по меньшей мере один воздушный теплообменник в вертикальном положении, который расположен внутри контейнера, сконфигурированного для размещения в верхней части центра обработки данных, при этом упомянутый контейнер в свою очередь включает:
- верхнюю область, в которой находится первая часть упомянутого воздушного теплообменника, снабженную боковыми внешними отверстиями, сконфигурированными для обеспечения входа и выхода потока внешнего воздуха; и
- нижнюю область, в которой находится вторая часть упомянутого воздушного теплообменника, снабженную горизонтальными внутренними отверстиями, сконфигурированными для обеспечения входа и выхода потока рециркуляционного воздуха.
Упомянутые боковые внешние отверстия могут быть выполнены с решетками или без них, с горловинами или без горловин, с входными или выходными воздуховодами для потока внешнего воздуха или без них, с оборудованием для принудительной вентиляции или без него и т.п. Упомянутые горизонтальные внутренние отверстия, предпочтительно, включают решетки и оборудование принудительной вытяжки/притока воздуха.
В соответствии со вторым вариантом конструкции, система согласно настоящему изобретению включает воздушный теплообменник в вертикальном положении, в котором:
- упомянутая первая часть находится внутри внешнего модуля, снабженного боковыми внешними отверстиями, сконфигурированными для обеспечения входа и выхода потока внешнего воздуха; и
- упомянутая вторая часть расположена внутри закрытого пространства, снабженного вертикальными внутренними отверстиями, сконфигурированными для обеспечения входа и выхода потока рециркуляционного воздуха.
В соответствии с третьим вариантом конструкции:
- упомянутый внешний модуль находится сверху от упомянутого закрытого пространства; и
- упомянутое закрытое пространство примыкает к центру обработки данных.
В свою очередь, упомянутая первая часть воздушного теплообменника расположена в вертикальном направлении относительно его второй части. В соответствии с четвертым вариантом конструкции:
- упомянутое закрытое пространство расположено между упомянутым внешним модулем и центром обработки данных.
В свою очередь, упомянутая первая часть воздушного теплообменника расположена в горизонтальном направлении относительно его второй части.
Упомянутые выше варианты проиллюстрированы в качестве неограничивающих примеров осуществления настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Далее следует краткое описание чертежей, которые помогают более полно уяснить настоящее изобретение, при этом они соответствуют вариантам осуществления упомянутого изобретения, представленным в качестве его неограничивающих примеров.
Фиг.1 представляет собой вид в перспективе центра обработки данных типа отдельного контейнера, снабженного системой согласно настоящему изобретению в соответствии с его первым предпочтительным вариантом осуществления.
Фиг.2 демонстрирует первое сечение центра обработки данных, показанного на фиг.1.
Фиг.3 демонстрирует второе сечение центра обработки данных, показанного на фиг.1.
Фиг.4 демонстрирует вид сверху в разрезе по секущей плоскости I-I фиг.2.
Фиг.5 демонстрирует вид сверху в разрезе по секущей плоскости II-II фиг.2.
Фиг.6 демонстрирует вид сбоку в разрезе по секущей плоскости III-III фиг.2.
Фиг.7 демонстрирует вид сбоку в разрезе по секущей плоскости IV-IV фиг.2.
Фиг.8 представляет собой вид сверху в разрезе центра обработки данных типа отдельного контейнера, снабженного системой согласно настоящему изобретению в соответствии с его вторым предпочтительным вариантом осуществления.
Фиг.9 демонстрирует увеличенный вид в разрезе по секущей плоскости V-V, показанной на фиг.8.
Фиг.10 демонстрирует вид в разрезе по секущей плоскости VI-VI, показанной на фиг.8.
Фиг.11 представляет собой вид в перспективе центра обработки данных, сформированного отдельными контейнерами, расположенными внутри промышленного модуля, снабженного системой согласно настоящему изобретению.
Фиг.12 представляет собой вид в перспективе центра обработки данных, интегрированного в здание, снабженное системой согласно настоящему изобретению.
Фиг.13 демонстрирует вид верху в разрезе центра обработки данных, показанного на фиг.12.
Предпочтительный вариант осуществления изобретения
Фиг.1 представляет собой вид в перспективе центра обработки данных типа отдельного контейнера, снабженного системой (1) согласно настоящему изобретению в соответствии с его первым предпочтительным вариантом осуществления.
Фиг.2 демонстрирует первое сечение центра обработки данных, показанного на фиг.1. На этом чертеже можно видеть систему (1) для кондиционирования воздуха внутреннего пространства центра (2) обработки данных, оснащенного электронным оборудованием (3). Упомянутая система включает пассивный воздушный теплообменник (4) типа тепловой трубы, сконфигурированный для обеспечения теплообмена без перекрестного загрязнения между потоком (5) внешнего воздуха и потоком (6) рециркуляционного воздуха, причем упомянутый рециркуляционный воздух (6) поступает из внутреннего пространства центра (2) обработки данных и предназначен для кондиционирования после прохождения через упомянутый воздушный теплообменник (4).
Как можно видеть, поток (6) рециркуляционного воздуха непосредственно выводят из одного или более горячих коридоров (7), в которых рассеивается тепло, создаваемое электронным оборудованием (3), и вводят, также непосредственно, после прохождения упомянутого воздушного теплообменника (4), в один или более холодных коридоров (8) для кондиционирования пространства внутри них.
Фиг.3 представляет собой второе сечение центра обработки данных, показанного на фиг.1, на котором можно видеть альтернативный контур (9), или обводную трубу (байпас) у прохода через воздушный теплообменник (4), при этом упомянутый альтернативный контур (9) сконфигурирован для управляемого отклонения воздушного потока (10) рекуперации энергии, поступающего из упомянутого внутреннего пространства, с целью утилизации избытка тепла, имеющегося в нем, и для смешивания его с потоком (6) рециркуляционного воздуха на выходе воздушного теплообменника (4) перед его введением в упомянутое внутреннее пространство.
Система согласно настоящему изобретению включает также средства (11) охлаждения, которые поглощают часть тепловой энергии из потока (6) рециркуляционного воздуха перед его введением в упомянутое внутреннее пространство.
Система согласно настоящему изобретению включает средства (12) увлажнения, сконфигурированные для управления относительной влажностью потока (6) рециркуляционного воздуха перед его входом в упомянутое внутреннее пространство с целью обеспечения подходящих условий влажности. Система согласно настоящему изобретению включает также вторые средства (20) увлажнения, сконфигурированные для снижения температуры сухого входа потока (5) внешнего воздуха перед его прохождением через упомянутый воздушный теплообменник (4).
Фиг.4 и 5 представляют собой виды сверху в разрезе по секущей плоскости I-I и секущей плоскости II-II на фиг.2 соответственно. На упомянутых чертежах показан план распределения элементов, образующих систему (1) согласно настоящему изобретению в соответствии с его первым предпочтительным вариантом осуществления.
Как отмечалось выше, все варианты конструкции системы согласно настоящему изобретению объединяет наличие воздушного теплообменника (4), включающего:
- первую часть (4а), через которую циркулирует поток (5) внешнего воздуха; и
- вторую часть (4b), через которую циркулирует поток (6) рециркуляционного воздуха.
В соответствии с первым вариантом конструкции, система согласно настоящему изобретению включает по меньшей мере один воздушный теплообменник (4) в вертикальном положении, который расположен внутри контейнера (14), сконфигурированного для размещения в верхней части центра (2) обработки данных, при этом упомянутый контейнер (14) в свою очередь включает:
- верхнюю область (14а), в которой находится первая часть (4а) упомянутого воздушного теплообменника, снабженную боковыми внешними отверстиями (15), сконфигурированными для обеспечения входа и выхода потока (5) внешнего воздуха; и
- нижнюю область (14b), в которой находится вторая часть (4b) упомянутого воздушного теплообменника, снабженную горизонтальными внутренними отверстиями (16), сконфигурированными для обеспечения входа и выхода потока (6) рециркуляционного воздуха.
Фиг.6 и 7 представляют собой вид сбоку в разрезе по секущей плоскости III-III и по секущей плоскости IV-IV на фиг.2 соответственно. Упомянутые чертежи на виде сбоку демонстрируют распределение элементов, образующих систему (1) согласно настоящему изобретению в соответствии с его первым вариантом осуществления.
Фиг.8 представляет собой вид сверху в разрезе центра обработки данных типа отдельного контейнера, снабженного системой (1) согласно настоящему изобретению в соответствии с его вторым предпочтительным вариантом осуществления. На упомянутом чертеже показан воздушный теплообменник (4) в вертикальном положении, в котором:
- первая часть (4а) находится внутри внешнего модуля (17), снабженного боковыми внешними отверстиями (15), сконфигурированными для обеспечения входа и выхода потока (5) внешнего воздуха; и
-  вторая часть (4b) расположена внутри закрытого пространства (18), снабженного вертикальными внутренними отверстиями (19), сконфигурированными для обеспечения входа и выхода потока (6) рециркуляционного воздуха.
В соответствии с этим вторым вариантом осуществления настоящего изобретения упомянутое закрытое пространство (18) расположено между внешним модулем (17) и центром (2) обработки данных таким образом, что первая часть (4а) воздушного теплообменника расположена в горизонтальном направлении относительно его второй части (4b).
Фиг.9 и 10 представляют собой увеличенный вид в разрезе по секущей плоскости V-V и сечение по секущей плоскости VI-VI на фиг.8 соответственно. Упомянутые чертежи демонстрируют в увеличенном виде распределение и профили элементов, образующих систему (1) согласно настоящему изобретению в соответствии с его вторым предпочтительным вариантом осуществления.
Фиг.11 представляет собой вид в перспективе центра обработки данных, сформированного отдельными контейнерами, расположенными внутри промышленного модуля. На этом чертеже показан пример расположения множества центров (2) обработки данных, имеющих контейнерный тип, с их соответствующими системами (1) кондиционирования воздуха. Приток и вытяжку внешнего воздуха (5) после прохождения через воздушный теплообменник (4) осуществляют таким образом, что входной и выходной потоки внешнего воздуха (5) не замыкаются. Данный пример выполнен также с возможностью управления потоком (5) внешнего воздуха, проходящим через различные центры (2) обработки данных.
Фиг.12 представляет собой вид в перспективе центра обработки данных, интегрированного в здание, включающее систему согласно настоящему изобретению.
Фиг.13 демонстрирует вид сверху в разрезе центра обработки данных, показанного на фиг.12.