一种多模式风液混合数据中心制冷系统及其控制方法

本发明属于数据中心制冷，具体涉及一种多模式风液混合数据中心制冷系统及其控制方法。

背景技术：

1、数据中心是大规模和关键计算任务的基础设施，为it行业提供计算资源。近年来，it行业发展迅速，导致算力需求不断增加。因此，近年来数据中心的规模不断扩大，其耗电量约占全球用电总量的1％-1.5％。其中，冷却系统通常全年不间断运行，以保证数据中心内部的温度要求，并耗费了大量的能量。相关研究表明，传统数据中心冷却能耗约占总能耗的30％-50％。因此，构建高效的数据中心制冷系统成为业内的研究重点。

2、由于液体比空气具有更好的传热效率，故液冷数据中心的能耗通常低于风冷数据中心，并成为数据中心制冷技术的发展趋势。其中，冷板式液冷数据中心在成本、节能率、可维护性等方面具备优势，目前应用最为广泛。在冷板式液冷数据中心中，大功率密度芯片通过冷板内液体冷却，其他小功率密度芯片通过风冷空调冷却。常规冷板式液冷数据中心具有液冷制冷系统和风冷制冷系统，但两种系统之间无关联，具有一定的局限性和节能空间。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种多模式风液混合数据中心制冷系统及其控制方法，通过进行高温模式、常温模式、低温模式之间的切换，实现液冷制冷系统和风冷制冷系统之间的交互，扩大了系统的运行范围并有效节省功耗。

2、为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种多模式风液混合数据中心制冷系统，包括液冷系统、风冷系统以及模式切换设备；所述液冷系统包括板式换热器以及连接在板式换热器上的液冷一次侧循环管路和液冷二次侧循环管路；液冷一次侧循环管路上设置有冷却塔、液冷一次侧过滤器、液冷一次侧水泵，冷却塔的进出口之间管路上并联设置有液冷一次侧旁通阀；液冷二次侧循环管路上设置有液冷二次侧过滤器、液冷二次侧水泵以及并联设置的多组服务器液冷板，每组服务器液冷板配置有一个服务器液冷支路阀；所述风冷系统包括冷水机组以及连接在冷水机组上的冷水循环管路，冷水循环管路上设置有风冷过滤器、风冷水泵以及风冷换热器，冷水机组的进出口之间管路上并联设置有风冷旁通阀；所述模式切换设备包括第一三通阀和第二三通阀，第一三通阀设置在板式换热器液冷一次侧出水口的管路上并与风冷换热器出水口的管路通过支路相接，第二三通阀设置在风冷换热器进水口的管路上并与板式换热器液冷一次侧进水口的管路通过支路相接。

4、作为一种优选的方案，所述服务器液冷板直接与服务器内部高功率密度芯片接触，所述风冷换热器采用带有风扇的lcu换热器，用于冷却数据中心内的小功率密度芯片。

5、作为一种优选的方案，通过控制第一三通阀和第二三通阀进行低温模式、常温模式、高温模式之间的切换；低温模式下，冷却塔满足风冷系统和液冷系统的冷量总需求；常温模式下，冷却塔为液冷系统提供冷量，冷水机组为风冷系统提供冷量；高温模式下，冷却塔无法满足液冷系统的冷量需求，由冷水机组为液冷系统提供补充冷量。

6、作为一种优选的方案，当切换到高温模式时，第一三通阀连接板式换热器的一端为水流入口，第一三通阀的另外两端为水流出口，经过板式换热器加热后的高温液体一部分流入冷却塔进行冷却，另一部分流入冷水机组进行冷却；第二三通阀连接冷水机组的一端为水流入口，第二三通阀的另外两端为水流出口，经过冷水机组冷却的液体一部分流入板式换热器进行供冷，另一部分流入风冷换热器进行供冷。

7、作为一种优选的方案，当切换到低温模式时，冷水机组关闭，第一三通阀连接冷却塔的一端为水流出口，第一三通阀的另外两端为水流入口，经过风冷换热器加热后的高温液体流入冷却塔进行冷却，第二三通阀连接冷却塔的一端为水流入口，第二三通阀连接风冷换热器的一端为水流出口，经过冷却塔流出的冷却水一部分流入风冷换热器，为风冷侧供冷。

8、第二方面，本发明实施例还提供了一种所述的多模式风液混合数据中心制冷系统的控制方法，包括以下步骤：

9、利用液冷cdu控制系统调控冷却塔、液冷一次侧水泵、液冷二次侧水泵、液冷一次侧旁通阀以及模式切换设备，使液冷系统二次侧供回水温度稳定；

10、利用ttv控制系统调控风冷换热器及服务器液冷支路阀，使风冷换热器和服务器液冷板对应冷却设备的温度维持在安全范围内；

11、利用风冷ecu控制系统调控冷水机组、风冷旁通阀、风冷水泵、风冷过滤器以及风冷换热器，使风冷系统的供回水温度稳定。

12、作为一种优选的方案，所述液冷cdu调控系统以二次侧供液温度和二次侧压差为调控目标；以二次侧供液温度为调控目标的调控方式为：当二次侧供液温度低于设定值时，优先减小冷却塔的风机频率，当冷却塔的风机频率降到最低且二次侧供液温度仍低于设定值时，减小液冷一次侧水泵的频率，当液冷一次侧水泵的频率也降到最低但二次侧供液温度仍低于设定值时，增大液冷一次侧旁通阀的开度；当二次侧供液温度高于设定值时，调控顺序相反，先减小液冷一次侧旁通阀的开度，再增大液冷一次侧水泵的频率，最后增大冷却塔的风机频率；以二次侧压差为调控目标的调控方式为：调整液冷二次侧水泵使二次侧压差维持在设定值；所述液冷cdu调控系统通过调控模式切换设备进行高温模式和低温模式的切换。

13、作为一种优选的方案，进行高温模式切换时，当冷却塔的风机频率和液冷一次侧水泵的频率为最大值、冷却塔的喷淋泵开启、液冷一次侧旁通阀的开度为0时，此时液冷系统的制冷能力已达最大值，若此时二次侧供液温度高于设定值，则开启高温模式，由冷水机组为液冷系统补充冷量；进行低温模式切换时，当液冷系统二次侧供液温度低于设定值且冷却塔的出口温度低于风冷系统的供液温度设定值时，开启低温模式，冷却塔同时为液冷系统和风冷系统供冷。

14、作为一种优选的方案，所述风冷ecu调控系统以风冷供液温度和风冷侧压差为调控目标；以风冷供液温度为调控目标的调控方式为：调整冷水机组的压缩机载位和风冷旁通阀的开度将风冷侧供液温度维持在设定值；以风冷侧压差为调控目标的调控方式为：调整风冷水泵使风冷侧压差维持在设定值。

15、作为一种优选的方案，所述ttv控制系统以风冷换热器和服务器液冷板对应冷却设备的温度为调控目标；

16、以风冷换热器冷却设备的温度为调控目标的调控方式为：取所有风冷换热器冷却设备的温度设定值减实测值中的最小值为控制信号，控制信号越接近于0，使风冷换热器的风扇转速越大，将所有风冷换热器冷却设备的温度维持在安全范围内；

17、以服务器液冷板冷却设备的温度为调控目标的调控方式为：取所有服务器液冷板冷却设备的温度设定值减实测值中的最小值为控制信号，控制信号越接近于0，使对应服务器液冷支路阀的开度越大，由于二次侧压差恒定，故对应服务器液冷板的冷却水流量就越大，将所有服务器液冷板冷却设备的温度维持在安全范围内。

18、相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：

19、针对常规风液混合数据中心制冷系统的局限性，设置了第一三通阀和第二三通阀对制冷系统进行改造。通过第一三通阀和第二三通阀可实现制冷系统高温模式、常温模式、低温模式的切换，扩大了风液混合制冷系统的运行范围并有效节省了功耗。低温模式下，冷却塔可满足风冷和液冷总需求，此时关闭高能耗的冷水机组，冷却塔通过第一三通阀和第二三通阀同时为风冷系统和液冷系统提供冷量，达到节能效果。常温模式下，冷却塔为液冷系统提供冷量，冷水机组为风冷系统提供冷量。高温模式下，冷却塔无法满足液冷侧需求，此时冷水机组通过第一三通阀和第二三通阀为液冷侧补充冷量，满足制冷需求。本发明无需对现有制冷系统进行较大范围改动便可完成改造，实现了液冷制冷系统和风冷制冷系统的关联交互，扩大了风液混合制冷系统的运行范围并有效节省了功耗，是一种高效的数据中心制冷系统。