Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к системам кондиционирования воздуха и вентиляции и может быть использовано в различных теплонапряженных помещениях центров обработки данных (ЦОД), расположенных в основном в труднодоступных районах, в сложных условиях горного рельефа, в условиях вечной мерзлоты, но может быть использовано и для обычных офисных и производственных помещений с большим количеством тепловыделяющего оборудования в целях создания комфортных условий микроклимата. При этом в основном заявленное изобретение предназначено для ускоренной и мало затратной постройки ЦОД малой, средней и большой производительности.
Известны технические решения модульных ЦОД контейнерного типа, например, описанные в патентах №№2638731, 2610144, 2598355, 2444868, а также действующие ЦОД, см., например, https://cont-plus.ru/gotovye-resheniya-iz-konteynerov/konteyner-dlya-maining-ferm, http://www.trinitymining.com/ru.html, http://bit-cube.ru/.
Известен также ЦОД, выбранный в качестве прототипа, http://www.cioperm.ru/doc_2014/Conteyner%20COD_Schneider%20Electric.pdf.
В то же время недостатками всех этих решений является то, что сама система охлаждения таких контейнерных ЦОД потребляет значительное количество электроэнергии, реализуя холодильный цикл. Однако вследствие того, что эксплуатационные платежи за электроэнергию в настоящее время достаточно высоки, поэтому повышение энергоэффективности работы ЦОД приобретает большое значение.
Задачей изобретения является создание энергоэффективной и малозатратной системы охлаждения, но отвечающей одновременно требованиям ASHRAE Standard 90.4-2016 - Energy Standard for Data Centers (ANSI Approved) по оптимальным и допустимым значениям температур и влажности на входе в электрические вычислители.
Технический результат заключается в снижении энергоемкости ЦОД за счет испарительного охлаждения воздуха за границами контейнерного корпуса и повышения интенсивности массообмена между воздухом и каплями воды.
Это достигается за счет того, что в отличие от известных технических решений для охлаждения оборудования используется система испарительного охлаждения, причем камера испарения воды и испарительного охлаждения воздуха из-за недостатка свободных пространств в ЦОД контейнерного типа вынесена в окружающую среду, а точнее в область всасывающих факелов воздухозаборных отверстий.
С учетом сказанного указанный технический результат достигается при реализации заявленного энергоэффективного контейнерно-модульного ЦОД, оборудованного системой охлаждения и содержащего, по меньшей мере, один контейнер, на сторонах корпуса которого размещены воздухозаборные и воздуховыпускные отверстия, а внутри размещены стойки с вычислительным оборудованием, системами хранения данных, а также теплоотводящая вентиляция, включающая воздушные фильтры и вентиляторы. При этом система охлаждения размещена снаружи контейнера и выполнена в виде оборудования для испарительного охлаждения воздуха, содержащего насос, а также распределительные трубопроводы и распылители, которые установлены в зоне действия всасывающего факела воздухозаборных отверстий.
В частном случае распылители ЦОД выполнены в виде полимерных или металлических мембран толщиной 0,1÷0,5 мм с квадратным или прямоугольным отверстием для истечения воды, соотношение сторон которого от 1:1 до 1:4, а их минимальный размер 0,3÷1,0 мм, при этом отверстие со стороны набегающего потока воды перекрыто арочным элементом, ось которого расположена вдоль длинной стороны отверстия. Под арочным элементом возникает мощный автоколебательный процесс в ходе которого идет интенсивное распыление воды.
В другом частном случае зона воздухозаборных отверстий для механической защиты электронного оборудования и фильтров от пыли, переносимой ветрами вдоль поверхности земли, и защиты капельного спрея распылителей от воздействия порывов ветра отделена от окружающей среды выгородкой из легких панелей высотой не менее двух метров и выполненных, например, из сотового поликарбоната, с трех сторон в случае, если в состав ЦОД КТ входит только один элемент модуля - контейнерный ЦОД (фиг. 1), и с двух сторон, если контейнеры ЦОД образуют модуль, состоящий из двух контейнерных ЦОД (фиг. 3). Таким образом, воздух окружающей среды может попасть в выгородку только через открытую верхнюю горизонтальную плоскость, расположенную выше уровня земли на 2÷3,5 метра.
В третьем частном случае в нижней трети вышеуказанной огороженной зоны устроен воздуховод, присоединенной к осевому вентилятору, всасывающий патрубок которого может быть размещен в упомянутой зоне или вынесен наружу, а на верхней образующей воздуховода вдоль его оси выполнено два или более прямоугольных отверстия с соотношением сторон от 1:1 до 1:4, причем меньший размер отверстий находится в интервале 50÷200 мм, а сами отверстия перекрыты с внутренней стороны воздуховода арочными элементами, при этом ось каждого арочного элемента параллельна большей оси отверстия. Задача этого воздуховода интенсификация массообмена между воздухом и каплями, т.е. заставить двигаться каплю относительно воздуха, создавая турбулентные пульсации для ускорения испарения капли.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется рисунками. На фиг. 1÷6 представлено схематическое изображение ЭКМ ЦОД, а на фиг. 7÷8 представлены 3D-модели ЭКМ ЦОД.
ЭКМ ЦОД содержит по меньшей мере один контейнер, выполненный, как вариант, из морского грузового или специально изготовленного контейнера.
На фиг. 1 и 2 представлен вариант ЭКМ ЦОД, состоящего из одного контейнера и содержащий корпус 1 с воздуховыпускными 2 и воздухозаборными 3 отверстиями, пространство корпуса содержит тамбур 4 и помещение, внутри которого размещены вычислительные электрические устройства 5. Воздухозаборные отверстия 3 оснащены фильтрами грубой очистки 6, вентиляторами 7 и фильтрами тонкой очистки 8. Как вариант отверстия 2 и 3 могут оснащаться воздухозаборными решетками 13 и воздуховыпускными решетками 14. Система испарительного охлаждения содержит насос 9, расположенный, как вариант, в тамбуре 4, распределительный трубопровод с распылителями 10, размещенный в выгородке 12; кроме того, в выгородке 12, как вариант, может быть расположен воздуховод 15 с воздуховыпускными отверстиями, перекрытыми арочными элементами, и осевой вентилятор 16.
На фиг. 3 и 4 представлен вариант ЭКМ ЦОД, состоящий из двух контейнеров, зоны выгородок 12 объединены.
На фиг. 7 и 8 показан воздуховод 15 с осевым вентилятором 16, размещенный в нижней трети выгородки.
Вся электрическая мощность, потребляемая находящимися в ЭКМ ЦОД вычислительными электрическими устройствами, переходит в теплоту, для отвода которой вентиляторы 7 нагнетают через устройства 5 воздух, в объеме 200÷300 м3/час на каждый 1,0 кВт потребляемой мощности.
Для очистки воздуха от пыли служат фильтры грубой очистки 6 и тонкой очистки 8, например, G4 и F5.
В теплый период года, особенно в условиях, когда солнечная радиация перегревает дневную поверхность земли, начинает работать система испарительного охлаждения воздуха, включая насос 9, распределительную сеть трубопроводов с распылителями 10. Распределительная сеть и распылители, а возможно и насос, вынесены из корпуса контейнера и размещены таким образом, что водный спрей, образуемый распылителями поступает в зону всасывающих факелов воздухозаборных отверстий 3.
Для защиты воздухозаборов от пыли и песка, перемещаемых ветром вдоль поверхности земли, а также, для увеличения пути испарения капель воды и защиты капельного спрея от порывов ветра, зоны всасывающих факелов воздухозаборов защищены выгородками 12 из легких панелей.
В результате работы вентиляторов 7 наружный воздух засасывается через открытую часть выгородки 12, проходит сквозь водный спрей 11 и охлажденный поступает в корпус контейнера 1 ЭКМ ЦОД через воздухозаборные отверстия 3, фильтры грубой 6 и тонкой очистки 8, далее проходит сквозь вычислительные электрические устройства, нагреваясь и отводя тем сам от них избытки тепла и удаляется из ЭКМ ЦОД через воздуховыпускные отверстия 2. Водяной спрей 11 создается путем распыла воды, подаваемой насосом 9, расположенным в тамбуре 4 (или за габаритами корпуса контейнера) в распределительный трубопровод с распылителями 10.
Если в состав ЭКМ ЦОД входят два контейнера (фиг. 3 и 4) и более, то располагаются они таким образом, чтобы выгородка 12 была общим пространством между распределительными трубопроводами с распылителями первого и второго контейнеров.
В выгородке идут тепломассообменные процессы в двухфазной среде: капли воды взаимодействуют с воздухом окружающей среды и испаряясь охлаждают воздух.
Процесс тепломассообмена нельзя считать интенсивным, хотя бы потому, что естественно природная интенсивность турбулентности окружающей среды составляет всего 3%, ε=v'/v100=3%, где v' - пульсационная составляющая в атмосферном воздухе, v - средняя скорость потока атмосферного воздуха.
Малая интенсивность турбулентности обеспечивает очень небольшое относительное движение капель и воздуха. Для повышения ε до 50÷55% в нижней части выгородки установлен воздуховод 15, в который подают осевым вентилятором 16 воздух самой выгородки или воздух окружающей среды, (фиг. 7 и 8).
На верхней образующей воздуховода 15 выполнено два и более прямоугольных отверстий с соотношением сторон от 1:1 до 1:4. Отверстия, со стороны набегающего потока перекрыты арочными элементами.
Истечение воздуха из отверстия, перекрытого арочным элементом, сопровождается сильным автоколебательным процессом под аркой. Результирующее течение имеет угол раскрытия ~120°, а интенсивность турбулентности в нем 50÷60%, то есть пульсации потока, порожденные под аркой в автоколебательном процессе сохраняются в последующем и в результирующем течении.
Так, если отверстие имеет размеры 150×300, а скорость истечения из-под арки 5,0 м/с, то частота автоколебаний по перекладке потока по концам арки составит ориентировочно:
f=Sh⋅v/l=2,98 Гц, где
Sh ≈ 0,2 число Струхаля
V=5 м/с - скорость истечения
L=0,335 м - диагональ отверстия
Порождаемая автоколебаниями интенсивность турбулентности до уровня 50÷55% обеспечивает интенсивное относительное движение капель и воздуха. Массообмен интенсифицируется и капли активно испаряются в воздух.
Результирующее течение поднимает капли, вовлекает их в интенсивный массообмен и не позволяет каплям, особенно условно крупным с d≈30 мкм, упасть на грунт выгородки.