Энергоэффективный контейнерно-модульный центр обработки данных Российский патент 2020 года по МПК G06F1/20 

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.

Изобретение относится к средствам кондиционирования воздуха и вентиляции в теплонапряженных помещениях центров обработки данных (ЦОД). Технический результат заключается в снижении энергоемкости ЦОД. В отличие от известных технических решений камера испарения воды и испарительного охлаждения воздуха вынесена в окружающую среду. При этом используют 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. 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. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Энергоэффективный контейнерно-модульный центр обработки данных (ЦОД), оборудованный системой охлаждения и включающий по меньшей мере один контейнер, на сторонах корпуса которого размещены воздухозаборные и воздуховыпускные отверстия, а внутри размещены стойки с вычислительным электрическим оборудованием, системами хранения данных, а также теплоотводящая вентиляция, включающая воздушные фильтры и вентиляторы, отличающийся тем, что 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.

2. ЦОД по п. 1 отличающийся тем, что распылители 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.

3. ЦОД по п. 1, отличающийся тем, что зона воздухозаборных отверстий огорожена выгородкой, выполненной, например, из листов сотового поликарбоната, причем высота выгородки не менее двух метров.

4. ЦОД по п. 3, отличающийся тем, что в нижней трети огороженной зоны устроен воздуховод, присоединенной к осевому вентилятору, всасывающий патрубок которого может быть размещен в упомянутой зоне или вынесен наружу, 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.