TWI457522B - 節能空調系統及其空調模式 - Google Patents

Description

節能空調系統及其空調模式

本發明是有關於一種空調模式，且特別是有關於一種動態調整的空調模式。

目前有許多企業部署數十部或數百部成本較低的小型伺服器以應付網路流量需求，為求更進一步地提高經濟效應，進而發展出刀鋒伺服器。所謂的刀鋒伺服器，係指將處理器、記憶體、甚至硬碟機等伺服器系統的硬體整合到單一的主機板上。在一個伺服器機櫃內即可容納數十個或是更多個的刀鋒伺服器，因此可有效地整合至大型資料中心環境中。

隨著雲端科技的發展，對於伺服器的負擔及效能要求越來越高，伺服器機櫃的安裝密度亦隨之增加，其所產生的熱能亦隨之大量增加。傳統的高密度機房多是密閉式空調機房，不論外界的溫溼度均是密閉式空調進行散熱，因此，所耗費的用電量相當驚人。

因此，如何降低高密度機房，特別是如雲端資料中心此類的大型高密度機房的空調用電量，便成為一個重要的課題。

因此本發明的目的就是在提供一種節能空調系統，用以根據外界環境的條件進行合適的空調模式，以達到動態節能的功效。

依照本發明一實施例，提出一種節能空調系統，適用於一高密度機房中，高密度機房包含進氣入口，節能空調系統由進氣入口起依序包含入口閘門、空氣過濾牆、熱交換器陣列、風扇陣列、熱風通道與雲端控制中心。入口閘門用以選擇性地開放或是關閉進氣入口。熱交換器陣列包含多個熱交換器以及位於熱交換器下方之集水盤。熱風通道用以收集高密度機房之熱風，其中熱風通道包含通向高密度機房外之熱風出口、用以選擇性地開放或是關閉熱風出口的出口閘門、通向空氣過濾牆與風扇陣列之間的回風出口，以及用以選擇性地開放或是關閉回風出口的回風閘門。雲端控制中心控制入口閘門、熱交換器陣列、風扇陣列、出口閘門與回風閘門。

風扇陣列包含多個高壓離心風扇。節能空調系統更包含多個感測元件，與雲端控制中心連接。感測元件包含分別設置於高密度機房內外的多個溫度感測元件與分別設置在高密度機房內外的多個溼度感測元件。高密度機房包含多個機櫃模組，機櫃模組背對背設置，機櫃模組產生之熱風進入熱風通道。節能空調系統更包含設置於機櫃模組與風扇陣列之間的導風斜坡。節能空調系統更包含加濕器。

本發明之另一態樣為一種應用前述之節能空調系統的空調模式，包含雲端控制中心選擇外部進氣模式、關閉熱交換器陣列、開放入口閘門以供應外界空氣至風扇陣列、開放出口閘門、關閉回風閘門，以及開啟風扇陣列。

本發明之又一態樣為一種應用前述之節能空調系統的空調模式，包含雲端控制中心選擇混合式進氣模式、開放入口閘門以供應一外界空氣至高密度機房、開放出口閘門與回風閘門，使一部分之熱氣從熱風出口散逸，另一部分之熱氣與外界空氣混合，以及開啟風扇陣列。混合式進氣模式中更包含選擇性地開啟熱交換器陣列。

節能空調系統提供了封閉循環模式、外部進氣模式與混合式進氣模式等三種不同的空調模式，透過雲端控制中心監控高密度機房內外的溫溼度，並根據機櫃模組內的伺服器使用量及負載情況，以動態地調整空調模式，達到節能管理最佳化的功效。

以下將以圖式及詳細說明清楚說明本發明之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本發明之較佳實施例後，當可由本發明所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本發明之精神與範圍。

參照第1圖，其繪示本發明之節能空調系統於一空調模式下的側視圖。節能空調系統為應用在大型的高密度機房100之中，此高密度機房100可以如雲端資料中心，高密度機房100內設置有多個機櫃模組110，機櫃模組110包含有至少一伺服器機櫃以及位於其中的多個伺服器。高密度機房100包含有進氣入口120，進氣入口120可以將外界的空氣引入高密度機房100之中。

節能空調系統從進氣入口120向機櫃模組110依序包含有入口閘門130、空氣過濾牆140、熱交換器陣列150、風扇陣列160、熱風通道170，以及雲端控制中心180。節能空調系統更包含有多個感測元件190，與雲端控制中心180連接。雲端控制中心180除了控制機櫃模組110中的伺服器與管理伺服器的運作負載狀態之外，更用以統一控制入口閘門130、熱交換器陣列150、風扇陣列160。感測元件190收集的訊號亦回傳至雲端控制中心180之中。

風扇陣列160包含有多個高壓離心風扇162，以將氣流從入口閘門130的方向吹向機櫃模組110。高密度機房100中因風扇陣列160氣流流向的因素，使通過空氣過濾牆140與熱交換器陣列150的乾淨冷空氣冷卻機櫃模組110。入口閘門130可以為電動百葉閘門，用以根據雲端控制中心180的指令選擇性地開放或是關閉進氣入口120。

更具體地說，若是雲端控制中心180下指令開放進氣入口120，則電動的入口閘門130翻轉露出葉片之間的空間，由於高密度機房100在進氣入口120一端，因風扇陣列160之故，其氣壓較低，而在高密度機房100內外存有壓力差，使得高密度機房100外界的空氣經由開放的進氣入口120進入高密度機房100之中。相對地，若是雲端控制中心180下達關閉進氣入口120的指令，則電動的入口閘門130再一次地翻轉合上葉片，阻擋外界空氣從進氣入口120進入高密度機房100之中。

空氣過濾牆140可以為單層或是多層的空氣過濾牆，除了濾網之外，空氣過濾牆140可以更包含如二氧化鈦或是光觸媒等設計，以進一步去除如空氣中如硫化物等雜質。

熱交換器陣列150包含有多個熱交換器152以及位於熱交換器152下方的集水盤154。熱交換器152較佳地為濕式(水冷式)熱交換器，即管路中有液體流動進行熱交換之熱交換器152。熱交換器陣列150除可用以與空氣進行熱交換以降低空氣的溫度之外，更可在空氣中濕度過高的時候提供除濕的效果。空氣中多餘的水氣進行熱交換後因溫度降低而凝結成水滴，之後落入集水盤154中收集而移除。

風扇陣列160包含多個高壓離心風扇162，使得降溫與除濕後之空氣可以平均地進入各個機櫃模組110之中，對其中的伺服器進行降溫。其中風扇陣列160更可依據機櫃模組110的排列位置而劃分成多個區塊。雲端控制中心180可以偵測每一個機櫃模組110的排氣溫度或是伺服器的負載，並適時地作出負載平衡。若是雲端控制中心180發現該區機櫃模組110的負載量或是排氣溫度持續增加，則可增加風扇陣列160中，對應於該區機櫃模組110的高壓離心風扇162的轉速。當雲端控制中心180偵測到負載或是排氣溫度降低後，再逐步降低該區高壓離心風扇162的轉速，以達到動態節能的目的。

感測元件190包含設置於高密度機房100外，尤其是在進氣入口120處的溫度感測元件與溼度感測元件，以及設置在高密度機房100內之溫度感測元件與溼度感測元件。感測元件190所偵測的外界溫溼度與高密度機房100內的溫溼度回傳至雲端控制中心180，以供雲端控制中心180調整空調模式。

節能空調系統更選擇性地包含有導風斜坡192，導風斜坡192設置在機櫃模組110與風扇陣列160之間。導風斜坡192除可提供人員走動時的通道，避免強風造成人員不適之外，更可將降溫後的空氣導引至高密度機房100上層，使冷空氣與部分熱空氣充分混合，降低溼度與達到均溫的效果。

節能空調系統可以選擇性地高密度機房100內加裝加濕器194，以在高密度機房100內溼度不足的時候，提高空氣中的水氣含量。

同時參照第1圖與第2圖，第2圖為第1圖中沿著機櫃模組110的剖面圖。第1圖與第2圖中的視角大致上是相互垂直的，即第1圖若是沿著高密度機房100的長軸方向，則第2圖便是沿著高密度機房100的短軸方向。在高密度機房100之中，機櫃模組110較佳地為背對背地設置，使得熱風集中排出，方便熱風通道170收集機櫃模組110所排出的熱氣。熱風通道170包含有熱風出口172、出口閘門174、回風出口176以及回風閘門178。熱風出口172設置在高密度機房100的上層側邊處，以將機櫃模組110所產生的熱風排到外部。出口閘門174可以是由雲端控制中心180控制的電動百葉閘門，出口閘門174用以選擇性地開放或是關閉熱風出口172。回風出口176則是通向空氣過濾牆140與風扇陣列160之間，回風閘門178可以是由雲端控制中心180控制的電動百葉閘門，並用以選擇性地開放或是關閉回風出口176。出口閘門174與回風閘門178的運作機制與入口閘門130近似，在此不再贅述。

本發明之節能空調系統透過雲端控制中心180收集感測元件190回傳的高密度機房100內外的溫溼度，據以判斷較佳的空調模式。本發明提出了應用於此節能空調系統的三種空調模式，分別是外部進氣模式、封閉循環模式以及混合進氣模式等，以配合不同的溫溼度選擇合適的空調模式，達到節能減碳的目的。

第1圖與第2圖中，表示的是使用外部進氣模式的節能空調系統。機櫃模組110中的伺服器在出場時多預定有較佳的運作條件，當雲端控制中心180偵測到外界空氣的溫度與濕度均不大於預定的運作條件時，外界空氣便可以直接應用在高密度機房100中對機櫃模組110進行降溫。此時，雲端控制中心180便可選擇外部進氣模式作為當前的空調模式。外部進氣模式包含關閉熱交換器陣列150、開放入口閘門130以供應外界空氣至風扇陣列160，與開啟風扇陣列160，將符合條件的外界空氣送至機櫃模組110進行降溫。外部進氣模式更包含關閉回風閘門178與開放出口閘門174，使得機櫃模組110所產生的熱風藉由壓力差從熱風出口172排向外界。外部進氣模式由於關閉了熱交換器陣列150，因此，可以將耗能降到最低。

參照第3圖與第4圖，其分別繪示本發明之節能空調系統於另一空調模式下的側視圖與剖面圖。當外界的空氣溫溼度略微低於預定的運作條件時，雲端控制中心180便選擇混合式進氣模式作為當前的空調模式。在混合式進氣模式中，開放入口閘門130，以供應外界空氣至高密度機房100之中。出口閘門174與回風閘門178亦被開放。混合式進氣模式中包含選擇性地啟動熱交換器陣列150，由入口閘門130進入之外界空氣由熱交換器陣列150進行些許降溫並與回風出口176送出之熱氣混合，藉由添加的熱氣使得溼度降低，或是外界空氣可以直接與回風的熱風混合進行空氣增溫與溼度調整。換言之，外界空氣經過熱交換器陣列150降溫(選擇性進行)以及與回風出口176送出之熱氣混氣後，再由開啟的風扇陣列160送至機櫃模組110。機櫃模組110所產生之熱氣會有一部分經由回風出口176送出與外界空氣混合，而其他部分的熱氣則是經由熱風出口172向外界排出。

參照第5圖與第6圖，其分別繪示本發明之節能空調系統於又一空調模式下的側視圖與剖面圖。當外界的空氣溫溼度超出預定的運作條件而無法直接使用時，雲端控制中心180便封閉循環模式作為當前的空調模式。在封閉循環模式中，入口閘門130、出口閘門174均被關閉，回風閘門178被開啟。機櫃模組110所產生的熱風經由熱風通道170收集後，由回風出口176送到熱交換器陣列150進行降溫，而後冷卻後的空氣再由開啟的風扇陣列160送向機櫃模組110，以冷卻機櫃模組110。

參照第7圖，其為用以說明本發明之空調模式的空氣線圖。空氣線圖中的A區即為符合前述較佳的運作條件的溫度(operation air)，若是外界的空氣剛好落在A區，則代表外部空氣可以直接使用，雲端控制中心採用前述之外部進氣模式作為當前的空調模式。

若是外部空氣的溫度落在B區，即低於運作溫度上限，但非落在A區中，則雲端控制中心便選擇混合式進氣模式作為當前的空調模式。外部空氣經由添加機櫃熱風使溼度降低，接著將除濕後的空氣送到機櫃模組。獨立的熱導風管亦可以將未使用的熱風往外排出，以降低冷卻的能源需求。若是外部空氣與機櫃熱風混合以除濕之後的混合空氣溫度過高，則雲端控制中心更可以開啟熱交換器陣列，以確實達到降溫空氣之功效。

若是外部空氣的溫度高於運作溫度上限，進入C區的時候，雲端控制中心會立即將空調模式切換為封閉循環模式，入口閘門被關閉，機櫃模組所產生的熱風回送至熱交換器陣列進行降溫後再循環使用。

在某些特定的狀況下，可能會發生空氣溼度過低的情形。雲端控制中心若是偵測到溼度過低的情形，則除了前述的步驟之外，更需要打開加濕器，以提高空氣中的溼度。

由上述本發明較佳實施例可知，應用本發明具有下列優點。節能空調系統封閉循環模式、外部進氣模式與混合式進氣模式等三種不同的空調模式，透過雲端控制中心監控高密度機房內外的溫溼度，並根據機櫃模組內的伺服器使用量及負載情況，以動態地調整空調模式，達到節能管理最佳化的功效。

雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．高密度機房

110．．．機櫃模組

120．．．進氣入口

130．．．入口閘門

140．．．空氣過濾牆

150．．．熱交換器陣列

152．．．熱交換器

154．．．集水盤

160．．．風扇陣列

162．．．高壓離心風扇

170．．．熱風通道

172．．．熱風出口

174．．．出口閘門

176．．．回風出口

178．．．回風閘門

180．．．雲端控制中心

190．．．感測元件

192．．．導風斜坡

194．．．加濕器

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：

第1圖繪示本發明之節能空調系統於一空調模式下的側視圖。

第2圖為第1圖之剖面圖。

第3圖繪示本發明之節能空調系統於另一空調模式下的側視圖。

第4圖為第3圖之剖面圖。

第5圖繪示本發明之節能空調系統於又一空調模式下的側視圖。

第6圖為第5圖之剖面圖。

第7圖為用以說明本發明之空調模式的空氣線圖。

100．．．高密度機房

110．．．機櫃模組

120．．．進氣入口

130．．．入口閘門

140．．．空氣過濾牆

150．．．熱交換器陣列

152．．．熱交換器

154．．．集水盤

160．．．風扇陣列

162．．．高壓離心風扇

170．．．熱風通道

176．．．回風出口

178．．．回風閘門

180．．．雲端控制中心

190．．．感測元件

192．．．導風斜坡

194．．．加濕器

Claims (8)

1. 一種節能空調系統，適用於一高密度機房中，該高密度機房包含一進氣入口，該節能空調系統由該進氣入口起依序包含：一入口閘門，以選擇性地開放或是關閉該進氣入口；一空氣過濾牆；一熱交換器陣列，包含複數個熱交換器以及位於該些熱交換器下方之至少一集水盤；一風扇陣列；複數個機櫃模組，背對背設置於該高密度機房中；一導風斜坡，設置於該些機櫃模組與該風扇陣列之間，以提供人員走動時的通道，並將降溫後的空氣導引至該高密度機房的上層；一熱風通道，設置於該高密度機房之上層，用以收集該高密度機房之一熱風，使該些機櫃模組產生之熱風進入該熱風通道，其中該熱風通道包含：一熱風出口，通向該高密度機房外，一出口閘門，以選擇性地開放或是關閉該熱風出口，一回風出口，通向該空氣過濾牆與該風扇陣列之間，以及一回風閘門，以選擇性地開放或是關閉該回風出口；以及 一雲端控制中心，控制該入口閘門、該熱交換器陣列、該風扇陣列、該出口閘門與該回風閘門。
2. 如申請專利範圍第1項所述之節能空調系統，其中該風扇陣列包含複數個高壓離心風扇。
3. 如申請專利範圍第1項所述之節能空調系統，更包含複數個感測元件，與該雲端控制中心連接。
4. 如申請專利範圍第3項所述之節能空調系統，其中該些感測元件包含分別設置於該高密度機房內外的複數個溫度感測元件與分別設置在該高密度機房內外的複數個溼度感測元件。
5. 如申請專利範圍第1項所述之節能空調系統，更包含一加濕器。
6. 一種應用申請專利範圍第1-5任一項之節能空調系統的空調模式，包含：該雲端控制中心選擇一外部進氣模式；關閉該熱交換器陣列；開放該入口閘門，以供應一外界空氣至該風扇陣列；開放該出口閘門；關閉該回風閘門；以及開啟該風扇陣列。
7. 一種應用申請專利範圍第1-5任一項之節能空調系統的空調模式，包含：該雲端控制中心選擇一混合式進氣模式；開放該入口閘門，以供應一外界空氣至該高密度機房；開放該出口閘門與該回風閘門，使一部分之該熱氣從該熱風出口散逸，另一部分之該熱氣與該外界空氣混合進行空氣增溫與溼度調整；以及開啟該風扇陣列。
8. 如申請專利範圍第7項所述之節能空調系統的空調模式，更包含開啟該熱交換器陣列。