CN101523119B - 用于向电子设备提供冷却的空气的系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种向电子设备提供冷却的空气的方法，包括：从包含电子设备的空间中捕获加热的空气，在空气到水热交换器中将所述加热的空气冷却大于15摄氏度，并且以比所述加热的空气的露点温度高的温度将冷却水供应到该空气到水热交换器。

Description

用于向电子设备提供冷却的空气的系统及方法

技术领域

本文档涉及用于对包含电子设备的区域提供冷却的系统和方法，所述区域诸如是计算机服务器机房和计算机数据中心中的服务器机架。 

背景技术

计算机用户通常关注计算机微处理器的速度(例如兆赫和千兆赫)。许多人忘记了该速度通常是有代价的——更高的电消耗。对于一个或两个家用PC，当将其与在家中运行的许多其它家用电器的成本相比较时，该额外的电力可以被忽略。但是在数据中心应用中，其中可以运行几千个微处理器，电能要求可能是非常重要的。 

电消耗实际上也是一个双重魔咒。数据中心运营商不但需要支付用于运行其许多计算机的电力的费用，而且运营商还必须支付冷却计算机的费用。这是因为，按照简单的物理理论，所有的能量都必须归于某处，而该某处绝大部分情况下是被转换成了热量。安装在单个主板上的一对微处理器能够消耗200-400瓦特或更多的功率。将该数字乘以数千(或数万)以体现在大型数据中心中的许多计算机，就可以容易地看到能够产生的热量。这就像在房间中充斥着成千的高热探照灯。 

因而，移除所有热量的成本也可能是运行大型数据中心的主要成本。该成本通常涉及使用电和天然气形式的更多能量，来运行冷却器(chiller)、冷凝器、泵、风扇、冷却塔以及其它相关组件。热量移除也可以是重要的，因为虽然微处理器可能不象人类那样对热很敏感，但是热量的增加通常可以使微处理器中的错误大增。总之，这样的系统可以需要电能来加热芯片，并需要更多的电能来冷却芯片。 

发明内容

本文档描述了可以被用来从存储电子设备的区域(诸如数据中心)有效地移除热量的系统和方法。在一些实施方式中，设备的冷却可以在抬高的(elevated)空气温度上发生。例如，可以通过有意地放慢在一组产生热量的组件上的冷却空气(cooling air)的流动来在该组组件上创造高的温度上升。例如，可以维持摄氏20度或更高的在组件上的温度上升，其中进入空气温度约为25摄氏度而退出温度约为45摄氏度。任何相关联的冷却水(cooling water)的温度也可以被抬高，诸如产生大约20摄氏度的供应温度和大约40摄氏度的返回温度。由于温度被抬高，该系统可以仅使用来自冷却塔或其它自由冷却源的冷却而在绝大多数条件下运行，而不需要需以电能来冷却的冷却器或其它类似的源。 

在一个实施方式中，公开了一种向电子设备提供冷却的空气(cooled air)的方法。该方法包括从包含电子设备的空间捕获加热的空气，在空气到水热交换器中将加热的空气冷却大于15摄氏度，并且以比所述加热的空气的露点(dew point)温度高的温度将冷却水供应到该空气到水热交换器。捕获加热的空气的步骤可以包括基本上仅捕获加热的空气，以及基本上不捕获不是来自包含电子设备的空间中的空气。可以以高于40摄氏度的温度将冷却水从空气到水热交换器返回。 

在一些方面，该方法可以进一步包括从空气到水热交换器返回水，其中所供应的水的温度比所返回的水的温度冷15摄氏度以上。该方法还可以包括从空气到水热交换器返回水并且将来自所返回的水的热量转移到从自由冷却水源供应的水。自由冷却水源可以包括一个或多个冷却塔。并且，所返回的水的温度可以比从自由冷却水源供应的水的温度热10摄氏度以上。此外，从自由冷却水源供应的水可以限定来自热量转移的第一温度增量(delta)，并且从空气到水热交换器返回的水可以限定第二温度增量，其中第一温度增量比第二温度增量少30％ 以上。 

在另一个实施方式中，公开了一种向电子设备提供冷却的空气的方法，该方法包括：通过使来自工作空间的空气在电子设备上经过，来将该空气以大于20摄氏度的温度差进行加热；以与该温度差近似相同的温度将所加热的空气冷却；以及将空气返回到工作空间。该方法还可以包括使用自由冷却来冷却空气。而且，自由冷却可以包括将来自空气的热量转移到冷却水，并且将来自冷却水的热量转移到进行开放式蒸发(open evaporation)的冷凝器水(例如，在本申请中的冷却塔水)。 

在一些方面，加热来自工作空间的空气可以包括将空气从大约25摄氏度加热到大于45摄氏度。该方法可以进一步包括捕获所加热的空气并且通过控制在电子设备上的空气流的速率来控制所捕获的空气的温度。所控制的温度可以作为电子设备的失效温度(failure temperature)的因子来计算。在空气被冷却后，可以将空气直接返回到工作空间，并且电子设备可以包括在数据中心中的大量多个机架服务器。 

在另一个实施方式中，公开了一种向电子设备提供冷却的空气的方法。该系统可以包括自由冷却水源、与冷却塔流体连通的水到水热交换器、以及与水到水热交换器流体连通并且被放置用于接收来自一组电子设备的加热的空气的空气到水热交换器，其中水到水热交换器被配置为向水到空气热交换器以大于围绕水到空气热交换器的空气的露点的温度供应冷却水。自由冷却水源可以包括冷却塔，并且水到水热交换器可以被配置为供应15-35摄氏度的冷却水。 

在另一个实施方式中，公开了一种向电子设备提供冷却的空气的方法。该系统包括冷却塔、通过第一对管道连接到冷却塔的水到水热交换器、以及通过第二对管道连接到水到水热交换器并且被放置用于接收来自一组电子设备的加热的空气的空气到水热交换器，其中第一 对管道和第二对管道基本上没有隔热或冷凝收集装置。 

在附图和以下描述中阐明了本发明的一个或多个实施例的细节。从描述和附图以及从权利要求中，本发明的其它特征、对象以及优点将显而易见。 

附图说明

图1是示出用于冷却计算机数据中心的系统的示意图。 

图2是示出用于在数据中心中的空气的加热和冷却循环的温湿图(psychrometric chart)。 

图3是用于数据中心的循环冷却系统的示意形式的平面图。 

图4是用于置于装运集装箱中的数据中心的循环冷却系统的示意形式的平面图。 

图5示出安装在已停靠的集装箱船和驳船上的基于集装箱的数据中心。 

图6是示出使用抬高的温度来冷却数据中心的步骤的流程图。 

在各个附图中的相同的附图标记表示相同的要素。 

具体实施方式

图1是示出用于冷却计算机数据中心101的系统100的示意图。系统100一般包括：在数据中心101中的空气处理单元(包括例如风扇110和冷却卷管(coil)112a、112b)，用于将来自数据中心的空气中的热量转移到冷却水中；热交换器122，用于从冷却水中移除热量并且将热量传递到冷却塔水中；以及冷却塔118，用于通过冷却塔水的蒸发和冷却来将所累积的热量传递到环境空气(ambient air)中。在一般的操作中，可以从冷却塔/热交换器/冷却卷管系统来运行系统100，虽然对于峰值负载可以提供装有动力的冷却系统(诸如冷却器)，所述峰值负载诸如当环境露点非常高并且冷却塔不能单独提供足够的冷却时。 

系统的每个部分的温度被选择为相对较高，以允许系统100的更有效的运行。具体地，在两个流体之间(诸如在数据中心101的空气和冷却水之间)的热量转移的速率是与流体之间的温度差异直接成比例的。该温度差异可以通过控制系统的某些参数而被实质性地增加。当该温度差异被实质性地增加时，热量转移的速率也可以实质性地增加，并且系统100的能效也同样可以实质性地增加。 

当温度差异并非很大时，仅几度的变化能够带来效率上的实质性的增益。例如，通过加热到45摄氏度而非40摄氏度，而冷却水以20摄氏度进入，则温度差异从20度上升到了25度——这可以导致热流增加25个百分比。实际的差异将变动很小，因为空气和水的进入条件(entering condition)并非仅有的条件(因为当空气经过冷却用的冷却处时空气被冷却，而水则被加温)；然而，该示例显示温度差异如何能够影响系统的效率。 

在系统中使用抬高的温度也可以防止在系统中或周围的空气降低到低于液态饱和点，即其露点，并且防止其冷凝。在某些情况下，这可以提供该系统的效率上和操作上两方面的益处。因为制造冷凝比仅仅冷却空气需要多得多的能量，使得制造冷凝的系统可能使用大量的电力或其它能量，所以可以获得效率益处。因为如果系统中的管道承载有低于该管道周围的空气的饱和温度的水，在管道上可以形成冷凝，所以可以发生系统操作上的改进。该冷凝能够损害该管道，并且可能需要在管道上安装隔热层(以阻止冷凝)。 

在图1所示的系统中，使用抬高的温度可以实质性地降低或几乎完全消除对诸如冷却器等的能耗大(energy-intensive)的冷却组件的需要，即使是在数据中心101中的热量负载非常高的情况下。结果是，可以用比在另外情况下可以实现的运行成本更低的运行成本来运行系统100。此外，可以需要更低的资本成本，因为风扇、卷管、热交换器 以及冷却塔是相对基本的且不昂贵的组件。 

此外，这些组件通常是非常标准化的，使得其采购成本更低，并且它们更容易被置放，尤其是在发展中国家和偏远地区，其中在这些地区安放数据中心101可以是有益的。在只有受限制的电功率接入的偏远地区和其它地区使用系统100也受到以下事实的帮助：可以使用更少的电功率来运行系统100。结果，这样的系统能够被置放在靠近较低电功率的变电站等的地方。如在以下更详细地论述的，带有较低功率的系统也可以是能够使用诸如太阳能、风能、天然气驱动涡轮机、燃料电池等的能源来实现为自驱动(self-powered)的系统。 

现在参考图1，示出了数据中心101，如所示，其是容纳了大量计算机或类似的产生热量的电子组件的建筑。工作空间106被限定在计算机周围，所述计算机被排列为多个平行的行并且安装在垂直机架中，诸如机架102a、102b。所述机架可以包括成对的垂直轨(rail)，在所述垂直轨上附有成对的安装支架。包含诸如是以主板形式的标准电路板的计算机的托板(tray)，可以被放置在安装支架上。 

在一个示例中，安装支架可以是焊接到或在其它情况下附着在机架的框架中的垂直轨上的带夹角的轨，并且托板可以包括主板，所述主板在支架的顶部上被滑入位，类似于餐厅中的食物托盘被滑入存放架的方式。托板可以以非常紧密的间隔放在一起以将数据中心中的托板数量最大化，但是仍是足够地分开以包含托板上的所有组件并且允许托板间的空气流通。 

也可以使用其它安排。例如，可以将托板以垂直地分组安装，诸如以计算机片(blade)的形式。托板可以简单地放在机架上并且在滑入位之后被电连接，或者它们可设有诸如沿一个边缘的电迹线(electrical trace)的机构，当托板滑入位后它们创建电连接和数据连接。 

空气可以从工作空间106流通(circulate)越过托板到在托板后面的热空气(warm air)通风室(plenum)104a、104b。空气可以被安装在托板的后部的风扇吸入托板。风扇可以被编程来或否则被配置来对于进入热空气通风室的空气维持所设定的排出温度，并且也可以被编程来或否则被配置来维持在所述托板上的特定的温度上升。在工作空间106中的空气的温度是已知的情况下，控制排出温度也间接地控制了温度上升。 

温度上升可以是很大的。例如，工作空间106的温度可以是大约25摄氏度而排出温度可以被设定为45摄氏度，以使上升温度为20度。温度上升也可以大到100摄氏度，其中产生热量的设备能够在这样的抬高的温度下工作。例如，离开设备并进入热空气通风室的空气的温度可以是48、50、54、58、62、66、70、74、78、82、86、90、94或96摄氏度。这样大的温度上升通常与下述教导相违背：对产生热量的电子设备的冷却的最佳方式是通过利用大量的快速移动的冷空气来冲洗该设备。这样的冷空气方法确实冷却了设备，但是它也消耗了大量的能量。 

通过在微处理器或其它特别热的组件的顶部附接冲击风扇(impingement fan)，或者通过为此种组件提供热管和相关的热交换器，即使在穿过托板的空气流较慢的情况下，也可以改善对诸如微处理器的特定电子设备的冷却。 

可以向上输送加热的空气进入顶部区域，或顶室105，并且可以由空气处理单元110在该处收集，所述空气处理单元110可以包括例如一个或多个风扇，诸如尺寸适合于该任务的离心风扇。空气处理单元110接着可以将空气递送回到位于工作空间106中的通风室108。通风室108可以仅仅是在一排机架的中间的大小为分隔间档的(bay-sized)区域，该区域已被留空为没有机架，并且已从在其任一边的热空气通风室脱离开。 

冷却卷管112a、112b可以位于大致与机架的正面齐平的通风室的相对的侧边上。卷管可以具有很大的表面区域并且是很薄的，以向系统100展现低的压力下降。以这种方式，可以使用较慢、较小和较安静的风扇来推动空气通过系统。可以在卷管112a、112b的前面设置诸如百叶窗(louver)的保护性结构来防止卷管被损坏。 

在操作中，风扇110将空气推送入通风室108，使得通风室108中的压力增加以将空气通过冷却卷管112a、112b推出。当空气通过卷管112a、112b时，其热量被转移至卷管112a、112b中的水中，而空气被冷却了。 

可以响应于所测量的值，控制风扇110的速度和/或在冷却卷管112a、112b中流动的冷却水的流速或温度。例如，推动冷却液体的泵可以是被控制来维持工作空间106中的特定温度的变速泵。这种控制机制可以被用来维持在工作空间106或通风室104a、104b和顶室105中的恒定温度。 

工作空间106的空气然后可以被吸入机架102a、102b，诸如通过安装在多个托板的后部边缘(back edge)处的风扇，所述多个托板被安装在机架102a、102b中。该空气可以在通过托板上面并且通过使在托板上的计算机运行的电源时被加热，并且然后可以进入热空气通风室104a、104b。每个托板可以具有其自身的电源和风扇，其中电源位于托板的后部边缘处，并且风扇附接在电源的后部。所有的风扇可以被配置为或编程为以单个通用温度递送空气，诸如以设定温度45摄氏度。在风扇110捕获并递送热空气时该过程可以接着再次开始。 

也可以使用系统100来冷却额外的物品。例如，房间116设有自备的风扇-卷管单元114，其包括风扇和冷却卷管。单元114可以例如响应于设在房间116中的恒温器来运行。房间116可以例如是附属于 数据中心101的主要部分的办公室或其它工作空间。 

此外，如以下参考图3所更详细地示出的，如果需要也可以提供补充冷却。例如，可以安装标准的房顶的或类似的空调单元来以位点为基础提供特定的冷却需要。作为一个示例，系统100可以被设计为递送78华氏度的供应空气，而工人可能倾向拥有更冷点的办公室。这样，可以为该办公室提供专用的空调单元。该单元可以被相对有效率地运行，然而，它的覆盖面积仅限于大楼的相对较小的区域或来自大楼的热量负载的相对较小的部分。 

可以通过各种机制来向工作空间106提供新鲜空气。如将在以后的附图中看到的，可以提供诸如标准的房顶单元的补充空调单元以供应外部空气的必须的交换。而且，这样的单元也可以用于针对系统100中的有限的潜在负载对工作空间除湿，诸如人类的汗液。可选地，可以从外部环境向系统100提供百叶窗，诸如带有动力的百叶窗，以连接到热空气通风室104b。当环境的周围湿度和温度足够低时，系统100可以被控制来通过通风室吸入空气以允许与外部空气的自由冷却。这样的百叶窗也可以被管道连接至风扇110，而通风室104a、104b中的热空气可以简单地被排出到大气中，使得外部空气不与来自计算机的热空气混合并被其所稀释。也可以在系统中提供适当的过滤，尤其是当使用外部空气时。 

并且，工作空间106可以包括不同于托板的热量负载，诸如来自在该空间中的人员和照明。在通过各种机架的空气量非常大并且该空气从多个计算机获得了大量的热负载的情况下，除了也许是由工人所导致的小量的潜在热量负载，来自其它源的小量附加负载可以被忽略，所述小量的潜在热量负载可以由以上所述的较小的辅助空气处理单元移除。 

可以从由泵124驱动的冷却水回路提供冷却水。冷却水回路可以 形成为直接返回或间接返回的回路，并且通常可以是闭环系统。泵124可以采用任何适当的形式，诸如标准的离心泵。热交换器122可以从回路中的冷却水移除热量。热交换器122可以采用任何适当的形式，诸如板框式热交换器或壳管式热交换器。 

热量可以从冷却水回路传递到包括热交换器122、泵120和冷却塔118的冷凝器水回路。泵120也可以采用任何适当的形式，诸如离心泵。冷却塔118可以是例如强制式通风塔或导引式通风塔。冷却塔可以被认为是自由冷却源，因为冷却塔仅要求用于将水在系统中移动的动力以及使得进行蒸发的对风扇的驱动；冷却塔不要求在冷却器或类似结构中运行冷凝器。 

如所示出，流体回路创造了间接的在水方面(water-sideeconomizer)的节约器装置。该装置可以是相对节能的，因为需要用来驱动该装置的能量仅仅是用来运行几个泵和风扇的能量。此外，实施该系统可以是相对不昂贵的，因为泵、风扇、冷却塔和热交换器是在技术上相对较简单的可以以多种形式广泛获得的结构。此外，因为结构相对简单，所以修理和维护可以是较不昂贵且易于完成的。这样的修理不需要具有高度专业化的知识的技术人员也可以是可能的。 

可选地，可以使用直接自由冷却，诸如通过去除热交换器122，并且将冷却塔水(冷凝器水)直接导引至冷却卷管112a、112b。这样的实施方式可以是更有效率的，因为它消除了一个热量交换步骤。但是，这样的实施方式也使来自冷却塔118的水被引导入本来可以是封闭系统的系统中。结果，在这样的实施方式中的系统可以充满有可能包含细菌的水，并且也可能充满有在水中的其它污染体。 

在冷凝器水回路中提供了控制阀126以向该回路供应补充水。补充水通常可能是需要的，因为冷却塔118通过从回路中蒸发大量的水来运行。控制阀126可以被连结在冷却塔118中的水位传感器上，或 者连结到多个冷却塔共享的水槽(basin)。当水下降到低于预定水平时，可以使控制阀126打开并且向该回路供应额外的补充水。 

可选地，可以提供独立的冷却器回路。在极度的大气周围(即炎热和潮湿)条件期间或数据中心101中的高热量负载期间，系统100的运行可以部分地或全部地切换到该回路。提供了控制的混合阀134用于电子切换到冷却器回路，或用于将来自冷却器回路的冷却与来自冷凝器回路的冷却混合。泵128可以供应冷凝器水给冷却器130，并且泵132可以从冷却器132向系统100的其余部分供应冷却的水或冷却水。冷却器130可以采用任何适当的形式，例如离心式、往复式(reciprocating)或螺旋式冷却器，或者吸收冷却器。 

冷却器回路可以被控制来为冷却水提供各种适当的温度。在一些实施方式中，可以将冷却的水全部供应给冷却卷管，而在其它实施方式中，可以将冷却的水与来自热交换器122的水拌合或混合，而将来自冷却卷管的共同的返回水供应到这两个结构中。可以从冷却器130以从通常的冷却的水温度抬高的温度供应冷却的水。例如，可以以13摄氏度(55华氏度)到18至21摄氏度(65至70华氏度)来供应冷却的水。该水然后以如以下所述的温度被返回，诸如15到80摄氏度。在使用除自由冷却之外的或替代自由冷却的源的方法中，冷却的水的供应温度的增加也能够导致对于系统100的实质上的效率提升。 

泵120、124、128、132可以设有变速驱动器。这样的驱动器可以由中央控制系统电子控制以响应于改变设定点或改变系统100中的条件而改变每个泵所泵送的水量。例如，泵124可以被控制来维持在工作空间106中的特定的温度，诸如响应于来自工作空间106中的恒温器或其它传感器的信号。 

在运行中，系统100可以响应于来自放置在系统100中的各种传感器的信号。传感器可以包括例如恒温器、恒湿器、流量计以及其它 类似传感器。在简单的实施方式中，可以在热空气通风室104a、104b中提供一个或多个恒温器，并且可以在工作空间106中放置一个或多个恒温器。此外，可以在工作空间106以及在热空气通风室104b、104b中置放空气压力传感器。该恒温器可以被用来控制相关联的泵的速度，使得如果温度开始上升时，泵运转更快以提供额外的冷却水。恒温器还可以被用来控制诸如风扇110的各种物件的速度以维持诸如顶室105和工作空间106的两个空间之间的设定压力差，以因而维持稳定的气流速率。在提高冷却(诸如加速泵的运行)的机制再也跟不上增长的负载的情况下，控制系统可以启动冷却器130以及相关联的泵128、132，并且相应地调节控制阀134以提供额外的冷却。 

可以在系统100的运行中使用用于在系统100中的流体的温度的各种值。在一个示例实施方式中，可以将热空气通风室104a、104b中的温度选择在用于机架102a、102b中的托板的最大温度上或在该温度附近。可以将该最大温度选择为例如对于托板中的组件的已知的失效温度，或者可以是低于这样的已知的失效温度的足够的温度。在某些实施方式中，可以选择45摄氏度的温度。在其它实施方式中，可以选择25摄氏度到125摄氏度的温度。在在数据中心中的计算机的组件中使用了诸如高温栅氧化物等的替代的材料的情况下，更高的温度可以是特别适当的。 

在一个实施方式中，用于冷却水的供应温度可以是20摄氏度，而返回温度可以是40摄氏度。在其它实施方式中，可以为供应水选择10摄氏度到29摄氏度的温度，而为返回水选择15摄氏度到80摄氏度。根据用于特定的所选择的冷却器的规范可以在低得多的水平上产生冷却的水温度。冷却塔水供应温度通常可以大约是在周围空气条件下的湿球温度计温度，而冷却塔返回水温度将依赖于系统100的运行。 

图2是示出用于数据中心中的空气的加热和冷却循环的温湿图。温湿图图形地表示潮湿空气(即包含任何可感知的湿气的空气，而不 仅仅是对于人而言感觉是潮湿的空气)的热力学性质。该图来自ASHRAE温湿图No.1，其定义用于海平面用途的空气的性质。参见1997年ASHRAE手册-基础知识，在页码6.15处。也可以使用其它图，并且在此示出的图仅是用来对在本文档中所讨论的概念的某些方面进行示例。 

在温湿图上交叉划有表示空气的各种性质的多条线。能够通过识别表示在特定条件(例如温度和湿度)下的空气的图上的点、并且然后定位表示在另一个条件下的空气的另一个点来分析对于空气的冷却和加热过程。可以合理地假设，通常被划为直线的在这些点之间的线表示空气在例如通过冷却过程从第一条件移向第二条件时的条件。 

在此将讨论几个性质。第一，饱和温度是沿着图表的左边的弧线，并且表示空气变得饱和并且湿气开始从空气中析出为液体的温度——也就是公知的“露点”。当将空气的温度降低至露点以下时，更多的水分从空气中析出，因为较冷的空气只能够保持更少的水分。 

沿着该图表的底部列出了空气的干球温度计温度，并且该温度表示所普遍地认为的温度，即，由典型的水银温度计所返回的温度。 

该图示出了与空气的湿度有关的两个数字。第一个是湿度比，其被沿着图表的右侧边列出，并且简单地是每个单位重量的干空气中的湿气的重量。这样，湿度比将在各种空气温度下保持恒定，直到湿气被从空气中移除，诸如通过将空气温度降低到空气的露点(例如，湿气从空气中析出并最终落在了早晨的草叶上)或者通过将湿气加入到空气中(例如，通过在增湿器中将水雾化为微小薄雾，使得该微小薄雾可以被空气分子的自然运动所承载)。这样，当以图表示涉及空气温度的简单改变的过程时，表示空气的状态的点将沿着该图表以恒定的湿度比平直地在左右方向上移动。这是因为干球温度计温度将上升或下降，但是湿度比将保持恒定。 

第二个湿度参数是所谓的相对湿度。不同于测量空气中的湿气的绝对量的湿度比，相对湿度将空气中的湿气的量测量为空气在当前温度下能够容纳的总湿气的百分比。更温暖的空气能够比更冷的空气容纳更多湿气，因为在更温暖的空气中分子移动得更快。这样，对于空气中的相等数量的湿气(即相等的湿度比)，在高温处的相对湿度将比在低温处的相对湿度更低。 

作为一个示例，在夏日中，当晚间的最低温度为55华氏度且地上有露水，并且日间的最高温为75华氏度左右时，早晨的相对湿度将会是100％左右(露点)，但是下午的相对湿度将会是非常适宜的50％，即使假设在这两个时间点上空气中存在相等数量的水分。该示例过程在图2中通过标为A和B的点被示出，其中点B示出在55华氏度(晚间最低温度)处的饱和空气，而点A表示被加热至75华氏度(日间温度)的同一空气。 

商业的空气处理系统在在大楼内提供空调空气中利用了该相同的过程的优点。具体地，系统可以从75华氏度以及相对湿度为60％的办公室空间中收集空气。系统将空气通过看起来象汽车的散热器的冷却卷管以将空气冷却至55华氏度，这通常将使空气降至其露点。这将在空气通过冷却卷管时使湿气从空气中流出。能够在冷却卷管下面的排水处捕获湿气并接着从大楼中移除。空气接着能够被返回到工作空间，并且当空气被加热回到75度时，该空气将是非常适宜的50％的相对湿度。 

通过图2的图表上的点A、B、C和D示出了该普通的冷却过程。点A示出了相对湿度为70％的75度的空气。点B示出了被冷却到露点的空气，该空气在大约65华氏度的温度(干球温度计)处触及了该露点。进一步将该空气冷却到55华氏度(至点C)的操作沿着饱和曲线前行，并且水分将在该部分的冷却期间从空气中析出。最后，随着 其它的室内空气的混入，该空气的状态移动到点D并且再次达到了75华氏度。在该点处，相对湿度将是50％(假设空气没有从室内或现有的室内空气获取额外的湿气)而非原始的60％，因为冷却过程已经通过从冷却卷管中的空气中取出湿气而已对该空气除湿。如果室内空气比冷却的空气包含更多的湿气，点D将处于在图2中所示出的点D的位置的稍微上方处，但是仍低于点A。 

这样的普通过程带来了多个挑战。第一，为了将空气冷却到55华氏度，系统必须在冷却卷管中提供能够吸收所有热量的冷却水。这样的水将须是至少冷于55华氏度。产生这样冷的水可能是昂贵的——要求诸如冷却器的系统和其它能耗大的系统。此外，如果所述管道穿过工作空间或穿过具有与工作空间中的空气同样的状态的空气，紧靠供应冷却水的管道的区域将冷于55华氏度，即，冷于空气的露点。作为结果，来自空气的湿气可以冷凝在管道上，因为空气已经降至其露点。这样，在冷却管道四周可能需要隔热层以防止这样的冷凝，而冷凝可能在任何情况下发生，并且造成锈蚀甚或是发霉或其它问题。最后，正如任何高中物理课的学生可能知晓的，需要许多能量来从水中榨出(wring)湿气，即，将水从一种状态改变到另一种状态。 

以上参考图1所讨论的热空气冷却特征在某些实施方式中可以避免这些挑战中的一个或多个。在图2的图表上通过点E和F示出了示例性的热空气冷却过程。点E示出在工作空间中的室内空气条件，所述室内空气条件靠近对于穿着夏日服装的人员而言的舒适水平的普通准则的顶部，但是处在该普通准则之中。参见1997 ASHRAE手册-基础知识，位于页码8.12处。该条件是75华氏度(24摄氏度)以及大约70％的相对湿度。点F示出在没有增加湿气的情况下对该空气的加热，诸如通过使该空气在安装在机架上的服务器系统中的产生热量的计算机组件上通过。热量上升是36华氏度(20摄氏度)，以将空气带到111华氏度(44摄氏度)而相对湿度为23％的状态。然后可以在将该空气重新导引入工作空间之前在冷却卷管中将该空气冷却至其原始 的75华氏度的温度。 

在该图表上的点G和H表示在紧紧围绕冷却管道的空间中的空气的条件。对于该示例已经假设：冷却供应水是68华氏度(20摄氏度)并且返回温度是104华氏度(40摄氏度)。还假设：靠近管道的空气将包含与空间中的其它空气一样的湿气水平，并且紧紧围绕冷却管道的空气具有和管道内的水相同的温度。如能够看出的，与冷却水相关联的该空气也居于饱和点之上，因此在冷却水管道上不应该有冷凝，并且因而不需要在管道上的隔热层。 

从该过程可以看出空气从来都没有变得饱和。作为结果，系统不需要提供能量来产生空气中的态变。此外，系统不需要在冷却卷管处提供液体回收结构，或在任何处的管道隔热层。可以使用其它类似的温度，以及在许多实施方式中使用更热的温度。在此讨论的特定的温度意在仅是示例性的。 

图3是用于数据中心300的循环冷却系统的示意形式的平面图。数据中心300包括现有的设施(plant)302以及未来的设施304。如可以看到的，该系统是高度模块化的，并且因而能够通过增加附加的组件和子系统来从很小的系统扩大(scale)至很大的系统。虽然现有的和未来的系统被示出为单独的系统，对于未来的扩充也可以使用现有系统的扩展。例如，在一些实施方式中，可以安装特大尺寸的管道并且可以被分接以在未来扩大数据中心300时添加附加组件。而且，也可以使用其它形式的冷却环(cooling loop)，或额外的或替选的冷却环。 

用于现有的设施302的冷却系统类似于图1所示出的冷却系统。通过空气处理单元310向工作空间306供应冷空气。空气处理单元310可以包括从通风室(诸如在顶部上的顶室空间中)吸出热空气的供应风扇(未示出)以及将空气推进冷却卷管312、314。可以使冷却的空 气在诸如安装在机架系统中的托板上的计算机318的计算机上通过，从而产生热空气。在计算机上通过的空气可以被收集在热空气通风室316中，并且可以被导引至在顶部上的空间或另一个适当的空间。 

在替选的实施方式中，包括风扇和冷却卷管的多个空气处理单元可以被紧接放置在热空气通风室之上或之下。这样的空气处理单元可以采用长组(long bank)的小离心风扇以及安装在风扇上的长的热交换单元的形式。风扇可以通过卷管吸拉(pull)空气或推送(push)空气。推送空气可以具有更为安静的优点，因为卷管可以阻拦一定数量的风扇噪音。并且推送空气可以是更为有效率的。吸拉空气可以提供允许限定数量的风扇在大得多的卷管组上运行的益处，因为所有的吸拉风扇能够连接到通风室，并且可以在卷管后面产生相对真空以吸拉空气通过卷管。在这样的安排中，如果风扇中的一个坏掉，其它的风扇能够更容易地在整个卷管长度上提供支持。 

可以通过泵326向冷却卷管312、314提供冷却水以冷却空气。这些泵326可以从热交换器324吸出冷却的水，并且将该水通过冷却卷管312、314驱送进入现有的设施302，并且返回通过热交换器324，在热交换器324处可以从水中移除从卷管312、314中获取的热量。 

通过泵322从冷却塔320供应的冷却的冷凝器水可以将冷却水中的热量从热交换器324中移除。为了示例的目的将该系统示出为具有用于冷却水的两个并行回路和用于来自冷却塔320的冷凝器水的一个回路。然而，用于管道系统的其它适当的安排也可以是适当的。例如，如同可以使用单个冷却塔一样，可以使用单个热交换器。也可以使用其它的自由冷却的源，诸如地下水冷却或深湖冷却。 

而且，可以提供额外的空间用于额外的冷却塔和未来的热交换器，并且可以将管道调整尺寸以适应未来的扩展。例如，可以以可延伸的堆叠的安排来提供冷却塔，使得当需要额外的冷却时将第三个塔与前 两个塔320平行地管道连接。 

现有的设施302包括额外的工作空间308。该空间可以例如是办公室空间、控制室或储藏室。可以将该空间设计为大量地由人类占用，并且可以需要比工作空间306更低的温度。作为结果，工作空间308设有空调单元330，其可以是标准的屋顶空调单元。虽然空调单元330可能需要额外的电力来提供更高度数的冷却，包括潜在热量的移除，但是单元330通常服务于比整个系统小得多的区域和热负载。作为结果，单元330可以比在用于为该系统的其余部分提供类似的低温冷却的其它情况下所要求的小得多。 

虽然未示出，除了冷却水回路，可以提供一个或多个冷却器或冷却器回路以运行该系统，无论是一起提供还是替代地提供。冷却器回路的管道可以采用与图1中所示意示出的类似的形式。 

如以上所示，可以以各种方式提供未来的设施304。通常，可以使用模块化的方法，使得额外的热交换器以与所预期的额外负载相称的尺寸被添加。某些组件可以被管道连接为完全独立的回路，而其它的组件可以是原有系统的扩展。在旧的和新的系统之间共享组件可以造成现有系统中的基于构造(construction-based)的中断，但是也可以提供在完整系统中的组件的更好的利用。例如，可以通过系统共享冷凝器水，使得如果系统的每一半要求来自1.5个冷却塔的冷却，则将仅运行三个塔。如果两个系统是独立的，每个系统将必须运行两个塔，因而使用额外的能量。 

图4是用于置于装运集装箱400和404中的数据中心的循环冷却系统的示意形式的平面图。该系统以与图3中的系统类似的形式被安排。然而，此处冷却卷管沿着两个装运集装箱400、404的长度方向安装，诸如在系统中的支撑计算机的机架的下面或上面。例如，可以在装运集装箱400、404的中心的下面设置被抬高的假底(false floor)， 并且鼠笼式风扇可以吹送热空气经冷却卷管进入在格栅下的空间。接着冷却的空气可以向上通过底，以由与机架中的每个托板相关联的风扇所吸取，进入沿着装运集装箱的侧边的热空气通风室，并且可以被导向返回经过鼠笼风扇。使用沿着热空气通风室的外壁的外部空间可以具有将通过每个集装箱的空气热量的量最小化的优势。 

在该实施方式中，可以获得以下的各种益处：使用极少能量、模块化、对于低复杂度的组件的标准化。特别地，可以使用标准化的技术和专业化的、受良好训练的劳动力来在中央位置装备装运集装箱400、404——一种预制建筑的方法的类型。装运集装箱400、404然后可以被递送到一地点(site)，诸如具有充足的电力、水和数据服务的地点，并且可以容易地连接到这些服务，然后开始其运行。 

可以分离地将系统的其它组件提供到地点。例如可以将热交换器和泵设置在预先装配的机架上，将它们卸在该地方，并且连接到其它组件。冷却塔也可以被递送到一地点并被相对快地连接。而且，因为系统可以无需诸如要求高电力水平的冷却塔而运行，所以系统可以被安装在更多的区域，诸如具有较低的电力服务水平的区域。 

如所示，系统也是高度模块化的，使得额外的资源在被需要时可以被相对快且廉价地添加。集装箱402被示出为现有系统的部分，并且集装箱404(带有相关联的设备)被示出为对系统的未来的增加物的部分。也可以随着需要的出现添加其它模块，直到可获得的公用设施的水平已被用尽。每个集装箱可以包括几百个或几千个托板，使得一个完整的装置可以包括几十万个计算机。 

如本文档中所示出的系统可以以多种不同的和灵活的方式部署。例如，可以根据资源的可获得性来选择位置。例如，可以从地下水或地表水获得冷却水用于自由冷却过程。在这样的环境中，可以从系统中排除冷却塔。 

此外，如果在中心地组装了系统并且将其装运到了一地点，则可能远离合适的建筑劳动力(并且可以使用具有较低技能水平的劳动力)来部署系统。 

这样的系统也可以是自含(self-contained)的。例如，可以在系统中部署燃料电池或天然气驱动的涡轮机以发电，并且可以由风力或太阳能所补充。此外，可以选择诸如燃气轮机的发电机以用于小于系统的全部负载，但是可以被部署来允许系统所要求的电力的峰值负载抑制。这样的峰值负载抑制可以允许系统在不能提供系统所需的所有电力的区域运行。此外，峰值负载抑制可以允许系统的操作员应付比本来可能获得的更低的能量率(energy rate)，因为当电力供应商不具有这样的额外的能力时系统将无法从电网中抽取高水平的电力。而且，来自涡轮机的热量可以被用来帮助动力设备，诸如基于铵的吸收冷却塔。此外，类珀耳帖(Peltier-like)的设备可以被用来将热量转化为电能。此外，来自施加到冷却塔的补充水的多余压力也可以被用来驱动小的涡轮机用于有限的发电。 

这样的系统也可以与其它系统并存，所述其它系统对于通过对电子组件的冷却而产生的热水有其用途。例如，数据中心可以位于医院或其它高密度居住区附近以供应加热水，诸如用于空间加热或水加热。此外，也可以与各种过程一样地使用热水，诸如肥料分解、酸奶培养制作以及乙醇生产。而且，可以使用热水来加热游泳池或其它楼宇，或可以将其流经冰雪融化管道，诸如在机场跑道中。类似地，来自系统的热量可以被用来控制同处一地的渔场的温度。也可以使用其它实施方式来服务于用于数据服务的特定需要，尤其是当需要更靠近终端用户的处理能力的分布时。 

图5示出安装在已停靠的集装箱船和驳船上的基于集装箱的数据中心。这些是示出了基于集装箱的数据中心的一个特定实施方式的简 化图表。特别地，可以在中心位置模块化地在装运集装箱中构建数据中心，然后以传统的方式运输到装载码头。在一些实施方式中，装运集装箱可以被从艇上移下并部署在陆地上。可以与系统一起运送用于支持数据中心的冷却系统和其它系统，或者在准备集装箱并装运时在陆地上准备所述的冷却系统和其它系统。 

此外，这样的便携式系统(即，能够被装载到卡车或火车，并运输到另一个位置使用)也能够被相对容易地重新部署到另一个固定位置。例如，如果特定位置面临未曾预见的数据负载，并且另一个位置具有低于预期的负载，则可以将集装箱从第二位置移到第一位置。 

然而，如图5所示，在艇上使用系统。特别地，艇已经停靠码头，而公共事业管线延伸至码头。公共事业管线可以包括电力、数据和冷却水管线，诸如用于补充水的管线(如果冷却塔位于艇上的话)。冷却塔或其它冷却机制也可以位于码头附近，比如热交换器可以位于码头附近，并且冷凝器水或冷却水可以通过管道送至艇上。 

可选地，可以从承载该艇的水体中获取冷却水，诸如当使用深湖冷却进行自由冷却时。此外，艇上的发电机或艇上的其它种类的发电装置可以为数据中心发电。在这样的情况下，可以将艇离岸锚定(anchoroffshore)，并且可以附接到离岸的数据连接上，诸如光纤连接。以这种方式，可以容易地随时(on short notice)按地理位置投放计算能力，并且可以根据需要可选地在海上和在陆地上使用。例如，当预计在港口附近要发生重大事件时，或者预计大量的计算机用户将聚集在港口附近时，可以在该港口供应这样的数据中心。 

集装箱可以以适当的方式连接到电力、数据和冷却网络。此外，在集装箱相互堆叠的情况下可以提供出入爬梯或其它的结构。 

图6是示出了用于使用抬高的温度来冷却数据中心的步骤的流程 图600。该方法仅是示例性的；根据需要，可以增加其它的步骤，可以移除步骤，并且可以与所示出的次序不同的次序执行所述步骤。 

在框602，将计算机机架系统中的各种托板的排出温度维持在所计算的值，诸如用于维持托板可靠运行的最大值。托板每个可以是自调节的，因为风扇和相关的温度传感器可以与每个托板相关联。同时，系统的其它组件可以将在机架前的工作空间温度维持在特定的温度，诸如所允许的最大温度。所允许的最大温度可以是例如工作空间中的工人愿意工作的最大温度。它也可以是由法律或规章所设定的温度，诸如最高40摄氏度的限制。联邦OSHA和加利福尼亚OSHA指南可以提供对这样的温度的限制。所设定的温度也可以在适当的时机改变；例如，在人们应该不在工作空间内的期间温度可以是更高的。 

在框606，响应于系统中的改变，改变了工作空间冷却。例如如果用于该空间的所设定的温度改变，这样的改变可以发生。例如如果温度保持恒定但是系统上的负载改变——诸如如果将额外的一整个机架的计算机开机，或如果计算机的负载更重，这样的改变也可以发生。冷却可以改变，例如通过增加将冷却流体泵入冷却卷管的速率。替选地，可以将额外的卷管加入管线中，或可以启动冷却器以降低冷却水的温度。 

在框608，将从计算机机架排出的空气的温度维持在最大的计算值。特别地，虽然工作空间温度已经改变，并且系统中的其它参数可能已经改变，排出温度可以保持不受影响，因为与托板相关联的每个风扇保持设定在一个排出温度上。 

已经描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。例如，可以以其它的次序来执行图6中的示例流程图的步骤，可以移除一些步骤，并且可以增加其它的步骤。因此，其它的实施例也在权利要求的范围之内。 

Claims (11)

1.一种向电子设备提供冷却的空气的方法，包括：

将来自人类占用的工作空间的空气捕获在数据中心中并且控制所述空气流过包含电子设备的空间，使得所述空气在穿过所述空间时从所述工作空间的周围温度上升20摄氏度或大于20摄氏度的温度差，并且从所述空间捕获加热的空气；

在空气到水热交换器中对所述加热的空气冷却与所述温度差近似相同的温度差；

以比所述加热的空气的露点温度高的温度将冷却水供应到所述空气到水热交换器；以及

控制水以将所述冷却水的温度维持在比所述加热的空气的露点温度高的温度。

2.如权利要求1所述的方法，其中，捕获所述加热的空气的步骤包括基本上仅捕获所述加热的空气，以及基本上不捕获不是来自包含所述电子设备的所述空间中的空气。

3.如权利要求1所述的方法，其中以高于40摄氏度的温度将所述冷却水从所述空气到水热交换器返回。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括从所述空气到水热交换器返回水，其中所供应的水的温度比所返回的水的温度冷15摄氏度以上。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括从所述空气到水热交换器返回水并且将来自所返回的水的热量转移到从自由冷却水源供应的水。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述自由冷却水源包括一个或多个冷却塔。

7.如权利要求5所述的方法，其中所返回的水的温度比从所述自由冷却水源供应的水的温度热10摄氏度以上。

8.一种用于向电子设备提供冷却的空气的系统，包括：

自由冷却水源；

与所述自由冷却水源流体连通的水到水热交换器；以及

与所述水到水热交换器流体连通并且被放置用于接收在经过一组电子设备时在温度上被加热至少20摄氏度的温度差的空气并且将所述加热的空气冷却与所述温度差近似相同的温度差的空气到水热交换器，

其中所述水到水热交换器被配置为向所述空气到水热交换器以大于围绕所述空气到水热交换器的空气的露点的温度供应冷却水。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述自由冷却水源包括冷却塔。

10.如权利要求8所述的系统，其中所述水到水热交换器被配置为供应15-35摄氏度的冷却水。

11.一种用于向电子设备提供冷却的空气的系统，包括：

冷却塔；

通过第一对管道连接到所述冷却塔的水到水热交换器；以及

通过第二对管道连接到所述水到水热交换器并且被放置用于接收来自一组电子设备的加热的空气的空气到水热交换器，

其中围绕所述第二对管道的空气的温度与在所述第二对管道中流通到所述空气到水热交换器的流体的温度相同，以及

其中所述第一对管道和所述第二对管道基本没有隔热或冷凝收集装置。

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