IDC機(jī)房溫升與水蓄冷應(yīng)急供冷的研究

1中國(guó)移動(dòng)通訊集團(tuán)廣東有限公司；2 中國(guó)移動(dòng)通訊集團(tuán)廣東有限公司深圳分公司

3廣州泰陽(yáng)能源科技有限公司

摘要：本文分析了IDC機(jī)房在市電斷電時(shí)末端設(shè)備可以繼續(xù)工作和停止工作兩種情況下，IDC機(jī)房溫度上升情況，在此基礎(chǔ)上分析了水蓄冷應(yīng)急供冷的可行性、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相應(yīng)控制原理。另本文重點(diǎn)研究分析了一套既可實(shí)現(xiàn)IDC機(jī)房節(jié)能又可作為應(yīng)急供冷冷源的水蓄冷系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心；溫度變化；水蓄冷

引言

在威脅數(shù)據(jù)中心的眾多因素中，電力中斷所占的比例最大，為27%。電力中斷后，原中央空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致IDC機(jī)房以及設(shè)備服務(wù)器溫度迅速上升，而機(jī)房溫度每升高10℃服務(wù)器的可靠性就會(huì)下降20%，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致宕機(jī)。這就需要對(duì)機(jī)房在斷電后的溫升狀態(tài)進(jìn)行研究，并針對(duì)機(jī)房溫升的特點(diǎn)，提出可靠的解決方案，以保障IT設(shè)備在市電斷電時(shí)能正常安全運(yùn)行。

1.IDC機(jī)房斷電后溫升研究

1.1根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)中心斷電后機(jī)房溫度變化情況的模擬可知，市電斷電后IDC機(jī)房的溫度變化情況主要有以下三個(gè)步驟：

1）斷電至油機(jī)啟動(dòng)這段時(shí)間內(nèi)IT設(shè)備的發(fā)熱量引起機(jī)房的溫度升高。

2）空調(diào)啟動(dòng)后當(dāng)空調(diào)制冷量沒(méi)有達(dá)到IT設(shè)備發(fā)熱量時(shí)，將繼續(xù)引起機(jī)房溫度升高，當(dāng)空調(diào)制冷量等于IT設(shè)備發(fā)熱量時(shí)，此時(shí)機(jī)房的溫度達(dá)到最高。

3）空調(diào)制冷量超過(guò)IT設(shè)備發(fā)熱量時(shí)，此時(shí)機(jī)房溫度開(kāi)始降低直至達(dá)到正常溫度。

數(shù)據(jù)中心斷電后，空調(diào)末端設(shè)備會(huì)有兩種情況：一、末端設(shè)備可由UPS電源供電；

1.2末端設(shè)備不能由UPS電源供電，下文對(duì)兩種情況做詳細(xì)說(shuō)明。

當(dāng)遇到市電斷電時(shí)，此時(shí)空調(diào)制冷機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行，但是其末端設(shè)備由于有UPS電源供電還可以繼續(xù)工作，那么這時(shí)機(jī)房里的換熱主要是對(duì)流換熱。此時(shí)IT設(shè)備產(chǎn)生的熱量一部分導(dǎo)致設(shè)備溫度上升，一部分導(dǎo)致機(jī)房?jī)?nèi)空氣溫度上升。

針對(duì)電子器件冷卻的問(wèn)題：對(duì)水平板熱面向上與向下的情形，其均勻熱流密度條件下平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算式：

（2-1）

經(jīng)過(guò)量綱分析和因次分析，針對(duì)IDC機(jī)房?jī)?nèi)換熱滿足以下能量守恒關(guān)系：

其中：C：?jiǎn)尉Ч璞葻崛?；：?jiǎn)尉Ч杳芏?；V：?jiǎn)尉Ч梵w積；：IT設(shè)備與其周圍環(huán)境溫差；q：熱流密度；t：溫升時(shí)間；B、m：無(wú)量綱數(shù)；g：重力加速度；：流體膨脹系數(shù)；L：特征長(zhǎng)度；：空氣導(dǎo)熱系數(shù)；

A：對(duì)流換熱面積；：空氣動(dòng)力粘度。

根據(jù)上式對(duì)一個(gè)面積為500㎡，高為4米，放置200臺(tái)單機(jī)架功率為4KW/7KW的機(jī)柜時(shí)IT設(shè)備的機(jī)房，以及機(jī)房的溫升情況進(jìn)行計(jì)算，可得如下結(jié)果：

圖1：?jiǎn)螜C(jī)架功率為4KW機(jī)柜溫升

圖2：?jiǎn)螜C(jī)架功率為7KW機(jī)柜溫升

2.空調(diào)水蓄冷應(yīng)急供冷研究

2.1數(shù)據(jù)中心斷電后常規(guī)應(yīng)急供冷方式簡(jiǎn)介

目前數(shù)據(jù)中心采用的應(yīng)急方案主要有以下四種：

1）單獨(dú)制冷系統(tǒng)+備用冷水機(jī)組

當(dāng)某一制冷機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，立即切換到備用制冷機(jī)組上，代替故障機(jī)組繼續(xù)供冷。

2）雙路供水方式

當(dāng)其中某一路供冷出現(xiàn)故障時(shí)，立即切換到另一路進(jìn)行供冷。

3）UPS電源+精密空調(diào)

當(dāng)出現(xiàn)市電斷電等緊急情況時(shí)，采用UPS電源繼續(xù)給精密空調(diào)供電，由精密空調(diào)為數(shù)據(jù)中心機(jī)房供冷。

4）備用發(fā)電機(jī)+原中央空調(diào)系統(tǒng)

當(dāng)出現(xiàn)市電斷電等緊急情況時(shí)，啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組繼續(xù)為原中央空調(diào)系統(tǒng)供電。

以上所提到的保障方案，雖然發(fā)電機(jī)能夠在10—20秒的時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)，但是制冷機(jī)組從斷電到重新啟動(dòng)并正常運(yùn)行需要至少8分鐘的時(shí)間，在此過(guò)程中無(wú)法保障IDC機(jī)房的正常供冷。

2.2水蓄冷應(yīng)急供冷可行性分析及優(yōu)勢(shì)

從時(shí)間方面分析，當(dāng)市電斷電時(shí)，雖然制冷主機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)，但是由于UPS電源的配備，蓄冷系統(tǒng)中的水泵、板式換熱器、電動(dòng)閥和末端的空氣處理器風(fēng)扇仍可以繼續(xù)運(yùn)行。采用智能控制系統(tǒng)，從供冷出現(xiàn)故障至切換到由蓄冷槽進(jìn)行供冷時(shí)間不超過(guò)45秒，根據(jù)前文溫升部分計(jì)算，即使是單機(jī)架功率為7KW的機(jī)柜在市電斷電后45秒時(shí)服務(wù)器最高溫度也才上升到70℃，該溫度還在IT設(shè)備的承受范圍之內(nèi)，不會(huì)對(duì)IT設(shè)備造成任何影響。

從空間角度分析，由于冗災(zāi)時(shí)間不長(zhǎng)，當(dāng)設(shè)備斷電時(shí)，只需保證向服務(wù)器供冷15分鐘。根據(jù)計(jì)算一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷為14000KW的數(shù)據(jù)中心，只需建一個(gè)415m3的蓄水槽即可滿足冗災(zāi)要求，在空間上具備實(shí)施的條件。

水蓄冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的運(yùn)用中主要有以下優(yōu)勢(shì)：

1）水蓄冷系統(tǒng)可與原空調(diào)系統(tǒng)“無(wú)縫”連接，無(wú)需再額外配置蓄冷冷源或?qū)υ到y(tǒng)用冷水機(jī)組進(jìn)行調(diào)整；

2）水蓄冷系統(tǒng)的冷水溫度與原系統(tǒng)空調(diào)冷水溫度相近，可考慮直接使用，不需要設(shè)額外的設(shè)備對(duì)冷水溫度進(jìn)行調(diào)整；

3）水蓄冷系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠，在出現(xiàn)緊急狀況可及時(shí)投入使用。

2.3水蓄冷應(yīng)急供冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水蓄冷應(yīng)急供冷在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用主要以在線運(yùn)行模式為主，其在線運(yùn)行模式主要有兩種系統(tǒng)：

圖3：水蓄冷應(yīng)急供冷典型系統(tǒng)

正常運(yùn)行：末端回水冷凍泵制冷主機(jī)蓄冷水罐末端供水（V1/V2開(kāi)，V3關(guān)）；

應(yīng)急供冷運(yùn)行：蓄冷水罐末端供水末端回水冷凍泵制冷主機(jī)蓄冷水罐（V1/V2開(kāi)，V3關(guān)）；

應(yīng)急供冷后運(yùn)行：

原制冷系統(tǒng)供冷：末端回水冷凍泵制冷主機(jī)末端供水（V1/V2開(kāi)，V3關(guān)）；

蓄冷系統(tǒng)蓄冷：蓄冷水罐制冷主機(jī)蓄冷泵蓄冷水罐（V1/V2開(kāi)，V3關(guān)）；

圖4：水蓄冷應(yīng)急供冷典型系統(tǒng)

一次泵流量大于二次泵流量，二次泵流量為滿足負(fù)荷所需流量，一次泵比二次泵多的流量進(jìn)入蓄冷罐。

正常運(yùn)行：末端回水/蓄冷水罐一次冷凍泵制冷主機(jī)末端供水/蓄冷水罐

應(yīng)急供冷運(yùn)行：蓄冷水罐末端供水末端回水蓄冷水罐

應(yīng)急供冷后運(yùn)行：末端回水/蓄冷水罐一次冷凍泵制冷主機(jī)末端供水/蓄冷水罐。

2.4水蓄冷用于應(yīng)急供冷冗災(zāi)蓄冷量計(jì)算

用于冗災(zāi)時(shí)，蓄冷量計(jì)算為：

（3-1）

其中：：總蓄冷量；：制冷量；：

應(yīng)急供冷時(shí)間可取20min；

蓄冷罐的容積可按系統(tǒng)需要的蓄冷量進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮到蓄冷罐與整個(gè)水系統(tǒng)為串聯(lián)連接，系統(tǒng)管路也可視為蓄冷罐的一部分，管路中的冷水保有量也可作為一部分的蓄冷水量。

系統(tǒng)需要的蓄冷水量為：

（3-2）

其中：：系統(tǒng)需要的蓄冷量；總蓄冷量；：釋冷回水溫度與蓄冷進(jìn)水溫度間溫度差；：蓄冷水密度；：水的比熱容；：蓄冷水槽的完善度，這里?。?4%；：蓄冷水槽的體積利用率，?。?5%。

管道系統(tǒng)中的保有冷水量為：

（3-3）

式中：：管道系統(tǒng)保有冷水量；：管道半徑；L：冷凍水出水口到末端管道長(zhǎng)度。

在此基礎(chǔ)上再取10%的余量，則蓄冷罐容積：

（3-4）

2.5水蓄冷應(yīng)急冗災(zāi)控制原理以及冗災(zāi)運(yùn)行效果

水蓄冷應(yīng)急供冷冗災(zāi)系統(tǒng)的控制，對(duì)于在線串聯(lián)系統(tǒng)控制比較簡(jiǎn)單，一般可采用平均溫度法進(jìn)行控制。蓄冷主機(jī)在夜間低谷時(shí)段進(jìn)行蓄冷，蓄冷槽內(nèi)裝有測(cè)溫電纜，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄冷槽豎直方向的溫度變化，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出蓄冷槽內(nèi)冷凍水的平均溫度。當(dāng)如果平均溫度達(dá)到蓄冷溫度則進(jìn)行蓄冷，如果平均溫度未達(dá)到蓄冷溫度則暫不啟動(dòng)蓄冷。在此過(guò)程中如果發(fā)生斷電或檢測(cè)到原空調(diào)系統(tǒng)供冷出現(xiàn)故障，則立即切換到應(yīng)急供冷模式。

對(duì)于應(yīng)急供冷冗災(zāi)模式，應(yīng)該需要實(shí)現(xiàn)可以周期性蓄冷和自動(dòng)放冷。結(jié)合前文溫升部分計(jì)算，運(yùn)用水蓄冷系統(tǒng)作為斷電時(shí)的應(yīng)急供冷系統(tǒng)能有效減緩機(jī)房?jī)?nèi)溫度上升，如下圖模擬所示：

圖5：水蓄冷應(yīng)急冗災(zāi)系統(tǒng)前后溫度對(duì)比

2.6既可實(shí)現(xiàn)移峰填谷又可冗災(zāi)的水蓄冷控制原理及運(yùn)行效果

在基于對(duì)斷電后IDC機(jī)房溫升研究以及水蓄冷作為IDC機(jī)房應(yīng)急供冷系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，可研究開(kāi)發(fā)一套既可用于數(shù)據(jù)中心移峰填谷又可用于應(yīng)急供冷的水蓄冷系統(tǒng)。此系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵是要通過(guò)計(jì)量系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控蓄冷水槽中的有效蓄冷量以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確判斷切換臨界條件。

利用富余主機(jī)在夜間低谷電時(shí)段進(jìn)行蓄冷，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原空調(diào)系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。如能正常運(yùn)行則在次日高峰時(shí)段自動(dòng)放冷，放冷時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其放冷量是否已達(dá)最大安全放冷量，如未達(dá)到則繼續(xù)在高峰時(shí)段進(jìn)行放冷，反之則停止放冷。在此過(guò)程中如監(jiān)測(cè)到低溫差、超溫或停水等非正常信號(hào)時(shí)則立即切換到應(yīng)急供冷模式，待信號(hào)恢復(fù)正常時(shí)停止應(yīng)急供冷。

3.結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用水蓄冷系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急冷源，不但啟動(dòng)時(shí)間快且可根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的模式。尤其對(duì)于既可實(shí)現(xiàn)移峰填谷又可實(shí)現(xiàn)冗災(zāi)的水蓄冷系統(tǒng)，不但能有效解決應(yīng)急供冷問(wèn)題還能為數(shù)據(jù)中心帶來(lái)豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[3]IDC運(yùn)維管理中的安全解決方案.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司.