淺談水蓄冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

趙澤 王浩 楊新春 胡宇陽 崔杰

中國農(nóng)業(yè)銀行數(shù)據(jù)中心，中國·北京 100095

1 引言

為保障IT 設(shè)備正常運行，數(shù)據(jù)中心需配備精密空調(diào)為其提供7×24h 的制冷環(huán)境，對數(shù)據(jù)中心而言，即使短暫的供冷中斷，也會給IT 設(shè)備帶來宕機的風險。相關(guān)研究結(jié)果表明[1,2]，當IDC 機房的熱密度在3～4.5kW/m2時，機柜的平均進風溫度在5min 內(nèi)將升到15℃～28℃。市電故障停電時，首先UPS 通過蓄電池向IT 設(shè)備供電，同時啟動柴油發(fā)電機，柴油發(fā)電機穩(wěn)定后即可向耗電設(shè)備供電。文獻[3]統(tǒng)計了幾種數(shù)據(jù)中心常見的離心式制冷機組從啟動到達到額定制冷量所需時間，并認為從柴油發(fā)電機啟動到制冷機組平穩(wěn)啟動的時間間隔可達30min，這段時間若無應(yīng)急制冷，IDC 機房溫度將急劇上升并導(dǎo)致宕機。可見，對數(shù)據(jù)中心而言，設(shè)置合理的應(yīng)急冷源對保證IDC 機房設(shè)備安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

2 水蓄冷原理和分類

圖1為單罐蓄冷系統(tǒng)，充冷時，冷凍水通過蓄冷罐底部的布水器進入，回水通過位于蓄冷罐頂部的布水器離開，放冷時其方向恰好相反。通常冷凍水進水與水箱中溫度較高的水混合，會形成一到兩英尺厚的斜溫層，斜溫層是冷凍水中垂直溫度和密度梯度急劇變化的區(qū)域，也叫作熱邊界層，其起到阻止上下冷熱水進一步混合的作用。在蓄冷罐充冷、放冷過程中，斜溫層會增厚。實際應(yīng)用中，為實現(xiàn)高效蓄冷，應(yīng)盡可能減小斜溫層的體積；為減少冷熱水混合，常采用自然分層蓄冷、多槽式蓄冷、迷宮式蓄冷和隔膜式蓄冷方法。其中自然分層蓄冷方法是保證水蓄冷系統(tǒng)高效運行最為經(jīng)濟、高效的方法，也是當前數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最廣泛的形式。

圖1 單冷罐水蓄冷系統(tǒng)示意圖

按蓄冷罐是否與大氣直接連通，水蓄冷系統(tǒng)分為開式和閉式兩種。閉式系統(tǒng)的蓄冷罐為壓力容器，通常設(shè)置在建筑內(nèi)部，單體容積較小，對罐體材質(zhì)的要求較高，其造價也相對高，可將其通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式接入空調(diào)系統(tǒng)中。對開式系統(tǒng)，蓄冷罐體積較大，通常設(shè)置在建筑外部，需考慮園區(qū)規(guī)劃并與建筑外觀相協(xié)調(diào)，其他國家某數(shù)據(jù)中心的開式蓄冷罐外觀如圖2所示。開式蓄冷罐造價較低，可通過并聯(lián)方式將其接入空調(diào)系統(tǒng)，工程中常將開式蓄冷罐兼作系統(tǒng)定壓點，并要求其液位高度高于建筑物中水系統(tǒng)最高點。

圖2 某數(shù)據(jù)中心開式蓄冷罐外觀圖

3 水蓄冷的主要實施方案

根據(jù)蓄冷罐與空調(diào)水系統(tǒng)的連接方式，水蓄冷實施方案分為一次泵串聯(lián)閉式罐、一次泵并聯(lián)閉式/開式罐、二次泵串聯(lián)閉式罐、二次泵并聯(lián)閉式/開式罐等，其中一次泵串聯(lián)閉式罐方案、二次泵并聯(lián)開式罐方案應(yīng)用最為廣泛，其控制策略與實施方案如下所示。

3.1 一次泵串聯(lián)閉式罐方案

一次泵串聯(lián)閉式罐方案示意圖見圖3。

圖3 一次泵串聯(lián)閉式罐方案示意圖

a.冷水機組正常供冷，閥門V3、V6關(guān)閉，V1、V2、V4、V5開啟，冷凍水泵P1開啟，主機向末端供冷。

b.斷電后，冷水機組停止運行，UPS 為水泵P1供電，閥門V1、V2、V6開啟，V3、V4、V5關(guān)閉，蓄冷罐作應(yīng)急冷源向末端供冷。

c.釋冷完畢后蓄冷階段，開啟閥門V1、V2、V4、V5，關(guān)閉V6，調(diào)節(jié)V3開度，使冷水機組向末端供冷的同時蓄冷罐蓄冷。

d.在主機進出口設(shè)置溫度、壓力、流量傳感器，監(jiān)控進出水參數(shù)，同時在蓄冷罐內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器，監(jiān)測蓄冷罐內(nèi)部水溫。

3.2 二級泵并聯(lián)開式罐

二級泵并聯(lián)開式罐方案示意圖見圖4。

圖4 二級泵并聯(lián)開式罐方案示意圖

a.冷機供冷與蓄冷罐蓄冷時，閥門V1、V2、V3、V4、V5開啟，水泵P1、Pb開啟，蓄冷罐與系統(tǒng)并聯(lián)運行，主機向末端供冷同時蓄冷罐蓄冷。

b.根據(jù)蓄冷罐水溫調(diào)節(jié)V3、V4，閥門V5開啟，當蓄冷罐內(nèi)溫度高于設(shè)定值時向蓄冷罐補冷。

c.斷電后，冷機停止運行，閥門V3、V4、V5開啟，V1、V2關(guān)閉，UPS 為水泵Pb供電，水泵P1關(guān)閉，蓄冷罐單獨供冷。

d.冷機進出口設(shè)置溫度、壓力、流量傳感器，監(jiān)控其進出水參數(shù)，同時在蓄冷罐內(nèi)設(shè)置溫度傳感器，檢測蓄冷罐內(nèi)水溫變化。

4 水蓄冷設(shè)計及運行技術(shù)要點

第一，水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計、運行中，應(yīng)優(yōu)化末端空調(diào)或水泵的運行邏輯，增加蓄冷供回水溫差。文獻[4]表明溫差較大時，斜溫層更加穩(wěn)定，其波動更小，溫度分層更為明顯。由于蓄冷溫差的增加導(dǎo)致水密度差異越發(fā)明顯，因而蓄冷罐內(nèi)的浮升力將加大，自然分層效應(yīng)加強，有助于蓄冷效率的提升。

第二，多臺蓄冷罐并聯(lián)工作時，無論與空調(diào)水系統(tǒng)呈并、串聯(lián)連接，均應(yīng)注意水力平衡問題，可通過同程式管道連接或加裝平衡閥的方式，避免出現(xiàn)蓄冷罐充放冷不同步問題。

第三，斜溫層厚度是反映蓄冷能力的重要參數(shù)，在設(shè)計階段應(yīng)通過數(shù)值模擬方式確定斜溫層厚度，在運維初期應(yīng)測試充放冷斜溫層厚度。

第四，對于開式蓄冷系統(tǒng)，一般蓄冷罐高度應(yīng)高于建筑物系統(tǒng)最高點，如項目受客觀條件限制，無法保證蓄冷罐高度高于建筑物高度時，應(yīng)在管路設(shè)置背壓閥，以保證水系統(tǒng)維持正壓[5]。

第五，對開式蓄冷方式，蓄冷罐內(nèi)的液面和大氣會通過溢流口和檢修孔的空隙等細小通道流通產(chǎn)生細微的接觸。為減少這種細小流通造成的水污染，降低蓄能水罐空氣溶解率，減少對設(shè)備和管道氧腐蝕，蓄水罐蓄水表面可采用微正壓氮封的技術(shù)措施來隔絕空氣，以降低空氣中氧氣、二氧化碳等氣體融入水中造成的腐蝕。

5 結(jié)語

論文簡述了數(shù)據(jù)中心的制冷需求，對水蓄冷原理、分類及常見的水蓄冷實施方案作了詳細的描述，并總結(jié)了水蓄冷系統(tǒng)在設(shè)計、運維方面的工程經(jīng)驗和技術(shù)要點，結(jié)論如下：

①在市電—柴油發(fā)電機切換的時間內(nèi)，若無應(yīng)急冷源供冷，高功率密度機架的機柜溫度將急劇升高，數(shù)秒鐘內(nèi)可導(dǎo)致宕機等事故。

②防止冷凍水與回流溫水混合、減小斜溫層的厚度，對水蓄冷系統(tǒng)的高效運行尤為關(guān)鍵。

③工程設(shè)計與運維中，可通過增加蓄冷供回水溫差、設(shè)置同程式管道優(yōu)化水力平衡等相關(guān)措施，提高水蓄冷系統(tǒng)的應(yīng)用效率。