数据中心蓄冷技术的应用

2023-03-07王泉

大科技 2023年8期

王泉

（安徽电信规划设计有限责任公司，安徽合肥 230031）

0 引言

依据《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）描述，数据中心专设大量的存储、交换、计算的电子信息设备，其内部运行环境需要相对恒温恒湿。数据中心内部包括IT 机房、辅间（控制中心、维修间等）、支持区（电力室、柴油发电机房、空调机房、钢瓶间、消防泵房等）和行政管理区（办公室、值班室）等[1]。数据中心区别与普通民用建筑，其空调系统需要全年不间断制冷运行，保证IT 设备及辅助设备的散热，其空调系统出现故障时，会造成室内设备的温度迅速上升，并在短时间内超过IT 设备所能承受的能力，造成设备的宕机。空调系统中增设水蓄冷设备，能保证电源中断空调主机中断制冷的情况下，末端空调维持一段时间的制冷。本文对蓄冷系统在数据中心中的应用运行进行了探讨。

1 蓄冷系统设置

1.1 蓄冷系统的分类

当冷量以显热或者潜热的形式储存在某种介质中，并能在需要时释放冷量的空调系统称为蓄冷系统。蓄冷技术按照介质可分为水蓄冷和冰蓄冷。冰蓄冷空调是运用相变储冷的原理将水制成冰，在使用时将冰融化释放冷量的空调系统。水蓄冷空调是将冷量储存在冷冻水中，使用时再释放出储存冷冻水的空调系统[2]。水蓄冷与冰蓄冷的比较如表1 所示。

表1 水蓄冷与冰蓄冷的比较

相对水蓄冷来说，冰蓄冷的冷水温度低，制冷机组耗电量大，需要配置独立运行的制冰机组，技术要求高，因此考虑到数据中心的节能性和可靠性，一般数据中心空调系统设计均采用水蓄冷的方式。

1.2 蓄冷系统的应用

依据《数据中心设计规范》（GB 50174—2017），把数据中心划分为A、B、C 三级。A 级数据中心是最高级别，涉及国计民生的机房。A 级数据中心中断运行将造成严重社会负面影响，因此A 级数据中心空调系统应具有容错性要求，空调设备例如冷水机组、冷却塔、水泵、末端空调等需要按照N+X（1-N）冗余要求配置。由于空调系统都以电力为动力，当发生断电时，设计还应考虑失电时空调系统仍能保持正常运行的方式。

当发生电力中断时，单机架功率为10kW 的数据中心服务器在6min 内会因过热而导致宕机，单机架功率为5kW 的服务器到过热关机也仅能坚持8min。当电力中断后，柴油发电机作为后备电力，其启动时间一般为2～3min。空调系统冷水机组在电力中断后压缩机会恢复到初始开机状态，形成故障保护，当电力恢复后重启冷水机组，从启动到满负荷输出一般为5～10min。油机启动时间加上空调冷水机组启动时间的因素，导致电力中断后，再启动备用电源会有一段时间供冷的缺失，而供冷缺失的这段时间，服务器会发生过热宕机的情况，因此在数据中心水冷空调系统中设置了水蓄冷设备，来保证柴油发电机启动到冷水机组重新满负荷运行这段时间内的供冷，通常水蓄冷时间按照15～20min的冷冻水量设计。

1.3 蓄冷模式的选择

常用的有两种蓄冷模式：闭式压力蓄冷罐和开式定压蓄冷罐。闭式蓄冷罐是压力罐，属于压力容器，与空调系统末端串联或者并联。开式蓄冷罐为常压水罐，与冷冻水空调系统中的平衡管连接相似，与末端空调并联使用，开式蓄冷罐内的水位要比系统末端最高点高出1m，顶部设有通气管与大气相连，并配有氮封装置，因此开式蓄冷罐可为系统定压，开式蓄冷罐投入运行后，系统可停用定压补水设备[3]。

对于空调冷冻水一级泵系统，蓄冷罐与冷水机组串联，此种设置方式蓄冷罐内的压力为空调水系统定压泵压力与空调冷冻水水泵的压力之和。定压泵的压力为空调冷冻水系统最低点（冷冻水泵吸入口）与末端空调最高点的高度差外加5～10m 的余量。通常一栋四层数据中心楼一级泵系统的冷冻水循环泵的扬程在40m 左右，定压泵的压力在30m 左右，空调水系统的压力则达到70m，若开式蓄冷罐串联接入空调水系统系统，那么开式蓄冷罐的高度要达到70m，这种方式实际是无法实现的，因此通常空调一级泵系统选择闭式蓄冷罐。

如果一级泵系统偏要选择开式蓄冷罐，则必须设置换热器将蓄冷罐与空调冷冻水系统隔开，这样开式蓄冷罐的高度就不受建筑高度影响，但这种配置方式会导致换热温差，通常板式换热器的温差在1.5℃左右，蓄冷罐释冷时的冷水与系统冷冻水换热后，由于换热效率的因素，冷冻水温度会高于设计温度，导致空调制冷效果变差，制冷量降低，末端空调若要正常运行则需要增大盘管面积，不利于投资，或者再次降低冷冻水温度，不利于节能。因此在数据中心一级泵空调水系统中，采用串联蓄冷罐接入系统，则选择闭式蓄冷罐[4]。

对于空调二级泵系统，闭式蓄冷罐和开式蓄冷罐均可运用，蓄冷罐设置在平衡管上，与末端空调设备并联，起到调节一级泵与二级泵之间的流量平衡的作用，冷水机组的蒸发侧冷冻水流量恒定。开式罐蓄冷罐可为水系统定压，当系统稳定运行后，定压罐可退出系统作为备用。

在多层数据中心常采用开式蓄冷罐方式，既可以为系统定压，又可以放在室外，节省室内空间。但在高层数据中心，如果用开式蓄冷罐，则开式蓄冷罐的高度必须高于建筑末端空调最高点，高径比过大，导致结构不稳定，因此采用闭式蓄冷罐接入系统。闭式蓄冷罐串联进平衡管，为补偿蓄冷罐的冷量损失，平时运行调节电动阀开度缓慢充冷保持冷水温度达到低温需求，电路中断后蓄冷罐释冷，供末端空调应急使用。

1.4 蓄冷高效节能方式

构造合理的蓄冷罐能够使冷水与热回水不会因混合导致冷水温度升高，蓄冷效率降低，通常解决方法有有以下两种。

（1）多蓄冷罐串接法。在系统中设置多个蓄冷罐，分别储存冷水和热回水，将各个蓄冷罐串联，保持其中一个罐是空的，蓄冷或释冷时水流依次倒空。系统为蓄冷状态时，冷冻水从第一个蓄冷罐的底部进水口充水，热水从顶部出水口流出经过管路从第二个罐的底部进水口进入，第二个罐继续充冷水，热水从第二罐的顶部出水口流出送到第三个罐的底部进水口，顺次充水，最后将罐充满，留一个空罐释冷时回流热水用。系统为释冷状态时，底部的冷水进水口变出水口，顶部的热水出水后变进水口，水流方向与蓄冷状态相反。热回水从最后一个罐的顶部充水，冷水从第一个罐的底部释放，最终留一个空管蓄冷时充冷水用。这种方法使得冷水和热水完全分隔，不会因冷热水混合而影响冷水温度升高，蓄冷效率降低。同时这种多蓄冷罐的方式方便罐体隔绝检修维护，不影响系统运行，缺点是初投资较高，蓄冷系统管路较多，控制系统较复杂[5]。图1 为多蓄冷罐方法。

图1 多蓄冷罐方法

（2）利用冷热水密度差自然分层。这种水蓄冷系统构造简单，通常设置一个或多个蓄冷罐。在蓄冷状态时，冷水从一个或多个罐体的底部布水器同时充水，热水从罐体的顶部流出到系统回水管。在释冷状态时，水流方向与蓄冷相反，冷水从蓄冷罐底部释放至系统负荷末端管路，热回水从蓄冷罐顶部布水器同时充水。蓄冷罐内部形成上层为热水，下层为冷水的状态，不同水温密度的不同使得冷热水自然分层，因此可以避免冷水与热水的混合。缺点是在上层热水与下层冷水的中间地带会出现斜温层（温度过度层）的少量冷热水混合，蓄冷效率不及多蓄冷罐串接法，如果布水器构造设计合理，稳定斜温层厚度，蓄冷效率也会很理想。这种自然分层法结构简单，投资较低，蓄冷效率较高，是绝大多数水蓄冷模式的首选[6]。

水的密度与温度有关，水在4℃以上时随着温度升高而密度越小，水温在4℃以下0℃以上时，随着温度升高而密度越大，因此水的温度在4℃时的密度最大。水蓄冷系统中的冷水通常温度都高于4℃，数据中心水冷系统为了提高制冷机效率，充分利用自然冷源，将冷水温度提高至14℃，甚至高达18℃，热回水温度通常达到20～27℃，在水蓄冷罐中实现冷水在下，热水在上的自然分层。自然分层水蓄冷原理如图2 所示。

图2 自然分层水蓄冷原理

2 工程实例

某数据中心空调系统冷负荷为4207kW，采用4（3+1）台风冷冷冻水机组，每台额定冷量为1490kW。空调冷冻水系统设置了水蓄冷罐，用来保证电源中断空调主机中断制冷的情况下的连续供冷。蓄冷罐的容积计算如式（1）所示。

式中Q总——蓄冷罐总蓄冷量，kW·h；Q——制冷量，kW；h——蓄冷时间，取15min。

蓄冷水容积可按照总蓄冷量计算，如式（3）所示。

公式中：V1——系统需要的冷冻水量，m3；Q总——蓄冷罐总蓄冷量，KWh；Δt——冷冻水供回水温差，供回水温度为15/21℃，Δt 取6℃；ρ——蓄冷水密度，取1000kg/m3；cp——蓄冷水比热容，取4.18kj/（kg·℃）；FOM——蓄冷水槽的完善度，取94%；η——蓄冷水槽的有效利用率，取95%。

该数据中心为一级泵空调系统，选用闭式水蓄冷罐与系统串联，冷冻水系统管路也可作为蓄冷容积的一部分，管路中的冷冻水容积计算如式（5）所示。

公式中：V2——管道中冷冻水容积；R2——管道半径，m；L——管道长度，m。

根据暖通图纸统计DN300 管道长度约451m，DN200 管道长度约654m，DN150 管道长度约1344m，DN100 管道长度约34m，DN80 管道长度约941m。

管道中冷冻水容积为94.753m3，蓄冷罐的所需要的设计容积为179.62-94.753=84.867m3.

该项目选用了一台有效容积为100m3的闭式卧式水蓄冷罐，罐体长度为10.8m，罐体直径为3.6m，工作压力为0.4MPa～1.6MPa，放在一层制冷站内。