数据中心蓄冷罐串并联系统解析

杜 鑫 张 阳

(中国电子系统工程第二建设有限公司,无锡)

0 引言

蓄冷罐作为数据中心的常见设备,按照使用功能不同,主要分为2类:一是储存数据中心的应急备用冷源,当电力系统发生故障中断时,需要备用的柴油发电机组提供后备电力,在从柴油发电机组启动至稳定供电的过程中,空调系统会有一段供冷不足的时段,为了解决这一安全隐患,在冷水系统中设置蓄冷罐,储存一部分冷水来保证空调末端的正常供冷,在GB 50174—2017《数据中心设计规范》中明确要求A级数据中心蓄冷装置供应冷水的时间不应短于不间断电源设备的供电时间,通常不短于15 min;二是蓄冷罐可以作为储能装置,利用峰谷电价差节省一部分运行费用,在夜间电价低谷时进行充冷,储存低温冷源,日间电价高峰时蓄冷罐进行放冷,减少冷水机组日间运行时长,达到节省电费的目的[1-2]。

本文对数据中心常见的蓄冷罐形式及应用场景、充放冷过程产生的斜温层概念及意义进行介绍,重点分析串联、并联系统形式下蓄冷罐管路设计特点及充放冷过程中阀门切换逻辑。

1 蓄冷罐及斜温层简介

数据中心的蓄冷罐主要有2种:开式常压蓄冷罐和闭式承压蓄冷罐。

开式常压蓄冷罐(见图1)常应用于大型或有储能需求的数据中心,单罐容积从几百至几千m3不等,蓄冷罐拱顶设有通气孔,与大气相通[3],罐体内水位需高于冷水系统最高点以保证系统的稳定运行,也因此兼具定压作用。单位体积有效容积造价相对较低,运行简单方便,常以并联方式接至冷水系统。

图1 开式常压蓄冷罐

闭式承压蓄冷罐为密闭压力容器,连接至冷水系统内,需要承受系统的设计运行压力,单位体积有效容积造价相对较高,常应用于中小型数据中心,有效容积满足15 min应急供冷即可。根据形式不同可分为卧式蓄冷罐(见图2)和立式蓄冷罐(见图3)。卧式蓄冷罐常放置于地下1层或地上1层室内,对建筑空间、层高要求较高;立式蓄冷罐常放置于毗邻制冷站的室外区域,占地面积较小,应用更为广泛。下文将重点介绍立式闭式承压蓄冷罐的充放冷过程和串、并联形式。

图2 卧式闭式承压蓄冷罐

图3 立式闭式承压蓄冷罐

应急放冷过程中,蓄冷罐储存的低温冷源不断流向空调末端,因此从末端完成换热循环的冷水回水也将进入蓄冷罐内部。图4为蓄冷罐充放冷过程示意图。假设冷水系统供/回水温度为15 ℃/21 ℃,蓄冷罐放冷过程中,冷水回水自上而下进入蓄冷罐内部,由于不同温度的水密度不同,在不同水温的交界处生成一定厚度且相对稳定的温度剧变层,称之为斜温层。斜温层的存在,使上下不同温度的水不会产生无序的湍流、混合,可保证蓄冷罐平稳输出温度稳定的冷水供水,保证空调末端的正常运行[4-5]。反之,在蓄冷罐充冷过程中,利用斜温层原理,将低温冷源自下而上引入蓄冷罐内部,可保证罐内斜温层不会被破坏,15 ℃冷水液位稳步上升,有利于提高充冷效率,缩短充冷时间,降低充冷过程对空调末端供冷稳定性的影响。

图4 蓄冷罐充放冷过程示意图

2 蓄冷罐串联形式介绍及分析

国家标准图集18DX009《数据中心工程设计与安装》中A级数据中心冷水系统(串联形式)如图5所示,表1给出了系统工况对应的阀门状态。将蓄冷罐直接串联在冷水供水管路中,蓄冷罐两侧设计旁通管路。蓄冷罐在不同模式下电动阀切换逻辑如下。

表1 系统工况对应的阀门状态

注:V1～4、V7～10为电动开关阀;CV3、4为电动调节阀;VFD为变频器。

1) 离线模式:V7、V8开启,V9、V10、CV3、CV4关闭,蓄冷罐处于离线待命状态,罐体内储存15 ℃的冷水。

2) 放冷模式:当电力系统突发故障,冷水机组停止工作时,V7、V8、CV3、CV4关闭,V9、V10开启,蓄冷罐作为备用应急冷源继续供冷,冷水泵由UPS(不间断电源)供电继续运行,15 ℃的冷水自蓄冷罐流向空调末端,21 ℃的冷水回水通过水泵进入蓄冷罐。对于立式蓄冷罐,冷水回水自上而下进入蓄冷罐,形成斜温层,斜温层逐步下移,15 ℃冷水稳定输出,直至释放完毕。

3) 充冷模式:当应急状态结束后,数据中心恢复正常运行,蓄冷罐需重新充冷,此时V9、V10关闭,V7、V8开启,在满足空调末端供冷需求的前提下,通过调节CV3、CV4的开度,使罐体内存储的21 ℃冷水进入冷水回水主管,在冷水水泵的吸入作用下重新进入冷水机组,完成循环。与此同时,15 ℃的冷水供水通过V7、V8所在的管路,一部分进入空调末端,一部分进入蓄冷罐,完成充冷过程。对于立式蓄冷罐,充冷过程中,冷水供水自下而上进入蓄冷罐,此过程不会破坏蓄冷罐斜温层,保证充冷效率。

串联系统形式存在的问题:

1) 在放冷模式结束后,空调末端会存在短暂的温升问题。由于蓄冷罐串联在冷水供水的管线中,在放冷过程中,末端21 ℃的冷水回水首先进入冷水回水环管(图5中的外侧环管),在水泵的吸入作用下会先通过冷水供水环管(图5中的内侧环管)再进入蓄冷罐内。当应急状态结束,冷水机组恢复正常制冷工况,此时冷水供水环管中已充满21 ℃冷水回水,此部分回水不可避免要流向空调末端进行循环,可能会导致空调升温,但由于环管容量较小,温升过程不会持续太久,对机房温度不会产生太大的影响。

2) 蓄冷罐串联在系统中会增加冷水泵的扬程。蓄冷罐内部设有布水器,冷水流动过程中会产生局部阻力,因此蓄冷罐的压力损失一般为2～4 m左右。为避免这一不利影响,建议应急放冷模式时,将V1、V2关闭,V3、V4开启,将冷水机组和板式换热器短路,可有效降低放冷模式下的管路阻力。

3 蓄冷罐并联形式介绍及分析

以重庆某数据中心机房为例(见图6),该项目为了保证冷水泵之间可以互为备用,冷水泵出口处做成了环形母管,蓄冷罐并联在冷水系统中。蓄冷罐在不同模式下电动阀切换逻辑如下。

注:CV1、2为电动调节阀。

1) 离线模式:V5、CV1、CV2关闭,蓄冷罐处于离线待命状态,罐体内部充满15 ℃的冷水。

2) 放冷模式:当电力系统故障时,蓄冷罐内储存的应急冷量继续为空调末端服务,保证机柜的正常运行。此时V5、CV2开启,V2、V4、CV1关闭。冷水回水在冷水泵作用下通过V5所在管道,从蓄冷罐上部接口进入罐体,原罐体内储存的15 ℃冷水供水从下部接口流出,通过CV2所在管道进入冷水供水主环管,再分配至空调末端。该过程中的罐体内部水流方向为自上而下,罐体内部逐渐形成斜温层。

3) 充冷模式:当应急状态结束后,蓄冷罐需重新充冷,此时V5关闭,通过调节CV1、CV2开度,在保证空调末端流量的情况下,对蓄冷罐进行充冷。在冷水泵的吸入作用下,蓄冷罐中的21 ℃冷水回水通过CV1所在管道重新进入冷水机组,完成制冷循环,与此同时,15 ℃的冷水通过CV2所在的管道进入蓄冷罐完成充冷过程,罐体内部水流方向为自下而上,不会破坏罐体内部的斜温层。

经对比可以发现,并联系统主要有3个优势:

1) 该系统管路形式和控制逻辑更加简单,通过2个电动调节阀和1个电动开关阀即可完成蓄冷罐的充放冷过程,可节省部分成本造价,该蓄冷形式已在重庆某数据中心项目中成功运行,并完成验收。

2) 相较于串联系统,在蓄冷罐放冷过程中,冷水回水并未经过冷水供水管线,因此恢复供电时,空调末端也不会有短暂升温的风险。

3) 由于水泵出口为母管制,可保证冷水泵之间互为备用,相比于水泵冷水机组一对一的形式,可减少因水泵故障造成对应的冷水机组停机次数,便于冷源系统的维护,但水泵并联数量不宜过多,否则会引起流量的衰减。

4 结论

1) 开式常压蓄冷罐常应用于大型或有储能需求的数据中心;闭式承压蓄冷罐常应用于中小型数据中心,对于国标A级数据中心,蓄冷罐释冷时间不应小于不间断电源设备的供电时间,通常不小于15 min。

2) 蓄冷罐充放冷过程中在罐体内会形成斜温层,斜温层有利于输出温度稳定的低温冷源,也有利于提高蓄冷罐充冷效率。

3) 相较于串联系统,蓄冷罐并联系统管路及控制逻辑更加简单,可节省造价成本,也可避免串联系统形式下恢复供电时空调末端短暂升温的问题。