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(yùn)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(duì)數(shù)據(jù)中心而言，即使短暫的供冷中斷，也會(huì)給IT 設(shè)備帶來宕機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)研究結(jié)果表明[1,2]，當(dāng)IDC 機(jī)房的熱密度在3～4.5kW/m2時(shí)，機(jī)柜的平均進(jìn)風(fēng)溫度在5min 內(nèi)將升到15℃～28℃。市電故障停電時(shí)，首先UPS 通過蓄電池向IT 設(shè)備供電，同時(shí)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定后即可向耗電設(shè)備供電。文獻(xiàn)[3]統(tǒng)計(jì)了幾種數(shù)據(jù)中心常見的離心式制冷機(jī)組從啟動(dòng)到達(dá)到額定制冷量所需時(shí)間，并認(rèn)為從柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)到制冷機(jī)組平穩(wěn)啟動(dòng)的時(shí)間間隔可達(dá)30min，這段時(shí)間若無應(yīng)急制冷，IDC 機(jī)房溫度將急劇上升并導(dǎo)致宕機(jī)。可見，對(duì)數(shù)據(jù)中心而言，設(shè)置合理的應(yīng)急冷源對(duì)保證IDC 機(jī)房設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)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(shí)，冷凍水通過蓄冷罐底部的布水器進(jìn)入，回水通過位于蓄冷罐頂部的布水器離開，放冷時(shí)其方向恰好相反。通常冷凍水進(jìn)水與水箱中溫度較高的水混合，會(huì)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(jìn)一步混合的作用。在蓄冷罐充冷、放冷過程中，斜溫層會(huì)增厚。實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)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(yùn)行最為經(jīng)濟(jì)、高效的方法，也是當(dāng)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(duì)罐體材質(zhì)的要求較高，其造價(jià)也相對(duì)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(duì)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(jià)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(diǎn)，并要求其液位高度高于建筑物中水系統(tǒng)最高點(diǎn)。

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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(jī)向末端供冷。

b.斷電后，冷水機(jī)組停止運(yùn)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(jī)組向末端供冷的同時(shí)蓄冷罐蓄冷。

d.在主機(jī)進(jìn)出口設(shè)置溫度、壓力、流量傳感器，監(jiān)控進(jìn)出水參數(shù)，同時(shí)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(jí)泵并聯(lián)開式罐

二級(jí)泵并聯(lián)開式罐方案示意圖見圖4。

圖4 二級(jí)泵并聯(lián)開式罐方案示意圖

a.冷機(jī)供冷與蓄冷罐蓄冷時(shí)，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(yùn)行，主機(jī)向末端供冷同時(shí)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(dāng)蓄冷罐內(nèi)溫度高于設(shè)定值時(shí)向蓄冷罐補(bǔ)冷。

c.斷電后，冷機(jī)停止運(yùn)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(dú)供冷。

d.冷機(jī)進(jìn)出口設(shè)置溫度、壓力、流量傳感器，監(jiān)控其進(jìn)出水參數(shù)，同時(shí)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(jì)及運(yùn)行技術(shù)要點(diǎn)

第一，水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行中，應(yīng)優(yōu)化末端空調(diào)或水泵的運(yùn)行邏輯，增加蓄冷供回水溫差。文獻(xiàn)[4]表明溫差較大時(shí)，斜溫層更加穩(wěn)定，其波動(dòng)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(qiáng)，有助于蓄冷效率的提升。

第二，多臺(tái)蓄冷罐并聯(lián)工作時(shí)，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(jì)階段應(yīng)通過數(shù)值模擬方式確定斜溫層厚度，在運(yùn)維初期應(yīng)測試充放冷斜溫層厚度。

第四，對(duì)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(diǎn)，如項(xiàng)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(shí)，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(duì)開式蓄冷方式，蓄冷罐內(nèi)的液面和大氣會(huì)通過溢流口和檢修孔的空隙等細(xì)小通道流通產(chǎn)生細(xì)微的接觸。為減少這種細(xì)小流通造成的水污染，降低蓄能水罐空氣溶解率，減少對(duì)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(duì)水蓄冷原理、分類及常見的水蓄冷實(shí)施方案作了詳細(xì)的描述，并總結(jié)了水蓄冷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、運(yùn)維方面的工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要點(diǎn)，結(jié)論如下：

①在市電—柴油發(fā)電機(jī)切換的時(shí)間內(nèi)，若無應(yīng)急冷源供冷，高功率密度機(jī)架的機(jī)柜溫度將急劇升高，數(shù)秒鐘內(nèi)可導(dǎo)致宕機(jī)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(duì)水蓄冷系統(tǒng)的高效運(yùn)行尤為關(guān)鍵。

③工程設(shè)計(jì)與運(yùn)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。