IDC機房溫升與水蓄冷應急供冷的研究

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摘要：本文分析了IDC機房在市電斷電時末端設備可以繼續(xù)工作和停止工作兩種情況下，IDC機房溫度上升情況，在此基礎上分析了水蓄冷應急供冷的可行性、系統(tǒng)設計及相應控制原理。另本文重點研究分析了一套既可實現IDC機房節(jié)能又可作為應急供冷冷源的水蓄冷系統(tǒng)。

關鍵詞：數據中心；溫度變化；水蓄冷

引言

在威脅數據中心的眾多因素中，電力中斷所占的比例最大，為27%。電力中斷后，原中央空調系統(tǒng)無法正常運行，會導致IDC機房以及設備服務器溫度迅速上升，而機房溫度每升高10℃服務器的可靠性就會下降20%，嚴重時還可能導致宕機。這就需要對機房在斷電后的溫升狀態(tài)進行研究，并針對機房溫升的特點，提出可靠的解決方案，以保障IT設備在市電斷電時能正常安全運行。

1.IDC機房斷電后溫升研究

1.1根據對數據中心斷電后機房溫度變化情況的模擬可知，市電斷電后IDC機房的溫度變化情況主要有以下三個步驟：

1）斷電至油機啟動這段時間內IT設備的發(fā)熱量引起機房的溫度升高。

2）空調啟動后當空調制冷量沒有達到IT設備發(fā)熱量時，將繼續(xù)引起機房溫度升高，當空調制冷量等于IT設備發(fā)熱量時，此時機房的溫度達到最高。

3）空調制冷量超過IT設備發(fā)熱量時，此時機房溫度開始降低直至達到正常溫度。

數據中心斷電后，空調末端設備會有兩種情況：一、末端設備可由UPS電源供電；

1.2末端設備不能由UPS電源供電，下文對兩種情況做詳細說明。

當遇到市電斷電時，此時空調制冷機組無法正常運行，但是其末端設備由于有UPS電源供電還可以繼續(xù)工作，那么這時機房里的換熱主要是對流換熱。此時IT設備產生的熱量一部分導致設備溫度上升，一部分導致機房內空氣溫度上升。

針對電子器件冷卻的問題：對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)鳠嵯禂档挠嬎闶剑?/p>

（2-1）

經過量綱分析和因次分析，針對IDC機房內換熱滿足以下能量守恒關系：

其中：C：單晶硅比熱容；：單晶硅密度；V：單晶硅體積；：IT設備與其周圍環(huán)境溫差；q：熱流密度；t：溫升時間；B、m：無量綱數；g：重力加速度；：流體膨脹系數；L：特征長度；：空氣導熱系數；

A：對流換熱面積；：空氣動力粘度。

根據上式對一個面積為500㎡，高為4米，放置200臺單機架功率為4KW/7KW的機柜時IT設備的機房，以及機房的溫升情況進行計算，可得如下結果：

圖1：單機架功率為4KW機柜溫升

圖2：單機架功率為7KW機柜溫升

2.空調水蓄冷應急供冷研究

2.1數據中心斷電后常規(guī)應急供冷方式簡介

目前數據中心采用的應急方案主要有以下四種：

1）單獨制冷系統(tǒng)+備用冷水機組

當某一制冷機組出現故障時，立即切換到備用制冷機組上，代替故障機組繼續(xù)供冷。

2）雙路供水方式

當其中某一路供冷出現故障時，立即切換到另一路進行供冷。

3）UPS電源+精密空調

當出現市電斷電等緊急情況時，采用UPS電源繼續(xù)給精密空調供電，由精密空調為數據中心機房供冷。

4）備用發(fā)電機+原中央空調系統(tǒng)

當出現市電斷電等緊急情況時，啟動備用發(fā)電機組繼續(xù)為原中央空調系統(tǒng)供電。

以上所提到的保障方案，雖然發(fā)電機能夠在10—20秒的時間內啟動，但是制冷機組從斷電到重新啟動并正常運行需要至少8分鐘的時間，在此過程中無法保障IDC機房的正常供冷。

2.2水蓄冷應急供冷可行性分析及優(yōu)勢

從時間方面分析，當市電斷電時，雖然制冷主機無法正常啟動，但是由于UPS電源的配備，蓄冷系統(tǒng)中的水泵、板式換熱器、電動閥和末端的空氣處理器風扇仍可以繼續(xù)運行。采用智能控制系統(tǒng)，從供冷出現故障至切換到由蓄冷槽進行供冷時間不超過45秒，根據前文溫升部分計算，即使是單機架功率為7KW的機柜在市電斷電后45秒時服務器最高溫度也才上升到70℃，該溫度還在IT設備的承受范圍之內，不會對IT設備造成任何影響。

從空間角度分析，由于冗災時間不長，當設備斷電時，只需保證向服務器供冷15分鐘。根據計算一個空調系統(tǒng)冷負荷為14000KW的數據中心，只需建一個415m3的蓄水槽即可滿足冗災要求，在空間上具備實施的條件。

水蓄冷系統(tǒng)在數據中心的運用中主要有以下優(yōu)勢：

1）水蓄冷系統(tǒng)可與原空調系統(tǒng)“無縫”連接，無需再額外配置蓄冷冷源或對原系統(tǒng)用冷水機組進行調整；

2）水蓄冷系統(tǒng)的冷水溫度與原系統(tǒng)空調冷水溫度相近，可考慮直接使用，不需要設額外的設備對冷水溫度進行調整；

3）水蓄冷系統(tǒng)控制簡單，運行安全可靠，在出現緊急狀況可及時投入使用。

2.3水蓄冷應急供冷系統(tǒng)設計

水蓄冷應急供冷在數據中心的應用主要以在線運行模式為主，其在線運行模式主要有兩種系統(tǒng)：

圖3：水蓄冷應急供冷典型系統(tǒng)

正常運行：末端回水冷凍泵制冷主機蓄冷水罐末端供水（V1/V2開，V3關）；

應急供冷運行：蓄冷水罐末端供水末端回水冷凍泵制冷主機蓄冷水罐（V1/V2開，V3關）；

應急供冷后運行：

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

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

圖4：水蓄冷應急供冷典型系統(tǒng)

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

正常運行：末端回水/蓄冷水罐一次冷凍泵制冷主機末端供水/蓄冷水罐

應急供冷運行：蓄冷水罐末端供水末端回水蓄冷水罐

應急供冷后運行：末端回水/蓄冷水罐一次冷凍泵制冷主機末端供水/蓄冷水罐。

2.4水蓄冷用于應急供冷冗災蓄冷量計算

用于冗災時，蓄冷量計算為：

（3-1）

其中：：總蓄冷量；：制冷量；：

應急供冷時間可取20min；

蓄冷罐的容積可按系統(tǒng)需要的蓄冷量進行計算，同時考慮到蓄冷罐與整個水系統(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，這里取：94%；：蓄冷水槽的體積利用率，取：95%。

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度。

在此基礎上再取10%的余量，則蓄冷罐容積：

（3-4）

2.5水蓄冷應急冗災控制原理以及冗災運行效果

水蓄冷應急供冷冗災系統(tǒng)的控制，對于在線串聯(lián)系統(tǒng)控制比較簡單，一般可采用平均溫度法進行控制。蓄冷主機在夜間低谷時段進行蓄冷，蓄冷槽內裝有測溫電纜，可實時監(jiān)測蓄冷槽豎直方向的溫度變化，進而統(tǒng)計出蓄冷槽內冷凍水的平均溫度。當如果平均溫度達到蓄冷溫度則進行蓄冷，如果平均溫度未達到蓄冷溫度則暫不啟動蓄冷。在此過程中如果發(fā)生斷電或檢測到原空調系統(tǒng)供冷出現故障，則立即切換到應急供冷模式。

對于應急供冷冗災模式，應該需要實現可以周期性蓄冷和自動放冷。結合前文溫升部分計算，運用水蓄冷系統(tǒng)作為斷電時的應急供冷系統(tǒng)能有效減緩機房內溫度上升，如下圖模擬所示：

圖5：水蓄冷應急冗災系統(tǒng)前后溫度對比

2.6既可實現移峰填谷又可冗災的水蓄冷控制原理及運行效果

在基于對斷電后IDC機房溫升研究以及水蓄冷作為IDC機房應急供冷系統(tǒng)研究的基礎上，可研究開發(fā)一套既可用于數據中心移峰填谷又可用于應急供冷的水蓄冷系統(tǒng)。此系統(tǒng)正常運行的關鍵是要通過計量系統(tǒng)實施監(jiān)控蓄冷水槽中的有效蓄冷量以及監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確判斷切換臨界條件。

利用富余主機在夜間低谷電時段進行蓄冷，監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測原空調系統(tǒng)是否正常運行。如能正常運行則在次日高峰時段自動放冷，放冷時實時監(jiān)測其放冷量是否已達最大安全放冷量，如未達到則繼續(xù)在高峰時段進行放冷，反之則停止放冷。在此過程中如監(jiān)測到低溫差、超溫或停水等非正常信號時則立即切換到應急供冷模式，待信號恢復正常時停止應急供冷。

3.結語

運用水蓄冷系統(tǒng)作為數據中心的應急冷源，不但啟動時間快且可根據實際需求選擇不同的模式。尤其對于既可實現移峰填谷又可實現冗災的水蓄冷系統(tǒng)，不但能有效解決應急供冷問題還能為數據中心帶來豐厚的經濟效益。

參考文獻：

[1]《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》（GB50174-2008）.

[2]中國移動廣東公司IDC機樓建設規(guī)范（v2.0版）.

[3]IDC運維管理中的安全解決方案.中國移動通信集團設計院有限公司.