淺談水蓄冷技術在數據中心的應用

趙澤 王浩 楊新春 胡宇陽 崔杰

中國農業銀行數據中心，中國·北京 100095

1 引言

為保障IT 設備正常運行，數據中心需配備精密空調為其提供7×24h 的制冷環境，對數據中心而言，即使短暫的供冷中斷，也會給IT 設備帶來宕機的風險。相關研究結果表明[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 內將升到15℃～28℃。市電故障停電時，首先UPS 通過蓄電池向IT 設備供電，同時啟動柴油發電機，柴油發電機穩定后即可向耗電設備供電。文獻[3]統計了幾種數據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，并認為從柴油發電機啟動到制冷機組平穩啟動的時間間隔可達30min，這段時間若無應急制冷，IDC 機房溫度將急劇上升并導致宕機。可見，對數據中心而言，設置合理的應急冷源對保證IDC 機房設備安全穩定運行至關重要。

2 水蓄冷原理和分類

圖1為單罐蓄冷系統，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。實際應用中，為實現高效蓄冷，應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高效運行最為經濟、高效的方法，也是當前數據中心應用最廣泛的形式。

圖1 單冷罐水蓄冷系統示意圖

按蓄冷罐是否與大氣直接連通，水蓄冷系統分為開式和閉式兩種。閉式系統的蓄冷罐為壓力容器，通常設置在建筑內部，單體容積較小，對罐體材質的要求較高，其造價也相對高，可將其通過串聯或并聯的方式接入空調系統中。對開式系統，蓄冷罐體積較大，通常設置在建筑外部，需考慮園區規劃并與建筑外觀相協調，其他國家某數據中心的開式蓄冷罐外觀如圖2所示。開式蓄冷罐造價較低，可通過并聯方式將其接入空調系統，工程中常將開式蓄冷罐兼作系統定壓點，并要求其液位高度高于建筑物中水系統最高點。

圖2 某數據中心開式蓄冷罐外觀圖

3 水蓄冷的主要實施方案

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

3.1 一次泵串聯閉式罐方案

一次泵串聯閉式罐方案示意圖見圖3。

圖3 一次泵串聯閉式罐方案示意圖

a.冷水機組正常供冷，閥門V3、V6關閉，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關閉，蓄冷罐作應急冷源向末端供冷。

c.釋冷完畢后蓄冷階段，開啟閥門V1、V2、V4、V5，關閉V6，調節V3開度，使冷水機組向末端供冷的同時蓄冷罐蓄冷。

d.在主機進出口設置溫度、壓力、流量傳感器，監控進出水參數，同時在蓄冷罐內部設置溫度傳感器，監測蓄冷罐內部水溫。

3.2 二級泵并聯開式罐

二級泵并聯開式罐方案示意圖見圖4。

圖4 二級泵并聯開式罐方案示意圖

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，蓄冷罐與系統并聯運行，主機向末端供冷同時蓄冷罐蓄冷。

b.根據蓄冷罐水溫調節V3、V4，閥門V5開啟，當蓄冷罐內溫度高于設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關閉，UPS 為水泵Pb供電，水泵P1關閉，蓄冷罐單獨供冷。

d.冷機進出口設置溫度、壓力、流量傳感器，監控其進出水參數，同時在蓄冷罐內設置溫度傳感器，檢測蓄冷罐內水溫變化。

4 水蓄冷設計及運行技術要點

第一，水蓄冷系統設計、運行中，應優化末端空調或水泵的運行邏輯，增加蓄冷供回水溫差。文獻[4]表明溫差較大時，斜溫層更加穩定，其波動更小，溫度分層更為明顯。由于蓄冷溫差的增加導致水密度差異越發明顯，因而蓄冷罐內的浮升力將加大，自然分層效應加強，有助于蓄冷效率的提升。

第二，多臺蓄冷罐并聯工作時，無論與空調水系統呈并、串聯連接，均應注意水力平衡問題，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，在設計階段應通過數值模擬方式確定斜溫層厚度，在運維初期應測試充放冷斜溫層厚度。

第四，對于開式蓄冷系統，一般蓄冷罐高度應高于建筑物系統最高點，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，應在管路設置背壓閥，以保證水系統維持正壓[5]。

第五，對開式蓄冷方式，蓄冷罐內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 結語

論文簡述了數據中心的制冷需求，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，并總結了水蓄冷系統在設計、運維方面的工程經驗和技術要點，結論如下：

①在市電—柴油發電機切換的時間內，若無應急冷源供冷，高功率密度機架的機柜溫度將急劇升高，數秒鐘內可導致宕機等事故。

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

③工程設計與運維中，可通過增加蓄冷供回水溫差、設置同程式管道優化水力平衡等相關措施，提高水蓄冷系統的應用效率。