趙澤 王浩 楊新春 胡宇陽(yáng) 崔杰

中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行數(shù)據(jù)中心，中國(guó)·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(lái)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)，先UPS通過(guò)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)統(tǒng)計(jì)了幾種數(shù)據(jù)中心常見(jiàn)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(wú)應(yīng)急制冷，IDC機(jī)房溫度將急劇上升并導(dǎo)致宕機(jī)[3]?？梢?jiàn)，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(lèi)

單冷罐水蓄冷系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 單冷罐水蓄冷系統(tǒng)示意圖

圖1 為單罐蓄冷系統(tǒng)，充冷時(shí)，冷凍水通過(guò)蓄冷罐底部的布水器進(jìn)入，回水通過(guò)位于蓄冷罐頂部的布水器離開(kāi)，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，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(guò)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。

按蓄冷罐是否與大氣直接連通，水蓄冷系統(tǒng)分為開(kāi)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(guò)串聯(lián)或并聯(lián)的方式接入空調(diào)系統(tǒng)中。對(duì)開(kāi)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(guó)家某數(shù)據(jù)中心的開(kāi)式蓄冷罐外觀如圖2所示。開(kāi)式蓄冷罐造價(jià)較低，可通過(guò)并聯(lián)方式將其接入空調(diào)系統(tǒng)，工程中常將開(kāi)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(kāi)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(kāi)式罐、二次泵串聯(lián)閉式罐、二次泵并聯(lián)閉式/開(kāi)式罐等。其中，一次泵串聯(lián)閉式罐方案、二次泵并聯(lián)開(kāi)式罐方案應(yīng)用最為廣泛，其控制策略與實(shí)施方案如下。

3.1 一次泵串聯(lián)閉式罐方案

一次泵串聯(lián)閉式罐方案如圖3所示。

圖3 一次泵串聯(lián)閉式罐方案示意圖

①冷水機(jī)組正常供冷，閥門(mén)V3、V6關(guān)閉，V1、V2、V4、V5開(kāi)啟，冷凍水泵P1開(kāi)啟，主機(jī)向末端供冷。

②斷電后，冷水機(jī)組停止運(yùn)行，UPS為水泵P1供電，閥門(mén)V1、V2、V6開(kāi)啟，V3、V4、V5關(guān)閉，蓄冷罐作應(yīng)急冷源向末端供冷。

③釋冷完畢后蓄冷階段，開(kāi)啟閥門(mén)V1、V2、V4、V5，關(guān)閉V6，調(diào)節(jié)V3開(kāi)度，使冷水機(jī)組向末端供冷的同時(shí)蓄冷罐蓄冷。

④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(cè)蓄冷罐內(nèi)部水溫。

3.2 二級(jí)泵并聯(lián)開(kāi)式罐

二級(jí)泵并聯(lián)開(kāi)式罐方案如圖4所示。

圖4 二級(jí)泵并聯(lián)開(kāi)式罐方案示意圖

①冷機(jī)供冷與蓄冷罐蓄冷時(shí)，閥門(mén)V1、V2、V3、V4、V5開(kāi)啟，水泵P1、Pb開(kāi)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。

②根據(jù)蓄冷罐水溫調(diào)節(jié)V3、V4，閥門(mén)V5開(kāi)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。

③斷電后，冷機(jī)停止運(yùn)行，閥門(mén)V3、V4、V5開(kāi)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。

④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(cè)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)

①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)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[4]。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。

②多臺(tái)蓄冷罐并聯(lián)工作時(shí)，無(wú)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(wèn)題，可通過(guò)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(wèn)題。

③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(guò)數(shù)值模擬方式確定斜溫層厚度，在運(yùn)維初期應(yīng)測(cè)試充放冷斜溫層厚度。測(cè)試方法如下：

對(duì)于開(kāi)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(wú)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]。

對(duì)開(kāi)式蓄冷方式，蓄冷罐內(nèi)的液面和大氣會(huì)通過(guò)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(lái)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(yǔ)

論文簡(jiǎn)述了數(shù)據(jù)中心的制冷需求，對(duì)水蓄冷原理、分類(lèi)及常見(jiàn)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(wú)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(guò)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。