杜 鑫 張 陽

(中國電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司,無錫)

0 引言

蓄冷罐作為數(shù)據(jù)中心的常見設(shè)備,按照使用功能不同,主要分為2類:一是儲(chǔ)存數(shù)據(jù)中心的應(yīng)急備用冷源,當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障中斷時(shí),需要備用的柴油發(fā)電機(jī)組提供后備電力,在從柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)至穩(wěn)定供電的過程中,空調(diào)系統(tǒng)會(huì)有一段供冷不足的時(shí)段,為了解決這一安全隱患,在冷水系統(tǒng)中設(shè)置蓄冷罐,儲(chǔ)存一部分冷水來保證空調(diào)末端的正常供冷,在GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確要求A級(jí)數(shù)據(jù)中心蓄冷裝置供應(yīng)冷水的時(shí)間不應(yīng)短于不間斷電源設(shè)備的供電時(shí)間,通常不短于15 min;二是蓄冷罐可以作為儲(chǔ)能裝置,利用峰谷電價(jià)差節(jié)省一部分運(yùn)行費(fèi)用,在夜間電價(jià)低谷時(shí)進(jìn)行充冷,儲(chǔ)存低溫冷源,日間電價(jià)高峰時(shí)蓄冷罐進(jìn)行放冷,減少冷水機(jī)組日間運(yùn)行時(shí)長(zhǎng),達(dá)到節(jié)省電費(fèi)的目的[1-2]。

本文對(duì)數(shù)據(jù)中心常見的蓄冷罐形式及應(yīng)用場(chǎng)景、充放冷過程產(chǎn)生的斜溫層概念及意義進(jìn)行介紹,重點(diǎn)分析串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)形式下蓄冷罐管路設(shè)計(jì)特點(diǎn)及充放冷過程中閥門切換邏輯。

1 蓄冷罐及斜溫層簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)中心的蓄冷罐主要有2種:開式常壓蓄冷罐和閉式承壓蓄冷罐。

開式常壓蓄冷罐(見圖1)常應(yīng)用于大型或有儲(chǔ)能需求的數(shù)據(jù)中心,單罐容積從幾百至幾千m3不等,蓄冷罐拱頂設(shè)有通氣孔,與大氣相通[3],罐體內(nèi)水位需高于冷水系統(tǒng)最高點(diǎn)以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,也因此兼具定壓作用。單位體積有效容積造價(jià)相對(duì)較低,運(yùn)行簡(jiǎn)單方便,常以并聯(lián)方式接至冷水系統(tǒng)。

圖1 開式常壓蓄冷罐

閉式承壓蓄冷罐為密閉壓力容器,連接至冷水系統(tǒng)內(nèi),需要承受系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行壓力,單位體積有效容積造價(jià)相對(duì)較高,常應(yīng)用于中小型數(shù)據(jù)中心,有效容積滿足15 min應(yīng)急供冷即可。根據(jù)形式不同可分為臥式蓄冷罐(見圖2)和立式蓄冷罐(見圖3)。臥式蓄冷罐常放置于地下1層或地上1層室內(nèi),對(duì)建筑空間、層高要求較高;立式蓄冷罐常放置于毗鄰制冷站的室外區(qū)域,占地面積較小,應(yīng)用更為廣泛。下文將重點(diǎn)介紹立式閉式承壓蓄冷罐的充放冷過程和串、并聯(lián)形式。

圖2 臥式閉式承壓蓄冷罐

圖3 立式閉式承壓蓄冷罐

應(yīng)急放冷過程中,蓄冷罐儲(chǔ)存的低溫冷源不斷流向空調(diào)末端,因此從末端完成換熱循環(huán)的冷水回水也將進(jìn)入蓄冷罐內(nèi)部。圖4為蓄冷罐充放冷過程示意圖。假設(shè)冷水系統(tǒng)供/回水溫度為15 ℃/21 ℃,蓄冷罐放冷過程中,冷水回水自上而下進(jìn)入蓄冷罐內(nèi)部,由于不同溫度的水密度不同,在不同水溫的交界處生成一定厚度且相對(duì)穩(wěn)定的溫度劇變層,稱之為斜溫層。斜溫層的存在,使上下不同溫度的水不會(huì)產(chǎn)生無序的湍流、混合,可保證蓄冷罐平穩(wěn)輸出溫度穩(wěn)定的冷水供水,保證空調(diào)末端的正常運(yùn)行[4-5]。反之,在蓄冷罐充冷過程中,利用斜溫層原理,將低溫冷源自下而上引入蓄冷罐內(nèi)部,可保證罐內(nèi)斜溫層不會(huì)被破壞,15 ℃冷水液位穩(wěn)步上升,有利于提高充冷效率,縮短充冷時(shí)間,降低充冷過程對(duì)空調(diào)末端供冷穩(wěn)定性的影響。

圖4 蓄冷罐充放冷過程示意圖

2 蓄冷罐串聯(lián)形式介紹及分析

國家標(biāo)準(zhǔn)圖集18DX009《數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)與安裝》中A級(jí)數(shù)據(jù)中心冷水系統(tǒng)(串聯(lián)形式)如圖5所示,表1給出了系統(tǒng)工況對(duì)應(yīng)的閥門狀態(tài)。將蓄冷罐直接串聯(lián)在冷水供水管路中,蓄冷罐兩側(cè)設(shè)計(jì)旁通管路。蓄冷罐在不同模式下電動(dòng)閥切換邏輯如下。

表1 系統(tǒng)工況對(duì)應(yīng)的閥門狀態(tài)

注:V1～4、V7～10為電動(dòng)開關(guān)閥;CV3、4為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥;VFD為變頻器。

1) 離線模式:V7、V8開啟,V9、V10、CV3、CV4關(guān)閉,蓄冷罐處于離線待命狀態(tài),罐體內(nèi)儲(chǔ)存15 ℃的冷水。

2) 放冷模式:當(dāng)電力系統(tǒng)突發(fā)故障,冷水機(jī)組停止工作時(shí),V7、V8、CV3、CV4關(guān)閉,V9、V10開啟,蓄冷罐作為備用應(yīng)急冷源繼續(xù)供冷,冷水泵由UPS(不間斷電源)供電繼續(xù)運(yùn)行,15 ℃的冷水自蓄冷罐流向空調(diào)末端,21 ℃的冷水回水通過水泵進(jìn)入蓄冷罐。對(duì)于立式蓄冷罐,冷水回水自上而下進(jìn)入蓄冷罐,形成斜溫層,斜溫層逐步下移,15 ℃冷水穩(wěn)定輸出,直至釋放完畢。

3) 充冷模式:當(dāng)應(yīng)急狀態(tài)結(jié)束后,數(shù)據(jù)中心恢復(fù)正常運(yùn)行,蓄冷罐需重新充冷,此時(shí)V9、V10關(guān)閉,V7、V8開啟,在滿足空調(diào)末端供冷需求的前提下,通過調(diào)節(jié)CV3、CV4的開度,使罐體內(nèi)存儲(chǔ)的21 ℃冷水進(jìn)入冷水回水主管,在冷水水泵的吸入作用下重新進(jìn)入冷水機(jī)組,完成循環(huán)。與此同時(shí),15 ℃的冷水供水通過V7、V8所在的管路,一部分進(jìn)入空調(diào)末端,一部分進(jìn)入蓄冷罐,完成充冷過程。對(duì)于立式蓄冷罐,充冷過程中,冷水供水自下而上進(jìn)入蓄冷罐,此過程不會(huì)破壞蓄冷罐斜溫層,保證充冷效率。

串聯(lián)系統(tǒng)形式存在的問題:

1) 在放冷模式結(jié)束后,空調(diào)末端會(huì)存在短暫的溫升問題。由于蓄冷罐串聯(lián)在冷水供水的管線中,在放冷過程中,末端21 ℃的冷水回水首先進(jìn)入冷水回水環(huán)管(圖5中的外側(cè)環(huán)管),在水泵的吸入作用下會(huì)先通過冷水供水環(huán)管(圖5中的內(nèi)側(cè)環(huán)管)再進(jìn)入蓄冷罐內(nèi)。當(dāng)應(yīng)急狀態(tài)結(jié)束,冷水機(jī)組恢復(fù)正常制冷工況,此時(shí)冷水供水環(huán)管中已充滿21 ℃冷水回水,此部分回水不可避免要流向空調(diào)末端進(jìn)行循環(huán),可能會(huì)導(dǎo)致空調(diào)升溫,但由于環(huán)管容量較小,溫升過程不會(huì)持續(xù)太久,對(duì)機(jī)房溫度不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。

2) 蓄冷罐串聯(lián)在系統(tǒng)中會(huì)增加冷水泵的揚(yáng)程。蓄冷罐內(nèi)部設(shè)有布水器,冷水流動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生局部阻力,因此蓄冷罐的壓力損失一般為2～4 m左右。為避免這一不利影響,建議應(yīng)急放冷模式時(shí),將V1、V2關(guān)閉,V3、V4開啟,將冷水機(jī)組和板式換熱器短路,可有效降低放冷模式下的管路阻力。

3 蓄冷罐并聯(lián)形式介紹及分析

以重慶某數(shù)據(jù)中心機(jī)房為例(見圖6),該項(xiàng)目為了保證冷水泵之間可以互為備用,冷水泵出口處做成了環(huán)形母管,蓄冷罐并聯(lián)在冷水系統(tǒng)中。蓄冷罐在不同模式下電動(dòng)閥切換邏輯如下。

注:CV1、2為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

1) 離線模式:V5、CV1、CV2關(guān)閉,蓄冷罐處于離線待命狀態(tài),罐體內(nèi)部充滿15 ℃的冷水。

2) 放冷模式:當(dāng)電力系統(tǒng)故障時(shí),蓄冷罐內(nèi)儲(chǔ)存的應(yīng)急冷量繼續(xù)為空調(diào)末端服務(wù),保證機(jī)柜的正常運(yùn)行。此時(shí)V5、CV2開啟,V2、V4、CV1關(guān)閉。冷水回水在冷水泵作用下通過V5所在管道,從蓄冷罐上部接口進(jìn)入罐體,原罐體內(nèi)儲(chǔ)存的15 ℃冷水供水從下部接口流出,通過CV2所在管道進(jìn)入冷水供水主環(huán)管,再分配至空調(diào)末端。該過程中的罐體內(nèi)部水流方向?yàn)樽陨隙?罐體內(nèi)部逐漸形成斜溫層。

3) 充冷模式:當(dāng)應(yīng)急狀態(tài)結(jié)束后,蓄冷罐需重新充冷,此時(shí)V5關(guān)閉,通過調(diào)節(jié)CV1、CV2開度,在保證空調(diào)末端流量的情況下,對(duì)蓄冷罐進(jìn)行充冷。在冷水泵的吸入作用下,蓄冷罐中的21 ℃冷水回水通過CV1所在管道重新進(jìn)入冷水機(jī)組,完成制冷循環(huán),與此同時(shí),15 ℃的冷水通過CV2所在的管道進(jìn)入蓄冷罐完成充冷過程,罐體內(nèi)部水流方向?yàn)樽韵露?不會(huì)破壞罐體內(nèi)部的斜溫層。

經(jīng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),并聯(lián)系統(tǒng)主要有3個(gè)優(yōu)勢(shì):

1) 該系統(tǒng)管路形式和控制邏輯更加簡(jiǎn)單,通過2個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和1個(gè)電動(dòng)開關(guān)閥即可完成蓄冷罐的充放冷過程,可節(jié)省部分成本造價(jià),該蓄冷形式已在重慶某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中成功運(yùn)行,并完成驗(yàn)收。

2) 相較于串聯(lián)系統(tǒng),在蓄冷罐放冷過程中,冷水回水并未經(jīng)過冷水供水管線,因此恢復(fù)供電時(shí),空調(diào)末端也不會(huì)有短暫升溫的風(fēng)險(xiǎn)。

3) 由于水泵出口為母管制,可保證冷水泵之間互為備用,相比于水泵冷水機(jī)組一對(duì)一的形式,可減少因水泵故障造成對(duì)應(yīng)的冷水機(jī)組停機(jī)次數(shù),便于冷源系統(tǒng)的維護(hù),但水泵并聯(lián)數(shù)量不宜過多,否則會(huì)引起流量的衰減。

4 結(jié)論

1) 開式常壓蓄冷罐常應(yīng)用于大型或有儲(chǔ)能需求的數(shù)據(jù)中心;閉式承壓蓄冷罐常應(yīng)用于中小型數(shù)據(jù)中心,對(duì)于國標(biāo)A級(jí)數(shù)據(jù)中心,蓄冷罐釋冷時(shí)間不應(yīng)小于不間斷電源設(shè)備的供電時(shí)間,通常不小于15 min。

2) 蓄冷罐充放冷過程中在罐體內(nèi)會(huì)形成斜溫層,斜溫層有利于輸出溫度穩(wěn)定的低溫冷源,也有利于提高蓄冷罐充冷效率。

3) 相較于串聯(lián)系統(tǒng),蓄冷罐并聯(lián)系統(tǒng)管路及控制邏輯更加簡(jiǎn)單,可節(jié)省造價(jià)成本,也可避免串聯(lián)系統(tǒng)形式下恢復(fù)供電時(shí)空調(diào)末端短暫升溫的問題。