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【HVAC】​论文 | 数据中心研究:不间断供冷和蓄冷

本文来源: 菱泰能源 责任编辑: 发布日期:2020-04-24

引言

2018 年,国际正常运行时间协会(Uptime Institute,UI)发布了《国际正常运行时间协会全球数据中心调查》报告,对全球,包括中国在内的近900家数据中心运营商和IT从业者进行了年度调查。调查结果表明,几乎有一半的数据中心出现了宕机,这是一个高于预期的数字。根据此调查报告,UI同年发布了《宕机是常见的、代价是高昂的,而且是可以预防的》报告,报告中给出了2016年1月至2018年6月这些数据中心宕机的原因(见表1)。可以看出,停电是数据中心宕机的最主要原因,占比高达36%。
表1 数据中心宕机原因

宕机将导致巨大的经济损失,表2给出了调查对象数据中心宕机造成的不同程度经济损失占比。
表 2 数据中心宕机造成的经济损失占比

数据中心停电后依靠UPS向IT设备供电,直到柴油发电机启动开始供电。由于柴油发电机启动需要一定的时间,而由柴油发电机供电的冷水机组需要更长的启动时间,因此在此期间数据中心的温度将迅速上升,极有可能超过服务器运行的极限温度,导致宕机。 为防止温升导致的事故发生,各大公司和机构提出了多种措施,其中不间断供冷已经成为数据中心防止温升的一项关键技术,而蓄冷则是不间断供冷的一项重要措施。


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温升

近年来,全球数据中心的单机架功率密度逐步递增,随着单机架功率密度的增大,供冷中断引起的温升将增大。 表3给出了2018年单机架装机功率占比调查结果。

表3 2018年单机架装机功率密度占比

单机架的功率密度越大,供冷中断引起的温升将越快、越高,而且停机的时间也大大缩短。表4给出了不同功率密度下供冷中断时机柜的温升,按基准温度20 ℃计算温升。

表4 不同功率密度下供冷中断时的机柜温升

除了功率密度的增加,为了节能而提高冷水初温或增大冷水温差或提高送风温度也是导致在供冷中断时,数据中心温升增大的重要原因。

一种冷水机组停机到重新启动的房间温度、送风温度和架空地板内空气温度变化曲线,见图1。

图1 数据中心停电后机房内空气温度的变化


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启动时间
市电停电后,UPS首先启动,向IT 设备供电,也可向空调机组、水泵和冷却塔供电,同时柴油发电机启动。 根据国内的调查,柴油发电机从启火到发电稳定,约在几十秒到2~3min,考虑各种影响因素,稳定发电时间一般取3min。柴油发电机稳定发电后即可向制冷空调系统供电,剩下的问题就是冷水机组的启动时间,其达到额定制冷量的时间直接影响数据中心温升。
图2显示了由冷水机组制造公司提供的几种离心式冷水机组的启动和达到额定制冷量的时间分布曲线。

图2 不同形式的离心式冷水机组启动和达到额定制冷量的时间


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蓄冷

不间断供冷是数据中心的一项重要技术。 不间断供冷通常通过蓄冷实现。

目前蓄冷有3种方式:水蓄冷、冰蓄冷和相变材料蓄冷。目前应用最广的当属水蓄冷,由于冰蓄冷技术和产品越来越成熟,因此冰蓄冷与水蓄冷将成为数据中心蓄冷的2种可行的储能技术。

UI的规定是:A4是唯一需要不间断供冷的等级,此外,UI建议当机架的功率密度超过4kW/架时,无论是哪种等级都需要不间断供冷。

GB 50174—2017《数据中心设计规范》第7.4.1条规定:采用冷水空调系统的A级数据中心宜设置蓄冷设施,蓄冷时间应满足电子信息设备的运行要求。 第7.4.1条条文说明指出:“蓄冷设施有两个作用:一是在两路电源切换时,冷水机组需重新启动,此时空调冷源由蓄冷装置提供; 二是供电中断时,电子信息设备由不间断电源系统供电,此时空调冷源也由蓄冷装置提供”。因此,蓄冷装置供应冷量的时间宜与不间断电源设备的供电时间一致。蓄冷装置提供的冷量包括蓄冷槽和相关管道内的蓄冷量及主机房内的蓄冷量。

数据中心蓄冷的初衷是为了提供不间断供冷,但考虑到上架率的现状和冷水机组冗余量,尤其是当存在峰谷电价时,如果能利用闲置的冷水机组进行蓄冷,将大大降低数据中心的运行费用。利用峰谷电价差、辅助服务补偿等市场化机制促进储能的发展,目前国内已有多个省市重新制定了适用于蓄能的峰谷电价政策,峰谷电价差的进一步实施为数据中心蓄冷带来了更大的机遇。

3.1 水蓄冷

作为数据中心的应急冷源,水蓄冷的时间一般按照满足柴油发电机组转换时间考虑,国内通常设置为15min;如果存在峰谷电价,利用闲置的冷水机组在谷电时段进行蓄冷时,除了要考虑可用于蓄冷的冷水机组的数量(总冷量)外,还必须计算分析水蓄冷槽的可用空间,并进行经济分析,最终确定蓄冷量的大小。此时,水蓄冷系统同时具备应急冷源和空调蓄冷的功能,蓄冷时间一般为谷电时段。

空调系统管道(包括空调机组的表冷器)内的保有冷水量可以作为蓄冷槽的一部分,但是对于大中型数据中心,要统计计算不同管径、不同长度的保冷冷水管,以及不同空调机组的表冷器的保有水量十分困难;同样对于主机房内建筑围护结构、架空地板内冷空气及机柜的蓄冷量的确定也很困难,所以通常是将这两部分的蓄冷量作为总蓄冷量的安全系数来考虑。

数据中心水蓄冷系统的冷水系统有串联模式和并联模式(图3~5为原理图,图中省略了板式换热器、阀门等部件)。

图3 水蓄冷串联模式

图4 并联模式1

图5 并联模式2

国内尚未见到水蓄冷系统作为应急冷源的运行测试报告,但已有几个数据中心采用了水蓄冷系统,除作为应急冷源外,还向数据中心空调系统供冷,已经运行。

水蓄冷在我国已采用多年,积累了丰富的设计和运行经验,而在数据中心的应用只有几年,由于应用的建筑类型差异明显,因此还有待完善和实践。

3.2 冰蓄冷

由于内融冰盘管的融冰速度较慢,所以内融冰盘管冰蓄冷系统不宜作为数据中心的应急冷源,静态冰蓄冷一般采用外融冰盘管作为数据中心的应急冷源和部分空调冷源,国内已有数个数据中心投入使用。动态冰蓄冷系统融冰速度快、供水温度低、融冰曲线平缓,因此适合数据中心蓄冷使用,而动态冰蓄冷系统中的冰浆系统,由于效率高、体积小、故障率极低,性能明显优于制冰滑落式机组和过冷水制冰系统,已成为数据中心冰蓄冷系统的可选技术之一。

以下介绍一种已在国内数据中心使用的冰浆冰蓄冷(亦称流态冰)系统,其原理图如图6所示。

图6 直接蒸发式冰浆冰蓄冷系统原理

新建数据中心如果采用冰蓄冷,可以在冷水机组中配置一部分双工况冷水机组;而既有数据中心如果要增设冰蓄冷,则需要在原有的冷源基础上,将部分普通冷水机组更换为双工况冷水机组,在谷电段蓄冰,虽然可以减少数据中心的运行费用,但是需要进行详细的经济分析。


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工程实例经济分析 
广东省某数据中心,机架数为3000个,每个机柜功率为4kW。该建筑舒适性空调系统和数据中心空调系统采用不同冷源,数据中心设在建筑物中间部位,无建筑围护结构热负荷,所以数据中心空调负荷全年变化很小。
当地现行的冰蓄冷峰谷电价如表5所示。
表5 冰蓄冷峰谷电价

表6是常规供冷、水蓄冷和冰蓄冷的参数比较。

表6 常规供冷、水蓄冷和冰蓄冷的参数比较


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结语
停电是数据中心宕机的最主要原因,宕机将导致重大事故和巨大的经济损失。 数据中心停电后,由于柴油发电机和冷水机组启动时间的延迟,数据中心的温度将迅速上升,极有可能超过服务器运行的极限温度,导致宕机。随着单机柜功率密度的增加,供冷中断引起的温升将加速和增大。
不间断供冷是数据中心为了防止停电后导致供冷中断的一项重要技术,不间断冷却通常通过蓄冷实现。水蓄冷依然是不间断冷源的主要应用技术,而冰蓄冷尤其是动态冰蓄冷系统,由于诸多优越性,将在数据中心逐渐增加应用比例。
由于国内诸多数据中心的上架率难以在较短的时间内大幅度提升,同时国家发展和改革委员会要求各地完善峰谷电价形成机制,通过鼓励市场主体签订包含峰、谷、平时段价格和电量的交易合同,利用峰谷电价差、辅助服务补偿等市场化机制来促进储能的发展,多省市已经相继出台适用于蓄能的峰谷电价,因此数据中心的蓄冷已经不仅仅是一种应急冷源,在谷电期间如果能利用闲置的冷水机组蓄冷,将大大降低数据中心的运行费用。本文介绍的某数据中心的经济分析表明:利用备用机组作为蓄冷主机(冰蓄冷采用双工况主机),2种蓄冷方式的投资回收期均短于3.5a。数据中心究竟是采用水蓄冷还是冰蓄冷,是串联还是并联,必须根据实际情况进行详细的经济分析后方能确定。采用较高的冷水供水温度和冷水大温差时,除了应采用专门的大温差空调机组外,经济分析时还应该计算空调机组增加的成本和耗电量。
降低数据中心的运行费用是业内各专业共同努力的方向,不间断供冷的蓄冷系统除了承担安全性的任务外,在降低数据中心的运行费用方面如何发力是值得深入研究和不断实践的重大课题。
(全文刊登于《暖通空调》2020年第50卷第2期1~8页)

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