不間斷制冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心工程中的應(yīng)用
數(shù)據(jù)中心是為電子信息設(shè)備提供運(yùn)行環(huán)境的場(chǎng)所，在數(shù)據(jù)中心中需要安裝數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)通訊等多種IT設(shè)備。為保障IT設(shè)備正常有效的運(yùn)轉(zhuǎn)，保障業(yè)務(wù)順暢的進(jìn)行和服務(wù)及時(shí)的提供，還需要安裝為IT設(shè)備服務(wù)的電力、空調(diào)等相關(guān)設(shè)備及傳輸管路。
數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)中斷對(duì)不同的行業(yè)會(huì)造成不同程度的影響，例如導(dǎo)致公司銷(xiāo)售停頓、生產(chǎn)停止、服務(wù)無(wú)法正常提供等。來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)資料顯示，過(guò)去的5年內(nèi)，發(fā)生的13次服務(wù)器宕機(jī)導(dǎo)致了568h的服務(wù)中斷，造成了超過(guò)7170萬(wàn)美元的經(jīng)濟(jì)損失。IT設(shè)備的正常運(yùn)行，不僅依賴(lài)電氣、網(wǎng)絡(luò)等配套設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，也依賴(lài)空調(diào)系統(tǒng)不間斷可靠的運(yùn)行。以往數(shù)據(jù)中心規(guī)模不大，密度不高，機(jī)柜密度只有1kW/機(jī)柜~2kW/機(jī)柜，即使制冷偶爾中斷，對(duì)IT設(shè)備的運(yùn)行也沒(méi)有多大影響，因此數(shù)據(jù)中心的建設(shè)者往往忽略了制冷中斷的危害，只關(guān)注供電系統(tǒng)的設(shè)置。隨著科技進(jìn)步和時(shí)代發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來(lái)越大，機(jī)柜密度越來(lái)越高，一般為4kW/機(jī)柜~10kW/機(jī)柜，甚至高達(dá)30kW/機(jī)柜，一旦制冷中斷，服務(wù)器的進(jìn)風(fēng)溫度就會(huì)迅速攀升，可能只需要60s甚至更短時(shí)間（取決于熱密度），就會(huì)達(dá)到破壞性水平，引發(fā)宕機(jī)或設(shè)備毀損釀成事故。某一機(jī)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)不同負(fù)載條件下制冷方式發(fā)生中斷時(shí)，環(huán)境溫度的變化過(guò)程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，如圖1所示：
1制冷中斷時(shí)環(huán)境溫升過(guò)程圖
從圖1中可看到：制冷中斷引起的溫升和機(jī)柜密度為正相關(guān)，機(jī)柜密度越大，制冷中斷時(shí)溫度上升的速度越快。對(duì)于熱密度為1.5kW/m2（或4.8kW/R）的機(jī)柜，制冷中斷時(shí)環(huán)境溫度上升的速度較慢，因此短時(shí)制冷故障，可能不至于引起服務(wù)器故障。但很多新建數(shù)據(jù)機(jī)房的密度已經(jīng)超過(guò)該數(shù)值，當(dāng)熱密度達(dá)到3~4.5kW/m2（或9.6kW/R~14.4kW/R）時(shí)，制冷中斷時(shí)環(huán)境溫度上升的速度很快，制冷中斷在短時(shí)內(nèi)就可能引起服務(wù)器故障。此外，即使數(shù)據(jù)中心的環(huán)境溫度升高沒(méi)有引起宕機(jī)，依然可能對(duì)IT設(shè)備造成損害。這是因?yàn)槌鯥T設(shè)備制造商推薦的溫度范圍和變化率將會(huì)導(dǎo)致IT設(shè)備內(nèi)組件材料的過(guò)度擴(kuò)張和收縮。當(dāng)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的溫度達(dá)到極高數(shù)值時(shí)，有時(shí)會(huì)立即發(fā)生故障，且在大多數(shù)情況下故障并不易被察覺(jué)，需要幾天或幾周時(shí)間才得以顯現(xiàn)。在此期間，設(shè)備各項(xiàng)功能看似正常，但實(shí)際已經(jīng)受損，設(shè)備的可靠性開(kāi)始下降，處理能力開(kāi)始降低，故障發(fā)生率大大提高。
總之，短暫的制冷中斷對(duì)于低密度機(jī)房可能能夠容忍，但對(duì)于中高密度機(jī)房很可能會(huì)引起故障，甚至造成業(yè)務(wù)中斷。因此，為保證IT設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)可靠性要求高或密度較高的數(shù)據(jù)中心必須具有不間斷制冷的功能。
有部分業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，如果數(shù)據(jù)中心冷凍系統(tǒng)設(shè)有柴油發(fā)電機(jī)供電，就可以不采用不間斷制冷裝置，這種觀點(diǎn)是不正確的。事實(shí)上，當(dāng)電力故障引起制冷中斷時(shí)，由于自控系統(tǒng)響應(yīng)、柴油機(jī)啟動(dòng)、冷水機(jī)組和空調(diào)設(shè)備重新啟動(dòng)都需要一定時(shí)間，從制冷中斷到重新恢復(fù)往往需要5~15min，有些系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低，部分操作需要人為判斷，時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，這種情況下機(jī)房溫度必然上升造成危害，因此僅僅配備柴油發(fā)電機(jī)并不能保證不間斷供冷。
不同的系統(tǒng)，制冷中斷后再恢復(fù)的過(guò)程也是不同的，恢復(fù)時(shí)間也有區(qū)別。對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心常用的離心式水冷供冷系統(tǒng)制冷中斷時(shí)，冷水機(jī)組重新啟動(dòng)到恢復(fù)事故前狀態(tài)所需的時(shí)間在制冷系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間中權(quán)重最大，這也是針對(duì)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，很多冷水機(jī)組生產(chǎn)商不斷開(kāi)發(fā)快速啟動(dòng)型設(shè)備的重要原因。圖2是某離心式冷水機(jī)組廠商提供的不同類(lèi)型的冷水機(jī)組重啟期間供水溫度變化曲線。從圖2可以看到，標(biāo)準(zhǔn)配置的冷水機(jī)組重新啟動(dòng)到恢復(fù)正常供水溫度需要13min左右；配備了快速啟動(dòng)模塊的離心式冷水機(jī)組，重新啟動(dòng)到恢復(fù)正常供水溫度僅需3min~5.5min。盡管配備快速啟動(dòng)模塊的冷水機(jī)組的恢復(fù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組，但仍然無(wú)法滿(mǎn)足中高密度數(shù)據(jù)中心對(duì)不間斷制冷的要求。
圖2 不同類(lèi)型的冷水機(jī)組重啟期間供水溫度變化曲線
總之，當(dāng)制冷系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間無(wú)法滿(mǎn)足IT設(shè)備需求時(shí)，不間斷制冷裝置的配備就顯得至關(guān)重要。對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷恢復(fù)時(shí)間將直接影響不間斷制冷裝置的選擇。
所謂不間斷制冷（continuous cooling）是指數(shù)據(jù)機(jī)房始終保持正常的溫濕度，不受任何事件影響。數(shù)據(jù)機(jī)房是否需要采用不間斷制冷裝置，主要依賴(lài)于數(shù)據(jù)中心的可靠性級(jí)別和用電密度。國(guó)際正常運(yùn)行時(shí)間協(xié)會(huì)（The Uptime Institute）是一家致力于為數(shù)據(jù)中心行業(yè)提供認(rèn)證、信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究、技術(shù)咨詢(xún)等服務(wù)的會(huì)員組織。該組織率先提出數(shù)據(jù)中心的4級(jí)（tier1-tier4）分類(lèi)方法，在業(yè)內(nèi)影響深遠(yuǎn)，其發(fā)布的白皮書(shū)對(duì)不同級(jí)別數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施配置有明確要求，詳見(jiàn)表1。在白皮書(shū)中，要求TIER4級(jí)別的機(jī)房必須設(shè)置不間斷制冷設(shè)施，tier1-tier3級(jí)別的機(jī)房應(yīng)該根據(jù)熱密度確定是否采取不間斷制冷設(shè)施，通常機(jī)柜平均密度大于6kW/rack的數(shù)據(jù)中心應(yīng)采取不間斷制冷措施，對(duì)于冷凍水系統(tǒng)應(yīng)配置包括設(shè)置蓄冷罐、精密空調(diào)風(fēng)機(jī)和冷凍水循環(huán)泵采用UPS供電（冷凍水系統(tǒng)采用一二次泵系統(tǒng)時(shí)，僅為二次泵配備UPS供電即可）。
我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2017將數(shù)據(jù)中心分為A，B，C共3個(gè)級(jí)別，通常認(rèn)為tier1對(duì)應(yīng)C級(jí)機(jī)房，tier2對(duì)應(yīng)B級(jí)機(jī)房，tier3和tier4對(duì)應(yīng)A級(jí)機(jī)房。盡管該規(guī)范沒(méi)有涉及不間斷制冷的相關(guān)內(nèi)容，但國(guó)內(nèi)很多設(shè)計(jì)單位和數(shù)據(jù)中心建設(shè)者都已關(guān)注到不間斷制冷設(shè)施的重要性，并在實(shí)施中配置了相關(guān)設(shè)施。
表1 不同級(jí)別數(shù)據(jù)中心的的基礎(chǔ)設(shè)施配置要求
制冷系統(tǒng)的類(lèi)型與不間斷制冷也有一定關(guān)聯(lián)，采用分體式機(jī)房空調(diào)的數(shù)據(jù)中心很難實(shí)現(xiàn)不間斷制冷，這是因?yàn)轱L(fēng)冷直膨（DX）空調(diào)系統(tǒng)在每臺(tái)空調(diào)設(shè)備（CRAC）內(nèi)都裝設(shè)壓縮機(jī)，通過(guò)UPS系統(tǒng)為壓縮機(jī)提供電力，成本太高，目前尚未發(fā)現(xiàn)實(shí)施案例。而冷凍水系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)不間斷制冷，這時(shí)機(jī)房空調(diào)不配備壓縮機(jī)，無(wú)需分離空調(diào)風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的電源，通過(guò)在冷凍水管路的適當(dāng)位置接入冷凍水儲(chǔ)罐，可以方便地儲(chǔ)存冷凍水，從而實(shí)現(xiàn)蓄冷和不間斷供冷。采用此系統(tǒng)時(shí)，CRAH的風(fēng)機(jī)和冷凍水循環(huán)泵需UPS供電。制冷中斷時(shí)，由蓄冷罐和水泵為系統(tǒng)提供溫度穩(wěn)定的冷凍水，蓄冷罐的大小應(yīng)按制冷中斷后，所需的連續(xù)供冷時(shí)間確定。連續(xù)供冷時(shí)間既要滿(mǎn)足冷凍水系統(tǒng)中斷到重新恢復(fù)的過(guò)程，也要滿(mǎn)足業(yè)務(wù)必須中斷時(shí)，IT設(shè)備需要的安全維護(hù)過(guò)程，實(shí)際案例中，蓄冷罐供冷時(shí)間通常會(huì)選擇和蓄電池的供電時(shí)間一致，這是因?yàn)樾罾涔拊谥评湎到y(tǒng)中的作用與蓄電池在UPS系統(tǒng)中的作用相當(dāng)。
為了滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心工程對(duì)不間斷制冷的要求，往往需要用到空調(diào)蓄冷技術(shù)。數(shù)據(jù)中心工程蓄冷裝置通常規(guī)模不大，只是用于保證制冷系統(tǒng)短時(shí)故障期間的供冷，但瞬時(shí)用冷量很大，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)中心的熱負(fù)荷較高。民用建筑常用的冰蓄冷技術(shù)，由于融冰速度有限，不適用于數(shù)據(jù)中心要求快速釋放儲(chǔ)存能量的要求，在數(shù)據(jù)中心行業(yè)很少采用。水蓄冷技術(shù)廣泛用于數(shù)據(jù)中心工程，水蓄冷可以采用開(kāi)式和閉式2種方式，在數(shù)據(jù)中心不間斷制冷領(lǐng)域都有應(yīng)用。開(kāi)式蓄冷系統(tǒng)技術(shù)成熟、控制簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低，冷凍水的分層效果也較好，為多數(shù)大規(guī)模數(shù)據(jù)中心所選用。但開(kāi)式蓄冷罐體積較大，設(shè)置在園區(qū)時(shí)會(huì)對(duì)總平面布置有一定影響，需要總體考慮園區(qū)規(guī)劃并與建筑外觀相協(xié)調(diào)。此外，對(duì)于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目，為了系統(tǒng)運(yùn)行可靠常將開(kāi)式蓄冷罐用作系統(tǒng)的定壓點(diǎn)，這就要求其液位高度高于系統(tǒng)最高點(diǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)中心為多層建筑形式時(shí)需要蓄冷罐高度較高，罐體直徑只能根據(jù)功能需要確定，從而影響蓄冷效率和設(shè)備造價(jià)。數(shù)據(jù)中心采用的開(kāi)式蓄冷罐水容積多為300m3~1000m3，開(kāi)式蓄冷罐+一二次泵的空調(diào)系統(tǒng)示意圖如圖3所示，開(kāi)式蓄冷罐外觀圖如圖4所示。
圖3 開(kāi)式蓄冷罐+一二次泵空調(diào)系統(tǒng)圖
圖4 開(kāi)式蓄冷罐外觀圖
閉式蓄冷罐可以設(shè)置在建筑內(nèi)，不會(huì)影響園區(qū)的美觀。但由于閉式蓄冷罐需要承受一定壓力，材質(zhì)要求和施工難度相對(duì)較高，造價(jià)相對(duì)較高，但單體容積一般比較小。此外，由于閉式蓄冷罐罐體承壓、單體容積不大的特點(diǎn)，導(dǎo)致其布水器設(shè)計(jì)制造存在比開(kāi)式蓄冷罐更多的困難，當(dāng)布水器配置不完善時(shí)，罐內(nèi)的冷溫水混合現(xiàn)象較嚴(yán)重，達(dá)不到穩(wěn)定的斜溫層，蓄冷效率就會(huì)較低，僅適用于中小規(guī)模數(shù)據(jù)中心不間斷制冷要求，通常蓄冷罐水容積為100立方米~400立方米。
數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)往往考慮了未來(lái)10年~15年的發(fā)展，因此用冷和用電都是分期分步實(shí)施的，一開(kāi)始負(fù)荷不高，隨著業(yè)務(wù)發(fā)展逐步提升，最終達(dá)到設(shè)計(jì)容量。因此在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)初期，IT負(fù)荷不高時(shí)，容積較大的蓄冷罐還可以作為冷量調(diào)節(jié)的一個(gè)緩沖容器。除蓄冷罐外，設(shè)置不間斷供冷裝置的制冷系統(tǒng)在冷機(jī)選擇、系統(tǒng)設(shè)置、自控要求等方面也要仔細(xì)分析，既要保證制冷中斷期間，供冷的連續(xù)性，還要確保系統(tǒng)在蓄冷罐再次充冷期間和日常運(yùn)行期間的安全運(yùn)行。
綜上所述，面對(duì)高密度機(jī)房的發(fā)展趨勢(shì)，配置不間斷制冷設(shè)施，確保在電力中斷或其它原因引起的制冷中斷期間，IT設(shè)備仍可安全運(yùn)行，是建設(shè)方和設(shè)計(jì)單位必須考慮的重要問(wèn)題。數(shù)據(jù)中心不間斷制冷裝置的具體設(shè)施應(yīng)根據(jù)熱密度和可靠性的要求選擇配備。對(duì)于廣泛采用的冷凍水系統(tǒng)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)用地情況、園區(qū)規(guī)劃、造價(jià)等因素綜合考慮，可選擇開(kāi)式蓄冷或閉式蓄冷，以適應(yīng)數(shù)據(jù)中心對(duì)不間斷制冷的要求。
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