數(shù)據(jù)中心蓄冷技術(shù)的應(yīng)用

王泉

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）描述，數(shù)據(jù)中心專設(shè)大量的存儲(chǔ)、交換、計(jì)算的電子信息設(shè)備，其內(nèi)部運(yùn)行環(huán)境需要相對恒溫恒濕。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部包括IT 機(jī)房、輔間（控制中心、維修間等）、支持區(qū)（電力室、柴油發(fā)電機(jī)房、空調(diào)機(jī)房、鋼瓶間、消防泵房等）和行政管理區(qū)（辦公室、值班室）等[1]。數(shù)據(jù)中心區(qū)別與普通民用建筑，其空調(diào)系統(tǒng)需要全年不間斷制冷運(yùn)行，保證IT 設(shè)備及輔助設(shè)備的散熱，其空調(diào)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)造成室內(nèi)設(shè)備的溫度迅速上升，并在短時(shí)間內(nèi)超過IT 設(shè)備所能承受的能力，造成設(shè)備的宕機(jī)?？照{(diào)系統(tǒng)中增設(shè)水蓄冷設(shè)備，能保證電源中斷空調(diào)主機(jī)中斷制冷的情況下，末端空調(diào)維持一段時(shí)間的制冷。本文對蓄冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心中的應(yīng)用運(yùn)行進(jìn)行了探討。

1 蓄冷系統(tǒng)設(shè)置

1.1 蓄冷系統(tǒng)的分類

當(dāng)冷量以顯熱或者潛熱的形式儲(chǔ)存在某種介質(zhì)中，并能在需要時(shí)釋放冷量的空調(diào)系統(tǒng)稱為蓄冷系統(tǒng)。蓄冷技術(shù)按照介質(zhì)可分為水蓄冷和冰蓄冷。冰蓄冷空調(diào)是運(yùn)用相變儲(chǔ)冷的原理將水制成冰，在使用時(shí)將冰融化釋放冷量的空調(diào)系統(tǒng)。水蓄冷空調(diào)是將冷量儲(chǔ)存在冷凍水中，使用時(shí)再釋放出儲(chǔ)存冷凍水的空調(diào)系統(tǒng)[2]。水蓄冷與冰蓄冷的比較如表1 所示。

表1 水蓄冷與冰蓄冷的比較

相對水蓄冷來說，冰蓄冷的冷水溫度低，制冷機(jī)組耗電量大，需要配置獨(dú)立運(yùn)行的制冰機(jī)組，技術(shù)要求高，因此考慮到數(shù)據(jù)中心的節(jié)能性和可靠性，一般數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)均采用水蓄冷的方式。

1.2 蓄冷系統(tǒng)的應(yīng)用

依據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017），把數(shù)據(jù)中心劃分為A、B、C 三級。A 級數(shù)據(jù)中心是最高級別，涉及國計(jì)民生的機(jī)房。A 級數(shù)據(jù)中心中斷運(yùn)行將造成嚴(yán)重社會(huì)負(fù)面影響，因此A 級數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)具有容錯(cuò)性要求，空調(diào)設(shè)備例如冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵、末端空調(diào)等需要按照N+X（1-N）冗余要求配置。由于空調(diào)系統(tǒng)都以電力為動(dòng)力，當(dāng)發(fā)生斷電時(shí)，設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮失電時(shí)空調(diào)系統(tǒng)仍能保持正常運(yùn)行的方式。

當(dāng)發(fā)生電力中斷時(shí)，單機(jī)架功率為10kW 的數(shù)據(jù)中心服務(wù)器在6min 內(nèi)會(huì)因過熱而導(dǎo)致宕機(jī)，單機(jī)架功率為5kW 的服務(wù)器到過熱關(guān)機(jī)也僅能堅(jiān)持8min。當(dāng)電力中斷后，柴油發(fā)電機(jī)作為后備電力，其啟動(dòng)時(shí)間一般為2～3min?？照{(diào)系統(tǒng)冷水機(jī)組在電力中斷后壓縮機(jī)會(huì)恢復(fù)到初始開機(jī)狀態(tài)，形成故障保護(hù)，當(dāng)電力恢復(fù)后重啟冷水機(jī)組，從啟動(dòng)到滿負(fù)荷輸出一般為5～10min。油機(jī)啟動(dòng)時(shí)間加上空調(diào)冷水機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間的因素，導(dǎo)致電力中斷后，再啟動(dòng)備用電源會(huì)有一段時(shí)間供冷的缺失，而供冷缺失的這段時(shí)間，服務(wù)器會(huì)發(fā)生過熱宕機(jī)的情況，因此在數(shù)據(jù)中心水冷空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置了水蓄冷設(shè)備，來保證柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)到冷水機(jī)組重新滿負(fù)荷運(yùn)行這段時(shí)間內(nèi)的供冷，通常水蓄冷時(shí)間按照15～20min的冷凍水量設(shè)計(jì)。

1.3 蓄冷模式的選擇

常用的有兩種蓄冷模式：閉式壓力蓄冷罐和開式定壓蓄冷罐。閉式蓄冷罐是壓力罐，屬于壓力容器，與空調(diào)系統(tǒng)末端串聯(lián)或者并聯(lián)。開式蓄冷罐為常壓水罐，與冷凍水空調(diào)系統(tǒng)中的平衡管連接相似，與末端空調(diào)并聯(lián)使用，開式蓄冷罐內(nèi)的水位要比系統(tǒng)末端最高點(diǎn)高出1m，頂部設(shè)有通氣管與大氣相連，并配有氮封裝置，因此開式蓄冷罐可為系統(tǒng)定壓，開式蓄冷罐投入運(yùn)行后，系統(tǒng)可停用定壓補(bǔ)水設(shè)備[3]。

對于空調(diào)冷凍水一級泵系統(tǒng)，蓄冷罐與冷水機(jī)組串聯(lián)，此種設(shè)置方式蓄冷罐內(nèi)的壓力為空調(diào)水系統(tǒng)定壓泵壓力與空調(diào)冷凍水水泵的壓力之和。定壓泵的壓力為空調(diào)冷凍水系統(tǒng)最低點(diǎn)（冷凍水泵吸入口）與末端空調(diào)最高點(diǎn)的高度差外加5～10m 的余量。通常一棟四層數(shù)據(jù)中心樓一級泵系統(tǒng)的冷凍水循環(huán)泵的揚(yáng)程在40m 左右，定壓泵的壓力在30m 左右，空調(diào)水系統(tǒng)的壓力則達(dá)到70m，若開式蓄冷罐串聯(lián)接入空調(diào)水系統(tǒng)系統(tǒng)，那么開式蓄冷罐的高度要達(dá)到70m，這種方式實(shí)際是無法實(shí)現(xiàn)的，因此通?？照{(diào)一級泵系統(tǒng)選擇閉式蓄冷罐。

如果一級泵系統(tǒng)偏要選擇開式蓄冷罐，則必須設(shè)置換熱器將蓄冷罐與空調(diào)冷凍水系統(tǒng)隔開，這樣開式蓄冷罐的高度就不受建筑高度影響，但這種配置方式會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱溫差，通常板式換熱器的溫差在1.5℃左右，蓄冷罐釋冷時(shí)的冷水與系統(tǒng)冷凍水換熱后，由于換熱效率的因素，冷凍水溫度會(huì)高于設(shè)計(jì)溫度，導(dǎo)致空調(diào)制冷效果變差，制冷量降低，末端空調(diào)若要正常運(yùn)行則需要增大盤管面積，不利于投資，或者再次降低冷凍水溫度，不利于節(jié)能。因此在數(shù)據(jù)中心一級泵空調(diào)水系統(tǒng)中，采用串聯(lián)蓄冷罐接入系統(tǒng)，則選擇閉式蓄冷罐[4]。

對于空調(diào)二級泵系統(tǒng)，閉式蓄冷罐和開式蓄冷罐均可運(yùn)用，蓄冷罐設(shè)置在平衡管上，與末端空調(diào)設(shè)備并聯(lián)，起到調(diào)節(jié)一級泵與二級泵之間的流量平衡的作用，冷水機(jī)組的蒸發(fā)側(cè)冷凍水流量恒定。開式罐蓄冷罐可為水系統(tǒng)定壓，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，定壓罐可退出系統(tǒng)作為備用。

在多層數(shù)據(jù)中心常采用開式蓄冷罐方式，既可以為系統(tǒng)定壓，又可以放在室外，節(jié)省室內(nèi)空間。但在高層數(shù)據(jù)中心，如果用開式蓄冷罐，則開式蓄冷罐的高度必須高于建筑末端空調(diào)最高點(diǎn)，高徑比過大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，因此采用閉式蓄冷罐接入系統(tǒng)。閉式蓄冷罐串聯(lián)進(jìn)平衡管，為補(bǔ)償蓄冷罐的冷量損失，平時(shí)運(yùn)行調(diào)節(jié)電動(dòng)閥開度緩慢充冷保持冷水溫度達(dá)到低溫需求，電路中斷后蓄冷罐釋冷，供末端空調(diào)應(yīng)急使用。

1.4 蓄冷高效節(jié)能方式

構(gòu)造合理的蓄冷罐能夠使冷水與熱回水不會(huì)因混合導(dǎo)致冷水溫度升高，蓄冷效率降低，通常解決方法有有以下兩種。

（1）多蓄冷罐串接法。在系統(tǒng)中設(shè)置多個(gè)蓄冷罐，分別儲(chǔ)存冷水和熱回水，將各個(gè)蓄冷罐串聯(lián)，保持其中一個(gè)罐是空的，蓄冷或釋冷時(shí)水流依次倒空。系統(tǒng)為蓄冷狀態(tài)時(shí)，冷凍水從第一個(gè)蓄冷罐的底部進(jìn)水口充水，熱水從頂部出水口流出經(jīng)過管路從第二個(gè)罐的底部進(jìn)水口進(jìn)入，第二個(gè)罐繼續(xù)充冷水，熱水從第二罐的頂部出水口流出送到第三個(gè)罐的底部進(jìn)水口，順次充水，最后將罐充滿，留一個(gè)空罐釋冷時(shí)回流熱水用。系統(tǒng)為釋冷狀態(tài)時(shí)，底部的冷水進(jìn)水口變出水口，頂部的熱水出水后變進(jìn)水口，水流方向與蓄冷狀態(tài)相反。熱回水從最后一個(gè)罐的頂部充水，冷水從第一個(gè)罐的底部釋放，最終留一個(gè)空管蓄冷時(shí)充冷水用。這種方法使得冷水和熱水完全分隔，不會(huì)因冷熱水混合而影響冷水溫度升高，蓄冷效率降低。同時(shí)這種多蓄冷罐的方式方便罐體隔絕檢修維護(hù)，不影響系統(tǒng)運(yùn)行，缺點(diǎn)是初投資較高，蓄冷系統(tǒng)管路較多，控制系統(tǒng)較復(fù)雜[5]。圖1 為多蓄冷罐方法。

圖1 多蓄冷罐方法

（2）利用冷熱水密度差自然分層。這種水蓄冷系統(tǒng)構(gòu)造簡單，通常設(shè)置一個(gè)或多個(gè)蓄冷罐。在蓄冷狀態(tài)時(shí)，冷水從一個(gè)或多個(gè)罐體的底部布水器同時(shí)充水，熱水從罐體的頂部流出到系統(tǒng)回水管。在釋冷狀態(tài)時(shí)，水流方向與蓄冷相反，冷水從蓄冷罐底部釋放至系統(tǒng)負(fù)荷末端管路，熱回水從蓄冷罐頂部布水器同時(shí)充水。蓄冷罐內(nèi)部形成上層為熱水，下層為冷水的狀態(tài)，不同水溫密度的不同使得冷熱水自然分層，因此可以避免冷水與熱水的混合。缺點(diǎn)是在上層熱水與下層冷水的中間地帶會(huì)出現(xiàn)斜溫層（溫度過度層）的少量冷熱水混合，蓄冷效率不及多蓄冷罐串接法，如果布水器構(gòu)造設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定斜溫層厚度，蓄冷效率也會(huì)很理想。這種自然分層法結(jié)構(gòu)簡單，投資較低，蓄冷效率較高，是絕大多數(shù)水蓄冷模式的首選[6]。

水的密度與溫度有關(guān)，水在4℃以上時(shí)隨著溫度升高而密度越小，水溫在4℃以下0℃以上時(shí)，隨著溫度升高而密度越大，因此水的溫度在4℃時(shí)的密度最大。水蓄冷系統(tǒng)中的冷水通常溫度都高于4℃，數(shù)據(jù)中心水冷系統(tǒng)為了提高制冷機(jī)效率，充分利用自然冷源，將冷水溫度提高至14℃，甚至高達(dá)18℃，熱回水溫度通常達(dá)到20～27℃，在水蓄冷罐中實(shí)現(xiàn)冷水在下，熱水在上的自然分層。自然分層水蓄冷原理如圖2 所示。

圖2 自然分層水蓄冷原理

2 工程實(shí)例

某數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)冷負(fù)荷為4207kW，采用4（3+1）臺風(fēng)冷冷凍水機(jī)組，每臺額定冷量為1490kW?？照{(diào)冷凍水系統(tǒng)設(shè)置了水蓄冷罐，用來保證電源中斷空調(diào)主機(jī)中斷制冷的情況下的連續(xù)供冷。蓄冷罐的容積計(jì)算如式（1）所示。

式中Q總——蓄冷罐總蓄冷量，kW·h；Q——制冷量，kW；h——蓄冷時(shí)間，取15min。

蓄冷水容積可按照總蓄冷量計(jì)算，如式（3）所示。

公式中：V1——系統(tǒng)需要的冷凍水量，m3；Q總——蓄冷罐總蓄冷量，KWh；Δt——冷凍水供回水溫差，供回水溫 度 為15/21℃，Δt 取6℃；ρ——蓄 冷 水 密 度，取1000kg/m3；cp——蓄冷水比熱容，取4.18kj/（kg·℃）；FOM——蓄冷水槽的完善度，取94%；η——蓄冷水槽的有效利用率，取95%。

該數(shù)據(jù)中心為一級泵空調(diào)系統(tǒng)，選用閉式水蓄冷罐與系統(tǒng)串聯(lián)，冷凍水系統(tǒng)管路也可作為蓄冷容積的一部分，管路中的冷凍水容積計(jì)算如式（5）所示。

公式中：V2——管道中冷凍水容積；R2——管道半徑，m；L——管道長度，m。

根據(jù)暖通圖紙統(tǒng)計(jì)DN300 管道長度約451m，DN200 管道長度約654m，DN150 管道長度約1344m，DN100 管道長度約34m，DN80 管道長度約941m。

管道中冷凍水容積為94.753m3，蓄冷罐的所需要的設(shè)計(jì)容積為179.62-94.753=84.867m3.

該項(xiàng)目選用了一臺有效容積為100m3的閉式臥式水蓄冷罐，罐體長度為10.8m，罐體直徑為3.6m，工作壓力為0.4MPa～1.6MPa，放在一層制冷站內(nèi)。

3 結(jié)語

水蓄冷只應(yīng)用在水系統(tǒng)空調(diào)上，隨著數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，不間斷供冷的方式也會(huì)日新月異。未來高密度數(shù)據(jù)中心、不同氣候地區(qū)、不同空調(diào)系統(tǒng)在蓄冷方式的應(yīng)用上也會(huì)不同，未來對蓄冷方式的探討還要繼續(xù)深入研究。