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      淺談水蓄冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

      2021-12-16 03:17:28趙澤王浩楊新春胡宇陽崔杰
      工程技術(shù)與管理 2021年22期
      關(guān)鍵詞:水蓄開式供冷

      趙澤 王浩 楊新春 胡宇陽 崔杰

      中國農(nóng)業(yè)銀行數(shù)據(jù)中心,中國·北京 100095

      1 引言

      為保障IT 設(shè)備正常運行,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,對數(shù)據(jù)中心而言,即使短暫的供冷中斷,也會給IT 設(shè)備帶來宕機的風險。相關(guān)研究結(jié)果表明[1,2],當IDC 機房的熱密度在3~4.5kW/m2時,機柜的平均進風溫度在5min 內(nèi)將升到15℃~28℃。市電故障停電時,首先UPS 通過蓄電池向IT 設(shè)備供電,同時啟動柴油發(fā)電機,柴油發(fā)電機穩(wěn)定后即可向耗電設(shè)備供電。文獻[3]統(tǒng)計了幾種數(shù)據(jù)中心常見的離心式制冷機組從啟動到達到額定制冷量所需時間,并認為從柴油發(fā)電機啟動到制冷機組平穩(wěn)啟動的時間間隔可達30min,這段時間若無應(yīng)急制冷,IDC 機房溫度將急劇上升并導(dǎo)致宕機。可見,對數(shù)據(jù)中心而言,設(shè)置合理的應(yīng)急冷源對保證IDC 機房設(shè)備安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

      2 水蓄冷原理和分類

      圖1為單罐蓄冷系統(tǒng),充冷時,冷凍水通過蓄冷罐底部的布水器進入,回水通過位于蓄冷罐頂部的布水器離開,放冷時其方向恰好相反。通常冷凍水進水與水箱中溫度較高的水混合,會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,其起到阻止上下冷熱水進一步混合的作用。在蓄冷罐充冷、放冷過程中,斜溫層會增厚。實際應(yīng)用中,為實現(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)高效運行最為經(jīng)濟、高效的方法,也是當前數(shù)據(jù)中心應(yīng)用最廣泛的形式。

      圖1 單冷罐水蓄冷系統(tǒng)示意圖

      按蓄冷罐是否與大氣直接連通,水蓄冷系統(tǒng)分為開式和閉式兩種。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,對罐體材質(zhì)的要求較高,其造價也相對高,可將其通過串聯(lián)或并聯(lián)的方式接入空調(diào)系統(tǒng)中。對開式系統(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),其他國家某數(shù)據(jù)中心的開式蓄冷罐外觀如圖2所示。開式蓄冷罐造價較低,可通過并聯(lián)方式將其接入空調(diào)系統(tǒng),工程中常將開式蓄冷罐兼作系統(tǒng)定壓點,并要求其液位高度高于建筑物中水系統(tǒng)最高點。

      圖2 某數(shù)據(jù)中心開式蓄冷罐外觀圖

      3 水蓄冷的主要實施方案

      根據(jù)蓄冷罐與空調(diào)水系統(tǒng)的連接方式,水蓄冷實施方案分為一次泵串聯(lián)閉式罐、一次泵并聯(lián)閉式/開式罐、二次泵串聯(lián)閉式罐、二次泵并聯(lián)閉式/開式罐等,其中一次泵串聯(lián)閉式罐方案、二次泵并聯(lián)開式罐方案應(yīng)用最為廣泛,其控制策略與實施方案如下所示。

      3.1 一次泵串聯(lián)閉式罐方案

      一次泵串聯(lián)閉式罐方案示意圖見圖3。

      圖3 一次泵串聯(lián)閉式罐方案示意圖

      a.冷水機組正常供冷,閥門V3、V6關(guān)閉,V1、V2、V4、V5開啟,冷凍水泵P1開啟,主機向末端供冷。

      b.斷電后,冷水機組停止運行,UPS 為水泵P1供電,閥門V1、V2、V6開啟,V3、V4、V5關(guān)閉,蓄冷罐作應(yīng)急冷源向末端供冷。

      c.釋冷完畢后蓄冷階段,開啟閥門V1、V2、V4、V5,關(guān)閉V6,調(diào)節(jié)V3開度,使冷水機組向末端供冷的同時蓄冷罐蓄冷。

      d.在主機進出口設(shè)置溫度、壓力、流量傳感器,監(jiān)控進出水參數(shù),同時在蓄冷罐內(nèi)部設(shè)置溫度傳感器,監(jiān)測蓄冷罐內(nèi)部水溫。

      3.2 二級泵并聯(lián)開式罐

      二級泵并聯(lián)開式罐方案示意圖見圖4。

      圖4 二級泵并聯(lián)開式罐方案示意圖

      a.冷機供冷與蓄冷罐蓄冷時,閥門V1、V2、V3、V4、V5開啟,水泵P1、Pb開啟,蓄冷罐與系統(tǒng)并聯(lián)運行,主機向末端供冷同時蓄冷罐蓄冷。

      b.根據(jù)蓄冷罐水溫調(diào)節(jié)V3、V4,閥門V5開啟,當蓄冷罐內(nèi)溫度高于設(shè)定值時向蓄冷罐補冷。

      c.斷電后,冷機停止運行,閥門V3、V4、V5開啟,V1、V2關(guān)閉,UPS 為水泵Pb供電,水泵P1關(guān)閉,蓄冷罐單獨供冷。

      d.冷機進出口設(shè)置溫度、壓力、流量傳感器,監(jiān)控其進出水參數(shù),同時在蓄冷罐內(nèi)設(shè)置溫度傳感器,檢測蓄冷罐內(nèi)水溫變化。

      4 水蓄冷設(shè)計及運行技術(shù)要點

      第一,水蓄冷系統(tǒng)設(shè)計、運行中,應(yīng)優(yōu)化末端空調(diào)或水泵的運行邏輯,增加蓄冷供回水溫差。文獻[4]表明溫差較大時,斜溫層更加穩(wěn)定,其波動更小,溫度分層更為明顯。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,有助于蓄冷效率的提升。

      第二,多臺蓄冷罐并聯(lián)工作時,無論與空調(diào)水系統(tǒng)呈并、串聯(lián)連接,均應(yīng)注意水力平衡問題,可通過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題。

      第三,斜溫層厚度是反映蓄冷能力的重要參數(shù),在設(shè)計階段應(yīng)通過數(shù)值模擬方式確定斜溫層厚度,在運維初期應(yīng)測試充放冷斜溫層厚度。

      第四,對于開式蓄冷系統(tǒng),一般蓄冷罐高度應(yīng)高于建筑物系統(tǒng)最高點,如項目受客觀條件限制,無法保證蓄冷罐高度高于建筑物高度時,應(yīng)在管路設(shè)置背壓閥,以保證水系統(tǒng)維持正壓[5]。

      第五,對開式蓄冷方式,蓄冷罐內(nèi)的液面和大氣會通過溢流口和檢修孔的空隙等細小通道流通產(chǎn)生細微的接觸。為減少這種細小流通造成的水污染,降低蓄能水罐空氣溶解率,減少對設(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

      論文簡述了數(shù)據(jù)中心的制冷需求,對水蓄冷原理、分類及常見的水蓄冷實施方案作了詳細的描述,并總結(jié)了水蓄冷系統(tǒng)在設(shè)計、運維方面的工程經(jīng)驗和技術(shù)要點,結(jié)論如下:

      ①在市電—柴油發(fā)電機切換的時間內(nèi),若無應(yīng)急冷源供冷,高功率密度機架的機柜溫度將急劇升高,數(shù)秒鐘內(nèi)可導(dǎo)致宕機等事故。

      ②防止冷凍水與回流溫水混合、減小斜溫層的厚度,對水蓄冷系統(tǒng)的高效運行尤為關(guān)鍵。

      ③工程設(shè)計與運維中,可通過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。

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