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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
表6是常规供冷、水蓄冷和冰蓄冷的参数比较。