數據中心蓄冷式應急制冷系統

數據中心作為信息通訊的中樞，持續運轉的服務器將產生大量的熱量,若不及時將熱量排出,聚集的熱量將會引起服務器高溫，從而影響設備穩定運行。

精密空調系統作為數據中心制冷的重要基礎平臺系統，是數據中心安全、穩定運行的保障。但是在實際運行過程中,空調系統并無法保證“全勤”，空調系統偶然的故障 或者電力供應問題均有可能導致空調系統停機?？照{系統從停機到再次恢復工作需要一定的響應時間，在該時間段內，服務器依舊處于工作狀態，此時仍需要對機房溫度進行控制，所以在除了原有空調系統外，還需配備額外的制冷系統，即數據中心的應急制冷系統。

應急制冷系統，顧名思義，是在緊急狀況下對數據中心進行控溫的制冷系統。在主空調系統因故障發生短暫停機時，應急制冷系統可立即"接管”控溫的工作。因而也被譽為數據中心的第二道"保險”。對大功率、高熱流密度的數據中心而言，配備應急制冷系統可進一 步提高系統運行的可靠性。

① 蓄冷式應急制冷系統簡介

蓄冷式應急制冷系統其原理是通過質將數據中心空調系統運行中的冷量進行儲藏，在需要時再將冷量釋放出來用于數據中心制冷需求。根據蓄冷介質的不同，目前蓄冷系統主要分為蓄水和蓄冰兩種模式，水蓄冷系統是利用水的顯熱儲存冷量(圖1) ，而冰蓄冷系統是利用相變潛熱來儲存冷量(圖2)。與冰蓄冷相比，水蓄冷單位體積內的蓄冷量較小，所需蓄冷罐容積較大。盡管如此，水蓄冷依然是數據中心常用的蓄冷形式。

圖1：水蓄冷系統示意圖

為什么選擇水蓄冷而不選擇冰蓄冷呢?數據中心蓄冷裝置用于保證制冷系統短時故障期間的供冷,其瞬時用冷量很大，于冰蓄冷技術的融冰速度有限，不適用于數據中心快速釋放儲存冷量的要求。相比之下,水蓄冷技術則具有如下優勢:

(1)響應快:水蓄冷系統的冷水溫度與原系統的空調冷水溫度相近,可考慮直接使用，即與原空調系統進行“無縫”連接。

(2)安全系數高:水蓄冷系統結構簡單,環節較少,故障率低。

(3)成本低:水蓄冷系統耗電量低，技術要求低，運行費用低。

圖2：冰蓄冷系統示意圖

②蓄冷設備的連接方式

蓄冷罐作為附加的冷凍水儲備設備,是蓄冷系統重要組成之- -。它具有應急冷源功能,可保障冷源系統失電后數據機房區的正常供冷。當冷水機組因失電停機后，蓄冷罐將作為應急冷源與冷凍水系統構成應急制冷系統。當柴油發電機正常運行且冷水機組恢復供電后，蓄冷罐停止供冷，重新切換為蓄冷工況。蓄冷罐與冷水機組主要有兩種方式連接:

(1)冷水機組與蓄冷罐串聯

圖3：冷水機組與蓄冷罐串聯

蓄冷罐串聯接入用于空調系統的容災備份，冷凍水流經蓄冷罐以保證隨時供應冷量(圖3)。該連接方式控制相對簡單，冷凍水直流過 蓄冷罐無旁路冷損失。其缺點是蓄冷罐會增加管路系統的流動阻力，從而致使水泵能耗升高。

(2)冷水機組與蓄冷罐并聯

蓄冷罐并聯接入主空調系統:蓄冷模式時,冷水機組對蓄冷罐進行充冷;放冷模式時，蓄冷罐為末端負荷提供冷源。該連接方式控制相對復雜,冷凍水需要經旁路流入蓄冷罐會產生-定冷損失，但此方式對系統阻力的影響較小。

③ 蓄冷罐結構形式

鑒于水蓄冷在數據中心的廣泛應用，此處重點闡述水蓄冷罐。一般的，水蓄冷主要有開式、閉式兩種形式。開式蓄冷罐與外界環境連通，具有氣液界面:其體積較大,不利于靈活布置,因此通常至于室外。相比之下，閉式蓄冷罐體積小，因此可以方便的在室內布置。

蓄冷罐的設計取決于數據中心所需要的額定制冷量，而該冷量 取決于水的比熱、體積等，還與.罐體與周圍環境的熱交換有關。在忽略罐體熱損失的情況下，蓄冷罐容積可根據熱平衡進行估算:

其中，V為蓄冷水量(m3)；

Q為額定蓄冷量(kw)；

n為蓄冷裝置的容積效率，一般取0.96~ 0.99；

ρ為蓄冷水密度,取1000kg/m3；

?t為釋冷回水溫度與蓄冷進水溫度間溫度差；

Cp為水的定壓比熱容, 4.2kJ/kg/C。

圖5：數據中心水蓄冷罐

④蓄冷設備的其他用途

蓄冷罐等蓄冷設備不僅可以用作數據中心應急制冷，同時也具備了其他輔助功能,如峰谷電價運營調優、早期低負載運行調優等。

(1)峰谷電價運營調優:當蓄冷罐容量較大時，我們可以利用峰谷電力價格的差異,選擇在夜間蓄冷，白天通過蓄冷罐給數據中心制冷的模式進行調優。尤其在電力缺乏的區域，具有較大的潛力。除了數據中心行業，其他領域也有廣泛的應用，如為機場配置的蓄冷罐系統。

(2)早期低負載運行調優:大型數據中心通常采用大型冷水機組，但在上架初期，于上架量少，機房熱負荷較低，此時既可采用風冷系統，可采用水冷系統。當采用水冷系統時，冷機系統長期處于低負載運行狀態，甚至有可能無法正常運行。因此，部分機房在除配備大型冷水機組以外,還增加了1~2套螺桿機組(容量較小)，以用于早期低負載運行。待上架量提升和穩定后，再采用大型機組作為日常運行方式,螺桿機作為備份機組。這嫵疑增大了制冷系統的復雜性。若在制冷系統中配置蓄冷罐,呵很好地解決該問題:先通過大型冷水機組向蓄冷罐提供冷量，再通過蓄冷罐為唕期低熱負荷的機房進行溫度控制。該訪案既可以實現峰谷電價調優運行，還可以簡化機房制冷系統配置。

其他應急冷源

雙冷源系統、帶蓄冷設備的冷水系統基本可以解決數據中心制冷的主要痛點。但在一些特殊情況下，如對水冷系統的主管閥門進行維護或更換、MDC末端Y型閥故障更換等。在這個過程中，雖然未端CRAC仍然可以保持運轉，但冷凍水的供應出現中斷,機房溫度面臨驟升的緊急情況。另外，當數據中心開展計劃性維護作業,盡管我們可以協調業務側對非關鍵設備實施停機維護。但對于重要的網絡核心、DB等核心節點設備,我們仍需要重點保障。在這種場景下，我們仍需要探索一些新的冷源。最簡便的辦法是與制冰廠進行協調,提前調用冰磚(圖7)，并輔以大功率風扇制冷。

有數據中心同仁也提出將干冰作為數據中心備用冷源。因為干冰運輸方便、使用過程中由固態轉化為氣態，不會在機房內產生液體從而對服務器的運行造成不良影響。因此干冰可作為機房:應急制冷的備選。但是，干冰的大量使用，可能導致機房內二氧化碳濃度在短時間內急劇升高，可能對機房運維人員產生不利影響，而在目前的數據中心鮮有采用干冰作為應急冷源。后續我們也將對干冰作為應急冷源的可靠性、可行性進一步研究和探討。

隨著大型數據中心基礎設施架構設計的不斷優化和完善，蓄冷罐已經作為水冷系統中應急備份的重要冷源而被廣泛使用。