数据中心蓄冷系统选择-孙长青

数据中心蓄冷系统选择-孙长青

摘要：在数据中心的大型空调水系统中，为了达到连续制冷的功能，采用的措施主要是蓄冷技术。在Uptime对于T4等级的数据中心要求里，明确要求了连续制冷功能；在其余规范和标准里面，对于这个功能没有明确而具体的要求。但针对非有计划的失电时，仍然须要保证空调系统提供正常冷却功能的数据中心来讲，设置蓄冷系统不失为一个既技术可行又经济的选择。那么，到底选择什么蓄冷形式适合做为数据中心的蓄冷系统呢？
关键词：数据中心 水蓄冷 冰蓄冷 蓄冷罐 一次泵 二次泵

1. 为何数据中心选择水蓄冷系统？
   工程中经常使用的蓄冷介质有下列三种蓄冷介质：
   l 水：利用水的温度变化储存显热量，蓄[ZT1] [ZT2] 冷温度通常取4℃以上，蓄冷温差为5～11℃。水的单位体积蓄冷量较小，为5.8～12.77kW·h／m3，蓄冷贮槽体积较大。制冷机能够按常规空调工况或者稍低温度运行。
   l 冰：利用冰的溶解潜热储存冷量，制冰温度通常取—4～—8℃；冰的单位体积蓄冷量较大，为40～50kW·h／m3，冰蓄冷贮槽所占容积较水蓄冷小。冰蓄冷可提供较低的供水温度，但至少1台制冷机为双工况型，在制冰期间的效率会有所降低。
   l 共晶盐：无机盐与水的混合物称为共晶盐，共晶盐的相变温度通常为5～7℃。该蓄冷方式的单位体积蓄冷量约为20.8kW·h／m3，所需蓄冷槽的体积介于冰蓄冷和水蓄冷之间。制冷机可按常规空调工况运行。

   综上，水蓄冷是单位体积蓄冷量最小的蓄冷方式，须要的蓄冷槽容积最大；但水蓄冷是目前数据中心经常使用的蓄冷形式，为何要选择水蓄冷而不是选择其余蓄冷方式呢？有如下几个缘由：
   1) 数据中心项目的冷冻水温度都较高，有的系统冷冻水供回水温度作到17/23℃；若是采用水蓄冷，冷水机的运行能够作到只有一种工况，而不是采用双工况冷水机，按照系统供水水温提供出水温度便可，能够在原有冷机参数的基础上设计蓄冷系统的水温参数，而且能够保证供冷及蓄冷工况时的冷水机效率均较高。
   2) 数据中心的蓄冷时间较短，知足市电柴电转换时间便可，通常设置为15分钟，也能够更短，因此水蓄冷单位体积蓄冷量小的劣势没那么明显，数据中心的场地能够知足设置水蓄冷罐，也能够在规范和功能许可下与其它一些水池有条件的合用。
   3) 数据中心的放冷时间不规律，且对安全可靠性要求很高，冰蓄冷和共晶盐都须要增长中间换热器，泵等专有蓄放冷设备，而水蓄冷可直接并联或串联进入冷冻水系统，与冷冻水系统共用水泵，蓄放冷过程简单，可实现机械式转换，安全可靠性高，能随时切入放冷，适应忽然失电的状况。
   4) 水蓄冷的蓄冷温度提升，相对冰蓄冷和共晶盐蓄冷节省了向周围环境的散冷量，而数据中心的蓄冷罐须要一直保持蓄冷状态，节约此部分能耗有较大的节能意义。

2. 为何冷机与蓄冷罐并联？
   按照冷水机与蓄冷罐的系统里的关系，能够有三种形式：
   l 冷水机组在蓄冷罐下游的串联形式
   l 冷水机组在蓄冷罐上游的串联形式
   l 冷水机组与蓄冷罐并联形式
   当采用冷水机组在蓄冷罐上游的串联形式时，会出现短期末端供水温度不稳定状况；当采用冷水机组在蓄冷罐下游的串联形式时，会出现蓄冷罐的蓄水温度高于冷水机供水温度的状况。当采用冷水机组与蓄冷罐并联形式时，没有以上问题，并且系统能够作到简单可靠。所以，对于大型数据中心蓄冷系统，通常不推荐使用串联形式，宜采用并联方式；对于小型的数据中心蓄冷系统，考虑一次泵系统简单可靠，采用串联也何尝不可。
   

   对于温馨型空调系统，设计蓄冷系统目的是为了利用电价差进行节能；而数据中心的空调系统，设计蓄冷系统目的是为了数据中心的连续制冷，固然也能够在特定条件下，利用这个系统进行充放冷运行而达到一部分节能的目的。而数据中心的蓄冷系统相对于温馨性空调的蓄冷系统来讲，应该更加简单可靠。
   蓄冷罐与冷机串联系统示意图
   

蓄冷罐与冷机并联系统示意图

对于温馨性空调水蓄冷系统，须要考虑的过程为：1单制冷机供冷运行工况；2单制冷机蓄冷工况；3单蓄冷罐放冷工况；4制冷机供冷蓄冷罐蓄冷联合工况；5制冷机蓄冷罐联合放冷工况；6待机。而数据中心空调系统仅须要考虑：1单制冷机供冷运行工况；2单蓄冷罐放冷工况；3制冷机供冷蓄冷罐蓄冷联合工况；4待机（仅限于调试阶段）。
在工况3时，当采用冷水机组在蓄冷罐上游的串联形式时，会出现短期末端供水温度不稳定状况；当采用冷水机组在蓄冷罐下游的串联形式时，会出现蓄冷罐的蓄水温度高于冷水机供水温度的状况。当采用冷水机组与蓄冷罐并联形式时，没有以上问题，并且系统能够作到简单可靠。所以，对于大型数据中心蓄冷系统，通常不推荐使用串联形式，宜采用并联方式；对于小型的数据中心蓄冷系统，考虑一次泵系统简单可靠，采用串联也何尝不可。

3. 数据中心系统典型蓄冷系统
   下面是数据中心的比较典型的带蓄冷功能的冷冻水系统示意图，仅供各位读者参考。
   1) 小型数据中心冷冻水蓄冷系统
   冷水机（N+1配置）
   一次泵（N+1配置）
   闭式水蓄冷罐（N）
   管路双环路
   

2) 大型数据中心冷冻水蓄冷系统
冷水机（N+1配置）
1、二次泵（N+1配置）
开式/闭式水蓄冷罐（N）
管路双环路

4. 结论两种系统各有优劣点，在数据中心项目中，一次泵系统相较于二次泵系统水泵能耗相对更低，二次泵系统相较于一次泵系统更安全可靠。每一个数据中心都有独特的需求，蓄冷系统须要根据具体项目状况，采用合理的蓄冷技术进行设计，以达到知足数据中心安全节能的运营要求。