不间断制冷技术在数据中心工程中的应用

摘要：介绍数据中心不间断制冷的必要性、数据中心Tier级别与不间断制冷的关系、不间断制冷的做法、水蓄冷技术在数据中心不间断制冷应用的可行性；为数据中心不间断制冷和蓄冷装置的设计提供了依据和思路。

关键词：不间断制冷；蓄冷装置；开式和闭式蓄冷罐；热密度

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数据中心不间断制冷的必要性

数据中心是为电子信息设备提供运行环境的场所，在数据中心中需要安装数据处理、数据传输和网络通讯等多种IT设备。为保障IT设备正常有效的运转，保障业务顺畅的进行和服务及时的提供，还需要安装为IT设备服务的电力、空调等相关设备及传输管路。
数据中心业务中断对不同的行业会造成不同程度的影响，例如导致公司销售停顿、生产停止、服务无法正常提供等。来自网络的统计资料显示，过去的5年内，发生的13次服务器宕机导致了568h的服务中断，造成了超过7170万美元的经济损失。IT设备的正常运行，不仅依赖电气、网络等配套设施的稳定运行，也依赖空调系统不间断可靠的运行。以往数据中心规模不大，密度不高，机柜密度只有1kW/机柜~2kW/机柜，即使制冷偶尔中断，对IT设备的运行也没有多大影响，因此数据中心的建设者往往忽略了制冷中断的危害，只关注供电系统的设置。随着科技进步和时代发展，数据中心的规模越来越大，机柜密度越来越高，一般为4kW/机柜~10kW/机柜，甚至高达30kW/机柜，一旦制冷中断，服务器的进风温度就会迅速攀升，可能只需要60s甚至更短时间（取决于热密度），就会达到破坏性水平，引发宕机或设备毁损酿成事故。某一机构在实验室条件下对不同负载条件下制冷方式发生中断时，环境温度的变化过程进行了现场测试和统计，如图1所示：

图1制冷中断时环境温升过程图

从图1中可看到：制冷中断引起的温升和机柜密度为正相关，机柜密度越大，制冷中断时温度上升的速度越快。对于热密度为1.5kW/m2（或4.8kW/R）的机柜，制冷中断时环境温度上升的速度较慢，因此短时制冷故障，可能不至于引起服务器故障。但很多新建数据机房的密度已经超过该数值，当热密度达到3~4.5kW/m2（或9.6kW/R~14.4kW/R）时，制冷中断时环境温度上升的速度很快，制冷中断在短时内就可能引起服务器故障。此外，即使数据中心的环境温度升高没有引起宕机，依然可能对IT设备造成损害。这是因为超出IT设备制造商推荐的温度范围和变化率将会导致IT设备内组件材料的过度扩张和收缩。当机房内设备的温度达到极高数值时，有时会立即发生故障，且在大多数情况下故障并不易被察觉，需要几天或几周时间才得以显现。在此期间，设备各项功能看似正常，但实际已经受损，设备的可靠性开始下降，处理能力开始降低，故障发生率大大提高。
总之，短暂的制冷中断对于低密度机房可能能够容忍，但对于中高密度机房很可能会引起故障，甚至造成业务中断。因此，为保证IT设备的正常运转，对可靠性要求高或密度较高的数据中心必须具有不间断制冷的功能。

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制冷中断恢复时间

有部分业内人士认为，如果数据中心冷冻系统设有柴油发电机供电，就可以不采用不间断制冷装置，这种观点是不正确的。事实上，当电力故障引起制冷中断时，由于自控系统响应、柴油机启动、冷水机组和空调设备重新启动都需要一定时间，从制冷中断到重新恢复往往需要5~15min，有些系统自动化水平较低，部分操作需要人为判断，时间会更长，这种情况下机房温度必然上升造成危害，因此仅仅配备柴油发电机并不能保证不间断供冷。
不同的系统，制冷中断后再恢复的过程也是不同的，恢复时间也有区别。对于大规模数据中心常用的离心式水冷供冷系统制冷中断时，冷水机组重新启动到恢复事故前状态所需的时间在制冷系统恢复时间中权重最大，这也是针对数据中心项目，很多冷水机组生产商不断开发快速启动型设备的重要原因。图2是某离心式冷水机组厂商提供的不同类型的冷水机组重启期间供水温度变化曲线。从图2可以看到，标准配置的冷水机组重新启动到恢复正常供水温度需要13min左右；配备了快速启动模块的离心式冷水机组，重新启动到恢复正常供水温度仅需3min~5.5min。尽管配备快速启动模块的冷水机组的恢复时间远远优于标准机组，但仍然无法满足中高密度数据中心对不间断制冷的要求。

图2 不同类型的冷水机组重启期间供水温度变化曲线
总之，当制冷系统恢复时间无法满足IT设备需求时，不间断制冷装置的配备就显得至关重要。对数据中心制冷恢复时间将直接影响不间断制冷装置的选择。

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数据中心对不间断制冷设施的要求

所谓不间断制冷（continuous cooling）是指数据机房始终保持正常的温湿度，不受任何事件影响。数据机房是否需要采用不间断制冷装置，主要依赖于数据中心的可靠性级别和用电密度。国际正常运行时间协会（The Uptime Institute）是一家致力于为数据中心行业提供认证、信息技术产业研究、技术咨询等服务的会员组织。该组织率先提出数据中心的4级（tier1-tier4）分类方法，在业内影响深远，其发布的白皮书对不同级别数据中心的基础设施配置有明确要求，详见表1。在白皮书中，要求TIER4级别的机房必须设置不间断制冷设施，tier1-tier3级别的机房应该根据热密度确定是否采取不间断制冷设施，通常机柜平均密度大于6kW/rack的数据中心应采取不间断制冷措施，对于冷冻水系统应配置包括设置蓄冷罐、精密空调风机和冷冻水循环泵采用UPS供电（冷冻水系统采用一二次泵系统时，仅为二次泵配备UPS供电即可）。
我国现行国家标准《数据中心设计规范》GB50174-2017将数据中心分为A，B，C共3个级别，通常认为tier1对应C级机房，tier2对应B级机房，tier3和tier4对应A级机房。尽管该规范没有涉及不间断制冷的相关内容，但国内很多设计单位和数据中心建设者都已关注到不间断制冷设施的重要性，并在实施中配置了相关设施。

表1 不同级别数据中心的的基础设施配置要求

制冷系统的类型与不间断制冷也有一定关联，采用分体式机房空调的数据中心很难实现不间断制冷，这是因为风冷直膨（DX）空调系统在每台空调设备（CRAC）内都装设压缩机，通过UPS系统为压缩机提供电力，成本太高，目前尚未发现实施案例。而冷冻水系统更容易实现不间断制冷，这时机房空调不配备压缩机，无需分离空调风机和压缩机的电源，通过在冷冻水管路的适当位置接入冷冻水储罐，可以方便地储存冷冻水，从而实现蓄冷和不间断供冷。采用此系统时，CRAH的风机和冷冻水循环泵需UPS供电。制冷中断时，由蓄冷罐和水泵为系统提供温度稳定的冷冻水，蓄冷罐的大小应按制冷中断后，所需的连续供冷时间确定。连续供冷时间既要满足冷冻水系统中断到重新恢复的过程，也要满足业务必须中断时，IT设备需要的安全维护过程，实际案例中，蓄冷罐供冷时间通常会选择和蓄电池的供电时间一致，这是因为蓄冷罐在制冷系统中的作用与蓄电池在UPS系统中的作用相当。

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数据中心不间断制冷系统

为了满足数据中心工程对不间断制冷的要求，往往需要用到空调蓄冷技术。数据中心工程蓄冷装置通常规模不大，只是用于保证制冷系统短时故障期间的供冷，但瞬时用冷量很大，这是因为数据中心的热负荷较高。民用建筑常用的冰蓄冷技术，由于融冰速度有限，不适用于数据中心要求快速释放储存能量的要求，在数据中心行业很少采用。水蓄冷技术广泛用于数据中心工程，水蓄冷可以采用开式和闭式2种方式，在数据中心不间断制冷领域都有应用。开式蓄冷系统技术成熟、控制简单，造价相对较低，冷冻水的分层效果也较好，为多数大规模数据中心所选用。但开式蓄冷罐体积较大，设置在园区时会对总平面布置有一定影响，需要总体考虑园区规划并与建筑外观相协调。此外，对于绝大多数数据中心项目，为了系统运行可靠常将开式蓄冷罐用作系统的定压点，这就要求其液位高度高于系统最高点，当数据中心为多层建筑形式时需要蓄冷罐高度较高，罐体直径只能根据功能需要确定，从而影响蓄冷效率和设备造价。数据中心采用的开式蓄冷罐水容积多为300m3~1000m3，开式蓄冷罐+一二次泵的空调系统示意图如图3所示，开式蓄冷罐外观图如图4所示。

图3 开式蓄冷罐+一二次泵空调系统图

图4 开式蓄冷罐外观图

闭式蓄冷罐可以设置在建筑内，不会影响园区的美观。但由于闭式蓄冷罐需要承受一定压力，材质要求和施工难度相对较高，造价相对较高，但单体容积一般比较小。此外，由于闭式蓄冷罐罐体承压、单体容积不大的特点，导致其布水器设计制造存在比开式蓄冷罐更多的困难，当布水器配置不完善时，罐内的冷温水混合现象较严重，达不到稳定的斜温层，蓄冷效率就会较低，仅适用于中小规模数据中心不间断制冷要求，通常蓄冷罐水容积为100m3~400m3。
数据中心的设计往往考虑了未来10年~15年的发展，因此用冷和用电都是分期分步实施的，一开始负荷不高，随着业务发展逐步提升，最终达到设计容量。因此在数据中心运营初期，IT负荷不高时，容积较大的蓄冷罐还可以作为冷量调节的一个缓冲容器。除蓄冷罐外，设置不间断供冷装置的制冷系统在冷机选择、系统设置、自控要求等方面也要仔细分析，既要保证制冷中断期间，供冷的连续性，还要确保系统在蓄冷罐再次充冷期间和日常运行期间的安全运行。

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结论

综上所述，面对高密度机房的发展趋势，配置不间断制冷设施，确保在电力中断或其它原因引起的制冷中断期间，IT设备仍可安全运行，是建设方和设计单位必须考虑的重要问题。数据中心不间断制冷装置的具体设施应根据热密度和可靠性的要求选择配备。对于广泛采用的冷冻水系统，可根据现场用地情况、园区规划、造价等因素综合考虑，可选择开式蓄冷或闭式蓄冷，以适应数据中心对不间断制冷的要求。

文章来源于公开论文，仅供技术交流。

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