水蓄冷系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用

1、數(shù)據(jù)中心對(duì)于蓄冷系統(tǒng)的要求

蓄冷系統(tǒng)顧名思義是將冷量以顯熱、潛熱的形式蓄存在某種介質(zhì)中，并能夠在需要時(shí)釋放冷量的空調(diào)系統(tǒng)。通常我們提到的蓄冷裝置是指由蓄冷設(shè)備及附屬閥門、配管、傳感器等相關(guān)附件組成的蓄存冷量的裝置。

在《JGJ158-2008蓄冷空調(diào)工程技術(shù)規(guī)程》中列舉了7條宜設(shè)置蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的條件，數(shù)據(jù)中心因其連續(xù)制冷的需求，滿足“要求備用制冷量的空調(diào)工程”這一情形。

《GB50174-2017 數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》明確指出“采用冷凍水空調(diào)系統(tǒng)的A級(jí)數(shù)據(jù)中心宜設(shè)置蓄冷設(shè)施”，并在條文說明中闡明了蓄冷設(shè)施應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的兩個(gè)作用：“在兩路電源切換時(shí)，冷水機(jī)組需重新啟動(dòng)，此時(shí)空調(diào)冷源由蓄冷裝置提供；供電中斷時(shí)，電子信息設(shè)備由不間斷電源系統(tǒng)設(shè)備供電，此時(shí)空調(diào)冷源也由蓄冷裝置提供。”。

《Accredited Tier Designer Technical Paper Series: Continuous Cooling》一文中指出Tier IV等級(jí)的數(shù)據(jù)中心必須設(shè)計(jì)不間斷制冷系統(tǒng)（Continuous Cooling），同時(shí)建議無論何種等級(jí)，當(dāng)單機(jī)柜密度超過4kW時(shí)，也應(yīng)當(dāng)考慮不間斷制冷。綜合上述規(guī)范及設(shè)計(jì)院現(xiàn)行經(jīng)驗(yàn)做法，蓄冷空調(diào)系統(tǒng)大幅度提高了數(shù)據(jù)中心的可靠性，在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有舉足輕重的地位。

2、水蓄冷系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

蓄冷系統(tǒng)根據(jù)其常用蓄冷介質(zhì)不同可分為水蓄冷、冰蓄冷。水蓄冷系統(tǒng)有單位體積蓄冷量小，冷槽體積龐大，冷損耗大等缺點(diǎn)，盡管如此，水蓄冷系統(tǒng)因其如下優(yōu)勢(shì)依舊在數(shù)據(jù)中心得到廣泛應(yīng)用。一、水蓄冷蓄冷溫度與冷凍水供水溫度接近，放冷速度快，即需即供，無時(shí)間延遲；二是水蓄冷因所需蒸發(fā)溫度高，故較冰蓄冷耗電量低，運(yùn)行費(fèi)用低，且也無需選用雙工況機(jī)組；三是水蓄冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行簡便，易于操作，故障率低。

3、蓄冷容量計(jì)算

數(shù)據(jù)中心蓄冷裝置供應(yīng)冷凍水的時(shí)間不應(yīng)小于不間斷電源設(shè)備的供電時(shí)間，而國標(biāo)規(guī)定的A級(jí)數(shù)據(jù)中心不間斷電源系統(tǒng)電池最少備用時(shí)間為15min。故方案設(shè)計(jì)時(shí)，按滿足空調(diào)系統(tǒng)15分鐘運(yùn)行要求計(jì)算。

蓄冷罐運(yùn)行時(shí)，蓄冷量計(jì)算為：

式中 Q總—總蓄冷量，kWh；

Q—制冷量，kW；

h—蓄冷時(shí)間，一般蓄冷時(shí)間取值為15min；

系統(tǒng)需要的蓄冷水量可按下列公式計(jì)算：

式中V—系統(tǒng)需要的蓄冷水量，m3；

Q總—總蓄冷量，kWh；

?t—釋冷回水溫度與蓄冷進(jìn)水溫度間溫度差，取5~7℃；

ρ—蓄冷水密度，取1000kg/m3；

CP—冷水的比熱容，取4.18kJ/(kg·℃)

FOM—蓄冷水槽的完善度，取94%；

η—蓄冷水槽的體積利用率，取95%。

4、水蓄冷方式

蓄冷水槽是蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的核心設(shè)備，為了提高水槽的蓄冷能力并滿足供冷時(shí)負(fù)荷需求，提高水蓄冷的效率，應(yīng)該綜合考慮蓄冷罐的形狀、高徑比、充放冷的水流速度，盡可能最大限度防止儲(chǔ)存的冷水與回流熱水的混合。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，目前常有以下四種方法：“自然分層蓄冷”、“多罐式蓄冷”、“迷宮式蓄冷”、“隔膜式蓄冷”。其中第一種蓄冷方式最簡單、有效和經(jīng)濟(jì)，也是數(shù)據(jù)中心工程中最多采用的形式。

自然分層蓄冷在充冷時(shí)，冷水由底部散流器進(jìn)入蓄水罐，熱水從頂部排出；放冷時(shí)，水流方向相反，冷水由底部接入供水干管。這樣使得冷水向下運(yùn)動(dòng)，熱水向上運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)冷熱水溫度過度分層，又稱斜溫層，如圖1。斜溫層厚度是一個(gè)影響冷熱分層和蓄冷效果的重要因素，如設(shè)計(jì)合理，蓄冷效率可達(dá)85%~90%。

圖1 斜溫層

5、水蓄冷的應(yīng)用形式

水蓄冷的應(yīng)用形式可分為：閉式承壓蓄冷罐模式和開式蓄冷罐蓄冷模式。在早期數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中，閉式蓄冷罐串聯(lián)接入主要用于空調(diào)系統(tǒng)的容災(zāi)備份，蓄冷罐內(nèi)的冷水持續(xù)流動(dòng)以保證隨時(shí)保有備用的蓄冷量供應(yīng)。此方案響應(yīng)速度快，但是冷凍循環(huán)水一直需要經(jīng)過水管，增加了設(shè)備能耗，同時(shí)設(shè)備承壓，也增加的初投資，如圖2所示。開式蓄冷罐蓄冷模式，并聯(lián)接入，蓄冷罐既作為負(fù)荷末端，也作為供冷源。此方案需要比運(yùn)行溫度更低的蓄冷溫度，蓄冷體積小，系統(tǒng)并聯(lián)也方便維修。圖3為開式蓄冷罐在數(shù)據(jù)中心的典型應(yīng)用。

圖2 閉式蓄冷罐蓄冷模式

圖3  開式蓄冷罐蓄冷模式

6、水蓄冷的節(jié)能應(yīng)用

由于水蓄冷空調(diào)具有削峰填谷的功能，因此整個(gè)系統(tǒng)可以考慮節(jié)能運(yùn)行模式。在文獻(xiàn)《蓄冷技術(shù)在數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用探討》中作者對(duì)蓄冷系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)用進(jìn)行了初探，提出了在數(shù)據(jù)中心剛開始投入運(yùn)行，設(shè)備負(fù)載只有不到設(shè)計(jì)負(fù)荷20%時(shí)，蓄冷系統(tǒng)夜間利用低谷電蓄冷，白天利用蓄冷罐放冷的運(yùn)行模式，由于方案設(shè)計(jì)有兩路獨(dú)立供冷水系統(tǒng)（各有一套蓄水系統(tǒng)），此種運(yùn)行模式既保障了可靠性，也節(jié)約了一定的運(yùn)行費(fèi)用。同時(shí)，由于運(yùn)行初期負(fù)荷較低，水蓄冷系統(tǒng)作為替代冷源還可以有效減少離心機(jī)組發(fā)生喘振的可能，從而保護(hù)冷水機(jī)組。

7、總結(jié)

隨著大型數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)架設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化與完善，水蓄冷空調(diào)已經(jīng)作為水系統(tǒng)重要的應(yīng)急冷源而被廣泛應(yīng)用。無論哪種蓄冷方式、運(yùn)行模式及控制策略，都有其相適用的應(yīng)用環(huán)境。前期方案設(shè)計(jì)階段和數(shù)據(jù)中心測(cè)試驗(yàn)證階段都需對(duì)制冷空調(diào)系統(tǒng)能否應(yīng)對(duì)可能的突發(fā)狀況進(jìn)行全年考量，以滿足數(shù)據(jù)中心相應(yīng)的設(shè)計(jì)等級(jí)要求，并確保在故障發(fā)生時(shí)，蓄冷系統(tǒng)能及時(shí)投入循環(huán)系統(tǒng)得到應(yīng)用。