数据中心蓄冷系统选择-孙长青

钛基数据设计总监 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；在其他规范和标准里面，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，仍然需要保证空调系统提供正常冷却功能的数据中心来说，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作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

☆孙长青，本科，学士学位，高级工程师（暖通空调），设计总监

1. 为什么数据中心选择水蓄冷系统？
   工程中常用的蓄冷介质有下列三种蓄冷介质：
    水：利用水的温度变化储存显热量，蓄冷温度一般取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。制冷机可以按常规空调工况或者稍低温度运行。
    冰：利用冰的溶解潜热储存冷量，制冰温度一般取—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下降。
    共晶盐：无机盐与水的混合物称为共晶盐，共晶盐的相变温度一般为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，需要的蓄冷槽容积最大；但水蓄冷是目前数据中心常用的蓄冷形式，为什么要选择水蓄冷而不是选择其他蓄冷方式呢？有以下几个原因：

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做到17/23℃；如果采用水蓄冷，冷水机的运行可以做到只有一种工况，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即可，可以在原有冷机参数的基础上设计蓄冷系统的水温参数，并且可以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，满足市电柴电转换时间即可，一般设置为15分钟，也可以更短，所以水蓄冷单位体积蓄冷量小的劣势没那么明显，数据中心的场地可以满足设置水蓄冷罐，也可以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，冰蓄冷和共晶盐都需要增加中间换热器，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，适应突然失电的情况。
4. 水蓄冷的蓄冷温度提高，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需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. 为什么冷机与蓄冷罐并联？
   按照冷水机与蓄冷罐的系统里的关系，可以有三种形式：
    冷水机组在蓄冷罐下游的串联形式
    冷水机组在蓄冷罐上游的串联形式
    冷水机组与蓄冷罐并联形式

   对于舒适型空调系统，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，当然也可以在特定条件下，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舒适性空调的蓄冷系统来说，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

对于舒适性空调水蓄冷系统，需要考虑的过程为：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需要考虑：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，会出现短时间末端供水温度不稳定情况；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情况。当采用冷水机组与蓄冷罐并联形式时，没有以上问题，而且系统可以做到简单可靠。因此，对于大型数据中心蓄冷系统，一般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，采用串联也未尝不可。
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）
   一、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。每个数据中心都有独特的需求，蓄冷系统需要根据具体项目情况，采用合理的蓄冷技术进行设计，以达到满足数据中心安全节能的运营要求。