IDC機房溫升與水蓄冷應急供冷的研究

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摘要：本文分析了IDC機房在市電斷電時末端設備可以繼續工作和停止工作兩種情況下，IDC機房溫度上升情況，在此基礎上分析了水蓄冷應急供冷的可行性、系統設計及相應控制原理。另本文重點研究分析了一套既可實現IDC機房節能又可作為應急供冷冷源的水蓄冷系統。

關鍵詞：數據中心；溫度變化；水蓄冷

引言

在威脅數據中心的眾多因素中，電力中斷所占的比例最大，為27%。電力中斷后，原中央空調系統無法正常運行，會導致IDC機房以及設備服務器溫度迅速上升，而機房溫度每升高10℃服務器的可靠性就會下降20%，嚴重時還可能導致宕機。這就需要對機房在斷電后的溫升狀態進行研究，并針對機房溫升的特點，提出可靠的解決方案，以保障IT設備在市電斷電時能正常安全運行。

1.IDC機房斷電后溫升研究

1.1根據對數據中心斷電后機房溫度變化情況的模擬可知，市電斷電后IDC機房的溫度變化情況主要有以下三個步驟：

1）斷電至油機啟動這段時間內IT設備的發熱量引起機房的溫度升高。

2）空調啟動后當空調制冷量沒有達到IT設備發熱量時，將繼續引起機房溫度升高，當空調制冷量等于IT設備發熱量時，此時機房的溫度達到最高。

3）空調制冷量超過IT設備發熱量時，此時機房溫度開始降低直至達到正常溫度。

數據中心斷電后，空調末端設備會有兩種情況：一、末端設備可由UPS電源供電；

1.2末端設備不能由UPS電源供電，下文對兩種情況做詳細說明。

當遇到市電斷電時，此時空調制冷機組無法正常運行，但是其末端設備由于有UPS電源供電還可以繼續工作，那么這時機房里的換熱主要是對流換熱。此時IT設備產生的熱量一部分導致設備溫度上升，一部分導致機房內空氣溫度上升。

針對電子器件冷卻的問題：對水平板熱面向上與向下的情形，其均勻熱流密度條件下平均表面傳熱系數的計算式：

（2-1）

經過量綱分析和因次分析，針對IDC機房內換熱滿足以下能量守恒關系：

其中：C：單晶硅比熱容；：單晶硅密度；V：單晶硅體積；：IT設備與其周圍環境溫差；q：熱流密度；t：溫升時間；B、m：無量綱數；g：重力加速度；：流體膨脹系數；L：特征長度；：空氣導熱系數；

A：對流換熱面積；：空氣動力粘度。

根據上式對一個面積為500㎡，高為4米，放置200臺單機架功率為4KW/7KW的機柜時IT設備的機房，以及機房的溫升情況進行計算，可得如下結果：

圖1：單機架功率為4KW機柜溫升

圖2：單機架功率為7KW機柜溫升

2.空調水蓄冷應急供冷研究

2.1數據中心斷電后常規應急供冷方式簡介

目前數據中心采用的應急方案主要有以下四種：

1）單獨制冷系統+備用冷水機組

當某一制冷機組出現故障時，立即切換到備用制冷機組上，代替故障機組繼續供冷。

2）雙路供水方式

當其中某一路供冷出現故障時，立即切換到另一路進行供冷。

3）UPS電源+精密空調

當出現市電斷電等緊急情況時，采用UPS電源繼續給精密空調供電，由精密空調為數據中心機房供冷。

4）備用發電機+原中央空調系統

當出現市電斷電等緊急情況時，啟動備用發電機組繼續為原中央空調系統供電。

以上所提到的保障方案，雖然發電機能夠在10—20秒的時間內啟動，但是制冷機組從斷電到重新啟動并正常運行需要至少8分鐘的時間，在此過程中無法保障IDC機房的正常供冷。

2.2水蓄冷應急供冷可行性分析及優勢

從時間方面分析，當市電斷電時，雖然制冷主機無法正常啟動，但是由于UPS電源的配備，蓄冷系統中的水泵、板式換熱器、電動閥和末端的空氣處理器風扇仍可以繼續運行。采用智能控制系統，從供冷出現故障至切換到由蓄冷槽進行供冷時間不超過45秒，根據前文溫升部分計算，即使是單機架功率為7KW的機柜在市電斷電后45秒時服務器最高溫度也才上升到70℃，該溫度還在IT設備的承受范圍之內，不會對IT設備造成任何影響。

從空間角度分析，由于冗災時間不長，當設備斷電時，只需保證向服務器供冷15分鐘。根據計算一個空調系統冷負荷為14000KW的數據中心，只需建一個415m3的蓄水槽即可滿足冗災要求，在空間上具備實施的條件。

水蓄冷系統在數據中心的運用中主要有以下優勢：

1）水蓄冷系統可與原空調系統“無縫”連接，無需再額外配置蓄冷冷源或對原系統用冷水機組進行調整；

2）水蓄冷系統的冷水溫度與原系統空調冷水溫度相近，可考慮直接使用，不需要設額外的設備對冷水溫度進行調整；

3）水蓄冷系統控制簡單，運行安全可靠，在出現緊急狀況可及時投入使用。

2.3水蓄冷應急供冷系統設計

水蓄冷應急供冷在數據中心的應用主要以在線運行模式為主，其在線運行模式主要有兩種系統：

圖3：水蓄冷應急供冷典型系統

正常運行：末端回水冷凍泵制冷主機蓄冷水罐末端供水（V1/V2開，V3關）；

應急供冷運行：蓄冷水罐末端供水末端回水冷凍泵制冷主機蓄冷水罐（V1/V2開，V3關）；

應急供冷后運行：

原制冷系統供冷：末端回水冷凍泵制冷主機末端供水（V1/V2開，V3關）；

蓄冷系統蓄冷：蓄冷水罐制冷主機蓄冷泵蓄冷水罐（V1/V2開，V3關）；

圖4：水蓄冷應急供冷典型系統

一次泵流量大于二次泵流量，二次泵流量為滿足負荷所需流量，一次泵比二次泵多的流量進入蓄冷罐。

正常運行：末端回水/蓄冷水罐一次冷凍泵制冷主機末端供水/蓄冷水罐

應急供冷運行：蓄冷水罐末端供水末端回水蓄冷水罐

應急供冷后運行：末端回水/蓄冷水罐一次冷凍泵制冷主機末端供水/蓄冷水罐。

2.4水蓄冷用于應急供冷冗災蓄冷量計算

用于冗災時，蓄冷量計算為：

（3-1）

其中：：總蓄冷量；：制冷量；：

應急供冷時間可取20min；

蓄冷罐的容積可按系統需要的蓄冷量進行計算，同時考慮到蓄冷罐與整個水系統為串聯連接，系統管路也可視為蓄冷罐的一部分，管路中的冷水保有量也可作為一部分的蓄冷水量。

系統需要的蓄冷水量為：

（3-2）

其中：：系統需要的蓄冷量；總蓄冷量；：釋冷回水溫度與蓄冷進水溫度間溫度差；：蓄冷水密度；：水的比熱容；：蓄冷水槽的完善度，這里取：94%；：蓄冷水槽的體積利用率，取：95%。

管道系統中的保有冷水量為：

（3-3）

式中：：管道系統保有冷水量；：管道半徑；L：冷凍水出水口到末端管道長度。

在此基礎上再取10%的余量，則蓄冷罐容積：

（3-4）

2.5水蓄冷應急冗災控制原理以及冗災運行效果

水蓄冷應急供冷冗災系統的控制，對于在線串聯系統控制比較簡單，一般可采用平均溫度法進行控制。蓄冷主機在夜間低谷時段進行蓄冷，蓄冷槽內裝有測溫電纜，可實時監測蓄冷槽豎直方向的溫度變化，進而統計出蓄冷槽內冷凍水的平均溫度。當如果平均溫度達到蓄冷溫度則進行蓄冷，如果平均溫度未達到蓄冷溫度則暫不啟動蓄冷。在此過程中如果發生斷電或檢測到原空調系統供冷出現故障，則立即切換到應急供冷模式。

對于應急供冷冗災模式，應該需要實現可以周期性蓄冷和自動放冷。結合前文溫升部分計算，運用水蓄冷系統作為斷電時的應急供冷系統能有效減緩機房內溫度上升，如下圖模擬所示：

圖5：水蓄冷應急冗災系統前后溫度對比

2.6既可實現移峰填谷又可冗災的水蓄冷控制原理及運行效果

在基于對斷電后IDC機房溫升研究以及水蓄冷作為IDC機房應急供冷系統研究的基礎上，可研究開發一套既可用于數據中心移峰填谷又可用于應急供冷的水蓄冷系統。此系統正常運行的關鍵是要通過計量系統實施監控蓄冷水槽中的有效蓄冷量以及監測系統能夠準確判斷切換臨界條件。

利用富余主機在夜間低谷電時段進行蓄冷，監測系統實時監測原空調系統是否正常運行。如能正常運行則在次日高峰時段自動放冷，放冷時實時監測其放冷量是否已達最大安全放冷量，如未達到則繼續在高峰時段進行放冷，反之則停止放冷。在此過程中如監測到低溫差、超溫或停水等非正常信號時則立即切換到應急供冷模式，待信號恢復正常時停止應急供冷。

3.結語

運用水蓄冷系統作為數據中心的應急冷源，不但啟動時間快且可根據實際需求選擇不同的模式。尤其對于既可實現移峰填谷又可實現冗災的水蓄冷系統，不但能有效解決應急供冷問題還能為數據中心帶來豐厚的經濟效益。

參考文獻：

[1]《電子信息系統機房設計規范》（GB50174-2008）.

[2]中國移動廣東公司IDC機樓建設規范（v2.0版）.

[3]IDC運維管理中的安全解決方案.中國移動通信集團設計院有限公司.