數據中心蓄冷罐串并聯系統解析

杜 鑫 張 陽

(中國電子系統工程第二建設有限公司,無錫)

0 引言

蓄冷罐作為數據中心的常見設備,按照使用功能不同,主要分為2類:一是儲存數據中心的應急備用冷源,當電力系統發生故障中斷時,需要備用的柴油發電機組提供后備電力,在從柴油發電機組啟動至穩定供電的過程中,空調系統會有一段供冷不足的時段,為了解決這一安全隱患,在冷水系統中設置蓄冷罐,儲存一部分冷水來保證空調末端的正常供冷,在GB 50174—2017《數據中心設計規范》中明確要求A級數據中心蓄冷裝置供應冷水的時間不應短于不間斷電源設備的供電時間,通常不短于15 min;二是蓄冷罐可以作為儲能裝置,利用峰谷電價差節省一部分運行費用,在夜間電價低谷時進行充冷,儲存低溫冷源,日間電價高峰時蓄冷罐進行放冷,減少冷水機組日間運行時長,達到節省電費的目的[1-2]。

本文對數據中心常見的蓄冷罐形式及應用場景、充放冷過程產生的斜溫層概念及意義進行介紹,重點分析串聯、并聯系統形式下蓄冷罐管路設計特點及充放冷過程中閥門切換邏輯。

1 蓄冷罐及斜溫層簡介

數據中心的蓄冷罐主要有2種:開式常壓蓄冷罐和閉式承壓蓄冷罐。

開式常壓蓄冷罐(見圖1)常應用于大型或有儲能需求的數據中心,單罐容積從幾百至幾千m3不等,蓄冷罐拱頂設有通氣孔,與大氣相通[3],罐體內水位需高于冷水系統最高點以保證系統的穩定運行,也因此兼具定壓作用。單位體積有效容積造價相對較低,運行簡單方便,常以并聯方式接至冷水系統。

圖1 開式常壓蓄冷罐

閉式承壓蓄冷罐為密閉壓力容器,連接至冷水系統內,需要承受系統的設計運行壓力,單位體積有效容積造價相對較高,常應用于中小型數據中心,有效容積滿足15 min應急供冷即可。根據形式不同可分為臥式蓄冷罐(見圖2)和立式蓄冷罐(見圖3)。臥式蓄冷罐常放置于地下1層或地上1層室內,對建筑空間、層高要求較高;立式蓄冷罐常放置于毗鄰制冷站的室外區域,占地面積較小,應用更為廣泛。下文將重點介紹立式閉式承壓蓄冷罐的充放冷過程和串、并聯形式。

圖2 臥式閉式承壓蓄冷罐

圖3 立式閉式承壓蓄冷罐

應急放冷過程中,蓄冷罐儲存的低溫冷源不斷流向空調末端,因此從末端完成換熱循環的冷水回水也將進入蓄冷罐內部。圖4為蓄冷罐充放冷過程示意圖。假設冷水系統供/回水溫度為15 ℃/21 ℃,蓄冷罐放冷過程中,冷水回水自上而下進入蓄冷罐內部,由于不同溫度的水密度不同,在不同水溫的交界處生成一定厚度且相對穩定的溫度劇變層,稱之為斜溫層。斜溫層的存在,使上下不同溫度的水不會產生無序的湍流、混合,可保證蓄冷罐平穩輸出溫度穩定的冷水供水,保證空調末端的正常運行[4-5]。反之,在蓄冷罐充冷過程中,利用斜溫層原理,將低溫冷源自下而上引入蓄冷罐內部,可保證罐內斜溫層不會被破壞,15 ℃冷水液位穩步上升,有利于提高充冷效率,縮短充冷時間,降低充冷過程對空調末端供冷穩定性的影響。

圖4 蓄冷罐充放冷過程示意圖

2 蓄冷罐串聯形式介紹及分析

國家標準圖集18DX009《數據中心工程設計與安裝》中A級數據中心冷水系統(串聯形式)如圖5所示,表1給出了系統工況對應的閥門狀態。將蓄冷罐直接串聯在冷水供水管路中,蓄冷罐兩側設計旁通管路。蓄冷罐在不同模式下電動閥切換邏輯如下。

表1 系統工況對應的閥門狀態

注:V1～4、V7～10為電動開關閥;CV3、4為電動調節閥;VFD為變頻器。

1) 離線模式:V7、V8開啟,V9、V10、CV3、CV4關閉,蓄冷罐處于離線待命狀態,罐體內儲存15 ℃的冷水。

2) 放冷模式:當電力系統突發故障,冷水機組停止工作時,V7、V8、CV3、CV4關閉,V9、V10開啟,蓄冷罐作為備用應急冷源繼續供冷,冷水泵由UPS(不間斷電源)供電繼續運行,15 ℃的冷水自蓄冷罐流向空調末端,21 ℃的冷水回水通過水泵進入蓄冷罐。對于立式蓄冷罐,冷水回水自上而下進入蓄冷罐,形成斜溫層,斜溫層逐步下移,15 ℃冷水穩定輸出,直至釋放完畢。

3) 充冷模式:當應急狀態結束后,數據中心恢復正常運行,蓄冷罐需重新充冷,此時V9、V10關閉,V7、V8開啟,在滿足空調末端供冷需求的前提下,通過調節CV3、CV4的開度,使罐體內存儲的21 ℃冷水進入冷水回水主管,在冷水水泵的吸入作用下重新進入冷水機組,完成循環。與此同時,15 ℃的冷水供水通過V7、V8所在的管路,一部分進入空調末端,一部分進入蓄冷罐,完成充冷過程。對于立式蓄冷罐,充冷過程中,冷水供水自下而上進入蓄冷罐,此過程不會破壞蓄冷罐斜溫層,保證充冷效率。

串聯系統形式存在的問題:

1) 在放冷模式結束后,空調末端會存在短暫的溫升問題。由于蓄冷罐串聯在冷水供水的管線中,在放冷過程中,末端21 ℃的冷水回水首先進入冷水回水環管(圖5中的外側環管),在水泵的吸入作用下會先通過冷水供水環管(圖5中的內側環管)再進入蓄冷罐內。當應急狀態結束,冷水機組恢復正常制冷工況,此時冷水供水環管中已充滿21 ℃冷水回水,此部分回水不可避免要流向空調末端進行循環,可能會導致空調升溫,但由于環管容量較小,溫升過程不會持續太久,對機房溫度不會產生太大的影響。

2) 蓄冷罐串聯在系統中會增加冷水泵的揚程。蓄冷罐內部設有布水器,冷水流動過程中會產生局部阻力,因此蓄冷罐的壓力損失一般為2～4 m左右。為避免這一不利影響,建議應急放冷模式時,將V1、V2關閉,V3、V4開啟,將冷水機組和板式換熱器短路,可有效降低放冷模式下的管路阻力。

3 蓄冷罐并聯形式介紹及分析

以重慶某數據中心機房為例(見圖6),該項目為了保證冷水泵之間可以互為備用,冷水泵出口處做成了環形母管,蓄冷罐并聯在冷水系統中。蓄冷罐在不同模式下電動閥切換邏輯如下。

注:CV1、2為電動調節閥。

1) 離線模式:V5、CV1、CV2關閉,蓄冷罐處于離線待命狀態,罐體內部充滿15 ℃的冷水。

2) 放冷模式:當電力系統故障時,蓄冷罐內儲存的應急冷量繼續為空調末端服務,保證機柜的正常運行。此時V5、CV2開啟,V2、V4、CV1關閉。冷水回水在冷水泵作用下通過V5所在管道,從蓄冷罐上部接口進入罐體,原罐體內儲存的15 ℃冷水供水從下部接口流出,通過CV2所在管道進入冷水供水主環管,再分配至空調末端。該過程中的罐體內部水流方向為自上而下,罐體內部逐漸形成斜溫層。

3) 充冷模式:當應急狀態結束后,蓄冷罐需重新充冷,此時V5關閉,通過調節CV1、CV2開度,在保證空調末端流量的情況下,對蓄冷罐進行充冷。在冷水泵的吸入作用下,蓄冷罐中的21 ℃冷水回水通過CV1所在管道重新進入冷水機組,完成制冷循環,與此同時,15 ℃的冷水通過CV2所在的管道進入蓄冷罐完成充冷過程,罐體內部水流方向為自下而上,不會破壞罐體內部的斜溫層。

經對比可以發現,并聯系統主要有3個優勢:

1) 該系統管路形式和控制邏輯更加簡單,通過2個電動調節閥和1個電動開關閥即可完成蓄冷罐的充放冷過程,可節省部分成本造價,該蓄冷形式已在重慶某數據中心項目中成功運行,并完成驗收。

2) 相較于串聯系統,在蓄冷罐放冷過程中,冷水回水并未經過冷水供水管線,因此恢復供電時,空調末端也不會有短暫升溫的風險。

3) 由于水泵出口為母管制,可保證冷水泵之間互為備用,相比于水泵冷水機組一對一的形式,可減少因水泵故障造成對應的冷水機組停機次數,便于冷源系統的維護,但水泵并聯數量不宜過多,否則會引起流量的衰減。

4 結論

1) 開式常壓蓄冷罐常應用于大型或有儲能需求的數據中心;閉式承壓蓄冷罐常應用于中小型數據中心,對于國標A級數據中心,蓄冷罐釋冷時間不應小于不間斷電源設備的供電時間,通常不小于15 min。

2) 蓄冷罐充放冷過程中在罐體內會形成斜溫層,斜溫層有利于輸出溫度穩定的低溫冷源,也有利于提高蓄冷罐充冷效率。

3) 相較于串聯系統,蓄冷罐并聯系統管路及控制邏輯更加簡單,可節省造價成本,也可避免串聯系統形式下恢復供電時空調末端短暫升溫的問題。