數(shù)據(jù)中心是為電子信息設(shè)備提供運行環(huán)境的場所，在數(shù)據(jù)中心中需要安裝數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)通訊等多種IT設(shè)備。為保障IT設(shè)備正常有效的運轉(zhuǎn)，保障業(yè)務(wù)順暢的進(jìn)行和服務(wù)及時的提供，還需要安裝為IT設(shè)備服務(wù)的電力、空調(diào)等相關(guān)設(shè)備及傳輸管路。
數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)中斷對不同的行業(yè)會造成不同程度的影響，例如導(dǎo)致公司銷售停頓、生產(chǎn)停止、服務(wù)無法正常提供等。來自網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計資料顯示，過去的5年內(nèi)，發(fā)生的13次服務(wù)器宕機導(dǎo)致了568h的服務(wù)中斷，造成了超過7170萬美元的經(jīng)濟損失。IT設(shè)備的正常運行，不僅依賴電氣、網(wǎng)絡(luò)等配套設(shè)施的穩(wěn)定運行，也依賴空調(diào)系統(tǒng)不間斷可靠的運行。以往數(shù)據(jù)中心規(guī)模不大，密度不高，機柜密度只有1kW/機柜~2kW/機柜，即使制冷偶爾中斷，對IT設(shè)備的運行也沒有多大影響，因此數(shù)據(jù)中心的建設(shè)者往往忽略了制冷中斷的危害，只關(guān)注供電系統(tǒng)的設(shè)置。隨著科技進(jìn)步和時代發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越大，機柜密度越來越高，一般為4kW/機柜~10kW/機柜，甚至高達(dá)30kW/機柜，一旦制冷中斷，服務(wù)器的進(jìn)風(fēng)溫度就會迅速攀升，可能只需要60s甚至更短時間（取決于熱密度），就會達(dá)到破壞性水平，引發(fā)宕機或設(shè)備毀損釀成事故。某一機構(gòu)在實驗室條件下對不同負(fù)載條件下制冷方式發(fā)生中斷時，環(huán)境溫度的變化過程進(jìn)行了現(xiàn)場測試和統(tǒng)計，如圖1所示：1制冷中斷時環(huán)境溫升過程圖

從圖1中可看到：制冷中斷引起的溫升和機柜密度為正相關(guān)，機柜密度越大，制冷中斷時溫度上升的速度越快。對于熱密度為1.5kW/m2（或4.8kW/R）的機柜，制冷中斷時環(huán)境溫度上升的速度較慢，因此短時制冷故障，可能不至于引起服務(wù)器故障。但很多新建數(shù)據(jù)機房的密度已經(jīng)超過該數(shù)值，當(dāng)熱密度達(dá)到3~4.5kW/m2（或9.6kW/R~14.4kW/R）時，制冷中斷時環(huán)境溫度上升的速度很快，制冷中斷在短時內(nèi)就可能引起服務(wù)器故障。此外，即使數(shù)據(jù)中心的環(huán)境溫度升高沒有引起宕機，依然可能對IT設(shè)備造成損害。這是因為超出IT設(shè)備制造商推薦的溫度范圍和變化率將會導(dǎo)致IT設(shè)備內(nèi)組件材料的過度擴張和收縮。當(dāng)機房內(nèi)設(shè)備的溫度達(dá)到極高數(shù)值時，有時會立即發(fā)生故障，且在大多數(shù)情況下故障并不易被察覺，需要幾天或幾周時間才得以顯現(xiàn)。在此期間，設(shè)備各項功能看似正常，但實際已經(jīng)受損，設(shè)備的可靠性開始下降，處理能力開始降低，故障發(fā)生率大大提高。
總之，短暫的制冷中斷對于低密度機房可能能夠容忍，但對于中高密度機房很可能會引起故障，甚至造成業(yè)務(wù)中斷。因此，為保證IT設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，對可靠性要求高或密度較高的數(shù)據(jù)中心必須具有不間斷制冷的功能。

有部分業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，如果數(shù)據(jù)中心冷凍系統(tǒng)設(shè)有柴油發(fā)電機供電，就可以不采用不間斷制冷裝置，這種觀點是不正確的。事實上，當(dāng)電力故障引起制冷中斷時，由于自控系統(tǒng)響應(yīng)、柴油機啟動、冷水機組和空調(diào)設(shè)備重新啟動都需要一定時間，從制冷中斷到重新恢復(fù)往往需要5~15min，有些系統(tǒng)自動化水平較低，部分操作需要人為判斷，時間會更長，這種情況下機房溫度必然上升造成危害，因此僅僅配備柴油發(fā)電機并不能保證不間斷供冷。
不同的系統(tǒng)，制冷中斷后再恢復(fù)的過程也是不同的，恢復(fù)時間也有區(qū)別。對于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心常用的離心式水冷供冷系統(tǒng)制冷中斷時，冷水機組重新啟動到恢復(fù)事故前狀態(tài)所需的時間在制冷系統(tǒng)恢復(fù)時間中權(quán)重最大，這也是針對數(shù)據(jù)中心項目，很多冷水機組生產(chǎn)商不斷開發(fā)快速啟動型設(shè)備的重要原因。圖2是某離心式冷水機組廠商提供的不同類型的冷水機組重啟期間供水溫度變化曲線。從圖2可以看到，標(biāo)準(zhǔn)配置的冷水機組重新啟動到恢復(fù)正常供水溫度需要13min左右；配備了快速啟動模塊的離心式冷水機組，重新啟動到恢復(fù)正常供水溫度僅需3min~5.5min。盡管配備快速啟動模塊的冷水機組的恢復(fù)時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)機組，但仍然無法滿足中高密度數(shù)據(jù)中心對不間斷制冷的要求。

圖2 不同類型的冷水機組重啟期間供水溫度變化曲線
總之，當(dāng)制冷系統(tǒng)恢復(fù)時間無法滿足IT設(shè)備需求時，不間斷制冷裝置的配備就顯得至關(guān)重要。對數(shù)據(jù)中心制冷恢復(fù)時間將直接影響不間斷制冷裝置的選擇。

所謂不間斷制冷（continuous cooling）是指數(shù)據(jù)機房始終保持正常的溫濕度，不受任何事件影響。數(shù)據(jù)機房是否需要采用不間斷制冷裝置，主要依賴于數(shù)據(jù)中心的可靠性級別和用電密度。國際正常運行時間協(xié)會（The Uptime Institute）是一家致力于為數(shù)據(jù)中心行業(yè)提供認(rèn)證、信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)研究、技術(shù)咨詢等服務(wù)的會員組織。該組織率先提出數(shù)據(jù)中心的4級（tier1-tier4）分類方法，在業(yè)內(nèi)影響深遠(yuǎn)，其發(fā)布的白皮書對不同級別數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施配置有明確要求，詳見表1。在白皮書中，要求TIER4級別的機房必須設(shè)置不間斷制冷設(shè)施，tier1-tier3級別的機房應(yīng)該根據(jù)熱密度確定是否采取不間斷制冷設(shè)施，通常機柜平均密度大于6kW/rack的數(shù)據(jù)中心應(yīng)采取不間斷制冷措施，對于冷凍水系統(tǒng)應(yīng)配置包括設(shè)置蓄冷罐、精密空調(diào)風(fēng)機和冷凍水循環(huán)泵采用UPS供電（冷凍水系統(tǒng)采用一二次泵系統(tǒng)時，僅為二次泵配備UPS供電即可）。
我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB50174-2017將數(shù)據(jù)中心分為A，B，C共3個級別，通常認(rèn)為tier1對應(yīng)C級機房，tier2對應(yīng)B級機房，tier3和tier4對應(yīng)A級機房。盡管該規(guī)范沒有涉及不間斷制冷的相關(guān)內(nèi)容，但國內(nèi)很多設(shè)計單位和數(shù)據(jù)中心建設(shè)者都已關(guān)注到不間斷制冷設(shè)施的重要性，并在實施中配置了相關(guān)設(shè)施。

表1 不同級別數(shù)據(jù)中心的的基礎(chǔ)設(shè)施配置要求

制冷系統(tǒng)的類型與不間斷制冷也有一定關(guān)聯(lián)，采用分體式機房空調(diào)的數(shù)據(jù)中心很難實現(xiàn)不間斷制冷，這是因為風(fēng)冷直膨（DX）空調(diào)系統(tǒng)在每臺空調(diào)設(shè)備（CRAC）內(nèi)都裝設(shè)壓縮機，通過UPS系統(tǒng)為壓縮機提供電力，成本太高，目前尚未發(fā)現(xiàn)實施案例。而冷凍水系統(tǒng)更容易實現(xiàn)不間斷制冷，這時機房空調(diào)不配備壓縮機，無需分離空調(diào)風(fēng)機和壓縮機的電源，通過在冷凍水管路的適當(dāng)位置接入冷凍水儲罐，可以方便地儲存冷凍水，從而實現(xiàn)蓄冷和不間斷供冷。采用此系統(tǒng)時，CRAH的風(fēng)機和冷凍水循環(huán)泵需UPS供電。制冷中斷時，由蓄冷罐和水泵為系統(tǒng)提供溫度穩(wěn)定的冷凍水，蓄冷罐的大小應(yīng)按制冷中斷后，所需的連續(xù)供冷時間確定。連續(xù)供冷時間既要滿足冷凍水系統(tǒng)中斷到重新恢復(fù)的過程，也要滿足業(yè)務(wù)必須中斷時，IT設(shè)備需要的安全維護過程，實際案例中，蓄冷罐供冷時間通常會選擇和蓄電池的供電時間一致，這是因為蓄冷罐在制冷系統(tǒng)中的作用與蓄電池在UPS系統(tǒng)中的作用相當(dāng)。

為了滿足數(shù)據(jù)中心工程對不間斷制冷的要求，往往需要用到空調(diào)蓄冷技術(shù)。數(shù)據(jù)中心工程蓄冷裝置通常規(guī)模不大，只是用于保證制冷系統(tǒng)短時故障期間的供冷，但瞬時用冷量很大，這是因為數(shù)據(jù)中心的熱負(fù)荷較高。民用建筑常用的冰蓄冷技術(shù)，由于融冰速度有限，不適用于數(shù)據(jù)中心要求快速釋放儲存能量的要求，在數(shù)據(jù)中心行業(yè)很少采用。水蓄冷技術(shù)廣泛用于數(shù)據(jù)中心工程，水蓄冷可以采用開式和閉式2種方式，在數(shù)據(jù)中心不間斷制冷領(lǐng)域都有應(yīng)用。開式蓄冷系統(tǒng)技術(shù)成熟、控制簡單，造價相對較低，冷凍水的分層效果也較好，為多數(shù)大規(guī)模數(shù)據(jù)中心所選用。但開式蓄冷罐體積較大，設(shè)置在園區(qū)時會對總平面布置有一定影響，需要總體考慮園區(qū)規(guī)劃并與建筑外觀相協(xié)調(diào)。此外，對于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)中心項目，為了系統(tǒng)運行可靠常將開式蓄冷罐用作系統(tǒng)的定壓點，這就要求其液位高度高于系統(tǒng)最高點，當(dāng)數(shù)據(jù)中心為多層建筑形式時需要蓄冷罐高度較高，罐體直徑只能根據(jù)功能需要確定，從而影響蓄冷效率和設(shè)備造價。數(shù)據(jù)中心采用的開式蓄冷罐水容積多為300m3~1000m3，開式蓄冷罐+一二次泵的空調(diào)系統(tǒng)示意圖如圖3所示，開式蓄冷罐外觀圖如圖4所示。

圖3 開式蓄冷罐+一二次泵空調(diào)系統(tǒng)圖

圖4 開式蓄冷罐外觀圖

閉式蓄冷罐可以設(shè)置在建筑內(nèi)，不會影響園區(qū)的美觀。但由于閉式蓄冷罐需要承受一定壓力，材質(zhì)要求和施工難度相對較高，造價相對較高，但單體容積一般比較小。此外，由于閉式蓄冷罐罐體承壓、單體容積不大的特點，導(dǎo)致其布水器設(shè)計制造存在比開式蓄冷罐更多的困難，當(dāng)布水器配置不完善時，罐內(nèi)的冷溫水混合現(xiàn)象較嚴(yán)重，達(dá)不到穩(wěn)定的斜溫層，蓄冷效率就會較低，僅適用于中小規(guī)模數(shù)據(jù)中心不間斷制冷要求，通常蓄冷罐水容積為100立方米~400立方米。
數(shù)據(jù)中心的設(shè)計往往考慮了未來10年~15年的發(fā)展，因此用冷和用電都是分期分步實施的，一開始負(fù)荷不高，隨著業(yè)務(wù)發(fā)展逐步提升，最終達(dá)到設(shè)計容量。因此在數(shù)據(jù)中心運營初期，IT負(fù)荷不高時，容積較大的蓄冷罐還可以作為冷量調(diào)節(jié)的一個緩沖容器。除蓄冷罐外，設(shè)置不間斷供冷裝置的制冷系統(tǒng)在冷機選擇、系統(tǒng)設(shè)置、自控要求等方面也要仔細(xì)分析，既要保證制冷中斷期間，供冷的連續(xù)性，還要確保系統(tǒng)在蓄冷罐再次充冷期間和日常運行期間的安全運行。

綜上所述，面對高密度機房的發(fā)展趨勢，配置不間斷制冷設(shè)施，確保在電力中斷或其它原因引起的制冷中斷期間，IT設(shè)備仍可安全運行，是建設(shè)方和設(shè)計單位必須考慮的重要問題。數(shù)據(jù)中心不間斷制冷裝置的具體設(shè)施應(yīng)根據(jù)熱密度和可靠性的要求選擇配備。對于廣泛采用的冷凍水系統(tǒng)，可根據(jù)現(xiàn)場用地情況、園區(qū)規(guī)劃、造價等因素綜合考慮，可選擇開式蓄冷或閉式蓄冷，以適應(yīng)數(shù)據(jù)中心對不間斷制冷的要求。

文章來源于公開論文，僅供技術(shù)交流。安真 暖通研習(xí)會