0 引言

数据中心是为电子信息设备提供运行环境的场所,在数据中心中需要安装数据处理、数据传输和网络通讯等多种IT设备。为保障IT设备正常有效地运转和保障业务顺畅进行,还需要安装为IT设备服务的电力、空调等相关设备及传输管路。数据中心IT设备的正常工作,不仅需要电力供应系统、网络系统等配套设施的稳定运行,同时也依赖空调系统不间断稳定的运行。

IT设备与电子元器件通常对环境的温度非常敏感,短暂的制冷中断对于低密度机房尚可容忍,但设备的可靠性和处理能力开始降低,故障发生率大大提高,而对于中高密度机房很可能会引起故障,甚至造成业务中断。相关研究结果表明:当机房的热密度达到3~4.5 kW/m2时,机柜的平均进风温度在5 min内将升到15~28 ℃,在短时间内就可能引起服务器故障。因此,为保证IT设备的正常运转,对可靠性要求高或密度较高的数据中心必须具有持续供冷的功能。

空调系统的持续供冷,要求当电力系统发生紧急停电故障时,可以通过蓄冷装置和水泵为系统提供冷水。当电力系统发生故障时,一方面由于冷水机组会进入故障保护状态,首先恢复至正常开机的初始状态,再经过控制系统对冷水泵、冷却水泵、冷却塔等相关部件进行检查确认后,才能正常供冷。而冷水机组的生产厂商技术参数显示,相应的恢复时间为3~13 min .另一方面由于电力系统发生故障时,备用的柴油发电机组从启动至稳定供电的过程也需要一定的时间。因此,空调系统在电力发生故障时会有一段供冷不足,为了消除这一安全隐患,在空调系统中通常设置蓄冷设施,设置备用冷量。

1 自然分层水蓄冷技术

水蓄冷是利用水的显热来存储冷热的蓄能技术,由于其原理简单、运行稳定,因此广泛应用于工程领域。相关研究表明,水蓄冷系统的运行费用随着水蓄冷罐体积的增加而减少,当水蓄冷体积超过760 m3时,采用水蓄冷系统的经济性要强于其他相变蓄冷的方式。因此,水蓄冷系统在大型数据中心空调系统中应用具有一定的经济性。

由于数据中心的冷负荷大,瞬间的用冷量大,相变蓄冷的方式无法满足其快速、巨大的用冷要求,因此,水蓄冷技术广泛用于数据中心,作为应急冷源。水蓄冷在数据中心应用时,不需要额外配置蓄冷冷源,直接利用原有的备份冷水机组,在紧急情况下可以启动供冷,实现数据中心快速、持续和稳定的供冷要求。

笔者对大温差水蓄冷与小温差水蓄冷充放冷的过程进行数值模拟研究,因此,所建模型将蓄冷罐的布水器简化成均匀流速的平面,并且蓄冷罐的外壁面按绝热层考虑。其中大温差蓄冷的供回水温度分别为7 ℃/18 ℃,小温差蓄冷的供回水温度分别为12 ℃/18 ℃。充、放冷过程15 min,罐体直径为5.12 m,蓄水高度为21 m,高径比为4.1,初始流速为0.021 m/s,设计的弗劳德数Fr为0.6,雷诺数Re为1 050,以上参数值均为实际工程设计值。

充冷时蓄冷罐内充满了18 ℃热水,7 ℃(或12 ℃)冷水从罐的下方流入,热水从罐的上方流出;放冷时蓄冷罐内充满了冷水,冷水从罐的下方流入,热水从罐的上方流出,2个过程都属于瞬态传热过程。

应用GAMBIT前处理软件建立物理模型并生成六面体非结构网格,应用Fluent软件对充、放冷过程进行模拟计算。通过截取所建模型的中心平面,监视蓄冷罐内部的流动状态与温度场分布,从而得到各时刻蓄冷罐内斜温层的变化情况。图1~4显示了不同蓄冷温差下,充、放冷过程斜温层的变化情况。

图1 放冷过程斜温层分布(12 ℃/18 ℃)

图1

图2 放冷过程斜温层分布(7 ℃/18 ℃)

图2

图3 充冷过程斜温层分布(12 ℃/18 ℃)

图3

图4 充冷过程斜温层分布(7 ℃/18 ℃)

图4

由于将蓄冷罐作为数据中心应急冷源,整个放冷过程时间较短,因此要求罐内的水流速度较快,导致斜温层相对较厚,蓄冷和取冷的效率较低。其中大温差(7 ℃/18 ℃)蓄冷的效率约为90.6%,小温差(12 ℃/18 ℃)蓄冷的效率约为88.2%,这是由于忽略了布水器的影响,导致模拟计算的蓄冷效率大于实际的运行效率。

从模拟结果可以看出,斜温层的存在一方面影响蓄冷效率,另一方面则有利于水蓄冷系统实现温度分层,使冷热水不至于混合。此外,蓄冷罐在充、放冷过程中,斜温层的厚度都逐渐增大,并且斜温层的波动也逐渐增强。这是由于在运行过程中,斜温层在时间上有一个积累,通过导热作用,同时降低热水温度和提高冷水温度。

对比图1~4可以看出,大温差水蓄冷的斜温层较小温差水蓄冷稳定,波动也小,温度分层较明显。这是由于随着蓄冷温差的增加,蓄冷罐的密度差异越发明显,因而蓄冷罐内形成的浮升力将加大,导致自然分层效应加强,有助于斜温层的厚度增加变缓和蓄冷效率的提升。

然而,热水层与冷水层温差加大,同时导致两者之间导热量增加,这也会导致斜温层加厚。相关研究显示,增加蓄冷温差可以增加蓄冷量,同时会增加斜温层的厚度,降低蓄冷系统的效率。相关文献的工程实例表明,5 ℃的蓄冷温差,蓄冷效率约为87%;15 ℃的蓄冷温差,蓄冷效率约为93%。然而上述项目中的蓄冷罐高径比、水的流速与雷诺数都远小于实际工程中的值。因此,蓄冷温差对蓄冷效率的影响需要综合考虑蓄冷罐的形状、高径比、充放冷的水流速度等因素。

综上所述,蓄冷罐内斜温层的位置会随着充、放冷的过程而变化,整个充、放冷过程是一个非稳态的流动与传热过程,直接计算和控制斜温层的厚度难度较大。因此在蓄冷系统的设计中,为了保证水蓄冷系统可靠、高效运行,通常需要进行仿真模拟,以对蓄冷罐的设计进行优化。

2 水蓄冷技术在数据中心的应用2.1 水蓄冷作为应急冷源的应用形式对于数据中心不间断制冷,水蓄冷的应用形式可以分为开式和闭式2种。开式蓄冷系统技术成熟、冷水的分层效果明显、造价相对较低,因此数据中心空调系统的设计大多采用这种形式。另一方面,设计中常将开式蓄冷罐并联至空调系统中(如图5所示),为水系统定压,使其液位高度高于系统最高点(通常大于等于0.5 m),罐体直径根据系统需要确定,这使得开式蓄冷罐的高径比较大,蓄冷效率较高。数据中心采用的开式蓄冷罐的蓄水容积通常大于300 m3,其高径比通常大于3,蓄冷效率一般在85%以上。

图5 开式蓄冷罐应用示意

图5

闭式蓄冷罐单体容积一般较小,通常设置在建筑内部,串联接入空调系统中,蓄冷罐内的冷水持续流动以保证随时保有备用蓄冷量。闭式蓄冷罐要求有承压能力,对于材质的要求较高,其施工难度与造价也相对较高。当布水器配置不好时,罐内的冷温水混合现象非常严重,形不成稳定的斜温层,使得闭式蓄冷罐的蓄冷效率通常较开式蓄冷罐低。

2.2 水蓄冷在数据中心的节能运用由于大型数据中心普遍采用离心式冷水机组,当制冷负荷减小到一定程度时,制冷机会发生喘振现象,严重损坏压缩机的导叶。而数据中心在初始运行时,制冷负荷有时可能只有额定负荷的15%~20%。这时可以停止冷水机组工作,利用蓄冷罐进行供冷,从而保护冷水机组,并且提高其运行效率。

由于水蓄冷空调系统具有削峰填谷的功能,因此整个空调系统可以考虑节能运行模式设计(如图6所示),空调系统设置一用一备的蓄冷罐,在夜间利用备用制冷机制备冷水存储在蓄冷罐内,白天利用蓄冷罐存储的冷量进行放冷。对于前期低负荷运行时,蓄冷罐承担末端的全部用冷需求;当后期负荷加大时,蓄冷罐承担末端部分时段的用冷需求。这样一方面可以有效利用备用的冷水机组与应急蓄冷系统,避免冷水机组部分负荷运行,提高其运行效率;另一方面减少制冷机白天开机时间,对于有合理分时峰、谷电差价的地区,可降低空调系统的运行费用。

图6 开式蓄冷罐的节能应用示意

图6

相关文献对某数据中心实例进行分析,其冷源配置为三用一备,离心式冷水机组的容量为4 550 kW,设计供回水温度为10 ℃/16 ℃,夜间低谷电价时段开启备用制冷机制备6 ℃冷水存储在蓄冷罐内,白天用电高峰时段,蓄冷水与冷水回水混合成为10 ℃供给末端空调设备。分析表明,采用蓄冷系统夜间蓄冷、白天放冷的节能运行策略,可以降低制冷系统运行费用,每年运行电费节约9.03%。

上述实例中的蓄冷温差为10 ℃,取得了良好的节能效果,而对于采用中、高温冷水(供水温度高于12 ℃)设计的数据中心空调系统,如果降低蓄冷水温,采用大温差蓄冷(7 ℃/18℃),节能效果会更加显著。

数据中心蓄冷量设计值为整个空调系统满负荷运行20 min的冷量,假设系统前期运行时的设备负载只有设计负荷的10%~20%,那么单个蓄冷罐可以保证系统200 min的运行供冷。而对于双路供水设计或者备份蓄冷罐设计的空调系统,蓄冷系统则可以保证数据中心约7 h运行供冷,减少白天制冷机在部分负荷的运行时间,保证冷水机组始终运行在高效制冷区间。如果采用低温水蓄冷,增大蓄冷温差(7 ℃/18 ℃),则运行节能的效果会比上述实例更加明显。

3 结论1)在数据中心运行初期,机房设备负荷很小,此时可以停止冷水机组工作,利用蓄冷罐对末端空调设备进行供冷,从而避免冷水机组的部分负荷运行,提高冷水机组的运行效率。

2)水蓄冷空调系统的节能运行模式设计,可以有效地利用备用的冷水机组与应急蓄冷系统,减少白天制冷机的运行时间,保证冷水机组运行在高效区间。而对于分时峰、谷电差价的地区,可以显著降低空调系统的运行费用,提高电能利用效率。

在数据中心蓄冷空调系统的设计中,可以通过采用低温水蓄冷,增大蓄冷温差,系统的节能效果会更加显著。

本文刊登于《暖通空调》2016年第10期作者:北京捷通机房设备工程有限公司 黄庆河 曹连华北京英沣特能源技术有限公司 蔡宇「关注“暖通空调”」

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