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连载|1期 数据中心蓄冷白皮书
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2022.06.12 安徽

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NO.01

1.1

数据中心持续供冷的必要性

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 设备正常有效的运转,保障业务顺畅的进行和服务及时的提供,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。

图1-1 数据中心常用能源示意图

数据中心的电力供应,从市电经过变压器,给不间断电源(UPS)供电,UPS后备电池给机柜内的IT设备提供不间断的高品质电力供应。服务器的散热量,通过机房空调和空调水系统,最终通过室外的冷却塔将室内的电力消耗转化的热量排至室外。为了应付电力和供水中断,在园区设置一定数量的存水和存油设备,保证整个园区的电力和制冷不间断供应。
2018年,国际正常运行时间协会(Uptime Institute ,UI)发布了《国际正常运行时间协会全球数据中心调查》报告,报告中给出了2016年1月至2018年6月这些数据中心宕机的原因。其中停电是数据中心宕机的最主要原因,占比高达36%。导致停电的主要原因是:市电故障、柴油发电机故障、操作失误、飓风、雷击、转换开关间歇性故障、不间断电源(UPS)故障、电涌,以及人为破坏等。

表1-1 数据中心宕机原因

尽管数据中心按照UI的等级标准来设计,但依旧存在服务器宕机的风险。数据中心每次宕机的平均成本损失约为7908美元/分钟。在所有引起服务器宕机的原因中,由于冷却系统失效造成的宕机占33%,并且有逐年增长的趋势。
冷却系统失效的一个主要原因是故障性停电,当供电出现故障时时,可能会导致冷却系统出现暂时停机。与此同时,服务器及其它 IT 设备由于采用 UPS,在一段时间内仍保持运转,并继续产生热量。而冷却系统虽然有柴油发电机作为后备电源,但由于柴油发电机启动需要时间,因此在停电后冷却系统会失效一段时间。在冷却系统失效的时间内,数据中心的温度会急剧上升,在一段时间后会达到服务器运行的极限温度。

图1-2 单机柜4Kw,机房温度失效和冷水机组启动时间图

上图为施耐德公司对机房机柜4Kw的模拟计算,机房温度失效和冷水机组启动的模拟计算图。从上图可以看出,机房温度在3分钟内,会达到报警温度,而冷水机组在12分钟内,才能完全进行冷量供应。所以,在目前的数据中心内,都需要设置持续供冷设备。通过设置蓄冷设备或者利用UPS给压缩机供电来保持持续供冷。
下表为14年某运营商机架密度与宕机时间实际测试的对比表,可以看出,机架密度达到5Kw/机柜后,一旦空调停止运行,机柜仅仅持续4分钟后即宕机,并且随着机柜密度的提升,持续时间会变得更短。因此停电后即使有UPS继续供电,哪怕怕电池备电延长也是毫无意义的。

表1-2 无冷却环境机架密度/机房温度及宕机时间对比表

对不同功率密度下数据中心冷却失效后的温升情况进行了研究,ASHRAE等机构做了大量的研究,具体的结果见下图所示,大量的研究数据表明,在数据中心机房内,冷却失效时间在180秒内,在不同机柜功率密度下,机房内的温度变化关系:

图1-3 机柜功率密度与机房温度变化关系

从大量的模拟和实际测试数据中可以发现,基本机柜功率达到5Kw时,房间的温度60秒内会超过规范允许的温度。因而为了保障数据中心的安全,要求在目前数据中心需设置持续供冷来保证IT设备的持续稳定的运行。
GB50174-2017《数据中心设计规范》对于数据中心是否必须采用持续供冷没有明确规定。UI的规定是:T4级机房是唯一需要不间断供冷的等级,此外,UI建议当机架的功率密度超过4Kw/机柜时,无论是哪种等级都需要不间断供冷。
GB50174-2017《数据中心设计规范第7.4.1条规定:采用冷水空调系统的A级数据中心宜设置蓄冷设施,蓄冷时间应满足电子信息设备的运行要求。第7.4.1条条文说明指出:“蓄冷设施有两个作用:一是在两路电源切换时,冷水机组需重新启动,此时空调冷源由蓄冷装置提供;二是供电中断时,电子信息设备由不间断电源系统供电,此时空调冷源也由蓄冷装置提供”。因此,蓄冷装置供应冷量的时间宜与不间断电源设备的供电时间一致。蓄冷装置提供的冷量包括蓄冷槽和相关管道内的蓄冷量及主机房内的蓄冷量。

1.2

数据中心保障持续供冷的几种方式

目前数据中心常用的制冷方式有如下三种系统:

1、独立的风冷直膨精密空调制单元机或带有氟泵的独立的风冷直膨的单元机。
2、带有预冷模式的间接蒸发冷却AHU模块机组。

3、采用集中型的冷冻水空调系统。

三种制冷系统的示意图如下图所示:

对于采用独立的风冷直膨或间接蒸发冷却AHU机组数据中心,为了保证空调系统的持续供冷,一般利用UPS为50%的空调系统进行不间断供电,保证室内温度不超过32℃的情况下,一般持续供冷的时间为15分钟。另外一种方式为,用UPS给每台空调的1个压缩机及空调机组的风机供电,来保证空调系统的持续供冷。
对于集中型的冷冻水空调系统,一般设置蓄冷罐来保证持续供冷,通过UPS给水泵、末端精密空调及蓄冷罐的冷水,为数据中心进行持续供冷,供冷的时间一般设置为15分钟。
                                     本篇结束
   
  下期预告:数据中心水蓄冷的典型布置方案

文案/图:源自北京环渤高科能源技术有限公司技术部原创  

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