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IDC 机房温升与水蓄冷应急供冷的研究(一)

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时间: 2018-04-03
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摘要:本文分析了IDC机房在市电断电时末端设备可以继续工作和停止工作两种情况下,IDC机房温度上升情况,在此基础上分析了水蓄冷应急供冷的可行性、系 统设计及相应控制原理。另本文重点研究分析了一套既可实现IDC机房节能又可作为应急供冷冷源的水蓄冷系统。

 关键词:数据中心;温度变化;水蓄冷

    引言 

    在威胁数据中心的众多因素中,电力中断所占的比例最大,为 27%。电力中 断后,原中央空调系统无法正常运行,会导致 IDC 机房以及设备服务器温度迅速 上升,而机房温度每升高 10℃服务器的可靠性就会下降 20%,严重时还可能导致 宕机。这就需要对机房在断电后的温升状态进行研究,并针对机房温升的特点, 提出可靠的解决方案,以保障 IT 设备在市电断电时能正常安全运行。

    1.IDC 机房断电后温升研究

    1.1 根据对数据中心断电后机房温度变化情况的模拟可知,市电断电后 IDC 机房的温度变化情况主要有以下三个步骤:

    1)断电至油机启动这段时间内 IT 设备的发热量引起机房的温度升高。

    2)空调启动后当空调制冷量没有达到 IT 设备发热量时,将继续引起机房温 度升高,当空调制冷量等于 IT 设备发热量时,此时机房的温度达到最高。

    3)空调制冷量超过 IT 设备发热量时,此时机房温度开始降低直至达到正常 温度。 数据中心断电后,空调末端设备会有两种情况:一、末端设备可由 UPS 电源 供电;

    1.2 末端设备不能由 UPS 电源供电,下文对两种情况做详细说明。 

    当遇到市电断电时,此时空调制冷机组无法正常运行,但是其末端设备由于 有 UPS 电源供电还可以继续工作,那么这时机房里的换热主要是对流换热。此时 IT 设备产生的热量一部分导致设备温度上升,一部分导致机房内空气温度上升。

     针对电子器件冷却的问题:对水平板热面向上与向下的情形,其均匀热流密 度条件下平均表面传热系数的计算式:

IDC 机房温升与水蓄冷应急供冷的研究(一)

其中:C:单晶硅比热容; :单晶硅密度;V:单晶硅体积; :IT 设备 与其周围环境温差;q:热流密度;t:温升时间;B、m:无量纲数;g:重力加 速度; :流体膨胀系数;L:特征长度; :空气导热系数;

 A:对流换热面积; :空气动力粘度。 

根据上式对一个面积为 500 ㎡,高为 4 米,放置 200 台单机架功率为 4KW/7KW 的机柜时 IT 设备的机房,以及机房的温升情况进行计算,可得如下结果:

IDC 机房温升与水蓄冷应急供冷的研究(一)

IDC 机房温升与水蓄冷应急供冷的研究(一)

2.空调水蓄冷应急供冷研究 

2.1 数据中心断电后常规应急供冷方式简介 目前数据中心采用的应急方案主要有以下四种:

    1)单独制冷系统+备用冷水机组

    当某一制冷机组出现故障时,立即切换到备用制冷机组上,代替故障机组继 续供冷。

    2)双路供水方式 

    当其中某一路供冷出现故障时,立即切换到另一路进行供冷。

    3)UPS 电源+精密空调 当出现市电断电等紧急情况时,采用 UPS 电源继续给精密空调供电,由精密 空调为数据中心机房供冷。

    4)备用发电机+原中央空调系统 

    当出现市电断电等紧急情况时,启动备用发电机组继续为原中央空调系统供 电。

     以上所提到的保障方案,虽然发电机能够在 10—20 秒的时间内启动,但是 制冷机组从断电到重新启动并正常运行需要至少 8 分钟的时间,在此过程中无法 保障 IDC 机房的正常供冷。

2.2 水蓄冷应急供冷可行性分析及优势 

    从时间方面分析,当市电断电时,虽然制冷主机无法正常启动,但是由于 UPS 电源的配备,蓄冷系统中的水泵、板式换热器、电动阀和末端的空气处理器 风扇仍可以继续运行。采用智能控制系统,从供冷出现故障至切换到由蓄冷槽进 行供冷时间不超过 45 秒,根据前文温升部分计算,即使是单机架功率为 7KW 的 机柜在市电断电后 45 秒时服务器最高温度也才上升到 70℃,该温度还在 IT 设 备的承受范围之内,不会对 IT 设备造成任何影响。 

    从空间角度分析,由于冗灾时间不长,当设备断电时,只需保证向服务器供 冷 15 分钟。根据计算一个空调系统冷负荷为 14000KW 的数据中心,只需建一个 415m³的蓄水槽即可满足冗灾要求,在空间上具备实施的条件。 

水蓄冷系统在数据中心的运用中主要有以下优势: 

    1)水蓄冷系统可与原空调系统“无缝”连接,无需再额外配置蓄冷冷源或 对原系统用冷水机组进行调整;

    2)水蓄冷系统的冷水温度与原系统空调冷水温度相近,可考虑直接使用, 不需要设额外的设备对冷水温度进行调整;

    3)水蓄冷系统控制简单,运行安全可靠,在出现紧急状况可及时投入使用。 

2.3 水蓄冷应急供冷系统设计 水蓄冷应急供冷在数据中心的应用主要以在线运行模式为主,其在线运行模 式主要有两种系统:

IDC 机房温升与水蓄冷应急供冷的研究(一)

IDC 机房温升与水蓄冷应急供冷的研究(一)

IDC 机房温升与水蓄冷应急供冷的研究(一)

一次泵流量大于二次泵流量,二次泵流量为满足负荷所需流量,一次泵比二 次泵多的流量进入蓄冷罐。

IDC 机房温升与水蓄冷应急供冷的研究(一)










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