數據中心蓄冷系統選擇-孫長青
摘要：在數據中心的大型空調水系統中，爲了達到連續製冷的功能，採用的措施主要是蓄冷技術。在Uptime對於T4等級的數據中心要求裏，明確要求了連續製冷功能；在其他規範和標準裏面，對於這個功能沒有明確而具體的要求。但針對非有計劃的失電時，仍然需要保證空調系統提供正常冷卻功能的數據中心來說，設置蓄冷系統不失爲一個既技術可行又經濟的選擇。那麼，到底選擇什麼蓄冷形式適合作爲數據中心的蓄冷系統呢？
關鍵詞：數據中心 水蓄冷 冰蓄冷 蓄冷罐 一次泵 二次泵
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爲什麼數據中心選擇水蓄冷系統？
工程中常用的蓄冷介質有下列三種蓄冷介質：
l 水：利用水的溫度變化儲存顯熱量，蓄[ZT1] [ZT2] 冷溫度一般取4℃以上，蓄冷溫差爲5～11℃。水的單位體積蓄冷量較小，爲5.8～12.77kW·h／m3，蓄冷貯槽體積較大。製冷機可以按常規空調工況或者稍低溫度運行。
l 冰：利用冰的溶解潛熱儲存冷量，製冰溫度一般取—4～—8℃；冰的單位體積蓄冷量較大，爲40～50kW·h／m3，冰蓄冷貯槽所佔容積較水蓄冷小。冰蓄冷可提供較低的供水溫度，但至少1臺製冷機爲雙工況型，在製冰期間的效率會有所下降。
l 共晶鹽：無機鹽與水的混合物稱爲共晶鹽，共晶鹽的相變溫度一般爲5～7℃。該蓄冷方式的單位體積蓄冷量約爲20.8kW·h／m3，所需蓄冷槽的體積介於冰蓄冷和水蓄冷之間。製冷機可按常規空調工況運行。綜上，水蓄冷是單位體積蓄冷量最小的蓄冷方式，需要的蓄冷槽容積最大；但水蓄冷是目前數據中心常用的蓄冷形式，爲什麼要選擇水蓄冷而不是選擇其他蓄冷方式呢？有以下幾個原因：
1) 數據中心項目的冷凍水溫度都較高，有的系統冷凍水供回水溫度做到17/23℃；如果採用水蓄冷，冷水機的運行可以做到只有一種工況，而不是採用雙工況冷水機，按照系統供水水溫提供出水溫度即可，可以在原有冷機參數的基礎上設計蓄冷系統的水溫參數，並且可以保證供冷及蓄冷工況時的冷水機效率均較高。
2) 數據中心的蓄冷時間較短，滿足市電柴電轉換時間即可，一般設置爲15分鐘，也可以更短，所以水蓄冷單位體積蓄冷量小的劣勢沒那麼明顯，數據中心的場地可以滿足設置水蓄冷罐，也可以在規範和功能許可下與其它一些水池有條件的合用。
3) 數據中心的放冷時間不規律，且對安全可靠性要求很高，冰蓄冷和共晶鹽都需要增加中間換熱器，泵等專有蓄放冷設備，而水蓄冷可直接並聯或串聯進入冷凍水系統，與冷凍水系統共用水泵，蓄放冷過程簡單，可實現機械式轉換，安全可靠性高，能隨時切入放冷，適應突然失電的情況。
4) 水蓄冷的蓄冷溫度提高，相對冰蓄冷和共晶鹽蓄冷節省了向周圍環境的散冷量，而數據中心的蓄冷罐需要一直保持蓄冷狀態，節約此部分能耗有較大的節能意義。 -
爲什麼冷機與蓄冷罐並聯？
按照冷水機與蓄冷罐的系統裏的關係，可以有三種形式：
l 冷水機組在蓄冷罐下游的串聯形式
l 冷水機組在蓄冷罐上游的串聯形式
l 冷水機組與蓄冷罐並聯形式
當採用冷水機組在蓄冷罐上游的串聯形式時，會出現短時間末端供水溫度不穩定情況；當採用冷水機組在蓄冷罐下游的串聯形式時，會出現蓄冷罐的蓄水溫度高於冷水機供水溫度的情況。當採用冷水機組與蓄冷罐並聯形式時，沒有以上問題，而且系統可以做到簡單可靠。因此，對於大型數據中心蓄冷系統，一般不推薦使用串聯形式，宜採用並聯方式；對於小型的數據中心蓄冷系統，考慮一次泵系統簡單可靠，採用串聯也未嘗不可。對於舒適型空調系統，設計蓄冷系統目的是爲了利用電價差進行節能；而數據中心的空調系統，設計蓄冷系統目的是爲了數據中心的連續製冷，當然也可以在特定條件下，利用這個系統進行充放冷運行而達到一部分節能的目的。而數據中心的蓄冷系統相對於舒適性空調的蓄冷系統來說，應該更加簡單可靠。
蓄冷罐與冷機串聯繫統示意圖
蓄冷罐與冷機並聯系統示意圖
對於舒適性空調水蓄冷系統，需要考慮的過程爲：1單製冷機供冷運行工況；2單製冷機蓄冷工況；3單蓄冷罐放冷工況；4製冷機供冷蓄冷罐蓄冷聯合工況；5製冷機蓄冷罐聯合放冷工況；6待機。而數據中心空調系統僅需要考慮：1單製冷機供冷運行工況；2單蓄冷罐放冷工況；3製冷機供冷蓄冷罐蓄冷聯合工況；4待機（僅限於調試階段）。
在工況3時，當採用冷水機組在蓄冷罐上游的串聯形式時，會出現短時間末端供水溫度不穩定情況；當採用冷水機組在蓄冷罐下游的串聯形式時，會出現蓄冷罐的蓄水溫度高於冷水機供水溫度的情況。當採用冷水機組與蓄冷罐並聯形式時，沒有以上問題，而且系統可以做到簡單可靠。因此，對於大型數據中心蓄冷系統，一般不推薦使用串聯形式，宜採用並聯方式；對於小型的數據中心蓄冷系統，考慮一次泵系統簡單可靠，採用串聯也未嘗不可。
- 數據中心繫統典型蓄冷系統
下面是數據中心的比較典型的帶蓄冷功能的冷凍水系統示意圖，僅供各位讀者參考。
1) 小型數據中心冷凍水蓄冷系統
冷水機（N+1配置）
一次泵（N+1配置）
閉式水蓄冷罐（N）
管路雙環路
2) 大型數據中心冷凍水蓄冷系統
冷水機（N+1配置）
一、二次泵（N+1配置）
開式/閉式水蓄冷罐（N）
管路雙環路
- 結論
兩種系統各有優劣點，在數據中心項目中，一次泵系統相較於二次泵系統水泵能耗相對更低，二次泵系統相較於一次泵系統更安全可靠。每個數據中心都有獨特的需求，蓄冷系統需要根據具體項目情況，採用合理的蓄冷技術進行設計，以達到滿足數據中心安全節能的運營要求。