蓄冷系统

蓄冷系统1蓄冷系统设置1.1蓄冷系统运用在国家《电子信息系统机房设计规范》中，数据中心被划分A、B、C三个级别，每一级别的数据机房都要求有一个安全、可靠运行的空调系统来保证机房内所有计算机及其配套设备的正常运作。对每一级别机房的空调系统使用的主要设备规范都提出了不同的设置冗余、备份的措施要求，如对A类数据中心冷水机组、冷水循环水泵、冷却循环水泵等需按N+X般(X=1~X)冗余要求配置。空调系统的动力来源均为电力，虽然主要系统、部件都设置了冗余、备份，但还需要考虑为空调系统供电的电力系统发生意外停电故障时，空调系统如何维持正常运行。经过初步分析，当常规电力系统发生紧急停电故障状况时，空调系统受到的主要影响有以下两方面：(1)冷水机组在正常供冷过程中遇到停电故障时会进入故障保护状态，在电力供应恢复后，离心式冷水机组的压缩机导叶先恢复至正常开机的初始状态，再经过冷水机组控制系统对冷水循环水泵、冷却水循环水泵、冷却塔等相关部件进行巡检，并确认正常运行后，冷水机组才能正常启动。这段恢复过程所需要的时间在咨询相关生产厂家后得到最短需要约1min，最长需要约15min。(2)在常规电力系统发生故障时，备用的柴油发电机组可以紧急启动提供后备电力，从柴油发电机组启动至稳定供电的过程所需时间约为3min。这两方面的原因导致了空调系统在电力系统发生故障时会有一段供冷不足的时段。为了能很好地解决这一安全隐患，在空调系统中可通过设置蓄冷设施，储备备用冷量来解决这一问题。1.2蓄冷方式的选择当冷量以显热或潜热形式储存在某种介质中，并能够在需要时放出冷量的空调系统称为蓄冷空调系统，简称蓄冷系统。蓄冷空调系统主要有冰蓄冷空调系统及水蓄冷空调系统两种。通过制冰方式，以相变潜热储存冷量，并在需要时融冰释放出冷量的空调系统称为冰蓄冷空调系统，简称冰蓄冷系统；利用水的显热储存冷量的系统称为水蓄冷系统，简称水蓄冷系统。空调水蓄冷系统与冰蓄冷系统相比较主要区别见表1。数据中心的空调冷负荷主要包括机房内设备的散热负荷、建筑围护结构负荷、人体散热负荷、照明负荷、新风负荷以及伴随各种散湿过程产生的负荷，其中机房内设备散热负荷也就是数据处理的计算机及其辅助设备的显热负荷，在一天24小时中的每个时刻都基本不会变化，属于一个稳定负荷。这部分负荷占整个数据中心空调冷负荷的比例可达到90％以上。根据数据中心这一负荷结构情况的特点，水蓄冷系统更能适合数据中心冷量备份的需求。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的空调冷水温度相近，可考虑直接使用，不需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蓄冷系统的节能运用数据中心设备负荷的加载是一个渐进的过程，因此在数据中心的运行初期，蓄冷系统完全可以考虑用于节能运行，其运行模式为：夜间制备冷水一日间投入运行。在有合理分时峰、谷电差价的地区，夜间利用低谷电蓄冷罐进行蓄冷，白天利用蓄冷罐夜间存储的冷量进行放冷。由于蓄冷罐的蓄冷量按1．1节的分析约为整个空调系统20min的蓄冷量，而数据中心刚开始运行时的设备负载可能只有设计负荷的20％以下，单个蓄冷罐可以至少保证系统运行初期100min的运行，如采用二路供冷水的系统，设置有2个蓄冷罐，可以保证空调的运行时间更长。这样可以有效减少冷水机组的开启时间，对于大型的数据中心，由于冷水机组的容量都比较大，节能的效果是非常明显的。离心式压缩机属于速度压缩型，不能直接提高吸入冷媒气体的压力，而是将吸入冷媒气体的速度提高。压缩机排气口的高速冷媒在进入冷凝器之前经过扩压器，将冷媒气体的速度动能转化为压力势能(速度减小、压力提高)。当负荷减小到一定程度时，冷媒流量减少；如果压缩机出口扩压器形状不可调节，则冷媒气体就不能提升到高于冷凝压力的压力值，此时冷媒循环压差不足，造成压缩机出口冷媒剧烈紊流，震动加剧，即发生喘振的现象，严重时可损坏压缩机。而由于数据中心空调负荷的特性，初始运行时设备负荷很小，冷水流量有可能会低于单台冷水机组额定流量的15％。当这种情况发生时，可以停止冷水机组，利用蓄冷罐进行供冷，起到保护冷水机组的作用。3工程实例分析某数据中心空调系统冷负荷为14000kw，系统中共配置了8台离心式冷水机组(4用4备)，每台冷水机组制冷量为3510kw。为了保证冷水系统运行的安全可靠设置了水蓄冷系统。蓄冷罐容积计算如下：数据中心共有两路电源供电，系统用4台冷水机组分为A、B两组，分别由一路电源供电。蓄冷系统的蓄冷量设计仅考虑当一路电源发生故障时，2台冷水机组紧急停机的情况。因此总蓄冷量为：Qgt=Q•h式中Qgt一总蓄冷量，kwh；Q一制冷量，kW；H----蓄冷时间，h，根据1．1节分析，蓄冷时间取20min：则Qgt=3510×2×(20／60)=2340(kWh)蓄冷罐的容积可按系统需要的蓄冷量进行计算，同时，考虑到蓄冷罐与整个水系统为串联连接，系统管路也可视为蓄冷罐的一部分，管路中的冷水保有量也可作为一部分的蓄冷水量。系统需要的蓄冷水量为：FOM—蓄冷水槽的完善度，考虑混合和斜温层等因素的影响，取90%；Av---蓄冷水槽的体积利用率，取95%。则V1=3600×2340/（7×1000×4.187×0.9x095)=336(m3)管道系统中的保有冷水量为：V2=II×R2×L(3)式中V2---管道系统保有冷水量，m3；R----管道半径(按平均管径为DN300计)，m；L----总管道长度(按总管长2000m计)，m。则V2=II×0.15平方×2000=14lm3蓄冷管容积V=(V1—V2)×1.1=215m3空调水系统流程如图1所示。由于数据中心的特殊性，其安全和可靠性是放在首要的位置。为了保证空调系统的不间断运行，从图中可看到，在每个空调冷水系统环路上各设置l台蓄冷罐．其主要作用是在电力系统发生意外停电故障时，保障空调系统能维持一段时间。本工程每个系统设置一个蓄冷罐，共有2个蓄冷罐。采用卧式水罐，罐体长度为14m，直径为4.8m．有效容积为220m3．直接放置在冷水机组房内。蓄冷罐示意图如图2所示。4结语本文对蓄冷系统在数据中心空调系统中作为备用冷源的运用进行了初探．随着数据中心建设的不断发展，蓄冷技术在数据中心的运用也会不断完善。对于不同建筑规模，不同设计要求、不同负荷密度的数据中心，蓄冷系统在设计、选择上也会不尽相同，有待进行深人研究。