当数据中心电力系统发生紧急停电故障状况时,需要启动柴油发电机组作为后备电源,从柴油发电机组启动至稳定供电的过程需要时间,电力恢复后离心式冷水机组导叶也需要恢复时间,润滑油路也需要预润滑时间,最后经过冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵确认后,冷水机组才能正常启动。这段时间内,如果没有不间断制冷,数据中心会出现供冷不足,高密度情况下服务器工作温度会迅速上升,严重情况下发生宕机事故,为了解决这一隐患,需要采用不间断制冷,确保供冷的连续性,如在数据中心设置蓄冷罐,储备一定的冷水作为备用应急冷源,满足数据中心空调系统15min的运行需要。从数据中心的实际使用情况来看,配置蓄冷系统是一个易于实现又较为经济的方案。
　　
　　1 蓄冷目的和作用
　　
　　数据中心设置一定数量的蓄冷罐蓄冷,可以带来多方面的好处:一是保证电力系统故障或者冷机故障时,对服务器提供不间断冷却;二是保证制冷系统运行的平稳,防止低负荷情况下冷机喘振和运行困难的问题;三是可以利用夜间谷段低电价进行蓄冷,在白天电价较高的峰段期间,将蓄藏的低温冷冻水释放出来供数据中心空调系统制冷使用,达到削峰填谷的目的,可以降低部分电费。
　　
　　2 蓄冷罐原理和分类
　　
　　蓄冷罐用于储存空调冷冻水,罐内设有布水装置,可以将不同温度的空调冷冻水平稳地引入罐内,在罐内形成温度分层。蓄冷罐罐体配置了进出水口、人孔和排气口,蓄冷罐下部配置了泄水口,同时为了控制和检测的需要,配置了压力传感器、温度传感器和控制箱,对蓄冷罐的蓄冷状态实时监控。水流分布器布置于蓄冷罐的两端。它的作用是使水以重力流或活塞流平稳地流入或引出水罐,以便使水按不同温度相应的密度差异依次分层,形成并维持一个稳定的斜温层,以确保水流在贮罐内均匀分布,扰动小。
　　
　　蓄冷水罐利用斜温层原理,采用分层式蓄冷技术,充分利用蓄水温差,输出稳定温度的空调用冷水。斜温层是不同水温的水交界处生成一定厚度的相对稳定的温度剧变层;蓄冷罐通过水流分布器从罐中取水和向罐中送水,水流分布器可使水缓慢的流入和流出蓄冷罐,以尽量减少紊流和扰乱温度剧变层。当蓄冷时,随着冷水不断从进水管送入水罐和热水不断从出水管被抽出,斜温层稳步下降;反之,当取冷时,随着冷水不断从蓄冷罐的下部抽出和热水不断从罐子的上部流入,斜温层逐渐上升。蓄冷罐按照形式,可以分为开式罐和闭式罐,开式罐体积大,相对蓄冷容量较大,蓄冷用的水和大气接触,常为立式非承压式设计;闭式罐也叫承压式蓄冷,相对体积小,蓄冷容量较小,但蓄冷用的水不和外界发生接触,可以采用立式设计,也可以卧式设计。
　　
　　3 蓄冷罐常见架构和工作方式
　　
　　数据中心蓄冷罐设计架构方式较多,目前最常见的架构如下:
　　
　　(1)单级泵并联蓄冷架构
　　
　　单级泵并联方式下,蓄冷罐和冷机并联,蓄冷罐配置独立的放冷泵,当需要不同的供冷模式时,启动相应的泵来完成相应的工作,如冷机制冷时,维持循环泵工作;蓄冷罐放冷时,启动放冷泵进行工作。其中放冷泵和末端设备电源需要由UPS提供。单级泵并联蓄冷有三种工作模式,分别是保冷模式、放冷模式和充冷模式。
　　
　　①保冷模式。当蓄冷完成后,关闭充冷阀,这时主机直接向末端设备供冷,冷冻水不再流经蓄冷罐。运行过程中,BA系统实时检测蓄冷罐的水温情况,根据蓄冷罐内水温情况,适时打开充冷阀,向蓄冷罐补充冷量,当BA检测到水温达到蓄冷设定温度后,表示蓄冷罐冷量补充完成后,重新关闭充冷阀,如图1所示,冷机继续只对末端设备供冷。在这过程中,只打开和关闭了蓄冷阀门,故蓄冷罐压力和液位不会发生太大变化。
　　
　　②放冷模式。当外市电中断后,冷机和冷冻循环泵会停止工作,BA系统检测到系统断电后,发出指令启动放冷泵投入运行,蓄冷罐的冷量就开始通过放冷泵的循环输送到末端并向末端供冷,确保机房供冷的连续,如图2所示,UPS为放冷泵和末端设备提供电源。这个过程中,由于放冷泵的抽吸作用,系统管路和蓄冷罐内部压力会发生波动,导致蓄冷罐液位也发生波动,这对系统运行是不利的。
　　
　　③充冷模式。当市电恢复后,冷冻循环泵恢复运行,冷机复位并完成重启工作开始向外供冷,这时停止放冷泵运行,开启充冷阀,使冷水机组向末端设备供冷的同时向蓄冷罐进行蓄冷,如图3所示。从放冷状态到充冷状态,蓄冷罐的压力会发生轻微改变,也会导致蓄冷罐液位发生变化,所以系统运行过程中，要监视蓄冷罐内部水温和蓄冷罐液位的变化情况，根据情况作出各种合理的控制和操作。
　　
　　④单级泵并联蓄冷设计案例。某数据中心采用单级泵并联蓄冷设计,双分集水器设计,冷机采用为2400冷吨高压冷机,2+1配置,冷却水循环泵1850m3/h,2+1配置,冷冻循环水泵为1300m3/h,2+1配置,放冷水泵为1300m3/h,2+0配置;采用直径6m蓄冷750m3的蓄冷罐2台,承压1.0Mpa,系统简图如图4所示:
　　
　　单级泵并联蓄冷的优点:采用开式蓄冷罐和多台冷机并联,蓄冷罐的蓄冷能力比较大,蓄冷系统可以用于节能运行,如夜间利用低谷电价对蓄冷罐进行蓄冷,蓄冷运行时,主机一直处于满载区间运行,主机运行效率高;白天利用蓄冷罐夜间存储的冷量进行放冷。对于大型的数据中心,由于冷水机组的容量都比较大,调峰效果是非常明显的。既满足了数据中心供冷需求,又充分利用了电网的低谷电价,缓解了电网高峰时段的电力紧张状况,节省大量的运行费用。
　　
　　单级泵并联蓄冷缺点:一级泵并联一般采用单罐设计,蓄冷回路容易出现单点故障;蓄冷罐常采用立罐开式设计,蓄冷罐水源和大气接触会导致水质变差,需要设计氮封装置;蓄冷罐的蓄冷与释冷工况运行,需要依赖自控系统开启相应的释冷水泵和充冷阀门进行,所以对BA的可靠性要求较高;另外由于模式的改变,系统在充冷和释冷过程中,系统压力会发生改变,导致蓄冷罐压力出现波动,由于是非承压设计,操作不当会导致蓄冷罐出现溢水和补水等现象。
　　
　　(2)单级泵串联蓄冷架构
　　
　　在单级泵串联系统里,把蓄冷罐和主机串联在同一回路中工作。当主机正常供冷时,主机通过电池调节阀1、2和蓄冷罐向末端供冷,水泵电源由UPS提供。一级泵串联有三种工作模式,分别是保冷、充冷和放冷模式。
　　
　　①保冷模式也就是正常运行状态,水泵和冷机处于正常运行,电动阀1打开,电动阀2关闭,冷机的产生的冷量通过电控阀1完全送到末端设备,回水通过水泵回到冷机,完成一个循环;蓄冷罐处于保冷状态中,当系统检测到蓄冷罐温度上升后,微开电磁调节阀2,让部分流量对蓄冷罐进行充冷,充冷完成后,关闭电池阀2,如图5所示。
　　
　　②放冷模式当市电发生中断或者冷机故障时,冷机停止工作,而UPS继续为冷冻泵提供电源,这是BA系统关闭电动阀1,全开电动阀2,循环泵的流量全部流经蓄冷罐,蓄冷罐直接向末端释放冷量,如图6所示。
　　
　　③充冷模式当系统电力恢复,冷机重新启动工作后,BA系统检测到冷机输出冷冻水正常后,关小电控阀2,开大电控阀门1的开度,冷水机组向末端设备供冷并向蓄冷罐进行蓄冷。同步调节电池阀1和电磁阀2的开度,可以控制进入蓄冷罐的冷水流量大小,从而调节蓄冷罐充冷的速度;当蓄冷完成后,全关电磁阀2。系统如图7所示。
　　
　　从实际使用情况来看,采用2只电磁阀切换,控制简单,容易实现;但是在蓄冷罐充冷会出现冷水从蓄冷罐上部进入的情况,导致斜温层被破坏,一方面降低了冷机效率,另外一方面增加了蓄冷的时间。为了解决这个问题,可以增加一只电磁阀3,如图8所示,当进行充冷时,全关电磁阀2,全开电磁阀1和3,就可以实现冷水从蓄冷罐底部进入,热水从上部流出,确保斜温层的稳定。
　　
　　④设计案例。某数据中心采用单级泵串联设计,环网结构,冷机采用为1800冷吨高压冷机,4+1配置,冷却水循环泵,1130m3/h,4+1配置,冷冻循环水泵为980m3/h,4+1配置;采用直径6m、蓄冷130m3的闭式蓄冷罐10台,承压1.Mpa,系统简图如图9所示；为了简洁，图中5台冷机图中只画了3台冷机。
　　
　　单级泵串联方式的优点:冷机、水泵和蓄冷罐组成一一对应关系,蓄冷罐的放冷不需要专用的充冷阀和放冷泵,直接使用冷机的循环水泵,可以简化系统和操作,系统进行充冷和放冷时,BA系统控制电磁阀的启闭就可以实现放冷和保冷的转换,BA控制电磁阀开度大小,就可以调节蓄冷罐的充冷速度。
　　
　　缺点:蓄冷罐的充冷速度需要依靠BA系统的精确调整,对BA系统要求较高,另外采用双阀控制蓄冷罐充放冷时,会破坏了蓄冷罐的斜温层,加大蓄冷时间,另外蓄冷罐进回水温差过小,也降低了冷机的效率,故需要采用多阀门设计,如通过3阀门或者4电磁阀的启闭控制,来改变蓄冷罐的冷冻水的进出流向。另外冷机、冷冻水泵和蓄冷罐需要一一对应,增加了蓄冷罐的数量和控制的复杂性,相应增加了投资。
　　
　　(3)二级泵蓄冷架构
　　
　　二级泵蓄冷系统,就是蓄冷罐设计在一二级泵的旁通管上,根据一级泵和二级泵流量的差值,实现运行模式的转变,当一级泵流量等于二级泵时,旁通管流量等于零;当一级泵小于二级泵时,旁通管内冷冻水流动方向自下而上;当一级泵大于二级泵时，旁通管流动方向自上而下；这样一来，只需要改变一二级水泵的流量关系，就很方便改变蓄冷罐工作模式的转变，这种情况下，不需要BA对系统进行控制，从而简化了BA的要求，提升了蓄冷系统的可靠性，只需要UPS电源来保证二次循环泵的电源即可。二级泵蓄冷系统有下列3种工作模式:
　　
　　①二级泵蓄冷保冷模式当一级泵流量等于二级泵流量时,冷冻水就不经过蓄冷罐内,这时冷机只对机房供冷,如图10所示。
　　
　　②二级泵蓄冷应急放冷模式当市电中断后,一级泵无流量,二级泵循环的流量从下而上,完全经过蓄冷罐,蓄冷罐的冷量就对机房供冷,见图11所示。
　　
　　③二级泵蓄冷充冷模式当市电恢复后,冷机和一级泵重新恢复工作,当一级泵流量大于一级泵是,蓄冷罐内冷冻水流向就是自上而下,这时冷机除了承担所有机房负载的同时,开始对蓄冷罐进行充冷,如图12所示。
　　
　　④二级泵蓄冷设计案例某数据中心采用二级泵蓄冷设计,末端环网结构,冷机冷量1200冷吨,2+1配置;冷却水循环泵,900m3/h,2+1配置;一级冷冻循环水泵为660m3/h,2+1配置;二级泵水量660m3/h,2+1配置;采用125m3的闭式蓄冷罐3台组合成1台375m3的大蓄冷罐,承压1.Mpa,系统简图如图13所示。
　　
　　4 蓄冷罐常见问题和故障
　　
　　(1)蓄冷罐放冷时间不足
　　
　　蓄冷罐放冷时间往往达不到设计要求,某数据中心实际负荷只有设计负荷30%情况下,放冷时间仅13min左右,而按照理论计算蓄冷量应能满足实际负荷至少50min以上;现场排查问题发现蓄冷罐在制造时，内部布水器的设计未能达到水温自然分层的效果，高温回水对底部低温水的扰动明显，导致蓄冷罐放冷时间明显变短，影响数据中心安全。
　　
　　(2)蓄冷罐没有独立补水装置
　　
　　蓄冷罐在使用过程中,需要检修和维护,检修中需要先排空蓄冷罐内部的水源,检修完成后,蓄冷罐需要接入系统,由于蓄冷罐没有设计独立补水装置和设施,导致蓄冷罐无法补充水,只能空罐情况下被直接接入系统,水系统的冷冻水大量进入蓄冷罐内造成水系统失压,机房出现严重高温,影响数据中心的安全。
　　
　　(3)蓄冷罐沉降事故
　　
　　某数据中心冷冻水系统配置750m3的大型立式蓄冷罐,并布置在主楼外侧,室外部分管道采用埋地方式,由于蓄冷罐和主楼沉降不同,导致蓄冷罐和系统相连的管道被剪断,导致工程事故某数据中心125m3闭式蓄冷罐也由于沉降原因,导致进出水管路发生位移,软接头被拉开。
　　
　　5 结束语
　　
　　蓄冷罐的设计和建设,要考虑运维、调试和检修的方便;同时在运维中,也要及时发现隐患和问题,采取正确的方法和操作步骤,确保系统的安装和正常工作。希望上述经验对数据中心的运维和建设有所借鉴。
　　
　　作者简介
　　
　　汤知真,中国电信集团资深运维经理,从事电源空调维护工作33年。
　　
　　叶明哲,中国电信集团B级专家,从事电源空调维护工作28年。
　　
　　编辑：Harris