制冷系统失效后,机房模块的温升速度可以粗略估算。举例说明如下:
模块物理空间:长17米、宽10米、层高4.5米,模块整体容积为立方米(含独立空调间、静电地板下空间);
热负荷:模块内部署15个网络机柜和45个服务器机柜,其中网络机柜平均功耗0.8kW,服务器机柜平均功耗5.8kW,IT设备总功耗kW,忽略围护结构、照明、运维人员等其他热负荷;
制冷系统:采用三台显冷量为kW的房间级精密空调,送风方式为地板下送风侧墙回风。机柜布局形成冷热通道,但未采取封闭措施。正常运行情况下冷通道平均温度(服务器进风温度)为22℃;
IT设备进风温度上限(服务器超温告警阈值)按38℃考虑;
综合上述条件,该机房模块制冷系统全部失效情况下,服务器进风温度由22℃上升至38℃的时间可由以下公式计算:
时间=机房容积×空气密度×空气比热容×温升÷机房热负荷
其中空气密度按1.kg/m3取值,空气比热容按1.03kJ/kg/K取值,代入数据后可得:
t=×1.×1.03×(38-22)/=60.4s
即机房模块制冷系统全部失效情况下,60秒后,IT设备进风温度将达到38度,设备内部产生超温报警。上述计算仅为理想状态下的粗略估算,仅能作为参考,实际的超温告警时间还会受到各项因素的影响:若机柜空余U位未设置盲板而造成热风回流,或机房日常温度保持值偏高,或高功耗机柜的分布过于集中,或IT设备的温度告警阈值更低,都会使得设备超温告警的时间更加提前。针对某一特定机房,可通过计算机建模并通过CFD(计算流体动力学)进行各种运行工况下的仿真,从而取得更加准确的测算结果。但无论如何,A级数据中心的设计应避免制冷系统出现全局性中断的情况,并且在系统的切换过程中,应实现持续制冷。
二、持续制冷的实现对于不同的数据中心制冷系统,持续制冷的实现方式也不同。数据中心最常见的制冷技术包括风冷直膨系统、冷冻水系统等。
(1)风冷直膨系统的持续制冷
A级数据中心若采用风冷直膨式系统,常规的设计是为机房模块设置若干台精密空调,采用N+X冗余备份,每台精密空调均采用不同源的双路电源,并配置独立的双电源切换装置ATS以消除单故障点。由于各台精密空调之间相互独立,所以单台空调故障不影响机房整体制冷。
风冷直膨系统面临的全局性故障风险主要是市电停电,单路市电停电时,房间内所有精密空调的ATS同时发生切换动作,虽然ATS的切换时间仅为1-10秒(考虑多台延时切换),但是风冷直膨空调压缩机的重启时间要30-50秒,很容易产生机房整体的温升。
双路市电全部中断,后备柴油发电机启动,低压发电机完成启机和送电动作需要约10秒,叠加空调重启时间后,制冷恢复时间将接近1分钟。由于机房内温升的程度取决于机房热负荷与机房空间(蓄冷空气体积)的比例,如果机房功率密度更高,则有可能会发生IT设备宕机事故。
而如果数据中心选用了10kV发电机、且运维策略采用手动切换。在双路市电停电后,10kV发电机启机、并机、具备送电条件需要约15秒,若受数据中心所在地供电管理要求,运维策略为手动投入,则制冷系统的恢复至少要5-10分钟,机房内剩余的冷空气显然无法支撑如此长的时间。
为避免此以上意外情况发生,可采用两种方式:
一是风冷直膨空调由UPS系统供电。此方式能够一举解决机房内温升问题,但风冷直膨空调的运行功耗和启动电流均太大,可以预见UPS容量将明显过配,经济性很差。
另一种形式是对空调配电架构进行调整。可将该模块机房空调分为两组,第一组空调的ATS主路引自A路电源,另一组空调ATS的主路引自B路电源,则在市电停电时,最多只损失一半的制冷量,机房内温升速度将至少减缓一半(考虑N+X冗余以及空调制冷量的富余,温升减缓效果会更好)。如果有多组不同源的电源,机房空调可以分为更多小组,更大程度的降低温升,但代价是配电系统架构更复杂,不利于管理。若采用此种方式,设计单位须仔细评估机房功率密度和温升情况。
(2)冷冻水系统的持续制冷
冷冻水系统的基本设备包括冷水机组、冷冻水泵、机房末端空调等,相关设备均应采用N+X冗余备份,避免单台设备故障引发业务影响。由于冷水机组的功耗过大,无法配置不间断电源或静态转换开关STS,因此在市电切换或发电机启动并送电期间,必须通过冷冻水蓄水方式维持机房空调所需的冷源供应。
常规冷水机组的启动时间一般在10分钟左右,近年来具备快启功能的冷水机组启动时间能够达到5分钟以内,结合10kV后备发电机的并机送电及手动切换时间,机房空调失去冷源的时间也将达到10-15分钟。冷冻水管道及蓄冷罐内储存的水量应能够支持15分钟以上,同时不宜低于UPS系统蓄电池的后备时间。冷冻水泵、机房末端空调风机应由UPS系统供电。上述各类措施综合配置,才能够保持机房的持续制冷效果。
图一:冷冻水系统持续制冷不同控制策略下机房温升效果
(3)其他制冷方式
目前数据中心制冷技术组合多变,难以枚举。原则上达到持续制冷要求仅应考虑关键制冷设施的冗余和保障措施,对于制冷系统的节能模块可以不做要求。
以下仅举两例:
间接蒸发冷却技术近年来受到较多