“干盘管”在高密数据中心的应用前景-孙长青

孙长青,注册暖通工程师,高级工程师,规划设计部总工程师,IDC单位设计总监等,有多年从事数据中心规划设计、咨询顾问、甲方自建设计部等全过程的实战经验,对数据中心有一定的了解,同时,做过10多个数据中心的Uptime设计认证工作,对国标GB50174及Uptime理论多有感触,对数据中心能评指标、IT负载率、数据中心蓄冷系统等有些了解,对数据中心如何降低PUE也略有经历。经过总结多年来的实战心得,方有此文,以便大家更加了解数据中心等级的核心理念,同时对国情和国际理论间存在的差异有所认识。 ———————————————————————————————————————————————— “干盘管”在高密数据中心的应用前景

随着数据中心行业的发展,IT机柜的功率密度越来越高,传统的制冷形式越来越难以满足数据中心的需求。比如传统的精密空调形式,由于受到其尺寸和制冷量的限制,以及架空地板高度的受限,空间利用率不高,无法满足更高功率密度的需求。需要其他的系统形式来满足高密机房的制冷需求。

一、常用的高密数据中心制冷形式 为了满足更高功率密度的制冷要求,继精密空调后,又出现了一些新的制冷形式,比如: 1、背板式制冷

背板式制冷盘管直接贴附在机柜出风侧,贴近末端制冷,能够布置的盘管数量可以与机柜数等同,可以满足较高机柜密度的要求。但是,盘管贴近机柜的方式,需要消耗机柜风扇的能耗,另外,一旦泄露,后果将极其严重。 2、OCU制冷

OCU制冷盘管直接放置在IT机柜正上方,贴近末端制冷,可以满足较高机柜密度的要求。但是,盘管贴近机柜的方式,需要消耗机柜风扇的能耗,另外,一旦泄露,后果将极其严重。 3、列间空调制冷

列间空调放置于IT机柜列间,贴近末端制冷,可以满足较高机柜密度的要求。但是,空调贴近机柜的方式,会占用IT空间,浪费面积,在一般换算的情况下,行间空调或者微模块的形式对比传统的精密空调形式,同样的IT功率会占用更大的建筑总面积,气流组织也不均匀,且分散布置不利于维护管理,另外,一旦泄露,后果将极其严重。 4、微模块

微模块,是列间空调的一种集成化产品,其中包含了IT机柜、精密空调、PDU、CDU甚至包含电池柜和整流柜等,由微模块厂家一体化提供,列间空调的缺陷微模块均无法避免,之所以微模块能被BAT大规模采用,个人认为,通过垄断来控制产品产业链及占据市场应该是重要因素,真正在技术上的优势并不是那么突出。

以上这些解决高密机柜制冷的系统形式,甚至包括液冷等制冷形式,都将空调水管直接引入到IT机柜附近,以便实现更加贴近的制冷,来满足更高功率密度的散热。这些水管直接进入IT机柜附近,就给管道泄漏造成电气事故带来了安全风险。 那么,有没有更好的制冷形式来避开这种风险,同时满足制冷需求呢? 先来看看其他行业制冷形式,有没有成熟可用的方案可供参考。比如,电子洁净厂房行业,电子洁净厂房对制冷环境的要求,并不亚于IT机房对制冷环境的要求,其对温度波动范围、空气质量、洁净度控制都比IT机房要求要高,对安全可靠性的要求也不低。

二、“干盘管”在洁净厂房中的普遍应用 洁净厂房的单位冷负荷也较高,500w/m2以上的单位冷负荷也很常见,且一般情况下冬季也需要供冷;其对围护结构严密性要求非常高,并且要求结构尽量不产生尘、不积尘;循环风量大,气流分布要求均匀,对气流组织的要求比较高,特别是高洁净度要求的洁净室,需要单向流的风量进行控制;由于电子产品的制造工艺对温、湿度的变化极为敏感,所以空气参数的波动要控制在极小的范围内,因此,自控系统如DDC、PLC 等在洁净系统控制中有着不可忽视的作用。 举个对比的例子,《数据中心设计规范》中规定,主机房的空气含尘浓度,在静态或动态条件下测试,每立方米空气中粒径大于或等于0.5μm的悬浮粒子数应少于17,600,000粒。此含尘浓度的控制,换算到洁净厂房的洁净等级,刚好为8.7级,洁净厂房的最低等级为9级,此洁净度在洁净厂房等级中仅仅属于入门级要求。

另外,由于有相对接近的基础条件,《数据中心设计规范》便是由以洁净厂房设计为主的中国电子工程设计院主编,且中国数据中心的发展,中国电子工程设计院等培养的人员也做出了不小的贡献,其人员遍布数据中心全生命周期的各个阶段,推动了行业的发展。 可见,电子洁净厂房的制冷形式在一定程度上在数据中心行业是有借鉴意义的。 在电子洁净厂房的制冷形式中,有一种“干盘管”的制冷形式,所谓“干盘管”,是因为在这种系统中,冷冻盘管仅承担显热负荷,其冷冻水进水温度一般在13℃以上,也就是说在室内空气的露点温度以上,盘管一般不可能产生冷凝水,属于干工况运行,所以叫其干盘管。这种系统与传统型洁净室空气处理模式相比,系统可大大简化;机房面积、高度可大大减小;空气输送能耗显著降低。 洁净厂房干盘管制冷方式示意图:

由上图可知,FFU=EC风机+过滤器,而数据中心可以直接把过滤器去掉,把FFU换成EC风机即可。 洁净厂房干盘管制冷方式接管示意图:

这种干盘管的制冷形式,盘管尺寸、盘管制冷量和盘管数量可以根据需要调整,可以远离末端设备布置,能满足较大冷负荷的制冷需求。

三、“干盘管”在数据中心中的应用形式 在数据中心制冷方面,是可以值得借鉴的制冷方式,参照洁净厂房的干盘管布置方式,IT模块机房也可以做类似的布置。

1、干盘管设置在吊顶四周,EC风机设置在吊顶

2、干盘管设置在回风夹道,EC风机设置在吊顶

3、干盘管设置在架空地板下,EC风机设置在地板

4、干盘管设置在回风夹道,EC风机设置在地板

这种布置方式,就可以根据需要来布置干盘管的型号,可以满足较大功率密度的需求,避免了精密空调因为面积空间不够而导致的条件限制。 干盘管已经在洁净厂房行业大规模使用,市场成熟度很高,干盘管价格便宜,可以大规模布置。

四、“干盘管”在数据中心中应用的优势 干盘管制冷方式气流组织均匀,末端风量调节方便,可避免产生局部热点。 干盘管的控制,通过水量控制来实现室内温度控制,按照区域将吊顶内的干盘管分成固定的几组,根据室内温度传感器控制的结果来控制相对区域单组盘管的阀门开度,从而达到控制温度的效果。通过盘管进回风温差来控制EC风机转速,控制送风温差为12℃(可调),保持进出机柜的风量稳定,有局部热点风险的位置可灵活调整加大送风量。

干盘管在同样冷负荷的情况下,比精密空调占地位置要小的多,水温12/18℃,送回风温度22/34℃。尺寸设定为2500*1500,如果4排管设置的话,175kw左右的干盘管的尺寸可以在2500宽的范围内实现,而精密空调在这个负荷下的宽度要3100以上,且盘管可以倾斜放置在回风夹道,可以做更大的尺寸和冷量。 价格方面,在上述条件下,干盘管的价格初步询价在9000元左右。

干盘管的冷负荷从数kw至数百kw都可以有灵活的选型容量,可以广泛应用。

五、“干盘管”与风墙送风的对比 另外,大家可能会拿此与曾经流行一时的风墙对比,虽然风墙也能提供较大的冷负荷,但是,其实风墙有其极大的劣势,就是送风口直接侧吹入冷通道,由于中间没有沿途的送风阀门调节,其沿程衰减特别严重,送风均匀性远不如架空地板。

干盘管制冷方式,EC风机直接在末端送入冷通道,气流组织均匀,末端风量调节方便,可避免产生局部热点。 六、“干盘管”配置的可靠性 在数据中心可靠性体系中,有《数据中心设计规范》的A、B、C三级,有Uptime的TierI、TierII、TierIII、TierIV四级,干盘管的数量和位置,均可以根据最高等级要求的A级或者TierIV级,进行物理隔离或者冗余布置的方式,达到各个等级的需求。而有些数据中心制冷形式,是无法实现最高等级要求的。在可靠性和制冷效果之间,干盘管都能做到很好的平衡。

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