Tier等级认证设计技术文档系列：连续制冷

连续制冷版本：2017年10月

摘要

本文着重说明在Uptime Institute的TierStandard中对于连续冷却的要求。在Uptime InstituteTierStandard各等级中，Tier IV是唯一对连续制冷有要求的等级。实际上，即使在未按照Tier等级建设的数据中心中，当单机柜超过4kW的功率密度时，Uptime Institute都建议考虑连续制冷。

连续冷却的作用

随着数据中心的功率密度不断增加，对于连续制冷需要进行更多的预先考虑。当UPS电源发生故障，数据中心无法制冷，IT设备可能会出现宕机或损坏，对于企业就会有灾难性的影响。

根据设备制冷方式及UPS技术不同，对于连续制冷的要求也是不同的。本文主要讲解连续制冷的定义以及针对不同的制冷技术的应用思考。

连续制冷主要是指为核心IT设备提供一个不会有任何中断的稳定的温度环境。当制冷系统的电源中断重启时（包括切换到发电机的时间），连续制冷能够持续为数据中心核心IT设备提供一个稳定的进风温度。连续制冷也适用于对已设定温度的冷通道进行必要的维护时。

保持一个稳定的温度环境能够有效降低UPS输出负载突然增加的风险。为减少因冷量丢失引起的温度变化，服务器风机会增加转速，整个系统功耗会随之增加。如果系统增加的功耗没有得到适当的管理，UPS就会出现过载现象，进而影响整个系统的正常运行。

美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)与主要的IT设备制造商合作，为数据处理环境建立适用温度标准，其中包括推荐的计算机设备，使服务器、存储设备和网络设备可靠运行所需的进风温度。截至2015年，ASHRAE准则（世界通用）建议设备进风温度是18-27°C干球温度（66-81°F）、露点温度9 C至15 C（-15-59°F）以及60%相对湿度以内。需要特别提醒的是，连续冷却要求的实际服务器入口温度与ASHRAE准则要求的温度是相独立的。ASHRAE准则中服务器进口温度取决于业主实际需求。

然而，因为它关系到一个稳定的温度环境，Uptime Institute里面对于连续冷却的要求参考了ASHRAE准则中所要求的允许范围。ASHRAE准则规定了IT设备进风温度的最大值。对于存储数据中心（特别要求）来说，典型IT设备在单位小时内最大温升范围应小于5℃。其他IT设备的单位小时最大温升范围应小于20℃。对于一个有各种设备的数据中心，ASHRAE要求在任意15分钟内，温度波动范围都应该在5℃以内，需要特点强调，这里讲的温度变化不是一个简单的变化率，而是一个离散的温度增加/减少范围。

连续制冷必须能够在机械制冷系统重新启动整个周期内提供稳定的温度环境

这些参数在实际应用中有许多影响，例如：

考虑到在采用冷水机房空调（CRAH）和冷通道形式的数据中心中，通常将服务器进风温度设置在20℃。如果温度控制精度为1℃，假设机房空调和IT设备没有混风，那么在正常设置情况下，数据中心IT设备的进口温度为19-21°C。

当刚好服务器进风温度在19°C下限温度时，机房空调发生供电系统故障导致其出风温度上升到24℃临界值。因为进风温度不能在任意15分钟内，偏离°19-24之间。这也意味着，如果机房空调能在15分钟内恢复制冷，但机房空调不能过度制冷到19℃以下的温度。

保持这个温度范围必须密切关注机房空调的控制逻辑。我们举同一个例子，如果一个机房环境温度最高为22℃，为了保证能够在任意15分钟内当机房空调发生故障而温度变化范围小于5℃，那机房空调最低温度不能低于17℃。

同时，还须考虑恢复机械制冷系统所需的时间。ASHRAE以15分钟作为一个最大温度允许变化区间。Tier Standard: Topology要求：连续制冷必须具备在无论是制冷系统中断或供电系统出现故障重启时，都能够提供一个稳定的温度环境。机械制冷系统重启时间是从故障开始计算到发电机（或其它现场发电系统）开始工作直到达到关键负载要求，即当机械制冷系统开始重启并恢复运行，且能够在稳态运行条件下提供额定制冷量。举例说明：就是冷水主机从不能正常工作到开始重启并能够提供正常的供回水温度以及流量之间的时间。

虽然设备厂商一直在努力减少设备重启时间，但是电源故障到系统重新恢复提供稳定的制冷量的间隔时间仍需要作为一个关键时间数据，作为一个关键的间隙时间段。比如：如果制冷系统在发生故障后需要10分钟才能恢复稳定，那么必须为冷量储备系统（TES）提供10分钟的冷冻水储存。

虽然Tier IV等级是唯一有连续制冷要求的Tier等级，但是负荷密度高于平均值的数据中心应该考虑连续冷却以减轻由于电力故障或器件失效而导致的温度急剧升高。作为一个参考，Uptime Institute在一个单柜密度6kW的机房进行过测试证明，当冷量丢失或仅仅是空气移动速度降低后，机房里面的空气温度在60秒内就会急剧上升超过最高温度值。另外，这个试验也证明，一分钟的冷量损失需要20分钟才能恢复。

考虑到当市电中断时，UPS会继续为IT设备进行供电，但是其他机械制冷系统此时已经断电。根据目前的制冷方案，这种中断会持续几分钟时间。在这段时间内，任何温度的升高都有可能损坏机房内的IT设备。连续制冷就是提供一种方案，能够使得在机械制冷系统或其它制冷系统恢复前，机房内的温度能够保持在一个稳定的水平。合理的连续制冷设计方案在任何情况下都能够有效的保证设备进风温度在一个合理的范围内。

在机械制冷系统或其他冷却系统恢复期间，连续冷却提供了一种使温度环境保持稳定的方式

连续制冷要求的应用

Tier IV等级是唯一有连续制冷要求的Tier等级，以下是一些新的能够实现连续制冷的方法。Tier标准没有规定连续制冷的具体形式，它只要求了具有满足连续制冷效和基本性能标准。因此，也会存在其他方法能够实现下面关于的连续制冷的描述。

例1：

冷冻水系统的连续冷却通常是利用冷量储备系统（TES）能力（通常称为蓄冷罐）来完成的。二次泵和机房空调都要满足UPS容错，电源可以是IT UPS，也可以是专门用于机械制冷系统的独立的、同时可维护或容错的不间断电源系统。如果制冷系统是主制冷系统，那么水泵就必须接入UPS系统中。此外，还必须考虑蓄冷罐以及它们如何与冷却水分配系统相连接。根据蓄冷罐与冷冻水分配系统的连接，供回水的冷冻水可能会混水（水温会较高），进而会减少储冷水罐为IT设备提供稳定的热环境的时间。

例2：

直接膨胀（DX）连续冷却系统要求机房空调（CRAC）和室外冷凝器要能够同时便于维护且能够满足UPS系统容错。此外，DX系统可能需要一些额外的技术方案，以满足连续冷却的要求。机房空调正常运行时，压缩机保护系统会引起压缩机暂停运行几分钟，在高热密度的环境中，这些间隙保护在机房空调正常运行和故障期间都会引起较大的温度波动，从而导致难以实现一个稳定的热环境。

例3：

直接蒸发或间接蒸发冷却中的连续制冷，则需要水泵（次级或系统循环）和分布式风机能够具有容错能力UPS电源。

例4：

采用100%的室外空气系统提供全年自然冷却（直接新风）的连续冷却，要求风机（或向机房传送空气的系统）能够满足容错的UPS电源。

当IT供电系统为动态旋转式UPS时，冷却系统与IT系统挂在同一个母排上，则可不需要额外的连续制冷措施。因为机械制冷系统在从市电到发电机（或其它备用电源）电源的传输过程中不会遇到中断。如果采用没有电池的动态旋转式UPS串联带冷冻水系统，则现场必须能够证明，如果没有安装冷量存储系统（TES），服务器平均入口温度不会超过先前规定的限制范围。每一个具体的案例都应该进行检测，以确保在失去电力时能满足稳定的热环境的要求。

结论：

通过在制冷系统出现任何中断期间能够为IT环境提供稳定的环境温度，例如从市电故障到发电机电源的转换期间，连续制冷能够确保市电故障不会造成昂贵的IT硬件或关键设备因温度上升导致的损毁，同时也不会导致UPS输出过载。虽然连续制冷只在Tier IV标准中有要求，但从保护数据中心设施和IT设备的角度看，如果平均密度超过单机柜4kW，则正常也应该考虑连续制冷。

连续制冷是对于平均密度4kW以上设备和IT资产的一种安全防护措施。

修改

ATD系列论文：连续制冷。2017年10月生效。

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翻译：朱林 技术部专家

深圳市艾特网能技术有限公司

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