Tier等级认证设计技术文档系列:补充水

摘要

本文阐述了Uptime的Tier分级标准对补充水存储要求:拓扑架构,以及采用蒸发冷却系统时补水量的计算方法说明。

可并行维护的水源

制定Uptime分级标准的一个目的是将基础设施可用性概念应用到支持数据中心关键环境的设施系统上。与市电停电的设计条件类似,市政停水也必须作为一个设计条件而非故障或维修模式来考虑。

仅分析为蒸发冷却塔提供可并行维护补充水的影响因素,而不考虑市政供水(公用水)的可用性。这个问题主要是针对蒸发冷却系统,因为冷却塔需要补充一定量的水来维持正常工作水位。同时也适用于任何其他采用水冷系统的基础设施。

与大多数基于分级的设计思路一致,采用传统的设计方案可以为蒸发冷却塔提供可并行维护的水源,而不是必须采用独特或复杂的设计方式。尽管每个应用的场景基于负载、技术和环境的不同而不同,但是采用普遍接受的“经验法则”能提供一个解决问题的边界。

举例假定:

a.每1000千瓦(kW)的冷却负荷(大约285RT),流量冷却塔的流量值约855 gpm(英制加仑/分钟)(1027美制加仑/分钟或3887升/分钟),每冷吨的制冷量对应3 gpm的冷却水流量。(注:1英制加仑=4.546升)

b.估算补充水量,冷却塔蒸发约消耗1%的冷却水流量,飘洒和底部排污还会再消耗约0.5%,所以,为满足蒸发冷却塔的正常运行,补水量约为水流量的1.5%。

c.根据以上的假设,维持持续24小时1000千瓦负荷蒸发冷却所需的总补水量为:

(855英制加仑/分钟)x(60分钟/小时)X(24小时/天)X(1.5%) =

≈18,500英制加仑(22,218美制加仑或84,103升).

这一水量相当于18500英制加仑(1立方英尺=7.5美制加仑),也就是大约2500立方英尺的水(译者注:1立方英尺=6.2英制加仑,18500英制加仑应该等于2970立方英尺),因此在当地环境条件下,蒸发冷却塔一个“兆瓦日”(1000千瓦负荷持续运行24小时)的补充水量大约是18500加仑(2500立方英尺)。

配置三台550千瓦的冷却塔的设计可以满足1000千瓦的冷却需求。提供N+1配置的解决方案(在假设A中提到),并且适当的管道配置可以满足可并行维护的拓扑需求。此外,一个在线的、可并行维护的冷却塔补充水供应系统可能由一个包含9250加仑(1,250立方英尺)冷却水储水箱的拓扑架构构成,并且每台冷却塔都配置一个相同水箱。

考虑到一些通用制冷量150RT(527.5kW)的蒸发冷却塔的尺寸约8~9英尺宽(2.4m~2.75m)和10~12英尺长(3~3.6m),底部水池的尺寸与冷却塔的尺寸(9X12英尺)保持一致,深度约12英尺(3.6m),容积约为1250立方英尺,即约9250英制加仑(11109美制加仑或42051升)。在这个例子中,配置为N+1,其中N=2,因此,两个水池将存储2500立方英尺的水量(等于N的水量)来支持24小时的冷却负荷。

Tier分级对补水的要求

现场必须储存至少12小时的蒸发冷却塔补水量,才能满足Tier分级对补水系统的设计要求。Tier I机房要求设置独立管路及12小时的现场储水。Tier II机房要求设置冗余的储水设施。当任意一个独立的储水路径出现意外时,另一路径仍然能提供12小时的现场储水。Tier III机房必须在12小时内满足可并行维护的要求,TierⅣ机房必须在12小时内满足可并行维护的要求以及容错要求。

之前的例子讨论的是一兆瓦日所需要的补水量。为满足项目的需求,补水量还需要根据现场的冷负荷及运行时间来调整。一兆瓦日的补水量可以支持两兆瓦的负载运行12小时,两兆瓦日的补水量可以支持四兆瓦的负载运行12小时。

例如,最近有一个按照Tier III标准建设的数据中心,设置了8个埋地式冷却水池(冷却水补水罐),每个水池对应一组冷机和冷却塔,此系统采用2N配置,其中N=4。每个冷却水池的尺寸为14英尺宽,16英尺长,12.5英尺(3.8m)有效水深(即每个水池2万加仑有效容积),为冷却水系统提供了不少于16万加仑(192152美制加仑或192152升)的存储水量,即为N系统提供了不少于8万加仑(96076年美国加仑或96076升)的存储水量。在上述的例子中,不少于8万加仑的N系统存储水量满足超过四兆瓦日的N的补水量。

此外,在合理的规划设计下,可以将作为连续制冷的蓄冷罐集成到冷却水系统中。当市政供水出现故障时,蓄冷罐也可以为现场提供大量现成的补水,以维持蒸发冷却过程。

对于大多数数据中心业主而言,最低12小时的补水量是根据ASHRAE规定的极端湿球温度情况计算出最不利情况下的小时补水量再乘12得出的。这种计算方法很容易,并且考虑到了高度保守的安全系数。然而,湿球温度是一个随小时的变化值,要计算全年最不利天气时的连续12小时补水量,还需再进行详细的工程分析。

ASHRAE并没有公布每小时的极端天气值。因此,需要基于工程分析出的一组近似的、可靠的天气数据,这些数据在特定的区域是适用的或不适用的。如果没有可靠的统计预测的气息参数,就只能使用可靠并有记载的历年的气象参数。

由于不同的技术形式会决定蒸发率,所以蒸发的技术形式(如开式冷却塔、间接换热蒸发冷却塔(即闭式冷却塔))会影响最不利12小时的增发量。此外,考虑到未来的天气变化,需要预留一定的安全系数,或者允许容忍原始设备制造商(OEM)关于蒸发率计算存在潜在误差。在做计算分析时,必须与OEM厂商密切合作。

结论

本篇论文阐明,如果补水量是用最不利时间段内的蒸发量乘以存储时间来计算得出,那么蒸发冷却塔补水的现场存储其实是一种简单且可管理的解决方案。如果再考虑湿球温度和干球温度再12小时或更长时间内的上下波动,计算工作将变得太繁琐和复杂。

ATD技术文档系列:补充水,b版。

本版本的所有更新于2017年10月生效。

翻译:乐海林、徐霄燕

工作单位:北京德利迅达科技有限公司

校对编辑:于登科Uptime Institute中国区业务发展总监

公众号声明:

本文并非Uptime Institute官方认可的中文版本,仅供参考,不得用于任何商业用途,文章内容请以英文原版为准。

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