赤峰華為精密空調(diào)
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數(shù)據(jù)中心冷凍站模塊化建設(shè)模式探討
隨著網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心向各行各業(yè)不斷擴(kuò)展,國內(nèi)數(shù)據(jù)中心建設(shè)如火如荼,大型數(shù)據(jù)中心屢見不鮮。云計(jì)算的應(yīng)用推廣,業(yè)務(wù)系統(tǒng)不斷升級,IT需求也相應(yīng)增長,要求數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)必須能夠適應(yīng)不斷變化的IT和業(yè)務(wù)要求,同時(shí)能夠持續(xù)提高效率,優(yōu)化運(yùn)營成本。模塊化建設(shè)具有根據(jù)業(yè)務(wù)按需擴(kuò)展、在提高數(shù)據(jù)中心使用率的同時(shí)降低能耗、交付迅速、分散投資風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn),符合IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢,逐漸成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)的發(fā)展方向。當(dāng)前節(jié)能性能較好的集中空調(diào)系統(tǒng)成為大型數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的首選形式,冷凍站做為空調(diào)冷源設(shè)備的安裝場所,是數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分,冷凍站如何能夠符合模塊化建設(shè)的要求,是數(shù)據(jù)中心規(guī)劃設(shè)計(jì)中需要考慮的問題。
1 數(shù)據(jù)中心對冷凍站性能的要求
為了適應(yīng)數(shù)據(jù)中心模塊化建設(shè)、靈活部署、按需擴(kuò)展、快速交付、降低能耗、分散投資的要求,冷凍站需要具備以下性能。
(1)高可靠性、安全性
數(shù)據(jù)中心是網(wǎng)絡(luò)、信息、計(jì)算技術(shù)的中樞,由于其數(shù)據(jù)集中、處理能力集中,一旦出現(xiàn)問題影響面較大,因此需要設(shè)備可靠、安全工作。數(shù)據(jù)、通信等設(shè)備能夠長期、穩(wěn)定正常工作,需要機(jī)房必須維持一定的溫度、濕度和潔凈度,而這些都需要空調(diào)系統(tǒng)去完成,冷凍站是空調(diào)系統(tǒng)供冷的核心,對其可靠性、安全性的高要求則是不言而喻的。
(2)高可在線擴(kuò)展性、快速交付能力
數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)是逐步發(fā)展的,對空調(diào)供冷的需求也是逐漸增加的,同時(shí)冷凍站設(shè)備投資較高,在業(yè)務(wù)需求不飽滿的數(shù)據(jù)中心,冷凍站設(shè)備一步安裝到位,將增加數(shù)據(jù)中心投資壓力,故冷凍站應(yīng)該具備一定擴(kuò)容能力,冷凍站規(guī)模應(yīng)能隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)展而增加,并保證擴(kuò)容時(shí)不影響當(dāng)前業(yè)務(wù)的正常運(yùn)營,同時(shí)不應(yīng)降低系統(tǒng)的可靠性。對于IDC等托管型數(shù)據(jù)中心,客戶對業(yè)務(wù)投入使用的時(shí)限要求較高,冷凍站還需具備快速交付的能力。
(3)高穩(wěn)定性、高可維護(hù)性
數(shù)據(jù)中心常年7×24小時(shí)運(yùn)行,空調(diào)系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn),作為空調(diào)核心的冷凍站需要具備穩(wěn)定運(yùn)行的能力,設(shè)備和安裝具備通用性和標(biāo)準(zhǔn)性,便于后期維護(hù)和修復(fù)。
(4)高節(jié)能性
數(shù)據(jù)中心的空調(diào)系統(tǒng)的能耗僅次于IT設(shè)備,位居數(shù)據(jù)中心能耗的第二位。而冷源設(shè)備的能耗占據(jù)空調(diào)系統(tǒng)能耗的50%以上,這就要求冷凍站在滿足供冷需求的前提下,盡量降低能耗。
(5)高智能化
為了數(shù)據(jù)中心安全、可靠、高效的運(yùn)行,冷凍站應(yīng)設(shè)置集中監(jiān)控管理系統(tǒng),以實(shí)時(shí)監(jiān)測冷凍站設(shè)備運(yùn)行狀況,迅速確定故障,協(xié)調(diào)各設(shè)備間運(yùn)行,提高整體效率,減少人為操作,簡化維護(hù)工作。綜上所述,以模塊化為理念建設(shè)的數(shù)據(jù)中心,其對冷凍站在可靠性、安全性、可在線擴(kuò)展性、快速交付能力、穩(wěn)定性、可維護(hù)性、節(jié)能性、智能化等方面均提出了高要求,冷凍站建設(shè)也需要響應(yīng)模塊化建設(shè)的要求,方能更好地適應(yīng)數(shù)據(jù)中心的發(fā)展。
2 數(shù)據(jù)中心冷凍站模塊化建設(shè)
(1)數(shù)據(jù)中心冷凍站模塊化建設(shè)思路
一直以來,冷凍站以整體冷源的形象出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心,冷凍站內(nèi)的各種設(shè)備、管道一步安裝到位,或者僅預(yù)留設(shè)備的安裝位置,冷凍站系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有考慮可在線擴(kuò)展、快速交付的需要,使得冷凍站設(shè)備擴(kuò)容時(shí),安裝、調(diào)試難度大,施工周期長,對空調(diào)系統(tǒng)可靠運(yùn)行造成了影響,不能適應(yīng)數(shù)據(jù)中心發(fā)展的要求。
以模塊化理念建設(shè)的冷凍站,冷凍站內(nèi)的設(shè)備以模塊的形式出現(xiàn)(如每套冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵可以組成一個(gè)供冷模塊,補(bǔ)水定壓等設(shè)備可組成輔助設(shè)備模塊等),各模塊在冷凍站整體架構(gòu)的基礎(chǔ)上,可以實(shí)現(xiàn)單模塊擴(kuò)容,降低安裝、調(diào)試難度,縮短施工周期,減小對運(yùn)行中空調(diào)系統(tǒng)的影響,達(dá)到可在線擴(kuò)展、快速交付的目的,同時(shí)模塊化設(shè)計(jì)對冷凍站設(shè)備的通用性、施工安裝的標(biāo)準(zhǔn)性也有促進(jìn),便于運(yùn)行維護(hù)、故障修復(fù)。
冷凍站模塊化并不僅僅是空調(diào)系統(tǒng)模塊化,還應(yīng)該包含冷凍站建筑布局、供配電系統(tǒng)、自控系統(tǒng)等各相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè),只有與冷凍站建設(shè)的各方面都圍繞著模塊化這個(gè)理念,才能建設(shè)出滿足數(shù)據(jù)中心要求的冷凍站。
(2)冷凍站模塊化建設(shè)模式
冷凍站模塊化建設(shè)模式主要有兩種,一種是傳統(tǒng)現(xiàn)場安裝建設(shè)模式,另一種是模塊化冷凍站建設(shè)模式。
①傳統(tǒng)現(xiàn)場安裝模式
傳統(tǒng)現(xiàn)場安裝模式是在冷凍站模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,由機(jī)電安裝公司安裝冷凍站設(shè)備、管道系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等的傳統(tǒng)建設(shè)模式。
目前國內(nèi)大多數(shù)據(jù)中心采用這種模式建設(shè),建設(shè)過程中涉及多設(shè)備招標(biāo)采購,多部門(設(shè)計(jì)單位、設(shè)備廠商、施工安裝單位等)、多專業(yè)(暖通專業(yè)、給排水專業(yè)、強(qiáng)電專業(yè)、弱電專業(yè)等)協(xié)同配合,容易出現(xiàn)建設(shè)周期長、管理協(xié)調(diào)工作量大、冷凍站空間利用率低、施工安裝標(biāo)準(zhǔn)化差等問題,尤其是冷凍站擴(kuò)容或設(shè)備更新替換時(shí),冷凍站內(nèi)施工人員多,且耗時(shí)長,對冷凍站安全運(yùn)行影響大,與數(shù)據(jù)中心對冷凍站安全可靠運(yùn)行、快速交付、便于維護(hù)的要求有一定差距。
②模塊化冷凍站模式
模塊化冷凍站模式是模塊化冷凍站制造商在冷凍站模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過工廠預(yù)制+現(xiàn)場組裝的方式建設(shè)冷凍站,冷凍站建設(shè)由現(xiàn)場施工變?yōu)楣I(yè)產(chǎn)品安裝。這是一種新型的冷凍站建設(shè)模式,通過工廠預(yù)制測試、模塊運(yùn)輸、現(xiàn)場拼裝,滿足了冷凍站模塊化建設(shè)的要求,這種建設(shè)模式具有以下特點(diǎn):
通過把新的硬件和軟件結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)所謂的云計(jì)算式的基礎(chǔ)設(shè)施，刀片式服務(wù)器與虛擬化的結(jié)合正在迅速發(fā)展。而高功率密度機(jī)架服務(wù)器、刀片服務(wù)器等高熱密度設(shè)備的應(yīng)用，造成機(jī)房的單個(gè)機(jī)柜功耗不斷提高，單位面積熱量急劇上升，因此高熱密度的機(jī)房一些問題逐漸涌現(xiàn)出來。
1.現(xiàn)今高密度機(jī)房存在的問題
經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單個(gè)機(jī)柜（服務(wù)器）的熱負(fù)荷接近或超過5kW時(shí)，如果還是采用傳統(tǒng)方式的機(jī)房專用空調(diào)來解決，就會(huì)造成以下問題：
（1）機(jī)房環(huán)境溫度控制得不理想，會(huì)有局部“熱點(diǎn)”存在；來自美國的服務(wù)器故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：“在機(jī)架頂部的服務(wù)器經(jīng)常過熱；2/3的故障發(fā)生在機(jī)架的最頂部的1/3處”。
（2）由于設(shè)備需要通過大量的循環(huán)風(fēng)來帶走如此多的熱量，采用傳統(tǒng)的機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)會(huì)占用大量的機(jī)房空間。上送風(fēng)機(jī)組需要采用風(fēng)管的截面積尺寸非常巨大，下送風(fēng)機(jī)組的架空地板的高度需要提高很多，會(huì)造成很多已經(jīng)運(yùn)行的機(jī)房將無法繼續(xù)使用。同時(shí)機(jī)房專用機(jī)組必須加大送風(fēng)風(fēng)機(jī)的功率來保證送風(fēng)風(fēng)量，因而造成整個(gè)制冷系統(tǒng)的效率大大降低。對于改建工程的供配電來說也相當(dāng)棘手。
2.解決方法
目前，專業(yè)的數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備供應(yīng)商及IT經(jīng)理最關(guān)心的問題轉(zhuǎn)移到機(jī)房的高熱密度的處理上來了。因?yàn)槿绻荒苡行У靥幚頇C(jī)房高熱密度，對于機(jī)房的容量擴(kuò)張以及數(shù)據(jù)的安全性都是致命性的。為此各大廠商提出了各種解決方案。
2.1方案A：直接式機(jī)柜精密制冷系統(tǒng)
這種系統(tǒng)主要分兩種：1）直接膨脹型，即配置風(fēng)冷冷凝器，通過冷媒管連接到機(jī)房內(nèi)，機(jī)組直接放置在數(shù)據(jù)機(jī)柜的旁邊或者背部，直接處理機(jī)柜散熱，需要考慮外置風(fēng)冷冷凝器的擺放位置；2）冷水型，配置室外冷水機(jī)組，通過冷水連接，室內(nèi)機(jī)組同樣直接放置在數(shù)據(jù)機(jī)柜的旁邊或者背部，或者是一體化的數(shù)據(jù)機(jī)柜，直接處理機(jī)柜散熱。系統(tǒng)特點(diǎn)在于直接對數(shù)據(jù)機(jī)柜進(jìn)行制冷，適合高熱密度服務(wù)器的堆積，減少房間面積和架空地板高度，可以針對負(fù)荷的滿載情況調(diào)節(jié)制冷量，效率較高。
2.2方案B：水冷機(jī)房精密空調(diào)柜機(jī)+柜背裝抽風(fēng)單元
系統(tǒng)如圖2所示，機(jī)房精密空調(diào)柜機(jī)通過地板送風(fēng)系統(tǒng)將處理過的風(fēng)送入機(jī)房內(nèi)，背式抽風(fēng)單元與服務(wù)器柜機(jī)結(jié)合，通過頂部的排風(fēng)管從數(shù)據(jù)中心中移出熱空氣，避免產(chǎn)生熱風(fēng)短路循環(huán)和避免冷、熱空氣的混合，熱空氣通過機(jī)房精密空調(diào)柜機(jī)的回風(fēng)管系統(tǒng)返回主機(jī)。通過控制抽風(fēng)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來處理設(shè)備的熱量變化。
圖2柜背裝抽風(fēng)單元
這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是：1）內(nèi)置的風(fēng)機(jī)可以變頻運(yùn)行，根據(jù)機(jī)組發(fā)熱量的大小調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速；2）布置簡潔，裝配于機(jī)柜背面，占用機(jī)房面積�。�3）數(shù)據(jù)機(jī)房內(nèi)無任何水管道，杜絕水患；4）風(fēng)扇風(fēng)量有備用，如發(fā)生故障，剩余風(fēng)扇可提高風(fēng)量以維持設(shè)計(jì)的散熱能力；5）實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)管理了解設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)熱量，當(dāng)服務(wù)器發(fā)熱量較大時(shí)，相應(yīng)排風(fēng)量較大。
2.3方案C：水冷機(jī)房精密空調(diào)柜機(jī)+柜式或頂置制冷末端
系統(tǒng)如圖3所示，設(shè)備間通過制冷劑管道連接，機(jī)房空調(diào)解決空間溫濕度，制冷末端解決高熱密度局部及區(qū)域制冷。通過制冷劑相變吸收大量機(jī)房顯熱，100%輸出顯冷量，既可防止產(chǎn)生冷凝水，又可避免潛冷量輸出而產(chǎn)生的能量損耗，設(shè)備末端貼近負(fù)載機(jī)架，可大大減少送風(fēng)所消耗的能量，與傳統(tǒng)空調(diào)遠(yuǎn)距離送風(fēng)相比，可使風(fēng)機(jī)能耗降低65%，整機(jī)節(jié)能30%。節(jié)能效果顯著。
圖3 柜式或頂置制冷末端
這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是：1）變冷量設(shè)計(jì)，可以隨機(jī)房設(shè)備熱量變化自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷量大小，安裝靈活，不占用機(jī)房寶貴空間；2）根據(jù)機(jī)房需求變化增減制冷末端設(shè)備；3）冷媒管布置靈活性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，便于機(jī)房布置變動(dòng)或機(jī)組升級且無水患的隱患；4）干盤管技術(shù)，100％顯熱比，無冷凝水，無除濕損耗。
