數據中心是為電子信息設備提供運行環境的場所，在數據中心中需要安裝數據處理、數據傳輸和網絡通訊等多種IT設備。為保障IT設備正常有效的運轉，保障業務順暢的進行和服務及時的提供，還需要安裝為IT設備服務的電力、空調等相關設備及傳輸管路。
數據中心業務中斷對不同的行業會造成不同程度的影響，例如導致公司銷售停頓、生產停止、服務無法正常提供等。來自網絡的統計資料顯示，過去的5年內，發生的13次服務器宕機導致了568h的服務中斷，造成了超過7170萬美元的經濟損失。IT設備的正常運行，不僅依賴電氣、網絡等配套設施的穩定運行，也依賴空調系統不間斷可靠的運行。以往數據中心規模不大，密度不高，機柜密度只有1kW/機柜~2kW/機柜，即使制冷偶爾中斷，對IT設備的運行也沒有多大影響，因此數據中心的建設者往往忽略了制冷中斷的危害，只關注供電系統的設置。隨著科技進步和時代發展，數據中心的規模越來越大，機柜密度越來越高，一般為4kW/機柜~10kW/機柜，甚至高達30kW/機柜，一旦制冷中斷，服務器的進風溫度就會迅速攀升，可能只需要60s甚至更短時間（取決于熱密度），就會達到破壞性水平，引發宕機或設備毀損釀成事故。某一機構在實驗室條件下對不同負載條件下制冷方式發生中斷時，環境溫度的變化過程進行了現場測試和統計，如圖1所示：1制冷中斷時環境溫升過程圖

從圖1中可看到：制冷中斷引起的溫升和機柜密度為正相關，機柜密度越大，制冷中斷時溫度上升的速度越快。對于熱密度為1.5kW/m2（或4.8kW/R）的機柜，制冷中斷時環境溫度上升的速度較慢，因此短時制冷故障，可能不至于引起服務器故障。但很多新建數據機房的密度已經超過該數值，當熱密度達到3~4.5kW/m2（或9.6kW/R~14.4kW/R）時，制冷中斷時環境溫度上升的速度很快，制冷中斷在短時內就可能引起服務器故障。此外，即使數據中心的環境溫度升高沒有引起宕機，依然可能對IT設備造成損害。這是因為超出IT設備制造商推薦的溫度范圍和變化率將會導致IT設備內組件材料的過度擴張和收縮。當機房內設備的溫度達到極高數值時，有時會立即發生故障，且在大多數情況下故障并不易被察覺，需要幾天或幾周時間才得以顯現。在此期間，設備各項功能看似正常，但實際已經受損，設備的可靠性開始下降，處理能力開始降低，故障發生率大大提高。
總之，短暫的制冷中斷對于低密度機房可能能夠容忍，但對于中高密度機房很可能會引起故障，甚至造成業務中斷。因此，為保證IT設備的正常運轉，對可靠性要求高或密度較高的數據中心必須具有不間斷制冷的功能。

有部分業內人士認為，如果數據中心冷凍系統設有柴油發電機供電，就可以不采用不間斷制冷裝置，這種觀點是不正確的。事實上，當電力故障引起制冷中斷時，由于自控系統響應、柴油機啟動、冷水機組和空調設備重新啟動都需要一定時間，從制冷中斷到重新恢復往往需要5~15min，有些系統自動化水平較低，部分操作需要人為判斷，時間會更長，這種情況下機房溫度必然上升造成危害，因此僅僅配備柴油發電機并不能保證不間斷供冷。
不同的系統，制冷中斷后再恢復的過程也是不同的，恢復時間也有區別。對于大規模數據中心常用的離心式水冷供冷系統制冷中斷時，冷水機組重新啟動到恢復事故前狀態所需的時間在制冷系統恢復時間中權重最大，這也是針對數據中心項目，很多冷水機組生產商不斷開發快速啟動型設備的重要原因。圖2是某離心式冷水機組廠商提供的不同類型的冷水機組重啟期間供水溫度變化曲線。從圖2可以看到，標準配置的冷水機組重新啟動到恢復正常供水溫度需要13min左右；配備了快速啟動模塊的離心式冷水機組，重新啟動到恢復正常供水溫度僅需3min~5.5min。盡管配備快速啟動模塊的冷水機組的恢復時間遠遠優于標準機組，但仍然無法滿足中高密度數據中心對不間斷制冷的要求。

圖2 不同類型的冷水機組重啟期間供水溫度變化曲線
總之，當制冷系統恢復時間無法滿足IT設備需求時，不間斷制冷裝置的配備就顯得至關重要。對數據中心制冷恢復時間將直接影響不間斷制冷裝置的選擇。

所謂不間斷制冷（continuous cooling）是指數據機房始終保持正常的溫濕度，不受任何事件影響。數據機房是否需要采用不間斷制冷裝置，主要依賴于數據中心的可靠性級別和用電密度。國際正常運行時間協會（The Uptime Institute）是一家致力于為數據中心行業提供認證、信息技術產業研究、技術咨詢等服務的會員組織。該組織率先提出數據中心的4級（tier1-tier4）分類方法，在業內影響深遠，其發布的白皮書對不同級別數據中心的基礎設施配置有明確要求，詳見表1。在白皮書中，要求TIER4級別的機房必須設置不間斷制冷設施，tier1-tier3級別的機房應該根據熱密度確定是否采取不間斷制冷設施，通常機柜平均密度大于6kW/rack的數據中心應采取不間斷制冷措施，對于冷凍水系統應配置包括設置蓄冷罐、精密空調風機和冷凍水循環泵采用UPS供電（冷凍水系統采用一二次泵系統時，僅為二次泵配備UPS供電即可）。
我國現行國家標準《數據中心設計規范》GB50174-2017將數據中心分為A，B，C共3個級別，通常認為tier1對應C級機房，tier2對應B級機房，tier3和tier4對應A級機房。盡管該規范沒有涉及不間斷制冷的相關內容，但國內很多設計單位和數據中心建設者都已關注到不間斷制冷設施的重要性，并在實施中配置了相關設施。

表1 不同級別數據中心的的基礎設施配置要求

制冷系統的類型與不間斷制冷也有一定關聯，采用分體式機房空調的數據中心很難實現不間斷制冷，這是因為風冷直膨（DX）空調系統在每臺空調設備（CRAC）內都裝設壓縮機，通過UPS系統為壓縮機提供電力，成本太高，目前尚未發現實施案例。而冷凍水系統更容易實現不間斷制冷，這時機房空調不配備壓縮機，無需分離空調風機和壓縮機的電源，通過在冷凍水管路的適當位置接入冷凍水儲罐，可以方便地儲存冷凍水，從而實現蓄冷和不間斷供冷。采用此系統時，CRAH的風機和冷凍水循環泵需UPS供電。制冷中斷時，由蓄冷罐和水泵為系統提供溫度穩定的冷凍水，蓄冷罐的大小應按制冷中斷后，所需的連續供冷時間確定。連續供冷時間既要滿足冷凍水系統中斷到重新恢復的過程，也要滿足業務必須中斷時，IT設備需要的安全維護過程，實際案例中，蓄冷罐供冷時間通常會選擇和蓄電池的供電時間一致，這是因為蓄冷罐在制冷系統中的作用與蓄電池在UPS系統中的作用相當。

為了滿足數據中心工程對不間斷制冷的要求，往往需要用到空調蓄冷技術。數據中心工程蓄冷裝置通常規模不大，只是用于保證制冷系統短時故障期間的供冷，但瞬時用冷量很大，這是因為數據中心的熱負荷較高。民用建筑常用的冰蓄冷技術，由于融冰速度有限，不適用于數據中心要求快速釋放儲存能量的要求，在數據中心行業很少采用。水蓄冷技術廣泛用于數據中心工程，水蓄冷可以采用開式和閉式2種方式，在數據中心不間斷制冷領域都有應用。開式蓄冷系統技術成熟、控制簡單，造價相對較低，冷凍水的分層效果也較好，為多數大規模數據中心所選用。但開式蓄冷罐體積較大，設置在園區時會對總平面布置有一定影響，需要總體考慮園區規劃并與建筑外觀相協調。此外，對于絕大多數數據中心項目，為了系統運行可靠常將開式蓄冷罐用作系統的定壓點，這就要求其液位高度高于系統最高點，當數據中心為多層建筑形式時需要蓄冷罐高度較高，罐體直徑只能根據功能需要確定，從而影響蓄冷效率和設備造價。數據中心采用的開式蓄冷罐水容積多為300m3~1000m3，開式蓄冷罐+一二次泵的空調系統示意圖如圖3所示，開式蓄冷罐外觀圖如圖4所示。

圖3 開式蓄冷罐+一二次泵空調系統圖

圖4 開式蓄冷罐外觀圖

閉式蓄冷罐可以設置在建筑內，不會影響園區的美觀。但由于閉式蓄冷罐需要承受一定壓力，材質要求和施工難度相對較高，造價相對較高，但單體容積一般比較小。此外，由于閉式蓄冷罐罐體承壓、單體容積不大的特點，導致其布水器設計制造存在比開式蓄冷罐更多的困難，當布水器配置不完善時，罐內的冷溫水混合現象較嚴重，達不到穩定的斜溫層，蓄冷效率就會較低，僅適用于中小規模數據中心不間斷制冷要求，通常蓄冷罐水容積為100立方米~400立方米。
數據中心的設計往往考慮了未來10年~15年的發展，因此用冷和用電都是分期分步實施的，一開始負荷不高，隨著業務發展逐步提升，最終達到設計容量。因此在數據中心運營初期，IT負荷不高時，容積較大的蓄冷罐還可以作為冷量調節的一個緩沖容器。除蓄冷罐外，設置不間斷供冷裝置的制冷系統在冷機選擇、系統設置、自控要求等方面也要仔細分析，既要保證制冷中斷期間，供冷的連續性，還要確保系統在蓄冷罐再次充冷期間和日常運行期間的安全運行。

綜上所述，面對高密度機房的發展趨勢，配置不間斷制冷設施，確保在電力中斷或其它原因引起的制冷中斷期間，IT設備仍可安全運行，是建設方和設計單位必須考慮的重要問題。數據中心不間斷制冷裝置的具體設施應根據熱密度和可靠性的要求選擇配備。對于廣泛采用的冷凍水系統，可根據現場用地情況、園區規劃、造價等因素綜合考慮，可選擇開式蓄冷或閉式蓄冷，以適應數據中心對不間斷制冷的要求。

文章來源于公開論文，僅供技術交流。安真 暖通研習會