IDC机房冷冻水型空调系统安全性研究

冯辉 郑发秀 徐飞

中移杭州信息技术有限公司 311121

摘要：

IDC机房冷冻水型空调系统的安全性关系到整个IDC机房的安全运行，本文对IDC机房冷冻水型空调各部分进行分析，指出当前冷冻水型空调出现的问题，为新建或在网运行的IDC机房工作者提供参考。

关键词：水平衡，双机热备，BAS

1、前言

随着近年来数据中心的发展，数据中心功率密度越来越高，如何确保数据中心IT设备长期、连续、安全运行，是当前IDC工作面临的重大问题，目前大型IDC机房空调系统大多采用冷冻水型空调系统，它集中冷源，制冷效率高，采用冷却塔蒸发冷却，不需要设置风冷冷凝器，降低环境噪音，对建筑立面影响小等优点在IDC机房得到广泛的应用。但冷冻水空调系统复杂，管线多，控制对象繁多，而冷源集中，若供冷系统存在故障，整个IDC系统将面临瘫痪，严重影响数据中心安全。目前许多设计人员、设备厂家和施工单位非IDC机房冷冻水型空调专业人员，所设计的冷冻水型空调系统照搬于酒店、大厦等楼宇用传统冷冻水型空调，其要求远达不到IDC机房安全要求，传统用（酒店、大厦等）冷冻水型空调，间歇运行，允许空调系统停机一段时间，而IDC机房空调须时时供冷，不容许有停止供冷现象。

2、冷冻水型空调系统在IDC机房中的结构

水冷式冷水机组是以蒸汽压缩循环方式来达到空调制冷效果，是工业革命以来最具历史性的一种空调机组，迄今已有近百年的历史，从早期的往复式到近年来的螺杆型，离心式，其平稳、高能效的运转使得水冷机组已经成为空调界的主要机组，是当今中央空调机组中发展最成熟、设计最经典的机组之一，被各类公共建筑所广泛采用。数据中心典型的空调水冷系统的结构基本都是由下属四大部分组成：

1. 由冷却塔+冷却水泵+冷却水供水及回水管路组成的空调冷却水系统。

2. 由冷水机组+冷冻水泵+冷冻水供水、回水管路组成的空调冷冻水系统。

3. 由分水器+末端空调+风机盘管+集水器+冷冻水泵组成的空调制冷量分配系统。

4. 空调自动控制系统以及自动控制数据库系统。

3、数据中心机房冷冻水型空调各部分安全性分析

3.1供水系统

在空调冷冻水系统设计中，有多种方式，目前常用方式有，一次泵定流量系统，一次泵变流量系统，二次泵变流量系统，1+1冗余备份方式，以及四管制等系统。一次泵定流量系统一般用于系统较小或各管网环路负荷压力损失小的系统。一次泵变流量系统具有较大空调水泵节能潜力，在保证设备可靠运行前提下，可通过变频方式调节冷源测、负荷侧流量，达到节能目的。二次泵变流量系统适用于系统较大，管道复杂，阻力大，各环路负荷特征或阻力相关大的系统。

A、水平衡

在IDC机房设计阶段，设计单位在设计过程中，对水力进行计算，尽量做到水系统水力平衡，但实际运行中，由于现场环境、系统管道的复杂性，往往很难作到水力平衡，水力失调造成系统各管路设备流量不合理分配，使流向末端设备的流量与设计流量不符，造机房区域冷热不均等现象，在常用的IDC机房，一般需要投入多台冷水机组运行才能满足系统要求，由供水系统水力不均衡，直接影响冷水机组的工况不均衡，使得部分冷水机组负荷偏高，部分负荷偏低。而冷水机组最佳工作工况在50%-90%之间，超出范围，机组运行不稳定，容易发生喘振停机等情况，严重影响IDC机房安全。

B、管道耐压能力

为了保证供水安全性，在IDC机房建设阶段均对管道系统压力测试，加压过程按照国家标准，应采用带计量装置的机械设备，且精度不应低于1.5级（最大允许误差不超过最大刻1.5%），量程范围应为试验压力1.3~1.5倍。一般在测试过程中选用1.5倍压力。IDC机房自身承重原因，楼层不高，供水压力一般在0.3-0.6Mpa左右，在压力测试中，最高压力测试在0.9Mpa左右，由于管道中水泵、冷水机组运行中，不停振动，设计时水泵出口或冷水机组出水选用软连接以达到管道目的，软连接可分为金属软连接、非金属软连接，随着时间推移，软连接老化，耐压能力下降。而夏季高温多台冷水机组同时运行，系统切换或增开多个水泵时，使得管道内压力远超正常运行时管道压力，可能出现软连接爆裂，严重影响空调系统运行。

3.2、补水系统

冷冻水型空调补水主要由三部分构成，即冷却水补水、冷冻水补水、末端空调加湿用水，其中冷却水补水用水量最大。冷却塔是用于散热冷却为目的之塔状洒水系统，较高温度冷却水从冷却塔顶撒播，经散热后回到冷却塔接水盘，得到较低温度的冷却水，在此过程中大的冷却水被蒸发，使得系统须时时补充冷却水，以保证系统正常运行。冷却塔补水一般采用机械补水或电气自动控制补水。机械补水即通过在接水盘安装浮球阀方式对冷却水进行补水。在冷却塔位置较低的IDC机房，大多直接利用市政自来水自身压力对冷却塔进行补水，虽然也采用其它补水方式进行了补充，但这种方式严重IDC空调系统安全，自来水管道流量自来水流量与压力平方成正比，当压力较大，能满足系统补水要求，当市政自来水压力较低时，补到冷却塔接水盘的水，远不能达到系统蒸发量，加之自来水钙、镁离子等矿物质较多，长时间运行，浮球阀结垢会产生卡堵，影响补水量。

3.3、空调自动控制系统以及自动控制数据库系统

3.3.1控制算法

IDC机房暖自控设计人员使用BAS软件，基于多种数学模型、采用先进的、针对不同设备和控制方案的开环或闭环控制等其它算法，确保系统始终处于最优化的工作状态。但所有先进控制系统都建立在可靠的输入设备和精密的输出设备基础上，无可靠、精密的输入、输出设备一切先进的控制系统都只能停留在理论阶段。IDC设备要求8*24小时运行，不允许有任何故障，而且IDC暖通系统设备多，所以不可避免的会产生一定机率的故障，设计人员在设计时，应尽量考虑模块化设计、尽量避免使用互锁机构。设计模块时，要考虑设备故障、设备停电、控制系统断电等多种情况，要将大厦、酒店楼宇控制系统与IDC控制系统严格区别，大厦、酒店设计理念不一样，大厦、酒店设计理念是以物业设备为主，大量使用互锁机制关闭管道阀门、冷水机组。而IDC机房空调控制系统设备理念，必须保证系统制冷需求，要求空调系统时时供冷，不允许关闭系统阀门。

3.3.2控制方式以及执行机构

在IDC冷冻水型空调自动化系统中，气体和液体的流动控制中，常用阀门为作为介质流动控制手段，要实现自动控制就得对一些阀门、风门等元件实现自动控制，这就需要用到阀门和电动执行器，电动执行机构它接受控制器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现过程参数的自动控制。

电动执行机构是空调系统最常用的管道流量控制执行机构，在系统具有举足轻重的作用，如应用于冷冻水水平衡调节器，冷却水平衡控制器、末端空调流量控制器等，它们的动作可能直接引起整个空调系统瘫痪。电动执行包括信号输入、位置反馈、动作执行等部分（如图一），DDC模块输出控制信号经放大，驱动执行机构执行动动，位置反馈信号时时反馈执行情况，整个信号输入、位置反馈都依赖于电子元器件，其中电子元器件电阻受温度变化容易形成温漂，电容随着时间会老化等系统问题，可能出现输入信号、执行情况、反馈情况不一致，引起系统崩溃，而此种情况现场维护人员，很难精准定位，严重影响系统抢修。

图一、电动执行机构图

B、阀门控制方式

IDC机房空调系统中，阀门控制一般采用DDC驱动电磁阀，由电磁阀控制阀门开关，由于IDC机房的特殊性，若无特别条件约束，总管阀门与电磁阀均采用常开控制方式，这样即使系统断电或控制系统故障，阀门也能保持常开状态，不影响系统供冷。

C、BAS中CRT

空调控制系统软件，BAS中CRT人机交互界面，必须作到简洁，精练。主界面由两部分组成，分别用两台不同的CRT显示，一台显示冷水机组参数，一台显示制冷系统，其中制冷系统显示界面尽量将水泵、管道系统、冷却塔等设备参数反映在主界面中，使值班人员可很方便观察系统运行情况。

3.3.3自动控制数据库系统

IDC机房冷冻水型空调系统中自控系统数据库系统结构一般采用双机热备方式，双机热备指基于高可用系统中的两台服务器的热备（或高可用），因两机高可用在国内使用较多，故叫双机热备，双机高可用按工作中的切换方式分为：双主机方式（如图二）、主-备方式（如图三）。

图二、 双主机方式 图三、主—备方式

主-备方式即指的是一台服务器处于某种业务的激活状态，另一台服务器处于该业务的备用状态。双主机方式即指两种不同业务分别在两台服务器上互为主备状态。其中双主机方式，对磁盘和磁盘供电、设备环境要求高，不允许出现故障，否则可能引起自控系统瘫痪。而主-备方式采用两台服务器，两台服务器可以选用不同两组UPS取电，即使一台故障，也不影响系统运行，故障排出后，可以很快恢复，可靠性高，系统更稳定，目前主-备方式两台服务器可以建立虚拟IP，客户端用户可以用虚拟IP进行访问，让客户感觉都是主用户，感觉不到备用。

4、结束语

IDC机房冷冻型空调系统的安全性，关系着整个IDC机房运行，在设计、建设、维护时必须从多个角度，充分考虑系统安全，不能只是追求功能实现，必须可靠性出发，仔细分，严谨对待才能确保IDC系统安全运行。

5、参考文献

1. 廖滟.中央空调冷冻水系统问题分析及研究现状，制冷与空调（四川），2016年第1期

2. 代钧.双机热备方案探讨，软件开发与设计，2011年8月

3. 郝庆.一次泵变流量系统的设计，制冷与空调，2007年第6期

作者简介

冯 辉（1982年-）武汉理工大学，硕士，现工作于中移杭州信息技术有限公司，运营支撑部。

郑发秀（1981年-）浙江邮电职业技术学院，大学，现工作于中移杭州信息技术有限公司，运营支撑部。

徐飞（1984年-）宁波大学，学士，现工作于中移杭州信息技术有限公司，运营支撑部。