由于數(shù)據(jù)中心的迅速發(fā)展,節(jié)能減排的壓力,對數(shù)據(jù)中心的PUE要求,這使得在設計和考慮大型數(shù)據(jù)中心的空調(diào)時,一般優(yōu)先選用水冷空調(diào)系統(tǒng)方式,水冷空調(diào)系統(tǒng)由大量的設備和大量的管網(wǎng)組合而成,建設和運維過程中稍有不慎,就會存有隱患,如果不能及時處理和改進,就會影響到空調(diào)系統(tǒng)的安全。
運維空間問題
數(shù)據(jù)中心在設計時,要有足夠的運維空間和通道,這是由數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的特點決定的,如數(shù)據(jù)中心冷站冷量大,機組體積大、高度高,數(shù)量多,又有板換等自然冷卻設備,管網(wǎng)構(gòu)成復雜,需要多層管網(wǎng)布置,因此數(shù)據(jù)中心冷站的高度和空間要求明顯要高于民用標準,直接采用民用標準的冷凍機房高度,會導致建設和維護的不便。
1、案例一
冷機房層高不夠。某數(shù)據(jù)中心冷機房民用標準設計,冷機房選取高度偏低,水系統(tǒng)管網(wǎng)安裝后,發(fā)現(xiàn)預留擴容位置的冷機無法搬運進入;只能把空調(diào)管線拆除,全部冷機一起采購,統(tǒng)一搬運安裝,最好重新安裝管線。但是這樣給運維遺留了一個重要隱患,一旦冷機發(fā)生故障,由于沒有足夠的檢修維護空間,冷機的檢修和維護難以實現(xiàn),給系統(tǒng)留下隱患。
原因:設計未考慮數(shù)據(jù)中心冷機冷量大、體積大、設備多和管路復雜等特點,土建專業(yè)和暖通專業(yè)未進行充分溝通,沒有根據(jù)具體情況具體分析,標準應用有誤,導致冷機房層高過低,給后期運維工作帶來困難。
對策:冷機房必須考慮冷機的運維空間和管道安裝空間,確保同時滿足管線安裝和冷機維護檢修的需要。
2、案例二
冷機房未預留設備搬運通道。某數(shù)據(jù)中心冷機房在地下室,土建沒有預留冷機吊裝孔和足夠大的搬運通道,導致冷機購置后無法整體進入到機房,迫不得已,只能將冷機進行制冷劑轉(zhuǎn)移后,對冷機進行解體,冷機解體之后再進行搬遷到地下室就位,費工費力,還導致了多臺冷機泄露,最后更換所有的密封件后才解決了泄露問題。
原因:設計冷機房時,未預留冷機搬運通道,導致冷機被拆卸搬運;在拆卸和重新組裝過程中,未更換密封件,導致系統(tǒng)發(fā)生泄露。
對策:冷機房設計在地下室時,需要預留冷機的吊裝搬運空間和通道,確保冷機搬運、設備更新的便利性;拆卸冷機需要更換密封墊圈。
3、案例三
冷機無檢修空間。某數(shù)據(jù)中心冷機安裝后,對冷凝器進行維護檢修時,發(fā)現(xiàn)離墻過近,沒有足夠的維修空間,冷機難以維護和檢修。
原因:未進行檢修空間預留。對策:冷凍機房預留吊裝或者可以搬運冷機的通道和檢修維護足夠的空間,如圖1所示。
冷卻塔冷卻能力問題
冷卻塔設計時余量不夠,運行中維護不到位,當數(shù)據(jù)中心負荷增加到一定時,發(fā)現(xiàn)冷卻塔冷卻能力不夠,冷卻水出水水溫偏高,冷機運行耗能,夏季冷機發(fā)生喘振,無法達到設計負載率,這種情況在冷卻水系統(tǒng)設計時采用單機對單泵對單塔方式時尤其明顯。
案例:冷卻塔冷卻能力不夠。某個數(shù)據(jù)中心采用單機對單泵對單塔設計,其中冷卻塔僅滿足數(shù)據(jù)中心大部分時間,高濕球溫度時,發(fā)現(xiàn)冷卻水冷幅不夠,趨近度過大,由于冷卻塔出水溫度偏高,造成冷機效率低,冷機負荷達到70%就喘振頻頻,運行安全性嚴重下降。
原因:冷卻塔選型時冷卻能力選擇偏小,冷卻塔使用過程中，由于水質(zhì)影響、風機風量和填料老化等因素影響，冷卻能力會衰竭下降，加上部分冷卻塔在制造過程中缺斤短兩現(xiàn)象明顯，如故意減少填料片數(shù)和尺寸，導致水量和冷幅無法滿足設計要求，額定工況下冷卻塔散熱量不夠，冷卻塔出水水溫偏高，冷機能耗增加明顯，嚴重情況下發(fā)生冷機喘振，浪費冷機的投資并影響制冷系統(tǒng)安全。
對策:由于數(shù)據(jù)中心全年制冷,可用性要求高;在整個制冷系統(tǒng)中,冷塔的投資占比并不高,但是降低冷卻水的水溫可以帶來明顯的節(jié)能效果,延長自然冷卻的時間,對水系統(tǒng)的安全有著很大的幫助。故建議數(shù)據(jù)中心業(yè)主和設計院在進行設計選型時,冷卻塔設計需要預留一定的余量,UPTIME甚至建議按照20年最極端氣候選擇冷卻塔。
末端管路溝通問題
水系統(tǒng)未設置有效的旁通,或者局部管道堵塞,導致水系統(tǒng)部分管路循環(huán)不正常。
1、案例一
某數(shù)據(jù)中心新機房啟用,末端空調(diào)調(diào)試不成功,經(jīng)查為末端管路沒有進行有效連通,水路無法正常循環(huán)。
原因:新機房啟用,末端空調(diào)調(diào)試時,由于末端管路沒有旁通管路,管路無法有效溝通,水路無法循環(huán),導致水平支路缺水,末端設備調(diào)試失敗,事后才發(fā)現(xiàn)由于管路中存在大量空氣,導致該管路中冷凍水未能正常循環(huán)。
對策:對于支路管路,最遠末端管路需要短接或者進行旁通(如圖2所示),并在支路高位安裝排氣閥,確保管路中冷凍水循環(huán),并及時排出氣體確保管路充滿水。現(xiàn)場對支路用旁通管連通,開啟旁通閥和排氣閥后,水路循環(huán)正常,末端設備運行正常。
2、案例二
維修用旁通長期處于開啟狀態(tài)。某數(shù)據(jù)中心采用集中冷凍水空調(diào)+集中冷卻水空調(diào)兩套系統(tǒng)設計,在集中式冷卻水系統(tǒng)中,在水泵的兩端也設計了分集水器,同時在分集水器之間設計了自動旁通,系統(tǒng)調(diào)試后一直處于旁通閥一直處于開啟狀態(tài)中,運行過程中造成水泵兩端壓差偏小,水泵定頻運行下發(fā)生超流量故障。
原因:在集中冷卻水系統(tǒng)中,由于沒有冷機,此次的旁通,僅在系統(tǒng)調(diào)試階段是有用的,利于水泵水路循環(huán)的建立,但是在水泵正式運行后,旁通就必須關(guān)閉,特別是自動旁通,如果設置不當,水泵兩端壓差偏小,運行頻率就會增加;該案例情況下設計人員圖省事,運維人員對設計不熟悉,導致自動旁通一直開啟,水泵進水和出水處于短接旁通中,正常壓差難以建立,水泵高轉(zhuǎn)速運行導致超流量。
對策:如果要設計近端水路旁通,不建議采用自動旁通,如果設計為自動旁通,需要向運維人員進行交底,水路循環(huán)正常后,需要視情況及時關(guān)閉旁通閥門(圖3),杜絕水泵實際運行過程中的超流量和不必要故障。
閥門問題
閥門選擇不合理,或者閥門發(fā)生質(zhì)量問題,會給水系統(tǒng)的維護帶來嚴重問題,如對冷機進行清洗或者水泵檢修時,發(fā)現(xiàn)閥門無法關(guān)死,檢修的設備無法從系統(tǒng)中脫離,導致需要停水系統(tǒng)才能檢修設備,故障影響面擴大。
案例:閥門無法關(guān)閉。某數(shù)據(jù)中心在維護冷機時,發(fā)現(xiàn)閥門無法關(guān)死,冷機無法從系統(tǒng)脫離,最后決定新增一套冷卻水系統(tǒng),通過增設冷卻塔和冷卻水管路,把閥門能正常關(guān)閉的冷機接入到新冷卻水系統(tǒng)中,關(guān)停原有冷卻水系統(tǒng),并對不足的冷量采用冰塊加風機進行具備冷卻;最后再購買新閥門,對故障閥門進行更換(圖4、圖5)。
原因:閥門無法關(guān)閉,主要為兩個原因,一是閥板表面結(jié)垢,或者管路有雜質(zhì),影響閥門的密封性;二是閥門質(zhì)量問題,在設備選型時使用了質(zhì)量較差的閥門。
對策:閥門是水系統(tǒng)關(guān)鍵部件,如果閥門無法正常關(guān)閉,會對系統(tǒng)帶來災難性問題,水系統(tǒng)建設時盡量選用品牌知名度高、質(zhì)量好、可靠性高的閥門,安裝前對主管道閥門進行測試,并嚴格執(zhí)行閥門安裝要求。同時閥門的開啟和關(guān)閉,也需要一定的訣竅和技術(shù),需要采用多次啟閉的方式,來恢復閥門的密封性能,最后再進行關(guān)閉;重要場合也可以設計為雙閥門。
負荷過小問題
冷機安裝完成時,末端設備安裝未完成,機房缺少熱負荷無法進行調(diào)試,另外一方面水空調(diào)系統(tǒng)未完成調(diào)試導致設備無法正常加電。
1、案例一
某數(shù)據(jù)中心需要對服務器加電,但冷機調(diào)試無法完成,導致服務器無法加電;冷機需要調(diào)試運行,但缺少末端設備和假負載,無法運行。
原因:數(shù)據(jù)中心離心機組安裝完成后,機房末端設備沒有安裝,末端冷凍水路不通,冷機無法調(diào)試;即使通過分集水器進行冷凍水旁通,也僅僅使冷機能夠開機運行,缺少熱負荷,或者熱負荷過小,無法達到冷機下限負荷,調(diào)試工作無法進行。另一方面,由于冷機未調(diào)試,主機房服務器設備無法加電運行,相互形成一個死循環(huán);另外調(diào)試過程中,需要的假負載功率巨大,運行過程會耗費大量電能;上述因素導致冷機調(diào)試成為一個難題。
對策:采用無負荷調(diào)試方法進行調(diào)試。數(shù)據(jù)中心為了降低能效,考慮自然冷卻,一般采用冷卻塔+板換供冷技術(shù)設計。調(diào)試時可以利用板換的換熱能力,從冷機的冷凝器獲得足夠的熱量作為冷機調(diào)試的熱負荷,也就是冷機產(chǎn)生的冷量通過板換帶走。無負荷調(diào)試原理就是充分利用板換的換熱能力,把冷機蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量通過板換交換到冷機冷凝器側(cè),把冷機冷凝器放出的熱量通過板換交換回到蒸發(fā)器側(cè),從而達到冷機冷量和熱負荷的完全匹配。冷機板換調(diào)試水路循環(huán),如圖6所示。
2、案例二
冷機調(diào)試完成后,需要正式運行,但冷機總負荷偏小,導致冷機啟停頻繁和喘振現(xiàn)象。
原因:負荷過低,導致冷機喘振。
對策:板換作為假負載,繼續(xù)投入運行,確保冷機運行平穩(wěn),成功度過低負載時間。
后備水源問題
數(shù)據(jù)中心設計時,后備水源不充分,蓄水池備用時間不夠,市政停水后導致恐慌。
案例:數(shù)據(jù)中心停水。某數(shù)據(jù)中心發(fā)生市政停水,導致水系統(tǒng)補水中斷,只能利用蓄水池補水,由于蒸發(fā)量大,蓄水池在連續(xù)8小時補水后,即將用完,后果不堪設想;后來由政府出面協(xié)調(diào)應急用水才得以解決。
原因:數(shù)據(jù)中心需要多水源設計考慮,考慮停水影響,需要設計12小時的水源儲備,考慮到市政停水可能會超過這個時間,影響整個中央空調(diào)系統(tǒng)的使用,數(shù)據(jù)中心中央空調(diào)水源儲備要求更長的時間,南方水源豐富區(qū)域可以考慮深井水或附近水源取水等應急方案,北方可以考慮蓄冷罐作為第三路后備水源的方案對策:水系統(tǒng)的補水以市政給水為主,蓄水池作為第一后備水源,深井水水源、蓄冷罐作為第二路后備水源。在南方可以考慮江河湖水源和深井水作為后備;缺水地區(qū)需要和消防、環(huán)衛(wèi)簽訂應急供水合同,特殊情況安排他們配合送水,如圖7所示。另外蓄冷罐的蓄水功能也可以充分發(fā)揮出來,停電時放冷,停水時放水,在蓄冷罐進出配置截止閥、排水閥和獨立補水裝置,當長期停水時可以關(guān)閉蓄冷罐進出截止閥,放出蓄冷罐的冷水進行應急,市政給水恢復后及時進行補充水后,再重新投入系統(tǒng)進行蓄冷。
管路泄漏問題
案例:管路泄漏。某數(shù)據(jù)中心使用幾年后,發(fā)生管路泄漏的問題。
原因:管道設計安裝過程中,為趕工期和降低造價,部分主管管材選用不合適,直接使用螺旋管,管網(wǎng)施工過程中存在焊接工藝問題,管材和法蘭連接處采用單縫焊接,使用中防腐方案不完善,焊接部位使用中被逐漸腐蝕,導致管路在使用過程中發(fā)生泄漏或爆管,嚴重危及機房安全。
對策:考慮數(shù)據(jù)中心生命周期長,盡可能采用無縫鋼管并有良好防腐處理;只能采用螺旋鋼管的管道,施工焊接必須符合要求,主管道需要完全探傷,并有完善的防腐手段,管道安裝完成進行保壓和氣密試驗,確保系統(tǒng)可靠。如果已經(jīng)發(fā)生管路泄露情況,視管路結(jié)構(gòu)和漏水情況進行搶修,如果管路有冗余和備份,建議停水修補;如果管路無冗余,就需要采用帶壓補漏技術(shù),同時確保系統(tǒng)足夠的補水防止系統(tǒng)失壓,補漏過程還要保證排水通暢,防止數(shù)據(jù)中心發(fā)生水淹事故。
應急補水問題
案例:補水過慢。某數(shù)據(jù)中心發(fā)生管路泄露,冷凍水系統(tǒng)失壓,緊急搶修時,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)只能透過定壓罐補水或膨脹水箱補水,補水速度過慢,部分機房出現(xiàn)溫度過高情況。
原因:管路發(fā)生泄漏后,缺少應急補水措施和緊急補水口,系統(tǒng)的補水只能通過定壓或膨脹水箱處補水,由于管徑過小,難以快速恢復系統(tǒng)壓力,為了應急,只能打開冷機冷凍水管路的排污口,布置消防水帶,消防水通過消防水帶和排污口對系統(tǒng)進行補水,才保證了機房的安全對策:設計時,數(shù)據(jù)中心水系統(tǒng)必須考慮應急補水措施,如單獨的應急補水泵和應急補水口,確保管網(wǎng)發(fā)生異常情況時,可以通過應急補水口對系統(tǒng)進行快速補水。
防凍問題
1、案例一
某數(shù)據(jù)中心閉式冷卻塔盤管被凍裂原因:未投入運行的閉式冷卻塔由于閥門關(guān)閉,水路不循環(huán),冬季低溫情況下水發(fā)生凍結(jié)導致冷卻塔盤管凍裂,如圖8所示。嚴重影響系統(tǒng)安全,經(jīng)過管路切換和緊急搶修恢復了系統(tǒng)的運行,如圖9所示。
對策:冬季閉塔必須有完善的防凍措施,可以讓閉塔投入運行獲得熱源避免凍裂,確實不使用的閉塔必須有防凍措施或者排出盤管中的冷卻水;關(guān)閉不使用的閉式冷卻塔時,只能關(guān)閉一只閥門,如果進出閥門同時關(guān)閉,由于受到熱脹冷縮的影響,會造成冷卻塔或者閥門的損壞;同樣的,對于直接暴露在室外的設備,其兩端的閥門也不能同時關(guān)閉,否則就會導致設備或者閥門的損壞。
2、案例二
冬季部分管路及附屬儀表被凍壞。
原因:設計時未考慮完善的防凍方案,設計時不考慮當?shù)貧夂蛞蛩?直接將風冷冷水機組放置在室外,導致冷機盤管凍裂,防凍方案不完善,如設計保溫材料厚度不夠,電加熱和電伴熱沒有給出具體的設計參數(shù),保溫材料選用不當,導熱系數(shù)不滿足要求,施工不到位,導致冷量傳入,冬季發(fā)生管路凍結(jié)事故。
對策:對于極寒地區(qū)的設計,一定要考慮管網(wǎng)的防凍和設備的防凍,保溫材料和電伴熱需要進行計算,施工需要規(guī)范,杜絕管路和相關(guān)閥門儀表凍結(jié)事故的發(fā)生。
波紋管問題
1、案例一
波紋管事故。某通信樞紐樓空調(diào)水系統(tǒng)發(fā)生失壓現(xiàn)象,經(jīng)查為管路法蘭發(fā)生嚴重漏水,進一步檢查發(fā)現(xiàn)管路發(fā)生嚴重位移,最后確診為波紋管發(fā)生工程事故,分別如圖10和圖11所示。
原因:管網(wǎng)中對波紋管的使用情況不熟悉,設計時選用的波紋管長度過長,嚴重超過管網(wǎng)直徑,又沒有波紋管限位措施和管道止推設施,導致波紋管使用過程中失去穩(wěn)定,管道發(fā)生嚴重位移后發(fā)現(xiàn)泄露,導致工程事故。
對策:波紋管設計、選用和施工必須符合規(guī)范,如波紋管的長度不能超過管徑,而且要有限位措施和管道止推裝置,防止波紋管失穩(wěn)和被異常拉伸。
2、案例二
維修不當導致系統(tǒng)失壓。某數(shù)據(jù)中心蓄冷罐和主樓沉降不同,導致管網(wǎng)上的波紋管被嚴重拉伸,如圖12所示,事故被及時發(fā)現(xiàn),未造成影響。但在波紋管更換波紋管工作完成后,施工隊未和運維部門溝通就對蓄冷罐進行補充加水,導致冷凍水系統(tǒng)發(fā)生嚴重失壓現(xiàn)象,3～4樓機房缺水嚴重高溫,發(fā)現(xiàn)事故后來直接對系統(tǒng)進行緊急補水,阻止了事故的擴大。
原因:蓄冷罐未考慮沉降問題,波紋管補償量不夠,波紋管外層鋼絲防護被拉斷;蓄冷罐無獨立補水管,需要通過系統(tǒng)補水,補水過程對系統(tǒng)影響大,操作不當會導致系統(tǒng)故障;施工單位閥門操作不走流程,盲目操作導致工程事故。
對策:需要考慮沉降問題,波紋管的補償量要足夠,可以采用雙波紋管進行補償;蓄冷罐需要設置獨立的補水管;在線管網(wǎng)施工維護和檢修需要制定操作流程和應急流程,避免盲目操作。
其它細節(jié)問題
系統(tǒng)管網(wǎng)最低處要設計和安裝一個比較大的排污閥,確保排污效果,排污閥太小會影響排污效果;排污口不在最低處,會造成排污不夠徹底。經(jīng)常操作的排污閥門或者排水閥門也需要采用雙閥門設計,一個閥門用來減壓,一個閥門關(guān)閉,這樣可以確保閥門可靠工作。
考慮調(diào)試和維護的方便性,建議近端和遠端都需要設計水路旁通,高位設排氣閥,便于系統(tǒng)完工和檢修時水路循環(huán)的建立和排除空氣,水路循環(huán)建立后,這些閥門則必須盡快關(guān)閉。在水管建設過程中,也要考慮法蘭墊圈材料的選用,某工程在水系統(tǒng)建設中,一開始采用橡膠墊圈,始終有少量滲漏現(xiàn)象,后來改用聚四氟乙烯墊圈后,徹底消除了墊圈漏水的問題。
另外在室外部分的儀器儀表,如溫度計和水壓表,普通表盤的儀表很容易腐蝕,故需要選用不銹鋼材質(zhì)的,經(jīng)久耐用。
結(jié)束語
水系統(tǒng)的設計、建設和運維,三者緊密相關(guān),如果設計、建設中存在隱患或者瑕疵,運維過程中必然會成為隱患,所以設計建設中,一定要有利于水系統(tǒng)的運維角度出發(fā),盡可能考慮維護和調(diào)試的方便;同時在運維中,也要及時發(fā)現(xiàn)問題,采取正確的方法,解決問題和隱患,確保數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)正常工作,希望上述案例經(jīng)驗對數(shù)據(jù)中心的運維有所幫助。
作者簡介
葉明哲:48歲,從事電源空調(diào)維護支撐26年,中國電信集團B級專家,中國電信集團維護骨干,中國電信《集團技術(shù)能手》和《集團創(chuàng)新能手》,國資委《央企技術(shù)能手》。
（來源：《UPS應用》雜志）
