UptimeATD技術(shù)論文系列：連續(xù)制冷-翻譯孫長青

摘要
本技術(shù)論文闡明了Uptime Institute的Tier Standard：Topology背景下的連續(xù)冷卻要求。 Tier IV是唯一需要連續(xù)冷卻的等級。 但是，Uptime Institute建議在每個(gè)機(jī)架的密度超過4千瓦（kW）的情況下進(jìn)行連續(xù)冷卻，而不管等級如何。
連續(xù)冷卻的作用
隨著數(shù)據(jù)中心的電力密度不斷增加，對持續(xù)冷卻的需求變得更加迫切。在不間斷電源(UPS)中斷事件中失去冷卻的風(fēng)險(xiǎn)和相關(guān)的影響可能對企業(yè)是災(zāi)難性的。IT設(shè)備可能出現(xiàn)故障或損壞。
根據(jù)設(shè)備中部署的冷卻或UPS技術(shù)，連續(xù)冷卻的要求可能會(huì)有很大的不同。本文闡明了連續(xù)冷卻的定義，并詳細(xì)闡述了各種冷卻技術(shù)的部署注意事項(xiàng)。
連續(xù)冷卻是指為關(guān)鍵的IT設(shè)備提供穩(wěn)定的熱環(huán)境而不發(fā)生任何中斷的能力。持續(xù)冷卻需要一個(gè)穩(wěn)定的服務(wù)器入口溫度，在任何冷卻系統(tǒng)電源中斷后，機(jī)械系統(tǒng)重新啟動(dòng)所需要的時(shí)間(包括轉(zhuǎn)到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)的時(shí)間(如果適用))。它還需要對設(shè)計(jì)好的冷通道溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)。
保持一個(gè)穩(wěn)定的熱環(huán)境有助于減少UPS輸出負(fù)載突然增加的情況發(fā)生。負(fù)載的增加可能是由于服務(wù)器風(fēng)扇功耗的增加，以幫助彌補(bǔ)暫時(shí)的冷卻損失。如果負(fù)荷管理不善，增加的負(fù)荷會(huì)使UPS超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，影響整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行。
美國供暖、制冷和空調(diào)工程師協(xié)會(huì)(ASHRAE)與主要IT設(shè)備制造商合作，制定了數(shù)據(jù)處理環(huán)境的熱指南，其中包括推薦的計(jì)算機(jī)設(shè)備入口空氣溫度，以保證服務(wù)器、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的可靠運(yùn)行。截至2015年,ASHRAE指南(接受全球)建議設(shè)備入口干球溫度保持18-27°C(66 - 81°F) 之間,與露點(diǎn)溫度9°C到15°C(階等級°F)和相對濕度低于60%,以滿足制造商的標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，對于實(shí)際服務(wù)器入口溫度，連續(xù)冷卻的要求與ASHRAE指南無關(guān)。服務(wù)器入口溫度遵循ASHRAE指南是基于組織個(gè)人需求的所有者決策。
然而，正常運(yùn)行時(shí)間研究所的連續(xù)冷卻要求與ASHRAE的允許變化率指南相聯(lián)系，因?yàn)樗婕暗揭粋€(gè)穩(wěn)定的熱環(huán)境的定義。ASHRAE指南規(guī)定了IT設(shè)備入口溫度的最大允許變化。磁帶存儲的數(shù)據(jù)中心(專門)典型的IT設(shè)備的最大允許溫度變化是限制在每小時(shí)5°C。所有其他設(shè)備是有限的最大允許溫度變化為20°C/小時(shí)。數(shù)據(jù)中心與任何類型的設(shè)備,ASHRAE限制了這種變化的速度在任意15分鐘內(nèi)5°C。需要注意的是，這不是一個(gè)變化率，而是一個(gè)離散的溫度上下區(qū)間。

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一個(gè)連續(xù)冷卻的解決方案必須能夠提供穩(wěn)定的熱環(huán)境，在整個(gè)機(jī)械冷卻系統(tǒng)重啟所需要的時(shí)間內(nèi)。

這些參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中有很多影響。舉一個(gè)例子:
考慮一個(gè)帶有冷通道密封的數(shù)據(jù)中心，其中冷凍水計(jì)算機(jī)房空氣處理（CRAH）裝置使用供氣溫度控制方法并且正常設(shè)定點(diǎn)為20°C。 如果控制死區(qū)設(shè)置為1°C，這意味著在正常操作期間，假設(shè)CRAH單元和IT設(shè)備之間沒有空氣混合，則設(shè)備將提供19-21°C的IT設(shè)備入口溫度。
如果當(dāng)設(shè)備向關(guān)鍵環(huán)境供應(yīng)19°C空氣時(shí)發(fā)生故障或市電功率損失，并且故障導(dǎo)致CRAH設(shè)備在其峰值處將其溫度升高至24°C，那么入口溫度不能在15分鐘偏離19-24°C。這意味著如果設(shè)備在15分鐘內(nèi)恢復(fù)，則設(shè)備不能過冷到供氣溫度降至19°C以下的程度。
保持該溫度范圍需要密切關(guān)注用于指導(dǎo)CRAH單元冷卻的控制算法。使用相同的示例，如果在恢復(fù)之前故障導(dǎo)致峰值供氣溫度為22°C，則恢復(fù)可以冷卻至17°C，以便在任何15分鐘的時(shí)間內(nèi)保持在5°C的限制范圍內(nèi)。
還必須考慮恢復(fù)機(jī)械冷卻所需的時(shí)間。雖然ASHRAE使用15分鐘的周期來定義允許的最大溫度變化，但是《標(biāo)準(zhǔn)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)》還要求，在任何冷卻生產(chǎn)中斷或市電中斷之后，連續(xù)冷卻解決方案能夠在機(jī)械冷卻系統(tǒng)重啟所需的整個(gè)時(shí)間內(nèi)，提供穩(wěn)定的熱環(huán)境。機(jī)械系統(tǒng)重啟時(shí)間，是從失去市電的時(shí)刻開始，直到發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)（或其他現(xiàn)場發(fā)電系統(tǒng)）啟動(dòng)并關(guān)閉到關(guān)鍵負(fù)載，當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)恢復(fù)供電運(yùn)行，并能在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下提供額定冷量。例如，在重新啟動(dòng)并運(yùn)行正常供水和回水條件和流量之前，冷水機(jī)組不能算作正式運(yùn)行。
雖然制造商正在減少設(shè)備重啟時(shí)間，但是在確定穿越時(shí)間時(shí)，需要將功率損失與恢復(fù)系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定冷卻的能力之間的間隔作為數(shù)據(jù)點(diǎn)。例如，如果在斷電后恢復(fù)穩(wěn)定的機(jī)械冷卻需要10分鐘，那么蓄冷罐（TES）必須能夠提供10分鐘的冷凍水儲存。
雖然Tier IV是唯一需要連續(xù)冷卻的Tier級別，但I(xiàn)T負(fù)載密度高于平均值的數(shù)據(jù)中心，應(yīng)考慮，使用連續(xù)供冷來緩解由于公用電源或組件故障導(dǎo)致的大幅溫度升高。作為參考，Uptime Institute進(jìn)行了一次6千瓦/機(jī)架平均功率機(jī)房的演示。在冷卻失效后，甚至僅僅在空氣失去流動(dòng)后，60秒內(nèi)，計(jì)算機(jī)房內(nèi)的進(jìn)氣溫度，即超過計(jì)算機(jī)房規(guī)定范圍的最高值。此外，該演示表明，1分鐘的冷卻損失需要20分鐘才能恢復(fù)。

考慮市電斷電的情況，在此期間UPS繼續(xù)為IT設(shè)備供電，但機(jī)械設(shè)備運(yùn)行中斷。根據(jù)部署的冷卻技術(shù)，這種中斷可能會(huì)持續(xù)幾分鐘。在此期間，計(jì)算機(jī)房的任何溫度升高都可能損壞IT設(shè)備。連續(xù)冷卻提供了橋梁，使熱環(huán)境保持穩(wěn)定，直到機(jī)械或其他冷卻系統(tǒng)恢復(fù)。正確設(shè)計(jì)的連續(xù)冷卻解決方案可以防止平均服務(wù)器進(jìn)氣溫度的任何增加。

連續(xù)冷卻提供了橋梁，使熱環(huán)境保持穩(wěn)定，直到機(jī)械或其他冷卻系統(tǒng)恢復(fù)。

應(yīng)用連續(xù)冷卻要求
T4是唯一需要持續(xù)冷卻的等級。下面是一些實(shí)現(xiàn)連續(xù)冷卻的方法示例。等級標(biāo)準(zhǔn)不是規(guī)范性的，而是提供基于結(jié)果和性能的標(biāo)準(zhǔn)，因此可能存在其他方法來實(shí)現(xiàn)在下面描述的基礎(chǔ)上持續(xù)冷卻的目標(biāo)。
例1：
用于冷凍水系統(tǒng)的連續(xù)冷卻通常利用TES能力（也稱為冷凍水儲存）來完成。二級泵和CRAH也需要安裝在容錯(cuò)UPS電源上。電源可以是IT UPS或?qū)Ｓ糜跈C(jī)械系統(tǒng)的單獨(dú)的，可并行維護(hù)和容錯(cuò)的UPS系統(tǒng)。如果冷卻系統(tǒng)處于一次泵系統(tǒng)，則主泵需要安裝在UPS上。此外，必須考慮蓄冷罐以及它們?nèi)绾芜B接到冷凍水分配。根據(jù)罐與冷凍水分配系統(tǒng)的連接，可以混合供應(yīng)和返回（因此更溫暖）的冷凍水，從而可能減少冷凍水儲罐可以為IT設(shè)備提供穩(wěn)定的熱環(huán)境的時(shí)間。
例2：
直接膨脹（DX）系統(tǒng)的連續(xù)冷卻，要求計(jì)算機(jī)房空調(diào)（CRAC）和外部冷凝器在可同時(shí)維護(hù)和容錯(cuò)的UPS系統(tǒng)上。此外，DX系統(tǒng)可能需要一些額外的工程分析來滿足連續(xù)冷卻要求。在CRAC正常運(yùn)行期間壓縮機(jī)循環(huán)可使壓縮機(jī)暫停運(yùn)行幾分鐘以保護(hù)壓縮機(jī)。在高于平均密度的環(huán)境中，這些間隙可能在正常操作期間和故障期間失去公用電力，引起大的溫度波動(dòng)，使得穩(wěn)定的熱環(huán)境更難以實(shí)現(xiàn)。

例3：
對于蒸發(fā)系統(tǒng)（如直接蒸發(fā)式或間接式蒸發(fā)式熱交換器）的連續(xù)冷卻，需要水泵（二次或系統(tǒng)循環(huán)）和分配風(fēng)扇在容錯(cuò)UPS電源上。
例4：
對于可以全年提供冷卻的100％外部空氣系統(tǒng)的連續(xù)冷卻要求風(fēng)扇（或?qū)⒖諝廨斔偷接?jì)算機(jī)房的系統(tǒng)）安裝在容錯(cuò)UPS電源上。
當(dāng)轉(zhuǎn)輪式UPS系統(tǒng)作為IT UPS部署（轉(zhuǎn)輪式UPS應(yīng)該是處在柴發(fā)上），并且冷卻系統(tǒng)位于不間斷總線上時(shí)，可能不需要額外的連續(xù)冷卻措施，因?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)在從公用設(shè)施到發(fā)動(dòng)機(jī) - 發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換期間不會(huì)出現(xiàn)中斷（或其他現(xiàn)場電力。如果冷卻水系統(tǒng)與沒有電池的旋轉(zhuǎn)式UPS一起部署，則現(xiàn)場必須證明如果沒有安裝TES，平均服務(wù)器入口溫度不會(huì)超過之前規(guī)定的限制。應(yīng)對每個(gè)具體案例進(jìn)行審查，以確保在失去電力事件期間滿足對穩(wěn)定熱環(huán)境的要求。

鑒于設(shè)施及資訊科技資產(chǎn)可能受損，持續(xù)冷卻對任何平均密度在4千瓦以上的設(shè)施來說，都是合理的保障。

結(jié)論
通過在冷卻系統(tǒng)的任何中斷期間為IT環(huán)境提供熱穩(wěn)定性，例如從公用事業(yè)中斷到發(fā)動(dòng)機(jī) - 發(fā)電機(jī)功率的過渡，連續(xù)冷卻確保公用事業(yè)不會(huì)導(dǎo)致對IT硬件或關(guān)鍵設(shè)備的高成本熱損壞， 也不要將UPS輸出負(fù)載增加到過載點(diǎn)。 連續(xù)冷卻僅是Tier IV認(rèn)證的要求，但對于設(shè)施和IT資產(chǎn)可能受到的損害來說，連續(xù)冷卻對平均密度超過4 kW的任何設(shè)施都是合理的保障。

修改
ATD技術(shù)論文系列:連續(xù)冷卻，版本b。本版本的所有更新均于2017年10月生效。
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名稱欄目：UptimeATD技術(shù)論文系列：連續(xù)制冷-翻譯孫長青
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