浅谈数据中心 IT 机房的空气调节(下篇)-制冷中断-技术圈

摘要:1简要介绍数据中心制冷中断的常见情况和故障原因，举例说明在实际工作中遇到的制冷系统的故障情况和紧急处置方式。2建立数据中心 IT 机房“冷通道封闭模型”和“热通道封闭模型”，使用 CFD 软件进行模拟仿真，对比两种模型在制冷短暂中断 30S 时，机房的温度分布和 IT 设备的温升情况。

一、数据中心机房的制冷中断

冷冻水循环出现故障，例如:1供水压力减小，造成末端冷冻水流量不足， 2管网失压，造成冷冻水循环中断等。
1.1 冷冻水主管道爆管，造成管网失压;
1.2 冷冻水管道进气严重，造成管网失压;
1.3 二次冷冻水泵故障(多台)，造成二次管网压力不足。
关键设备故障或供电中断，造成短暂制冷中断

2.1 精密空调供电中断(或 ATS 动作)，IT 机房出现短暂制冷中断;

2.2 冷冻二次泵供电中断(或 ATS 动作)，管网压力不足或失压，造成 IT 机房出现短暂制冷中断;

2.3 BA 系统的软硬件故障或供电中断(无断电自保持功能)，造成阀门误动作，水泵或冷水机组停机。

在数据中心实际运行中，制冷系统出现的故障以阀门误动作(人为或自动)、制冷系统相关设备故障或供电中断、管网进气等较为常见。其中以管网进气危害最大，处置不当极易造成数据中心长时间供冷中断，出现机房高温造成IT 设备宕机和损坏。
以下是实际工作中遇到的事件，仅供大家参考:

4.1 事件一:P201-UPS 配电室内 4 台 UPS 告警“环境温度高告警”(UPS 告警信息接入监控系统)。

1) 事件原因:支路供水管电动阀误动作关闭，造成P201-UPS配电室的精密空调供冷中断，现场查看精密空调出现告警“送风高温”(该告警未接入监控系统)。

2) 现场处置概况:
1 用纸板挡住 UPS 配电室的回风百叶，手动调节精密空调送风速度至 100%，打开精密空调间和配电室的大门，使用 4 台工业风扇对 UPS 进行强迫降温。

2 查找到故障原因后，打开电动阀恢复冷冻水供给，使用精密空调为配电室降温。

4.2 事件二:蓄冷罐(开式)高水位告警，现场查看发现蓄冷罐大量溢水，由于发现及时处置得当，水泵未发生异响振动和流量衰减，末端供冷未受影响。

1) 水泵设备参数:

一次冷冻水泵:流量 510m3/h,扬程 25m,55KW，定频。

二次冷冻水泵:流量 510m3/h,扬程 28m,55KW，变频。

2) 事件原因:蓄冷罐处于充冷状态，由于蓄冷罐回水管电动阀误动作关闭，冷冻水只进不出，造成蓄冷罐大量溢水。

3) 现场处置概况:

1 1 名值班工程师巡视蓄冷罐和检查机房内部管道是否有异响，1名值班工程师到冷冻站检查设备运行情况和留守观察，ECC 值班工程师核对 BA 系统上的设备状态。

2 在定压补水的基础上，手动开启市政补水阀门进行快速补水。

3 通知其他同事到达现场支援，排查故障原因和检查排气阀。

4 故障点找到后，打开蓄冷罐回水管电动阀，恢复蓄冷循环。

5 事件处置完成，正常运行 1 小时后，支援人员撤出。

4.3 事件三:巡检发现冷却水泵电动机异响，轴承安装位外壳温升过大，造成对应的制冷单元退出运行，制冷单元冗余缺失。

1) 事件原因:电动机、联轴器和水泵对心不良，造成轴承过载和发热严重，造成电动机异响和端盖温度异常。

2) 现场处置概况:

1 启动备用制冷单元，故障制冷单元退出运行，进行水泵电动机故障排查和维修。

2 拆卸电动机进行维修，发现后端盖内有磨损，轴承内的滚珠磨损较为严重，转子轴承位出现少量磨损痕迹，更换电动机后端盖和前后轴承。检查水泵本体和轴承无异常后，进行电动机和水泵的调平对心、试运行和振动检查。

二、数据中心制冷短暂中断的CFD仿真

基础条件设定:制冷单元和供冷运行正常，精密空调主电源短暂供电中断，ATS动作切换到备用电源，精密空调的缓降时间为 5S，重新启动时间(制冷中断)为30S。
1. 封闭冷通道系统仿真结果

1.1 机房发生 5 台精密空调短暂停机

封闭冷通道系统，机房发生 5 台精密空调短暂停机
时间	仿真截图	时间	仿真截图
0秒		10秒
20秒		30秒
35秒		40秒

1.2 机房发生 10 台精密空调短暂停机

封闭冷通道系统，机房发生 10 台精密空调短暂停机
时间	仿真截图	时间	仿真截图
0秒		10秒
20秒		30秒
35秒		40秒

2. 封闭热通道系统仿真结果

2.1 机房发生 5 台精密空调短暂停机

封闭热通道系统，机房发生 5 台精密空调短暂停机
时间	仿真截图	时间	仿真截图
0秒		10秒
20秒		30秒
35秒		40秒

2.2 机房发生 10 台精密空调短暂停机

封闭热通道系统，机房发生 10 台精密空调短暂停机
时间	仿真截图	时间	仿真截图
0秒		10秒
20秒		30秒
35秒		40秒

3. IT设备进/出口温度曲线

类型		5 台精密空调停机	10 台精密空调停机
封闭冷通道	IT设备进口温度曲线
封闭冷通道	IT设备出口温度曲线
封闭热通道	IT设备进口温度曲线
封闭热通道	IT设备出口温度曲线

三、仿真结果分析

采用双侧精密空调送风的IT机房，在双侧精密空调ATS同时切换(10台精密空调受影响)比单侧精密空调 ATS 同时切换(5 台精密空调受影响)机房温升更高更快。
通过对仿真数据的分析可知，采用不同气流遏制的方式，在制冷中断时响应时间也不同。

2.1 采用封闭冷通道的方式(ATS 切换时，5 台精密空调受影响)，在制冷中断30S 后服务器的最小进口温度约为 35°C，最小出口温度约为 51°C。
2.2 采用封闭热通道的方式(ATS 切换时，5 台精密空调受影响)，在制冷中断30S 后服务器的最小进口温度约为 29°C，最小出口温度约为 46°C。
2.3 封闭热通道的机房内的空间充满冷空气，可为 IT 设备的散热提供冷源，也能被散热风扇利用;而封闭冷通道的机房，由于冷空气在高架地板下方，难以被 IT 设备的散热风扇有效利用。所以封闭热通道的机房在制冷中断的响应时间较长，优于封闭冷通道的机房。

通过对CFD仿真结果分析，无论气流遏制方式是什么，在发生制冷短暂中断时机房升温很快(机柜功率越大，升温越快)，应急处置的时间很短(大约 15S)。为避免以上情况发生，需从供电路由、设备功能、ATS 电源设置和运维措施等方面进行优化。

3.1 精密空调间进行 A,B 分区，同时优化 ATS 电源路由配置。A 区精密空调间:A路UPS电源+B路市电;B区精密空调间:B路UPS电源+A路市电，有条件的数据中心可配置双路 UPS 电源。
3.2 精密空调断电重启功能进行优化，在采购精密空调时向厂家提出相关技术要求:
1 精密空调需有快速启动功能，断电重启到运行时间小于 15S;
2 精密空调断电重启后，风速和水阀为全开状态，持续时间可设置。
3.3 ATS 电源切换时间的设置建议:主用切换到备用的自投时间为 0S;备用切换到主用时，自复时间第一台可设置为 30S，以后每台逐次增加 30~45S。可避免 ATS 自复时同时切换，造成制冷短暂中断和机房高温。

3.4 在监控系统出现“XX 精密空调 ATS 切换动作告警”和“XX 精密空调通讯中断”时。1值班运维工程师迅速到达现场(应带上手动切换把手)，检查 ATS 配电箱和精密空调的运行情况;如发生 ATS 自投失败时，应切换到手动模式和切换至备用电源。2监控岗和值班长要密切关注机房的温度变化，并与到现场的值班运维工程师保持沟通，确保机房发生温度异常时，能第一时间通知现场的值班运维工程师进行应急处置。

四、结束语

使用 CFD 进行机房制冷中断的模拟仿真，可以弥补第三方测试在机房温升测试中的不足，为机房运维工程师提供直观的参考数据和依据，起到优化运维工作、验证设备参数设置和技术改造方案的作用。