1 精密空調供配電的挑戰

近年來,隨著云服務和移動互聯網業務的快速發展,數據中心開始向高密化、巨型化方向發展,數據中心的IT機柜功率密度不斷提高。據ASHARE的研究報告及某些大型運營商的測試數據顯示,隨著IT設備功率密度從傳統的低于2kW/柜到如今的5kW/柜、10kW/柜甚至20kW/柜以上,數據機房允許的空調停止運行時間已成為分鐘級,空調設備短時間停止供冷在幾分鐘內即可造成IT設備高溫宕機,導致的損失難以估計。

(1) 數據中心高密化的需求

表1為2014年某運營商機架密度與宕機時間對照表,可以看出,機架密度達到5kW/柜后,一旦空調停止運行,機柜僅持續4min后即宕機,并且隨著機柜密度的提升持續時間會變得更短。因此停電后即使負載有UPS繼續供電,哪怕電池備電時間延長也是毫無意義的。

(2) Uptime對機房連續制冷的要求

在Uptime機構的Tier等級標準中,把數據機房的連續制冷劃分為三個級別,對功率密度在4kW/柜及以上的高功率數據機房都提出了連續制冷的要求,并給出了對應的解決方案,如表2所示。

(3) 采用UPS為精密空調帶載的意義

為了解決空調的配電問題,較為常見的方案是采用柴油發電機對IT設備和空調進行供電保障,然而,油機起動也需要一定的時間,根據前面的數據要求,在現今的高密數據中心中,油機必須要在4min內起動,這顯然是有一定風險的。人們自然而然地考慮采用UPS給精密空調供電,以確保市電斷電或者柴油發電機無法正常起動時仍能滿足持續供冷需求。

精密空調采用UPS進行配電,可保障數據中心機房實現持續制冷的業務需求:

①在配備了柴油發電機備電的場景下,可以防止柴油發電機無法正常起動時仍能保障精密空調持續制冷,防止設備過溫宕機造成業務中斷;

②對于受場地空間及其他條件限制無法配備柴油發電機的場景,采用UPS給精密空調配電可保證實現連續制冷需求。

由于精密空調屬于感性負載,業界的普遍觀點認為,啟動時的啟動沖擊電流非常大,因此,在采用UPS為精密空調供電方案中,如何選擇合適的UPS容量成為問題的關鍵。

2 精密空調配電架構要求

在目前的精密空調主流應用中,從末端布置方式而言,主要有近端制冷的行級空調和遠端制冷的房間級空調兩種;從散熱方式而言,分直膨式散熱和冷凍水散熱兩種方式,數據中心常用制冷系統如圖1所示。

(1) 直膨式精密空調系統供配電特點

直膨式空調系統的工作原理:通過制冷壓縮機,將氣態的制冷劑壓縮為高溫高壓狀態,在冷凝器里進行冷凝,轉換為高溫高壓的液體,放出熱量;液體的制冷劑經過節流裝置(也稱膨脹閥)進行減壓,在蒸發器里進行蒸發,轉換為低溫低壓的氣體,并吸收周邊設備的熱量,使環境溫度降低,達到制冷的目的。

直膨式精密空調系統由蒸發器、壓縮機、冷凝器和節流裝置(膨脹閥)組成。圖2為直膨式空調系統的基本組成。實際使用時,為了便于蒸發器和冷凝器工作,需要為它們各自配套強制對流的風機,并將蒸發器和冷凝器安裝在不同的室內和室外兩個殼體內(也稱室內機和室外機)。

直膨式精密空調的供電采用三相電源制式,電源范圍一般為380～415Vac/50Hz,380～415Vac/60Hz,和440～480Vac/60Hz。在空調系統啟機時,一般是先啟動室內機(風機,控制系統等),然后啟動室外冷凝器,再啟動制冷壓縮機。圖3為風冷型精密空調的配電示意圖,從配電架構并結合啟機時序,在考慮UPS供電時,需參考室內精密空調的風機、控制系統、室外冷凝器和制冷壓縮機的供電需求,選擇合適的UPS,達到配電的高性價比。

(2) 冷凍水型精密空調供配電特點

隨著高功率密度機房(單柜功率密度超過5kW)的應用越來越廣泛,機房熱密度也相應提高,同時新一代綠色數據中心要求更低的PUE值,這均要求采用更高能效比的冷卻方式為機房提供制冷方案,冷凍水制冷更能適應新一代數據中心制冷的需求。

冷凍水型精密空調采用冷凍水機組制作低溫冷凍水,經由冷凍水泵驅動,由水管道把冷凍水送至數據機房的冷凍水型末端空調內,空調風機驅動房間內空氣流經冷凍水盤表面,降低溫度,冷卻IT設備;冷凍水升溫后,由管路流回冷水機組的蒸發器,再次降溫,如此循環。由此可見,在機組斷電時,只要冷凍水泵和末端空調保證電力供應,仍能保證機房內的冷氣循環。

冷水機組作為蒸汽壓縮制冷方式的設備,按其冷凝器散熱方式的不同,可分為水冷式冷水機組和風冷式冷水機組。水冷式冷水機組采用冷卻水為冷凝器進行散熱,一般配合冷卻塔使用;風冷式冷水機組利用環境空氣為冷凝器散熱,兩者的基本構成如圖4所示。

冷凍水型精密空調采用單相電源供電,電壓范圍為200～240Vac/50Hz,或者200～240Vac/60Hz,采用UPS供電時主要考慮末端風機的供電要求。

3 UPS帶精密空調配置分析

針對以上分析的目前數據中心常用的直膨式精密空調以及冷凍水型精密空調,給出配置UPS選型的基本建議。

(1) UPS帶直膨式精密空調配置分析

直膨式空調系統包括風冷直膨式系統和水冷直膨式系統,其區別在于室外冷凝器的散熱方式不同。

目前,直膨式精密空調行業里,室內機的制冷壓縮機主要采用渦旋式壓縮機進行變容量調節。渦旋式壓縮機通常采用數碼渦旋技術、交流變頻技術和直流變頻技術實現變容量調節,三者的技術對比見表3:

從性能和可靠性方面而言,采用直流變頻技術的壓縮機,其電機啟動力矩大、效率高(損耗低,功率因數高)、精準調速、高功率體積比高、可靠性高、使用壽命長,技術已經比較成熟和穩定;相較之下,數碼渦旋技術雖有長期市場應用經驗,但調速范圍窄,IPLV不如直流變頻技術,無法完美匹配要求部分負載的高效的數據中心制冷。

對于采用直流和交流變頻技術的壓縮機而言,最明顯的區別就是驅動技術:采用同步永磁體交流電機的,則是直流變頻;采用異步交流電機的,則是交流變頻。雖然同樣是變頻技術,但實際上交流變頻與直流變頻是兩代產品,交流變頻由于能效偏低,勵磁邏輯復雜等劣勢,目前已經基本被直流變頻技術所替代。因此,目前主流壓縮機供應商均聚焦直流變頻技術,以便匹配數據中心負載變化節能要求的大趨勢。

從表4的對比分析可以看出,數碼渦旋式壓縮機和變頻壓縮機的沖擊電流有較大區別,采用UPS為直膨式風冷精密空調配電時,需考慮壓縮機沖擊電流的影響。以制冷量35kW的風冷行級精密空調為例,A廠家采用數碼渦旋壓縮機,B廠家采用直流變頻壓縮機,其整機啟動電流的對比如圖5所示。

根據A、B兩個廠家提供的技術參數并結合測試結果,采用數碼渦旋壓縮機的DX型精密空調,其啟動沖擊電流約為額定電流的5倍;而采用直流變頻壓縮機的DX型精密空調,其啟動電流小于額定電流。

風冷直膨式精密空調的室外機由風機轉速控制器(含壓縮機變頻器)、電控盒、冷凝器、機架和風機等組成,其啟動電流小于滿載電流。當采用UPS給風冷冷凝器供電時,考慮其額定滿載電流即可。

例如,假設在T1工況(溫帶氣候,環境溫度在-20～45℃),對于散熱量為38kW風冷室外機,其輸入制式為380～415Vac/3Ph/50或60Hz,滿載電流為2.5A,功率因數取0.8,則室外機功率為

對水冷直膨式而言,若采用數碼渦旋壓縮機的室內精密空調,需考慮5倍沖擊電流的影響;而對采用變頻壓縮技術的精密空調,由于變頻壓縮機的啟動電流小于其額定電流,因此UPS需考慮其額定電功率,并根據GB/T50174-2008的冗余設計原則,考慮1.2倍的冗余系數即可。

對水冷直膨式的冷卻系統,由于配置了冷卻水泵和冷卻塔,冷卻水泵有定頻水泵和變頻水泵方案,對冷卻塔內又有對應的風機,需根據具體的水泵方案和冷卻塔內的風機類型進行考慮。

(2) UPS帶冷凍水型精密空調配置分析

根據Uptime對冷凍水型空調系統作出的關于連續制冷級別的定義,考慮UPS給精密空調配電時,其主要應用在不間斷制冷(ClassA級別)和連續制冷(ClassB級別)兩種場景,兩者的區別在于是否設置制冷罐,冷凍水二次泵是否采用UPS供電。若整體空調系統設置蓄冷罐進行蓄冷,同時冷凍水二次泵、末端空調采用UPS供電,則為ClassA級別的不間斷制冷方案;若僅對冷凍水二次泵、末端空調采用UPS供電,并無配置蓄冷罐,則為ClassB級別的制冷方案。在實際應用中,冷凍水型蓄冷系統的整體方案架構如圖6所示。

根據冷凍水型蓄冷系統的整體架構,并考慮到數據中心業務連續應用的要求及制冷系統的配置,可參考以下幾種方案:

①方案一

為整個制冷系統全部配置UPS系統,對于冷凍水空調系統,需對冷水機組、冷卻塔、一、二次泵和精密空調都配置UPS系統,保持整套制冷系統不間斷運行。因為此方案成本高昂,在實際項目中極少被采用。

②方案二

在冷凍水系統中,為精密空調風機、二次泵配置UPS,并在冷凍水循環系統中增加蓄冷罐儲備冷凍水。當電源中斷未恢復或電源中斷導致冷機暫無法啟動期間,通過蓄冷罐和水泵循環水提供冷源,由精密空調風機維持室內冷氣循環,為機房環境提供不間斷制冷。相比方案一,此方案在性價比方面更有優勢。

上述兩種方案都可達到UptimeClassA級不間斷制冷標準。

③方案三

在冷凍水系統中,為精密空調風機、二次泵配置UPS,但不配置蓄冷罐。電源中斷或機械制冷故障時,精密空調風機維持機房內空氣循環,并利用管道剩余冷凍水提供制冷,減緩機房快速升溫。此方案可滿足UptimeClassB級連續制冷的標準,且方案性價比有明顯優勢。

(3) 末端空調采用UPS供電的配置建議

不論是Uptime的A級制冷還是B級制冷,首選考慮對末端精密空調進行UPS配置。

冷凍水型末端精密空調的主要部件為風機。在風機選取上,存在著AC風機和EC風機兩種類型的末端空調。在實際應用中,由于EC電機為內置智能控制模塊的直流無刷式免維護型電機,具有高智能、高節能、高效率、壽命長、振動小、噪聲低以及可連續不間斷工作等特點,可實現無級調速,能更好的匹配服務器風量,同時達到最大限度的節能效果。因此,絕大多數廠家的末端空調風機類型均選擇EC風機。

對于采用EC風機的末端精密空調,其啟動沖擊電流小于額定電流,因此在配置UPS時,主要考慮末端空調的滿載運行功率。以某品牌30kW冷凍水型行級空調為例,其配置了8個風機,末端空調滿載電流為5.5A,功率因素一般取0.8,則滿載功率為:5.5×220×0.8≈1kW,考慮UPS的負載功率因數為0.9,并考慮1.2倍的冗余系數,則需要的UPS容量為1.2×1/0.9=1.3(kVA)。

(4)冷凍水二次泵采用UPS供電配電建議

冷凍水二次泵是冷凍水型空調系統的另一個關鍵部件,在考慮持續制冷時,需考慮采用UPS進行供電。

冷凍水二次泵的選取主要根據安裝位置、空間及承壓,結合管路水流量及揚程來選取,但從電性能角度而言,有定頻水泵和變頻水泵兩種考慮,取決于實際項目中采用的水泵類型。考慮UPS對冷凍水二次泵供電而言,通常對于定頻水泵,需考慮其啟動沖擊電流為5倍的額定電流;而對變頻水泵而言,需考慮一定的冗余系數即可,一般取1.2倍。

4  UPS帶精密空調系統選型建議

綜合上述對風冷DX型及冷凍水CW型精密空調系統的分析,對于要求持續制冷應用需求,可采用UPS對精密空調系統進行供電,并根據業務需求、制冷級別及投資成本進行綜合考慮,選擇性價比較好的解決方案。UPS的選型原則主要取決于所選用的空調系統,主要分直膨式空調和冷凍水型空調,選型計算步驟如下:

(1)直膨脹式精密空調UPS選型建議(見表5)

考慮風冷直噴式空調系統時,若同時對室外冷凝器采用UPS供電,此時整套空調系統滿足不間斷制冷需求,滿足UptimeClassA級標準。當僅對室內精密空調采用UPS供電時,若市電斷電,可通過UPS電池供電,繼續保持機房空氣循環,減緩機房升溫速度。

(2)冷凍水型精密空調UPS選型建議(見表6)

5 配置舉例

以華為公司推出的風冷型行級精密空調和冷凍水行級精密空調為例,說明UPS為精密空調的配置原則。

(1)非變頻壓縮機風冷精密空調配置舉例

對于華為NetEco5000-A20kW行級空調,其壓縮機為非變頻壓縮機,需考慮啟動沖擊電流對UPS的影響。從產品手冊中可以查出,華為NetCol5000-A20kW的滿載電流為23A(不帶加熱加濕時為16.5A),且在空調啟動時可暫不考慮加熱加濕功能,精密空調功率因數取0.8,則不考慮加熱加濕功能時,20kW風冷行級空調的最大電功率為

即使在滿載狀態,所需要的功率為

因此,在考慮非變頻壓縮機風冷空調啟動沖擊電流時,可對不帶加熱加濕流功能的滿載電流按5倍考慮即可滿足要求,此時UPS需要滿足的功率為

考慮室外冷凝器也采用UPS供電,假設在T1工況下,冷凝器選擇華為提供的NetCol500-A032,其滿載電流為2.5A,取功率因數0.8,則其功率為

據上述分析,由于室外冷凝器功率較小,對整套風冷精密空調系統來說,UPS容量僅考慮壓縮機啟動沖擊電流對應的電功率,即可滿足整套系統的配電要求。因此,當采用高頻機UPS為20kW風冷直膨式空調供電時,UPS負載功率因數取0.9,并考慮1.2倍的冗余系數,則UPS的容量為PUPS=1.2×43.5/0.9=58(kVA)

(2 )變頻壓縮機風冷精密空調配置舉例

對于采用直流變頻技術的NetCol5000-A25kW風冷行級精密空調,其滿載電流為29A,功率因數取0.8,則電功率為

考慮室外冷凝器也采用UPS供電,假設在T1工況下,冷凝器選擇華為提供的NetCol500-A032,其滿載電流為2.5A,取功率因數0.8,則其功率為

因此,整體需求功率為

當采用高頻機UPS為25kW風冷直膨式空調供電時,UPS負載功率因數取0.9,并考慮1.2倍的冗余系數,則UPS的容量為:

(3) 冷凍水末端空調UPS配電配置舉例

華為公司提供的冷凍水型行級空調NetCol5000-C030H,其末端風機采用EC風機,啟動沖擊電流影響較小,從產品參數可得出,其滿載電流為5.5A,取功率因數0.9,則其電功率為

選用高頻機UPS對冷凍水末端空調進行供電,選取UPS負載功率因數為0.9,并考慮1.2倍的冗余系數,則UPS容量為

需要注意的是,在冷凍水型空調系統中,為實現蓄冷,一般需配置冷凍水泵,冷凍水泵的功率大小需根據安裝位置、空間及承壓,結合管路水流量及揚程來選取,這里不做過多討論。但為實現持續制冷,至少需要對冷凍水泵采用UPS供電。

(4) 華為風冷型空調推薦UP配電配置方式

考慮對華為公司提供的風冷型精密空調全部采用UPS進行配電,根據推薦的配置部件,按照上述配置原則,推薦的UPS容量見表7。

6 結束語

高可靠性、高可用性為每位數據中心建設者永恒不變的追求,隨著高功率機房的不斷應用,持續制冷是必須要引起重視的話題。在考慮連續制冷應用業務時,采用UPS對精密空調進行配電,已經在業界引起了關注并有了一定的應用。對于數據中心設計者而言,需綜合考慮安裝環境、投資成本、維護的便利性等,選取合適的UPS為精密空調供電,以滿足不斷上升的機房熱密度要求,匹配數據中心業務的發展。

來源：精密空調 http://lbjsjzl.com/

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