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1 精密空調(diào)供配電的挑戰(zhàn)
近年來,隨著云服務(wù)和移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展,數(shù)據(jù)中心開始向高密化、巨型化方向發(fā)展,數(shù)據(jù)中心的IT機(jī)柜功率密度不斷提高。據(jù)ASHARE的研究 報(bào)告及某些大型運(yùn)營商的測試數(shù)據(jù)顯示,隨著IT設(shè)備功率密度從傳統(tǒng)的低于2kW/柜到如今的5kW/柜,、10kW/柜甚至20kW/柜以上,數(shù)據(jù)機(jī)房允許 的空調(diào)停止運(yùn)行時(shí)間已成為分鐘級,空調(diào)設(shè)備短時(shí)間停止供冷在幾分鐘內(nèi)即可造成IT設(shè)備高溫宕機(jī),導(dǎo)致的損失難以估計(jì),。
(1) 數(shù)據(jù)中心高密化的需求
表1為2014年某運(yùn)營商機(jī)架密度與宕機(jī)時(shí)間對照表,可以看出,機(jī)架密度達(dá)到5kW/柜后,一旦空調(diào)停止運(yùn)行,機(jī)柜僅持續(xù)4min后即宕機(jī),并且隨著機(jī)柜密度的提升持續(xù)時(shí)間會變得更短,。因此停電后即使負(fù)載有UPS繼續(xù)供電,哪怕電池備電時(shí)間延長也是毫無意義的,。
(2) Uptime對機(jī)房連續(xù)制冷的要求
在Uptime機(jī)構(gòu)的Tier等級標(biāo)準(zhǔn)中,把數(shù)據(jù)機(jī)房的連續(xù)制冷劃分為三個(gè)級別,對功率密度在4kW/柜及以上的高功率數(shù)據(jù)機(jī)房都提出了連續(xù)制冷的要求,并給出了對應(yīng)的解決方案,如表2所示。
(3) 采用UPS為精密空調(diào)帶載的意義
為了解決空調(diào)的配電問題,較為常見的方案是采用柴油發(fā)電機(jī)對IT設(shè)備和空調(diào)進(jìn)行供電保障,然而,油機(jī)起動也需要一定的時(shí)間,根據(jù)前面的數(shù)據(jù)要求,在現(xiàn) 今的高密數(shù)據(jù)中心中,油機(jī)必須要在4min內(nèi)起動,這顯然是有一定風(fēng)險(xiǎn)的,。人們自然而然地考慮采用UPS給精密空調(diào)供電,以確保市電斷電或者柴油發(fā)電機(jī)無 法正常起動時(shí)仍能滿足持續(xù)供冷需求,。
精密空調(diào)采用UPS進(jìn)行配電,可保障數(shù)據(jù)中心機(jī)房實(shí)現(xiàn)持續(xù)制冷的業(yè)務(wù)需求:
①在配備了柴油發(fā)電機(jī)備電的場景下,可以防止柴油發(fā)電機(jī)無法正常起動時(shí)仍能保障精密空調(diào)持續(xù)制冷,防止設(shè)備過溫宕機(jī)造成業(yè)務(wù)中斷;
②對于受場地空間及其他條件限制無法配備柴油發(fā)電機(jī)的場景,采用UPS給精密空調(diào)配電可保證實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷需求。
由于精密空調(diào)屬于感性負(fù)載,業(yè)界的普遍觀點(diǎn)認(rèn)為,啟動時(shí)的啟動沖擊電流非常大,因此,在采用UPS為精密空調(diào)供電方案中,如何選擇合適的UPS容量成為問題的關(guān)鍵,。
2 精密空調(diào)配電架構(gòu)要求
在目前的精密空調(diào)主流應(yīng)用中,從末端布置方式而言,主要有近端制冷的行級空調(diào)和遠(yuǎn)端制冷的房間級空調(diào)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(shù)據(jù)中心常用制冷系統(tǒng)如圖1所示,。
(1) 直膨式精密空調(diào)系統(tǒng)供配電特點(diǎn)
直膨式空調(diào)系統(tǒng)的工作原理:通過制冷壓縮機(jī),將氣態(tài)的制冷劑壓縮為高溫高壓狀態(tài),在冷凝器里進(jìn)行冷凝,轉(zhuǎn)換為高溫高壓的液體,放出熱量;液體的制冷劑 經(jīng)過節(jié)流裝置(也稱膨脹閥)進(jìn)行減壓,在蒸發(fā)器里進(jìn)行蒸發(fā),轉(zhuǎn)換為低溫低壓的氣體,并吸收周邊設(shè)備的熱量,使環(huán)境溫度降低,達(dá)到制冷的目的。
直膨式精密空調(diào)系統(tǒng)由蒸發(fā)器,、壓縮機(jī),、冷凝器和節(jié)流裝置(膨脹閥)組成。圖2為直膨式空調(diào)系統(tǒng)的基本組成,。實(shí)際使用時(shí),為了便于蒸發(fā)器和冷凝器工作,需要為它們各自配套強(qiáng)制對流的風(fēng)機(jī),并將蒸發(fā)器和冷凝器安裝在不同的室內(nèi)和室外兩個(gè)殼體內(nèi)(也稱室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)),。
直膨式精密空調(diào)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(diào)系統(tǒng)啟機(jī)時(shí),一般是先啟動室內(nèi)機(jī)(風(fēng)機(jī),控制系統(tǒng)等),然后啟動室外冷凝器,再啟動制冷壓縮機(jī),。圖3為風(fēng)冷型精密空調(diào)的配電示意圖,從 配電架構(gòu)并結(jié)合啟機(jī)時(shí)序,在考慮UPS供電時(shí),需參考室內(nèi)精密空調(diào)的風(fēng)機(jī),、控制系統(tǒng)、室外冷凝器和制冷壓縮機(jī)的供電需求,選擇合適的UPS,達(dá)到配電的高 性價(jià)比,。
(2) 冷凍水型精密空調(diào)供配電特點(diǎn)
隨著高功率密度機(jī)房(單柜功率密度超過5kW)的應(yīng)用越來越廣泛,機(jī)房熱密度也相應(yīng)提高,同時(shí)新一代綠色數(shù)據(jù)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(jī)房提供制冷方案,冷凍水制冷更能適應(yīng)新一代數(shù)據(jù)中心制冷的需求,。
冷凍水型精密空調(diào)采用冷凍水機(jī)組制作低溫冷凍水,經(jīng)由冷凍水泵驅(qū)動,由水管道把冷凍水送至數(shù)據(jù)機(jī)房的冷凍水型末端空調(diào)內(nèi),空調(diào)風(fēng)機(jī)驅(qū)動房間內(nèi)空氣流經(jīng) 冷凍水盤表面,降低溫度,冷卻IT設(shè)備;冷凍水升溫后,由管路流回冷水機(jī)組的蒸發(fā)器,再次降溫,如此循環(huán)。由此可見,在機(jī)組斷電時(shí),只要冷凍水泵和末端空 調(diào)保證電力供應(yīng),仍能保證機(jī)房內(nèi)的冷氣循環(huán),。
冷水機(jī)組作為蒸汽壓縮制冷方式的設(shè)備,按其冷凝器散熱方式的不同,可分為水冷式冷水機(jī)組和風(fēng)冷式冷水機(jī)組,。水冷式冷水機(jī)組采用冷卻水為冷凝器進(jìn)行散熱,一般配合冷卻塔使用;風(fēng)冷式冷水機(jī)組利用環(huán)境空氣為冷凝器散熱,兩者的基本構(gòu)成如圖4所示。
冷凍水型精密空調(diào)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(shí)主要考慮末端風(fēng)機(jī)的供電要求,。
3 UPS帶精密空調(diào)配置分析
針對以上分析的目前數(shù)據(jù)中心常用的直膨式精密空調(diào)以及冷凍水型精密空調(diào),給出配置UPS選型的基本建議,。
(1) UPS帶直膨式精密空調(diào)配置分析
直膨式空調(diào)系統(tǒng)包括風(fēng)冷直膨式系統(tǒng)和水冷直膨式系統(tǒng),其區(qū)別在于室外冷凝器的散熱方式不同。
目前,直膨式精密空調(diào)行業(yè)里,室內(nèi)機(jī)的制冷壓縮機(jī)主要采用渦旋式壓縮機(jī)進(jìn)行變?nèi)萘空{(diào)節(jié),。渦旋式壓縮機(jī)通常采用數(shù)碼渦旋技術(shù),、交流變頻技術(shù)和直流變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)變?nèi)萘空{(diào)節(jié),三者的技術(shù)對比見表3:
從性能和可靠性方面而言,采用直流變頻技術(shù)的壓縮機(jī),其電機(jī)啟動力矩大、效率高(損耗低,功率因數(shù)高),、精準(zhǔn)調(diào)速,、高功率體積比高、可靠性高,、使用壽 命長,技術(shù)已經(jīng)比較成熟和穩(wěn)定;相較之下,數(shù)碼渦旋技術(shù)雖有長期市場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),但調(diào)速范圍窄,IPLV不如直流變頻技術(shù),無法完美匹配要求部分負(fù)載的高效 的數(shù)據(jù)中心制冷,。
對于采用直流和交流變頻技術(shù)的壓縮機(jī)而言,最明顯的區(qū)別就是驅(qū)動技術(shù):采用同步永磁體交流電機(jī)的,則是直流變頻;采用異步交流電機(jī)的,則是交流變頻。 雖然同樣是變頻技術(shù),但實(shí)際上交流變頻與直流變頻是兩代產(chǎn)品,交流變頻由于能效偏低,勵(lì)磁邏輯復(fù)雜等劣勢,目前已經(jīng)基本被直流變頻技術(shù)所替代,。因此,目前 主流壓縮機(jī)供應(yīng)商均聚焦直流變頻技術(shù),以便匹配數(shù)據(jù)中心負(fù)載變化節(jié)能要求的大趨勢,。
從表4的對比分析可以看出,數(shù)碼渦旋式壓縮機(jī)和變頻壓縮機(jī)的沖擊電流有較大區(qū)別,采用UPS為直膨式風(fēng)冷精密空調(diào)配電時(shí),需考慮壓縮機(jī)沖擊電流的影 響。以制冷量35kW的風(fēng)冷行級精密空調(diào)為例,A廠家采用數(shù)碼渦旋壓縮機(jī),B廠家采用直流變頻壓縮機(jī),其整機(jī)啟動電流的對比如圖5所示,。
根據(jù)A,、B兩個(gè)廠家提供的技術(shù)參數(shù)并結(jié)合測試結(jié)果,采用數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的DX型精密空調(diào),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(jī)的DX型精密空調(diào),其啟動電流小于額定電流。
風(fēng)冷直膨式精密空調(diào)的室外機(jī)由風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器(含壓縮機(jī)變頻器),、電控盒,、冷凝器、機(jī)架和風(fēng)機(jī)等組成,其啟動電流小于滿載電流,。當(dāng)采用UPS給風(fēng)冷冷凝器供電時(shí),考慮其額定滿載電流即可,。
例如,假設(shè)在T1工況(溫帶氣候,環(huán)境溫度在-20～45℃),對于散熱量為38kW風(fēng)冷室外機(jī),其輸入制式為380～415Vac/3Ph/50或60Hz,滿載電流為2.5A,功率因數(shù)取0.8,則室外機(jī)功率為
對水冷直膨式而言,若采用數(shù)碼渦旋壓縮機(jī)的室內(nèi)精密空調(diào),需考慮5倍沖擊電流的影響;而對采用變頻壓縮技術(shù)的精密空調(diào),由于變頻壓縮機(jī)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(jù)GB/T50174-2008的冗余設(shè)計(jì)原則,考慮1.2倍的冗余系數(shù)即可。
對水冷直膨式的冷卻系統(tǒng),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(nèi)又有對應(yīng)的風(fēng)機(jī),需根據(jù)具體的水泵方案和冷卻塔內(nèi)的風(fēng)機(jī)類型進(jìn)行考慮,。
(2) UPS帶冷凍水型精密空調(diào)配置分析
根據(jù)Uptime對冷凍水型空調(diào)系統(tǒng)作出的關(guān)于連續(xù)制冷級別的定義,考慮UPS給精密空調(diào)配電時(shí),其主要應(yīng)用在不間斷制冷(ClassA級別)和連續(xù) 制冷(ClassB級別)兩種場景,兩者的區(qū)別在于是否設(shè)置制冷罐,冷凍水二次泵是否采用UPS供電,。若整體空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置蓄冷罐進(jìn)行蓄冷,同時(shí)冷凍水二次 泵、末端空調(diào)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(diào)采用UPS供電,并無配置蓄冷罐,則為ClassB級 別的制冷方案,。在實(shí)際應(yīng)用中,冷凍水型蓄冷系統(tǒng)的整體方案架構(gòu)如圖6所示。
根據(jù)冷凍水型蓄冷系統(tǒng)的整體架構(gòu),并考慮到數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)連續(xù)應(yīng)用的要求及制冷系統(tǒng)的配置,可參考以下幾種方案:
①方案一
為整個(gè)制冷系統(tǒng)全部配置UPS系統(tǒng),對于冷凍水空調(diào)系統(tǒng),需對冷水機(jī)組、冷卻塔,、一,、二次泵和精密空調(diào)都配置UPS系統(tǒng),保持整套制冷系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。因?yàn)榇朔桨赋杀靖甙?在實(shí)際項(xiàng)目中極少被采用,。
②方案二
在冷凍水系統(tǒng)中,為精密空調(diào)風(fēng)機(jī),、二次泵配置UPS,并在冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中增加蓄冷罐儲備冷凍水。當(dāng)電源中斷未恢復(fù)或電源中斷導(dǎo)致冷機(jī)暫無法啟動期 間,通過蓄冷罐和水泵循環(huán)水提供冷源,由精密空調(diào)風(fēng)機(jī)維持室內(nèi)冷氣循環(huán),為機(jī)房環(huán)境提供不間斷制冷,。相比方案一,此方案在性價(jià)比方面更有優(yōu)勢,。
上述兩種方案都可達(dá)到UptimeClassA級不間斷制冷標(biāo)準(zhǔn)。
③方案三
在冷凍水系統(tǒng)中,為精密空調(diào)風(fēng)機(jī),、二次泵配置UPS,但不配置蓄冷罐,。電源中斷或機(jī)械制冷故障時(shí),精密空調(diào)風(fēng)機(jī)維持機(jī)房內(nèi)空氣循環(huán),并利用管道剩余冷凍水提供制冷,減緩機(jī)房快速升溫。此方案可滿足UptimeClassB級連續(xù)制冷的標(biāo)準(zhǔn),且方案性價(jià)比有明顯優(yōu)勢,。
(3) 末端空調(diào)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(diào)進(jìn)行UPS配置,。
冷凍水型末端精密空調(diào)的主要部件為風(fēng)機(jī)。在風(fēng)機(jī)選取上,存在著AC風(fēng)機(jī)和EC風(fēng)機(jī)兩種類型的末端空調(diào),。在實(shí)際應(yīng)用中,由于EC電機(jī)為內(nèi)置智能控制模塊 的直流無刷式免維護(hù)型電機(jī),具有高智能,、高節(jié)能、高效率,、壽命長,、振動小、噪聲低以及可連續(xù)不間斷工作等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速,能更好的匹配服務(wù)器風(fēng)量, 同時(shí)達(dá)到最大限度的節(jié)能效果,。因此,絕大多數(shù)廠家的末端空調(diào)風(fēng)機(jī)類型均選擇EC風(fēng)機(jī),。
對于采用EC風(fēng)機(jī)的末端精密空調(diào),其啟動沖擊電流小于額定電流,因此在配置UPS時(shí),主要考慮末端空調(diào)的滿載運(yùn)行功率。以某品牌30kW冷凍水型行級 空調(diào)為例,其配置了8個(gè)風(fēng)機(jī),末端空調(diào)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(fù)載功率 因數(shù)為0.9,并考慮1.2倍的冗余系數(shù),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(diào)系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵部件,在考慮持續(xù)制冷時(shí),需考慮采用UPS進(jìn)行供電,。
冷凍水二次泵的選取主要根據(jù)安裝位置、空間及承壓,結(jié)合管路水流量及揚(yáng)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(shí)際項(xiàng)目 中采用的水泵類型,?？紤]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(shù)即可,一般取1.2倍。
4 UPS帶精密空調(diào)系統(tǒng)選型建議
綜合上述對風(fēng)冷DX型及冷凍水CW型精密空調(diào)系統(tǒng)的分析,對于要求持續(xù)制冷應(yīng)用需求,可采用UPS對精密空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行供電,并根據(jù)業(yè)務(wù)需求,、制冷級別 及投資成本進(jìn)行綜合考慮,選擇性價(jià)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(diào)系統(tǒng),主要分直膨式空調(diào)和冷凍水型空調(diào),選型計(jì)算步驟如下:
(1)直膨脹式精密空調(diào)UPS選型建議(見表5)
考慮風(fēng)冷直噴式空調(diào)系統(tǒng)時(shí),若同時(shí)對室外冷凝器采用UPS供電,此時(shí)整套空調(diào)系統(tǒng)滿足不間斷制冷需求,滿足UptimeClassA級標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)僅對室內(nèi)精密空調(diào)采用UPS供電時(shí),若市電斷電,可通過UPS電池供電,繼續(xù)保持機(jī)房空氣循環(huán),減緩機(jī)房升溫速度,。
(2)冷凍水型精密空調(diào)UPS選型建議(見表6)
5 配置舉例
以華為公司推出的風(fēng)冷型行級精密空調(diào)和冷凍水行級精密空調(diào)為例,說明UPS為精密空調(diào)的配置原則,。
(1)非變頻壓縮機(jī)風(fēng)冷精密空調(diào)配置舉例
對于華為NetEco5000-A20kW行級空調(diào),其壓縮機(jī)為非變頻壓縮機(jī),需考慮啟動沖擊電流對UPS的影響。從產(chǎn)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(shí)為16.5A),且在空調(diào)啟動時(shí)可暫不考慮加熱加濕功能,精密空調(diào)功率因數(shù)取 0.8,則不考慮加熱加濕功能時(shí),20kW風(fēng)冷行級空調(diào)的最大電功率為
即使在滿載狀態(tài),所需要的功率為
因此,在考慮非變頻壓縮機(jī)風(fēng)冷空調(diào)啟動沖擊電流時(shí),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(shí)UPS需要滿足的功率為
考慮室外冷凝器也采用UPS供電,假設(shè)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(shù)0.8,則其功率為
據(jù)上述分析,由于室外冷凝器功率較小,對整套風(fēng)冷精密空調(diào)系統(tǒng)來說,UPS容量僅考慮壓縮機(jī)啟動沖擊電流對應(yīng)的電功率,即可滿足整套系統(tǒng)的配電要求,。 因此,當(dāng)采用高頻機(jī)UPS為20kW風(fēng)冷直膨式空調(diào)供電時(shí),UPS負(fù)載功率因數(shù)取0.9,并考慮1.2倍的冗余系數(shù),則UPS的容量為 PUPS=1.2×43.5/0.9=58(kVA)
(2 )變頻壓縮機(jī)風(fēng)冷精密空調(diào)配置舉例
對于采用直流變頻技術(shù)的NetCol5000-A25kW風(fēng)冷行級精密空調(diào),其滿載電流為29A,功率因數(shù)取0.8,則電功率為
考慮室外冷凝器也采用UPS供電,假設(shè)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(shù)0.8,則其功率為
因此,整體需求功率為
當(dāng)采用高頻機(jī)UPS為25kW風(fēng)冷直膨式空調(diào)供電時(shí),UPS負(fù)載功率因數(shù)取0.9,并考慮1.2倍的冗余系數(shù),則UPS的容量為:
(3) 冷凍水末端空調(diào)UPS配電配置舉例
華為公司提供的冷凍水型行級空調(diào)NetCol5000-C030H,其末端風(fēng)機(jī)采用EC風(fēng)機(jī),啟動沖擊電流影響較小,從產(chǎn)品參數(shù)可得出,其滿載電流為5.5A,取功率因數(shù)0.9,則其電功率為
選用高頻機(jī)UPS對冷凍水末端空調(diào)進(jìn)行供電,選取UPS負(fù)載功率因數(shù)為0.9,并考慮1.2倍的冗余系數(shù),則UPS容量為
需要注意的是,在冷凍水型空調(diào)系統(tǒng)中,為實(shí)現(xiàn)蓄冷,一般需配置冷凍水泵,冷凍水泵的功率大小需根據(jù)安裝位置,、空間及承壓,結(jié)合管路水流量及揚(yáng)程來選取,這里不做過多討論,。但為實(shí)現(xiàn)持續(xù)制冷,至少需要對冷凍水泵采用UPS供電。
(4) 華為風(fēng)冷型空調(diào)推薦UP配電配置方式
考慮對華為公司提供的風(fēng)冷型精密空調(diào)全部采用UPS進(jìn)行配電,根據(jù)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(jié)束語
高可靠性,、高可用性為每位數(shù)據(jù)中心建設(shè)者永恒不變的追求,隨著高功率機(jī)房的不斷應(yīng)用,持續(xù)制冷是必須要引起重視的話題。在考慮連續(xù)制冷應(yīng)用業(yè)務(wù)時(shí),采 用UPS對精密空調(diào)進(jìn)行配電,已經(jīng)在業(yè)界引起了關(guān)注并有了一定的應(yīng)用,。對于數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)者而言,需綜合考慮安裝環(huán)境,、投資成本、維護(hù)的便利性等,選取合適 的UPS為精密空調(diào)供電,以滿足不斷上升的機(jī)房熱密度要求,匹配數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的發(fā)展,。