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1 精密空調供配電的挑戰(zhàn)
近年來,隨著云服務和移動互聯(lián)網業(yè)務的快速發(fā)展,數(shù)據中心開始向高密化、巨型化方向發(fā)展,數(shù)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(shù)據顯示,隨著IT設備功率密度從傳統(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(shù)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(xù)4min后即宕機,并且隨著機柜密度的提升持續(xù)時間會變得更短。因此停電后即使負載有UPS繼續(xù)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(xù)制冷的要求
在Uptime機構的Tier等級標準中,把數(shù)據機房的連續(xù)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(shù)據機房都提出了連續(xù)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(fā)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(shù)據要求,在現(xiàn) 今的高密數(shù)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(fā)電機無 法正常起動時仍能滿足持續(xù)供冷需求。
精密空調采用UPS進行配電,可保障數(shù)據中心機房實現(xiàn)持續(xù)制冷的業(yè)務需求:
①在配備了柴油發(fā)電機備電的場景下,可以防止柴油發(fā)電機無法正常起動時仍能保障精密空調持續(xù)制冷,防止設備過溫宕機造成業(yè)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(fā)電機的場景,采用UPS給精密空調配電可保證實現(xiàn)連續(xù)制冷需求。
由于精密空調屬于感性負載,業(yè)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(shù)據中心常用制冷系統(tǒng)如圖1所示。
(1) 直膨式精密空調系統(tǒng)供配電特點
直膨式空調系統(tǒng)的工作原理:通過制冷壓縮機,將氣態(tài)的制冷劑壓縮為高溫高壓狀態(tài),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(jié)流裝置(也稱膨脹閥)進行減壓,在蒸發(fā)器里進行蒸發(fā),轉換為低溫低壓的氣體,并吸收周邊設備的熱量,使環(huán)境溫度降低,達到制冷的目的。
直膨式精密空調系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器和節(jié)流裝置(膨脹閥)組成。圖2為直膨式空調系統(tǒng)的基本組成。實際使用時,為了便于蒸發(fā)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(fā)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(tǒng)啟機時,一般是先啟動室內機(風機,控制系統(tǒng)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(tǒng)、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(shù)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(shù)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(shù)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(fā)器,再次降溫,如此循環(huán)。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(huán)。
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(huán)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(shù)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(tǒng)包括風冷直膨式系統(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,直膨式精密空調行業(yè)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(jié)。渦旋式壓縮機通常采用數(shù)碼渦旋技術、交流變頻技術和直流變頻技術實現(xiàn)變容量調節(jié),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(shù)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(wěn)定;相較之下,數(shù)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(shù)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(qū)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(shù)據中心負載變化節(jié)能要求的大趨勢。
從表4的對比分析可以看出,數(shù)碼渦旋式壓縮機和變頻壓縮機的沖擊電流有較大區(qū)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(shù)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(shù)并結合測試結果,采用數(shù)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(huán)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(shù)取0.8,則室外機功率為
對水冷直膨式而言,若采用數(shù)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(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(tǒng)作出的關于連續(xù)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(xù) 制冷(ClassB級別)兩種場景,兩者的區(qū)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(tǒng)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(tǒng)的整體方案架構如圖6所示。
根據冷凍水型蓄冷系統(tǒng)的整體架構,并考慮到數(shù)據中心業(yè)務連續(xù)應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
為整個制冷系統(tǒng)全部配置UPS系統(tǒng),對于冷凍水空調系統(tǒng),需對冷水機組、冷卻塔、一、二次泵和精密空調都配置UPS系統(tǒng),保持整套制冷系統(tǒng)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(tǒng)中,為精密空調風機、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(huán)水提供冷源,由精密空調風機維持室內冷氣循環(huán),為機房環(huán)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(yōu)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(tǒng)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(huán),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(xù)制冷的標準,且方案性價比有明顯優(yōu)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(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,可實現(xiàn)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(jié)能效果。因此,絕大多數(shù)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(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系統(tǒng)的另一個關鍵部件,在考慮持續(xù)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(shù)即可,一般取1.2倍。
4 UPS帶精密空調系統(tǒng)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(tǒng)的分析,對于要求持續(xù)制冷應用需求,可采用UPS對精密空調系統(tǒng)進行供電,并根據業(yè)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(tǒng),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(tǒng)時,若同時對室外冷凝器采用UPS供電,此時整套空調系統(tǒng)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(xù)保持機房空氣循環(huán),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(shù)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(tài),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(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(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(shù)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(shù)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(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(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UPS對冷凍水末端空調進行供電,選取UPS負載功率因數(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,在冷凍水型空調系統(tǒng)中,為實現(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(xiàn)持續(xù)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(shù)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(xù)制冷是必須要引起重視的話題。在考慮連續(xù)制冷應用業(yè)務時,采 用UPS對精密空調進行配電,已經在業(yè)界引起了關注并有了一定的應用。對于數(shù)據中心設計者而言,需綜合考慮安裝環(huán)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(shù)據中心業(yè)務的發(fā)展。