1 精密空调供配电的挑战
近年来,随着云服务和移动互联网业务的快速发展,数据中心开始向高密化、巨型化方向发展,数据中心的IT机柜功率密度不断提高。据ASHARE的研究 报告及某些大型运营商的测试数据显示,随着IT设备功率密度从传统的低于2kW/柜到如今的5kW/柜、10kW/柜甚至20kW/柜以上,数据机房允许 的空调停止运行时间已成为分钟级,空调设备短时间停止供冷在几分钟内即可造成IT设备高温宕机,导致的损失难以估计。
(1) 数据中心高密化的需求
表1为2014年某运营商机架密度与宕机时间对照表,可以看出,机架密度达到5kW/柜后,一旦空调停止运行,机柜仅持续4min后即宕机,并且随着机柜密度的提升持续时间会变得更短。因此停电后即使负载有UPS继续供电,哪怕电池备电时间延长也是毫无意义的。
(2) Uptime对机房连续制冷的要求
在Uptime机构的Tier等级标准中,把数据机房的连续制冷划分为三个级别,对功率密度在4kW/柜及以上的高功率数据机房都提出了连续制冷的要求,并给出了对应的解决方案,如表2所示。
(3) 采用UPS为精密空调带载的意义
为了解决空调的配电问题,较为常见的方案是采用柴油发电机对IT设备和空调进行供电保障,然而,油机起动也需要一定的时间,根据前面的数据要求,在现 今的高密数据中心中,油机必须要在4min内起动,这显然是有一定风险的。人们自然而然地考虑采用UPS给精密空调供电,以确保市电断电或者柴油发电机无 法正常起动时仍能满足持续供冷需求。
精密空调采用UPS进行配电,可保障数据中心机房实现持续制冷的业务需求:
①在配备了柴油发电机备电的场景下,可以防止柴油发电机无法正常起动时仍能保障精密空调持续制冷,防止设备过温宕机造成业务中断;
②对于受场地空间及其他条件限制无法配备柴油发电机的场景,采用UPS给精密空调配电可保证实现连续制冷需求。
由于精密空调属于感性负载,业界的普遍观点认为,启动时的启动冲击电流非常大,因此,在采用UPS为精密空调供电方案中,如何选择合适的UPS容量成为问题的关键。
2 精密空调配电架构要求
在目前的精密空调主流应用中,从末端布置方式而言,主要有近端制冷的行级空调和远端制冷的房间级空调两种;从散热方式而言,分直膨式散热和冷冻水散热两种方式,数据中心常用制冷系统如图1所示。
(1) 直膨式精密空调系统供配电特点
直膨式空调系统的工作原理:通过制冷压缩机,将气态的制冷剂压缩为高温高压状态,在冷凝器里进行冷凝,转换为高温高压的液体,放出热量;液体的制冷剂 经过节流装置(也称膨胀阀)进行减压,在蒸发器里进行蒸发,转换为低温低压的气体,并吸收周边设备的热量,使环境温度降低,达到制冷的目的。
直膨式精密空调系统由蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置(膨胀阀)组成。图2为直膨式空调系统的基本组成。实际使用时,为了便于蒸发器和冷凝器工作,需要为它们各自配套强制对流的风机,并将蒸发器和冷凝器安装在不同的室内和室外两个壳体内(也称室内机和室外机)。
直膨式精密空调的供电采用三相电源制式,电源范围一般为380～415Vac/50Hz,380～415Vac/60Hz,和440～480Vac /60Hz。在空调系统启机时,一般是先启动室内机(风机,控制系统等),然后启动室外冷凝器,再启动制冷压缩机。图3为风冷型精密空调的配电示意图,从 配电架构并结合启机时序,在考虑UPS供电时,需参考室内精密空调的风机、控制系统、室外冷凝器和制冷压缩机的供电需求,选择合适的UPS,达到配电的高 性价比。
(2) 冷冻水型精密空调供配电特点
随着高功率密度机房(单柜功率密度超过5kW)的应用越来越广泛,机房热密度也相应提高,同时新一代绿色数据中心要求更低的PUE值,这均要求采用更高能效比的冷却方式为机房提供制冷方案,冷冻水制冷更能适应新一代数据中心制冷的需求。
冷冻水型精密空调采用冷冻水机组制作低温冷冻水,经由冷冻水泵驱动,由水管道把冷冻水送至数据机房的冷冻水型末端空调内,空调风机驱动房间内空气流经 冷冻水盘表面,降低温度,冷却IT设备;冷冻水升温后,由管路流回冷水机组的蒸发器,再次降温,如此循环。由此可见,在机组断电时,只要冷冻水泵和末端空 调保证电力供应,仍能保证机房内的冷气循环。
冷水机组作为蒸汽压缩制冷方式的设备,按其冷凝器散热方式的不同,可分为水冷式冷水机组和风冷式冷水机组。水冷式冷水机组采用冷却水为冷凝器进行散热,一般配合冷却塔使用;风冷式冷水机组利用环境空气为冷凝器散热,两者的基本构成如图4所示。
冷冻水型精密空调采用单相电源供电,电压范围为200～240Vac/50Hz,或者200～240Vac/60Hz,采用UPS供电时主要考虑末端风机的供电要求。
3 UPS带精密空调配置分析
针对以上分析的目前数据中心常用的直膨式精密空调以及冷冻水型精密空调,给出配置UPS选型的基本建议。
(1) UPS带直膨式精密空调配置分析
直膨式空调系统包括风冷直膨式系统和水冷直膨式系统,其区别在于室外冷凝器的散热方式不同。
目前,直膨式精密空调行业里,室内机的制冷压缩机主要采用涡旋式压缩机进行变容量调节。涡旋式压缩机通常采用数码涡旋技术、交流变频技术和直流变频技术实现变容量调节,三者的技术对比见表3:
从性能和可靠性方面而言,采用直流变频技术的压缩机,其电机启动力矩大、效率高(损耗低,功率因数高)、精准调速、高功率体积比高、可靠性高、使用寿 命长,技术已经比较成熟和稳定;相较之下,数码涡旋技术虽有长期市场应用经验,但调速范围窄,IPLV不如直流变频技术,无法完美匹配要求部分负载的高效 的数据中心制冷。
对于采用直流和交流变频技术的压缩机而言,最明显的区别就是驱动技术:采用同步永磁体交流电机的,则是直流变频;采用异步交流电机的,则是交流变频。 虽然同样是变频技术,但实际上交流变频与直流变频是两代产品,交流变频由于能效偏低,励磁逻辑复杂等劣势,目前已经基本被直流变频技术所替代。因此,目前 主流压缩机供应商均聚焦直流变频技术,以便匹配数据中心负载变化节能要求的大趋势。
从表4的对比分析可以看出,数码涡旋式压缩机和变频压缩机的冲击电流有较大区别,采用UPS为直膨式风冷精密空调配电时,需考虑压缩机冲击电流的影 响。以制冷量35kW的风冷行级精密空调为例,A厂家采用数码涡旋压缩机,B厂家采用直流变频压缩机,其整机启动电流的对比如图5所示。
根据A、B两个厂家提供的技术参数并结合测试结果,采用数码涡旋压缩机的DX型精密空调,其启动冲击电流约为额定电流的5倍;而采用直流变频压缩机的DX型精密空调,其启动电流小于额定电流。
风冷直膨式精密空调的室外机由风机转速控制器(含压缩机变频器)、电控盒、冷凝器、机架和风机等组成,其启动电流小于满载电流。当采用UPS给风冷冷凝器供电时,考虑其额定满载电流即可。
例如,假设在T1工况(温带气候,环境温度在-20～45℃),对于散热量为38kW风冷室外机,其输入制式为380～415Vac/3Ph/50或60Hz,满载电流为2.5A,功率因数取0.8,则室外机功率为
对水冷直膨式而言,若采用数码涡旋压缩机的室内精密空调,需考虑5倍冲击电流的影响;而对采用变频压缩技术的精密空调,由于变频压缩机的启动电流小于 其额定电流,因此UPS需考虑其额定电功率,并根据GB/T50174-2008的冗余设计原则,考虑1.2倍的冗余系数即可。
对水冷直膨式的冷却系统,由于配置了冷却水泵和冷却塔,冷却水泵有定频水泵和变频水泵方案,对冷却塔内又有对应的风机,需根据具体的水泵方案和冷却塔内的风机类型进行考虑。
(2) UPS带冷冻水型精密空调配置分析
根据Uptime对冷冻水型空调系统作出的关于连续制冷级别的定义,考虑UPS给精密空调配电时,其主要应用在不间断制冷(ClassA级别)和连续 制冷(ClassB级别)两种场景,两者的区别在于是否设置制冷罐,冷冻水二次泵是否采用UPS供电。若整体空调系统设置蓄冷罐进行蓄冷,同时冷冻水二次 泵、末端空调采用UPS供电,则为ClassA级别的不间断制冷方案;若仅对冷冻水二次泵、末端空调采用UPS供电,并无配置蓄冷罐,则为ClassB级 别的制冷方案。在实际应用中,冷冻水型蓄冷系统的整体方案架构如图6所示。
根据冷冻水型蓄冷系统的整体架构,并考虑到数据中心业务连续应用的要求及制冷系统的配置,可参考以下几种方案:
①方案一
为整个制冷系统全部配置UPS系统,对于冷冻水空调系统,需对冷水机组、冷却塔、一、二次泵和精密空调都配置UPS系统,保持整套制冷系统不间断运行。因为此方案成本高昂,在实际项目中极少被采用。
②方案二
在冷冻水系统中,为精密空调风机、二次泵配置UPS,并在冷冻水循环系统中增加蓄冷罐储备冷冻水。当电源中断未恢复或电源中断导致冷机暂无法启动期 间,通过蓄冷罐和水泵循环水提供冷源,由精密空调风机维持室内冷气循环,为机房环境提供不间断制冷。相比方案一,此方案在性价比方面更有优势。
上述两种方案都可达到UptimeClassA级不间断制冷标准。
③方案三
在冷冻水系统中,为精密空调风机、二次泵配置UPS,但不配置蓄冷罐。电源中断或机械制冷故障时,精密空调风机维持机房内空气循环,并利用管道剩余冷冻水提供制冷,减缓机房快速升温。此方案可满足UptimeClassB级连续制冷的标准,且方案性价比有明显优势。
(3) 末端空调采用UPS供电的配置建议
不论是Uptime的A级制冷还是B级制冷,首选考虑对末端精密空调进行UPS配置。
冷冻水型末端精密空调的主要部件为风机。在风机选取上,存在着AC风机和EC风机两种类型的末端空调。在实际应用中,由于EC电机为内置智能控制模块 的直流无刷式免维护型电机,具有高智能、高节能、高效率、寿命长、振动小、噪声低以及可连续不间断工作等特点,可实现无级调速,能更好的匹配服务器风量, 同时达到最大限度的节能效果。因此,绝大多数厂家的末端空调风机类型均选择EC风机。
对于采用EC风机的末端精密空调,其启动冲击电流小于额定电流,因此在配置UPS时,主要考虑末端空调的满载运行功率。以某品牌30kW冷冻水型行级 空调为例,其配置了8个风机,末端空调满载电流为5.5A,功率因素一般取0.8,则满载功率为:5.5×220×0.8≈1kW,考虑UPS的负载功率 因数为0.9,并考虑1.2倍的冗余系数,则需要的UPS容量为1.2×1/0.9=1.3(kVA)。
(4)冷冻水二次泵采用UPS供电配电建议
冷冻水二次泵是冷冻水型空调系统的另一个关键部件,在考虑持续制冷时,需考虑采用UPS进行供电。
冷冻水二次泵的选取主要根据安装位置、空间及承压,结合管路水流量及扬程来选取,但从电性能角度而言,有定频水泵和变频水泵两种考虑,取决于实际项目 中采用的水泵类型。考虑UPS对冷冻水二次泵供电而言,通常对于定频水泵,需考虑其启动冲击电流为5倍的额定电流;而对变频水泵而言,需考虑一定的冗余系 数即可,一般取1.2倍。
4 UPS带精密空调系统选型建议
综合上述对风冷DX型及冷冻水CW型精密空调系统的分析,对于要求持续制冷应用需求,可采用UPS对精密空调系统进行供电,并根据业务需求、制冷级别 及投资成本进行综合考虑,选择性价比较好的解决方案。UPS的选型原则主要取决于所选用的空调系统,主要分直膨式空调和冷冻水型空调,选型计算步骤如下:
(1)直膨胀式精密空调UPS选型建议(见表5)
考虑风冷直喷式空调系统时,若同时对室外冷凝器采用UPS供电,此时整套空调系统满足不间断制冷需求,满足UptimeClassA级标准。当仅对室内精密空调采用UPS供电时,若市电断电,可通过UPS电池供电,继续保持机房空气循环,减缓机房升温速度。
(2)冷冻水型精密空调UPS选型建议(见表6)
5 配置举例
以华为公司推出的风冷型行级精密空调和冷冻水行级精密空调为例,说明UPS为精密空调的配置原则。
(1)非变频压缩机风冷精密空调配置举例
对于华为NetEco5000-A20kW行级空调,其压缩机为非变频压缩机,需考虑启动冲击电流对UPS的影响。从产品手册中可以查出,华为 NetCol5000-A20kW的满载电流为23A(不带加热加湿时为16.5A),且在空调启动时可暂不考虑加热加湿功能,精密空调功率因数取 0.8,则不考虑加热加湿功能时,20kW风冷行级空调的最大电功率为
即使在满载状态,所需要的功率为
因此,在考虑非变频压缩机风冷空调启动冲击电流时,可对不带加热加湿流功能的满载电流按5倍考虑即可满足要求,此时UPS需要满足的功率为
考虑室外冷凝器也采用UPS供电,假设在T1工况下,冷凝器选择华为提供的NetCol500-A032,其满载电流为2.5A,取功率因数0.8,则其功率为
据上述分析,由于室外冷凝器功率较小,对整套风冷精密空调系统来说,UPS容量仅考虑压缩机启动冲击电流对应的电功率,即可满足整套系统的配电要求。 因此,当采用高频机UPS为20kW风冷直膨式空调供电时,UPS负载功率因数取0.9,并考虑1.2倍的冗余系数,则UPS的容量为 PUPS=1.2×43.5/0.9=58(kVA)
(2 )变频压缩机风冷精密空调配置举例
对于采用直流变频技术的NetCol5000-A25kW风冷行级精密空调,其满载电流为29A,功率因数取0.8,则电功率为
考虑室外冷凝器也采用UPS供电,假设在T1工况下,冷凝器选择华为提供的NetCol500-A032,其满载电流为2.5A,取功率因数0.8,则其功率为
因此,整体需求功率为
当采用高频机UPS为25kW风冷直膨式空调供电时,UPS负载功率因数取0.9,并考虑1.2倍的冗余系数,则UPS的容量为:
(3) 冷冻水末端空调UPS配电配置举例
华为公司提供的冷冻水型行级空调NetCol5000-C030H,其末端风机采用EC风机,启动冲击电流影响较小,从产品参数可得出,其满载电流为5.5A,取功率因数0.9,则其电功率为
选用高频机UPS对冷冻水末端空调进行供电,选取UPS负载功率因数为0.9,并考虑1.2倍的冗余系数,则UPS容量为
需要注意的是,在冷冻水型空调系统中,为实现蓄冷,一般需配置冷冻水泵,冷冻水泵的功率大小需根据安装位置、空间及承压,结合管路水流量及扬程来选取,这里不做过多讨论。但为实现持续制冷,至少需要对冷冻水泵采用UPS供电。
(4) 华为风冷型空调推荐UP配电配置方式
考虑对华为公司提供的风冷型精密空调全部采用UPS进行配电,根据推荐的配置部件,按照上述配置原则,推荐的UPS容量见表7。
6 结束语
高可靠性、高可用性为每位数据中心建设者永恒不变的追求,随着高功率机房的不断应用,持续制冷是必须要引起重视的话题。在考虑连续制冷应用业务时,采 用UPS对精密空调进行配电,已经在业界引起了关注并有了一定的应用。对于数据中心设计者而言,需综合考虑安装环境、投资成本、维护的便利性等,选取合适 的UPS为精密空调供电,以满足不断上升的机房热密度要求,匹配数据中心业务的发展。
