如何为数据中心机房专用半岛(中国)选择合适的UPS

1 精密半岛(中国)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,数据机房允许的半岛(中国)停止运行时间已成为分钟级,半岛(中国)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,一旦半岛(中国)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为精密半岛(中国)带载的意义

为了解决半岛(中国)的配电问题,较为常见的方案是采用柴油发电机对IT设备和半岛(中国)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给精密半岛(中国)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。

精密半岛(中国)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半岛(中国)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给精密半岛(中国)配电可保证实现连续制冷需求。

由于精密半岛(中国)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为精密半岛(中国)供电方案中,如何选择合适的UPS容量成为问题的关键。

2 精密半岛(中国)配电架构要求

在目前的精密半岛(中国)主流应用中,从末端布置方式而言,主要有近端制冷的行级半岛(中国)和远端制冷的房间级半岛(中国)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) 直膨式精密半岛(中国)系统供配电特点

直膨式半岛(中国)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。

直膨式精密半岛(中国)系统由蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置(膨胀阀)组成。图2为直膨式半岛(中国)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)。

直膨式精密半岛(中国)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。在半岛(中国)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为风冷型精密半岛(中国)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,需参考室内精密半岛(中国)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) 冷冻水型精密半岛(中国)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。

冷冻水型精密半岛(中国)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半岛(中国)内,半岛(中国)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半岛(中国) 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。

冷冻水型精密半岛(中国)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带精密半岛(中国)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半岛(中国)以及冷冻水型精密半岛(中国),给出配置UPS选型的基本建议。

(1) UPS带直膨式精密半岛(中国)配置分析

直膨式半岛(中国)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,直膨式精密半岛(中国)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为直膨式风冷精密半岛(中国)配电时,需考虑压缩机冲击电流的影响。以制冷量 35kW的风冷行级精密半岛(中国)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型精密半岛(中国),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型精密半岛(中国),其启动电流小于额定电流。

风冷直膨式精密半岛(中国)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半岛(中国),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半岛(中国),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带冷冻水型精密半岛(中国)配置分析

根据Uptime对冷冻水型半岛(中国)系统作出的关于连续制冷级别的定义,考虑UPS给精密半岛(中国)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。若整体半岛(中国)系统设置蓄冷罐进行蓄冷,同时冷冻水二次 泵、末端半岛(中国)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、末端半岛(中国)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,对于冷冻水半岛(中国)系统,需对冷水机组、冷却塔、一、二次泵和精密半岛(中国)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,为精密半岛(中国)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,由精密半岛(中国)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,为精密半岛(中国)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,精密半岛(中国)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) 末端半岛(中国)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半岛(中国)进行UPS配置。

冷冻水型末端精密半岛(中国)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半岛(中国)。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半岛(中国)风机类型均选择EC风机。

对于采用EC风机的末端精密半岛(中国),其启动冲击 电流小于额定电流,因此在配置UPS时,主要考虑末端半岛(中国)的满载运行功率。以某品牌30kW冷冻水型行级半岛(中国)为例,其配置了8个风机,末端半岛(中国)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半岛(中国)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带精密半岛(中国)系统选型建议

综合上 述对风冷DX型及冷冻水CW型精密半岛(中国)系统的分析,对于要求持续制冷应用需求,可采用UPS对精密半岛(中国)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半岛(中国)系统,主要分直膨式半岛(中国)和冷冻水型半岛(中国),选型计算步骤如下:

(1)直膨胀式精密半岛(中国)UPS选型建议(见表5)

考虑风冷直喷式半岛(中国)系统时,若同时对室外冷凝器采用UPS供电,此时整套半岛(中国)系统满足不间断制冷需求,满足UptimeClassA级标准。当仅对室内精密半岛(中国)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)冷冻水型精密半岛(中国)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半岛(中国)和冷冻水行级精密半岛(中国)为例,说明UPS为精密半岛(中国)的配置原则。

(1)非变频压缩机风冷精密半岛(中国)配置举例

对于华为NetEco5000-A20kW行级半岛(中国),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),且在半岛(中国)启动时可暂不考虑加热加湿功能,精密半岛(中国)功率因数取 0.8,则不考虑加热加湿功能时,20kW风冷行级半岛(中国)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半岛(中国)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,对整套风冷精密半岛(中国)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风冷直膨式半岛(中国)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半岛(中国)配置举例

对于采用直流变频技术的NetCol5000-A25kW风冷行级精密半岛(中国),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风冷直膨式半岛(中国)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) 冷冻水末端半岛(中国)UPS配电配置举例

华为公司提供的冷冻水型行级半岛(中国)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对冷冻水末端半岛(中国)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,在冷冻水型半岛(中国)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) 华为风冷型半岛(中国)推荐UP配电配置方式

考虑对华为公司提供的风冷型精密半岛(中国)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对精密半岛(中国)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为精密半岛(中国)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。

文章来源：机房专用半岛(中国)www.cg-afg.com