如何为连续制冷选配UPS

作者：温顺理

摘要：本文介绍了在连续制冷中对供电系统的经验分享，是高等级数据中心应用中一个“跨界”学术问题。
 

随着数据中心的功率密度不断增加，对于连续制冷需要进行更多的预先考虑。当供电电源发生中断或故障时，如果数据中心无法制冷，IT设备可能会因过温保护关机，极端情况下会损坏软硬件，对于企业就会有灾难性的影响。

GB50174-2017《数据中心设计规范》要求冷通道或机柜进风区域的温度是18～27°C ，冷通道或机柜进风区域的露点温度5.5～15°C，同时相对湿度不大于60% 。美国采暖、制冷与空调工程师学会(ASHRAE)准则建议设备进风干球温度是18-27°C，露点温度是9 C至15 C，同时相对湿度60%以内。

Uptime Institute曾经在一个单柜密度6kW的机房进行过测试证明，当冷量丢失或仅仅是空气移动速度降低后，机房里面的空气温度在60秒内就会急剧上升超过最高温度值。另外，这个试验也证明，一分钟的冷量损失需要20分钟才能恢复。

GB50174-2017 7.4.1要求采用冷冻水空调系统的A级数据中心宜设置蓄冷设施，蓄冷时间应满足电子信息设备的运行要求；控制系统、末端冷冻水泵、空调末端风机应由不间断电源系统供电。数据中心内采用不间断电源系统供电的空调设备主要有控制系统、末端冷冻水泵、空调末端风机等，这些设备不应与电子信息设备共用一组不间断电源系统，以减少对电子信息设备的干扰。

Uptime技术要求：连续制冷在Tier VI机房和平均密度超过4kW的单机柜，需要考虑连续制冷。Uptime将连续制冷分为四种场景：

1，    冷冻水系统的连续冷却通常是利用冷量储备系统（蓄冷罐）来完成的。二次泵和空调末端都要由UPS供电，电源可以是IT UPS，也可以是专门用于机械制冷系统的独立的、可维护或容错的不间断电源系统。如果冷冻水系统是主制冷系统，那么一次和二次水泵都必须接入UPS系统中。

2，    直接膨胀（DX）连续冷却系统要求机房空调和室外冷凝器都要由便于维护或容错的UPS系统供电。

3，    直接蒸发或间接蒸发冷却中的连续制冷，则需要水泵（次级或系统循环）和分布式风机由有容错能力UPS电源系统供电。

4，    采用100%的室外空气系统提供全年自然冷却（直接新风）的连续冷却，要求风机（或向机房传送空气的系统）由有容错能力的UPS电源供电。

综上所述，连续制冷所带的设备有控制系统，泵、风机和压缩机。控制系统类似于传统IT设备，末端冷冻水泵、空调末端风机和压缩机均为电动机特性负载。持续制冷的不间断电源选择需考虑电动机启动电流。这个电流一般是额定工作电流的4-7倍，启动电流持续的时间和电动机带的负载有关，如果是泵类，约4秒左右，如果是风机之类，8-15秒左右。电动机特性负载启动电流如图1所示。

图1：电动机特性负载启动电流图

那如何为连续制冷选配合适容量的UPS？

1、     在风机、泵、压缩机采用传统电机，且空调无延时启动设置时，需将所有负载的总功率加在一起，考虑4-7倍额定的启动电流，UPS通常可以承受150%过载一分钟，UPS容量可选总负载额定功率的3-5倍。在这种情况下，选取的UPS的容量通常偏大，正常工作时UPS带载率偏低；

2、     如果风机、泵、压缩机采用永磁同步电机（EC电机），变频器、软启动器，启动电流可降到额定电流的1.5倍左右。UPS容量可选总负载额定功率的1.5倍左右；

3、     如果风机、泵、压缩机有延时启动功能，可以设定上述设备在来电时按照一定的时间间隔（≥15秒）顺序启动。

UPS容量功率 = 单一设备功率（Max）×4 + 其他设备总功率×1.2

在实际配置中，情况可能比较复杂，可以根据上述原则灵活选用合适容量的UPS。连续制冷设备多为电机特性负载，负载启动瞬间电流较大，宜采用抗冲击电流较大的UPS，如工频UPS。电机类设备对电网适应性较强，可设置UPS工作在ECO模式更加节能。考虑到控制系统、风机、泵、压缩机工作的连续性，宜优先选用旁路、逆变切换时间较短（<10ms）的UPS而非旁路切换逆变时间较长的EPS。