前言

随着高密度IT机柜在数据中心机房地广泛应用,为保障数据中心业务的连续运行,精密空调的持续制冷需求变得越来越迫切,对制冷加强保护得到了用户的广泛重视,而作为关键业务保障设备的UPS,是否可以为精密空调带来保护,本文试图就这些问题给出一些见解。 

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20几KW/柜,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,导致的损失不容估计。 

1.1、数据中心高密化的需求 

下表为14年某运营商机架密度与宕机时间对比表,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,哪怕电池备电延长也是毫无意义的。 

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表1:无冷却环境机架密度与宕机时间对比表

*数据来源:2014年某运营商测试数据 

1.2、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,如下表2所示。

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表2 UPTIME 连续制冷定义及配置要求

1.3、采用UPS为精密空调带载的意义 

为了解决空调的配电问题,在常见的方案中,较为常见的是采用柴油发电机对IT设备和空调进行供电保障,然而,油机启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内启动,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启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启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限制条件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。 

3、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。图片6

图1 数据中心常用精密空调类型

3.1、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有不可缺少的四大关键部件:蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装置(膨胀阀)。 图2为直膨式空调系统的原理示意图,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)。

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图2 直膨式精密空调基本组成

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/60 Hz,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。 

图片8

图3 风冷型精密空调配电架构示意图

3.2、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,这均要求需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,有管路流会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,仍能满足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,两者的基本构成如下图4。 

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图4 冷冻水型空调系统组成

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。

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