邊緣計算機房制冷系統備電方案分析

2023-10-30 01:57:28彭精立

通信電源技術 2023年17期

彭精立

（廈門城市職業學院智能制造學院，福建廈門 361001）

0 引言

在數字化發展的背景下，各行業均采用線上辦公、線上作業等模式開展工作，邊緣計算機房變得日趨重要。隨著數據與算力需求的提升，邊緣計算機房的密度不斷提升。密度的提升導致邊緣計算機房對制冷連續性提出較高的要求，為避免制冷中斷導致信息技術（Information Technology，IT）設備溫升過高造成宕機損失，制冷系統的停電要求一般在分鐘級。但常規邊緣計算機房一般只對IT 負載進行不間斷供電保護，針對制冷設備的備電方案設計不充分，存在較大的制冷連續性風險。因此，在邊緣計算機房設計之初，為實現制冷系統的連續性，應考慮不間斷供電解決方案。

1 邊緣計算機房連續制冷需求分析

考慮機房連續制冷的需求，國家標準《數據中心設計規范》（GB 50174—2017）中不同等級機房制冷系統的供電要求如表1 所示[1]。常見的B 級機房要求針對制冷系統配電單元采用不間斷供電，以保證制冷系統的供電連續可靠性。

表1 不同等級機房對制冷系統的供電要求

由于市電掉電后，市電切換油機需要一定的啟動及恢復供電時間，制冷系統如果沒有不間斷供電支撐會停止制冷，從而導致機房溫度快速升高，且機柜密度越高，溫升越明顯。根據測試數據，封閉通道情況下不同功率密度機柜制冷中斷后的溫升情況如表2所示，初始溫度為24 ℃。

表2 制冷中斷后的溫升情況

由表2 數據可知，對于普通5 kW 機柜，制冷系統停止制冷后，IT 設備進風溫度在約103 s 內就提高到了40 ℃，且功率密度越高，溫升呈現快速上升趨勢。正常情況下，油機啟動并能提供穩定輸出的時間周期在60 ～120 s，空調啟動且達到額定制冷工況一般也在120 s 左右，這段時間內IT 負載存在高溫運行宕機的風險。因此，對于運行可靠性、持續性要求高的機房，為保證連續制冷環境，采用不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）等電源備電是必要的。

2 風冷精密空調系統用電分析

2.1 風冷空調供電分析

為滿足機房環境對空氣的溫度、濕度、潔凈度以及氣流分布等指標要求，通常采用精密空調，365天24 小時不間斷運行[2]。風冷精密空調的啟動順序為先啟動室內機（風機、控制系統等），其次啟動室外冷凝器，最后啟動制冷壓縮機。因此，設計精密空調不間斷供電方案時需考慮風機、控制系統、室外冷凝器以及壓縮機等設備的供電需求，同時變頻空調和定頻空調的啟動供電也存在較大差異。

經實驗室測試，定頻空調與變頻空調從啟動到正常穩定輸出制冷量（機房設定溫度）的時間如表3所示。

表3 定頻空調與變頻空調從啟動到穩定輸出冷量所需的時間

結合精密空調啟動邏輯和啟動時間進行評估，采用UPS 進行不間斷供電的方案選擇如表4 所示。其中，方案1 為UPS 帶空調整機，包括壓縮機、風機、控制系統等其他耗能部件；方案2 為UPS 只帶空調風機。

表4 UPS 進行不間斷供電的方案選擇

根據實驗測試，制冷系統停止后，高密度機柜溫升較快，因此在機柜密度超過3 kW 時，為確保供冷安全，方案2 不作為考慮方案。

2.2 風冷空調關鍵部件用電分析

采用UPS 帶空調整機方案時，因需要供電的器件較多，且存在一定供電沖擊，需要重點分析壓縮機、風機等關鍵用電器件的用電特性，用于匹配供電方案的設計。測試數據顯示，空調70%～80%的能耗來源于壓縮機，作為主要用電部件，其供電特性對UPS選型及功率設計較為關鍵[3]。壓縮機分為定頻壓縮機和變頻壓縮機，其具體供電特性如表5 所示。

表5 不同類型壓縮機的供電特性

風機作為氣流組織的核心部件是重要的用電單元，一般按調速方式分為有級調速和無極調速，其供電特性存在一定的差異性，具體如表6 所示。

表6 不同類型風機的供電差異性

在一臺空調中存在單個風機或多個風機情況，當一個風機運行的時候只需考慮單個風機啟動的沖擊電流；存在多個風機運行時，根據工程配置習慣，按照每個風機最大轉速時電流累加進行供電方案設計。

綜上分析，機房精密空調屬于感性負載，因此在采用UPS 為精密空調提供不間斷供電時，需要針對UPS 進行專項設計與選型。

3 冷凍水空調系統用電分析

3.1 冷凍水空調供電分析

邊緣計算機房實際應用要結合整體設計考慮，部分會采用冷凍水空調系統進行制冷。冷凍水空調系統室外側通常為集中式室外機，因為用電功率較大，所以只能采用大功率UPS 進行備電，增加投資成本。按數據中心機房建設標準，冷凍水系統蓄冷時間至少滿足15 min。因此，如果要保證蓄冷時間內機房可持續供冷，可針對蓄冷循環需要的泵和末端空調采用UPS 電源供電。在此應用條件下，只需對功率較低的泵和風機保電，滿足蓄冷時間內的可持續運行，UPS備電設計時負載功率小，投資成本低，綜合經濟效益最優。

當機房電源中斷未恢復或電源中斷導致冷凍水空調暫無法啟動時，制冷系統通過蓄冷罐和水泵維持冷水循環為末端空調提供冷源，再由末端風機維持室內冷氣循環，保證機房內的溫度平衡。系統運行如圖1 所示。

圖1 水冷系統的運行示意

3.2 冷凍水空調關鍵部件用電分析

設計冷凍水空調的水泵和末端空調備電方案時，主要用電部件為水泵和風機，其中風機的用電情況參考表5、表6，重點是水泵的用電分析。冷凍水空調系統中的水泵可理解為增壓裝置，通過增壓實現冷凍水和冷卻水在管路內的流動[4]。現實應用過程中考慮到啟動沖擊，水泵一般通過變頻器改變輸出電壓、

電流、頻率，實現水泵的軟啟動，進而降低啟動載荷。冷凍水系統進行供電設計時，一般采用順序啟動，當單臺水泵運行時只需考慮單臺水泵的最大啟動電流，根據工程習慣在UPS 需帶載多臺水泵時，選配UPS是按照已運行的水泵的額定電流，再加上準備啟動的水泵的電流。比如,有2 臺水泵，假設第一臺水泵的額定電流為I1，第二臺水泵的額定電流為I2，啟動電流為I0，則計算工作電流時則為I1+I0。

4 機房制冷系統UPS 備電方案設計

4.1 風冷空調系統

在進行風冷精密空調UPS 備電設計時，需考慮壓縮機是定頻還是變頻，風機數量及風機調速方式，結合用電特性進行具體測算。最大啟動電流Imax可以通過空調產品手冊或機器銘牌獲取。

空調啟動功率為

式中：N為空調供電相數，單相供電時N為1，三相供電時N為3。

當機房內有多臺空調時，須考慮實際運行空調數量m、空調是定頻還是變頻以及過載系數k，總功率的計算公式為

空調采用變頻形式時，具備群控系統且順序啟動時k取1；空調采用定頻形式時，具備群控系統且順序啟動時k取[3,7]，應根據空調機型的實際情況進行選取。

結合計算出來的總功率Pt，UPS 的容量R為

式中：PF為UPS的輸出功率因數，一般取值為0.8～1，結合實際UPS 型號定義；u為冗余系數，一般取1.2。

4.2 冷凍水空調系統

在進行冷凍水空調系統UPS 備電設計時，需結合水泵和末端風機的用電特性進行計算。當系統只有單臺水泵時，運行功率的計算公式為

當系統具有多臺水泵時，運行功率的計算公式為

式中：N1為水泵數量。

末端空調風機的總功率計算公式為

式中：I為風機電流，一般參考空調銘牌參數提取；N2為實際連續運行的末端空調機組數量。

冷凍水空調系統在蓄冷時間內連續運行，主要保證風機和水泵的不間斷供電，因此備電總功率計算公式為

式中：k為冗余系數，水泵變頻啟動時k取1，定頻啟動時k取[3,5]。

此外，UPS 容量計算與風冷空調計算方式一致。

5 UPS 運行模式分析

UPS 常規工作模式為雙變換模式，隨著機房對能耗要求日趨嚴格，通常采用ECO 節能模式工作，主要利用旁路供電，節省雙變換供電帶來的能量損耗。其中ECO模式還分為逆變熱備份和逆變冷備份2種[5]。對于逆變熱備份，UPS 在ECO 模式時，逆變器同時開啟，當遇到市電故障時，輸出直接切換至電池逆變輸出，此轉換過程一般小于4 ms；對于逆變冷備份，UPS 在ECO 模式時，逆變器不開啟，當遇到市電故障時，UPS 臨時跳轉開啟逆變器，并由電池逆變輸出，此轉換過程一般大于10 ms。上述3 種運行模式的特點如表7 所示。