【数据中心能源白皮书 07】如何为数据中心精密空调选择合适的UPS

数据中心能源白皮书
（a）数码涡旋压缩机
（b）直流变频压缩机
（测试工况：室内40.6℃，20%RH；室外45℃ 开机）：
图5 35kW风冷精密空调启动电流对比
根据A、B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。测试结果如下表：
表5 典型DX型精密空调启动电流对比
制冷量[kW] EER
满载电流（A） 启动冲击电流（A） 冲击电流/额定电流
A厂家
B厂家
（采用数码涡旋压缩机） （采用直流变频压缩机）
35
35
3.0~3.4
3.1~3.5
36.7
32
173
小于32
4.7
小于1
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如何为数据中心精密空调选择合适的UPS
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，当考虑采用UPS给风冷冷
凝器供电，需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
如何为数据中心精密空 调选择合适的UPS
数据中心能源白皮书 07
作者：赖兆泽
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。
Hale Waihona Puke 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。
表1：无冷却环境机架密度与宕机时间对比表
seconds
30 60 120 240 300 360 420 480 540
表4 直膨式精密空调压缩机技术对比
基本原理
转速范围 EER IPLV
电流冲击
系统稳定性
数码涡旋技术
交流变频技术
直流变频技术
压缩机柔性设计，通过调 采用异步电机，通过变频器先将交流 采用永磁同步电机，变 整两个涡旋盘的轴向距离，变换为直流，再讲直流变换为交流， 频器直接作用于电机转 来调整压缩机的输出量 从而改变电源的频率，控制电机转速 子，没有电能损耗
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高温高压液体
如何为数据中心精密空调选择合适的UPS
冷凝器
高温高压气体
膨胀阀
风冷空调 四大件
压缩机
低温低压混合物
蒸发器
低温低压蒸汽
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。
部 压 生分 命波周负动期荷动更变小长频于调1b速a，r ，运部行件平可稳靠，性高高低，部 行 小 高，于分 平生1负 稳b命，荷ar周高变，期低频部更压调件长波速可，靠动运性动
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如何为数据中心精密空调选择合适的UPS
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、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，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，当 下主流压缩机供应商均聚焦直流变频技术，更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，其整机启动电流如下
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
。
4 .2、UPS带冷冻水型 精密空调配置分析
3 2.53800.8 1.3kW
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。
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1.3、采用UPS为精密 空调带载的意义
3、精密空调配电架 构要求
如何为数据中心精密空调选择合适的UPS
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。
shutdown command
10000W 33.9 47.7 75.4
shutdown command
15000W 41.4 62.7
shutdown command
20000W 48.9
shutdown command
30000W
shutdown command
*数据来源：2014年某运营商测试数据
0.6kW＜P＜1.2kW/rack (20W＜P＜40W/ft2) (215W＜P＜430W/m2)
1.2kW＜P＜3.3kW/rack (40W＜P＜110W/ft2) (430W＜P＜ 1184W/m2)
P＞4.0kW/rack (P＞133W/ft2) (P＞1432W/m2)
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4 、UPS带精密空 调配置分析
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200240Vac/60Hz，采用UPS供电时主要考虑末端风机的供电要求。
针对以上分析的现数据中心常用的直膨式精密空调以及冷冻水型精密空调，以下 给出配置UPS选型的基本建议。
3.2、冷冻水型精密空 调供配电特点
图3 风冷型精密空调配电架构示意图
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
4 .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。涡旋式压缩机常见的采用数码涡旋技术、交流变频技术和直流变频 技术实现变容量调节，三者的技术对比如下表4：
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。
表2 UPTIME 连续制冷定义及配置要求
序号
连续冷 却级别
连续冷却要求
IT功率密度级别 IT功率密度数值
1500W 21.1 22.2 24.4 28.9 31.1 33.3 35.5 37.7 39.9
3000W
23.4 26.7 33.4 46.9 53.6 60.3
67
shutdown command
5000W 26.4 32.7 45.5 70.9
shutdown command
8000W 30.9 41.7 63.4
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如何为数据中心精密空调选择合适的UPS
1、精密空调供配电 的挑战
1.1、数据中心高密化 的需求
Watts per Cabient
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。
50/60Hz
15~120Hz
15~120Hz
3.0~3.4
2.2~2.6
3.1~3.5
3.2~3.6
2.6~3.0
3.6~4.0
启动电流为额定电流的 启动电流无冲击，低于额定电路
4~7倍
启动电流无冲击，低于 额定电流
部分负荷频繁加减载，导 致压缩机高低压波动高达 3bar左右，部件易疲劳损 坏，可靠性低
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）。
1
Class
C
可间断冷却， 没有冷却设备用UPS供电
低密度
P＜0.6kW/rack (P＜20W/ft2) (P＜215W/m2)
2
连续冷却， Class B 精密空调风机UPS供电，
冷冻水泵不用UPS供电 3
不间断冷却，
4
Class
A
精密空调风机UPS供电, 冷冻水二次泵UPS供电，
设蓄冷罐
中密度 高密度 超高密度
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如何为数据中心精密空调选择合适的UPS
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。