边缘计算机房制冷系统备电方案分析.pdf

Telecom Power Technology 199 Sep.10,2023,Vol.40 No.17 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期运营维护技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.17.064边缘计算机房制冷系统备电方案分析彭精立（厦门城市职业学院 智能制造学院，福建 厦门 361001）摘要：机房的稳定运行主要依靠供电的可靠性和制冷的连续性，二者缺一不可。现实中，边缘计算机房的制冷系统在设计之初缺乏可靠的备电保护，在供电中断的情况下，存在制冷短时不连续的情况。在单机柜密度日益提升的今天，短时供冷中断，机柜内信息技术（Information Technology，IT）设备温度会迅速升高，造成高温宕机的后果。因此，考虑制冷系统的备电，从而保证供冷连续性也显得尤为重要。对此，针对边缘计算机房空调系统备电方案进行分析，探讨备电合理性配置方案，解决制冷连续性问题。关键词：机房；制冷；连续性；备电Analysis of Backup Power Scheme of Refrigeration System in Edge Computer RoomPENG Jingli(School of Intelligent Manufacturing,Xiamen City Vocational College,Xiamen 361001,China)Abstract:The stable operation of the machine room mainly depends on the reliability of power supply and the continuity of refrigeration,both of which are indispensable.In reality,the refrigeration system of the edge computer room lacks reliable backup protection at the beginning of design,and the refrigeration is discontinuous for a short time when the power supply is interrupted.Today,with the increasing density of single cabinets,short-time cooling is interrupted,and the temperature of Information Technology(IT)equipment in the cabinet will rise rapidly,resulting in high temperature downtime.Therefore,it is particularly important to consider the backup power of the refrigeration system to ensure the continuity of the cooling supply.This paper analyzes the backup scheme of air conditioning system in edge computer room,and discusses the rational configuration scheme of backup power to solve the problem of refrigeration continuity.Keywords:computer room;refrigeration;continuity;power supply backup0 引 言在数字化发展的背景下，各行业均采用线上办公、线上作业等模式开展工作，边缘计算机房变得日趋重要。随着数据与算力需求的提升，边缘计算机房的密度不断提升。密度的提升导致边缘计算机房对制冷连续性提出较高的要求，为避免制冷中断导致信息技术（Information Technology，IT）设备温升过高造成宕机损失，制冷系统的停电要求一般在分钟级。但常规边缘计算机房一般只对 IT 负载进行不间断供电保护，针对制冷设备的备电方案设计不充分，存在较大的制冷连续性风险。因此，在边缘计算机房设计之初，为实现制冷系统的连续性，应考虑不间断供电解决方案。1 边缘计算机房连续制冷需求分析考虑机房连续制冷的需求，国家标准数据中心设计规范（GB 501742017）中不同等级机房制冷系统的供电要求如表 1 所示1。常见的 B 级机房要求针对制冷系统配电单元采用不间断供电，以保证制冷系统的供电连续可靠性。由于市电掉电后，市电切换油机需要一定的启动及恢复供电时间，制冷系统如果没有不间断供电支撑会停止制冷，从而导致机房温度快速升高，且机柜收稿日期：2023-07-23作者简介：彭精立（1988），女，河北迁安人，硕士研究生，助教，主要研究方向为数据中心节能。表 1 不同等级机房对制冷系统的供电要求项目技术要求A 级B 级C 级机房专用空调N+X 冗余（X=1 N），主机房中每个区域冗余 X 台N+1 冗余，主机房中每个区域冗余 1 台采用不间断电源系统的供电设备空调末端风机、控制系统、末端冷冻水泵控制系统空调系统配电双路电源（其中至少一路为应急电源），末端切换，采用放射式配电系统双路电源，末端切换，采用放射式配电系统采用放射式配电系统 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期Sep.10,2023,Vol.40 No.17Telecom Power Technology 200 密度越高，温升越明显。根据测试数据，封闭通道情况下不同功率密度机柜制冷中断后的温升情况如表 2所示，初始温度为 24。表 2 制冷中断后的温升情况温升/单柜在不同功率密度下温升对应的时间/s3 kW5 kW8 kW458.0333.7219.13875.4445.1825.0312103.6763.4633.8816169.07102.2554.6118255.39154.3781.67由表 2 数据可知，对于普通 5 kW 机柜，制冷系统停止制冷后，IT 设备进风温度在约 103 s 内就提高到了40，且功率密度越高，温升呈现快速上升趋势。正常情况下，油机启动并能提供稳定输出的时间周期在 60 120 s，空调启动且达到额定制冷工况一般也在 120 s 左右，这段时间内 IT 负载存在高温运行宕机的风险。因此，对于运行可靠性、持续性要求高的机房，为保证连续制冷环境，采用不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）等电源备电是必要的。2 风冷精密空调系统用电分析2.1 风冷空调供电分析为满足机房环境对空气的温度、湿度、洁净度以及气流分布等指标要求，通常采用精密空调，365天 24 小时不间断运行2。风冷精密空调的启动顺序为先启动室内机（风机、控制系统等），其次启动室外冷凝器，最后启动制冷压缩机。因此，设计精密空调不间断供电方案时需考虑风机、控制系统、室外冷凝器以及压缩机等设备的供电需求，同时变频空调和定频空调的启动供电也存在较大差异。经实验室测试，定频空调与变频空调从启动到正常稳定输出制冷量（机房设定温度）的时间如表 3所示。结合精密空调启动逻辑和启动时间进行评估，采用 UPS 进行不间断供电的方案选择如表 4 所示。其中，方案1为UPS带空调整机，包括压缩机、风机、控制系统等其他耗能部件；方案 2 为 UPS 只带空调风机。根据实验测试，制冷系统停止后，高密度机柜温升较快，因此在机柜密度超过 3 kW 时，为确保供冷安全，方案 2 不作为考虑方案。2.2 风冷空调关键部件用电分析采用 UPS 带空调整机方案时，因需要供电的器件较多，且存在一定供电冲击，需要重点分析压缩机、风机等关键用电器件的用电特性，用于匹配供电方案的设计。测试数据显示，空调 70%80%的能耗来源于压缩机，作为主要用电部件，其供电特性对 UPS选型及功率设计较为关键3。压缩机分为定频压缩机和变频压缩机，其具体供电特性如表 5 所示。风机作为气流组织的核心部件是重要的用电单元，一般按调速方式分为有级调速和无极调速，其供电特性存在一定的差异性，具体如表 6 所示。在一台空调中存在单个风机或多个风机情况，当一个风机运行的时候只需考虑单个风机启动的冲击表 3 定频空调与变频空调从启动到稳定输出冷量所需的时间机组类型启动到稳定输出冷量所需时间/min备注定频空调3 51、实际负载大小会直接影响从启动到稳定输出冷量所需的时间；2、变频机组根据温度对其频率进行调节，该时间为升到最大频参考时间变频空调5 10表 4 UPS 进行不间断供电的方案选择序号场景类型推荐方案1机房发热量小，具备辅助散热场景推荐方案 1，同时开启辅助散热手段2封闭通道，机房发热量高，且无辅助散热场景推荐方案 2表 5 不同类型压缩机的供电特性对比项目定压缩机变频压缩机变频范围/Hz50/6015 120电流冲击启动电流为额定电流的 3 7 倍，冲击电网启动电流无冲击，低于额定电流启动特性启动时电流相对较大，有周期性的“加载/卸载”特性，主要参数（如高低压、排气温度等）都呈现周期性波动启动过程中采用低频启动,启动电流较小，对电网基本没有冲击，有利于保证电网稳定表 6 不同类型风机的供电差异性对比项目有级调速风机无级调速风机启动方式全压启动，存在较大短时启动电流减压起动，启动电流小电流冲击启动电流为额定电流的 3 5 倍启动电流无冲击，通常低于额定电流 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期 201 Telecom Power TechnologySep.10,2023,Vol.40 No.17 彭精立：边缘计算机房制冷系统 备电方案分析电流；存在多个风机运行时，根据工程配置习惯，按照每个风机最大转速时电流累加进行供电方案设计。综上分析，机房精密空调属于感性负载，因此在采用 UPS 为精密空调提供不间断供电时，需要针对 UPS 进行专项设计与选型。3 冷冻水空调系统用电分析3.1 冷冻水空调供电分析边缘计算机房实际应用要结合整体设计考虑，部分会采用冷冻水空调系统进行制冷。冷冻水空调系统室外侧通常为集中式室外机，因为用电功率较大，所以只能采用大功率 UPS 进行备电，增加投资成本。按数据中心机房建设标准，冷冻水系统蓄冷时间至少满足 15 min。因此，如果要保证蓄冷时间内机房可持续供冷，可针对蓄冷循环需要的泵和末端空调采用UPS 电源供电。在此应用条件下，只需对功率较低的泵和风机保电，满足蓄冷时间内的可持续运行，UPS备电设计时负载功率小，投资成本低，综合经济效益最优。当机房电源中断未恢复或电源中断导致冷冻水空调暂无法启动时，制冷系统通过蓄冷罐和水泵维持冷水循环为末端空调提供冷源，再由末端风机维持室内冷气循环，保证机房内的温度平衡。系统运行如图1 所示。3.2 冷冻水空调关键部件用电分析设计冷冻水空调的水泵和末端空调备电方案时，主要用电部件为水泵和风机，其中风机的用电情况参考表 5、表 6，重点是水泵的用电分析。冷冻水空调系统中的水泵可理解为增压装置，通过增压实现冷冻水和冷却水在管路内的流动4。现实应用过程中考虑到启动冲击，水泵一般通过变频器改变输出电压、电流、频率，实现水泵的软启动，进而降低启动载荷。冷冻水系统进行供电设计时，一般采用顺序启动，当单台水泵运行时只需考虑单台水泵的最大启动电流，根据工程习惯在 UPS 需带载多台水泵时，选配 UPS是按照已运行的水泵的额定电流，再加上准备启动的水泵的电流。比如,有 2 台水泵，假设第一台水泵的额定电流为 I1，第二台水泵的额定电流为 I2，启动电流为 I0，则计算工作电流时则为 I1+I0。4 机房制冷系统 UPS 备电方案设计4.1 风冷空调系统在进行风冷精密空调 UPS 备电设计时，需考虑压缩机是定频还是变频，风机数量及风机调速方式，结合用电特性进行具体测算。最大启动电流 Imax可以通过空调产品手册或机器铭牌获取。空调启动功率为 P=220ImaxN（1）式中：N 为空调供电相数，单相供电时 N 为 1，三相供电时 N 为 3。当机房内有多台空调时，须考虑实际运行空调数量 m、空调是定频还是变频以及过载系数 k，总功率的计算公式为 Pt=Pmk（2）空调采用变频形式时，具备群控系统且顺序启动时 k 取 1；空调采用定频形式时，具备群控系统且顺序启动时 k 取 3,7，应根据空调机型的实际情况进行选取。结合计算出来的总功率 Pt，UPS 的容量 R 为 tPRuPF=（3）式中：PF为UPS的输出功率因数，一般取值为0.81，排水排水补水排水室外机蓄冷罐循环水泵旁通清洗间末端空调末端空调末端空调图 1 水冷系统的运行示意 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期Sep.10,2023,Vol.40 No.17Telecom Power Technology 202 结合实际 UPS 型号定义；u 为冗余系数，一般取 1.2。4.2 冷冻水空调系统在进行冷冻水空调系统 UPS 备电设计时，需结合水泵和末端风机的用电特性进行计算。当系统只有单台水泵时，运行功率的计算公式为 Ps=P（4）当系统具有多台水泵时，运行功率的计算公式为 Ps=PN1（5）式中：N1为水泵数量。末端空调风机的总功率计算公式为 Pf=220IN2（6）式中：I 为风机电流，一般参考空调铭牌参数提取；N2为实际连续运行的末端空调机组数量。冷冻水空调系统在蓄冷时间内连续运行，主要保证风机和水泵的不间断供电，因此备电总功率计算公式为 Pt=PsPfk（7）式中：k 为冗余系数，水泵变频启动时 k 取 1，定频启动时 k 取3,5。此外，UPS 容量计算与风冷空调计算方式一致。5 UPS 运行模式分析UPS 常规工作模式为双变换模式，随着机房对能耗要求日趋严格，通常采用 ECO 节能模式工作，主要利用旁路供电，节省双变换供电带来的能量损耗。其中ECO模式还分为逆变热备份和逆变冷备份2种5。对于逆变热备份，UPS 在 ECO 模式时，逆变器同时开启，当遇到市电故障时，输出直接切换至电池逆变输出，此转换过程一般小于 4 ms；对于逆变冷备份，UPS 在 ECO 模式时，逆变器不开启，当遇到市电故障时，UPS临时跳转开启逆变器，并由电池逆变输出，此转换过程一般大于 10 ms。上述 3 种运行模式的特点如表 7 所示。考虑到 UPS 带空调负载运行时，空调动力系统可以接受间隙断电，即 4 ms 以内的断电。因此推荐采用逆变热备份模式，既保证空调控制与动力系统的不间断供电，同时更加节能。表 7 UPS 运行模式的特点工作模式节能指标切换时间双变换模式损耗为 UPS 输出功率的 3%5%，节能最差若前端市电故障，可实现 0 ms 切换，切换无中断逆变热备份模式损耗为 UPS 输出功率的 1%2%若前端市电故障，切换时间小于 4 ms逆变冷备份模式损耗为 UPS 输出功率的 1%左右，最节能若前端市电故障，切换时间大于 10 ms，切换时间最长6 结 论结合国家设计标准及实际应用分析，边缘计算机房制冷系统通过 UPS 保证供电连续性是必要的。在备电方案设计时，须考虑空调的供电需求及耗电器件的用电特性，空调作为感性负载，应结合实际应用进行 UPS 的选型和设计。参考文献：1 中华人民共和国工业和信息化部.数据中心设计规范：GB501742017S.北京：中国计划出版社，2017.2 胡 波.机房精密空调概述 J.通信电源技术，2013，30（6）：146-147.3 申 沛.数据中心空调系统节能技术分析 J.上海节能，2015（10）：555-558.4 逄 铄.变风量空调冷冻水变流量系统控制研究 D.青岛：青岛理工大学，2022.5 徐 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