齊東明, 陳 強(qiáng), 孫人杰

[1.中國海誠工程科技股份有限公司, 上海 200031;2.生特瑞(上海)工程顧問有限公司, 上海 200355]

0 引 言

近年來,數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來越大,機(jī)柜密度也越來越高,一旦制冷設(shè)備中斷,IT設(shè)備會在短時間內(nèi)因環(huán)境變化而引起故障或宕機(jī)。因此,對于冷凍水循環(huán)泵(或二次泵)、蓄冷循環(huán)泵、精密空調(diào)這些連續(xù)制冷設(shè)備,配電至關(guān)重要。

1 精密空調(diào)的配電形式

當(dāng)A級數(shù)據(jù)中心中采用水冷或風(fēng)冷形式時,精密空調(diào)的配置通常有以下4種常見形式[1-3]:采用雙路冷源時,后端的精密空調(diào)為2N(此時的2N也可以用雙盤管空調(diào)N+1或N+2代替);采用單路冷源,環(huán)形管網(wǎng)方式時,后端的精密空調(diào)為N+1或N+2;采用單路冷源,雙供回水方式時,后端的精密空調(diào)為N+1或N+2;采用風(fēng)冷系統(tǒng)時,后端的精密空調(diào)采用N+1或N+2的形式。

對于精密空調(diào)的配電,要求為空調(diào)設(shè)施提供電力供應(yīng)的配電設(shè)備,不降低空調(diào)系統(tǒng)的性能[1-2];同時考慮節(jié)能實(shí)用的情況,通常采用一路不間斷電源(UPS)回路與一路市電電源回路(市電與柴油發(fā)電機(jī)結(jié)合),末端進(jìn)行雙路切換的形式[1-5]。配電示意圖如圖1所示,未表示所有空調(diào)配電形式,為分析方便,只表示一種常見形式,精密空調(diào)的電源最終由末端空調(diào)配電箱提供。

對于后端的配電箱,當(dāng)電源為一路“市電回路”和一路“UPS回路”時,從參考文獻(xiàn)[6]可知,UPS的主路和旁路是否來自同一電源(市電),對于整體的可用性基本無差異。另一方面,空調(diào)配電與IT設(shè)備的配電不同,對供電質(zhì)量的要求不像IT設(shè)備那樣高,UPS會設(shè)置在旁路優(yōu)先模式(ECO)下運(yùn)行。因此,后續(xù)均采用圖1的形式(UPS主路旁路來自同一電源,市電回路來自另一路電源)進(jìn)行分析計(jì)算。

2 可用性模型及計(jì)算

在數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施中,用戶追求的是設(shè)備正常運(yùn)行的連續(xù)性,可以通過可用性來體現(xiàn)。以圖1的配電形式為基礎(chǔ),UPS采用塔式UPS和模塊化UPS,相對應(yīng)的可用性分析框圖分別如圖2、圖3所示[7](根據(jù)UPS配置的不同,會對UPS的表示符號和計(jì)算進(jìn)行調(diào)整)。

圖1 配電示意圖

為敘述方便,將末端空調(diào)配電箱之前的帶UPS的配電回路稱為“UPS回路”;將末端空調(diào)配電箱之前的不經(jīng)過UPS的回路稱為“市電回路”?！癠PS回路”對應(yīng)的可用性為Aa,“市電回路”對應(yīng)的可用性為Ab。那么對于末端空調(diào)配電箱的整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9。

主要系統(tǒng)或設(shè)備的可用性數(shù)據(jù)如表1所示[7]。

對于塔式UPS,單個整機(jī)(帶靜態(tài)旁路)可用性為A7,冗余或多臺塔式機(jī)的可用性為A7.1;對模塊化UPS,冗余或多個功率模塊的可用性為A8.1,模塊UPS組合件的可用性為A7.2,單個模塊整機(jī)的可用性為A7.3,冗余或多臺模塊機(jī)的可用性為A7.4。其中,A7.3=A7.2A8.1。A8.1根據(jù)內(nèi)部功率模塊A8冗余的不同而不同。

圖2 可用性分析框圖1(塔式UPS)

圖3 可用性分析框圖2(模塊化UPS)

圖2、圖3中,A1.1為交流輸入電源的可用性,A1.2為UPS輸入電源的可用性,A1.1=[1-(1-A1)(1-A2)]A3A4A5,A1.2=1-(1-A1.1)(1-A6)。將表1數(shù)據(jù)代入,則A1.1=0.999 381 919 38,A1.2=0.999 999 989 51。Ab值與A1.1相等;Aa值是A1.2與UPS整體可用性A7、A7.1或A7.4結(jié)合后再與A5串聯(lián)。

表1 主要系統(tǒng)或設(shè)備的可用性數(shù)據(jù)

3 塔式機(jī)和模塊機(jī)的可用性比較

對于圖2和圖3中的UPS回路,在A級數(shù)據(jù)中心的精密空調(diào)配電中,根據(jù)連續(xù)制冷設(shè)備用電量情況的不同,有如下4種常見情況:

(1) 情況1,采用塔式UPS 1臺或1+1形式;采用模塊化UPS 1臺,其中模塊形式為N+X,X常取1或2。

(2) 情況2,采用塔式UPS 2臺或2+1形式;采用模塊化UPS 2臺,其中單個UPS的模塊形式為N+X,X常取1或2。

(3) 情況3,采用塔式UPS 3臺或3+1形式;采用模塊化UPS 3臺,其中單個UPS的模塊形式為N+X,X常取1或2。

(4) 情況4,采用塔式UPS 4臺或4+1形式;采用模塊化UPS 4臺,其中單個UPS的模塊形式為N+X,X常取1或2。

對于圖2、圖3中的市電回路Ab的值,上述4種情況時不變,即Ab=A1.1=0.999 381 919 38。

某項(xiàng)目二次泵和精密空調(diào)的設(shè)備電量合計(jì)為720 kW,則對應(yīng)的UPS總?cè)萘靠蛇x為900 kVA。假設(shè)選擇UPS單機(jī)的容量為300 kVA,則對于靜態(tài)UPS,可以選擇3臺300 kVA的塔式機(jī),另再設(shè)1臺冗余,即3+1的形式;也可以選擇3臺300 kVA的模塊化UPS。對于大功率的模塊化UPS,其中常見功率模塊有20 kVA、30 kVA、40 kVA、50 kVA、100 kVA。若不考慮模塊化UPS內(nèi)部功率模塊的冗余,300 kVA可以由10個30 kVA功率模塊組成,也可以由6個50 kVA功率模塊組成。

3.1 情況1的比較

對于情況1,可分為以下6種形式:形式a,塔式機(jī)1臺;形式b,塔式機(jī)1+1;形式c,模塊化UPS單臺,內(nèi)部功率模塊采用6+1;形式d,模塊化UPS單臺,內(nèi)部功率模塊采用10+1;形式e,模塊化UPS單臺,內(nèi)部功率模塊采用6+2;形式f,模塊化UPS單臺,內(nèi)部功率模塊采用10+2。

3.1.1 形式a的可用性

UPS為塔式機(jī)單臺,A7取為0.999 942 844 72。因此UPS回路的可用性Aa=A1.2A7A5=0.999 940 084 81。市電回路Ab=A1.1=0.999 381 919 38。Ab的值不變,后續(xù)余同。UPS回路與市電回路并聯(lián)后,再與空調(diào)配電箱A9串聯(lián),整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 296 298。

3.1.2 形式b的可用性

UPS為塔式機(jī)1+1的形式,則對于UPS系統(tǒng)的整體可用性A7.1=[1-(1-A7)2]=0.999 999 996 733。UPS回路的可用性為Aa=A1.2A7.1A5=0.999 997 236 665。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 331 622。

3.1.3 形式c的可用性

模塊化UPS(6+1時)的整體可用性A7.3=A7.2A8.1=0.999 997 199 785。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.3A5=0.999 994 439 725。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 329 893。

3.1.4 形式d的可用性

模塊化UPS(10+1時)的整體可用性A7.3=A7.2A8.1=0.999 997 199 438。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.3A5=0.999 994 439 377。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 329 893。

3.1.5 形式e的可用性

模塊化UPS(6+2時)的整體可用性A7.3=A7.2A8.1=0.999 997 2。UPS回路的可用性為Aa=A1.2A7.3A5=0.999 994 439 94。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 329 893。

3.1.6 形式f的可用性

在今后的探索過程中需要我們就如何準(zhǔn)確地識別由其他結(jié)構(gòu)軟件(PKPM/YJK)文件類型轉(zhuǎn)成的BIM軟件文件類型的三維結(jié)構(gòu)施工圖進(jìn)行完善。此外，在不改變工作流程的情況下嘗試從編程程序方向?qū)ζ湮募愋妥R別進(jìn)行探索，并使其審核內(nèi)容更加全面，打破目前僅包括框架梁和框架柱的審核局面，進(jìn)一步優(yōu)化和完善該智能化審圖技術(shù)。將該技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)階段，與審圖階段形成合理且實(shí)用的模塊對接，使設(shè)計(jì)工程師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時就可以自主審核，從而提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，保障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

模塊化UPS(10+2時)的單臺整體可用性A7.3=A7.2A8.1=0.999 997 2。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.3A5=0.999 994 439 94。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 329 893。

情況1時的可用性數(shù)據(jù)如表2所示。其中,對于UPS的整體可用性,塔式機(jī)時為A7或A7.1,模塊化UPS時為A7.3。

表2 情況1時的可用性數(shù)據(jù)

3.2 情況2的比較

對于情況2,可分為以下6種形式:形式a,塔式機(jī)2臺;形式b,塔式機(jī)2+1;形式c,模塊化UPS 2臺,單機(jī)內(nèi)部功率模塊采用6+1;形式d,模塊化UPS 2臺,單機(jī)內(nèi)部功率模塊采用10+1;形式e,模塊化UPS 2臺,單機(jī)內(nèi)部功率模塊采用6+2;形式f,模塊化UPS 2臺,單機(jī)內(nèi)部功率模塊采用10+2。

3.2.1 形式a的可用性

塔式機(jī)2臺共同承擔(dān)負(fù)荷,因此對于“UPS回路”中的UPS可用性A7.1=A7A7=0.999 885 692 707。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.1A5=0.999 882 932 954。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 260 973。

3.2.2 形式b的可用性

采用塔式機(jī)2+1,同時壞2個的組合有3種,所以UPS的可用性A7.1=[1-(1-A7)2]3=0.999 999 990 2。UPS回路的可用性為Aa=A1.2A7.1A5=0.999 997 230 132。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 331 618。

單個模塊化UPS(6+1時)的可用性A7.3=0.999 997 199 785,由于使用2臺模塊機(jī)共同承擔(dān),因此串聯(lián)為A7.4=A7.3A7.3=0.999 994 399 578。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.4A5=0.999 991 639 526。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 328 163。

3.2.4 形式d的可用性

單個模塊化UPS(10+1時)的可用性A7.3=0.999 997 199 438,由于使用2臺模塊機(jī)共同承擔(dān),因此串聯(lián)為A7.4=A7.3A7.3=0.999 994 398 883。UPS回路的可用性Aa=A1.2A7.4A5=0.999 991 638 83。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 328 162。

3.2.5 形式e的可用性

單個模塊化UPS(6+2時)的可用性A7.3=0.999 997 2,由于使用2臺模塊機(jī)共同承擔(dān),因此串聯(lián)為A7.4=A7.3A7.3=0.999 994 4。UPS回路的可用性為Aa=A1.2A7.4A5=0.999 991 639 955。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 328 163。

3.2.6 形式f的可用性

單個模塊化UPS(10+2時)的可用性A7.3=0.999 997 2,由于使用2臺模塊機(jī)共同承擔(dān),因此串聯(lián)為A7.4=A7.3A7.3=0.999 994 4。UPS回路的可用性為Aa=A1.2A7.4A5=0.999 991 639 955。因此,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Ab)]A9=0.999 999 328 163。

情況2時的可用性數(shù)據(jù)如表3所示。其中,對于UPS的整體可用性,塔式機(jī)時為A7.1,模塊化UPS時為A7.4。

表3 情況2時的可用性數(shù)據(jù)

3.3 情況3的比較

對于情況3,可分為以下6種形式:形式a,塔式機(jī)3臺;形式b,塔式機(jī)3+1;形式c,模塊化UPS 3臺,單機(jī)內(nèi)部功率模塊采用6+1;形式d,模塊化UPS 3臺,內(nèi)部功率模塊采用10+1;形式e,模塊化UPS 3臺,內(nèi)部功率模塊采用6+2;形式f,模塊化UPS 3臺,內(nèi)部功率模塊采用10+2。

情況3時的可用性數(shù)據(jù)如表4所示。其中,對于UPS的整體可用性,塔式機(jī)時為A7.1,模塊化UPS時為A7.4。

表4 情況3時的可用性數(shù)據(jù)

3.4 情況4的比較

對于情況4,可分為以下6種形式:形式a,塔式機(jī)4臺;形式b,塔式機(jī)4+1;形式c,模塊化UPS 4臺,單機(jī)內(nèi)部功率模塊采用6+1;形式d,模塊化UPS 4臺,內(nèi)部功率模塊采用10+1;形式e,模塊化UPS 4臺,內(nèi)部功率模塊采用6+2;形式f,模塊化UPS 4臺,內(nèi)部功率模塊采用10+2。

情況4時的可用性數(shù)據(jù)如表5所示。其中,對于UPS的整體可用性,塔式機(jī)時為A7.1,模塊化UPS時為A7.4。

表5 情況4時的可用性數(shù)據(jù)

4 UPS配置的選擇

4.1 UPS配置的對比分析

從表2～表5可知,對于UPS的整體可用性(A7、A7.1、A7.3或A7.4)和UPS回路的可用性(Aa),當(dāng)采用塔式機(jī)N+1的形式時,可用性最高。但多一臺整機(jī)作為冗余備用,造價、耗能、維護(hù)、占用空間等方面都會增加較多負(fù)擔(dān)。

采用相同數(shù)量N個整機(jī)UPS時,對于UPS的整體可用性(A7、A7.1、A7.3或A7.4)和UPS回路的可用性(Aa),模塊化UPS高于采用塔式機(jī)。

由于需與市電回路Ab并聯(lián),且最后與空調(diào)配電箱A9存在串聯(lián),所以對于整體可用性A,采用塔式機(jī)N+1或采用模塊化UPS的形式,只是略高于塔式機(jī)N的形式。

對于模塊化UPS功率模塊的選取,從表2～表5可知,采用N+1(如上述6+1或10+1)與N+2(如上述6+2或10+2)相比,可用性A基本相等。因此,在空調(diào)配電中,對于模塊化UPS的功率模塊,可不需采用N+2的冗余架構(gòu)。

4.2 空調(diào)配置2N時的情況

某些特別重要的數(shù)據(jù)中心的空調(diào)配置會采用2N形式,對于配電UPS,并不需采用2N形式。以每路3臺UPS的情況為例,假設(shè)2N時,每路UPS采用3臺塔式機(jī)或3臺模塊機(jī)(功率模塊6+1)。參考表4的計(jì)算結(jié)果,3臺塔式機(jī)時,Aa=0.999 825 784 365,配電采用2N時,整體可用性A=[1-(1-Aa)(1-Aa)]A9=0.999 999 302 979;3臺模塊化UPS(單機(jī)功率模塊選用為6+1)時,Aa=0.999 986 039 396,整體可用性A=[1-(1-Aa)·(1-Aa)]A9=0.999 999 333 135。上述分別與表4中形式a(A=0.999 999 225 651)、形式c(A=0.999 999 326 432)相比,差距很小。

因此,在空調(diào)配電中,UPS若采用2N形式,可用性并沒有得到明顯提高,這是因?yàn)榕c雙電源IT設(shè)備不同,末端空調(diào)配電箱為單點(diǎn)故障。雖然兩路UPS的可用性很高,但與單點(diǎn)故障串聯(lián)后可用性優(yōu)勢并不明顯。兩套UPS系統(tǒng)也增加投資,加大系統(tǒng)能耗。而此時仍可采用一路市電回路和一路UPS回路相結(jié)合,不僅可節(jié)省一套UPS,也滿足規(guī)范和實(shí)用的要求。在實(shí)際應(yīng)用中,UPS此時也不采用2N形式。

4.3 模塊化UPS的選擇

模塊化UPS具有易維護(hù)、高效節(jié)能、占用空間小、可在線擴(kuò)容等優(yōu)勢,因此近年來使用份額逐年提升,更重要的是出現(xiàn)問題時不停機(jī)可以更換模塊,很大程度上減少維修UPS的人為因素影響。在精密空調(diào)配電的UPS選擇中,宜優(yōu)先選擇模塊化UPS,其中功率模塊采用N+1形式。而對于模塊機(jī)整機(jī),不需再像塔式機(jī)那樣設(shè)置整機(jī)冗余,既能滿足可用性的要求,又可方便后期維護(hù)檢修,同時也沒有增加配置[8-9]。

5 結(jié) 語

(1) 結(jié)合表2～表5的計(jì)算結(jié)果及上述第4節(jié)的分析,綜合考慮,對于其中的UPS回路,宜優(yōu)先選擇模塊化UPS,其中功率模塊宜采用N+1的形式,模塊化整機(jī)不需再設(shè)置冗余。

(2) 對于精密空調(diào)的配電,也可考慮采用EPS(運(yùn)行效率更高),但選用前需綜合考慮。另外,也應(yīng)注意EPS不能像UPS那樣實(shí)現(xiàn)并機(jī)。

(3) 對精密空調(diào)的配電,應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況綜合考慮,使得在投入成本、節(jié)能、可用性要求等多個方面選擇一種合適的供配電模式。