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）

0 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 50174—2017）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。

表1 不同等级机房对制冷系统的供电要求

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

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。

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

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。

表4 UPS 进行不间断供电的方案选择

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。

表5 不同类型压缩机的供电特性

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。

表6 不同类型风机的供电差异性

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。

图1 水冷系统的运行示意

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

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

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

式中：PF为UPS的输出功率因数，一般取值为0.8～1，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

当系统具有多台水泵时，运行功率的计算公式为

式中：N1为水泵数量。

末端空调风机的总功率计算公式为

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

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。

表7 UPS 运行模式的特点

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。

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。