Wentylacja oraz chłodzenie w pomieszczeniach UPS oraz w pomieszczeniach baterii

 

Żywotność komponentów UPS, jego wydajność i ciągła dostępność wprost zależą od utrzymania urządzenia w granicach temperatury i wilgotności oraz czystości na zapylenie określonej przez jego producenta (dalej: warunki środowiska).
Celem tego artykułu jest opisanie zasad projektowania systemów wentylacji i klimatyzacji pomieszczenia UPS z uwzględnieniem baterii kwasowo-ołowiowych (VRLA) lub akumulatorów litowo-jonowych (LiB).

Warunki środowiska pracy mogą być specyficzne dla każdego UPS i zależą od jego Producenta.

Prąd płynąc przez obwody elektryczne zasilacza UPS podczas jego działania wytwarza ciepło, które będzie się kumulować i wpływać na warunki środowiska, jeśli nie zostanie prawidłowo usunięte.

W zależności od wytycznych danego producenta (poza urządzeniami przeznaczonymi do pracy w trudnych warunkach przemysłowych), temperatury środowiska nie powinny być wyższe niż 30-40°C bez określonej wilgotności względnej (maksymalnie do 95% bez kondensacji).

Przekroczenie tych zaleconych temperatur lub praca w wyższych temperaturach przez dłuższy czas wpływa na trwałość UPS-ów oraz zwiększa ryzyko wystąpienia nieprzewidzianych incydentów związanych z awariami.

Dla prawidłowego określenia aktualnego strumienia ciepła do chłodzenia tylko od UPS-a należy wziąć pod uwagę następujące dane wejściowe:

• tryb pracy zasilacza UPS / sprawność urządzenia z uwagi na sprawność przetwarzania postaci energii (sprawność urządzenia = energia na wyjściu / energia na wejściu)
  • tryb pracy ECO – tryb pracy UPS z zasilaniem odbiorników poprzez by-pass (bez zamiany postaci energii AC/DC - prostownik - > DC/AC - falownik) – w tym trybie pracy producenci podają najczęściej najwyższą sprawność urządzenia (około 99% max.) / najniższa dostępność funkcji podtrzymania zasilania, tzn. podczas zapadu zasilania UPS przechodzi na tryb pracy bateryjnej, jednakże po stronie odbiorników występuje przerwa w zasilaniu, która najczęściej powoduje wyłączenie się urządzeń IT i przerwanie ich usług,
  • tryb pracy ECONversion – tryb pracy UPS z zasilaniem odbiorników poprzez by-pass, jednakże zaawansowane funkcje falownika będącego on-line pozwalają na jednoczesną korektą współczynnika mocy, korektą wyższych harmonicznych, z ładowaniem konserwującym (buforowym) baterii akumulatorów poprzez ładowarkę – w tym trybie pracy producenci podają najczęściej bardzo dobra sprawność (zbliżona do trybu ECO, tj. 98%...99% max.) / natychmiastowa dostępność podtrzymania zasilania nie wypływająca na ciągłość pracy urządzeń po stronie zasilania z UPS,
  • tryb pracy w podwójnej konwersji (z zamianą postaci energii AC/DC - > DC/AC) – w tym trybie pracy producenci podają najczęściej sprawność w zakresie 94%...97% max./ natychmiastowa dostępność podtrzymania zasilania nie wypływająca na ciągłość pracy urządzeń po stronie zasilania z UPS,
  • Tryb pracy w podwójnej konwersji z jednoczesnym ładowaniem zastawu akumulatorów po wystąpieniu incydentu zapadu zasilania - dodatkowy strumień ciepła będzie pochodzić od ładowarki podczas procesu ładowania akumulatorów.

• aktualne obciążenie zasilacza UPS które wpływa na sprawność UPS-s - co wynika z charakterystyki sprawności UPS w funkcji obciążenia. Charakterystyka sprawności w funkcji obciążenia UPS-a od 0% do 100% nie przebiega liniowo. Dane w postaci tabelarycznej lub wykres przebiegu sprawności w funkcji obciążenia jest do uzyskania w danych technicznych każdego UPS-a.
• Współczynnika mocy (PF) odbiorów z UPS - zgodnie z wykresem poniżej współczynnik mocy <1 wpływa na obniżenie mocy UPS wyrażonej w kVA 

Przykład:

UPS o mocy 800kVA przy współczynniku mocy PF=0.9, dla mocy aktualnego obciążenia 80% daje aktualny punk pracy równy P = 800kVA * 0.9 = 576kW.

Sprawność UPS-a w trybie podwójnej konwersji (bez ładowarki) dla obciążenia 80% mocy nominalnej producent podaje na S = 97%. Zatem strumień ciepła Q = P * S = 576 kW * 97% = 17.8 kW

Do zapewnienia właściwych parametrów temperatury należy zapewnić właściwy strumień powietrza chłodzącego w ilości będącej pochodną różnicy temperatury powietrza na klimatyzatorze.

Przykład:

• Dla strumienia ciepła Q = 17.8 kW oraz strumienia powietrza chłodzącego w ilości 460 cfm / kW różnica temperatury na klimatyzatorze wyniesie około 3.8K.
• Dla strumienia ciepła Q = 17.8 kW oraz strumienia powietrza chłodzącego w ilości 200 cfm / kW różnica temperatury na klimatyzatorze wyniesie około 8.8K 

Tryby pracy zestawu baterii:

• Tryb rozładowania - bateria dostarcza energię do zasilania obciążenia zewnętrznego; W tym trybie bateria rozładowuje się i po powrocie zasilania następnie przechodzi do trybu ładowania.
• Tryb ładowania – zasilacz / ładowarka ładuje akumulator. Po naładowaniu baterii następuje tryb ładowania konserwującego (buforowego).
• Tryb ładowania konserwacyjnego (buforowego): - w trybie czuwania / gotowości, baterie mają tendencję do samorozładowanie. Aby utrzymać pojemność baterii, na jego zaciski podawane jest cyklicznie napięcie zwane napięciem konserwującym (buforowym), w celu utrzymanie akumulatora w stanie pełnego naładowania.

Podczas trybu rozładowania / ładowania jest wytwarzane ciepło będące następstwem zachodzących reakcji chemicznej egzotermicznej (ładowanie) lub endotermicznej (rozładowanie) oraz oporu wewnętrznego podczas przepływu prądu (ładowanie i rozładowanie).

Ciepło wytwarzane w akumulatorze zależy od prądu I (ładowania lub rozładowania) i rezystancji wewnętrznej „R”.

Wydzielone Ciepło podczas procesu ładowania lub rozładowania można określić w sposób następujący: Q = I * 2 * R

Ciepło wytwarzane podczas ładowania konserwującego (buforowego) można obliczyć używając wzoru V * I = Watów.

Należy zauważyć, że ciepło wytwarzane podczas trybu ładowania lub tryb rozładowania nie jest rozpraszane natychmiast

ze względu na pojemność cieplną materiałów, z których zbudowane są baterie.

Ciepło rozpraszane przez baterie zależy od jej wielkości, kształtu i rodzaju.

Uwaga: Ciepło wydzielane w czasie podczas rozładowania jest wyższe kilkukrotnie w stosunku do ciepła wytwarzanego podczas ładowania co jest pochodną rezystancji wewnętrznej oraz większego prądu płynącego podczas rozładowania.

Ilość ciepła wydzielanego podczas trybu rozładowania zależy również od czasu podtrzymania na który baterie zostały zwymiarowane. Ładowanie baterii jest procesem długotrwałym – najczęściej liczonym prądem 10 godzinnym, kiedy wydzielanie energii podczas rozładowania następuje w czasie zwykle kilku / kilkunastu minut. 

Uwaga: Wskazane jest, aby każdorazowo zweryfikować parametry dobranych baterii w danych technicznych producenta

Przykład

• Zestaw 4 x UPS, każdy o mocy 400 kW, o sprawności 96%;
• Każdy zestaw baterii składa się z 3 łańcuchów, każdy składający się z 40 bloków po 200 Ah;
• Każda bateria o napięciu 12 V na blok (2 V na ogniwo, 6 komórki w bloku);
• Napięcie konserwujące (buforowe) dla każdego ogniwa wynosi 2,27 V;
• Czas podtrzymania wynosi 10 minut;
• Końcowe napięcie rozładowania (ogniwo) wynosi 1,75 V; 

• Rezystancji każdego bloku akumulatorów 12 V wynosi 3,8 mΩ.

Oszacowanie wytwarzania ciepła podczas ładowania baterii VRLA

Oszacowanie wytwarzania ciepła podczas ładowania konserwującego (buforowego) można oprzeć o zapisy normy EN 50272.

Typowa wartość prądu ładowania jest określony na 1 mA na każdą 1Ah pojemności akumulatora.

• Prąd płynący na każdy łańcuch o pojemności 200 Ah = 200 mA
• Napięcie konserwujące (buforowe) każdego łańcucha wyniesie = 40 bloków × 6 komórek × 2,27 V = 544,8 V.
• Wytwarzanie ciepła na łańcuch wyniesie Waty = napięcie łańcucha (V) × prąd (A) = 544,8 V × 200 mA × 1/1000 = 109 W
• Stąd wytwarzane ciepło dla 3 łańcuchów wyniesie = 109 W × 3 = 327 W
• Dla 4 zestawów baterii w pomieszczeniu UPS, wytwarzanie ciepła od prądu konserwującego (buforowego) wyniesie 1308 W.

Wniosek: Wartość wydzielanego ciepła podczas ładowania konserwującego (buforowego) jest niewielka.

Oszacowanie wytwarzania ciepła podczas ładowania baterii VRLA

• Podczas ładowania, w przeciwieństwie do ładowania konserwującego (buforowego) – część energii elektrycznej jest przekształcone w ciepło oraz pozostała cześć zostaje przekształcone w energie chemiczną służącą do magazynowanie energii.
• Prąd ładowania jest zwykle ustawiony na 10% pojemności Ah przez producentów zasilaczy UPS. Dlatego prąd ładowania na jeden łańcuch wyniesie 0,1 A × 200 = 20 A.
• Opór każdego bloku baterii wynosi 3,8 mΩ.
• Rezystancja na jeden łańcuch z 40 blokami baterii wyniesie 40 × 3,8 mΩ = 152 mΩ = 0,152 Ω.
• Zyski ciepła wynikające ze wzoru wyniosą I²R = 20 × 20 × 0,152 = 60,8 W.
• Stąd zyski ciepła dla trzech łańcuchów = 3 × 60,8 W = 182,4 W
• Dla 4 zestawów UPS, wytwarzanie ciepła wyniesie 730 watów

Oszacowanie wytwarzania ciepła podczas rozładowania baterii VRLA

• Moc zasilacza UPS wynosi 400 kW, napięcie końcowe rozładowania wynosi 40 × 6 × 1,75 = 420 V,
• Sprawność falownika wynosi 96%.
• Prąd rozładowania = 400 × 1000 / (420 × 0,96) = 992 A
• Prąd rozładowania na łańcuch = 992 / 3 = 330,69 A.
• Straty ciepła na łańcuch = I²R = 330,69 A × 330,69 × 40 × 3,8 / 1000 = 16608 W = 16,61 kW.
• Straty ciepła dla trzech łańcuchów = 3 × 16,61 = 49,83 kW.
• Powyższe ciepło będzie generowane podczas rozładowania przyjętym czasie podtrzymania - 10 minut, a ciepło to będzie przekazywane do otoczenie w czasie, który dla ułatwienia przyjmiemy jako 10-krotne rozładowanie akumulatora. Wynika to z pojemności cieplnej samych baterii. Akumulator, a konkretnie akumulator kwasowo-ołowiowy, ma dużą masę. W rezultacie, chociaż proces przebiega szybko, ciepło jest odprowadzane do otoczenia przez długi czas.
• Stąd średnia emisja ciepła wyniesie = 49,83 × 10 / (10 ×10) = 5 kW.
• Dla czterech zestawów UPS emisja ciepła do otoczenie wyniesie = 5 kW × 4 = 20 kW.

Podsumowanie:

Proces ładowania konserwującego (buforowego) oraz ładowania baterii po rozładowaniu nie generuje tak dużego strumienia ciepła jak podczas ich rozładowania.

Projektant powinien zwymiarować system na przypadek wytwarzania ciepła podczas rozładowania baterii VRLA

Można zakładać, że w pomieszczeniu baterii będzie zainstalowane urządzenie nadmiarowe. W takim przypadku Projektant może przyjąć wykorzystanie mocy urządzeń podstawowych i nadmiarowych do odebrania strumienia ciepła w procesie rozładowania baterii VRLA. Działanie nadmiarowej jednostki klimatyzacyjnej będzie ograniczone w czasie, należy uzgodnić z Klientem ew. takie rozwiązanie.

Dane techniczne baterii VRLA lub akumulatorów litowo-jonowych przeważne są podawane dla temperatury znamionowej 25°C. Należy brać po uwagę tą zależność, że chociaż pojemność baterii nieznacznie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, to jednocześnie ich żywotność zmniejsza się praktycznie o połowę na każde 8.3°C wzrostu temperatury powyżej 25 °C 

Wymagania projektowe dotyczące chłodzenia akumulatorów Li-Jo

Inny rodzaj baterii, które są wykorzystywanych w data center to akumulatory litowo-jonowe (LIB), które mają znacznie szarszą tolerancję na zmiany temperatury otoczenia, nawet w granicach -20°C~60°C.

Jednak optymalny zakres temperatur pracy tych akumulatorów wynosi 15°C do 35°C. Zwiększenie temperatury roboczej LIB powyżej optymalnego zakresu prawdopodobnie przyspieszy starzenie baterii oraz może to zwiększyć ryzyko pożaru.

Właściwa temperatura otoczenia dla LIB ma kluczowe znaczenie dla wydajności i zachowania zasad bezpieczeństwa.

W pewnych okolicznościach, np. niewłaściwe obsługa lub wada produkcyjna, istnieje możliwość generowania dużej ilości ciepła wewnętrznego w poszczególnych celach LIB. Ten proces nazywa się ucieczką termiczną.

Wzrost temperatury wewnętrznej może prowadzić do spadku rezystancji wewnętrznej baterii. Zmiana oporu będzie również wpływać na moc baterii. Ucieczka termiczna baterii jest procesem nieodwracalnym i może w niektórych przypadkach doprowadzić do samozapłonu.

Monitorowanie temperatury wewnątrz LIB jest zatem krytyczne dla minimalizacji ryzyka. Teoretycznie wszystkie LIB są wyposażone we wbudowane układy BMS do ładowania oraz nadzoru temperatury.

Wymagania dotyczące wentylacji pomieszczenia baterii

Akumulator kwasowo-ołowiowy wytwarza wodór podczas ładowania. Jest to cecha charakterystyczna szczególnie dla akumulatorów zalanych, które posiadają cele otwarte wentylowane (VLA) – te akumulatory wymagające uzupełniania wody destylowanej z uwagi na wydzielanie się wodoru.

W przypadku akumulatorów zamkniętych regulowane zaworem (VRLA) istnieje możliwość wytwarzania i upuszczenia wodoru w przypadku przeładowania. Akumulatory LIB nie wytwarzają wodoru.

.

Celem zapewnienia wentylacji pomieszczenia baterii jest utrzymanie stężenia wodoru poniżej 4% wg objętość – co jest przyjętą dolną granicą wybuchowości mieszanki powietrza i wodoru (DGW). System wentylacji wyciągowej, ma zapewniać ciągłe ujemne ciśnienie w stosunku do sąsiednich pomieszczeń.

Minimalny przepływ powietrza dla wentylacja pomieszczenia akumulatorów powinien być obliczony zgodnie z poniższym wzorem ujętym w norie IEC 62485-2:2010:

Strumień powietrza wentylacyjnego: Q = v × q × s × n × I_gas × Ah × 10-3 [m3/h],

Ilość wydzielanego wodoru: H = q × n × I_gas × Ah × 10-3 [m3/h],

Gdzie:

• Q = przepływ powietrza wentylacyjnego w m³/h,
• H = całkowite wytwarzanie wodoru,
• v = niezbędne rozcieńczenie wodoru (100% - 4%) / 4% = 24,
• q = 0,42 × 10-3 m3 / Ah wytworzonego wodoru,
• s = 5, ogólny współczynnik bezpieczeństwa,
• n = liczba ogniw (2V),
• Igas = prąd wytwarzający gaz w mA na Ah znamionowa pojemność ładowania (Igas = 1 dla akumulatora VRLA pod ładowaniem konserwującym (buforowym))
• Ah = pojemność baterii.

Podstawiając za: v × q × s = 24 × 0,42 × 10-3 × 5 otrzymujemy wartość = 0,05 m3/Ah,

Zatem wzór na obliczenie przepływu powietrza wentylacyjnego przybierze postać:

Q = 0,05 × n × I_gas × Ah × 10-3 [m3/h]

Przykład (ciąg dalszy z poprzednich rozważań):

Strumień powietrza wentylacyjnego podczas ładowania konserwującego (buforowego)

Rozmiar pomieszczenia baterii = 10m (długość) × 6m (szerokość) × 5m (wysokość) = 10 × 6 × 5 = 300 m³

Podstawiając dane pod formułę Q = 0,05 × n × I_gas × Ah × 10-3 [m3/h].

Gdzie

• n = 4 (zestawy) × 3 (ciągi) × 40 (bloki) × 6 (liczba komórek/bloku) = 2880 komórek.
• Igas = 1 dla akumulatora VRLA
• Ah = 200.

Otrzymujemy zapotrzebowanie powietrza wentylacyjnego na godzinę = 28,8 m³/godz.

Liczba godzin potrzebnych na jedną wymianę powietrza = 300/28,8 = 10 godzin.

Jeżeli zapewnimy wentylator o wydajności 300 m3/h to tak dobrany wentylator będzie pracował przez godzinę co 10 godzin.

Ilość wydzielanego wodoru podczas ładowania konserwującego (buforowego)

Ze wzoru: H = q × n × Igas × Ah × 10-3 [m³/h]

Podstawiamy dane H = 0,42 × 10-3 × 2880 × 1 × 200 × 10-3 = 0,24 m³/godz.

W powyższym obliczeniu prąd ładowania wynosi 1 mA na każdą Ah. Wartość tą należy za każdym razem zweryfikować i potwierdzić u producenta baterii.

W naszym przykładzie wytwarzanie wodoru przy zakładanej szybkości ładowania konserwacyjnego (buforowego) wyniesie:

Podczas ładowania konserwacyjnego (buforowego) H = 0,0185 × 2880 × 200 = 10656 cm3/godz. = 0,0106 m³/godz.

Wnioski:

• Pomieszczenia baterii powinny być wentylowane i klimatyzowane przez cały rok.
• Aplikacją o znaczeniu krytycznym, powinny posiadać redundantne urządzenia chłodzące.
• Należy uwzględnić w projektach instalacje czujników wodoru sterujące instalacją wentylacji pomieszczeń baterii.
• Wentylator wyciągowy musi być dobrany na podstawie otrzymanych wyników obliczeń powietrza wentylacyjnego.
• Wentylator w pomieszczeniu baterii VRLA powinien być iskrobezpieczny oraz przystosowany do pracy w wysokiej temperaturze, jeśli jest to jednocześnie wentylator oddymiający.