摘要：大量公开发表的比较表明，柴油机旋转式UPS(DRUPS)是一款用于数据中心冷却和IT应用程序的卓越的解决方案。而在这些比较中所发现的不准确的假设和错误则由来自第三方资源的支持所解释。在本文中，我们将从一个设计架构层面的角度在低电压DRUPS和低电压静态UPS之间提出一个详细的定量比较。

　　大量公开发表的比较表明，柴油机旋转式UPS(DRUPS)是一款用于数据中心冷却和IT应用程序的卓越的解决方案。而在这些比较中所发现的不准确的假设和错误则由来自第三方资源的支持所解释。在本文中，我们将从一个设计架构层面的角度在低电压DRUPS和低电压静态UPS之间提出一个详细的定量比较。我们考虑了资本支出、能量损耗、维护成本、占用空间、和使用一款通用2N架构的TCO。该分析显示了静态UPS的购买成本更便宜、更易于安装、操作和维护，同时具有稍大一点的占用空间。

　　一些公开发表的比较显示，低电压DRUPS是数据中心用于冷却和IT应用程序的一款卓越的解决方案。但是，当您考虑这些比较的细节时，您会很明显的发现这些比较往往是具有误导性的，并未提供一个真实的比较。这些比较往往犯了使用非常旧的、效率曲线非常糟糕、蓄电池连续使用时间超长的静态UPS的错误，而且这些比较并没有解决通常典型的用于今天的关键任务设施的冗余式设计架构如何影响分析的问题。

　　如下，我们将为广大读者诸君详细列出这些常见的误解，并将为您给出进一步的解释。

　　误区#1：“更高的系统效率”

　　• 经常有比较声称：DRUPS的效率水平比市场上最好的静态UPS都要好得多。然而，这些比较通常都是采用旧的基于SCR的交换技术，其糟糕的效率曲线充其量只有92%(曲线上的最高值)。

　　• 今天市场上常见的静态UPS的效率可以达到97.6%，其可以说平分秋色;或甚至比DRUPS更好。例如，一款施耐德电气公司的Symmetra MW兆瓦级UPS的效率水平即使在25%的部分负荷水平也高达95%，优于今天一般通用的DRUPS。这些误导性的比较并未显示部分负载的效率。而由于数据中心的UPS的操作运行几乎总是远远低于满载荷，故而部分负载的比较将更为现实和有用。

　　误区#2：DRUPS具有同样的可扩展性

　　• 虽然一款DRUPS可以通过添加额外的单元以实现规模化缩放，但它们通常都明显过大以适应未来未知的负载要求。这主要是由于其缺乏灵活性和容量的选择范围有限所造成的。除了既不能模块化，也不易于扩展之外，其前期的投入成本也比静态UPS系统更高。

　　• 静态UPS更具扩展性和灵活性，使得其具有更广的可用容量范围。一款安装容量更接近于一个项目每个阶段的设计IT负载的单元更易被选中。采用这种“合理精简”的战略，使数据中心所有者能够“根据业务渐进扩展”，更容易适应市场的变化。

　　误区#2：40 - 60%的空间节省

　　• “一款静态UPS要比DRUPS占用更多的空间”并不完全是一个真实的陈述。而在大多数情况下，静态UPS较之DRUPS所占用的额外空间的百分比也被过分夸大了。

　　• 这一空间占用比较通常基于静态UPS15分钟(或更长)的电池运行时间，这将导致更高的空间需求。而由于一款DRUPS只能提供约8到 12秒的穿越时间，这种比较是不公平的。还要注意的是：空间计算通常基于阀控式(VRLA)铅酸蓄电池。锂离子电池所使用的空间比VRLA少50-80%。

　　• 根据应用程序和所使用的设计拓扑结构的不同，在有些情况下，DRUPS所需要的空间可能要多于静态UPS。

　　误区#4：不需要空调;故而使用的能源较少

　　• 固然，静态UPS需要借助空调来维持室内环境条件，以便最大限度的延长电池寿命。然而，声称使用DRUPS可以比使用静态UPS节省更多的能源纯粹是一种误导。这是因为这类比较应该放在整个系统使用的背景下来进行，而不是简单地在系统中的一个元件上。考虑整个系统，一个基于DRUPS系统所使用的能量要比静态UPS系统更多，由于其在部分载荷工作条件下(<50%)具有较高的功率损耗。

　　误区#5：“热缓冲器”非常复杂且昂贵

　　• 通常，使用一个蓄热箱系统，以确保在使用静态UPS时持续的冷却是非常普遍的。这种“热缓冲”其实很简单。具备热缓冲装置意味着在供应管道或储存罐拥有足够的冷却水源，以防止在发生停电，而备用电源供应又尚未开始为冷却设备提供电力供应之前的这段时间期间的空气温度变得过高。而关于成本方面，很显然您应该考虑整个系统的成本，而不是像某些比较所做的那样：仅仅只考虑一些系统组件的成本。

　　本文如下的分析内容将为您一一解答关于上述这些常见的误区。其假设前提是：DRUP和静态UPS系统被用于备份一处2N电力基础设施的整个数据中心，二者均支持IT和制冷负荷，虽然静态UPS架构还采用了一款热缓冲系统，以确保连续性的冷却供应。

　　本文提供了一个以事实为基础，公平合理的比较，以更现实的分析来量化资本支出、总拥有成本(TCO)、维护成本以及占用空间，以确保得出有事实依据的决策分析。

　　方法和假设

　　本分析采用了一款常见的2N冗余架构(见下文设计假设汇总概述)。假设IT负载密度为平均每台机架6千瓦的共计500台IT机架。这样就产生了3兆瓦的总IT负载。

　　当今数据中心所面临的一个挑战便是：机架功率密度和更高密度应用程序的不断增加。除了这一密度的不断上升，ASHRAE还提升了其对于数据中心运营热限制的建议，并在近几年鼓励数据中心适当提高进气口的温度，以增加节约。密度的增加或在白空间更高的运营温度，一套有效的热穿越战略，确保防止在发生停电事故的情况下空气温度过高，变得更加重要。这种策略确保了数据中心和关键工厂设备能够在发生电源故障，发电机上线之前的一段时间穿越设备重启时间和冷水机组加载时间;以及，反之亦然，当发电机下线时，返回并网发电。在停电中断期间，数据中心设计者通常会使用，并在本分析中也同样使用的两种最常见的用于保持空气冷却策略是：

　　• 热存储系统(冷冻水缓冲罐和静态UPS的风机/泵/控制器)

　　• DRUPS的整体冷却系统

　　对于储热系统，缓冲罐被规定设置为在冷却水供应温度将开始上升至高于其设定点之前，提供8分钟的穿越时间。静态UPS提供备份到冷却水泵、冷水机组控制系统、CRAC和风机盘管机组。这确保了该设备能够为数据中心持续提供冷却水和冷空气;并在备用电源系统(例如，发电机)开始启动提供电力之前，为机械设备(M&E)工厂持续提供冷却水和冷空气。

　　静态UPS的电池运行时间是5分钟，这对于大多数数据中心都是典型的。请注意，取决于所选择UPS模型的不同，规范一个较短的运行时间，以减少资本开支和节省空间是可能的。这一5分钟运行时间的规范对于发电机开始启动、提高速度所需的总时间是足够的，同时也考虑到了ATS切换的延迟时间。

　　在DRUPS架构中，DRUPS支持整个冷却系统和所有的IT设备。请记住，静态UPS只需要支持一些M&E工厂设备，以支持热穿越过程：冷冻水泵、冷水机组控制、CRAC和风机盘管机组(FCU)。在DRUPS系统内，通常只需8到12秒钟的时间从公用电源停电中断切换到柴油发电机的完全启动。

　　本分析中所使用的所有设计参数和假设请参见下文设计假设汇总概述。而我们将在如下的每个小节中为广大读者朋友们详细介绍资本支出、UPS系统的效率、维护成本、占地空间和10年TCO的比较结果。

　　设计假设概述汇总

　　• 3MW IT负载，500台机架，平均每台机架6kW

　　• 计算冷却负荷 - 945RT

　　• N+1的水冷却水系统

　　• 冷水进口温度8 - 15°C

　　• 顶篷/集装箱类型的发电机

　　• 静态UPS：

　　① 2款并联的1600 kVA的Symmetra MW UPS以2N架构的IT负载

　　② 400 kW的Symmetra PX UPS 2N冷却负载

　　• DRUPs：

　　① 顶篷/集装箱类型的低电压DRUPS

　　③ 2款并联的2000 kVA DRUP 以2N架构的IT负载

　　④ 1670 kVA DRUP 2N冷却负载

　　• TCO计算和比较只集中在支持整个数据中心的电气配套设备上

　　• 最初原始的计算是以新加坡元进行的，并转换为美元，所使用的转换汇率为1新加坡元对0.7135美元。

　　2N架构的示意图如下图所示。下图1展示了整个设备的IT和冷却负荷均由DRUPS支持的架构。

图1 使用DRUPS支持IT和冷却应用(即，整个数据中心)的2N架构

　　图2显示的是采用一款静态UPS系统支持IT和冷却设备(如冷水泵、冷水机组控制、CRAC和FCU)的架构。同时也使用缓冲罐用于存储冷却水，以确保发生停电中断的情况时，在替代电源接管之前有足够的冷却。

图2 使用具备热缓冲罐用于热穿越的静态UPS支持IT和冷却应用(即，完整的数据中心)的2N架构

　　定量分析

　　UPS系统能量损耗分析

　　鉴于总的IT负载为3兆瓦，DRUPS和静态UPS在正常工作条件下的UPS利用率均为47%。对于制冷负载，DRUPS的UPS利用率为43%，正常工作条件下的静态UPS为44%，如下表1所示。

　　下图3展示了市场上顶级的DRUPS与施耐德电气公司用于IT负载的Symmetra MW静态UPS和用于冷却负载的Symmetra PX静态UPS的UPS效率曲线的对比。

图3 UPS效率

　　正如广大读者可以从上面的图中所看到，推着时间的推移，静态UPS的效率得到了显著的改善，尤其是在低负载条件下。而当负载降至低于50%时，静态UPS和DRUPS之间的差距已经变得相当大了，这在今天的数据中心是很常见的，确实需要一款2N系统。

　　假设一款2N冗余架构和一个现实的UPS利用率在正常操作情况下，DRUPS和静态UPS之间的效率比较(总系统能量损失)结果如下：

　　静态UPS的能量损失要比DRUPS少68%。这对TCO将产生重大影响，本文将在稍后的部分进一步展示，下表1展示出了详细的信息。

UPS类型	UPS负载	UPS容量	UPS负载	部分负荷UPS效率	总的UPS系统损耗
DRUPS - IT负载	3000 kW	4x2000 kVA （每台1600kW）	47%	93%	226kW
DRUPS - 冷却负载	1160 kW	2x1670 kVA （每台1340kW）	43%	91%	115kW
DRUPS的总体UPS系统能量损失
静态UPS - IT负载	3000 kW	4x1600 kVA （每台Symmetra MW 1600kW）	47%	97%	93kW
静态UPS - 冷却负载	353 kW	2x1670 kVA （每台Symmetra PX 400kW）	44%	96%	15kW
静态UPS整体UPS系统的能量损失					108 kW

　　表1 2N拓扑结构UPS系统能量损耗分析结果

　　占地空间分析

　　有一个普遍的市场认知，即由于电池存储空间需求，使得静态UPS所占用的空间要远远大于一款DRUPS系统。

　　然而，我们更详细的分析是基于常用的设计架构和更现实的假设，涉及的应用程序展示了两款系统在占地空间之间的差异几乎没有人们通常认为的那般突出。

　　让我们来看看下面的对比。除了实际设备的规模尺寸外，下面的电气设备布局也考虑到了维修所需的空间或通道。

　　图4 DRUPS - 2N拓扑结构，整体布局(IT和冷却负载)

　　图5 运行时间为5分钟的静态UPS和蓄热箱系统——2N拓扑结构的整体布局(IT和部分冷却负荷)

　　在这个现实世界的例子中，静态UPS系统所需要的占地空间只比DRUPS系统多4.3%。请注意，这一计算甚至还包括了用于热储存罐所需的面积。

　　TCO分析

　　总拥有成本(TCO)的分析是基于一个10年的周期，这价值的确定提供了一个良好的基础——成本vs. 投资回报率;而不仅仅只是资金成本本身。TCO提供对于整体拥有成本的一个更完整的视图。

　　这一TCO分析包括超过10年的资本支出、综合全面的维护和电力成本。

　　对于静态UPS，资本成本包括以下设备：

　　• 主额定功率为2250 kVA的顶篷/集装箱发电机

　　• 主额定功率为1600 kVA的顶篷/集装箱发电机

　　• 主配电板/自动转换开关

　　• 主配电盘

　　• 1600 kW的Symmetra MW 静态UPS/电池运行时间5分钟

　　• 400kW的Symmetra PX 静态UPS / 电池运行时间6分钟

　　• N+1的CRAC用于UPS和电池空间

　　• 热缓冲罐2×28.6立方米

　　• 电源分配单元(PDU)带隔离变压器(考虑2%的隔离变压损耗)

　　对于DRUPS，其资本成本包括以下设备：

　　• 主额定功率为2000 kVA的顶篷/集装箱柴油机旋转式 UPS

　　• 主额定功率为1675 kVA的顶篷/集装箱柴油机旋转式 UPS

　　• 主配电板

　　• 主配电盘

　　• 电源分配单元(PDU)

UPS类型	资本支出	维护与周期性更换	电力成本	10年的TCO
DRUPS	$8,374,978	$3,320,600	$70,306,263	$82,001,841
静态UPS	$6,047,104	$2,484,262	$67,578,380	$76,109,746

　　表2 DRUPS与静态UPS排除潜在租金收益外，10年的TCO

　　排除潜在租金收益外，超过10年的TCO节省(静态UPS)——5892095美元(约节省7%)。

　　基于这个例子，静态UPS系统具有较低的购买和安装、维护和操作成本。

结果	DRUPS	具备缓冲罐的静态UPS	静态UPS节约百分比
总体UPS系统的能量损失	341 kW	108 kW	68.3%
所需厂房面积空间	1128 平方米	1176 平方米	-4.3%
a)资本支出	$8,374,978	$6,047,104	27.8%
b) 超过10年的维护和周期性更换*	$3,320,600	$2,484,262	25.2%
c) 超过10年的电力成本	$70,306,263	$67,578,380	3.9%
10年的TCO（a + b + c）	$82,001,841	$76,109,746	7.2%

　　表3 2N架构整体比较总结

　　* 应当指出，对于DRUPS，所有周期性的更换/检修和维护都必须经由授权经销商来完成。因此，获得有竞争力的更换报价将是一个更大的挑战，不像静态UPS的电池，只要技术规格适合，您企业可以选择任何供应商。

　　表3显示了一个完整的2N静态UPS系统的电力基础设施同时支持数据中心的IT和冷却负荷在10年的跨度时间里较之完整的2N DRUPS电力基础设施所带来的TCO节省为5892095美元(7.2%)，但稍微需要48平方米的额外占地空间。

　　所以，如果在我们的分析例子中的数据中心是一处托管 (collocation) 数据中心，那么，在DRUP的情况下，潜在的租金收益如何影响整体TCO?我们粗略假设每台机架的每月租金大约为1285美元，一个的租金率的估计。请注意，这是收入，而不是利润。

UPS类型	10年期的总体TCO	10年期的租赁收益	包括租金收益在内的总TCO	静态UPS节约百分比
DRUPS	$82,001,841	($2,959,400)	$79,042,441
静态UPS	$76,109,746		$76,109,746	3.7%

　　表4 包括租金收益在内的10年的TCO

　　对于一款完整的、同时支持数据中心的IT和冷却负载的2N架构静态UPS的电气基础设施，使用静态UPS系统较之使用一款DRUP系统(包括通过在基于DRUP架构的情况下增加租用空间所获得的收益)在10年跨度期间所带来的整体TCO节省为2932695美元(节省3.7%)。

　　考虑在常见的使用2N架构的工厂设施采用DRUPS同时支持IT和冷却设施的全设施服务

　　在设计一处常见的DRUPS工厂设施时，即多个DRUPS并联平行的情况下，数据中心需要更高的电功率，考虑到对于需要投入的低电压系统的局限性的理解。低电压设备的最高评级是6300A(这将在400V产生约4.36 MVA)，因此，在一个通用的电气总线，您企业不能有超过两个2 MVA DRUPS的并联连接。

　　克服这种低电压系统的功率限制的一种方法是迁移到到一个中压(MV)配电解决方案。而这一课题也是施耐德电气公司的另一个研究分析项目的课题。

　　其他方面的比较

　　其他几项分析也能够详细显示在不同的架构和用于特定应用情况下的DRUPS和静态UPS的比较。这些额外的比较包括：

　　• 只支持IT负载的2N架构

　　• 只支持IT负载的三冗余架构

　　• 仅支持冷负荷(实现连续制冷)的2N架构

　　• 仅支持持续冷负荷(实现连续制冷)的三冗余架构

　　结果可以概括如下：

　　只支持IT负载的2N架构

结果	DRUPS上的IT负载	静态UPS上的IT负载	静态UPS节约百分比
总体UPS系统的能量损失	226 kW	93 kW	58.8%
所需厂房面积空间	680 平方米	816 平方米	- 20.0%
a)资本支出	$6,004,816	$4,530,012	24.6%
b) 超过10年的维护和周期性更换*	$2,222,966	$1,877,818 #FormatImgID_5# #FormatImgID_6#	15.5%
c) 超过10年的电力成本	$50,351,181	$49,748,051	1.2%
10年的TCO（a + b + c）	$58,578,963	$56,155,881	4.1%

　　表5 仅支持IT负载的2N架构汇总

　　注意：如果将额外的空间所提供的潜在的额外租金收益考虑在内，DRUPS系统在10年跨度时间内的总拥有成本要优于比静态UPS系统的TCO 10.6%。

　　只支持IT负载的三冗余架构

结果	DRUPS上的IT负载	静态UPS上的IT负载	静态UPS节约百分比
总体UPS系统的能量损失	191 kW	83 kW	56.5%
所需厂房面积空间	568 平方米	574 平方米	- 1.05%
a)资本支出	$4,477,926	$3,219,312	28.1%
b) 超过10年的维护和周期性更换*	$1,667,224	$1,408,363 #FormatImgID_7# #FormatImgID_8#  #FormatImgID_9# #FormatImgID_10#	15.5%
c) 超过10年的电力成本	$49,869,095	$49,596,000	0.5%
10年的TCO（a + b + c）	$56,014,245	$54,223,675	3.2%

　　表6 仅支持IT负载的三冗余架构汇总

　　注意：考虑租金收益，整体TCO节省将从3.2%小幅下调至2.6%。

　　仅支持冷负荷的2N架构

结果	DRUPS上的冷却负载	静态UPS上的冷却负载	静态UPS节约百分比
总体UPS系统的能量损失	111 kW	15 kW	86.5%
所需厂房面积空间	448 平方米	360 平方米	19.6%
a)资本支出	$2,369,105	$1,516,330	36.0%
b) 超过10年的维护和周期性更换*	$1,097,212	$606,131 #FormatImgID_11# #FormatImgID_12#  #FormatImgID_13# #FormatImgID_14#	44.8%
c) 超过10年的电力成本	$19,230,432	$17,821,814	7.3%
10年的TCO（a + b + c）	$22,696,749	$19,944,275	12.1%

　　表7 仅支持冷负荷的2N架构汇总

　　注意：如果将租金收益考虑在内，则在10年的跨度时间内，88平方米空间的节省，将使得整体TCO节省从12.1%增加到56.3%，有利于静态UPS。

　　仅支持持续冷负荷(实现连续制冷)的三冗余架构

结果	DRUPS上的冷却负载	静态UPS上的冷却负载	静态UPS节约百分比
总体UPS系统的能量损失	169 kW	29 kW	82.8%
所需厂房面积空间	605 平方米	536 平方米	11.4%
a)资本支出	$3,584,160	$2,236,501	37.6%
b) 超过10年的维护和周期性更换*	$1,645,819	$909,197 #FormatImgID_15# #FormatImgID_16#    #FormatImgID_17# #FormatImgID_18#  #FormatImgID_19# #FormatImgID_20#	44.8%
c) 超过10年的电力成本	$37,633,747	$35,643,627	5.3%
10年的TCO（a + b + c）	$42,863,726	$38,789,325	9.5%

　　表8 仅支持持续冷负荷的三冗余架构汇总

　　注意：如果将租金收益考虑在内，则在10年的跨度时间内，69平方米空间的节省，将使得整体TCO节省从9.5%增加到24.7%，有利于静态UPS。

　　结论

　　使用上述例子中常见的2N架构，本文证实了在一处数据中心备份系统的类型与另一处之间当在进行资本开支、能源成本、维护成本、占用空间和总体拥有成本的比较时，考虑整体系统和设施的重要性。本文描述的分析清楚地表明，除了占地空间之外，一处采用了低电压静态UPS系统的数据中心物理基础设施架构在所有的比较点上均胜过同样架构使用低电压DRUPS的数据中心。

　　作者简介

　　Han Ming Kuang是施耐德电气公司DC中心数据中心咨询和解决方案负责人。他拥有超过16年的咨询工程和项目管理领域的经验，包括丰富的各种类型的建筑开发，特别是关键任务设施方面的概念和详细设计的经验。

　　Hng Yong Way是施耐德电气公司DC中心首席工程师。他拥有超过13年的咨询工程，项目和施工管理领域的经验，特别是在关键设施、机构、住宅和商业发展的概念和详细设计方面具备丰富的经验。

　　Sanjeet Sandhu是施耐德电气公司DC中心的副总裁。Sanjeet领导的团队支持数据中心服务的整个生命周期的战略和交付，包括咨询、设计、项目执行、评估、软件和管理服务(包括重要设施的操作运营)。 Sanjeet是新加坡的注册专业工程师。

　　责任编辑：DJ编辑