使用飞轮UPS提高数据中心运营的可持续性（上）

当今世界上大约有70%的电力都是使用包括诸如煤，天然气和石油等化石燃料来发电的。而对于这些能源消耗所产生的污染、全球性的气候变暖和碳排放的持续关注引发了人们对于采用可再生能源以及降低整体能耗举措等相关方面兴趣的提高。但是，有鉴于相关发电设施的悠久历史和安装基础，从化石燃料朝着可再生能源过渡的这一重大转变可能仍需要数十年的时间。

但事实上，一个经常性的可能会被数据中心、医院和制造企业等能源密集型消耗大户们所忽略的可以有助于提高能源效率和减少碳排放的地方是：他们的不间断电源(UPS)设备。传统的UPS产品浪费了太多的电力资源，并且排放了过多的碳和污染，并且，在这些传统UPS设备的整个使用寿命期限内，其安装、更换和回收过程需要用到数千磅的铅。而基于飞轮的UPS则具有更高的能效，可以将UPS对环境的影响降低90%。

可持续发展——全球性的责任

从根本上说，可持续性发展意味着持久的功能或持久的容量。越来越多的企业，组织机构和政府部门都在将对于环境友好的可持续性发展提到其优先事项的最前沿，并采取相应的管理政策来积极的减少碳排放，和对相关气候变化的影响。今天，各行各业的企业组织都有责任尊重并保护环境，并在其运营和管理政策方面进行创新，以促进可实现商业成功和环境可持续性的变革。

利用飞轮UPS提高可持续性

当前，那些在电力资源消耗方面的最大户显然那些关键业务的功能对于其企业的长远健康运营至关重要的企业。包括数据中心、医院和制造企业在内的企业而言，保持持续的电力供应是确保企业健康运行的一项基本要求。

例如，企业数据中心是能源密集度最高的建筑类型之一，其能耗是一般典型的办公空间的50倍。总体而言，在全球范围内，数据中心行业消耗了约3%的电力资源，并产生了约2%的温室气体排放总量。而根据业界相关的分析师预测，未来十年内，随着市场对于数据和IT需求的蓬勃增长对于能源效率提升方面的抵消，使得整个数据中心行业所消耗的电力资源还将继续增加三倍。同样，由于其能源密集型的设备和必须保证“永远在线”性质，较之一般的一般典型的商业办公空间，医院的能源和碳排放量也是前者的2.5倍。

有鉴于这些建筑类型内的基础设施的高能耗强度，为企业对于其电力输送系统中的一大关键组件实施检查提供了一个机会，而该关键组件便是：不间断电源(UPS)设备系统，以着眼于提高能源效率，并同时支持企业的环保目标。

UPS的作用

数据中心、医院或制造工厂的大部分电力都通过UPS传输。UPS可以调节输入电源，并在电源受干扰或停电时为关键性的工作负载提供备用电源。UPS设备和能源存储的选择至关重要，因为这不仅会影响到企业的资本和运营支出，还会影响相关设施的总体碳排放。随着各种产品的出现，使得企业很容易忽视UPS系统对能源的消耗使用能够产生巨大影响这一事实，因为能源效率因产品而异。节能的UPS在支持可持续发展工作和降低总体功耗和碳排放方面发挥着关键作用。

当前市场上有三种普遍类型的UPS可供选择：带电池的静态双转换UPS;带集成飞轮的静态并联在线式UPS;和带柴油发电机的旋转式UPS。每种UPS系统设备都以其独特的方式运行，并依赖于不同类型的能量存储模式。

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静态双转换UPS

静态双转换UPS依靠电力电子设备和某种形式的能量存储器(例如铅酸电池)来调节输入功率，并保护关键负载。一款双转换UPS将无条件输入功率转换两次——首先从交流电(AC)转换为直流电(DC)，然后再转换回AC，以便为负载提供干净的输出电压。该架构使用大量功率来持续执行这些转换，将其整体效率降低到大约94-96%。

从历史上看，在静态UPS的关键任务设施中所部署的最常见的存储能量是阀控式铅酸(VRLA)电池。这种类型的电池主要是由铅(大约含70%)组成，这是一种有毒的成分，酸和塑料，必须每隔4-6年更换一次，故而会因此而增加其整体的碳排放量。

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并联在线式UPS

当前市场上，由相关由供应商提供的静态并行在线式UPS，集成了飞轮以便用于储能。一款并联在线UPS通过电感器和逆变器连续采样和校正输入电压，为工作负载提供清洁的输出正弦波。如果发生电源干扰或停机中断事故，UPS将断开输入，并利用其内置飞轮作为储能装置，直到公共供电输入重新建立或转移到发电机。

经过现场验证，飞轮UPS可以防止由IEEE所定义的所有九种电源干扰，同时以高达98%的效率运行。最终，并行在线拓扑结构设计更简单，组件更少，本质上更高效，同时提供与双转换UPS相同的保护。此外，在UPS长达20年的设计使用寿命期间范围内，永远不必更换飞轮储能，从而降低了其整体碳排放量。

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旋转式UPS

一款旋转式UPS利用旋转部件(例如电动发电机)来调节功率，并保护关键负载。最常见的设计是发动机耦合旋转式UPS，其中电机通过短周期飞轮机械耦合到发电机组。该设计不需要使用其他能量存储选项，例如电池。然而，由于旋转式UPS必须旋转电动机，因此浪费更多功率并且效率低约93-96%。与飞轮UPS类似，它不需要更换电池，但由于其效率较低，因此其碳排放量比其他静态UPS更高。

UPS的碳影响

在涉及到UPS系统的总碳足迹的计算时，应评估两种类型的碳排放量：运营碳排放量，其由UPS的能源效率及其冷却要求决定;以及嵌入式碳排放量， 考虑制造UPS及其储能装置所需的碳排放量。

如下，让我们来进一步针对效率、冷却要求和储能选择如何在测量不同UPS系统的碳排放中发挥作用进行分析。

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运营碳排放

运营碳排放是由UPS系统设备运行及其使用电力所排放的碳。UPS系统设备具有必须消耗电力资源才能提供的关键功能; 尽管如此，采用更高效的UPS将有助于浪费更少的电力资源，并产生更少的热量，进而减少碳排放。

1) 能源效率

根据定义，所谓UPS的效率计算的是其输出功率与输入功率之间的比率。企业数据中心UPS效率是固定损耗(例如，风扇、控制功率、储能充电等)和由负载和UPS的系统设计驱动的可变损耗的组合的结果。大多数UPS供应商均会发布其产品的效率曲线，以显示各种额定负载和特定负载类型(即线性/电阻与非线性)的预期效率。对于50-75%范围内的典型UPS负载而言，带有电池和旋转式UPS的传统双转换UPS的效率大约为95-96%，而集成式飞轮UPS的效率则约为96-97.5%。有关典型负载的详细效率比较，请参见下面的图1。

图1：UPS效率比较

有鉴于大量的电力通过UPS，因此效率在UPS设备系统的整个使用寿命期间的电力使用和碳排放控制中起着至关重要的作用。效率差异哪怕仅为1-2个点也足以对总体功耗和随之而来的碳排放量产生巨大影响。效率为95%的UPS设备系统需要1.053千瓦的电力才能为其负载提供1千瓦的电力(1 / 0.95)。 UPS设备系统执行其内部关键功能时会损失额外的5.3 kW。如果这5.3千瓦的浪费部分可以减少或消除，那么毫无疑问其将转化为企业用户的更低的成本和更低的碳排放量。

图2：UPS电气损耗(单位：KWH )

在上面的示例中，UPS系统设备的能源效率提高2%，则可以在15年的运营过程中将1兆瓦的设施的用电量减少280多万千瓦时，而5兆瓦的设施则可以在同期内减少超过1400万千瓦时的能源使用量。这将对企业数据中心的运营成本和碳排放量产生重大的影响。

2) 冷却

更高的能源效率还带来了一个次要的益处：进一步了降低了数据中心基础设施的冷却负荷。UPS能量损失会产生热量，并进入周围的空间。故而企业数据中心必须冷却该热量，以便尽可能的使得设施和设备保持在其操作参数范围内运行。一般的经验法则是，冷却1千瓦的散热大约需要消耗0.3千瓦的能耗。因此，通过选择更高效的UPS所带来的每千瓦能耗的节省，将使得企业数据中心总能耗节省量增加1.3千瓦。通过选择具有能够在较高环境温度下运行且散热较低的能量存储的UPS，可以实现显着的节能和低碳排放。

此外，飞轮具有许多其他方面的相关优点。UPS电池必须保持在77华氏度的操作环境温度(25摄氏度)，以最大限度地延长其使用寿命，并且需要用到额外的冷却设备，在某些情况下还需要专用的电池室。飞轮和旋转式UPS的一个优点是它们可以在高达104华氏度(40摄氏度)的操作环境温度条件中运行而不会降低性能。这种宽广的环境温度工作范围提供了灵活性，使得企业数据中心的操作运营人员们能够在现有冷却无法扩展或不可用的空间内部署UPS，例如在生产车间。某些供应商的飞轮UPS设备系统还可减少(并甚至能够在某些情况下)消除额外的冷却配置或扩展的需求，从而有效降低总体功耗和碳排放。

3) UPS低效率所产生的碳排放

在全球范围内，相关数据中心所采用的设施会因其所采用的用以供应作为动力的燃料混合物的不同，导致电力生产所排放的碳量变化很大。通常情况下，燃煤是每千瓦时所产生的二氧化碳(CO2)最高的排放燃料源，为0.94千克，而天然气为0.55千克，而核、水和可再生能源几乎不排放碳足迹。

根据全球范围内的燃料组合平均使用情况，每千瓦时产生的电能排放约0.53千克的碳。这个数额可能会因国家和地区的不同而异。例如，当前美国市场依然严重依赖于煤炭的消耗，每千瓦时产生约0.69千克的二氧化碳。而澳大利亚和中国市场的煤炭混合程度更高，每千瓦时排放的二氧化碳数分别为0.84和0.77千克。而那些拥有丰富水电资源(如瑞典，巴西)或核电资源(法国)的国家排放的二氧化碳要少得多。见下表1。

表1：各国家的二氧化碳排放量比较

在美国当前的碳排放强度(Carbon Intensity)下，与1 MW关键负载的传统电池UPS相比，借助相关供应商的(如Active Power公司的)飞轮UPS可减少2,145公吨或43%的运行碳排放，如下表2所示。

表2：碳排放节省计算

随着UPS规格尺寸和关键负载的增加，碳排放节省量也在急剧增加。如下表3和图4显示，对于10兆瓦的设施，飞轮UPS可以在15年内减少超过21,000公吨的碳排放量。

表3：不同负荷条件下所节省的碳排放量

图4：15年内的碳排放节省量

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嵌入式碳排放

嵌入式碳排放是在从其原材料(例如铅或铁)生产组件在生产期间所排放的碳，并且以为每千克材料的二氧化碳千克数表示。嵌入式碳排放量由所用原料的化学组成所决定，不同化学材料元素和重量会带来不同的嵌入式碳排放量。

从嵌入式碳的角度来看，UPS类型之间的主要区别来自它们的能量存储。铅酸电池由铅(约70%)和硫酸包裹在塑料容器中组成。根据化学成分及其嵌入的碳，每千克铅酸电池的总嵌入碳为1.14千克二氧化碳，如下表4所示。

表4：铅酸电池的嵌入碳

飞轮由造飞机级别的钢(4340或4330M)材料制成，并封装在球墨铸铁外壳中。两者都绝大部分由铁组成。如下表5中所示，飞轮和壳体中的每千克材料具有2.2千克二氧化碳的嵌入碳含量。

表5：飞轮的嵌入式碳含量

虽然用于生产1千克飞轮的嵌入式碳要高于生产1千克铅酸电池所需的碳，但飞轮所需的材料量要低得多。某些供应商的飞轮的UPS需要大约3,000千克的钢来为1兆瓦的UPS提供能量存储，嵌入6,700千克的碳。对于相同的负载，需要近15,000千克的铅酸电池——含有16,750千克的嵌入式碳。简而言之：与一套铅酸电池相比，飞轮UPS的重量减轻了近80%，嵌入碳减少了40%。由于电池在UPS的整个使用寿命期间通常需要进行三次更换，因此将使用另外45,000千克的电池，这也就意味着需要另外50,000千克的嵌入式碳。在UPS的整个使用寿命期间，飞轮的碳含量比铅酸电池少90%。

表6：嵌入式碳比较

在此示例中，1 MW负载由两款750 kVA 的UPS系统设备供电：两个电池UPS，运行时间为5分钟或两款集成飞轮UPS。与基于电池的UPS相比，飞轮UPS可将嵌入式碳排放量减少近10倍或高达60吨的二氧化碳。