Niemal w każdym budynku inteligentnym znajdują się odbiory krytyczne – urządzenia i systemy wymagające zwiększonej pewności dostaw energii elektrycznej. Bardzo często w jego wnętrzu zlokalizowane są mniejsze lub większe pomieszczenia przeznaczone specjalnie dla sprzętu informatycznego (tzw. serwerownie). Budynkiem inteligentnym jest niewątpliwie każdy obiekt typu Data Center. Na przestrzeni ostatniego dziesięciolecia pojawiło się wiele propozycji serwerowni kontenerowych. Dostępna w takiej wersji infrastruktura techniczna (w tym ta odpowiedzialna za zapewnienie ciągłości dostaw energii elektrycznej) ma również szereg zalet.
To, co obecnie nazywamy budynkiem inteligentnym, nie stanowi tylko i wyłącznie skorupy, pustej obudowy dla wyposażenia biurowego, różnego rodzaju urządzeń i systemów, które mają się znaleźć w jego wnętrzu, czy też jedynie schronienia dla ludzi. Jego zadaniem jest zapewnienie właściwych, optymalnych warunków funkcjonowania zainstalowanego wewnątrz sprzętu (także informatycznego), zabezpieczenie zgromadzonych danych przed ich zniszczeniem lub kradzieżą, a także stworzenie otoczenia sprzyjającego pracy jego użytkowników. W każdym budynku inteligentnym stosowane są zaawansowane układy automatyki, sterujące i zarządzające jego właściwościami. Integrują współdziałanie między innymi ogrzewania, wentylacji, klimatyzacji, oświetlenia, sygnalizacji pożarowej, sygnalizacji włamania i napadu, kontroli dostępu, telewizji dozorowej oraz dźwiękowego systemu ostrzegawczego. By budynek inteligentny spełniał swoje zadanie, niezbędne jest jednak jego zasilanie w energię elektryczną.
W trosce o ciągłość dostaw energii elektrycznej
Powszechnie kojarzona przerwa w zasilaniu, nazywana również zanikiem napięcia, to według normy PN-EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych stan, w którym jego wartość jest niższa niż 5% wartości napięcia deklarowanego. Jeżeli na mocy porozumienia pomiędzy dostawcą energii elektrycznej a jej odbiorcą nie ustalono inaczej, to napięcie deklarowane jest równe napięciu znamionowemu, a więc takiemu, które określa i identyfikuje daną sieć elektroenergetyczną. W przypadku sieci niskiego napięcia (do 1 kV) napięcie deklarowane jest zwykle równe napięciu znamionowemu.
Już na etapie wprowadzania do użytku pierwszych komputerów i innych urządzeń elektronicznych okazało się, że za szeroko rozumiany brak ciągłości dostaw energii elektrycznej odpowiadają nie tylko zaniki napięcia, ale także jego powtarzające się, głębokie zapady. Według wspomnianej normy zapad napięcia to stan, w którym jego wartość jest niższa niż 90% wartości napięcia deklarowanego, które dla sieci niskiego napięcia jest równe znamionowemu. W przeszłości, w razie występowania zaników lub zapadów napięcia, wymagane było jedynie zapewnienie podtrzymania działania systemu informatycznego zaledwie przez czas niezbędny do jego prawidłowego wyłączenia. Obecnie, mówiąc o ciągłości dostaw energii elektrycznej, mamy na myśli standard 24/7. W tym celu w wielu obiektach stosowane są lokalne źródła zasilania awaryjnego, a także zasilania gwarantowanego. Przy czym zasilanie awaryjne zapewnia najczęściej zespół prądotwórczy, tj. silnik spalinowy + prądnica synchroniczna, wraz z osprzętem lub ich zestaw przeznaczony do pracy równoległej. Natomiast zasilanie gwarantowane – zasilacz bezprzerwowy wraz z magazynem energii lub ich zestaw przeznaczony do pracy równoległej.
Modułowość w kontekście wspomnianych rozwiązań sprowadza się do ich skalowalności (łatwości rozbudowy i zwiększenia mocy), powtarzalności konstrukcji (duplikacji), specjalizacji funkcji (zapewnienia ciągłości dostaw energii elektrycznej), a także uproszczenia transportu, montażu i instalacji, ograniczenia zajmowanej powierzchni oraz możliwości późniejszej relokacji. Infrastruktura techniczna związana z zasilaniem w energię elektryczną, dostarczana w wersji kontenerowej, rozpowszechniła się w wyniku zaakceptowania przez rynek konstrukcji typu „Data Center in the box” i ich ewolucji, a więc po 2006 roku. Zespół prądotwórczy zabudowany w estetycznej „skrzynce”, wraz z niezbędnym osprzętem, stał się modułowym systemem zasilania awaryjnego. W kontenerach montowane i instalowane są także zasilacze bezprzerwowe, wraz z magazynem energii (zasilanie gwarantowane), oraz tandemy zespół prądotwórczy/zasilacz bezprzerwowy lub tzw. dynamiczne zasilacze bezprzerwowe typu DRUPS – Diesel Rotary Uninterruptible Power Supply (zasilanie awaryjne i gwarantowane).
System zasilania awaryjnego
Zgodnie z definicją podaną np. w normie PN-EN 50600-2-2:2014-06 Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Część 2-2: Dystrybucja energii zadaniem zasilania awaryjnego jest dostarczanie energii elektrycznej w razie awarii zasilania podstawowego i/lub rezerwowego. Przy czym zasilanie podstawowe i rezerwowe jest odpowiedzialne za dostarczanie energii elektrycznej w normalnych warunkach eksploatacyjnych (są to zwykle linie zasilania z sieci elektroenergetycznej). W związku z tym zasilanie awaryjne zapewnia najczęściej zespół prądotwórczy wraz z osprzętem.
Do jego prawidłowej pracy niezbędne jest doprowadzenie paliwa, a także odpowiedniej ilości powietrza. Należy zatem w obiekcie zaprojektować i wykonać instalację sanitarną – przede wszystkim czerpnię świeżego powietrza i wyrzutnię ogrzanego powietrza, układ odprowadzania spalin, a także towarzyszącą instalację elektryczną. Jednostka przeznaczona do zastosowania na zewnątrz może być dostarczona np. w wersji kontenerowej (rys. 1). Stanowi to kompletne rozwiązanie zarówno pod względem sanitarnym, jak i elektrycznym.
Wykonanie montażu i instalacji zwykle nie jest skomplikowane. Kontener z zespołem prądotwórczym i jego osprzętem należy posadowić na odpowiednio przygotowanym fundamencie o wymiarach podanych przez producenta oraz podłączyć do uprzednio zaprojektowanej i wykonanej dedykowanej instalacji elektrycznej (siłowej i sterowniczej). Jedynie wtedy, gdy w bezpośrednim sąsiedztwie miejsca jego montażu i instalacji znajdują się wysokie budynki, może zaistnieć konieczność poprowadzenia elementów układu odprowadzenia spalin, np. po elewacji ponad krawędź dachu. Co istotne, niedopuszczalne jest posadowienie go w przestrzeni niebezpiecznej pod względem pożarowym. Ponadto w każdym przypadku należy opracować instrukcję współpracy z siecią elektroenergetyczną. Z kolei w celu uzyskania większej mocy lub też zbudowania układu redundantnego, a więc nadmiarowego, pojedyncze, odpowiednio wyposażone zespoły prądotwórcze (przede wszystkim w wersji kontenerowej) można w stosunkowo prosty sposób połączyć w zestaw przeznaczony do pracy równoległej.
Podczas normalnych warunków eksploatacyjnych, a więc dostępności zasilania z sieci elektroenergetycznej, zarówno pojedyncza jednostka, jak i większy zestaw nie będą pracować. Energia chemiczna paliwa nie będzie zamieniana na energię mechaniczną (w każdym silniku spalinowym), a energia mechaniczna nie będzie zamieniana na energię elektryczną (w każdej prądnicy synchronicznej). W przypadku awarii zasilania podstawowego i rezerwowego przerwa w dostawie energii elektrycznej będzie trwała do momentu uruchomienia pojedynczej jednostki lub uruchomienia i synchronizacji ich zestawu przeznaczonego do pracy równoległej. W przypadku niektórych urządzeń i systemów, przede wszystkim wrażliwego sprzętu informatycznego, konieczne będzie zapewnienie także zasilania gwarantowanego.
System zasilania gwarantowanego
Zgodnie z definicją podaną np. w normie PN-EN 50600-2-2:2014-06 Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Część 2-2: Dystrybucja energii zadaniem zasilania gwarantowanego jest dostarczanie energii elektrycznej w sposób bezprzerwowy przez uprzednio zdefiniowany czas następujący po awarii zasilania podstawowego i/lub rezerwowego (linii z sieci elektroenergetycznej) oraz innych elementów układu dystrybucji zasilania już w samym obiekcie. Zwykle jest to maksymalnie kilkadziesiąt minut.
Jeśli obiekt jest wyposażony w system zasilania awaryjnego (a więc zespół prądotwórczy wraz z osprzętem lub ich zestaw przeznaczony do pracy równoległej), czas ten może ulec skróceniu, niekiedy nawet do kilkunastu sekund. Zasilanie gwarantowane zapewnia najczęściej zasilacz bezprzerwowy wraz z magazynem energii (lub ich zestaw przeznaczony do pracy równoległej).
Jednostkę wykonaną zgodnie z normą PN-EN 62040-3:2011 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 3: Metody określania właściwości i wymagania dotyczące badań nazwiemy zasilaczem statycznym. Z kolei zasilaczem dynamicznym nazwiemy jednostkę wykonaną zgodnie z normą PN-EN 88528-11:2007 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikami spalinowymi tłokowymi. Część 11: Wirujące bezprzerwowe systemy zasilania. Wymagania i metody badań. Przyjęty podział związany jest bezpośrednio ze sposobem wytwarzania przemiennych (sinusoidalnych) przebiegów napięcia (głównie przy pracy autonomicznej, a więc z wykorzystaniem magazynu energii). W statycznym zasilaczu bezprzerwowym za wytwarzanie napięcia odpowiada (w uproszczeniu) przetwornica częstotliwości (prostownik i falownik). W dynamicznym zasilaczu bezprzerwowym za wytwarzanie napięcia odpowiada (w uproszczeniu) maszyna synchroniczna (pracująca jako prądnica), podobnie jak w klasycznym zespole prądotwórczym.
Obecnie na rynku dostępne są statyczne zasilacze bezprzerwowe typu UPS (Uninterruptible Power Supply), statyczne zasilacze bezprzerwowe typu FUPS (Flywheel Uninterruptible Power Supply), a także dynamiczne zasilacze bezprzerwowe typu RUPS (Rotary Uninterruptible Power Supply). Każdy z nich zaleca się zamontować i zainstalować w wydzielonym pomieszczeniu technicznym ruchu elektrycznego, wyposażonym nie tylko w odpowiednią instalację elektryczną, ale także sanitarną.
Powszechnie stosowanym magazynem energii jest szeregowa lub szeregowo-równoległa bateria, zbudowana z pojedynczych akumulatorów chemicznych, które pracują najsprawniej w temperaturze dwudziestu kilku stopni Celsjusza. Niejednokrotnie niezbędnym jest zastosowanie klimatyzacji. Ponadto zasobniki tego typu wymagają także wentylacji ze względu na konieczność usuwania gazów – głównie wodoru, który tworzy z powietrzem mieszaninę wybuchową. Warto więc zastosować odpowiednie czujniki.
Coraz częściej spotykane są również elektromechaniczne zasobniki energii. W odróżnieniu od akumulatorów chemicznych nie wymagają one utrzymania ściśle określonych warunków środowiskowych. Elektromechaniczny zasobnik energii jest integralnym elementem statycznego zasilacza bezprzerwowego typu FUPS oraz różnych konstrukcji dynamicznego zasilacza bezprzerwowego typu RUPS. Kompletne – zarówno pod względem elektrycznym, jak i sanitarnym – rozwiązania z zakresu zasilania gwarantowanego są także dostępne w wersji kontenerowej (rys. 2 i rys. 3). Taka „skrzynka” wymaga jedynie posadowienia na odpowiednim fundamencie i podłączenia dedykowanej instalacji elektrycznej.
System zasilania awaryjnego i gwarantowanego
W celu uniknięcia różnego rodzaju problemów związanych z brakiem ciągłości dostaw energii elektrycznej, w licznych obiektach stosuje się zarówno zespół prądotwórczy wraz z osprzętem (czerpnią, wyrzutnią powietrza i układem odprowadzania spalin), jak i zasilacz bezprzerwowy wraz z magazynem energii (np. baterią akumulatorów chemicznych lub zasobnikiem elektromechanicznym). Niezbędna jest także rozdzielnica elektryczna, wyposażona w odpowiednią aparaturę łączeniową, zabezpieczeniową, pomiarową oraz sterownik i elementy wykonawcze tak zwanego układu samoczynnego załączania rezerwy.
Zadaniem odpowiednio wyposażonego zespołu prądotwórczego jest zapewnienie zasilania awaryjnego – przede wszystkim na wypadek długotrwałych przerw w dostawie energii elektrycznej. Z kolei zadaniem odpowiednio wyposażonego zasilacza bezprzerwowego jest zapewnienie zasilania gwarantowanego – głównie na wypadek przerw przemijających (mikroprzerw). Ponadto w tym przypadku zastosowany magazyn energii powinien umożliwić bezprzerwowe zasilanie podłączonych urządzeń i systemów przynajmniej do momentu uruchomienia i przejęcia obciążenia przez źródło zasilania awaryjnego.
Nawiązując do wytycznych zawartych w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [Dz. U. Nr 93/2007 poz. 623], za długotrwałą przerwę w zasilaniu możemy uznać przerwę trwającą nie krócej niż 12 godzin i nie dłużej niż 24 godziny (przerwa bardzo długa), a także tę trwającą nie krócej niż 3 minuty i nie dłużej niż 12 godzin (przerwa długa). Prawidłowo dobrany i odpowiednio wyposażony zespół prądotwórczy (a w tym w dodatkowy zbiornik paliwa o dużej pojemności) jest w stanie zapewnić zasilanie awaryjne nawet przez tak długi czas. Odnosząc się do wspomnianego dokumentu, za przerwę krótkotrwałą możemy uznać przerwę trwającą nie krócej niż 1 sekundę i nie dłużej niż
3 minuty, a za mikroprzerwę tę trwającą krócej niż 1 sekundę.
Należy pamiętać o tym, że nawet najlepiej wyposażony zespół prądotwórczy potrzebuje zwykle do kilkunastu sekund na uruchomienie i przejęcie obciążenia. W przypadku odbiorów krytycznych samo źródło zasilania awaryjnego nie wystarczy, gdyż nie pozwoli na uniknięcie następstw wszystkich przerw zaliczanych do krótkotrwałych, a także mikroprzerw. Urządzenia elektroniczne (w tym także sprzęt informatyczny) są bardzo wrażliwe na zaburzenia występujące w sieci elektroenergetycznej. Niejednokrotnie zanik napięcia trwający jedynie 10–20 milisekund może spowodować ich uszkodzenie. Zatem zastosowanie tak zwanego tandemu zasilania (zespół prądotwórczy/zasilacz bezprzerwowy), pozwoli na uniknięcie negatywnych skutków zarówno długo-, jak i krótkotrwałych oraz przemijających przerw, a także innych zaburzeń w dostawie energii elektrycznej. Podobną funkcję spełni także dynamiczny zasilacz bezprzerwowy typu DRUPS, gdyż jego elementem składowym jest m.in. silnik spalinowy. W wersji kontenerowej dostępne są kompleksowe, kompletne i w pełni autonomiczne rozwiązania z zakresu zasilania awaryjnego i gwarantowanego (rys. 4).
Podsumowanie
Modułowość jest obecnie pojęciem dość często używanym w szeroko rozumianej technice. Można je spotkać w opisie całego budynku inteligentnego lub jedynie jego fragmentu, infrastruktury technicznej, a także pojedynczych urządzeń i systemów.
Dla przykładu, klasyczny obiekt typu Data Center można podzielić na trzy podstawowe części: informatyczną (a więc „serwerownię”), techniczną (pomieszczenia klimatyzacji, ruchu elektrycznego) oraz administracyjno-biurową (pomieszczenia przeznaczone dla zatrudnionego personelu). Przede wszystkim, ze względu na ten funkcjonalny podział, jest to w pewnym sensie obiekt modułowy. Dla wielu z nas szeroko pojęta modułowość sprowadza się jednak jedynie do poszczególnych rozwiązań i niekoniecznie kojarzona jest z całym budynkiem czy też jego wydzieloną częścią.
Pojawienie się pierwszych komercyjnych, łatwo transportowalnych konstrukcji, w pełni przystosowanych do przechowywania sprzętu informatycznego, zmieniło nieco sposób jej postrzegania. Od tamtej pory kontener to słowo klucz, przy czym nie musi to być koniecznie typowa konstrukcja transportowa, o wymiarach zgodnych z ISO 668 Kontenery ładunkowe serii 1. Klasyfikacja, wymiary i maksymalne masy brutto. W ślad za serwerowniami kontenerowymi (na początku jedynie jako ich uzupełnienie) pojawiło się wiele rozwiązań modułowej infrastruktury technicznej dotyczącej m.in. chłodzenia, ale przede wszystkim zasilania w energię elektryczną. Położono nacisk na standaryzację, jak również estetykę. Modułowym systemem zasilania awaryjnego możemy więc nazwać zespół prądotwórczy zainstalowany w zaadaptowanym do tego celu i właściwie wyposażonym, kompaktowym kontenerze, mimo że w takiej „mobilnej” wersji dostarczany był już dużo wcześniej. W postaci estetycznej „skrzynki” dostarczane są obecnie także kompletne systemy zasilania gwarantowanego (zasilacze bezprzerwowe wraz z magazynem energii i instalacjami towarzyszącymi), a także kompleksowe systemy zasilania awaryjnego i gwarantowanego (tandemy zespół prądotwórczy/zasilacz bezprzerwowy lub tzw. dynamiczne zasilacze bezprzerwowe typu DRUPS). Konstrukcje tego typu pozwalają m.in. na przeniesienie „ciężaru” związanego z montażem i instalacją poszczególnych elementów wspomnianych systemów z terenu budowy do zakładu producenta. Dzięki temu możliwe jest zminimalizowanie nakładów pracy niezbędnych w celu uruchomienia i oddania do eksploatacji gotowych już rozwiązań w miejscu docelowym.
Kontener należy ustawić na odpowiednim fundamencie oraz podłączyć do przygotowanej uprzednio dedykowanej instalacji elektrycznej łączącej go z obiektem. Budzi to skojarzenie z terminem plug & play (podłącz i używaj), który określa zdolność komputera do pracy z urządzeniami peryferyjnymi, zaraz po ich podłączeniu i bez konieczności ingerencji użytkownika w jego konfigurację sprzętową. Podobnie jest właśnie z modułową infrastrukturą zasilania. Rozwiązania te charakteryzują się: skalowalnością (pojedynczy „klocek” można w dość prosty sposób zastąpić większym), powtarzalnością konstrukcji (duplikacją), specjalizacją funkcji (zapewnieniem zasilania awaryjnego, gwarantowanego lub awaryjnego
i gwarantowanego), uproszczeniem montażu oraz instalacji – skróceniem czasu jej trwania (projektowanie, konstruowanie i testowanie odbywa się poza miejscem przeznaczenia, zatem może być realizowane równolegle z innymi pracami budowlanymi), a ponadto ograniczeniem zajmowanej powierzchni, łatwością transportu oraz możliwością ewentualnej późniejszej relokacji.
Ich zastosowanie może być rozważane zarówno na etapie budowy nowego obiektu, jak również przy okazji jego modernizacji lub doposażenia. Zeszłoroczne ograniczenia w dostawie energii elektrycznej dotknęły odbiorców o mocy powyżej 300 kW, w tym także właścicieli i użytkowników budynków inteligentnych. Poszukując rozwiązań zapewniających ciągłość dostaw energii elektrycznej, może warto zastanowić się nad zastosowaniem modułowej infrastruktury zasilania?
Autor: Wiktor Suliga jest absolwentem Elektrotechniki na Wydziale Elektrycznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach, studiów podyplomowych „Facility Management – zarządzanie budynkiem” na Wydziale Zarządzania Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie i studiów podyplomowych „Zarządzanie projektami w przedsiębiorstwie” na Wydziale Organizacji i Zarządzania Politechniki Śląskiej w Zabrzu. Posiada międzynarodowy certyfikat specjalisty w dziedzinie jakości energii elektrycznej pierwszego poziomu (Power Quality Expert 1st Level). Interesuje się rozwiązaniami z zakresu zasilania awaryjnego i gwarantowanego, zagadnieniami dotyczącymi obiektów typu Data Center, modułowością, efektywnością energetyczną i ogólnie elektrotechniką. Jest autorem licznych tekstów technicznych.
Tekst pochodzi z nr 3/2016 magazynu „Inteligentny Budynek”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
NORMA: PN-EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych
NORMA: PN-EN 50600-2-2:2014-06 Technika informatyczna. Wyposażenie i infrastruktura centrów przetwarzania danych. Część 2-2: Dystrybucja energii
NORMA: PN-EN 62040-3:2011 Systemy bezprzerwowego zasilania (UPS). Część 3: Metody określania właściwości i wymagania dotyczące badań
NORMA: PN-EN 88528-11:2007 Zespoły prądotwórcze prądu przemiennego napędzane silnikami spalinowymi tłokowymi. Część 11: Wirujące bezprzerwowe systemy zasilania. Wymagania i metody badań
ROZPORZĄDZENIE: Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [Dz.U. nr 93/2007 poz. 623]
PUBLIKACJA: „Pewność zasilania. Niezawodne zasilanie nowoczesnego budynku biurowego. 4.5.1”, H. De Keulenaer, A. Baggini, Jakość zasilania – poradnik
PUBLIKACJA: „Budynek inteligentny” Praca pod redakcją E. Niezabitowskiej. „Tom II Podstawowe systemy bezpieczeństwa w budynkach inteligentnych” J. Mikulik, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2010
PUBLIKACJA: „Zabezpieczenie zasilania na przykładzie Data Center. Rozwiązania dla obiektów i urządzeń o zwiększonych wymaganiach w zakresie ciągłości dostaw energii elektrycznej” W. Suliga, Wiedza i Praktyka, 2015
WHITE PAPER: „Containerized Datacenters Capital and Operating Costs”, White Paper 113, Active Power, 2009
WHITE PAPER: „Modular Systems: The Evolution of Reliability”, N. Rasmussen, S. Niles, White Paper 76, Schneider Electric, 2011
WHITE PAPER: „Standardization and Modularity in Data Center Physical Infrastructure”, S. Niles, White Paper 116, Schneider Electric, 2011
WHITE PAPER: „Specification of Modular Data Center Architecture”, N. Rasmussen, White Paper 160, Schneider Electric, 2012
WHITE PAPER: „Containerized Power and Cooling Modules for Data Centers”, D. Boueley, W Torell, White Paper 163, Schneider Electric, 2012
