COME SI FA

Evitare il pericolo di esplosione nel locale UPS

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Ing. Luca Lussorio (www.progettazione-impianti-elettrici.it – Ceva – CN)

Emissione di idrogeno da parte del pacco batterie

Generalmente le batterie utilizzate per i moderni gruppi statici di continuità sono del tipo chiuso/ermetico altrimenti dette VRLA. Nel funzionamento ordinario le batterie ermetiche non emettono gas in quantità significativa; possono però emetterne durante la fase di ricarica o in caso di sovratemperatura interna causata, ad esempio, da un cortocircuito non prontamente interrotto dai dispositivi di protezione, con conseguente attivazione delle valvole di sfogo per la sovrapressione interna. I gas emessi contengono essenzialmente idrogeno che forma con l’aria una miscela esplosiva se in concentrazione superiore al 4%.

Come evitare il pericolo di esplosione

Le norme EN 50272-2 ed EN 50273 indicano, attraverso una semplice formula (vedi paragrafo dedicato), quale sia la corretta ventilazione per garantire che la concentrazione di idrogeno rimanga al di sotto del 4%. Da un punto di vista teorico il problema della ventilazione presenta pertanto una facile soluzione: è sufficiente richiedere al costruttore dell’UPS le caratteristiche del pacco batterie e svolgere il semplice calcolo. Praticamente il problema è più complesso in quanto:

– i dati relativi agli armadi batterie non sono generalmente reperibili a catalogo

– le caratteristiche del pacco batterie cambiano a seconda della marca di UPS adottato e generalmente questa non è univocamente definita in fase di progettazione

Nel seguito verrà svolta un’analisi che, con una serie di approssimazioni successive a favore della sicurezza, riconduce ad un risultato leggermente sovradimensionato ma praticamente sempre corretto. Le considerazioni che seguiranno valgono unicamente per batterie ermetiche. Per batterie a vaso aperto (il cui uso negli UPS è riconducibile unicamente ad applicazioni che richiedano un’elevata autonomia, quali ad esempio i centri elaborazione dati) sono necessarie considerazioni totalmente diverse.

Ventilazione necessaria

Secondo le norme EN 50272-2 ed EN 50273, la portata d’aria di ventilazione che mantiene la concentrazione di idrogeno al di sotto del 4%, è: Q = 0,05 * n * Igas * Crt / 1000 (dove: Q = portata d’aria [mc/h]; n = numero elementi della batteria; Igas = corrente che produce gas [mA / Ah]; Crt = capacità nominale della batteria [Ah]).

Nel caso di batterie VRLA il termine Igas, salvo diverse indicazioni del costruttore, può essere assunto pari a 8 (norme EN 50272-2 ed EN 50273). Restano pertanto da determinare il numero di elementi e la loro capacità.

Distanza di sicurezza

Le norme EN 50272-2 ed EN 50273 considerano, anche in presenza della ventilazione sopraindicata, una zona con pericolo di esplosione di tipo 1. È pertanto necessario determinare l’estensione di questa zona. L’estensione della zona è pari a d = 28,8 * radcube (Igas * C) (dove: radcube = radice cubica; d = estensione della zona 1 espressa in mm;  Igas = corrente che produce gas [mA / Ah]; C = capacità della batteria).

La norma di sicurezza sugli UPS (EN 62040-1) standardizza la distanza di sicurezza a 50 cm dalle aperture dell’armadio batterie.

I valori da tenere presenti

UPS (kVA) AUT (h) Q (mc/h) Superficie di ventilazione netta (cmq) Foro necessario (cmq) d (mm)

1

0,25

0,075

2,1

3

158

2

0,25

0,15

4,2

6

200

3

0,25

0,225

6,3

9

229

5

0,25

0,375

10,5

15

271

10

0,25

0,75

21

30

341

15

0,25

1,125

31,5

45

391

20

0,25

1,5

42

60

430

30

0,25

2,25

63

90

492

40

0,25

3

84

120

542

60

0,25

4,5

126

180

620

80

0,25

6

168

240

683

100

0,25

7,5

210

300

735

Tabella riepilogativa ed esemplificativa per UPS con autonomia 15 minuti

 

Per evitare il pericolo di esplosione legato alle batterie è necessario ventilare adeguatamente il locale UPS

Numero di elementi delle batterie e la loro capacità

Per ottenere un risultato valido a priori senza conoscere dettagliatamente il datasheet di un UPS, è necessario fare una breve considerazione sul significato fisico di potenza ed energia. La potenza è l’energia riferita all’unità di tempo, cioè un UPS di potenza 100 kVA funzionante per un’ora avrà erogato un’energia pari a 100 kVA * 1h = 100 kVAh. Quando utilizziamo una batteria possiamo dire che l’energia chimica in essa contenuta è data dal prodotto della sua tensione nominale per la sua capacità; una batteria 12V – 7Ah sarà pertanto in grado di erogare un’energia pari a 84 Vah. Pertanto per poter erogare 100 kVAh saranno necessarie circa 1.190 batterie da 12V – 7Ah ( 100.000 VAh / 84 VAh = 1.190). Considerato che le batterie VRLA 12V – 7Ah sono costituite generalmente da 6 elementi, avremo che sono presenti 6 x 1.190 = 7.140 elementi.

(Da notare che questo approccio non vale nel dimensionamento del pacco batterie di un UPS, dove intervengono ulteriori parametri quali, ad esempio, il rendimento e il fattore di potenza).

Calcolo della ventilazione necessaria

La formula relativa alla portata necessaria si riduce pertanto a Q = 0,05 * n * Igas * Crt / 1.000 = 0,2 * Pups * Taut / 1.000.  Esprimendo Pups in kVA anziché in VA avremo più semplicemente che: Q = 0,2 * Pups[kVA] * Taut[h] . per maggiore sicurezza è opportuno introdurre un altro coefficiente, per cui Q = 0,3 * Pups[kVA] * Taut[h]. Per ottenere questa portata d’aria per ventilazione naturale le norme EN ci indicano la seguente formula per il calcolo della superficie di aerazione : A = 28 * Q (dove: A = superficie netta di aerazione dei fori di mandata e ripresa [cm2])

Provvedimenti in caso di ventilazione forzata

È necessario predisporre un dispositivo che verifichi il corretto funzionamento dell’estrattore (flussometro o relè amperometrico sulla linea di alimentazione dell’estrattore) e che, in caso di guasto, blocchi il processo di ricarica delle batterie.

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