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.
