Прецизионное кондиционирование воздуха. Комплексные решения. Экономические аспекты

Преимущества использования прецизионных кондиционеров
Прецизионный в переводе с английского «precision» означает «точный». Точность функционирования прецизионного кондиционера состоит в выдаваемых параметрах среды: воздуха или воды, в зависимости от типа оборудования.
Среду определяют Технические Условия (ТУ) производителя оборудования или Техническое Задание (ТЗ) на определенное помещение или их группу. Подобные системы применяются в технологических помещениях, где установлено высокотехнологичное оборудование с аналогичными требованиями к температуре и влажности воздуха, а также в операционных блоках больниц с подобными параметрами и необходимостью точного поддержания количества и качества воздуха в рабочей зоне.
Все вышеописанные процессы могут быть построены с помощью промышленных прецизионных систем, архитектура которых специально разрабатывалась и ежегодно совершенствуется для решения подобных задач.
Употребление слова «промышленный» связано с тем, что компоненты, применяемые при изготовлении подобных систем, являются промышленными, а не бытовыми. Промышленные компоненты изначально имеют продолжительный рабочий ресурс эксплуатации, для каждого компонента имеются заменяемые и ремонтопригодные части. Производитель частей и компонентов гарантирует их наличие в течение 10 лет после снятия их с производства.
Срок службы компонентов, а значит, и всей прецизионной промышленной системы от 10 лет и выше. Таким образом, надежность таких систем гораздо выше, чем полубытовых и бытовых систем. Применение последних, рассчитанных на восьмичасовую работу в летнее время, модернизированных электронагревателями, приводит к быстрой выработке ресурса.
Для снижения шумовых давлений бытовые кондиционеры изначально оснащены вентиляторами с малым расходом воздуха. Кратность воздухообмена прецизионных систем на испарителе в три раза превышает воздухообмен бытовых систем. Таким образом, холодопроизводительность таких систем достигается за счет увеличения разности температуры, а именно, за счет занижения исходящей температуры воздуха из испарителя. Следствием данной архитектуры являются два вредных фактора для тепловыделяющего оборудования:
1) заниженный расход воздуха не позволяет обдувать все оборудование полностью, в связи с чем, возникают тепловые барьеры в помещении возле оборудования и в дальних углах помещения (см. рис);


Верхний рисунок показывает полный обдув оборудования.
На нижнем рисунке видно как малый расход воздуха не обдувает оборудование, и создаются застойные тепловые барьеры в помещении.

Следствием небольшой кратности рециркуляционного воздухообмена в помещении является невозможность точно поддерживать параметр температуры воздуха.

верхний график: прецизионный кондиционер
нижний график: бытовой кондиционер
2) заниженный параметр исходящей температуры (ниже точки росы) приводит к постоянному осушению воздуха в помещении и, как следствие, нарушению ТУ.


верхняя синусоида – показатель постоянной влажности воздуха при работе прецизионного кондиционера
нижний график (обратная парабола) – показатель снижения влажности при работе бытового кондиционера, т.е. постоянное осушение воздуха.

В помещениях с высокотехнологичным оборудованием нельзя устанавливать бытовые системы.

Задачи снятия тепловых нагрузок в высокотехнологических помещениях можно решать только с помощью промышленного оборудования. Почему на практике всегда применяется прецизионная система? Дело в том, что производитель такой техники следует требованиям по компактности, шумовому давлению и управлению системы.
Отличие обычных промышленных систем кондиционирования от прецизионных заключается в следующем.
Заводская технология производства промышленных систем кондиционирования не позволяет создать вертикальный агрегат с воздухоохладителем и камерой увлажнения. Причина в отсутствии вертикального каплеуловителя и системы отвода дренажа и конденсата.
Вертикальный поток воздуха в прецизионном кондиционере обусловлен естественным скапливанием теплого воздуха наверху помещения и очень часто наличием фальшпола, используемый как приточный воздуховод. В настоящее время производитель прецизионного кондиционирования декларирует, что 1 кв.м. занимаемой площади прецизионного оборудования позволяет снимать тепловую нагрузку в 42кВт.
Диапазон рабочих температур у прецизионных систем: от -60°С до +50°С. Для территории нашей страны очень важным является нижний барьер наружной температуры для безотказного функционирования системы охлаждения, который достигается за счет применения различных дополнительных компонентов системы. Первый такой компонент - вентилятор, устанавливаемый на наружном воздушном конденсаторе. Смазка его подшипника должна оставаться вязкой и не смерзаться при температуре -60°С.
Постоянно работающий холодильный контур: компрессор + испаритель + конденсатор, - может работать без остановки и без дополнительных элементов до -60°С, но в случае остановки компрессора по сигналу контроллера, например, по достижении заданной в помещении температуры, хладагент в вышеупомянутой системе начинает остывать, чему сильно способствует холодный наружный воздух. Таким образом, хладагент, уменьшаясь в объеме, снижает давление сети. Все без исключения компрессоры оснащены защитным клапаном низкого давления, функция которого - защита от сухого хода компрессора в случае разгерметизации и утечки хладагента. При температуре ниже -5°С давление в сети достигает значения срабатывания клапана по низкому давлению и компрессор не будет включаться, а система выдаст сообщение об аварии из-за низкого давления сети.

Способы снижения рабочего диапазона температур
Первым способом снизить рабочий диапазон до -20°С является использование плавного вращения вентилятора наружного воздуха вентилятора конденсатора. Таким образом, при снижении давления в системе, вентиляторы будут снижать расход воздуха, тем самым, повышая температуру конденсации и не давать выключиться компрессору на длительное время. Это не позволить остыть системе до значения аварийного датчика низкого давления. Подобная система применяется у нас на площадках в г. Ростов-на-Дону, Волгодонск и других городах в южных районах страны, где температура не опускается ниже -20°С.
Второй способ, наиболее распространенный в России, заключается в использовании комплекта оборудования для работы при температуре от -20°С до -45°С. В состав комплекта входит специально подобранный по объему внешний ресивер, два перепускных клапана KVR и KVD, по виду похожие на трехходовые и обратные клапаны.
При помощи вышеперечисленных элементов во время монтажа собираются два контура: малый и большой. В штатном режиме система работает по большому контуру, как в классическом варианте. При снижении давления сети перепускные клапана шунтируют большой контур, образуя малый. Для поддержания необходимого давления сети, недостающий хладагент берется системой из ресивера, а в случае повышения давления, излишний хладагент возвращается в ресивер. Таким образом, система с зимним комплектом для работы при температуре до -45°С заправляется большим количеством хладагента во время пусконаладочных работ.
Эта система требует точного расчета и подбора ресивера, а также грамотной настройки перепускных клапанов во время пусконаладочных работ.
Комплект для работы при температуре до -60°С отличается выбором наружного конденсатора с вентиляторами, работающими в «при очень низких температурах» и размерами ресивера и перепускных клапанов. Так, в настоящее время в Якутске уже более шести лет функционирует система кондиционирования STULZ CCD 351A немецкого производства прямого испарения с комплектом для работы при температуре до -60°С. 

Плюсы и минусы свободного охлаждения
Еще в начале 90-х годов прошлого века на российском рынке иностранный производитель систем прецизионного кондиционирования начал активно продвигать идею использования свободного охлаждения, как опции в зимний период в стандартных системах кондиционирования. С экономической точки зрения эта идея была превосходна. Подобное решение позволяет экономить ресурс компрессора и, как следствие, потребляемую электроэнергию. Также отсутствует необходимость в установке комплекта зимнего пуска. На первый взгляд система имела только один недостаток: необходимость монтажа громоздких воздуховодов для подачи свежего воздуха и наличие больших отверстий для установки наружных решеток. За всеми этими плюсами и минусами скрывались два очень важных негативных фактора.
Во-первых, холодный воздух (-26°С) нельзя необработанным подать в технологическое помещение, его необходимо нагревать до +18-20°С. Для этого используется смешение отработанного воздуха из тепловыделяющего помещения. При смешении холодного и теплого воздуха происходит выпадение конденсата в камере смешения, что приводит к намоканию воздушных фильтров, и, как следствие, превышению сопротивления и снижению расхода воздуха. Для предотвращения этого эффекта приточный воздух нагревают до +2-3°С, для чего необходимо затратить электроэнергию. При очень низких температурах электроэнергии расходуется больше, чем удается сэкономить от простоя компрессора.
Во-вторых, практически все тепловыделяющее оборудование имеет ТУ на влажность воздуха, обычно в диапазоне от 40 до 55% отн. вл., допускается диапазон от 20 до 80% отн. вл. В зимний период влагосодержание воздуха близко к нулю. Как известно, подогрев воздуха не приводит к появлению в нем влаги, а значит, и относительная влажность при описанном выше свободном охлаждении будет ниже 5-10%. Таким образом, появляется необходимость постоянного увлажнения сухого наружного воздух до заданной величины 40%. Увлажнение происходит за счет работы электрического электронного парогенератора, которому требуется постоянная электроэнергия и расходный материал в виде цилиндров или электродов.
Такой способ свободного охлаждения сложно назвать энергосберегающим. В связи с чем целесообразнее использовать системы свободного охлаждения на основе передачи наружного холода через водно-гликолевую смесь.

Системы свободного охлаждения на основе передачи наружного холода через водно-гликолевую смесь
В конструктиве таких агрегатов имеются два водо-воздушных теплообменника, один из которых - штатный испаритель. Основой свободного охлаждения является пластинчатый конденсатор хладагент - раствор воды-гликоля, установленный в корпусе внутреннего модуля кондиционера. На улице расположена сухая градирня (dry cooler), соединенная в летнее время через жидкостной пластинчатый конденсатор с компрессором. Когда температура наружного воздуха опускается ниже +15°С, перепускные клапана переключают путь охлажденной жидкости от пластинчатого конденсатора на второй воздушный теплообменник (воздухоохладитель). Охлажденная воздухом жидкость попадает напрямую в шкаф кондиционера и происходит свободное охлаждение, при котором не изменяется влагосодержание воздуха внутри помещения. Такое свободное охлаждение действительно является экономически выгодным. Принимая в расчет стоимость электроэнергии 3 руб./кВт (как в Германии) стоимость начальных инвестиций в такую систему окупает ее по сравнению с классической за три года эксплуатации 

Использование систем прецизионного кондиционирования в технологических помещениях
Вечная проблема любого заказчика - размещение как можно большего количества оборудования в минимально возможном помещении таким образом, чтобы осталось свободное место под дальнейшее расширение.
По правилам проектирования межрядное расстояние между оборудованием меньше, если оно установлено на фальшполе. Это позволяет в том же помещении аккуратно разместить кабельные системы (СКС) для оборудования. Это же пространство используется как воздуховод (статическая камера) для прецизионного кондиционирования. За рубежом нормы проектирования рекомендуют высоту фальшпола от 400 мм. На это имеется ряд причин.
Первая состоит в том, что при занижении высоты фальшпола увеличивается сопротивление воздуха и, как следствие, уменьшается расход воздуха на стойках оборудования. Как видно из диаграммы, на низкой высоте фальшпола (~150-300 мм) воздух начинает выходить из открытого пространства фальшпола только на 4–8-й плитках. В противном случае в плитках будет отрицательный поток, т. е. будет происходить засасывание воздуха и подмес теплого и охлажденного воздуха.
Первоисточник: IBM

Plenum Height-высота фальшпольного пространства указана в дюймах (inches)
Flow Rate – поток воздуха из отверстий в фальшполе
Tile Numbers – порядковый номер плитки начиная от системы кондиционирования

Вторая причина состоит в том, что при начальном, а чаще при последующем монтаже или изменениях существующей СКС, под полом возникают барьеры - узлы на пути воздуха, и дополнительное сопротивление может возникнуть снова. Причина уже известна.
Следует грамотно устанавливать напольные вентиляционные плиты или напольные решетки. Слишком близкое их расположение может привести к отрицательному эффекту - засасыванию (инжекции) теплого воздуха из помещения в пространство фальшпола. В подобном случае рекомендуется не менять месторасположение вентиляционных плит или в случае необходимости проконсультироваться с проектировщиком системы кондиционирования. Как видно из приведенной диаграммы, на первых по порядку плитках, начиная от шкафа кондиционирования, при живом сечении свыше 15% будет отрицательный поток, т. е. будет происходить засасывание воздуха через эти плитки в пространство фальшпола. В случае установки плитки с большим сечением, после 10-й плитки весь воздух может выйти через нее и не дойти до дальних зон помещения.
Первоисточник: IBM
The Open Area – живое сечение в вентиляционной плите или процент отрытого пространства на плитке (например вырез под стойкой)

Естественное, не принудительное движение воздуха происходит снизу вверх, теплый воздух стремится подняться вверх, а холодный опускается вниз. При отсутствии механической (принудительной) вентиляции воздух вдоль стойки будет подниматься сверху вниз. Потому использование систем кондиционирования с верхним обдувом может привести с «замыканию», т. к. возникнет противоток естественной и принудительной вентиляции. Как следствие, могут возникнуть тепловые барьеры в нижних частях стоек (технологического оборудования). Даже если техническое задание не предусматривает наличие фальшпола и оборудование располагается на чистом полу, следует применять системы с нижним обдувом через решетки статического короба, являющегося основанием прецизионного кондиционера.

Дистанционное управление микроклиматом
Развитие современных технологий предусматривает постоянное совершенствование и внедрение новых разработок в уже существующие системы. В технологических помещениях происходит запланированное или внезапно необходимое расширение существующего оборудования. Все вышеперечисленное требует постоянного совершенствования существующих прецизионных систем кондиционирования воздуха. Уже сегодня прецизионные промышленные системы оснащены контроллерами, способными расширяться нелимитированным количеством охлаждающих модулей. Таким образом, под одну систему управления можно добавлять и добавлять модули охлаждения, ничего не меняя для пользователя.
Последней тенденцией в развитии прецизионного кондиционирования воздуха стало дистанционное управление микроклиматом. Прежде всего, это связано с развитием удаленных точек у заказчика и с задачами по минимизации влияния человеческого фактора на процессы и ограничения доступа обслуживающего персонала на площадку. Это позволяет дистанционно определить возможную неполадку, подготовить необходимые части и инструменты и в кратчайшее время решить внештатную ситуацию на удаленной точке заказчика. Применяемые контроллеры в кондиционерах STULZ позволяют передавать данные для управления системой по любым существующим в настоящее время протоколам, (включая самые распространенные: SNMP и HTTP).
В настоящее время решается подобная задача в ранее установленной сети коммутаторов и серверных мобильного оператора ОАО «РеКом», где каждая площадка (гг. Липецк, Брянск, Орел) будет видна с одного диспетчерского пункта в г. Орле, и аварийные сигналы будут поступать в сервисный центр ближайшего дилера Группы компаний «Хоссер», которая является эксклюзивным поставщиком оборудования STULZ на территории РФ. Аналогичная система диспетчеризации реализуется в настоящее время в Банке Москвы.

Применение
Нельзя не упомянуть об особенностях рынка климата в России, как я это вижу. Как правило, приобретая любое технологическое оборудование бытового, а тем более промышленного уровня, каждый покупатель задумывается об одних и тех же вопросах.
- желательно, чтобы бренд был известным;
- чтобы происхождение бренда имело корни в индустриально развитых странах. Европа, США, Япония;
- чтобы товар был собран непосредственно на заводе изготовителе;
- чтобы характеристики товара были наиболее энергоэффективными и экономичными;
- чтобы проектирование, поставку, монтаж, пуско-наладку, сервисное обслуживание выполняла одна компания, а не несколько;
- отсутствие посредников. Я хочу иметь дело с эксклюзивным поставщиком. Он ответственен, у него сертифицированные специалисты знающие эту технику лучше всех;
- посредники забирают долю стоимости проекта, за которую можно получить все работы от поставщика и ещё средства будут сэкономлены.

STULZ отвечает на все эти вопросы положительно.

В заключение
В настоящее время существует тенденция большого роста тепловыделений в технологических помещениях, что приводит к созданию огромных систем воздушного охлаждения. Причем растет именно плотность тепловыделений на 1 м2 площади оборудования. Но у традиционного прецизионного кондиционирования существуют границы возможностей, определяемые физикой процесса. Т.е. в технологическом помещении можно организовать охлаждаемый поток сколь угодной мощности, соорудить тайфун местного масштаба. Возможно, даже потоком воздуха поднять в воздух стойку с серверами. А вот качественно охладить нельзя. При высоких значениях удельных теплоизбытков на 1 м2, Неизбежен локальный перегрев внутри серверной стойки. И в этом случае не помогут никакие доводчики, только усложняющие, утяжеляющие, (а значит, снижающие надёжность) архитектуру климатического оборудования в ЦОД и, безусловно, резко увеличивающие как капитальные, так и эксплуатационные затраты. Единственным решением данной задачи является непосредственный подвод технологической охлажденной воды в стойку или к электронному элементу. Жидкостные элементы расположены внизу стойки, ниже устанавливаемого оборудования, т.о. исключен его контакт с жидкостью. Контроллер охлаждающей машины оснащен аварийным отключением по напольным датчикам протечки, с отключением запорных клапанов на магистрали с охлажденной жидкостью.

Рассчитанная температура охлаждающей жидкости, подаваемая в теплообменник, позволяет не опускаться ниже точки росы, что приводит к постоянному влагосодержанию в стойке, и отсутствию конденсата на оборудовании.
Положительные факторы данного оборудования:
Система герметична и может использоваться в любом технологическом помещении. Самое замечательное, что, используя связку решений Cyber Chill – Datachiller, либо Cyber Cool возможна организация гарантированного поддержания микроклиматических параметров воздуха для ЦОД любой конфигурации. Т.е. применяя внешние чиллеры Cyber Cool и промежуточные насосные станции STULZ CPI, для выхода охлаждённой воды для стоек 12 градусов, либо используя только Datachiller, организуется не только зона непосредственного вычислителя в водоохлаждаемых серверных стойках различной производительности (до 10. до 15, до 26, либо до 35 кВт на стойку), но и посредством использования прецизионных кондиционеров на охлаждённой воде, поддерживается микроклимат для остального оборудования ЦОД (систем хранения, маршрутизаторов, ИБП и т.д.) выделяющего значительно меньшее количество тепла и позволяющее применить традиционное климатическое оборудование.
Отсутствие большого рециркуляционного потока позволяет сильно снизить уровень шума в помещении.
Высокая плотность расположения тепловыделяемого оборудования в одной стойке. Без таких стоек Заказчик мог установить в одну стойку не более одного сервера с тепловыделением 4,2 кВт. Остальное пространство стойки заполнялось не полностью и приходилось устанавливать дополнительные стойки. Такая возможность позволяет реконструировать существующие ЦОД (центры обработки данных) при увеличении их тепловой нагрузки за счет установки 2-3х стоек с водяным охладителем по 26 кВт и расположением в них всех существующих серверов и установкой дополнительных водоохлаждаемых стоек, в требуемом количестве.
При проектировании таких систем водоохлаждения необходимо на начальном этапе проектировать модульные водоохлаждающие агрегаты с возможностью установки дополнительных модулей с минимальной модернизацией системы управления. Магистральный подающий и обратный трубопроводы необходимо проектировать большого диаметра. Это позволит в случае добавления модулей охлаждения не менять магистральные трубопроводы в технологическом помещении, а использовать спроектированные и ранее смонтированные отводы с запорной арматурой для подсоединения новых водоохлаждающих стоек. Пуско-наладочные работы будут заключаться только в настройке установленных ранее на каждом ответвлении охлажденной жидкости балансировочных клапанов.