Прецизионные системы применяются в технологических помещениях, где установлено высокоточное оборудование, функционирование которого требует поддержания точных параметров температуры и влажности воздуха, а также в операционных блоках больниц с подобными параметрами и необходимостью точного поддержания количества и качества воздуха в рабочей зоне. Всего этого можно достигнуть только при использовании промышленных прецизионных систем, архитектура которых разрабатывается специально и ежегодно совершенствуется для решения подобных задач. Преимущества использования прецизионных систем Употребление слова «промышленный» связано с тем, что компоненты, применяемые при изготовлении данных систем, являются промышленными, а не бытовыми. Промышленные компоненты изначально имеют продолжительный рабочий ресурс эксплуатации, для каждого из них имеются ремонтопригодные части. Производитель частей и компонентов гарантирует их наличие в течение десяти лет после снятия их с производства. Срок службы компонентов, а значит, и всей прецизионной промышленной системы составляет десять лет и более. Таким образом, надежность прецизионных систем гораздо выше, чем полубытовых и бытовых (15 лет — 3 года).В помещениях с высокотехнологичным оборудованием нельзя устанавливать бытовые системы кондиционирования. Применение последних, рассчитанных на 8часовую работу в летнее время и модернизированных электронагревателями, приводит к быстрой выработке их ресурса. Для снижения шумовых давлений бытовые кондиционеры оснащены вентиляторами с малым расходом воздуха. Кратность воздухообмена прецизионных систем на испарителе в три раза превышает воздухообмен бытовых систем. Таким образом, холодопроизводительность бытовых систем достигается за счет увеличения разности температуры, а именно: за счет занижения исходящей температуры воздуха из испарителя. Следствием данной архитектуры являются два фактора, вредных для тепловыделяющего оборудования.1. Заниженный расход воздуха не позволяет обдувать все оборудование полностью, поэтому возникают тепловые барьеры в дальних углах помещения и возле оборудования (рис. 1). Следствием небольшой кратности рециркуляционного воздухообмена в помещении является невозможность точно поддерживать параметры температуры воздуха (рис. 2).2. Заниженный параметр исходящей температуры (ниже точки росы) приводит к постоянному осушению воздуха в помещении и, как следствие, нарушению ТУ (рис. 3).Снять тепловые нагрузки в высокотехнологических помещениях можно только с помощью промышленного оборудования. Почему на практике всегда применяется прецизионная система? Прецизионная техника способна поддерживать точные параметры микроклимата, компактна, соответствует требованиям по управлению системой и шумовому давлению. 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 — отсутствие вертикального каплеуловителя и системы отвода дренажа и конденсата. Вертикальный поток воздуха в прецизионном кондиционере обусловлен естественным скапливанием теплого воздуха наверху помещения и часто наличием фальшпола, который используется как приточный воздуховод. В настоящее время производитель систем прецизионного кондиционирования декларирует, что 1 м2 занимаемой площади прецизионного оборудования позволяет снимать тепловую нагрузку в 42 кВт. Диапазон рабочих температур прецизионных систем от –60 до +50 °С. В российских климатических условиях для безотказного функционирования системы охлаждения очень важным является нижний барьер наружной температуры, 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 замерзать при температуре –60 °С. Постоянно действующий холодильный контур (компрессор ? испаритель ? конденсатор) может работать без остановки и дополнительных элементов при температуре 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 способствует наружный холодный воздух. Таким образом, хладагент, уменьшаясь в объеме, снижает давление в сети. Все без исключения компрессоры оснащены клапаном низкого давления, функция которого заключается в защите компрессора от сухого хода 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 в сети. Способы снижения рабочего диапазона температур Первым способом снижения рабочего диапазона до –20 °С является использование плавного вращения вентилятора наружного воздуха — вентилятора конденсатора. Таким образом, при снижении давления в системе вентиляторы будут уменьшать расход воздуха, повышая температуру конденсации, и не дадут выключиться компрессору на длительное время. Это не позволит системе остыть до значения аварийного датчика низкого давления. Подобная система применяется на площадках Ростова-на-Дону, Волгодонска и других городов южных районов 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 до –45 °С. В него входят специально подобранный по объему внешний ресивер, два перепускных клапана KVR и KVD, по виду похожие на трехходовые и обратные клапаны. При помощи перечисленных 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 в сети перепускные клапаны шунтируют большой контур, образуя малый. Для поддержания необходимого давления в 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 наружным конденсатором с вентиляторами, работающими при очень низких температурах, размерами ресивера и перепускных клапанов. Так, в настоящее время в Якутске на GSM MSC коммутаторе компании Siemens уже более шести лет функционирует система кондиционирования немецкого производства Stulz CCD 351A прямого испарения с комплектом для работы при температуре до –60 °С.При интеграции системы прецизионного кондиционирования специалисты компании столкнулись с двумя проблемами. Первая — отсутствие на заводе в Германии конденсаторных наружных блоков с осевыми вентиляторами, имеющими смазку подшипников, с гарантированной вязкостью ниже –45 °С. Производителю пришлось менять вентиляторы на воздухоохлаждаемых конденсаторах со смазкой до –60 °С. Второй и основной проблемой стала необходимость рассчитать и правильно подобрать комплект обвязки холодного контура между компрессором и конденсатором. Для того чтобы решить данную задачу, пришлось устанавливать ресивер в помещении в пространстве фальшпола возле кондиционеров, а не как обычно на улице. На другой площадке в Якутске заказчик предоставил для серверной арендованное помещение, имеющее небольшую площадь и высоту. Места для установки ресиверов под фальшполом не нашлось. Было решено установить их в теплом чердачном помещении, этажом выше. Но возникла проблема с размещением конденсаторов размером 2360?770 мм и весом 85 кг. По предложению заказчика конденсаторы были установлены на чердаке. Поскольку чердачное помещение было проветриваемым, то на двух выходах, расположенных на разных сторонах ската, были установлены две несмерзаемые воздушные заслонки. Самый простой контроллер закрывал заслонки на проветривание, когда температура в чердачном помещении над конденсаторами опускалась ниже –20 °С. Это позволило использовать штатные вентиляторы на конденсаторах. Однако заказчику пришлось в дальнейшем платить арендную плату и за эту часть чердачного помещения. Резюмируя описанные выше примеры установки прецизионных систем кондиционирования в условиях низких температур, можно сделать следующие выводы. Решение, принятое в первом случае, — наиболее универсальное для любых площадок с наружной температурой ниже –60 °С. Однако при этом в помещении приходится устанавливать крупногабаритное оборудование (ресиверы большого размера), что значительно сокращает свободную площадь помещения. К тому же требуются дополнительные затраты на закупку специальных вентиляторов. Второе решение является исключением из первого правила, но сокращение сроков производства конденсаторов и отсутствие дополнительных крупных инвестиций, за исключением затрат на закупку заслонок и контроллера, делают этот вариант более предпочтительным. Очень часто помещения, предоставляемые заказчиком под монтаж оборудования, являются арендованными. И тогда при первичном осмотре объекта необходимо согласие арендодателя на такое прохождение трассы, а самое главное — на расположение наружных блоков. Например, осенью 2005 г. в Екатеринбурге специалисты компании, уже имея на руках согласованный с заказчиком проект, вынуждены были приостановить монтаж наружных блоков на кровле здания по запрету арендодателя. На самом деле этот запрет имеет под собой основание. Ведь помимо согласований с городскими архитектурными организациями, существует процедура проверки несущей способности кровли для конденсатора и его бетонного основания. Проводить такую экспертизу может только владелец здания, подпись представителя которого должна быть в монтажном проекте. Плюсы и минусы свободного охлаждения Еще в начале 90х гг. прошлого века на российском рынке иностранный производитель систем прецизионного кондиционирования начал активно продвигать идею использования свободного охлаждения как новое решение проблемы запуска кондиционеров в зимний период для стандартных систем кондиционирования. С экономической точки зрения эта идея превосходна. Подобное решение позволяет экономить ресурс компрессора и, как следствие, потребляемую электроэнергию. Кроме того, нет необходимости устанавливать комплект зимнего пуска. На первый взгляд система имеет только один недостаток: монтаж громоздких воздуховодов для подачи свежего воздуха и наличие больших отверстий для установки наружных решеток. За всеми этими плюсами и минусами скрываются два негативных фактора. Во-первых, холодный воздух (–26 °С) нельзя подать в технологическое помещение, его необходимо нагревать до 18–20 °С, для чего используется смешение отработанного воздуха из тепловыделяющего помещения. При смешении холодного и теплого воздуха выпадает конденсат в камере смешения, намокают воздушные фильтры, следовательно, превышается сопротивление и снижается расход воздуха. Для предотвращения этого приточный воздух нагревают до 2–3 °С (с затратой электроэнергии). 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 воздуха до заданной величины. Увлажнение происходит за счет работы 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 таких агрегатах имеются два водо-воздушных теплообменника, один из которых — штатный испаритель. Основой свободного охлаждения является пластинчатый конденсатор, установленный в корпусе внутреннего модуля кондиционера, хладагент — водный раствор гликоля. На улице расположена сухая градирня, соединенная в летнее время с компрессором через жидкостной пластинчатый конденсатор. Когда температура наружного воздуха опускается ниже 15 °С, перепускные клапаны 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. Например, в Германии при цене электроэнергии в пересчете на российскую валюту 3 руб/кВт стоимость начальных инвестиций в такую систему окупает ее в сравнении с классической за три года эксплуатации. Размещение систем прецизионного кондиционирования в технологических помещениях Вечная проблема любого заказчика — размещение как можно большего количества оборудования в помещении с минимально возможной площадью таким образом, чтобы осталось свободное место под дальнейшее расширение. Если оборудование установлено на фальшполе, то согласно правилам проектирования расстояние между его отдельными элементами может быть меньше, что позволяет в том же помещении разместить кабельные системы (СКС). Это же пространство используется как воздуховод (статическая камера) для прецизионного кондиционирования. К сожалению, наши нормативы проектирования никак не регламентируют высоту фальшпола, согласно зарубежным требованиям этот параметр должен составлять от 400 мм, на что имеется ряд причин. Первая причина состоит в том, что при занижении высоты фальшпола увеличивается сопротивление воздуха и, как следствие, уменьшается расход воздуха на стойках оборудования. Как видно из рис. 4, на низкой высоте фальшпола (? 150–300 мм) воздух начинает выходить из открытого пространства фальшпола только на 4–8 напольных вентиляционных плитках, расположенных по порядку от места установки системы кондиционирования. В противном случае в плитках появляется отрицательный поток, т.е. происходит засасывание воздуха и подмес теплого и охлажденного воздуха. Вторая причина 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 появиться снова, уменьшая свободное пространство под фальшполом. Следует грамотно устанавливать напольные вентиляционные плиты или напольные решетки. Слишком близкое их размещение может привести к отрицательному эффекту — засасыванию (инжекции) теплого воздуха из помещения в пространство фальшпола. В подобном случае рекомендуется проконсультироваться с проектировщиком системы кондиционирования. На первых по порядку плитках (начиная от места установки шкафа кондиционирования) при живом сечении выше 15 % появится отрицательный поток, т.е. происходит засасывание воздуха через плитки в пространство фальшпола. Если устанавливать плитки с большим сечением, после десятой плитки поток может выйти через нее и не достичь дальних зон помещения. При отсутствии механической (принудительной) вентиляции воздух вдоль стойки будет опускаться сверху вниз. Поэтому использование систем кондиционирования с верхним обдувом может привести с «замыканию», т.к. возникнет противоток естественной и принудительной вентиляции. В результате появляются тепловые барьеры в нижних частях стоек технологического оборудования. Даже если техническое задание не предусматривает наличие фальшпола, следует применять системы с нижним обдувом через решетки статического короба, являющегося основанием прецизионного кондиционера. Дистанционное управление кондиционерами и параметрами микроклимата Развитие современных технологий предусматривает постоянное совершенствование и внедрение новых разработок в уже существующие системы. В технологических помещениях происходит запланированное или внезапно необходимое увеличение количества имеющегося оборудования. Все вышеперечисленное требует постоянного совершенствования прецизионных систем кондиционирования воздуха. Уже сегодня прецизионные промышленные системы оснащены контроллерами, способными расширяться нелимитированным количеством охлаждающих модулей. Таким образом, в одну систему управления можно 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 сети региональных или районных филиалов компании заказчика и зеркальных серверных без обслуживающего персонала, а также с задачами минимизации влияния человеческого фактора на процессы и ограничением доступа обслуживающего персонала на площадку. Это позволяет дистанционно определить возможную неполадку, подготовить необходимые части, инструменты и в кратчайшее время разрешить внештатную ситуацию на удаленной точке. Так, контроллеры, применяемые в кондиционерах Stulz, позволяют передавать данные для управления системой по любым существующим ныне 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 (Липецк, Брянск, Орел) будет видна с одного диспетчерского пункта в Орле, а аварийные сигналы станут поступать в сервисный центр ближайшего дилера компании поставщика. Аналогичная система диспетчеризации реализуется в настоящее время в «Банке Москвы». Рост плотности тепловыделений на ограниченной площади Сегодня существует тенденция к большому роста тепловыделений в действующих технологических помещениях. Причем растет именно плотность тепловыделений (кВт?ч) на 1 м2 занимаемой площади оборудования. Для снятия тепловых нагрузок классической прецизионной системой воздушного охлаждения необходим большой поток воздуха для исключения перегрева всего оборудования. При скорости воздушных потоков, приближающейся к показателю аэродинамической трубы, невозможно будет войти в помещение. Единственным решением данной задачи является непосредственный подвод технологической охлажденной воды в стойку или к электронному элементу. Такие стойки выпускают многие производители. В состав стойки входят жидкостные элементы (теплообменник «вода–воздух», клапаны), расположенные внизу стойки, т.е. ниже устанавливаемого оборудования. Таким образом, исключается его контакт с жидкостью. Существует вариант расположения теплообменника сбоку стойки. Задняя дверь стойки выполняет функцию всасывающего воздуховода со встроенными вентиляторами. Здесь поток воздуха, направленный сверху вниз, естественным образом забирает теплый воздух из верхней части стойки. В случае расположения теплообменника сбоку, вентиляторы также расположены сбоку. Регулирование температуры происходит двумя способами или их комбинацией. В первом случае регулируется скорость вращения вентиляторов и предполагается незначительный перепад тепловыделения от оборудования. Второй способ позволяет менять охлаждающую мощность стойки в широком диапазоне при помощи регулирующих клапанов на теплообменнике. Для осуществления водяного охлаждения необходимо установить водоохлаждающий агрегат (чиллер). Естественно, как и в случае с кондиционерами, здесь необходимо предусмотреть резервированный водоохладитель. Оптимальным решением является использование охлаждающих агрегатов модульного типа. В случае будущего расширения новый модуль автоматически интегрируется в единую систему управления. Для повышения безопасности контроллер охлаждающей машины оснащен аварийным отключением. Сигнал поступает от напольных датчиков воды с последующим отключением запорных клапанов на магистрали с охлажденной жидкостью. Температура охлаждающей жидкости, подаваемая в теплообменник, позволяет воздуху при теплообмене не опускаться ниже точки росы, что приводит к постоянному влагосодержанию в стойке и отсутствию конденсата на оборудовании. Достоинства и недостатки прецизионных систем, охлаждаемых водой Достоинством данных систем является высокая плотность расположения тепло-выделяемого оборудования в одной стойке. Ранее в одну стойку заказчик мог установить не более одного сервера с тепловыделением до 4,2 кВт. Остальное пространство стойки заполнялось не полностью, и приходилось устанавливать дополнительные стойки. Указанная выше возможность позволяет реконструировать существующие центры обработки данных (ЦОД) при увеличении их тепловой нагрузки за счет установки двух-трех дополнительных стоек с водяным охладителем по 22 кВт и расположением в них всех существующих серверов. Отсутствие большого рециркуляционного потока позволяет намного снизить уровень шума в помещении. Недостатки: сложность проектирования и необходимость увеличения начальных инвестиций; невозможность использования фальшпола для прокладки электропитания или СКС; уровень влажности в стойке, равный уровню влажности в помещении, т.к. двери стоек периодически открываются для обслуживания серверов и сопутствующего оборудования. Особенности проектирования охлаждаемых водой систем При проектировании таких систем водоохлаждения необходимо еще на начальном этапе спроектировать модульные водоохлаждающие агрегаты с возможностью установки дополнительных модулей с минимальной модернизацией системы управления. Магистральный подающий и обратный трубопроводы необходимо предусмотреть большого диаметра (Ду 80 или Ду 100). 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. Пусконаладочные работы будут заключаться только в настройке установленных ранее на каждом ответвлении охлажденной жидкости балансировочных клапанов. Для снятия тепловых нагрузок от внешних факторов (окна, стены и перегородки с соседними помещениями) можно установить бытовой кондиционер, но он осушает воздух, который перемешивается с воздухом в стойках. В зимнее время необходимо увлажнять воздух. Рациональным решением является установка маленького прецизионного кондиционера, охлаждаемого от существующего контура охлаждения водой. Влажность в помещении будет поддерживать встроенный пароувлажнитель. Параметры, необходимые для проектирования прецизионного кондиционера Как проектировщику, так и заказчику важно знать все параметры, необходимые для правильного проектирования системы прецизионного кондиционирования. В таблицах приводится типовой список этих параметров с нашими комментариями.