Отличия между прецизионными и комфортными кондиционерами

Автор статьи: Федотов В.Г.

В рамках данной статьи рассмотрим требования, предъявляемые к системам микроклимата небольших серверных и центров обработки данных, а так же уделим внимание отличиям прецизионного оборудования от систем изначально не предназначающихся для снятия теплоизбытков с IT оборудования. (сплит-системы комфортного класса.)

Требования к системам охлаждения серверных:

• надёжность и безотказность работы
• эффективная ассимиляция теплоизбытков от оборудования
• возможность работы на охлаждение при отрицательных температурах наружного воздуха

Параметры по которым выбирают данные системы:

• стоимость капитальных вложений
• величина затрат при эксплуатации
• эффективность работы
• надёжность оборудования
• удобство эксплуатации и обслуживания

Итак, все кондиционеры делятся на промышленные и комфортные.

При устройстве системы кондиционирования небольших серверных, как правило, устанавливают недорогие сплит-системы с резервированием по схеме N+1, переключением по блоку ротации и низкотемпературным комплектом для возможности работы на охлаждение при отрицательных температурах наружного воздуха. Делают так, как правило, чтобы сэкономить на стоимости оборудования, т.к. стоимость прецизионных кондиционеров в разы отличается от стоимости сплит-систем комфортного класса. Чем же отличаются бытовые системы кондиционирования от прецизионных? Рассмотрим данный вопрос подробнее.

Прецизионный кондиционер (от франц. precision-точность) – холодильная машина промышленного класса для охлаждения воздуха.

Чем прецизионный кондиционер отличается от бытовых систем?

1. Прежде всего, как следует из названия, точностью поддержания параметров воздуха. Прецизионные кондиционеры могут поддерживать температуру в помещении с точностью ±0,5 °C ,а относительную влажность с точностью ±5%. У бытовой серии температура поддерживается с точностью ±5 °C, а поддержания влажности не осуществляется вовсе.
2. Количество прокачиваемого через кондиционер воздуха. У прецизионных кондиционеров воздуха через испаритель проходит в разы больше, т.к. основная его задача именно в максимальной эффективности охлаждения, а не в создании комфортных параметров внутри помещения, где находятся люди. Типичный показатель расхода воздуха для прецизионного оборудования 270-300 м3/ч на 1 кВт холодильной мощности. Это позволяет расположить кондиционер на большем расстоянии от используемого оборудования.
3. Конструкция прецизионного кондиционера изначально рассчитана на круглосуточную и круглогодичную работу в течение всего срока эксплуатации (10-15 лет непрерывной работы) MTBF фактор (Mean Time Between Failure-среднее время между отказами) составляет 5…10 лет. Комфортная серия кондиционеров рассчитана, в среднем, только на летнюю эксплуатацию и время работы не более 8 часов в день. (4-5 лет эксплуатации с перерывами в работе). MTBF фактор-1 год. А это значит, что прецизионные кондиционеры гораздо долговечнее и надёжнее.
4. Оптимизация KSHR (Коэффициент явного охлаждения) У прецизионных моделей он равен 0.95 и более, против 0.65 у кондиционеров бытовой серии. KSHR - отношение между явным и полным теплом для определенного процесса (охлаждения в нашем случае). (SHR - Sensible Heat Ratio). Внесём некоторые пояснения, тепло, расходуемое на изменение температуры вещества, называется явным (QSensible). Как пример данного процесса можно привести изменение температуры воздуха без изменения его фазового состояния. Обозначим его QSensible. Тепло, используемое для изменения состояния вещества в процессе фазового перехода, называется скрытым (Latent).Скрытое тепло не влияет на температуру вещества, а влияет только на состояние вещества в процессе фазового перехода (выпадение влаги из воздуха в нашем случае). Обозначим его QLatent. Сумма явного и скрытого тепла называется полным. Обозначим его QFull. Таким образом, KSHR будет выглядеть следующим образом:

   

   Воздух, проходя через испаритель кондиционера, охлаждается до температуры точки росы и из него начинает выпадать конденсат. Количество выпавшего конденсата будет зависеть от начальных параметров воздуха и от конструкции испарителя кондиционера. Получается, что чем выше у кондиционера KSHR, тем меньше конденсата будет удаляться из воздуха и, следовательно, электроэнергия кондиционера будет более эффективно расходоваться именно на изменение температуры воздуха (что и требуется нам для снятия тепловыделений от серверов), а не на осушение воздуха. Так же стоит отметить, что при температуре и влажности, типичных для охлаждения серверного оборудования, явная и полная производительность между собой не равны и KSHR будет всегда меньше единицы. Получается чем ближе KSHR будет к единице, тем большая часть холодильной мощности будет расходоваться с пользой и работа кондиционера на охлаждение будет более энергоэффективна, не будет происходить ненужного нам осушения воздуха. Почему у прецизионных кондиционеров KSHR больше? Дело в том, что у них испаритель больших размеров, а это значит, что для достижения определённой холодопроизводительности можно сделать температуру кипения фреона в испарителе выше, чем у бытовых моделей.
5. Более продвинутая система автоматики. Наличие штатного функционала удалённого мониторинга и управления (диспетчеризация) и совместной работы устройств.
6. У прецизионных кондиционеров больше возможностей по выпуску и забору воздуха, например, с помощью прецизионного кондиционера можно организовать нижнее распределение воздуха для раздачи воздуха через фальш-пол, у бытовых сплит-систем такие возможности отсутствуют.
7. У прецизионных кондиционеров возможна организация фрикулинга. (есть даже модели фреоновых прецизионных кондиционеров с данной функцией).Тем самым возможно снижение эксплуатационных затрат в холодный период года, что очень актуально для большинства регионов России. Возможность организации фрикулинга отсутствует у бытовых кондиционеров.
8. Прецизионные и бытовые кондиционеры тестируются при разных условиях внутреннего и наружного воздуха. Приведём условия тестирования Eurovent. Кондиционеры бытового класса в данных тестирования обозначаются AC- Comfort Air Conditioners. Их условия тестирования:

    

   Стандартные условия работы
   	Внутренний блок		Наружный блок
   	Входящий воздух		Входящий воздух		Вода
   	Сухой термометр, °C	Мокрый термометр, °C	Сухой термометр, °C	Мокрый термометр, °C	Вход, °C	Выход, °C
   Охлажде-ние	27	19	35	24	30	35
   Нагрев	20	15 max	7	6	5

    

   Прецизионная группа оборудования обозначается СС-Close Control Air Conditioners Их условия тестирования:

    

   Стандартные условия испытаний
   	Внутренний блок				Наружный блок
   	Входящий воздух		Холодная вода		Входящий воздух		Вода
   	Сухой термометр, °C	Мокрый термометр, °C	вход, °C	выход, °C	Сухой термометр, °C	Мокрый термометр, °C	вход, °C	выход, °C
   Прямое расширение (DX)	24	17	-	-	35	24	30	35
   Охлаждённая вода (CW)	24	17	7	12,5	-		-	-

    

   Как видно из представленных таблиц, прецизионные кондиционеры тестируются при более низких температурах внутреннего воздуха в помещении. Как известно, производительность холодильной машины увеличивается при увеличении температурного перепада на испарителе, а это значит, что если сравнить равные по полной холодильной мощности кондиционеры, протестированные по нормам Eurovent, то в действительности, полная холодильная мощность прецизионного кондиционера окажется несколько выше, чем у его бытового собрата.

Итак, что нужно учитывать при подборе холодильной мощности кондиционера в серверную?

1. Его KSHR, зная пропорцию между явным и полным теплом, мы будем знать - какая часть явной холодильной мощности пойдёт на снятие теплоизбытков от компьютерного оборудования. Важно! Получается, что не более 65% процентов от полной холодильной мощности бытовых сплит-систем идёт на снятие теплоизбытков, остальная часть сливается в канализацию в виде конденсата. (при стандартных условиях тестирования) В любом случае KSHR зависит от состояния воздуха на входе в кондиционер, чем холоднее и суше воздух на входе в испаритель, тем KSHR ближе к единице. Таким образом, если в помещении нет влагопоступлений, то через определённый промежуток времени, KSHR будет приближаться к единице. (см. рис 1).и разница в работе прецизионного кондиционера и комфортного уже не будет такой существенной.(при этом установившемся процессе влагосодержание воздуха в помещении, охлаждаемым прецизионным кондиционером, будет несколько выше чем при использовании бытового кондиционера за счёт более высокой температуры испарителя)
   

   Рис. 1
    
   Полная и явная производительности кондиционера в зависимости от изменения относительной влажности на входе в испаритель (температура на входе +24 °C, наружная температура +32 °C) на примере внутреннего блока VRV системы второго поколения Daikin FXFQ50MVE [1]
2. Нужно понимать, что даже по условиям Eurovent, допускается отклонение ±7,0% фактической холодопроизводительности от результатов тестирования, поэтому нужно подбирать мощность кондиционера с поправкой на эти отклонения.
3. Нужно знать требуемую температуру воздуха в помещении, т.к. он неё зависит производительность кондиционера, при понижении температуры воздуха в помещении холодопроизводительность кондиционера уменьшается, при увеличении температуры, производительность увеличивается.
4. Так же производительность кондиционера зависит от температуры наружного воздуха, при сильной жаре она уменьшается, т.к. кондиционер работает по принципу теплового насоса, сбрасывать тепло в окружающую среду становится всё сложнее при уменьшении дельты между температурой конденсации и окружающей средой.

Так же приведём параметры, которые нужно поддерживать в помещении, в котором находится работающее IT-оборудование - согласно ASHRAE TC 9.9 от 2014 года для компьютерного оборудования групп А1-А2 рекомендуемый диапазон температур и относительной влажности составляет:

При точке росы dp=+5,5 °C относительная влажность будет составлять 43,7% при температуре 18 °C и 25,3% при температуре 27°C. Система кондиционирования должна быть рассчитана на создание температурно-влажностных условий, рекомендованных производителями конкретного IT-оборудования.

При копировании материала обязательна ссылка на первоисточник.

Материалы, используемые при подготовке статьи:

[1] Курс лекций «Кондиционеры фирмы DAIKIN» к.т.н. Штейн А.С. Москва 2003 г.

[2] «Охлаждение серверных и ЦОД» М.А. Балкаров. Киев 2011 г.

[3] ASHRAE TC 9.9 от 2014 г.