Rambler's Top100
Статьи ИКС № 09 2012
Михаил БАЛКАРОВ  18 сентября 2012

Легенды и мифы прецизионного кондиционирования

Относительно использования прецизионного фальшпольного кондиционирования для охлаждения ИТ-оборудования существует целый ряд заблуждений. И если одни приводят просто к нерациональному расходованию электроэнергии, то следствия других могут быть более опасными, вплоть до повреждения систем кондиционирования.

Михаил БАЛКАРОВ, технический эксперт Emerson Network Power, ATD, CDCDPДля понимания причин возникающих проблем желательно минимальное знакомство с принципами работы кондиционеров.

Один из распространенных типов кондиционеров – кондиционер прямого расширения (DX). В публикациях, связанных с ЦОДами, его называют CRAC (Computer Room Air Conditioner). Типичная конструкция представляет собой компрессор, уличный конденсатор, расширительный клапан и внутренний испаритель, которые соединены между собой трубами в порядке данного перечисления. Благодаря разности давлений между испарителем и конденсатором жидкий фреон, проходя через управляемый расширительный клапан, впрыскивается в теплообменник испарителя. Далее за счет отъема тепла у воздуха внутри помещения капли фреона окончательно испаряются, и газообразный фреон всасывается компрессором.

Работающий компрессор постоянно поддерживает упомянутый перепад давлений. Компрессор сжимает нагретый фреон и выбрасывает его в конденсатор. Поскольку давление в конденсаторе высокое, газ превращается в жидкость при достаточно высокой температуре – порядка 50°С, что позволяет использовать уличный воздух для отвода тепла. Охлажденный фреон в конденсаторе превращается в жидкость, по трубам возвращается к клапану, и процесс повторяется (рис. 1).

Другой вариант конструкции – машины на чиллерной воде (CW), называемые также CRAH (Computer Room Air Handler). Они состоят из теплообменника жидкость/воздух, регулирующего трех- или двухходового клапана и трубной обвязки (рис. 2). Чиллерная система, обеспечивающая их холодной водой, достаточно сложна и рассматриваться здесь не будет.

Миф 1. Офисные кондиционеры аналогичны прецизионным

Такое мнение весьма популярно именно на просторах экс-СССР. Однако, несмотря на то что по конструкции кондиционеры не слишком различаются, они спроектированы и оптимизированы под совершенно разный круг задач.

К примеру, проектный срок службы офисных кондиционеров – порядка трех-пяти лет, а время наработки на отказ, приводящий к прекращению охлаждения, – около года. Причем этот срок предполагает сезонную эксплуатацию, т.е. только в теплый период года. Так что при круглосуточной круглогодичной работе, типичной для кондиционеров, которые охлаждают серверные помещения, окончательный выход из строя за один год – это признак низкого качества проекта, а не кондиционеров. В то же время прецизионные кондиционеры рассчитаны на службу в течение примерно 10 лет и имеют время наработки на отказ порядка пяти лет при круглосуточной круглогодичной работе.

Кроме того, размеры теплообменника испарителя и воздушный поток через него у бытовых моделей в разы меньше, чем у прецизионных аналогов той же мощности. Это, конечно, снижает стоимость устройства, но приводит к интенсивной конденсации влаги, что, в свою очередь, значительно уменьшает реальную холодопроизводительность (на 30–50%) и делает проблематичным поддержание оптимальной влажности в помещении. А за счет слишком малого потока воздуха и его неправильного распределения оборудование часто перегревается при формальном наличии нужного количества холода.

Поэтому рассмотренные далее проблемы с прецизионными кондиционерами в случае использования офисных только усугубляются. Причем и экономия получается мнимая, поскольку мощность систем охлаждения требуется на те же 30–50% большая, не говоря уже о том, что регулярная замена кондиционеров в работающем серверном помещении – не такая простая задача.

Миф 2. Прецизионные кондиционеры точно поддерживают температуру

В обычных DX-машинах единственный способ управления – это включение/выключение компрессора (компрессоров). Соответственно, если тепловая нагрузка на кондиционер меньше его фактической производительности, контроллер начинает периодически выключать компрессор. Частота включений компрессора и минимальное время его работы жестко задаются производителем. Это означает, что точность поддержания температуры в первую очередь зависит от тепловой инерции помещения, т.е. от времени его нагрева при выключенном кондиционере.

В случае небольшого помещения с заметной нагрузкой и при наличии только одного кондиционера ситуация на практике может выглядеть так, как изображено на рис. 3.

Если точное поддержание температуры необходимо для техпроцесса, требуется более сложная конструкция самого кондиционера. К примеру, в классических версиях используют комбинацию байпаса горячего газа и подогрева воздуха этим же газом на дополнительном теплообменнике. Также можно использовать мощные дополнительные водяные или электрические нагреватели. Очевидный недостаток подобного способа – затраты большого количества энергии, сначала на ненужное охлаждение, а потом на подогрев воздуха.

В современных моделях устанавливаются компрессоры и вентиляторы переменной производительности. Для них, в частности, наиболее оправдано применение электрически регулируемого расширительного клапана (EEV).

Получается, что при использовании простых классических моделей правильная стратегия – это подбор производительности точно под нагрузку и уставка температуры по фактически достигаемой точке равновесия. Разница в производительности для разных температурных уставок достигает 20%, что позволяет настроить систему более или менее точно.

Другой возможный вариант – увеличение тепловой инерции помещения. Этого, как правило, можно достичь относительно просто и недорого. Единственное ограничение – несущая способность перекрытий.

Наибольшую стабильность обеспечивают чиллерные кондиционеры. Хотя и у них при малой нагрузке возможны проблемы, связанные с ошибками регулировки клапана вблизи конечного положения.

При охлаждении ИТ-оборудования, как правило, не получается точно определить тепловую нагрузку. Она может быстро меняться во времени и пространстве в зависимости от выполняемых компьютерами задач. Кроме того, само компьютерное оборудование часто обновляется. К счастью, допустимый для его функционирования температурный диапазон достаточно широк. Согласно последним рекомендациям ASHRAE (ASHRAE Environmental Guidelines for Datacom Equipment. 2008) , температура на воздухозаборниках ИТ-оборудования может колебаться в пределах от 18 до 27°C.

Наихудший, хотя в случае кондиционеров большой мощности иногда вынужденно применяемый вариант – включение в помещении дополнительных электрообогревателей для достижения минимально допустимой мощности нагрузки.

Миф 3. Групповая работа нескольких кондиционеров не создает проблем

По мере роста числа кондиционеров даже простое их включение и выключение позволяет поддерживать температуру все более точно. К сожалению, в этом случае нас подстерегает еще одна неприятность: если при снижении тепловой нагрузки контроллер выключает компрессоры, не выключая вентиляторы устройств, то при постоянном воздушном потоке под фальшпол загоняется большое количество теплого воздуха.

Пусть, к примеру, два кондиционера работают со 100%-ной нагрузкой, температура на входе и выходе устройств – 25/15°C. Предположим, что нагрузка снизилась до 50% и входная температура упала до 20°C. Контроллер выключает один из компрессоров, после чего та половина попадающего под фальшпол воздуха, которая прошла через устройство с выключенным компрессором, имеет температуру 20°C, а другая половина – 10°C. В идеале эти потоки должны смешиваться, и на нагрузке – снова 15°C. Однако в реальности на плитках фальшпола возможен разброс температур от 10 до 20°C. А при выключении устройства с остановленным компрессором температура в помещении заметно падает.

Таким образом, выбор правильного режима групповой работы – это важная часть настройки контроллера.

Миф 4. Кондиционеры с компрессором переменной производительности точно поддерживают температуру

Нужно подчеркнуть, что все методы регулировки производительности компрессора имеют нижнюю границу применимости. Так что при малой нагрузке могут возникнуть те же самые проблемы, что и в вышеописанном случае.

Напомню, кондиционер состоит из четырех главных компонентов, соединенных трубами. Корень проблемы – в газовой магистрали, идущей от компрессора к конденсатору. При неполной нагрузке скорость газа внутри трубы, разумеется, меньше, чем при полной, и ее не хватает для возврата в компрессор выносимого из него масла.

Возможны два решения этой задачи. Первое – это специальный дизайн труб с дополнительными сифонами и комбинацией труб разных диаметров на вертикальных участках. В силу своей сложности этот способ, как легко догадаться, не слишком популярен.

Второе решение – периодическое включение компрессора на 100% мощности для продувки газа на высокой скорости. Нескольких минут с периодичностью раз в час достаточно, чтобы гарантировать возврат масла из магистрали.

Но при запуске этого процесса мы сталкиваемся с теми же сложностями, что и на старых устройствах с фиксированными оборотами компрессора. Сначала во время цикла прокачки масла температура может быстро и резко упасть, из-за чего кондиционер может отключиться. И за то время, пока контроллер не позволяет выполнить повторный пуск, температура в помещении может, наоборот, сильно вырасти.

Аналогичные проблемы возникают и с тандемными компрессорами, когда в одном контуре работают несколько параллельных устройств.

Регулировка при помощи ступенчатого байпаса горячего газа – либо внешнего, либо встроенного в компрессор – не вызывает таких сложностей, поскольку регулярно происходит продувка на полной мощности и специального цикла не требуется.

Миф 5. Прецизионные кондиционеры способны подготавливать уличный воздух

Прецизионные кондиционеры имеют жесткие ограничения по параметрам входного воздуха. Слишком высокая или низкая температура, высокая влажность могут остановить или даже повредить их. При обычном применении это не является проблемой, так как большая часть охлаждаемого воздуха в системе рециркулирует, а из вентиляции добавляется лишь небольшое его количество.

Подготовкой воздуха для помещений должна заниматься специализированная система, в которую, кстати, можно полностью перенести систему увлажнения.

Миф 6. Фильтры кондиционеров обеспечивают отсутствие пыли

 Тем, кто хоть немного занимался проблемой «чистых комнат», известно, что это далеко не так. В первую очередь фильтрация должна обеспечиваться системой вентиляции.

Следующий принципиальный момент – отсутствие источников пыли в помещении. То есть необходимы спецодежда и обувь персонала, регулярная правильная уборка, непылящие материалы конструкций, устройство тамбур-шлюзов. Фильтры кондиционеров в этом перечне на самом последнем месте.

Миф 7. Прецизионные кондиционеры могут использоваться для обогрева помещений

Одно из применений бытовых кондиционеров – эффективный обогрев помещений в инверсном режиме. Прецизионные кондиционеры такого типа не производятся.

К тому же их штатные нагреватели обычно представляют собой малогабаритные устройства. Этого достаточно для подогрева воздуха в рабочем диапазоне входных температур, но стоит теплопотерям помещения вырасти, как они перегреваются и могут перегореть. Поэтому всегда следует проверять тепловой баланс помещения и его совпадение с рабочим диапазоном устройств.

Если помещение при определенных условиях требуется подогревать, нужно использовать отдельные специализированные нагреватели.

Миф 8. Конденсаторные блоки, подобранные для 35°C, должны прекрасно работать при 35°C на улице

Вы помните, что температура в климатологии всегда измеряется в тени? Вы уверены, что поверхности блоков идеально чистые? Вы знаете, что на конденсаторы не попадает горячий воздух с близко расположенных темных поверхностей и соседних блоков? Если все это так, то действительно, вам не о чем беспокоиться.

Еще одно замечание – двухконтурные внешние блоки, весьма популярные в силу их компактности, на практике обычно показывают крайне неадекватную работу как при высоких, так и при низких температурах.

Миф 9. Не все потребление вентиляторов передается потоку воздуха

Своим происхождением это заблуждение обязано принципам работы классических систем вентиляции. Воздух выбрасывается из здания с определенной скоростью и под определенным давлением. Кроме того, в вентиляции часть энергии может расходоваться на преодоление перепада высоты.

В прецизионном кондиционировании весь воздух, помимо небольшого количества, поступающего из вентиляции, является рециркулирующим. Поэтому в соответствии с законом сохранения энергии все 100% мощности вентиляторов должны учитываться в тепловом балансе помещения.

То же самое относится и к насосам чиллерной воды. Практически вся их мощность передается прокачиваемой жидкости. Так что не забывайте добавлять их к нагрузке чиллера.

Миф 10. Дополнительные вентиляторы обеспечивают дополнительное охлаждение

В последнее время эта идея крайне популярна по причине агрессивного маркетинга со стороны производителей активных плиток, стоек, дверей и тому подобного оборудования. На деле же дополнительные вентиляторы естественным образом обеспечивают дополнительную тепловую нагрузку.

Я считаю, что подобные активные средства должны применяться только как последний шанс спасти неработающий проект. К примеру, при переделке существующих систем, не справляющихся с охлаждением.

Миф 11. Рост температуры воздуха всегда обеспечивает рост эффективности

Действительно, исходя из азов термодинамики, очевидно, что повышение температуры повышает эффективность теплообмена и холодильного цикла.

Но не стоит использовать эти соотношения безоглядно. У всех кондиционеров есть верхний допустимый предел температуры работы. Например, шкафные DX-системы останавливаются при 30°C на входе, специализированные внутрирядные – при 45°C. Причины этого – сочетание ограничений конструкции компрессора и поведения паров хладагента при росте температуры.

Кроме того, высокие температуры повышают вероятность наведенных отказов. При остановке одного из кондиционеров его нагрузка перераспределяется между остальными, вызывая их остановку по принципу домино.

В моей практике бывали случаи, когда приходилось рекомендовать ухудшить контейнеризацию, чтобы избежать аварийных остановок кондиционеров.

Чиллерные системы более устойчивы к действию высоких температур, но нельзя забывать, что в потоке горячего воздуха помимо всего прочего находятся кабели питания. Для них, согласно Правилам устройства электроустановок, рост температуры приводит к соответствующему дерейтингу.

Кстати, чиллеры сами по себе также имеют верхний предел температуры возвратной воды. Проектируя систему, надо помнить и об этом. Большинство моделей прекращают работу, когда температура продолжительное время составляет 20°C, и только специализированные чиллеры выдерживают 25°C.

Миф 12. Снижение оборотов вентиляторов всегда обеспечивает рост эффективности

Вентиляторы потребляют значительное количество энергии, причем постоянно. Даже 20%-ное уменьшение подачи воздуха может снизить потребление элект-роэнергии до 50%.

Однако, к примеру, для классических шкафов снижение скорости воздуха может интенсифицировать конденсацию воды. На это начинает бесполезно расходоваться энергия. Кроме того, приходится тратить энергию и воду для увлажнения.

Другая проблема опять же связана с законами сохранения. Перепад температур на входе и выходе ИТ-оборудования должен соответствовать перепаду температур, обеспечиваемому кондиционером. Скажем, если кондиционер спроектирован для работы с перепадом 10°C, а ИТ-оборудование дает перепад температур 20°C, кондиционер должен будет подавать воздуха вдвое больше, чем формально нужно оборудованию, для обеспечения согласования по мощности охлаждения.

Миф 13. Шкафные прецизионные кондиционеры самодостаточны для эффективной работы

Во многих случаях желательно установить дополнительные обратные клапаны, механические или с электрическим управлением. Они предотвращают обратный ток холодного воздуха через неработающие кондиционеры.

Обратные клапаны необходимы, когда количество кондиционеров невелико. При резервировании уровня 2N наличие клапанов обязательно в любом случае. У большинства производителей это дополнительная опция, не забывайте ее заказывать.

Чтобы препятствовать обратному потоку воздуха, контроллер некоторых кондиционеров с регулируемой скоростью вентиляторов имеет специальную уставку для скорости вентиляторов выключенного устройства. Однако в случае пропадания питания или поломки устройства эта опция, как легко догадаться, бесполезна.

Миф 14. Внутрирядные прецизионные кондиционеры обеспечивают самое эффективное решение

Это мнение – также результат агрессивной маркетинговой политики поставщиков соответствующего оборудования. Впрочем, если нет возможности для нормального проектирования, внутрирядные кондиционеры, действительно, обеспечат по крайней мере работающее решение.

Однако при правильном проектировании вентиляторы большого размера, теплообменники и фильтры большой площади уверенно превзойдут шкафные кондиционеры по всем показателям.

  

В этой статье собран реальный опыт сотен проектов и выполненных инсталляций. Надеюсь, она окажется полезной, ведь всегда лучше учиться на чужих ошибках. Многое еще осталось за кадром и может послужить предметом следующих публикаций.

В искусстве проектирования дата-центров нужно обращать внимание не только на вопросы стоимости и уж точно не следовать слепо маркетинговым заявлениям. Необходимо понимать происходящие процессы и имеющиеся ограничения.  

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: