Нормативная документация

Как рассчитать систему увлажнения для фреоновой системы охлаждения?

15 марта 2016 г. | Категория: Проектирование ЦОД

На вопросы рубрики отвечает Павел Романченко, руководитель группы ОВиК (Отдел механических систем) компании ADM Partnership. У ADM Partnership накоплен многолетний опыт работы в сфере управления сложными инженерными комплексами, их проектирования, реализации. Компания специализируется на выполнении нетиповых комплексных проектов высочайшей сложности в области инжиниринга в соответствии с мировыми стандартами качества.

Однозначного ответа на данный вопрос не существует: все зависит от параметров микроклимата, поддерживаемого в ЦОДе, от модели и фирмы — изготовителя фреоновых кондиционеров, поскольку неизвестно, на какую величину может быть превышена производительность увлажнителя в составе кондиционера по отношению к необходимой.

Но мы все же попытаемся выйти на коэффициент пересчета.

Примем следующие параметры воздуха, поддерживаемые в ЦОДе:

• температура: t_ЦОД = 24 °C;
• относительная влажность: φ_ЦОД = 45 %;
• влагосодержание (определяется по I-d-диаграмме): d_ЦОД = 9,0 г/кг;
• нагрев до +28 °C.

Соответственно параметры воздуха на входе в кондиционер таковы:

• температура: t_вх = 28 °C;
• ϒ влажность (определяется по I-d-диаграмме): φ_вх = 35 %;
• влагосодержание (определяется по I-d-диаграмме): d_ЦОД = 9,0 г/кг.

Теперь представим параметры воздуха на выходе из кондиционера:

• температура: t_вых = 18 °C;
• ϒ влажность: φ_вых = 57 %;
• влагосодержание (определяется по I-d-диаграмме): d_конд = 7,9 г/кг.

Для дальнейших расчетов нам необходимо выбрать произвольную модель кондиционера.

Я выбрал кондиционер Liebert Hiross S23, его основные характеристики:

• Q_хол^явн = 23,6 кВт;
• расход воздуха: G_конд = 5750 м³/ч;
• номинальная мощность увлажнителя: N_увл^ном = 5,8 кВт.

Определяем необходимую паропроизводительность увлажнителя, целью которого является доувлажнение воздуха (то есть значение влагосодержания на входе в кондиционер необходимо повысить до параметра, поддерживаемого в ЦОДе).

Термодинамические данные:

• плотность воздуха: ρ_возд = 1,2 м³/кг;
• скрытая теплота парообразования: r_вода = 2500 кДж/кг;
• ∆d = d ЦОД — d конд = 9,0 – 7,9 = 1,1 г/кг.

Необходимая паропроизводительность увлажнителя:

• ϒ P_увл = ∆d ∙ G_конд ∙ ρ_возд,

где:

ρ_возд = 1,2 кг/м³;

G_конд = 5750 м³/ч.

Тогда

ϒ P_увл = 1,1 ∙ 5750 ∙ 1,2 = 7590 г/ч = 7,59 кг/ч.

Потребляемая мощность пароувлажнителя:

ϒ N_увл = P_увл ∙ r_вода,

где:

r_вода = 2500 кДж/кг — скрытая теплота парообразования;

ϒ N_увл^расч = 7,59 ∙ 2500 = 18 975 кДж/ч = 5,27 кВт.

Следовательно, коэффициент пересчета составит:

ϒ k_пер = N _увл^расч/ N_увл^ном = 5,27/5,8 = 0,9.

Таким образом, в нашем частном случае клиенту необходимо умножить производительность увлажнителей на 0,9.

В каждом конкретном случае для оценки производительности увлажнителей и расхода воды для них необходимо выполнить приведенный выше расчет.

Клиент столкнулся с проблемами из-за перебоев в водоснабжении и низкого качества водопроводной воды. Он планирует установить очистительную систему и аккумуляторный бак для увлажнителей фреоновых кондиционеров. Возникли вопросы:

• Какого объема бак необходим (в пересчете на часы работы увлажнителя при максимальном потреблении)?
• Стоит ли проводить коррекцию минерального состава воды (например, полностью очищать или смягчать воду, ставить систему обратного осмоса и т. д.)?

Для ответа на первую часть вопроса необходимо выяснить максимальное время перебоя в системе водоснабжения. Если оно окажется больше, чем максимальная часовая производительность пароувлажнителей, то выбрать нужно именно это время с запасом в 30 %. В противном случае объем бака для запаса воды на увлажнение следует выбирать исходя из максимальной часовой производительности увлажнителей с запасом в 30 %.

Чтобы определить тип и мощность системы водоподготовки для пароувлажнителей ЦОДа, сначала нужно сделать анализ качества исходной воды.

После этого следует изучить требования к питающей воде для пароувлажнителей.

В рассматриваемом нами кондиционере Liebert Hiross S23 (см. вопрос № 1) применен электродный увлажнитель. В паспорте на данный кондиционер четко написано, что деминерализованную воду использовать нельзя. Таким образом, система глубокого умягчения при помощи обратного осмоса запрещена для очистки воды, идущей на пароувлажнитель. Это логично, так как принцип действия электродного увлажнителя основан на электропроводимости воды. Электропроводимость для данных пароувлажнителей лежит в пределах 200–800 мкСм/см.

Приведу параметры качества воды, соблюдение которых обеспечивает нормальную работу пароувлажнителей (см. таблицу 1).

Вывод: для корректной работы пароувлажнителя требуется только фильтр для очистки от механических примесей, но при этом следует учесть параметры качества исходной воды, чтобы они не выходили за пределы, разрешенные для нормальной работы пароувлажнителей.

Клиент внедряет систему адиабатического кондиционирования с фрикулингом, для чего попросил минимизировать операционные затраты ЦОДа. Интегратор предложил вообще отказаться от резервной чиллерной схемы (на тот случай, если адиабатического увлажнения будет недостаточно) и заменить ее системой геотермальных тепловых насосов. Есть ли здесь риски для клиента?

Чтобы определить возможность применения теплонасосных установок (ТНУ) для охлаждения ЦОДа в основном или в аварийном режиме, необходимо учесть ряд следующих факторов.

Во-первых, эффективность применения ТНУ сильно зависит от теплофизических характеристик грунта — ее объемной теплоемкости и теплопроводности, которые, в свою очередь, зависят от состава и состояния грунта. Теплопроводность грунта будет тем больше, чем выше содержание в нем воды, чем больше доля минеральных компонентов и чем меньше пористость. Таким образом, заказчику потребуется выполнить геологические изыскания, по ­результатам ­которых и можно будет определить, на какую глубину следует бурить скважины и каковы термические свойства грунта.

Во-вторых, следует учесть, что при длительном использовании тепловых насосов теплофизические свойства грунта или скважины ухудшаются, то есть с течением времени грунт будет нагреваться и его эффективность начнет снижаться. Чтобы этого не происходило, необходимо предусмотреть мероприятия по «закачиванию» холода в скважину в зимний период.

Применение ТНУ для охлаждения ЦОДа будет более эффективно по сравнению с чиллерным охлаждением, так как в этом случае затраты электрической энергии идут только на перекачивание охлажденной жидкости.

В небольшой серверной (площадь — 100 кв. м, высота — 3 м, мощность ИТ-нагрузки — 100 кВт) установлены фреоновые кондиционеры. ИТ-нагрузка подключена к ИБП; ЦОД имеет два ввода и дизель-генератор. Интегратор утверждает, что:

• за время запуска дизеля (даже при кратковременной остановке климатической системы) температура в серверной не успеет подняться до пределов, обозначенных в требованиях ASHRAE, и ИТ-оборудование полностью сохранит работоспособность;
• даже если дизель не запустится, будет около 10 минут, чтобы корректно завершить ИТ-процессы и выключить оборудование; по заявлению проектировщиков, при остановке кондиционеров рост температуры значительно замедлится из-за того, что серверная имеет много металлических конструктивов (в нормальном режиме эти конструкции охлаждаются, и при отключении системы кондиционирования тепло, выделяемое ИТ-оборудованием, будет тратиться на их нагрев, вследствие чего рост температуры в серверной значительно замедлится).

Насколько верны утверждения, изложенные интегратором в этих двух пунктах?

В данном случае не совсем понятно, каково время той самой кратко­временной остановки. Если под ним понимается 30-секундный останов для запуска дизеля, то, действительно, при таком интервале повышение температуры в ЦОДе замедлится, и она не успеет подняться выше критической величины, обозначенной в требованиях ASHRAE.

Чтобы ответить на вторую часть вопроса, попытаемся определить величину аккумулирования холода металлическими конструкциями.

• Определим количество тепла, выделяемое ИT-оборудованием за 10 минут:

 Qt = 100 х 10 / 60 = 16,7 кВт.

•  Теперь определим объем стали, который необходимо нагреть, чтобы за 10 минут аккумулировать тепло 16,7 кВт:

 где

Q — количество выделяемого тепла, кВт;

m — масса стали, кг;

с = 0,46 кДж/кг — теплоемкость стали;

∆t — разность температур.

Допустим, что ЦОД нагревается от +24 °C до критической температуры +45 °C (класс ЦОДа А4 по ASHRAE TС9.9).

Таким образом:

Удельная нагрузка на пол от данного количества металла составит 6223 / 100 = 62,23 кг/м², что является, в общем-то, небольшим показателем. Фактическая металлоемкость в ЦОДе может быть даже больше этой. Но необходимо учитывать, что интенсивность отдачи холода металлическими конструкциями зависит также и от циркуляции воздуха (вынужденной конвекции), которая будет отключена при неработающих кондиционерах. При отсутствии циркуляции воздуха начнется постепенное местное отключение серверов из-за перегрева.

Кроме того, в вопросе не указано число коммуникационных стоек и нагрузка на них, а именно от этого числа и зависит металлоемкость и возможное время работы оборудования при повышении температуры.

Вывод. Чтобы определить время работы ИT-оборудования в ЦОДе при отключенных кондиционерах, необходимо учесть металлоемкость ЦОДа, тип ограждающих конструкций, которые могут аккумулировать холод, а также наличие или отсутствие стеклянных перегородок и стеклянных дверей стоек. Причем наличие стекла предпочтительно с теплотехнической точки зрения, поскольку его теплоемкость на 50 % выше теплоемкости металла.

Можно ли совместить систему автоматизированного тушения с системой охлаждения таким образом, чтобы аккумуляторный бак водяного контура охлаждения в случае пожара мог использоваться системой пожаротушения тонкораспыленной водой?

Для ответа на данный вопрос необходимо рассчитать объем воды, потребляемый системой пожаротушения (для этого потребуются дополнительные исходные данные). Если данная величина окажется меньше объема накопительного бака охлаждающей воды, то использовать данный бак для питания системы автоматического пожаротушения ничто не запрещает.

Источник: Журнал «ЦОДы.РФ» № 9

Теги: ADM Partnership, Павел Романченко