CC BY
30
УДК 697.94
В.Ф. Сонич, А.И. Бурков
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
К ВОПРОСУ О ПРИМЕНЕНИИ ПРЕЦИЗИОННЫХ КОНДИЦИОНЕРОВ В ПЕРМСКОМ КРАЕ
Изложены основные требования к параметрам воздушной среды в аппаратных помещениях. Рассмотрены преимущества и недостатки комфортных и прецизионных систем кондиционирования, описаны схемы охлаждения, применяемые в серверных помещениях. Одним из перспективных направлений развития прецизионных кондиционеров является использование низких температур наружного воздуха для естественного охлаждения.
Ключевые слова: кондиционеры сплит-систем, прецизионные кондиционеры, серверные помещения, схемы охлаждения серверных, фрикулинг.
В СВЯЗИ СО сложившейся устойчивой тенденцией практически ежегодного обновления климатического оборудования возникает вопрос об актуальности его использования, в том числе и для помещений, где требуется поддерживать особо точные параметры микроклимата. Особенно актуальным данный вопрос является в случае высокой стоимости системы и ее значительного энергопотребления. В связи с этим возникает проблема выбора того или иного вида системы кондиционирования воздуха. Возможны разные подходы к решению данного вопроса.
Существует определенный тип помещений с высокой технологией работы, в которых необходимо круглогодично, круглосуточно и с большой точностью обеспечивать микроклиматические параметры воздушной среды. К таким помещениям относятся музеи, фармацевтические лаборатории, телекоммуникационные объекты, серверные, АТС, производственные и складские помещения [1, 2].
В качестве примера рассмотрим аппаратные (или серверные) помещения. В данных помещениях установлена состоящая из сложных электронных схем аппаратура (телекоммуникационные системы, вычислительные машины, источники бесперебойного электропитания, контрольно-измерительные приборы и другие подобные устройства), для обеспечения долгой и безотказной работы которой требуется строгое соблюдение условий ее эксплуатации. Наиболее важными из них являются стабильное электропитание и поддержание необходимого
микроклимата (температурно-влажностного режима) в аппаратном помещении.
В соответствии с [3] в серверных помещениях должны быть выдержаны следующие оптимальные параметры микроклимата (таблица).
Оптимальные параметры микроклимата в помещениях для ЭВМ
Период года Температура воздуха, °С Относительная влажность воздуха, % Скорость движения воздуха, м/с
Холодный и переходный периоды года (21 ± 2) (52 ± 7) не более 0,2
Теплый период года (22 ± 2) (52 ± 7) не более 0,3
Менее жесткие требования по параметрам микроклимата указаны в [4]: контролируемый диапазон температуры 18-24 °С, влажности -30-55 %; также должна быть обеспечена защита от загрязнений. При этом в требованиях указано время работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха - 24 часа в сутки, 365 дней в году.
Отклонение температуры от указанных параметров приводит к сокращению срока службы оборудования (например, аккумуляторных батарей), ухудшению его характеристик, снижению надежности, сбоям в работе или даже выходу из строя (например, при перегреве из-за высокой температуры окружающей среды). Низкая влажность в помещении ведет к накоплению статического электричества, разряд которого способен вывести из строя любые электронные элементы. Следствием высокой влажности, в свою очередь, может стать образование конденсата, вызывающего коррозию и даже короткое замыкание печатных проводников и, как следствие, выход из строя отдельных узлов аппаратуры.
Помимо строгих требований к поддержанию температуры и влажности, в серверных помещениях также важно обеспечение чистоты воздушной среды. Наличие пыли отрицательно сказывается на целостности данных и состоянии элементов компьютерного оборудования. Пыль быстро аккумулируется на заряженных частях оборудования, которые начинают работать при температурах, превышающих расчетные величины. Это ведет к уменьшению срока службы оборудования и преждевременному выходу его из строя [5].
Для поддержания необходимых параметров микроклимата и обеспечения требуемой чистоты воздуха внутри серверных помещений применяют сплит-системы и прецизионные кондиционеры.
Кондиционеры сплит-систем относятся к комфортным системам, так как в основном они предназначены для создания нормальных санитарно-гигиенических условий в помещениях, где работают люди. В аппаратных помещениях для обеспечения требуемых микроклиматических параметров использование этих кондиционеров не относится к наилучшему решению проблемы по ряду причин:
1. Они рассчитаны на работу в течение 8 часов в сутки.
2. Отсутствует режим увлажнения. Любая комфортная система способна только охлаждать либо нагревать воздух внутри помещения, при этом вместе с охлаждением воздуха одновременно происходит его осушка, которая в данных кондиционерах не подлежит регулировке.
3. Относительно невысокая точность поддержания температуры. Следует отметить, что на этот счет нет единого мнения. В одних источниках утверждается, что бытовые кондиционеры способны поддерживать температуру с точностью не более 5 °С [6, 7], другие же опровергают это результатами замеров, которые говорят от том, что значения отклонений температуры от заданной не превышают 1,5 °С. Некоторые производители сплит-систем в описании кондиционера приводят точность поддержания температуры в пределах 0,5-1 °С [8].
4. Невозможность работы при низких температурах наружного воздуха. Большинство кондиционеров настенных сплит-систем не предназначено для работы при температуре наружного воздуха ниже -5 °С. Чтобы избежать этого недостатка, в бытовых кондиционерах используют дополнительные устройства - так называемый зимний комплект. Этот набор устройств, состоящий из регулятора давления конденсации (в качестве которого для бытовых кондиционеров чаще всего используется замедлитель скорости вращения вентилятора), нагревателя картера компрессора, дренажного нагревателя, позволяет работать комфортной системе при низких температурах наружного воздуха (вплоть до -30 °С). Но для климатических районов с более суровыми условиями этот вариант уже не является подходящим. Например, в Перми температура воздуха наиболее холодной пятидневки составляет -35 °С [9].
5. Незначительная производительность вентилятора внутреннего блока. По этой причине в помещении, где работает кондиционер сплит-системы, происходит образование застойных зон с теплым воздухом из-за неравномерности распределения холодного воздуха. Для бытовых помещений это почти незаметно, в то время как в серверных необходимо более равномерное охлаждение.
6. Меньшая эффективность очистки воздуха. В комфортных системах обычно применяют одноразовые фильтры, подобные тем, что используются в бытовых приборах. Их эффективность около 10 %.
7. Функции удаленного управления реализованы слабо.
Прецизионные кондиционеры - это устройства, изначально рассчитанные для поддержания электронного оборудования в выгодных микроклиматических условиях: заданных пределах температуры, влажности и чистоты воздушного потока. Они представляют собой разновидность шкафных кондиционеров. Прецизионные кондиционеры оборудованы различными типами систем микропроцессорного управления и способны поддерживать в помещении точные параметры не только температур, но и влажности.
Системы прецизионного кондиционирования воздуха имеют следующие отличительные характеристики:
- точность контроля и поддержания температуры (±1 °С) и влажности (±2 %);
- надежность работы при непрерывной эксплуатации;
- возможность работы в широком диапазоне температур наружного воздуха;
- совместимость с системами диспетчерского контроля и системами управления микроклиматом здания [2].
Основными недостатками прецизионных кондиционеров являются их высокая стоимость и громоздкость.
Исторически первым подходом к охлаждению серверных является кондиционирование на уровне зала (рис. 1). В этом случае устанавливаются кондиционеры, которые охлаждают нагретый воздух во всем объеме помещения.
Потоки охлажденного воздуха в этом случае могут подаваться непосредственно в общее пространство зала либо распределяться в холодные коридоры или к конкретным стойкам с помощью фальшпола
через перфорированные плитки (вариант для прецизионных кондиционеров с подачей воздуха снизу). В первом случае эффективный те-плосъем, как правило, не превышает 1-3 кВт на стойку.
Охлажденный воздух Нагретый воздух Охлажденная вода ■■ Нагретая вода
Рис. 1. Схема охлаждения на уровне зала с использованием фальшпола
Использование фальшпола увеличивает этот показатель до 5 кВт. Для усиления эффекта в отдельных стойках можно установить специальные вентиляторы, увеличивающие расход воздуха в конкретном шкафу. Теплосъем такой системы может достигать 8 кВт на стойку, но ее применение связано с рядом трудностей, в частности усиленный локальный отбор охлажденного воздуха в одной точке может привести к его дефициту в другой, вследствие чего некоторые стойки могут перегреться. Более того, в отдельных точках фальшпола, в силу турбулентности, могут даже возникнуть зоны отрицательного давления, что приведет к всасыванию воздуха из помещения под фальшпол. А если скорость воздушного потока будет слишком высокой, например у самого кондиционера, то вентиляторы активного оборудования просто физически не смогут его засосать. Одним из недостатков охлаждения на уровне зала является то, что горячий и холодный воздушные потоки неизбежно перемешиваются, снижая общую эффективность системы охлаждения.
Для предотвращения перемешивания воздушных потоков возможен отвод горячего воздуха от стоек с помощью специальных воздуховодов не в горячий коридор, а сразу в систему вытяжной вентиляции здания. При этом сопла вытяжки должны располагаться над горячим коридором. Такой подход позволяет отвести от каждой стойки до
10 кВт тепла. На рис. 2 представлена схема охлаждения на уровне зала с использованием фальшпола и фальшпотолка.
Охлажлсннын воиух НагрсіиГі воиух і^штл Охлажденная вола Нагретая вола
Рис. 2. Схема охлаждения на уровне зала с использованием фальшпола и системы вытяжной вентиляции
Одним из современных способов охлаждения серверной является охлаждение на уровне ряда (рис. 3). В данном случае кондиционер устанавливается непосредственно в ряду шкафов с оборудованием таким образом, чтобы подавать охлажденный воздух в холодный коридор и забирать нагретый из горячего.
Рис. 3. Схема охлаждения серверной на уровне ряда
Выгода данного подхода по сравнению с архитектурой охлаждения на уровне зала заключается в том, что пути циркуляции воздуха короче и более предсказуемы, что позволяет задействовать всю номинальную охлаждающую способность кондиционера, минимизировав потери. Поскольку каждый блок охлаждает небольшое пространство
(как правило, несколько соседних стоек), ему не нужны мощные вентиляторы, потребляющие значительное количество электроэнергии. Важным преимуществом систем охлаждения на уровне ряда является то, что их можно использовать без применения фальшпола, не снижая при этом эффективности охлаждения.
Наиболее эффективной схемой является схема охлаждения на уровне стоек. В этом случае для каждого серверного шкафа фактически выделяется отдельный кондиционер, а также средства изоляции горячего и холодного внутришкафного пространства, в результате чего воздушные потоки, циркулирующие внутри серверного шкафа, не попадают во внешнюю среду помещения серверной. Это самый дорогой подход, но с его помощью можно отвести до 50 кВт тепла от стойки. Подобное решение оправдано в тех случаях, когда в серверной образуются локальные точки с повышенным тепловыделением.
Стоит отметить, что одной из важных проблем является применение кондиционеров с минимальным потреблением электроэнергии. Во многих системах кондиционирования используют дополнительный режим естественного свободного охлаждения (фрикулинг). Принцип его работы заключается в непосредственном использовании холодного наружного воздуха для охлаждения рабочего помещения. Для этого система кондиционирования оснащается дополнительным контуром охлаждения с незамерзающей жидкостью (водным раствором этиленг-ликоля) либо внешний воздух подмешивается к рециркуляционному воздуху и после фильтрации подается в рабочее помещение. Режим свободного охлаждения позволяет сократить время работы компрессора, являющегося главным потребителем электроэнергии системы кондиционирования, и тем самым существенно повысить ее экономичность. При этом необходимо помнить, что кондиционеры с системой естественного охлаждения должны устанавливаться там, где существует доступ к наружным стенам. В противном случае монтаж и эксплуатация воздуховодов для подачи свежего воздуха и его оттока могут оказаться слишком дорогостоящими. Далее следует сказать, что такие системы целесообразны только в районах, имеющих низкий уровень загрязненности окружающей среды, иначе экономия электроэнергии не покроет расходов, связанных с высокой стоимостью фильтрации [5].
В заключение следует отметить, что единственного решения проблемы кондиционирования серверных не существует. Однако с точки зрения надежности работы оборудования, точности поддержания всех параметров микроклимата, возможности работы в широких диапазонах наружных температур, реализации функций удаленного управления прецизионные кондиционеры пока находятся вне конкуренции. Но для небольших серверных помещений их применение может оказаться неоправданно дорогим. Для решения проблемы необходимо дальнейшее совершенствование оборудования систем кондиционирования, в том числе снижение энергопотребления и применение технологических схем с использованием природных сил.
Библиографический список
1. Резников Г.В. Системы прецизионного кондиционирования воздуха с «гибкой» технологией работы для помещений с компьютерной техникой // Журнал С.О.К. - 2002. - № 10.
2. Системы вентиляции и кондиционирования. Теория и практика /
B.А. Ананьев [и др.]. - М.: Евроклимат: Диксис Трейдинг, 2001.
3. СН 512-78. Инструкция по проектированию зданий и помещений для электронно-вычислительных машин / Госстрой СССР. - М., 1978.
4. АК81/Т1А/Б1А-569-А. Стандарт телекоммуникационных трасс и пространств коммерческих зданий. - 1998.
5. Сайко В. Основные аспекты применения Систем кондиционирования воздуха для телекоммуникационных объектов // Журнал
C.О.К. - 2006. - № 11.
6. Кондиционирование серверной [Электронный ресурс]. - ИКЬ: http://tgv.khstu.ru/downloads/tezis_Yacura_2010.pdf.
7. Системы прецизионного кондиционирования Бшюоп [Электронный ресурс]. - ЦКЬ: //www.condipro.ru.
8. Кондиционеры Daikin [Электронный ресурс].
URL:http://daikin-cg.ru/daikin-page14.shtml.
9. СП 131.13330.2012. Строительная климатология / Мин-во регион. развития Рос. Федерации. - М., 2012.
V.F. Sonich, A.I. Burkov TO THE QUESTION OF THE APPLICATION OF PRECISION AIR CONDITIONERS IN PERM REGION
The basic requirements for the parameters of air in the hardware installation. The advantages and disadvantages of precision and comfort air conditioning used in the server, cooling scheme described. The use low outside air for free cooling of precision air conditioners is promising area.
Keywords: air conditioning split systems, precision air conditioners, server room, cooling scheme server, free cooling.
O6 авторах
Сонич Виктор Феликсович (Пермь, Россия) - студент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и водоснабжение, водоотведение» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: tgv-kafedra@yandex.ru).
Бурков Александр Иванович (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснабжение, вентиляция и водоснабжение, водоотведение» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: ale-burkov1@yandex.ru).
About the authors
Sonich Viktor Feliksovich (Perm, Russia) - student, Department of Heating, ventilation and water supply, sewerage, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: tgv-kafedra@yandex.ru).
Burkov Alexandr Ivanovich (Perm, Russia) - Candidate of Technics, Associate Professor, Department of Heating, ventilation and water supply, sewerage, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: ale-burkov1@yandex.ru).
Получено 18.03.2013
