Инструменты пользователя

Инструменты сайта

Вы посетили: • trends • design_process • devices • it_load • metrics
topics:13:thermodynamics

Различия

Показаны различия между двумя версиями страницы.

Ссылка на это сравнение

Следующая версия		Предыдущая версия
topics:13:thermodynamics [2025/11/07 20:03] – создано admintopics:13:thermodynamics [2025/11/08 07:25] (текущий) – admin
Строка 1: Строка 1:
-====== Термодинамические основы и схема работы оборудования ======+====== Термодинамические процессы и схемы оборудования ======
  
 <WRAP box round> <WRAP box round>
-Раздел описывает термодинамику и схемы «свободного охлаждения» с использованием наружного воздуха для охлаждения ІТ-помещений. Рассматриваются: прямая (DASE) и косвенная (IASE) схемы, а также интегральный теплообменник косвенного испарительного охлаждения (IEXC). Приведены режимы по сухому и влажному термометрам, контрольные алгоритмы, требования к фильтрации и влажности, расчётные зависимости и критерии применимости в климате РФ.+Раздел посвящён термодинамическим принципам и схемам работы систем «свободного охлаждения» в центрах обработки данных. Рассмотрены прямые (DASE) и косвенные (IASE) схемы, а также интегральные решения с косвенным испарительным теплообменом (IEXC).   
 +Приведены режимы работы по температуре сухого и влажного термометров, принципы регулирования и критерии применимости в климатических условиях России.
 </WRAP> </WRAP>
  
-===== Базовые определения =====+===== Основные определения =====
 <WRAP info> <WRAP info>
-* **Сухобульбовая температура (db)** — температура воздуха, измеренная обычным термометром.   +  *  **Температура по сухому термометру (tс)** — обычная температура воздуха, измеренная термометром.   
-* **Влажнобульбовая температура (wb)** — температура, учитывающая испарительное охлаждение, зависит от относительной влажности.   +  *  **Температура по влажному термометру (tв)** — температура, которую воздух принимает при испарительном охлаждении; зависит от влажности.   
-* **Адиабатическое охлаждение (DEC)** — испарительное охлаждение без подвода тепла/холода извне; снижает db, повышает влажность.   +  *  **Адиабатическое охлаждение (DEC)** — испарительное охлаждение без участия компрессоров.   
-* **Теплообменник воздух–воздух (AHX)** — разделяет наружный и внутренний потоки, не переносит влагу.   +  *  **Воздух–воздух теплообменник (AHX)** — устройство, передающее тепло между потоками без смешения влаги.   
-* **IEXC** — совмещает AHX и испарительное охлаждение в одном аппарате (косвенное испарительное).  +  *  **IEXC** — интегральный косвенный испарительный теплообменник, совмещающий AHX и DEC в одном корпусе.
 </WRAP> </WRAP>
  
-===== Тепловой баланс и ключевые формулы =====+===== Основные зависимости =====
 <WRAP center> <WRAP center>
-$$ Q_\text{ITE} = \dot m_\text{SA}\, c_p \,(T_\text{RA} - T_\text{SA}) $$+$$ Q = G \cdot c_p \cdot (t_г - t_х) $$
 </WRAP> </WRAP>
-где: 
-- \(Q_\text{ITE}\) — тепловыделение ИТ-нагрузки;   
-- \(\dot m_\text{SA}\) — массовый расход подаваемого воздуха;   
-- \(c_p\) — удельная теплоёмкость воздуха;   
-- \(T_\text{RA}\), \(T_\text{SA}\) — температуры возвратного и приточного воздуха. 
  
-<WRAP center> +где:   
-$$ \Delta T_\text{коридор} = T_\text{гор} - T_\text{хол}, \qquad \text{и} \qquad P_\text{вент} \approx \frac{\Delta p \cdot \dot V}{\eta_\text{вент}} $$ +- \( Q \) — тепловая мощность (Вт);   
-</WRAP>+- \( G \) — расход воздуха (кг/с);   
 +- \( c_p \) — удельная теплоёмкость воздуха (≈ 1.0 кДж/кг·°С);   
 +- \( t_г \), \( t_х \) — температуры воздуха в горячем и холодном коридорах.
  
 <WRAP info> <WRAP info>
-* Для оценки выгоды «свободного охлаждения» удобно использовать **долю часов года**, когда наружные условия позволяют выдерживать уставки \(T_\text{хол}\) и \(RH\) без компрессоров.   +Эффективность испарительного охлаждения:   
-* Эффективность адиабатического увлажняющего модуля: \(\varepsilon_\text{DEC}= \dfrac{T_\text{db,in}-T_\text{db,out}}{T_\text{db,in}-T_\text{wb,in}}\) (типично 0.9–0.95 для качественных кассет).+$$ \varepsilon = \frac{t_{вх} - t_{вых}}{t_{вх} - t_{влажн}} $$ 
 +Типичные значения эффективности кассет DEC — 0,9–0,95.
 </WRAP> </WRAP>
  
----- +===== Прямая схема (DASE) =====
- +
-===== Прямая схема (DASE): наружный воздух непосредственно в зал =====+
  
-==== Охлаждение по сухобульбовой температуре (без увлажнения) ====+==== Охлаждение наружным воздухом по температуре сухого термометра ====
 <WRAP box> <WRAP box>
-* Схема: наружный воздух → фильтрация → вентилятор → (опц. небольшая механическая «подрезка» холода) → подача в холодный коридор; тёплый воздух удаляется.   +Наружный воздух фильтруется, подаётся в машинный зал и удаляет тепло от оборудования.   
-* Условие работы «без компрессора»: \(T_\text{OA,db} \le T_\text{SA,уст}\). При \(T_\text{OA}\) между уставками холодного и горячего коридоров часть теплоты снимается естественно, остальное — механикой.+Режим «чистого свободного охлаждения» возможен, если наружная температура ниже расчётной температуры подачи в холодный коридор.
 </WRAP> </WRAP>
  
 <WRAP important> <WRAP important>
-Ограничения: рост кратности фильтрообслуживания, риск внесения газовых примесей, хуже управляемость влажности в тёплый период. В большинстве регионов требуется резерв механического охлаждения, рассчитанный на **полную нагрузку**.+В тёплое время года, когда наружная температура превышает допустимую, система переходит на частичную рециркуляцию и включает механическое охлаждение.   
 +Необходимо учитывать загрязнение воздуха, рост затрат на фильтрацию и сложности контроля влажности.
 </WRAP> </WRAP>
  
-==== Охлаждение с адиабатическим модулем (DEC, «влажнобульбовой режим») ====+==== Охлаждение с адиабатическим модулем (по температуре влажного термометра) ====
 <WRAP info> <WRAP info>
-Добавление DEC (испарительных кассет) снижает \(T_\text{db}\) наружного воздуха к \(T_\text{wb}\), расширяя число «прохладных» часов года. Эффективность кассет 90–95 % при корректной подаче воды и байпасе.+При наличии воды на площадке целесообразно включить модуль адиабатического охлаждения (DEC).   
 +Кассеты DEC позволяют снизить температуру приточного воздуха до значений, близких к температуре влажного термометра, увеличивая число часов в году без компрессоров.
 </WRAP> </WRAP>
  
-Варианты управления, когда наружный воздух через DEC слишком охлаждает подачу или не дотягивает до уставки: +Режимы регулирования: 
-  * **Снижение расхода процессного воздуха** для удержания температуры горячего коридора (меньше энергия вентиляторов, больше \(\Delta T\)).   +  * уменьшение расхода воздуха для удержания температуры горячего коридора;   
-  * **Стабилизация расхода** при допустимом повышении \(T_\text{гор}\) ниже предела.   +  * стабилизация расхода при допустимом увеличении перепада температур;   
-  * **Игра байпасом DEC**: часть потока обходит кассеты для точной уставки \(T_\text{SA}\).+  * частичный байпас DEC для точной регулировки подачи.
  
 <WRAP important> <WRAP important>
-Ключевой недостаток DASE+DEC — отсутствие независимого контроля влажности в «холодный» сезон: приток влаги определяется процессом испарения.+Недостаток: в холодный сезон невозможно независимо регулировать влажность — воздух увлажняется в процессе испарения.
 </WRAP> </WRAP>
  
 <WRAP box round> <WRAP box round>
-**Функциональная схема DASE (обобщённая)**  +**Схема работы DASE с адиабатическим охлаждением**
 <mermaid> <mermaid>
 flowchart TB flowchart TB
-  classDef big font-size:26px,stroke-width:1.3px,padding:10px; +  classDef node font-size:12px,stroke-width:1.1px,padding:8px; 
-  OA["Наружный воздух"]:::big --> Filt["Фильтры грубой/тонкой очистки"]:::big --> Fan["Вентилятор"]:::big +  OA["Наружный воздух"]:::node --> Filt["Фильтры грубой и тонкой очистки"]:::node --> Fan["Вентилятор подачи"]:::node 
-  Fan --> DEC{"Испарительные кассеты (DEC)?"}:::big +  Fan --> DEC{"Наличие модуля DEC"}:::node 
-  DEC -->|Да| DECblk["DEC + байпас"]:::big --> SA["Подача в холодный коридор"]:::big+  DEC -->|Да| DECblock["Испарительные кассеты + байпас"]:::node --> SA["Подача в холодный коридор"]:::node
   DEC -->|Нет| SA   DEC -->|Нет| SA
-  SA --> Load["ИТ-нагрузка (стойки)"]:::big --> RA["Возврат (горячий коридор)"]:::big +  SA --> IT["ИТ-оборудование (стойки)"]:::node --> RA["Возврат из горячего коридора"]:::node 
-  RA --> Exh["Выброс/рециркуляция (задвижки)"]:::big+  RA --> Damp["Отсечные клапаны / выброс или рециркуляция"]:::node
 </mermaid> </mermaid>
 </WRAP> </WRAP>
  
-----+===== Косвенная схема (IASE) =====
  
-===== Косвенная схема (IASE): разделённые потоки ===== 
 <WRAP box> <WRAP box>
-Наружный воздух (scavenger air) охлаждает рециркуляционный поток через **воздух–воздух** теплообменник. В ИТ-зале поддерживаются чистота и влажность; наружный воздух в зал не поступает.+Наружный воздух не поступает в зал, а охлаждает рециркуляционный поток через теплообменник воздух–воздух.   
 +Это обеспечивает чистоту, стабильную влажность и снижает риск попадания загрязнений.
 </WRAP> </WRAP>
  
-**Последовательность процессов:** +Этапы процесса: 
-  1) Наружный воздух → грубая фильтрация.   +  1. Наружный воздух проходит фильтрацию.   
-  2) (Опц.) Предохлаждение scavenger-потока в DEC (уменьшает температуру до близкой \(T_\text{wb}\)).   +  2. При необходимости охлаждается в кассетах DEC.   
-  3) Вентилятор scavenger-ветки проталкивает поток через **AHX**; теплота переносится к наружному воздуху.   +  3. Поток проходит через вентилятор и поступает в теплообменник (AHX).   
-  4) Рециркуляционный вентилятор подаёт охлаждённый воздух в холодный коридор.   +  4. Через пластины теплообменника тепло удаляется из внутреннего потока.   
-  5) При экстремально тёплой погоде — **добавочное механическое охлаждение** (DX/чиллер) как «подрезка» (trim). +  5. В рециркуляционном контуре воздух охлаждается и возвращается в холодный коридор.   
- +  6. При экстремальной жаре включается резервное охлаждение (DX или чиллер).
-<WRAP info> +
-Типичные эффективности AHX по чувствительной теплоте 0.65–0.75 при равных расходах. Вертикальные **тепловые трубы** (heat-pipe) автоматически блокируют обратный перенос теплоты, когда \(T_\text{OA} > T_\text{RA}\). +
-</WRAP>+
  
 <WRAP box round> <WRAP box round>
-**Функциональная схема IASE с предохлаждением DEC**  +**Схема работы IASE с предохлаждением наружного воздуха**
 <mermaid> <mermaid>
 flowchart TB flowchart TB
-  classDef big font-size:26px,stroke-width:1.3px,padding:10px; +  classDef node font-size:12px,stroke-width:1.1px,padding:8px; 
-  subgraph ScA["Scavenger-ветка (наружный воздух)"] +  subgraph Наружный_контур 
-    O1["Наружный воздух"]:::big --> SF["Фильтр"]:::big --> SDEC{"DEC?"}:::big +    OA["Наружный воздух"]:::node --> F1["Фильтр"]:::node --> DEC["Предохлаждение DEC"]:::node --> SFan["Вентилятор наружного воздуха"]:::node --> AHX1["Теплообменник (внешний контур)"]:::node --> EXH["Выброс воздуха"]:::node
-    SDEC -->|Да| SDECb["DEC предохлаждение"]:::big --> Sfan["Вентилятор ScA"]:::big +
-    SDEC -->|Нет| Sfan +
-    Sfan --> AHX1["Теплообменник воздух–воздух (AHX)"]:::big --> Exhaust["Выброс в атмосферу"]:::big+
   end   end
-  subgraph RA["Рециркуляционная ветка (внутренний воздух)"] +  subgraph Внутренний_контур 
-    R1["Возврат из горячего коридора"]:::big --> F1["Фильтр"]:::big --> AHX2["AHX (внутренний контур)"]:::big --> SA["Подача в холодный коридор"]:::big +    RA["Возврат из горячего коридора"]:::node --> F2["Фильтр"]:::node --> AHX2["Теплообменник (внутренний контур)"]:::node --> SA["Подача в холодный коридор"]:::node --> IT["ИТ-оборудование"]:::node --> RA
-    SA --> IT["ИТ-нагрузка"]:::big --> R1+
   end   end
   AHX1 --- AHX2   AHX1 --- AHX2
-  SA -. при экстремум -. DX["Подрезка DX/чиллер"]:::big+  SA -.-> DX["Дополнительное охлаждение (DX/чиллер)"]:::node
 </mermaid> </mermaid>
 </WRAP> </WRAP>
  
-<WRAP important> +<WRAP info> 
-При \(T_\text{OA}\) выше \(T_\text{RA}\) требуется защита от **переноса теплоты в обратном направлении**. Для пластинчатых/трубчатых AHX применяют байпас и отсечные клапаны; для тепловых труб — ориентация и отключение секций.+Эффективность теплообменников AHX — 0,65–0,75.   
 +Вертикальные теплообменники с тепловыми трубами автоматически предотвращают обратный поток теплоты при высокой температуре наружного воздуха.
 </WRAP> </WRAP>
- 
----- 
  
 ===== Интегральный косвенный испарительный теплообменник (IEXC) ===== ===== Интегральный косвенный испарительный теплообменник (IEXC) =====
 <WRAP box> <WRAP box>
-IEXC совмещает AHX и испарительное охлаждение: вода испаряется со стороны scavenger-потока, охлаждая стенки/трубы, по которым течёт рециркуляционный воздух. Влага в ИТ-зал не попадает. Типичные **wb-депрессии** 70–80 % при пиковых условиях.+IEXC сочетает в себе функции испарителя и теплообменника: снаружи труб испаряется вода, охлаждая рециркуляционный воздух внутри. Влага не попадает в зал.   
 +Рабочая эффективность по температуре влажного термометра — 70–80 %.
 </WRAP> </WRAP>
  
-**Рабочий цикл (пример):** +Пример рабочего цикла: 
-  * Возврат из горячего коридора ~35 °C (95 °F) → вентилятор → вход в трубный пакет IEXC.   +  * Возврат из горячего коридора — около 35 °C.   
-  * За счёт испарения на наружной стороне \(T_\text{рецирк}\) снижается до ~24 °C (75 °F) при wb-67.7 °F, обеспечивая уставку холодного коридора 23–24 °C.   +  * Воздух проходит через IEXC, охлаждаясь до ~24 °C.   
-  * В экстремальные дни (например, db/wb 43/24 °C) IEXC снимает 60–70 % тепловой нагрузки; остаток закрывает «подрезка» DX/чиллер.+  * В тёплые периоды года доля компрессорного охлаждения составляет не более 20–30 %.
  
 <WRAP info> <WRAP info>
-Преимущество IEXC — низкое **годовое PUE** (часто 1.1–1.2 в умеренно-сухих регионах) за счёт редкой работы компрессоров и невысокой мощности вентиляторов и насосов. Дополнительная выгода: охлаждённый scavenger-поток снижает конденсационную температуру DX при включении.+Преимущества IEXC: 
 +  * Низкий годовой PUE (1.1–1.2 в умеренном климате).   
 +  * Меньшая нагрузка на компрессоры.   
 +  * Уменьшение температуры конденсации при работе DX-модулей.   
 +  * Простая интеграция в модульные системы ЦОД.
 </WRAP> </WRAP>
  
----- +===== Эксплуатационные особенности =====
- +
-===== Управление, защита и эксплуатационные аспекты =====+
 <WRAP box> <WRAP box>
-* **Алгоритмы:** поддержание уставок \(T_\text{SA}\), \(T_\text{гор}\), контроля расхода, позиционирование байпасов DEC/AHX, приоритет естественного охлаждения, каскад включения DX/чиллеров.   +  * Регулирование по уставкам температуры подачи и горячего коридора, управление байпасами DEC/AHX.   
-* **Антифриз/антиконденсат:** защита от обмерзания DEC и конденсата в каналах при низких \(T_\text{OA}\); сливные/воздушные «ловушки» в линиях дренажа (предпочтителен «air-trap» вместо P-trap при работе без DX).   +  * Защита от обмерзания и образования конденсата.   
-* **Фильтрация:** рост концентраций пыли при больших наружных притоках — приводить классы фильтров к MERV 13 и выше (или ePM1 по ISO 16890) с учётом падения давления.   +  * Применение воздушных дренажных ловушек (Air-Trap) вместо гидравлических (P-Trap).   
-* **Газовые примеси:** стандартные фильтры их не задерживают — предусматривать сорбцию/адсорбцию для химически активной среды.   +  * Повышенные требования к фильтрации (MERV 13 и выше).   
-* **Водоподготовка:** солесодержание, антинакипь, регулировка продувки DEC (bleed-off) для ограничения минерализации и бактериоразмножения.+  * Контроль химического состава воды и продувки системы DEC.   
 +  * Возможность газовой фильтрации при промышленном загрязнении воздуха.
 </WRAP> </WRAP>
  
-===== Психрометрические соображения (качественно) ===== +===== Сравнение схем охлаждения ===== 
-<WRAP info> +| Параметр | DASE — Прямая схема | DASE + DEC — Прямая с испарительным охлаждением | IASE — Косвенная схема | IEXC — Интегральный косвенный испарительный теплообменник | 
-* DASE без DEC работает по горизонтали диаграммы (почти неизменная абсолютная влажность).   +| Контакт с наружным воздухом | Есть | Есть | Нет | Нет | 
-* DASE с DEC — движение к линии постоянной энтальпии в сторону \(T_\text{wb}\) (рост RH).   +| Контроль влажности | Ограничен | Сложен | Хороший | Хороший | 
-* IASE/IEXC — снижение \(T_\text{рецирк}\) за счёт косвенного испарения, без внесения влаги в зал; по диаграмме — охлаждение при примерно постоянной абсолютной влажности внутреннего контура. +| Энергоэффективность | Средняя | Высокая | Средняя–высокая | Очень высокая | 
-</WRAP>+| Капитальные затраты | Низкие | Средние | Средние | Средние | 
 +| Пыле- и газозащита | Низкая | Низкая | Высокая | Высокая | 
 +| Потребление воды | Нет | Есть | Нет | Есть | 
 +| Наличие компрессоров | Почти всегда | Как резерв | Как резерв | Как резерв |
  
-===== Практическая применимость в РФ ===== 
-<WRAP box> 
-* **Умеренно-холодные и континентальные регионы** (Сибирь, Урал, СЗФО): IASE/IEXC обеспечивает >80 % годовых часов без компрессоров, DASE применим при подтверждённой чистоте воздуха и допустимом управлении влажностью.   
-* **Южные регионы с жарким и влажным летом** (ЮФО): IEXC предпочтительнее; DEC на scavenger-ветке заметно расширяет «окно» естественного охлаждения.   
-* **Промышленные зоны**: IASE/IEXC с раздельными потоками как базовый выбор из-за газовых и пылевых загрязнений. 
-</WRAP> 
  
-===== Сравнение вариантов ===== 
-^ Параметр ^ DASE (db) ^ DASE + DEC (wb) ^ IASE (AHX) ^ IEXC (интегральный) ^ 
-| Контакт с наружным воздухом в зале | Да | Да | Нет | Нет | 
-| Управление влажностью | Ограничено | Сложно (рост RH) | Хорошо | Хорошо | 
-| Энергоэффективность | Средняя | Высокая | Средняя–высокая | Высокая | 
-| Капзатраты | Низкие | Низкие–средние | Средние | Средние | 
-| Риски качества воздуха | Высокие | Высокие | Низкие | Низкие | 
-| Потребление воды | Нет | Да (DEC) | Нет/умеренно (если без DEC) | Да (косвенное испарение) | 
-| Необходимость DX/чиллера | Почти всегда (как резерв) | Как «подрезка» в жаркие часы | Как «подрезка» | Как «подрезка» | 
  
-===== Мини-методика подбора (до сравнений 13.4) =====+===== Рекомендации по выбору =====
 <WRAP tip> <WRAP tip>
-1) Задать уставку холодного коридора \(T_\text{SA,уст}\) и допустимый \(T_\text{гор,уст}\).   +  - Определить уставку холодного коридора и допустимый диапазон температур горячего.   
-2) По климатическим данным (часовые бин-диаграммы db/wb) оценить долю часов, где \(T_\text{OA,db} \le T_\text{SA,уст}\) (DASE-db) и/или при учёте \(\varepsilon_\text{DEC}\) — \(T_\text{OA,wb}\) позволяет достижение уставки (DASE-DEC, IEXC).   +  - Проанализировать климатические данные по температурам воздуха и влажности.   
-3) Проверить ограничения по RH и качеству воздуха → при рисках выбрать IASE/IEXC.   +  - Проверить возможность использования наружного воздуха без ухудшения чистоты и стабильности параметров.   
-4) Оценить требуемую «подрезку» DX по наихудшему бину (пиковый db/wb) и по доле часов вне «окна» естественного охлаждения.   +  - При загрязнённой среде выбирать IASE или IEXC.   
-5) Сбалансировать расходы на воду и фильтрацию против экономии электроэнергии и PUE.+  - Рассчитать долю времени, когда возможно естественное охлаждение без компрессоров.   
 +  - Для оставшегося времени предусмотреть «подрезку» DX или чиллера.
 </WRAP> </WRAP>
  
 ===== Ключевые идеи ===== ===== Ключевые идеи =====
 <WRAP tip> <WRAP tip>
-* Тепловой баланс ИТ-зала определяется расходом и \(\Delta T\); «свободное охлаждение» снижает потребность в компрессорах.   +  * Использование наружного воздуха позволяет снизить энергопотребление и PUE.   
-* DASE прост и эффективен, но чувствителен к запылённости и влажности — критично для городских/промышленных площадок.   +  * DASE прост, но ограничен качеством наружного воздуха и влажностью.   
-* IASE исключает контакт с наружным воздухом, обеспечивая стабильность микроклимата; предохлаждение DEC заметно расширяет рабочую область.   +  * IASE исключает попадание внешнего воздуха в зал, обеспечивая стабильность микроклимата.   
-* IEXC объединяет косвенное испарительное охлаждение и теплообмен, часто давая годовой PUE ≈ 1.1–1.2 в умеренно-сухих климатах.   +  * IEXC сочетает теплообмен и испарительное охлаждение, показывая наилучшие показатели энергоэффективности.   
-* В РФ базовый выбор — IASE/IEXC; DASE оправдан при чистом воздухе и контролируемой влажности.   +  * Для большинства регионов России оптимальны схемы IASE и IEXC.   
-* Резервная «подрезка» DX/чиллера требуется всегда; её доля определяется климатом и уставками.  +  * Резервное механическое охлаждение обязательно для всех вариантов.
 </WRAP> </WRAP>
 +
  
topics/13/thermodynamics.1762545823.txt.gz · Последнее изменение: — admin