Это старая версия документа!
Содержание
Термодинамические основы и схема работы оборудования
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.
Базовые определения
* Сухобульбовая температура (db) — температура воздуха, измеренная обычным термометром. * Влажнобульбовая температура (wb) — температура, учитывающая испарительное охлаждение, зависит от относительной влажности. * Адиабатическое охлаждение (DEC) — испарительное охлаждение без подвода тепла/холода извне; снижает db, повышает влажность. * Теплообменник воздух–воздух (AHX) — разделяет наружный и внутренний потоки, не переносит влагу. * IEXC — совмещает AHX и испарительное охлаждение в одном аппарате (косвенное испарительное).
Тепловой баланс и ключевые формулы
$$ Q_\text{ITE} = \dot m_\text{SA}\, c_p \,(T_\text{RA} - T_\text{SA}) $$
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.
$$ \Delta T_\text{коридор} = T_\text{гор} - T_\text{хол}, \qquad \text{и} \qquad P_\text{вент} \approx \frac{\Delta p \cdot \dot V}{\eta_\text{вент}} $$
* Для оценки выгоды «свободного охлаждения» удобно использовать долю часов года, когда наружные условия позволяют выдерживать уставки \(T_\text{хол}\) и \(RH\) без компрессоров. * 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).
Прямая схема (DASE): наружный воздух непосредственно в зал
Охлаждение по сухобульбовой температуре (без увлажнения)
* Схема: наружный воздух → фильтрация → вентилятор → (опц. небольшая механическая «подрезка» холода) → подача в холодный коридор; тёплый воздух удаляется. * 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.
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.
Охлаждение с адиабатическим модулем (DEC, «влажнобульбовой режим»)
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.
Варианты управления, когда наружный воздух через DEC слишком охлаждает подачу или не дотягивает до уставки:
- Снижение расхода процессного воздуха для удержания температуры горячего коридора (меньше энергия вентиляторов, больше \(\Delta T\)).
- Стабилизация расхода при допустимом повышении \(T_\text{гор}\) ниже предела.
- Игра байпасом DEC: часть потока обходит кассеты для точной уставки \(T_\text{SA}\).
Ключевой недостаток DASE+DEC — отсутствие независимого контроля влажности в «холодный» сезон: приток влаги определяется процессом испарения.
Функциональная схема DASE (обобщённая)
Косвенная схема (IASE): разделённые потоки
Наружный воздух (scavenger air) охлаждает рециркуляционный поток через воздух–воздух теплообменник. В ИТ-зале поддерживаются чистота и влажность; наружный воздух в зал не поступает.
Последовательность процессов:
1) Наружный воздух → грубая фильтрация.
2) (Опц.) Предохлаждение scavenger-потока в DEC (уменьшает температуру до близкой \(T_\text{wb}\)).
3) Вентилятор scavenger-ветки проталкивает поток через **AHX**; теплота переносится к наружному воздуху.
4) Рециркуляционный вентилятор подаёт охлаждённый воздух в холодный коридор.
5) При экстремально тёплой погоде — **добавочное механическое охлаждение** (DX/чиллер) как «подрезка» (trim).
Типичные эффективности AHX по чувствительной теплоте 0.65–0.75 при равных расходах. Вертикальные тепловые трубы (heat-pipe) автоматически блокируют обратный перенос теплоты, когда \(T_\text{OA} > T_\text{RA}\).
Функциональная схема IASE с предохлаждением DEC
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.
Интегральный косвенный испарительный теплообменник (IEXC)
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.
Рабочий цикл (пример):
- Возврат из горячего коридора ~35 °C (95 °F) → вентилятор → вход в трубный пакет IEXC.
- 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.
- В экстремальные дни (например, db/wb 43/24 °C) IEXC снимает 60–70 % тепловой нагрузки; остаток закрывает «подрезка» DX/чиллер.
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.
Управление, защита и эксплуатационные аспекты
* Алгоритмы: поддержание уставок \(T_\text{SA}\), \(T_\text{гор}\), контроля расхода, позиционирование байпасов DEC/AHX, приоритет естественного охлаждения, каскад включения DX/чиллеров. * 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). * 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. * Газовые примеси: стандартные фильтры их не задерживают — предусматривать сорбцию/адсорбцию для химически активной среды. * Водоподготовка: солесодержание, антинакипь, регулировка продувки DEC (bleed-off) для ограничения минерализации и бактериоразмножения.
Психрометрические соображения (качественно)
* DASE без DEC работает по горизонтали диаграммы (почти неизменная абсолютная влажность). * DASE с DEC — движение к линии постоянной энтальпии в сторону \(T_\text{wb}\) (рост RH). * 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.
Практическая применимость в РФ
* 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.
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)
1) Задать уставку холодного коридора \(T_\text{SA,уст}\) и допустимый \(T_\text{гор,уст}\). 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). 3) Проверить ограничения по RH и качеству воздуха → при рисках выбрать IASE/IEXC. 4) Оценить требуемую «подрезку» DX по наихудшему бину (пиковый db/wb) и по доле часов вне «окна» естественного охлаждения. 5) Сбалансировать расходы на воду и фильтрацию против экономии электроэнергии и PUE.
Ключевые идеи
* Тепловой баланс ИТ-зала определяется расходом и \(\Delta T\); «свободное охлаждение» снижает потребность в компрессорах. * DASE прост и эффективен, но чувствителен к запылённости и влажности — критично для городских/промышленных площадок. * IASE исключает контакт с наружным воздухом, обеспечивая стабильность микроклимата; предохлаждение DEC заметно расширяет рабочую область. * IEXC объединяет косвенное испарительное охлаждение и теплообмен, часто давая годовой PUE ≈ 1.1–1.2 в умеренно-сухих климатах. * В РФ базовый выбор — IASE/IEXC; DASE оправдан при чистом воздухе и контролируемой влажности. * Резервная «подрезка» DX/чиллера требуется всегда; её доля определяется климатом и уставками.