Климат на заказ

Концентрация в аппаратных помещениях дорогостоящего оборудования предъявляет повышенные требования к условиям его эксплуатации, в частности к обеспечению определенных параметров микроклимата, для чего используются системы прецизионного кондиционирования.

Чрезмерное увлечение распределенной архитектурой вычислений в последние годы обернулось разочарованием и, как следствие, наметился возврат, правда, уже на новом витке, к интеграции вычислительных ресурсов. Распространение кластерных архитектур, появление серверных «лезвий», создание крупных вычислительных центров данных для оказания услуг хостинга — эти и подобные им проекты реализуются при высокой плотности размещения оборудования в ограниченном пространстве, что приводит к повышенным значениям удельных тепловых нагрузок в технологических помещениях. Однако законов сохранения никто не отменял, и отрезвляющий принцип «за все надо платить» действует неукоснительно в применении к любой самой прогрессивной современной технологии. Речь идет не только о стоимости мощных систем для обработки и хранения больших объемов данных, измеряемой порою десятками и сотнями тысяч долларов. Другое важное для практических целей соображение касается обеспечения отказоустойчивости подобных систем, поскольку они устанавливаются на предприятиях телекоммуникационной отрасли с непрерывным круглосуточным и круглогодичным циклом обслуживания, в ответственной банковской сфере и прочих отраслях, где очень велики потери от простоя оборудования. Надежность становится одним из решающих факторов выбора, поэтому многие ведущие производители гарантируют доступность своих систем на уровне пяти девяток, три из которых — после запятой.

Вопросы построения отказоустойчивых сетевых решений неразрывно связаны с технологиями защиты от сбоев дорогостоящего и высокотехнологичного оборудования. Наряду с непрерывным электроснабжением не менее важно поддержание оптимальных параметров микроклимата с помощью систем прецизионного кондиционирования в помещениях, где наблюдается высокая концентрация ответственных вычислительных ресурсов. Так, по данным центра стратегических исследований Strategic Research, 8% всех простоев компьютерных систем связано именно с недопустимо высокой температурой в залах, где установлена аппаратура.

Если еще два года тому назад удельная тепловая нагрузка в типичном центре обработки данных составляла 500—800 Вт/м², то сегодня она достигает 1200—1500 Вт/м². Тепловая же нагрузка внутри стандартных 19-дюймовых серверных стоек возросла с 2 кВт до 6—10 кВт, и иногда составляет и 20 кВт. Очевидно, что если выделяемое оборудованием тепло своевременно не отводить, то никакая стратегия защиты с помощью ИБП и ДГУ не поможет — из строя выйдут, причем довольно быстро, электронные микросхемы как серверов, так и ИБП.

ТЕПЛО ЗДЕСЬ БОЛЬШЕ НЕ ЖИВЕТ

Чем обусловлена необходимость приобретения и установки высокоточного оборудования для кондиционирования аппаратных комнат? Прежде всего, такие системы предназначены для поддержания жестко заданных параметров температуры, влажности, чистоты и скорости перемещения воздуха.

Обслуживающий серверные залы персонал хорошо знает, сколько тепла выделяет тот или иной прибор при полной нагрузке — для этого не надо даже заглядывать в его паспортные данные, достаточно собственных ощущений. Суммарное тепловыделение электронной аппаратуры варьируется в широких пределах и составляет от 10 до 90% потребляемой мощности всех устройств. В сопровождающей документации обычно указывается наиболее благоприятный для нормальной работы режим — как правило, он соответствует температуре +22 ?2?С и влажности 50 ?10% (либо еще более жестким условиям). Отклонение от оптимальных температурных параметров чревато сбоями в работе аппаратуры, в состав которой входят сложные электронные схемы. Особенно капризны в этом отношении поставляемые совместно с ИБП аккумуляторные батареи: при повышении температуры хранения на 7—10?С срок их службы сокращается вдвое.

Не менее опасно для работы электронного оборудования нарушение режима влажности. Повышенная влажность — источник конденсата, вызывающего коррозию проводников и окисление контактов, что, в свою очередь, ведет к выходу из строя компонентов системы. С другой стороны, недостаток влаги способствует разрушению лака на электронных печатных платах, высыханию изоляции силовой и коммутационной проводки и образованию статического электричества, появление которого способно парализовать работу отдельных узлов.

Определенная категория оборудования чувствительна к чистоте окружающего воздуха — количеству содержащейся в нем пыли (например, оборудование типографии, «гермозон» предприятий микроэлектронной промышленности, хирургических центров, отделений интенсивной терапии, хранилищ раритетов). Накапливающаяся пыль замедляет отвод тепла, к тому же она способна привести к механическим повреждениям носителей информации при считывании или записи данных на ленту или диск.

Распределение воздуха в помещении зависит от многих факторов (общая площадь, высота потолка, различные выступы и ниши, наличие окон, системы центрального отопления и прочие нюансы). Для равномерного перемешивания воздуха и ликвидации зон локального перегрева, или «мертвых зон», куда не доходят его потоки, требуется интенсивное принудительное перемещение воздушных масс. Такие условия также обеспечивают системы прецизионного кондиционирования.

Сферы применения высокоточных климатических систем в области ИТ многообразны — это вычислительные центры, телефонные узлы, центры провайдеров услуг Internet, центры хостинга, телекоммуникационные контейнеры базовых станций мобильной, спутниковой связи и радиоретрансляторов, аппаратные помещения с критичным к простою оборудованием. Особенно требовательно к точности поддержания параметров микроклимата телекоммуникационное оборудование, как правило, оно даже поставляется вместе с системами прецизионного кондиционирования. На автономных базовых станциях современных систем сотовой связи отсутствует обслуживающий персонал, поэтому к системам обеспечения микроклимата предъявляются высокие требования в отношении надежности, точности регулирования и возможности централизованного удаленного управления.

Справедливости ради надо признать, что за последние годы требования к системе охлаждения ряда устройств, например мэйнфреймов, заметно снизились благодаря переходу с биполярной технологии изготовления процессоров на технологию КМОП.

БОЛЬШЕ ЧЕМ КОМФОРТ

На взгляд несведущего человека, задача обеспечения комфортных условий для работы электронного оборудования не должна представлять особой сложности — в быту системы кондиционирования встречаются повсеместно. Однако не следует путать два различных класса оборудования: обычные комфортные (бытовые) и прецизионные (высокоточные) системы кондиционирования воздуха. Лишь последние способны создать необходимые условия для функционирования оборудования в аппаратных помещениях: охлаждать, подогревать, очищать, увлажнять, осушать и перемешивать воздух, а также автоматически регулировать его параметры. Комфортные системы кондиционирования отличаются от прецизионных следующими моментами. Бытовые комфортные системы устанавливают в помещениях, где работают люди, и именно этим обстоятельством обусловлена специфика их работы: они обычно эксплуатируются только в теплое время года, при температуре окружающей среды не ниже -50C. Как правило, такие системы, в отличие от прецизионных, не предназначены для круглосуточной работы, в противном случае они быстро изнашиваются. От комфортных систем не требуется и повышенная точность поддержания температуры, а режим увлажнения нередко и вовсе отсутствует, что приводит к сильному осушению воздуха.

Рисунок 1. В состав прецизионного кондиционера входит блок генератора пара (пароувлажнитель).

В отличие от бытовых, прецизионные системы снабжены пароувлажнителем (см. Рисунок 1). Они обеспечивают высокую точность поддержания температуры и влажности и способны работать в более широком диапазоне температуры внешней среды от -40?C до +60?C (при использовании дополнительной системы свободного охлаждения прецизионный кондиционер может работать практически при любых низких температурах окружающей среды). Объем подачи воздуха, поставляемый таким кондиционером, гораздо больший по сравнению с бытовыми системами, что позволяет избежать перегрева отдельных устройств, оказавшихся в «мертвых» зонах. Комфортные системы оснащаются простыми фильтрами, в прецизионных устанавливаются фильтры промышленных стандартов (предварительные фильтры грубой очистки EU3-EU4, фильтры тонкой очистки EU5-EU9 с высокой фильтрующей способностью и минимальным снижением давления воздуха). Эффективность (холодопроизводительность) прецизионных кондиционеров, в отличие от бытовых, существенно выше, а точность поддержания температуры (0,5—1?С) не идет с ними ни в какое сравнение (5?С).

Разумеется, прецизионные системы дороже бытовых, особенно с учетом инсталляции, расходы на которую могут составлять от 10 до 30% от стоимости самого устройства. Однако, принимая во внимание существенную разницу в расчетных сроках эксплуатации — 10—15 лет для прецизионных против 3—5 лет для комфортных систем, работающих в щадящем режиме, а также учитывая, что охлаждающая способность последних существенно ниже, общие расходы на прецизионное климатическое оборудование подчас меньше, не говоря уж о том, что с задачами обеспечения микроклимата в аппаратных помещениях могут справиться только эти системы.

ПРОДАВЦЫ ВОЗДУХА

Отрасль прецизионного кондиционирования развивалась в течение последних 20—30 лет параллельно с развитием высокотехнологичного компьютерного и телекоммуникационного оборудования. Стимулом служила необходимость защиты крупных капитальных вложений и недопущения сбоев в работе вычислительных средств и систем связи, которые чреваты большими финансовыми потерями.

Вопросы сертификации оборудования для кондиционирования находятся в ведении международной европейской некоммерческой организации EUROVENT/CECOMAF, объединяющей сегодня 15 ассоциаций из 11 стран; они представляют более 1000 компаний. Свыше 100 производителей принимают участие в 13 программах сертификации, которые охватывают практически все оборудование, используемое при воздушном кондиционировании и охлаждении. Тестирование продукции выполняют девять независимых лабораторий в шести европейских странах.

В результате активного взаимодействия с аналогичными ассоциациями США, Японии и Канады была образована международная организация ICARMA (International Council of Air Conditioning and Refrigeration equipment Manufacturers Associations), чуть позже к ней присоединился Китай. Российская ассоциация предприятий индустрии климата (АПИК) объединяет около сорока московских и региональных компаний, представляющих производителей, поставщиков оборудования, а также тех, кто осуществляет его монтаж. В нашей стране требования к системам кондиционирования воздуха определяются рекомендациями СНиП (строительные нормы и правила) 2.04.05-91 «Отопление, вентиляция и кондиционирование».

Согласно классификации EUROVENT/CECOMAF, выделяются восемь основных категорий микроклиматического оборудования, особое место среди них занимает категория CC — «Прецизионные кондиционеры (Close Control, СС) с холодильной мощностью до 100 кВт (с непосредственным испарением и водяным охлаждением)».

Компания Liebert изначально была ориентирована на производство систем для кондиционирования воздуха в крупных вычислительных центрах. Первый контракт она заключила с корпорацией IBM — на обеспечение климатических параметров помещений, где располагались мэйнфреймы. В Советском Союзе прецизионные системы Liebert обеспечивали кондиционирование вычислительных центров, оборудованных машинами Единой Серии (ЕС).

Расширяя спектр отказоустойчивых решений, APC в 2000 г. приобрела известную американскую компанию Airflow, изготовителя прецизионных климатических систем. Это еще более укрепило позиции APC, поскольку позволило предлагать законченные решения по защите оборудования компьютерных центров, провайдеров услуг Internet и телекоммуникаций, а прибыль от продажи прецизионных климатических систем NetworkAIR (бывшей компании Airflow) составляет заметную долю в ее доходах.

Совсем недавно, 2 июня 2003 г., компания APC объявила о приобретении компании tecnikon Limited (подразделения компании i-Age Project Limited из Великобритании), специализирующейся на производстве оборудования прецизионного кондиционирования. Новые продукты интегрируются с серверными стойками (тепловая нагрузка на которые составляет до 15 кВт на стойку) и позволяют поддерживать требуемые климатические параметры в центрах данных с очень высоким уровнем тепловыделения.

Помимо уже названных компаний в России известно оборудование класса Close Control итальянской компании Emicon и группы Blue Box, немецких компаний Al-Ko Aerotech, Weiss, Stulz, французской компании Beutot, а также RC Group, Isopak, Danterm HMS, Denco, Airedale, Qualiair и ряда других. Кризис телекоммуникационной отрасли в Европе обусловил приход на российский рынок многих небольших и не очень известных европейских компаний, причем благодаря более низким ценам им удалось составить конкуренцию известным производителям прецизионного оборудования.

Широкое распространение получили базирующиеся на принципе охлаждения воздуха с помощью воды и используемые для поддержания климатических параметров целого здания системы централизованного кондиционирования. Импульс развитию этого направления во многом дали крупные проекты по строительству элитных домов и торговых комплексов. Ведущие изготовители таких систем — американские компании Trane, York и Carrier. В России хорошо известна продукция компаний ABB, CIAT, Clivet, Daikin, McQuay, Duncham Bush. Спросом пользуются кондиционеры российского производителя ВЕЗА, изготавливаемые с применением зарубежной технологической линии. Это оборудование не следует путать с системами прецизионного кондиционирования класса Close Control, в основе которых — стандартный цикл холодильной машины.

По данным российского агентства «Росбизнесконсалтинг» со ссылкой на оценки экспертов АПИК, отечественный рынок кондиционеров — один из самых динамично развивающихся в мире. При этом в текущем году ожидается увеличение объема продаж сложных промышленных систем на 60—70%.

«КОГДА Б НЕ ЗНОЙ, ДА ПЫЛЬ, ДА КОМАРЫ, ДА МУХИ»

Хотя принципы работы систем кондиционирования просты и понятны (см. врезку «Принцип работы»), установить и настроить эти системы очень непросто. Любой проект индивидуален, в каждом конкретном случае приходится учитывать особенности здания, конфигурацию помещения, наличие системы отопления, расположение окон и воздуховодов, форму крыши, на которой иногда устанавливаются выносные узлы системы, наличие чердачных помещений. В идеальном случае помещение для кондиционирования герметизировано, в нем отсутствуют воздуховоды и батареи центрального отопления.

Далеко не всегда имеется возможность укрепить выносной конденсатор на стене здания — строение может оказаться невысоким, а установленный на уровне второго этажа конденсатор станет искушением для вандалов. Кроме того, в последние годы архитекторы предлагают, а строители воплощают амбициозные проекты зданий, стены которых представляют собой сплошное стекло.

Любая непродуманная мелочь может свести к нулю все теоретические расчеты. Как, например, рассчитать мощность тепловой нагрузки помещения? Теоретически это можно сделать, суммировав количество тепла, выделяемое устройствами, в соответствии с их паспортными данными. Однако в паспорте указывается тепловыделение при 100-процентной нагрузке, а во время эксплуатации нагрузка может оказаться неполной, да и паспорта устройств не всегда хранят бережно.

Эффективность работы кондиционера характеризуют таким параметром, как холодопроизводительность:

Q = C x G x (Tпр — Tух),

где Q — холодопроизводительность (кВт), C — теплоемкость (кДж/кг x град.), G — расход воздуха (кг/с), T_пр — температура притока воздуха, T_ух — температура уходящего воздуха.

В помещении для персонала расход воздуха не велик, поэтому эффективности работы машины приходится добиваться за счет увеличения разности температур. Охлаждение же теплопередающей поверхности ниже точки росы приводит к конденсации влаги из воздуха, т. е. к его осушению, что вполне допустимо для бытовых систем (если в комнатах находятся люди, всегда выделяется влага), но неприемлемо для телекоммуникаций. При установке промышленных кондиционеров класса Close Control в залах с неравномерной тепловой нагрузкой, высокой эффективности добиваются не за счет перепада температур, а благодаря существенному увеличению расхода воздуха во избежание возникновения зон перегрева. Понятно, что людям нельзя постоянно находиться в условиях сильного движения воздушных масс — сквозняки приводят к заболеваниям. К тому же компрессор — основной источник шума системы кондиционирования, что критично в рабочих зонах, но не столь важно для аппаратных помещений.

Одна из наиболее сложных задач — обеспечение равномерного перемешивания воздуха. Нередко технологические помещения комплектуются резервными шкафами прецизионных систем кондиционирования — таковы, например, требования СНиП к объектам телекоммуникаций. Однако и здесь можно ждать подвоха. От того, насколько правильно будут размещены эти системы, во многом зависит конечный результат. К примеру, достаточно установить перед первым кондиционером какой-нибудь пандус, и исходящий поток воздуха изменит планируемую траекторию и направится ко второму кондиционеру, из-за чего тот не включится, поскольку «не почувствует» теплого воздуха. Если при этом первый аппарат настроить на работу в жестком температурном режиме, то он начнет забирать холодный воздух у себя самого, что приведет к обморожению испарителя.

Серьезная проблема возникает в ситуации, когда фреон в испарителе не полностью переходит в газообразное состояние. Одной их причин такого явления может стать загрязнение фильтра, приводящее к ухудшению теплообмена, резкому снижению перепада давления и обмерзанию испарителя. Если жидкий фреон, который невозможно сжать, попадет в компрессор, то последний может выйти из строя. В таком случае помогают трехходовые клапаны, через которые часть горячего газа перебрасывается на холодную магистраль и разбавляет холодный жидкий фреон. Очищение фильтров — необходимая профилактическая работа, которую особенно часто приходится выполнять в летнее время в тех регионах, где в большом количестве водятся мошка, комары и прочий гнус.

Пароувлажнение сопряжено с проблемами при плохом качестве воды — в результате пароувлажнитель начинает быстро покрываться накипью и срок его службы сокращается. Как уже говорилось, кондиционер имеет свойство осушать помещение. Влага из воздуха конденсируется и стекает в поддон, откуда ее приходится удалять дренажным насосом, а в зимнее время ставить нагреватель на дренаж. Полы, располагающиеся под фальш-полом, необходимо покрывать специальной мастикой, нейтральной к статическому заряду.

Качественная инсталляция систем прецизионного кондиционирования требует использования дорогостоящих инструментов, которые может позволить себе лишь компания, действительно специализирующаяся на установке подобного оборудования.

Решившись на приобретение прецизионного кондиционера, заказчик ставит перед исполнителем технически очень сложную задачу, которая по плечу лишь профессионалам, имеющим большой опыт в этой области.

Автор выражает благодарность за помощь, оказанную при подготовке статьи, А. Фрибусу, ведущему менеджеру отдела продаж компании N-Power.

Принцип работы

Принцип работы систем прецизионного кондиционирования аналогичен стандартному циклу холодильной машины. Обязательным компонентом любого кондиционера является компрессор — именно этот агрегат совершает работу по переносу тепла, сжимая фреон и поддерживая его циркуляцию по рабочему контуру. Помимо компрессора в состав системы входят конденсатор (пластинчатый радиатор или змеевик), регулирующее устройство (терморегулирующий вентиль, предохранительный клапан, дроссель), испаритель (пластинчатый радиатор или змеевик) и два вентилятора для обдува конденсатора и испарителя. Холод подается с помощью промежуточного теплоносителя (воздуха или воды). Основу системы образует замкнутый контур трубопровода, заполненный хладоагентом, в качестве которого обычно используется фреон промышленной марки R22 (в последнее время все чаще применяется безопасный для озонового слоя Земли фреон марок R407C и R410A). Выбор в большинстве случаев (90%) фреона в качестве рабочего тела обусловлен низкой температурой кипения этого углеводного соединения фтора.

Работу кондиционера мы поясним на примере замкнутого цикла холодильной машины, приведенного на Рисунке 2. В основе любого такого устройства лежит физическое свойство жидкостей поглощать тепло при испарении и отдавать его при конденсации. Компрессор откачивает пары фреона из испарителя (фреон поступает в компрессор под давлением 3—5 атм и при температуре +10—20?C). В компрессоре он сжимается примерно до 16 атм, при этом его температура возрастает до +70—90?C, после чего этот горячий пар поступает в конденсатор. Благодаря интенсивной работе вентилятора, обдувающего конденсатор, фреон остывает, а его пары насыщаются и конденсируются, переходя из газообразной формы в жидкую с выделением дополнительного тепла. При этом воздух, проходящий через конденсатор, нагревается. Давление фреона остается прежним — 16 атм, а температура понижается примерно до +30?C. С помощью регулирующего устройства происходит дросселирование жидкого хладоагента, при котором теплый фреон на выходе вентиля начинает испаряться, а его давление понижается до 3—5 атм. После регулирующего устройства смесь жидкого и газообразного фреона при пониженном давлении (когда начинается его кипение при низкой температуре) поступает в испаритель, окончательно переходя в газообразную форму с поглощением тепла. Собственно отвод тепла из помещения происходит при прокачке воздуха через испаритель посредством вентилятора. Далее газообразный фреон при низком давлении поступает на вход компрессора, который его втягивает, и цикл замыкается. Таким образом происходит перенос тепла из среды, в которой находится испаритель (внутреннее помещение), во внешнюю среду, куда выведен конденсатор.

Прецизионные кондиционеры с выносными конденсаторами часто ошибочно называют сплит-системами, каковыми на самом деле являются лишь бытовые кондиционеры. Они отличаются от промышленных систем класса Close Control тем, что за пределы здания помимо конденсатора у них вынесен самый шумный узел системы — компрессор. Охлажденный воздух может выдуваться как сверху, так и снизу, либо в режиме вытеснения (displacement), когда он забирается сверху и сбрасывается вдоль фальш-пола. Некоторые модели прецизионных систем снабжены внутренним конденсаторным блоком.

Управление по локальной сети, а также удаленное управление прецизионными кондиционерами осуществляется с помощью специального контроллера, оснащенного жидкокристаллическим дисплеем. Это устройство отключает компрессор или пароувлажнитель, если от датчиков поступил сигнал о том, что температура и влажность достигли приемлемых значений.

Системы прецизионного кондиционирования работают безостановочно в течение всего года, причем даже тогда, когда температура за окном становится весьма низкой. В последнем случае появляется возможность использовать наружный воздух для охлаждения рабочего помещения. Метод непосредственного свободного охлаждения — фрикулинг (free cooling) — позволяет сократить потребление электроэнергии, поскольку компрессоры, основные потребители электроэнергии, работают со сниженной мощностью, необходимой только на вторичное охлаждение. Для этого устанавливается дополнительный контур охлаждения с незамерзающей жидкостью (раствор этиленгликоля), либо внешний воздух подмешивается к рециркулирующему и после фильтрации подается в помещение. Иногда при низкой температуре наружного воздуха дополнительные теплообменники способны самостоятельно поддерживать необходимую температуру в помещении. В этом случае компрессоры полностью останавливаются, а охлаждение целиком и практически бесплатно обеспечивает дополнительный контур системы free cooling. Такая экономия существенно снижает эксплуатационные расходы и способствует возврату инвестиций.

В случае централизованных систем кондиционирования внутри здания устанавливаются бескомпрессорные машины фанкойлового типа (fin coil), состоящие из теплообменника и вентилятора. Охлаждение воздуха, подаваемого в помещение, осуществляется с помощью текущей по змеевику кондиционера холодной воды, расход которой регулируется посредством специального клапана. Для охлаждения воды до температуры 5—7?C используют специальные чиллеры, устанавливаемые чаще всего на крыше зданий. В основе работы чиллеров лежит обычный принцип холодильной машины, описанный выше.

Ресурсы Internet

Исчерпывающая информация по вопросам сертификации оборудования прецизионного кондиционирования в соответствии с методиками международной европейской организации EUROVENT/CECOMAF представлена на сайте http://www.eurovent-certification.com.

О дополнительных возможностях свободного охлаждения, применяемых в системах прецизионного кондиционирования, можно узнать из статьи Д. М. Якубовича, главного специалиста отдела климатического и холодильного оборудования российского отделения компании Liebert-Hiross, размещенной по адресу: http://www.cherus.ru/chr.nfs.

Разнообразные обзоры, а также материалы по проблемам установки и эксплуатации прецизионных климатических систем опубликованы на сайте http://www.abok.ru в электронных версиях специализированного журнала «Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика» (АВОК).

Журнал «Мир климата», электронная версия которого находится по адресу: http://mir-klimata.apic.ru, — профессиональное издание, ориентированное на российские компании, работающие в области кондиционирования помещений.