Systemy free-cooling w obiektach typu data center
Ocena użytkowników: / 2
SłabyŚwietny 
Data dodania: 06.10.2015

Obiekty, w których przez cały sezon występują, stałe i oscylujące wokół maksymalnych, wewnętrzne zyski ciepła niezależnie od zewnętrznych warunków atmosferycznych wymagają ze względów ekonomicznych zastosowania systemów wykorzystujących zimne powietrze zewnętrzne do schładzania pomieszczeń.

 

 

Rozwiązania takie noszą nazwę free-coolingu. Zimne powietrze zewnętrzne może schładzać bezpośrednio powietrze w pomieszczeniu lub może być wykorzystane do schłodzenia w sposób pośredni powietrza wewnętrznego poprzez tzw. medium pośredniczące (najczęściej jest nim wodny roztwór monoetyloglikolu). 

 

Do budynków wymagających odprowadzenia ciepła niezależnie od temperatury powietrza zewnętrznego należą m.in. obiekty służące do przechowywania danych tzw. „data center” i serwerownie. Tego typu obiekty są traktowane w Polsce trochę „po macoszemu”. Urządzenie chłodzące stanowi często klimatyzator typu split, przystosowany do pracy w niskiej temperaturze zewnętrznej. Minusem takiego rozwiązania są wysokie koszty eksploatacji, związane z ciągłą pracą sprężarkowego układu chłodniczego, nawet takiego pracującego z wysoką efektywnością energetyczną. Zastosowanie prostych klimatyzatorów typu split ogranicza możliwości zastosowania rozwiązań typu free-cooling.

 

W wielu obiektach pracują również bardziej zawansowane urządzenia pozwalające na bardziej dokładne dotrzymanie zadanych parametrów pracy. Są to różnej konstrukcji szafy klimatyzacyjne i szafy klimatyzacji precyzyjnej. Tego typu urządzenia pozwalają na regulację z dużą precyzją zarówno temperatury jak i wilgotności powietrza w pomieszczeniu np. temperaturę powietrza w pomieszczeniu na poziomie +/-0,5°C, bądź też wilgotność względną na poziomie +/-5% w stosunku do wartości zadanej. Nowoczesne urządzenia tego typu pozwalają również na wykorzystanie darmowych „nakładów” chłodu zawartych w powietrzu zewnętrznym o niskiej temperaturze. W zależności od konstrukcji wykorzystują w sposób bezpośredni lub pośredni powietrze zewnętrzne do utrzymana zadanej temperatury powietrza w pomieszczeniu.

 

Można jednak zauważyć, że kilka-, kilkanaście lat temu przywiązywano mniejszą lub jedynie dostateczną wagę do kosztów eksploatacyjnych związanych z zużyciem energii elektrycznej przez energochłonne systemy klimatyzacyjne. W wielu obiektach pracują szafy, których konstrukcja nie przewiduje zastosowania systemu free-cooling. Obecnie w wielu wypadkach inwestorzy świadomi wyższych kosztów eksploatacji urządzeń bez free-coolingu zastanawiają się nad możliwością zastosowania takich rozwiązań, pomimo tego że na etapie projektu lub realizacji takich konstrukcji nie przewidywano.

 

 

Rozwiązania free-cooling w obiektach typu data center

 

Można zaobserwować pewien trend w rozwiązaniach stosowanych przez producentów urządzeń elektronicznych, że dopuszczalna temperatura otoczenia powoli ulega podwyższeniu. Być może wkrótce dopuszczalna temperatura pracy będzie tak wysoka, że nie będzie konieczne chłodzenie pomieszczeń. Trend ten jest bardzo korzystny do wykorzystania systemów free-cooling. Im wyższa dopuszczalna temperatura otoczenia tym większe oszczędności związane z zastosowaniem tej technologii. Free-cooling będzie startował przy wyższej temperaturze zewnętrznej, co zwiększy efektywność jego pracy. Zwiększenie liczby godzin pracy układu w trybie free-cooling redukuje bowiem koszty pracy związane z poborem energii elektrycznej przez energochłonne obiegi sprężarkowe w urządzeniach chłodniczych.

 

Technologii pozwalających na wykorzystanie free-coolingu w obiektach typu data center jest wiele. Do najprostszych rozwiązań należy doprowadzenie powietrza świeżego zewnętrznego bezpośrednio do pomieszczenia poprzez zastosowanie wentylatorów osiowych lub promieniowych z płynną regulacją wydajności, zależną od temperatury panującej w pomieszczeniu. Takie najprostsze rozwiązanie systemu chłodzenia można zastosować np. jako rozwiązanie doraźne do prostych systemów schładzania wykorzystujących tylko klimatyzatory typu split. Rozwiązanie takie posiada jednak jedną zasadniczą wadę, o czym będzie mowa w dalszej części artykułu.

 

Powietrze świeże może również zostać doprowadzone do schładzanego pomieszczenia poprzez zastosowanie przepustnicy powietrza świeżego lub komory mieszania w szafach klimatyzacyjnych lub szafach klimatyzacji precyzyjnej.

 

Powyższe przykłady to typowe rozwiązania free-coolingu bezpośredniego.

 

Powietrze w pomieszczeniu można schłodzić w sposób pośredni również wykorzystując do tego celu świeże powietrze zewnętrzne. 

 

Dla przykładu układy z szafami klimatyzacji precyzyjnej z chłodnicą wodną zasilaną ze sprężarkowego agregatu chłodniczego pozwalają również na wykorzystanie takiego rozwiązania. Woda chłodnicza zasilająca szafę klimatyzacji precyzyjnej (np. o temp. 7°C) odbiera ciepło od powietrza chłodzącego pomieszczenie. Podgrzana woda (np. o temp. 12°C) jest schładzana w specjalnym wymienniku free-coolera umieszczonym w sprężarkowym agregacie chłodniczym. Więcej informacji na temat zastosowania funkcji free-coolingu w sprężarkowych agregatach autor zamieścił w poprzednich publikacjach dedykowanych tej tematyce.

 

Zastosowanie chłodnicy wodnej w szafie klimatyzacji precyzyjnej pozwala również na podłączenie dry-coolera i w okresie, gdy warunki otoczenia są korzystne, zimna woda będzie schładzana na wymienniku dry-coolera zamiast z wykorzystaniem sprężarkowego agregatu chłodniczego (nie wyposażonego w funkcję free-coolingu).

 

Ciekawe rozwiązanie stanowią nowe konstrukcje szaf klimatyzacji precyzyjnej z chłodnicą bezpośredniego odparowania i ze skraplaczem chłodzonym cieczą. Szafy klimatyzacji precyzyjnej dodatkowo wyposażone mogą być w chłodnicę wodną oraz dodatkowy trójdrogowy zawór regulacyjny. Przy takiej konfi guracji możliwe jest schłodzenie w sposób pośredni powietrza w pomieszczeniu przy czym medium pośredniczące stanowi wodny roztwór glikolu krążący pomiędzy szafą bezpośredniego odparowania a dry-coolerem.

 

W okresie, przyjmijmy go umownie jako zimowy (za taki autor rozpatruje okres, gdy wydajność wymiennika free-cooling przy określonej temperaturze powietrza zewnętrznego jest wystarczająca do odprowadzenia zysków ciepła z pomieszczenia), schłodzenie powietrza w pomieszczeniu odbywa się z wykorzystaniem chłodnicy wodnej oraz dry-coolera. Dry-cooler pełni rolę tylko „free-coolera” (rys. 1a).

 

 

2015 09 58 1

Rys. 1 Schemat zasady działania szafy klimatyzacji precyzyjnej z chłodnicą bezpośredniego odparowania oraz skraplaczem chłodzonym cieczą współpracującą z zewnętrznym drycoolerem. Rozwiązanie pozwalające na pracę układu freecooling również w okresach przejściowych (z arch. Close Control General Catalog fi rmy TECNAIR). Opis w tekście.

 

 

W okresie letnim (za taki autor przyjmuje okres gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest na tyle wysoka, że nie pozwala na załączenie układu free-cooling) (rys. 1c) dry-cooler pełni rolę tylko urządzenia odprowadzającego ciepło ze skraplacza sprężarkowego obiegu chłodniczego. W takim okresie schłodzenie powietrza odbywa się tylko i wyłącznie z wykorzystaniem chłodnicy bezpośredniego odparowania.

 

W okresie przejściowym (rys. 1b), gdy możliwe staje się wykorzystanie wymiennika chłodnicy wodnej do wstępnego schłodzenia powietrza, powietrze z pomieszczenia zostaje wstępnie schłodzone na tym wymienniku a następnie dochłodzone na wymienniku bezpośredniego odparowania. Przy konfi guracji jak na rysunku możliwa jest równoczesna praca obydwu chłodnic – wodnej i bezpośredniego odparowania. Woda po schłodzeniu w dry-coolerze odbiera ciepło od powietrza schładzanego w pomieszczeniu, powodując jego wstępne schłodzenie a następnie

 

Można jednak ogólnie zauważyć, że rozwiązania wykorzystujące wodny roztwór glikolu jako medium pośredniczące dają większe możliwości pozyskania darmowego źródła chłodu, jakim jest powietrze zewnętrzne o niskiej temperaturze w stosunku do najprostszych rozwiązań z klimatyzatorami typu split. 

 

 

2015 09 58 2

Rys. 2. Wykres punktowy stanów powietrza zewnętrznego w ciągu roku, uwzględniający zarówno temperaturę „według termometru suchego” jak również wilgotność bezwzględną. Na wykresie wyznaczono krzywą reprezentującą uśrednioną zależność pomiędzy temperaturą powietrza zewnętrznego mierzoną „termometrem suchym” oraz zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym

 

 

Free-cooling bezpośredni – wady

 

(...)

 

Jak zredukować koszty nawilżania powietrza przy zastosowaniu free-coolingu bezpośredniego?

 

(...)

 

Wnioski

 

Zastosowanie free-coolingu bezpośredniego w obiektach typu Data Center powoli stawać się będzie nieodzowne, z uwagi na mniej rygorystyczne wymagania producentów urządzeń elektronicznych, co do dopuszczalnej temperatury otoczenia, w jakich ma przebywać elektronika.

 

Autor pragnie jednak już teraz zwrócić uwagę na bardzo wysokie koszty temu towarzyszące i które są związane z potrzebą nawilżenia powietrza. Efektem ubocznym wynikającym z zastosowania bezpośrednio do schładzania powietrza zewnętrznego jest jego ta wada, że im niższa temperatura powietrza zewnętrznego tym niższa jego zawartość wilgoci. Nawiew powietrza w pewnych okresach będzie powodował odebranie zysków ciepła z pomieszczenia, ale jednocześnie powodować będzie osuszanie powietrza i bardzo niską wynikową wilgotność względną powietrza. Jeżeli parametrem regulowanym w obiekcie ma być nie tylko temperatura powietrza, ale też jego wilgotność zastosowanie free-coolingu pośredniego wydaje się wręcz nieodzowne.

 

Jak wykazano w publikacji, koszty nawilżenia powietrza nie są aż tak bardzo związane z zapotrzebowaniem wody do procesu nawilżenia, ale z samym energochłonnym procesem nawilżania powiązanym z wysokim poborem mocy elektrycznej przez nawilżacze parowe. Są one jednak obecnie najczęściej stosowanym rozwiązaniem, jeśli chodzi o nawilżenie powietrza.

 

 

Bartłomiej ADAMSKI
PZITS oddział Kraków

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2023-2024

  • Pompy ciepła 2021-2022

  • Pompy ciepła 2022-2023

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023

  • Pompy ciepła 2020-2021

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020

  • Pompy ciepła 2019-2020

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.