Zadaniem systemów klimatyzacyjnych jest. m.in. transformacja parametrów powietrza zewnętrznego do wymaganych parametrów powietrza nawiewanego bądź w pomieszczeniu. W nowoczesnych systemach klimatyzacyjnych komfortu i technologicznych warto, by proces ten odbywał się w sposób energooszczędny.

Zdaniem autora w nowoczesnych centralach dostępnych i oferowanych na rynku, przeznaczonych do klimatyzacji obiektów typu „data center” tak nie jest. Dlaczego? Na ten temat autor chciałby się wypowiedzieć w niniejszym artykule, dokonując jednoczesnej prezentacji autorskiego rozwiązania centrali realizującej proces free-coolingu dla obiektów typu data center będącego przedmiotem zgłoszenia patentowego autora o numerze P.417402.

Stan aktualny

Przedstawienie aktualnych rozwiązań central przeznaczonych do obiektów typu data center autor dokonał w poprzednim artykule opublikowanym w numerze marcowym [1]. Na przykładzie aktualnych rozwiązań autor dokonał podsumowania dostępnych na rynku rozwiązań wraz z krótkim przedstawieniem ich zasadniczych zalet i wad, dokonując zwięzłego podsumowania. Rozwiązania central realizujących proces free-cooling pozwalają tylko albo na realizację free-coolingu bezpośredniego lub tylko free-coolingu pośredniego. W zagranicznej prasie branżowej można spotkać artykuły o wyższości jednego z rozwiązań nad drugim.

Free-cooling bezpośredni realizowany poprzez bezpośredni nawiew zimnego powietrza zewnętrznego do klimatyzowanego pomieszczenia jest rozwiązaniem najbardziej energooszczędnym, gdyż bez żadnych strat (cechujących rozwiązania z elementem/ czynnikiem pośredniczącym) pozwala na bezpośrednie schłodzenie powietrza w pomieszczeniu. Zasadniczą jego wadą jest jednak to, że w niskich temperaturach zewnętrznych powoduje nadmierne osuszenie powietrza w klimatyzowanym pomieszczeniu, co powoduje wzrost wydajności nawilżaczy parowych.

Z kolei free-cooling pośredni najczęściej realizowany jest poprzez wykorzystanie wymienników ciepła najczęściej obrotowych oraz płytowo-krzyżowych. Rozwiązanie to, w przeciwieństwie do powyższego, cechuje zwiększona energochłonność z uwagi na występowanie strat na wymienniku pośredniczącym oraz zwiększone opory na drodze przepływu powietrza na wymienniku ciepła, które mogą być znaczne. Częściowo rozwiązany jest problem związany z nawiewem suchego powietrza zewnętrznego w niskich temperaturach zewnętrznych, ale z drugiej strony wymiennik mający kontakt z zimnym powietrzem zewnętrznym obniża swoją temperaturę powierzchni ścianki do wartości poniżej temperatury punktu rosy powietrza w pomieszczeniu. Powoduje to wykraplanie wilgoci na wymienniku ciepła z powietrza w pomieszczeniu przepływającego przez wymiennik i w rezultacie jego osuszenie. Podobnie jak przy realizacji free-coolingu bezpośredniego konieczne jest nawilżenie tego powietrza.

Niektórzy producenci deklarują zastosowanie pomiaru temperatury punktu rosy powietrza w pomieszczeniu i niedopuszczenie do wykroplenia wilgoci w praktyce poprzez zastosowanie przepustnicy by-passowej dla rozwiązania z wymiennikiem płytowokrzyżowym. Niestety nie jest to do końca skuteczne rozwiązanie.

Charakterystyka stanu powietrza zewnętrznego i jej przebieg na wykresie h-x

Nanosząc przebiegi stanu powietrza zewnętrznego z okresu kilku lub kilkunastu lat w postaci punktów scharakteryzowanych przez temperaturę wg termometru suchego oraz wilgotność względną na wykres h-x, otrzymamy zbiór punktów o różnym zagęszczeniu. Prowadząc uśrednioną krzywą przez punkty (obszary) o największym zagęszczeniu, można zaobserwować jakiej zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym o danej temperaturze można się spodziewać najczęściej (rys. 1.). Im niższa temperatura zewnętrzna tym niższą zawartością wilgoci cechować się będzie powietrze zewnętrzne. Dla przykładu, jeśli w pomieszczeniu ma być utrzymywana temperatura 20°C oraz wilgotność względna 50%, to zawartość wilgoci w tym powietrzu wynosi 7,15 g/kg p.s. Obserwując przebieg zaznaczonej uśrednionej krzywej zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym, wynika, że do osuszenia powietrza będzie dochodziło przy temperaturze powietrza zewnętrznego wynoszącej 12°C i niższej.

Rys. 1. Wykres uśrednionej współzależności wilgotności bezwzględnej (zawartości wilgoci) od temperatury powietrza zewnętrznego dla wybranej stacji meteorologicznej dla okresu kilku lat

To oczywiście tylko teoretyczne zagadnienie i obserwacja przebiegu, w praktyce jednak jakże użyteczne spostrzeżenie. Poprzez pomiar temperatury powietrza zewnętrznego i jego wilgotności względnej oraz powietrza w pomieszczeniu możemy wiedzieć, kiedy dochodzi do osuszenia powietrza w popomieszczeniu i zapobiec jego nadmiernemu osuszeniu. Jest to zagadnienie, które zauważył autor i na podstawie tej obserwacji zaproponował rozwiązanie optymalne do obiektów typu „data center”. Znajomość docelowej zawartości wilgoci powietrza w pomieszczeniu oraz monitoring zawartości wilgoci w powietrzu zewnętrznym jest kluczowym elementem pracy central dla obiektów typu „data center”. Jeśli zawartość wilgoci w powietrzu zewnętrznym będzie niższa od tej docelowej w pomieszczeniu, dochodzić będzie do niekorzystnego zjawiska osuszania powietrza w pomieszczeniu i nadmiernej pracy nawilżaczy parowych.

Free-cooling bezpośredni czy pośredni?

Przedstawione powyżej zagadnienie jest kluczowe przy analizie rozwiązania free-coolingu, kiedy dane rozwiązanie jest korzystniejsze a kiedy to drugie. Po prostu, gdy dochodzi do momentu, w którym możliwy jest nawiew powietrza z zewnątrz do pomieszczenia, ale w którym dochodzi do osuszenia powietrza w pomieszczeniu, zastosowanie free-coolingu bezpośredniego będzie generowało zwiększone koszty nawilżaczy parowych. Wówczas korzystniejszy jest free-cooling pośredni. Dlaczego więc nie wykorzystać dwóch możliwych metod free-colingu i każdy w takim okresie, kiedy jest najbardziej opłacalny?

Wtedy, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa od tej w pomieszczeniu wówczas ogólnie i bezsprzecznie należy zastosować free-cooling. W pierwszej kolejności należy wykorzystać free-cooling bezpośredni jako metodę najbardziej efektywną, a tylko wtedy, gdy free-cooling bezpośredni może powodować osuszenie powietrza w pomieszczeniu należałoby zastosować free-cooling pośredni, aby odseparować suche  powietrze zewnętrzne od ciepłego powietrza w pomieszczeniu i w dalszym ciągu korzystać z walorów niskiej temperatury zewnętrznej do schłodzenia powietrza w pomieszczeniu.

Można zauważyć istotne korzyści wynikające z takiego połączenia obu metod w jednym urządzeniu. Powietrze zewnętrzne posiada obniżoną zawartość wilgoci wtedy, gdy temperatura zewnętrzna jest również niska. Im niższa temperatura zewnętrzna, tym większa różnica temperatur pomiędzy powietrzem w pomieszczeniu a zewnętrznym, co powoduje wzrost wydajności wymiennika ciepła koniecznego do zastosowania podczas realizacji free-coolingu pośredniego.

Rozwiązania dostępne na rynku umożliwiają albo realizację free-coolingu pośredniego albo bezpośredniego − dlaczego nie można zastosować obu metod w jednym urządzeniu? Co więcej, co można zrobić, aby zredukować koszty eksploatacyjne takiej centrali? Jak zredukować osuszenie powietrza podczas realizacji pracy free-coolingu pośredniego? Jak dalej zmniejszyć energochłonność centrali?

Koszty eksploatacyjne centrali dla obiektów typu data center

 (...)

Rozwiązanie centrali będące przedmiotem zgłoszenia patentowego autora

(...)

Budowa i zasada działania przedmiotu zgłoszenia patentowego autora

(...)

Sterowanie pracą układu przepustnic żaluzjowych

(...)

Zasada działania przedmiotu wynalazku:

(...)

Ograniczenie zastosowania free-coolingu bezpośredniego oraz punkt przełączania na free-cooling pośredni urządzenia pracującego w trybie przejściowym / zimowym

Zasadnym wydaje się być chłodzenie powietrzem zewnętrznym tak długo, dopóki to możliwe i praca centrali będzie efektywna. Parametry powietrza zewnętrznego są jednak zmienne (temperatura i wilgotność bezwzględna) i to, kiedy korzystniejsze okaże się zastosowanie free-coolingu bezpośredniego a kiedy pośredniego jest uzależnione od wielu czynników (parametrów powietrza zewnętrznego, w pomieszczeniu, nawiewanego, wydajności dobranych sprzężonych wymienników ciepła itp.). Urządzenie klimatyzacyjne wymaga stałego monitoringu parametrów powietrza zewnętrznego, powietrza w pomieszczeniu i powietrza nawiewanego (temperatura i wilgotność względna) oraz kontroli parametrów wodnego roztworu glikolu w instalacji hydraulicznej łączącej sprzężone glikolowe wymienniki odzysku ciepła. Na podstawie m.in. w/w informacji sterownik będzie w stanie dokonać oceny wielokryterialnej i oszacować, który w danym momencie układ free-coolingu będzie korzystniejszy. Tematyka ta wymaga odrębnego opracowania.

Podsumowanie

Przedmiot zgłoszenia patentowego autora pozwala, w przeciwieństwie do rozwiązań obecnych na rynku, na jednoczesną możliwość realizacji przez centralę trybu free-coolingu bezpośredniego oraz pośredniego. Co więcej w trybie free-coolingu pośredniego, poprzez odpowiednie utrzymanie temperatury zasilającej wymiennik sprzężony usytuowany w strumieniu powietrza recyrkulacyjnego, nie dochodzi do przesuszenia powietrza w pomieszczeniu. Rozwiązanie to pozwala na również na odzysk chłodu w okresie letnim oraz cechuje je obniżone zużycie energii przez wentylator z uwagi na obniżone opory przepływu powietrza przez wymiennik glikolowy. Rozwiązanie to jednocześnie nie przekreśla możliwości zastosowania alternatywnych źródeł chłodu w okresie letnim, gdy proces free-coolingu nie może być realizowany. Na zasadzie identycznej, na jakiej opierają się obecne rozwiązania, tak również to proponowane przez autora pozwala na zastosowanie technologii chłodzenia adiabatycznego lub tradycyjnych układów sprężarkowych.

Bartłomiej ADAMSKI,
– PZITS Kraków, Kliweko Sp. z o.o.