До 35-40 % всей энергии, потребляемой ЦОДом, расходуется на охлаждение серверных стоек и инженерных систем. Адиабатический принцип охлаждения дата-центра позволяет заметно снизить энергопотребление в сравнении с традиционными системами. Экономичный способ охлаждения ЦОДа будет реализован в дата-центре компании DataPro в Москве.

Погода в ЦОДе

За последние годы плотность размещения оборудования в дата-центрах существенно увеличилась, а вместе с ней выросли и расходы на электропитание. В российских коммерческих дата-центрах одна стойка в среднем потребляет от 3 до 10 кВт - примерно столько же от нее приходится отводить тепла. При этом самый весомый «вклад» а общий ландшафт энергопотребления вносят системы охлаждения: их доля достигает 35-40 %.

В стремлении оптимизировать традиционную схему, специалисты пытались отводить тепло путем применения более эффективных хладагентов и за счет выбора оптимальных параметров работы системы. Но эти были полумеры, которые не позволяли добиться существенной экономии.

Самое энергоемкое звено в традиционной схеме охлаждения - это компрессор и конденсаторные агрегаты. Отказ от этих компонентов в сочетании с использованием холода наружного воздуха (freecooling - именно так по-научному называется использование естественного охлаждения) стал первым революционным шагом на пути к оптимизированной, низкозатратной в отношении энергоресурсов системе охлаждения. Этот подход взяли на вооружение многие дата-центры мира. Принцип фрикулинга сегодня широко применяется и во многих ЦОДах России - в основном в тех регионах, где на протяжении многих месяцев держится низкая температура за окном. Очевидно, применение такой технологии вполне оправдано в Мурманске или Норильске. Но можно ли построить энергоэффективный ЦОД в жарком климате? Для российских дата-центров этот вопрос тоже не праздный, так как в летние месяцы в средних и даже северных широтах температура воздуха бывает довольно высокой.

Горячее охлаждение

ЦОД «Меркурий» компания eBay

Как ни парадоксально, но во всем мире известно немало примеров расположения дата-центров в жарком климате - в условиях, гораздо более экстремальных по сравнению с российскими. К примеру, ЦОД «Меркурий» компания eBay построила в американском городе Финикс, штат Аризона - в жаркой пустыне, где столбик термометра летом достигает 50 градусов C. И это при том, что для бизнеса eBay чрезвычайно важен такой фактор как непрерывность и время реакции приложения на запрос пользователей по всему миру - каждую секунду на портале этой компании заключается громадный объем сделок общей суммой около 2 тыс долларов. То есть безотказность всех систем ЦОДа стоит в списке приоритетов на первом месте. Казалось бы, для охлаждения такого ЦОДа разумнее было бы расположить его в северных широтах.

И, тем не менее, eBay построила свой ЦОД именно в Аризоне, - и не прогорела. Казалось бы, об использовании внешнего воздуха и речь не могла идти. Но, проанализировав все имеющиеся возможности снижения уровня потребления энергии, эксперты eBay пришли к выводу, что именно фрикулинг лучше всего обеспечит требуемую эффективность нового ЦОД в пустыне. Секрет в том, что в сочетании с фрикулингом на этом объекте было применено адиабатное увлажнение.

Ветер с моря дул

Уже давно было замечено, что воздух, приходящий с моря, прохладнее, чем степной ветер, дующий в направлении акватории. В Древнем Риме таким образом охлаждали дома: под распахнутыми окнами располагался бассейн с фонтаном: проходя над водой, воздух охлаждался в результате ее испарения.

На этом принципе основаны и мокрые градирни, - один из самых старых методов охлаждения, который активно используется на производствах. Принцип действия этих систем основан на охлаждении воды потоком воздуха, продуваемого через ее поверхность.

Более продвинутый вариант этого процесса применяется в адиабатических системах охлаждения воздуха.

Экономика вопроса

Адиабатическое охлаждение ЦОД - недорогая и надежная система, в которой отсутствуют сложные агрегаты и не требуется резервирование узлов. Для реализации адиабатического увлажнения практически не требуется затрат электроэнергии - расходуется только вода. Таким образом, стоимость охлажденного воздуха низка, что при правильном его использовании может существенно повысить энергоэффективность систем кондиционирования.

В целом оборудование современных ЦОДов неплохо переносит и более высокую температуру, и увеличение влажности воздуха. В качестве допустимых границ используются параметры, рекомендованные ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). В первой редакции этих рекомендаций, опубликованной в 2004 г., был установлен верхний предел в 25 градусов Цельсия при влажности 40%, во второй (2008 г.) – 27 градусов при влажности 60%. В рекомендациях 2011 года появились два новых класса оборудования для ЦОДов – А3 и А4 с температурным диапазоном до 40 и 45 градусов. Хотя такое «жаркое» охлаждение еще не распространено повсеместно, любители инноваций активно начинают его использовать. Это позволяет существенно расширить географию применения «зеленого» охлаждения.

Адиабатическое охлаждение требуется далеко не всегда, - только в самые жаркие месяцы. В холодное время года охлаждение идет с помощью внешнего воздуха. Не так давно системы адиабатического охлаждения в основном использовались в регионах с сухим и жарким климатом. Но последние разработки производителей климатического оборудования показали большой потенциал использования систем адиабатического охлаждения в европейских регионах с умеренным климатом.

Следует отметить, что ни начальная температура воды, ни температура воздуха на процесс практически не влияют, - в отличие от влажности, - поясняет Михаил Балкаров, технический эксперт компании Emerson Network Power. - Так что если ЦОД находится в пустыне, но при этом имеет источник воды, получается вполне эффективная система. А вот если идет дождь при температуре воздуха плюс 25 градусов Цельсия, то, увы, никакого охлаждения из системы извлечь не удастся, поскольку во время дождя влажность наружного воздуха близка к 100%.

Михаил отмечает, что необходимо учитывать локальные аномалии влажности, возникающие рядом с крупными водоемами. Кроме того, в российских регионах с переменчивой погодой, возможно, придется иметь одновременно две системы - традиционную и альтернативную, что заметно увеличит размер капитальных инвестиций и может свести к нулю все попытки сэкономить.

Недостатком метода адиабатического охлаждения становится также увеличение влажности воздуха. Могут возникнуть опасения, что влажность станет угрозой для чувствительного электронного оборудования в дата-центре. Один из примеров такого инцидента рассматривается ниже (см. раздел «Facebook под дождем»).

Среди других недостатков системы адиабатического охлаждения эксперт отмечает расход воды и необходимость эту воду подготавливать. «Воды тратится порядка 2 л/ч на 1 кВт/ч в пике потребления и порядка 0,3 л/ч в теплый сезон в среднем, - рассказывает Балкаров. - Это заметные деньги, а считая с расходами на очистку, - еще более заметные».

Очищать воду нужно, подчеркивает Михаил Балкаров, потому что при испарении все минералы оказываются в воздухе в виде мелкой пыли. «И если для градирен это достаточно дешевый процесс, связанный с грубой очисткой, - очищение в основном предусмотрено для предотвращения накипи, - то форсунки в адиабатической системе требуют микрофильтров и осмотической фильтрации», - объясняет эксперт. Так что не только стоимость системы, но и эксплуатационные расходы возрастают».

При использовании адиабатического охлаждения следует помнить о том, что придется решать еще и вопросы водоснабжения, водоотведения и водоподготовки, которые, в свою очередь, перетекут в проблемы архитектуры и строительных конструкций. Не стоит забывать и о стоимости воды. Пока ее цена несравнима со стоимостью электроэнергии, но она постоянно растет.

Коэффициент WUE

Использование систем адиабатического охлаждения приводит к снижению PUE и энергопотребления, но при этом расход воды может быть очень велик. Поэтому организация Green Grid в марте 2011 г. ввела еще один параметр, характеризующий полезное потребление воды в дата-центре, – коэффициент использования воды WUE (Water Usage Effectiveness). Коэффициент рассчитывается по формуле:

WUE = годовое потребление воды / мощность ИТ-оборудования

Единицей измерения WUE является л/кВт/ч.

Facebook стал первым оператором дата-центра, который открыто поделился значением WUE . В ЦОДе, расположенном в г. Прайнвилль во втором полугодии 2011 г. этот параметр составлял 0,22 л/кВт*ч.

В целом использование адиабатического охлаждения позволяет добиться высокой энергоэффективности ЦОДа: коэффициент PUE может достигать значения 1,043, за счет того, что вспомогательное оборудование, включая систему охлаждения, даже летом потребляет всего около 4% электроэнергии энергии ЦОДа, а зимой – и того меньше (в зимний период PUE – около 1,018). Эффективность компрессорно-конденсаторных систем на основе чиллеров или DX-кондиционеров существенно ниже, для них PUE = 1,3 – великолепный результат.

Упомянутый в начале статьи ЦОД «Меркурий» площадью 12 600 квадратных метров и мощностью 4 МВт функционирует уже больше года. Использование фрикулинга совместно с адиабатным испарительным охлаждением в этом ЦОДе доказало свою эффективность.

ЦОДы Facebook

Адиабатическая система охлаждения в ЦОД Facebook

Еще один яркий пример использования новых технологий охлаждения – ЦОДы Facebook. Первый собственный дата-центр Facebook построила в американском городке Прайнвилль, в 2010 году. Через год был построен второй, дублирующий дата-центр в Форест-Сити, штат Северная Каролина. Коэффициенты энергоэффективности (PUE) этих площадок составляют: 1,07 для ЦОД в Прайнвилле и 1,09 - для ЦОД в Форест-Сити. Этого удалось достичь только благодаря снижению потерь при передаче и преобразовании электроэнергии, а также более высоким рабочим температурам воздуха внутри ЦОДа (допускается +35 °C в стойках в холодном коридоре).

В дата-центрах установлена традиционная система охлаждения, но используется она только в аварийных случаях. Основная же система кондиционирования воздуха - прямой фрикулинг с несколькими камерами подготовки воздуха, через которые проходит наружный воздух.

Первоначально воздух извне забирается воздухозаборниками на втором ярусе и поступает в камеру подготовки, где фильтруется и смешивается с горячим воздухом. Далее воздух проходит через холодильные панели. Они представляют собой камеру увлажнения с большим количеством труб, разбрызгивающих дистиллированную воду форсунками под высоким давлением, благодаря чему повышается влажность и понижается температура продуваемого воздуха. Чтобы мелкодисперсная влага не могла проводить электричество, используют дистиллированную воду. Далее на пути воздуха стоят мембранные фильтры, отделяющие крупные частицы влаги. Затем воздух мощными вентиляторами направляется в машинный зал. Отработанная вода собирается в специальном резервуаре и очищается.

Фейсбук под дождем

Однажды внутри охлаждаемого помещения дата-центра компании Facebook в Прайнвилле образовалось облако влаги, которое в буквальном смысле накрыло собой серверные помещения вместе с их (извините за каламбур) «облачными» вычислениями.

В 2001 г. этот дата-центр столкнулся с проблемой в работе системы управления, из-за чего температура воздуха, используемого для охлаждения серверов, достигла более 26 градусов Цельсия, а влажность - свыше 95%. В результате стал накапливаться конденсат и образовалось дождевое облако, заполнившее собой все пространство с вычислительным оборудованием. В происходящее было невозможно поверить. Начались звонки коллегам в центр эскалации проблем, а те долго не могли вникнуть, о каком дождевом облаке идет речь? Проще было убедить их в том, что яблони зацвели на Марсе, чем в сказку о дожде.

Ради экономии электричества Facebook использовал наружный воздух для охлаждения своего дата-центра вместо традиционной системы. Но после того как система управления вышла из строя, началась рециркуляция подогретого воздуха с низким уровнем влаги через систему охлаждения на базе водяного испарителя.

Это привело к тому, что воздух сильно увлажнился и образовалось облако, которое натворило много бед. Некоторые серверы полностью вышли из строя: те специалисты, кто находился в дата-центре, могли наблюдать, как искрят и агонизируют серверы. Хуже ничего и представить было невозможно. Впрочем, инцидент больше не повторился: специалисты Facebook тщательно изолировали контакты в местах подключения серверов к источникам питания, защитив их от влаги.

А что в России?

Адиабатические системы охлаждения в России пока не очень популярны, но специалисты считают, что в ближайшие годы проектировщики дата-центров будут проявляет к ним все больший интерес. Причина тому - Федеральный Закон ФЗ-261, который устанавливает жесткие рамки для энергопотребления и требует повышения энергетической эффективности на 40 % к 2020 году. Единственный возможный сценарий, который позволит удовлетворить такие требования - это переход на фрикулинг в сочетании с адиабатическим охлаждением. И первые примеры таких внедрений уже есть. В частности, данный принцип охлаждения будет использован в новом строящемся дата-центре компании DataPro в Москве.

Проект этой площадки подразумевает использование экономичного в эксплуатации решения для обеспечения необходимых климатических условий - модульной системы EcoBreeze производства Schneider Electric. Компания DataPro планирует реализовать крупнейшую в Европе инсталляцию данной системы в собственном мега-ЦОДе в Москве на Авиамоторной улице - объекте с установленной мощностью 20 МВт. Система EcoBreeze построена с использованием принципа мокрой градирни (разновидности технологии адиабатического охлаждения) в сочетании с фрикулингом, о которых говорится в данной статье. В Москве, где установлены высокие тарифы на электроэнергию, использование этой системы позволит добиться существенной экономии операционных расходов в дата-центре.

«Технические решения с использованием адиабатического охлаждения нельзя назвать инновационными, поскольку они успешно применяются во многих ЦОДах за рубежом, - поясняет Алексей Солдатов. - Но использование этого принципа в российских дата-центрах - явление редкое. Инсталляция EcoBreeze на нашей московской площадке - одно из первых внедрений».

А вот на другом объекте, в дата-центре компании DataPro в Твери, для охлаждения серверных помещений и электротехнического оборудования используется традиционный принцип с использованием фреоновых трасс, что обусловлено невысокими капитальными затратами и низкими тарифами на электроэнергию.

На объекте в Твери применяется еще одна разновидность адиабатического принципа - изотермическое увлажнение для поддержания необходимого уровня влажности в серверных помещениях, о нем мы расскажем в нашей следующей статье.

Принцип действия

Михаил Балкаров. Отрывок из книги « Охлаждение серверных и ЦОД. Основы.», 2011 г.

Принцип действия адиабатической системы охлаждения состоит в распылении воды в виде мельчайших капель, которые впрыскиваются в горячий воздух. (Вода при этом должна быть очищена от всяческих примесей.) Вода, испаряемая в воздухе, способна охладить его до температуры, близкой к температуре мокрого термометра.

Строго теоретически предел охлаждения в этом процессе заметно ниже и равняется температуре точки росы. Для реализации этой возможности достаточно часть исходного воздуха охладить до температуры мокрого термометра испарением воды, а потом с его помощью охладить остаток, не увлажняя. Далее холодный воздух также увлажняется, приобретая более низкую температуру. Процесс можно повторить еще раз с частью воздуха, достигнув температуры, близкой к точке росы. Единственная очевидная техническая трудность достижения минимально возможной температуры - увеличение в несколько раз требуемых объемов подаваемого воздуха и площади теплообменника.

Подобные системы делают либо по принципу мокрых градирен, - то есть используют большую поверхность пластин, покрытую тонкой пленкой воды, - либо распыляют воду под давлением в несколько сот атмосфер, через микронные форсунки, очень мелкими каплями непосредственно в воздуховоды.

Далее либо происходит обмен температурой с тем, что необходимо охладить, либо влажный воздух напрямую используется для охлаждения оборудования. Расход воды составляет около 2 Кг на 1 кВт/ч отводимого тепла. Поскольку испаряется большая часть воды, - соответственно растут требования к ее химическому составу, что требует использования ионнообменных фильтров или фильтров обратного осмоса.

При использовании форсунок строгие требования предъявляются к механическим загрязнениям, требуется установка микрофильтров после насоса высокого давления. Эти усложнения связаны с тем, что начиная с определенного размера капли процесс испарения происходит очень быстро, и за счет этого значительно уменьшаются размеры оросительной камеры.

Использование форсунок большего диаметра, среднего и низкого давления, проще с точки зрения эксплуатации форсунок и процесса водоподготовки. Но при этом часть воды не участвует в процессе и сливается (капли не успевают испарится полностью), кроме того размеры камер увлажнения становится сопоставимым с остальными помещениями системы.

Описание:

Очевидно, что даже в рамках только одной зоны, где люди занимаются физическими упражнениями, системы кондиционирования должны проектироваться с учетом того, что в пределах такой зоны для различных видов физической деятельности выделяются отдельные участки и воздухоподготовка для них должна быть организована особым образом.

Климатический комфорт в фитнес-центрах

Адиабатическое охлаждение с регенерацией теплоты

Фитнес-центры представляют собой отдельные заведения либо входят в состав различных многофункциональных комплексов (плавательных бассейнов, гостиниц и т. д.). В последние годы все чаще под фитнес-центры отводятся достаточно большие площади (до 5 000 м 2). В состав фитнес-центров входят не только тренажерные залы, но и бассейны, зоны релаксации с гидромассажными установками, солярии, сауны, турецкие бани, а также рестораны и бары.

Очевидно, что даже в рамках только одной зоны, где люди занимаются физическими упражнениями, системы кондиционирования должны проектироваться с учетом того, что в пределах такой зоны для различных видов физической деятельности выделяются отдельные участки и воздухоподготовка для них должна быть организована особым образом.

Обычно такое деление осуществляется уже на этапе составления общего плана объекта, поскольку некоторые виды физических упражнений просто не совместимы: например, аэробика, где много людей в относительно небольшом помещении, и занятия на спортивных тренажерах, которые проходят в более просторных залах, поскольку, помимо места для занимающихся, требуются площади для размещения самих тренажеров. Еще один специфический вид упражнений – это занятия на велотренажерах, где основную проблему составляет влаго-удаление с учетом большого объема скрытой теплоты от спортсменов.

Проектные данные

Для каждой зоны финтес-центра характерны различные показатели заполняемости и видов физических упражнений, что влияет на расчетные параметры микроклимата. На рис. 1 представлена динамика колебаний температуры воздуха в зависимости от вида физической деятельности и одежды спортсменов с индексом теплоизоляции 0,1 clo (очень легкая), 0,5 (легкая) и 0,9 (тяжелая) (сокр. clo – единица теплоизоляции одежды).

Выполняемыми физическими упражнениями обусловлена и тепловая нагрузка, создаваемая человеком. В таблице приведены параметры среднего метаболического индекса (Met) (тепловыделения человека) во время различных видов физических упражнений. Значение 1 Met соответствует 58 Вт/м 2 . Помимо вида физических упражнений тепловыделение определяется также степенью интенсивности этих упражнений. У людей нетренированных и не привыкших к большим нагрузкам тепловыделение обычно приближается к максимуму – организм выделяет наибольшее количество теплоты, большей частью в скрытой форме (в виде потоотделения), что является тепловой компенсацией и утилизацией повышения температуры, вызванной мышечным напряжением. Как правило, упражнения, требующие предельного напряжения, не бывают продолжительными и должны соответствующим образом чередоваться на всем протяжении занятий. Если взять, к примеру, зал велотренажеров, где средняя продолжительность занятий колеблется от 20 до 40 мин, то период максимального напряжения, когда выделяется наибольшее количество теплоты, длится не более 5–10 мин.

Эффективность физического отвода теплоты, в частности скрытой, в значительной степени определяется уровнем относительной влажности воздуха в помещении. Вследствие этого при равном физическом напряжении меньше потеет человек, находящийся в помещении, где относительная влажность воздуха ниже, нежели тот, что занимается в зале с более высокой влажностью воздуха, поскольку в первом случае воздух менее насыщен и в большей степени расположен к поглощению водяного пара, выделямого кожными покровами человека.

В этих обстоятельствах особое значение приобретает регулирование уровня влажности в помещении спортивного зала.

Другой важный фактор, который следует обязательно учитывать, – это скорость воздуха, поскольку она определяет скорость теплообмена между телом человека и воздухом в помещении с учетом вида физической нагрузки. В этой связи целесообразно воспользоваться критерием оценки, предложенным профессором Датского технического университета П. Фангером (P. Ole Fanger), который, в частности, отмечает: «Состояние комфорта напрямую зависит от средней температуры кожных покровов и тепловой мощности, отдаваемой организмом в форме выделения жидкости, происходящей главным образом при помощи механизма потоотделения».

Общее теплообразование человека, занимающегося спортом в соответствующей спортивной одежде, составляет 390 Вт, из которых 135 Вт составляет явная теплота и 255 Вт – скрытая теплота (рис. 2). Учитывая, что испарительная теплота составляет 2 501 Дж/г, значению 255 Вт соответствует выделение водяного пара в объеме 367 г/ч на человека.

Расчетные параметры

На основании вышесказанного и с учетом назначения отдельных залов, выделенных для различных видов спорта, можно определить минимальные расчетные параметры объемного расхода воздуха для отдельных помещений. При расчете воздухообмена следует учитывать количество водяного пара, создаваемого потоотделением, количество занимающихся людей и конкретный вид физических упражнений. Расчета объемного расхода только на основании данных о требуемом воздухообмене (обычно от 60 до 120 м 2 /ч на человека) здесь недостаточно, поскольку необходимы поправки на влагоудаление и тепловую потребность. После определения общего объема влаговыделений в помещении (q mv , выраженный в г/ч) объемный расход воздуха, требующийся для удаления влаги из воздуха, определяется разницей между абсолютной влажностью внутреннего и приточного воздуха и рассчитывается по формуле:

q ma = q mu / x а – x m , кг/ч,

V a = q ma / p а, м 3 /ч.

Количество воздуха, необходимого для нейтрализации физической тепловой нагрузки (q s), определяется разницей между температурой внутреннего и приточного воздуха и рассчитывается по формуле:

V a = q s (физическая тепловая нагрузка) / 0,34 ∆t, м 3 /ч.

Следует отметить (кстати, очень часто это обстоятельство упускается из виду), что тело человека во время продолжительных физических упражнений в заметных объемах потребляет кислород из воздуха. Таким образом, чем интенсивней вид спорта, для которого предназначено помещение, тем важнее обеспечить требуемый воздухообмен независимо от того, насколько фактические тепловлажностные параметры помещения удовлетворяют нормативным требованиям или расчетным данным. Для того чтобы обеспечить необходимый комфорт, помещения финтес-центров в рабочем режиме должны непрерывно обеспечиваться постоянным притоком наружного воздуха.

Специальное оборудование

Для кондиционирования фитнес-центров особый интерес представляют специально разработанные системы воздухоподготовки. Это оборудование имеет ряд отличительных конструктивных особенностей:

Обеспечивается холодильная мощность и влагоудаление в объемах, необходимых для конкретного вида физических упражнений;

Предоставляется возможность точной регулировки параметров микроклимата в зависимости от выполняемых физических упражнений, когда значения объемного расхода воздуха и тепловлажностные параметры приточного воздуха устанавливаются в зависимости от явной и скрытой теплоты, подлежащей отводу.

Для данного оборудования характерно пониженное потребление энергии благодаря двум современным технологиям:

Регенерация теплоты вытяжного воздуха при помощи двух теплообменников с перекрестными потоками, которые установлены в линию и функционируют в противотоке;

Система адиабатического охлаждения в сочетании с системой охлаждения на базе холодильного цикла.

Значение расхода воздуха данного оборудования меняется в диапазоне от 1 200 до 27 000 м 2 /ч, общая холодильная нагрузка (адиабатическая система плюс холодильная установка) составляет от 6,6 до 159 кВт.

Речь идет о полностью независимых системах, поставляемых в комплекте с электрооборудованием и системой автоматического регулирования. Приточные и вытяжные вентиляторы имеют высокопроизводительный свободно вращающийся импеллер с загнутыми лопастями, установленный напрямую на вал электродвигателя, скорость вращения которого регулируется отдельным инвертером. Работа системы в целом регулируется специальными вибрационными датчиками. Рукавные фильтры (класса EU4) устанавливаются на всасывание (наружный воздух и вытяжной воздух), легко снимаются, интервалы техобслуживания соблюдаются по показаниям датчика дифференциального давления, выведенного на главный электрический щит.

Система регенерации теплоты вытяжного воздуха построена на основе двух пластинчатых теплообменников с перекрестными потоками, монтируемых в линию.

Блок регенерации позволяет обеспечить чрезвычайно низкую потерю нагрузки при росте коэффициента теплообмена и КПД энергетической регенерации до 75 %. Поддон сбора конденсата с принудительным сливом выполнен из полипропилена. Адиабатическое охлаждение воздуха происходит путем разбрызгивания воды по поверхности водяных обменников и дает понижение температуры порядка 10 °С. Установка комплектуется форсунками, системой регулировки уровня воды, клапаном подачи и отвода воды, рециркуляционным насосом, фильтром, системой смены воды, циклом автоматической мойки.

Режимы работы

На рис. 3–7 показаны режимы работы данного оборудования в различное время года. На рис. 3 показан режим с полной регенерацией теплоты, обеспечивающий летнее охлаждение или зимний нагрев воздуха в помещении. В переходный период установку можно запускать в режиме с частичной регенерацией теплоты путем перепускания (байпасирования) с теплообменника определенного объема воздуха (рис. 4) либо в режиме полного естественного охлаждения в переходный или ночной период посредством полного байпасирования (без регенерации теплоты) при росте наибольшего объемного расхода воздуха до 10 % (рис. 5).

В летний период используется система адиабатического охлаждения (рис. 6), которая при высокой температуре наружного воздуха может интегрироваться с системой охлаждения и влагоудаления посредством холодильного цикла (рис. 7).

Переведено с сокращениями из журнала «RCI».

Перевод с итальянского С. Н. Булекова .

Как известно, адиабатное увлажнение позволяет не только повысить влажность воздуха, но и понизить его температуру, тем самым совместив воедино процессы увлажнения и охлаждения. При этом для реализации адиабатного увлажнения практически не требуется затрат электроэнергии — расходуется только вода. Таким образом, стоимость охлажденного и увлажненного воздуха низка, что при правильном его использовании может существенно повысить энергоэффективность различных систем.

Адиабатное увлажнение воздуха в помещении

Наиболее простым применением процесса адиабатного увлажнения является охлаждение вентиляционного воздуха — как приточного, так и рециркуляционного. Охлаждение происходит без применения парокомпрессионного холодильного цикла и существенных энергозатрат. Однако полученный воздух содержит много влаги, и непосредственная подача его в помещение создаст некомфортные для человека условия.

Например, при адиабатном увлажнении стандартного для Московского региона наружного воздуха с температурой 28 °C и энтальпией 54 кДж/кг (относительная влажность 43%) до комфортных для человека 22 °C влажность возрастет до 74%, что выше рекомендуемого максимума в 60%.

Ситуация становится еще хуже, если наружный воздух будет еще более теплым или влажным (адиабатное охлаждение с 26 °C/55% до 22 °C приведет к 78% на выходе, а с 30 °C/40% — к 82%).

Таким образом, прямое охлаждение воздуха методом адиабатного увлажнения ограничивается предельной влажностью воздуха 60%, поэтому его приходится рассматривать лишь в качестве вспомогательного процесса при создании комфортного микроклимата в помещении. Один из способов создания комфортных условий с участием адиабатного увлажнения — косвенно-испарительное охлаждение — был рассмотрен в статье «Расчет косвенно-испарительной системы охлаждения» («Мир климата» № 71).

Адиабатное увлажнение воздуха перед конденсатором

Другой вариант использования адиабатного увлажнения — предварительное охлаждение воздуха, который подается к конденсатору системы кондиционирования. Этот способ наиболее востребован в теплое время года.

При этом нет разницы, какая именно систем кондиционирования рассматривается — бытовая сплит-система, мультизональная система или система холодоснабжения на основе чиллеров. Также не имеет значения и исполнение конденсатора (встроенный или выносной), хотя, безусловно, подобные решения проще применять в сочетании с выносным конденсатором. Более того, рассматриваемая система пригодна для использования не только с конденсаторами, но и с сухими градирнями (драйкулерами).

В основе решения — тот факт, что от температуры воздуха, охлаждающего конденсатор, зависит температура конденсации хладагента в парокомпрессионном холодильном цикле и чем ниже эта температура, тем ниже энергозатраты системы охлаждения, то есть выше ее энергоэффективность.

Принципиально схема адиабатного увлажнения воздуха перед конденсатором выглядит следующим образом (рис. 1): вода из источника водоснабжения проходит через систему очистки, далее она нагнетается насосом и распыляется через форсунки в поток воздуха перед конденсатором. Внешний вид установки представлен на рис. 2.

Состав системы

В общем случае система адиабатного увлажнения воздуха перед конденсатором состоит из следующих элементов:

• система управления со встроенным регулятором;
• трубы с изготовленными на заказ инжекторами (форсунками) — на рис. 3, смонтированными на стороне забора воздуха;
• электрический клапан для дренажа воды;
• редуктор с манометром для установления нужного давления воды для эффективного распыления;
• Softwater (умягчитель воды) — электронный прибор, уменьшающий жесткость воды для предотвращения * отложения известкового осадка на оребренной поверхности теплообменного аппарата (конденсатора);

• термостат защиты от замерзания воды в холодное время года;
• шкаф управления, защищенный от воздействия воды (исполнение IP65 при установке на улице возле системы увлажнения).

Рис. 3. Внешний вид форсунок

Еще одной важной для оценки течения смеси воздуха с каплями воды характеристикой является скорость витания капли. Если скорость витания капли меньше скорости воздушного потока, создаваемой вентилятором конденсатора, то капля уносится воздухом. Вынос капли за границу теплообменника, очевидно, нежелателен. В табл. 1 приведены характерные скорости витания капли в зависимости от диаметра.

Таблица 1. Зависимость скорости витания капли от ее диаметра

Для уменьшения выноса капель за конденсатор скорость воздуха рекомендуется ограничивать 2-2,3 м/с.

Расчет системы адиабатного увлажнения с использованием форсунок

Тепло- и массообмен в камерах характеризуется отношением реального теплообмена к максимально возможному теплообмену в идеальной камере. Это отношение в общем случае выражается формулой:

где I 1 , I 2 — начальная и конечная энтальпии воздуха, кДж/кг; I” в.н. — энтальпия насыщенного воздуха у поверхности воды при ее начальной температуре; ΔI, ΔI и — соответственно реальный и максимальный (идеальный) перепады энтальпий.

В качестве характеристик эффективности процессов тепло- и массообмена приняты два коэффициента эффективности:

где t в.н, t в.к. — начальная и конечная температуры воды, °C; t c1 , t c2 , t м1 , t м2 — начальные и конечные температуры воздуха по сухому и мокрому термометрам, °C.

Коэффициент Е’ назван универсальным потому, что экспериментальная проверка показала его пригодность для описания и расчета всех процессов обработки воздуха водой.

При этом отметим, что при изоэнтальпийных (адиабатных) процессах t м2 = t м1 поэтому Е а = Е’.

В расчетах процессов, протекающих с изменением энтальпии воздуха, дополнительно используют уравнение теплового баланса между воздухом и водой:

где B = W / G — коэффициент орошения.

Коэффициенты E, E’ и E a зависят от диаметра выпускаемого отверстия. В частности, при диаметре 5 мм имеем:

где v и ρ — скорость и плотность воздуха соответственно; формула применима для давления воды до 2,5 бара.

Для интервала температур по мокрому термометру 8 °C — 20 °C уравнение теплового баланса приближенно можно представить так:

Из уравнений (1), (2) и (3) можно получить формулы для определения температур воздуха и воды:

Совместное использование уравнений, описывающих изменения коэффициентов Е’ и Е, и уравнения теплового баланса позволяет выполнять любые расчеты, включая отыскание неизвестных конечных или начальных параметров воздуха. Основными параметрами, которые следует определить при расчете рассматриваемых систем адиабатного увлажнения, являются температура увлажненного воздуха, количество необходимой для увлажнения воды.

Практические аспекты реализации системы

С практической точки зрения немаловажными являются характеристики подаваемой воды.

Максимальная жесткость воды должна быть в пределах 8-12°Ж (°Ж — градус жесткости, единица измерения жесткости воды, введенная в России с 2005 года и соответствующая концентрации щелочно-земельного элемента, численно равной 1/2 его моля, выраженной в мг/дм 3 ; 1°Ж = 1 мг-экв/л). Другими словами, максимальное содержание CaCО 3 составляет 80-120 частей на миллион.

Значение рН (рH — водородный показатель; величина, характеризующая концентрацию ионов водорода) воды должно быть менее 7 для предотвращения появления коррозии на оребренной поверхности теплообменника.

Для правильной работы распылительной системы, избыточное давление воды перед форсункой должно быть не менее 2,5 бара. Расход воды для одной форсунки зависит от конкретной модели инжектора, при давлении 2,5 бара он может колебаться от 1,15 до 1,9 л/мин. (69-114 кг/ч).

С точки зрения компоновки системы необходимо, чтобы распыленная вода не долетала до конденсатора, так как ее появление на поверхности теплообменника ухудшит теплоотдачу и, следовательно, затруднит процесс конденсации. Поэтому рекомендуемое расстояние от форсунок до границы теплообменника составляет 20-50 см.

Кроме того, отметим, что на практике далеко не всегда удается добиться полного испарения распыленной воды. Поэтому, если установка расположена на высоте, а падение неиспарившейся воды вниз нежелательно, необходимы установка поддона и отвод дренажа в систему канализации. Однако чаще всего подобные схемы реализуются для конденсаторов, расположенных либо непосредственно на земле, либо на кровле здания. В этих случаях, как правило, наличие поддона не требуется.

Дополнительные преимущества

Использование системы увлажнения воздуха перед конденсатором дает ряд дополнительных преимуществ. В частности, сухая градирня или выносной воздушный конденсатор подбирается с расчетом на использование при более низкой температуре наружного воздуха, что позволяет уменьшить размеры теплообменной поверхности, а значит, и размеры самого аппарата. Отметим и возможность охлаждения жидкости при более высокой температуре наружного воздуха. Это позволяет использовать оборудование при наружной температуре, превышающей допустимый производителем лимит, ведь фактически подается более холодный воздух, температура которого находится в допустимых пределах.

Кроме того, сочетание адиабатической системы с инверторным частотным регулятором вентиляторов позволяет снизить электропотребление двигателей, значительно снизить уровень звукового давления и оптимизировать водопотребление.

Адиабатное увлажнение воздуха и рекуперация

Еще одной важной сферой применения адиабатного увлажнения являются рекуперативные теплообменники.

Как известно, в теплое время года рекуперация предназначена для охлаждения наружного, более теплого, приточного воздуха за счет вытяжного, более холодного. При этом вытяжной воздух выбрасывается в окружающую среду, и, следовательно, с ним можно делать «все что угодно». В нашем случае предлагается его увлажнить адиабатным методом, в результате, благодаря одновременно полученному охлаждению, рекуперация тепла (или, в нашем случае, холода) станет более эффективной.

Схема рассматриваемой системы представлена на рис. 4. Вытяжной воздух попадает сначала в секцию увлажнения («1» на рис. 4), где охлаждается, и поступает в секцию рекуперации («2»), в которой охлаждает приточный теплый воздух.

Чтобы оценить выгоду от использования секции адиабатного увлажнения перед рекуператором, проведем расчет данной системы.

Параметры наружного воздуха (точка «1», рис. 5):

• Расчетное давление: Р расч = 0,1 МПа.
• Температура наружного воздуха: t нар = +28 °C.
• Энтальпия наружного воздуха: i нар = +54 кДж/кг.
• Влажность наружного воздуха (определяется по I-d-диаграмме): φ нар = 43%.

• Поддерживаемая в помещении температура: t пом = 22 °C.
• Влажность, поддерживаемая в помещении: φ пом = 55%
• Энтальпия воздуха в помещении (определяется по I-d диаграмме): i пом = 45,5 кДж/кг.

Адиабатное увлажнение теоретически позволит добиться относительной влажности до φ = 100%, на практике же значение этого параметра будет около 90%. Таким образом, параметры точки после увлажнителя (точка «4», рис. 5):

• Влажность φ увл = 55%.
• Энтальпия i увл = 45,5 кДж/кг.
• Температура (определяется по I-d-диаграмме): t увл = 17 °C.

Для расчета выходных параметров можно воспользоваться параметром эффективности рекуперации (η=30…85% в зависимости от вида рекуператора). Для нашего случая примем η=45% и определим температуру приточного воздуха после рекуператора t рек (точка «2», рис. 5):

Отметим, что температуру tрек можно определить и исходя из разности температур на холодном конце рекуператора (разность температур между точками «2» и «4»). Опыт показывает, что в системах с малым перепадом температур она составляет 2-6 °C. В нашем случае получилось Δt = t рек — t увл = 28-23 = 5 °C, что хорошо коррелирует с опытными данными.

Если же секция адиабатного увлажнения вытяжного потока перед рекуператором отсутствовала, температура приточного воздуха после рекуператора составила бы:

При расходе приточного воздуха G возд = 10 000 м  3 /ч экономия в холодильной мощности составит:

и его плотность

С одной стороны, это позволяет сэкономить на капитальных затратах, выбрав холодильную установку мощностью почти на 30 кВт меньше (при общей потребной холодопроизводительности в 51,8 кВт экономия в 27,7 кВт составляет более 50%).

С другой стороны, если учесть, что на производство 3 кВт холодильной мощности тратится 1 кВт электроэнергии, обеспечивается экономия 9 кВт электроэнергии.

Заключение

Таким образом, эффект охлаждения в процессе адиабатного увлажнения трудно применить для непосредственного охлаждения воздуха в помещении в связи с тем, что полученный воздух хотя и будет обладать необходимой температурой, но его влажность заметно превысит верхнюю границу комфортного диапазона.

Однако существует ряд возможностей косвенного использования эффекта охлаждения при адиабатном увлажнении — там, где влажность полученного воздуха не имеет значения, а интерес представляет только низкая температура.

Это в полной мере относится к воздуху, который охлаждает конденсатор или драйкулер холодильных установок. За счет установки для распыления воды возможно понизить температуру конденсации хладагента на величину до 10 °C, а следовательно, повысить энергоэффективность системы кондиционирования до 30%.

Еще одной сферой применения адиабатного увлажнения является охлаждение вытяжного потока перед секцией рекуперации приточной установки в теплое время года. За счет увлажнения в рекуператор поступает более холодный воздух и, следовательно, появляется возможность получить на выходе более холодный приточный воздух.

Как показывают практика и расчеты, введение секции увлажнения перед рекуператором позволяет сэкономить более 50% холодильной мощности, требуемой для охлаждения приточного воздуха, что даст положительный экономический эффект как с точки зрения капитальных затрат на холодильное оборудование, так и с точки зрения эксплуатационных расходов на электроэнергию и энергоснабжение системы кондиционирования.

Из всего вышесказанного следует, что для энергоэффективных решений в области систем кондиционирования всегда следует иметь в виду такой инструмент, как адиабатное увлажнение воздуха.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «Мир климата»

В статье использована методика НИИ санитарной техники для расчета адиабатной системы увлажнения с использованием форсунок.

Как известно, адиабатное увлажнение позволяет не только повысить влажность воздуха, но и понизить его температуру, тем самым совместив воедино процессы увлажнения и охлаждения. При этом для реализации адиабатного увлажнения практически не требуется затрат электроэнергии - расходуется только вода. Таким образом, стоимость охлажденного и увлажненного воздуха низка, что при правильном его использовании может существенно повысить энергоэффективность различных систем.

Адиабатное увлажнение воздуха в помещении

Наиболее простым применением процесса адиабатного увлажнения является охлаждение вентиляционного воздуха - как приточного, так и рециркуляционного. Охлаждение происходит без применения парокомпрессионного холодильного цикла и существенных энергозатрат. Однако полученный воздух содержит много влаги, и непосредственная подача его в помещение создаст некомфортные для человека условия.

Например, при адиабатном увлажнении стандартного для Московского региона наружного воздуха с температурой 28 °C и энтальпией 54 кДж/кг (относительная влажность 43%) до комфортных для человека 22 °C влажность возрастет до 74%, что выше рекомендуемого максимума в 60%.

Ситуация становится еще хуже, если наружный воздух будет еще более теплым или влажным (адиабатное охлаждение с 26 °C/55% до 22 °C приведет к 78% на выходе, а с 30 °C/40% - к 82%).

Таким образом, прямое охлаждение воздуха методом адиабатного увлажнения ограничивается предельной влажностью воздуха 60%, поэтому его приходится рассматривать лишь в качестве вспомогательного процесса при создании комфортного микроклимата в помещении. Один из способов создания комфортных условий с участием адиабатного увлажнения - косвенно-испарительное охлаждение - был рассмотрен в статье «Расчет косвенно-испарительной системы охлаждения» («МИР КЛИМАТА» № 71).

Адиабатное увлажнение воздуха перед конденсатором

Другой вариант использования адиабатного увлажнения - предварительное охлаждение воздуха, который подается к конденсатору системы кондиционирования. Этот способ наиболее востребован в теплое время года.

При этом нет разницы, какая именно систем кондиционирования рассматривается - бытовая сплит-система, мультизональная система или система холодоснабжения на основе чиллеров. Также не имеет значения и исполнение конденсатора (встроенный или выносной), хотя, безусловно, подобные решения проще применять в сочетании с выносным конденсатором. Более того, рассматриваемая система пригодна для использования не только с конденсаторами, но и с сухими градирнями (драйкулерами).

В основе решения - тот факт, что от температуры воздуха, охлаждающего конденсатор, зависит температура конденсации хладагента в парокомпрессионном холодильном цикле и чем ниже эта температура, тем ниже энергозатраты системы охлаждения, то есть выше ее энергоэффективность.

Принципиально схема адиабатного увлажнения воздуха перед конденсатором выглядит следующим образом (рис. 1): вода из источника водоснабжения проходит через систему очистки, далее она нагнетается насосом и распыляется через форсунки в поток воздуха перед конденсатором. Внешний вид установки представлен на рис. 2.

Состав системы

В общем случае система адиабатного увлажнения воздуха перед конденсатором состоит из следующих элементов:

• система управления со встроенным регулятором;
• трубы с изготовленными на заказ инжекторами (форсунками) - на рис. 3, смонтированными на стороне забора воздуха;
• электрический клапан для дренажа воды;
• редуктор с манометром для установления нужного давления воды для эффективного распыления;
• Softwater (умягчитель воды) - электронный прибор, уменьшающий жесткость воды для предотвращения * отложения известкового осадка на оребренной поверхности теплообменного аппарата (конденсатора);

• термостат защиты от замерзания воды в холодное время года;
• шкаф управления, защищенный от воздействия воды (исполнение IP65 при установке на улице возле системы увлажнения).

Рис. 3. Внешний вид форсунок

Еще одной важной для оценки течения смеси воздуха с каплями воды характеристикой является скорость витания капли. Если скорость витания капли меньше скорости воздушного потока, создаваемой вентилятором конденсатора, то капля уносится воздухом. Вынос капли за границу теплообменника, очевидно, нежелателен. В табл. 1 приведены характерные скорости витания капли в зависимости от диаметра.

Таблица 1. Зависимость скорости витания капли от ее диаметра

Для уменьшения выноса капель за конденсатор скорость воздуха рекомендуется ограничивать 2–2,3 м/с.

Расчет системы адиабатного увлажнения с использованием форсунок

Тепло- и массообмен в камерах характеризуется отношением реального теплообмена к максимально возможному теплообмену в идеальной камере. Это отношение в общем случае выражается формулой:

где I 1 , I 2 - начальная и конечная энтальпии воздуха, кДж/кг; I” в.н. - энтальпия насыщенного воздуха у поверхности воды при ее начальной температуре; ΔI, ΔI и - соответственно реальный и максимальный (идеальный) перепады энтальпий.

В качестве характеристик эффективности процессов тепло- и массообмена приняты два коэффициента эффективности:

где t в.н, t в.к. - начальная и конечная температуры воды, °C; t c1 , t c2 , t м1 , t м2 - начальные и конечные температуры воздуха по сухому и мокрому термометрам, °C.

Коэффициент Е’ назван универсальным потому, что экспериментальная проверка показала его пригодность для описания и расчета всех процессов обработки воздуха водой.

При этом отметим, что при изоэнтальпийных (адиабатных) процессах t м2 = t м1 поэтому Е а = Е’.

В расчетах процессов, протекающих с изменением энтальпии воздуха, дополнительно используют уравнение теплового баланса между воздухом и водой:

где B = W / G - коэффициент орошения.

Коэффициенты E, E’ и E a зависят от диаметра выпускаемого отверстия. В частности, при диаметре 5 мм имеем:

где v и ρ - скорость и плотность воздуха соответственно; формула применима для давления воды до 2,5 бара.

Для интервала температур по мокрому термометру 8 °C - 20 °C уравнение теплового баланса приближенно можно представить так:

Из уравнений (1), (2) и (3) можно получить формулы для определения температур воздуха и воды:

Совместное использование уравнений, описывающих изменения коэффициентов Е’ и Е, и уравнения теплового баланса позволяет выполнять любые расчеты, включая отыскание неизвестных конечных или начальных параметров воздуха. Основными параметрами, которые следует определить при расчете рассматриваемых систем адиабатного увлажнения, являются температура увлажненного воздуха, количество необходимой для увлажнения воды.

Практические аспекты реализации системы

С практической точки зрения немаловажными являются характеристики подаваемой воды.

Максимальная жесткость воды должна быть в пределах 8–12°Ж (°Ж - градус жесткости, единица измерения жесткости воды, введенная в России с 2005 года и соответствующая концентрации щелочно-земельного элемента, численно равной 1/2 его моля, выраженной в мг/дм 3 ; 1°Ж = 1 мг-экв/л). Другими словами, максимальное содержание CaCО 3 составляет 80–120 частей на миллион.

Значение рН (рH - водородный показатель; величина, характеризующая концентрацию ионов водорода) воды должно быть менее 7 для предотвращения появления коррозии на оребренной поверхности теплообменника.

Для правильной работы распылительной системы, избыточное давление воды перед форсункой должно быть не менее 2,5 бара. Расход воды для одной форсунки зависит от конкретной модели инжектора, при давлении 2,5 бара он может колебаться от 1,15 до 1,9 л/мин. (69–114 кг/ч).

С точки зрения компоновки системы необходимо, чтобы распыленная вода не долетала до конденсатора, так как ее появление на поверхности теплообменника ухудшит теплоотдачу и, следовательно, затруднит процесс конденсации. Поэтому рекомендуемое расстояние от форсунок до границы теплообменника составляет 20–50 см.

Кроме того, отметим, что на практике далеко не всегда удается добиться полного испарения распыленной воды. Поэтому, если установка расположена на высоте, а падение неиспарившейся воды вниз нежелательно, необходимы установка поддона и отвод дренажа в систему канализации. Однако чаще всего подобные схемы реализуются для конденсаторов, расположенных либо непосредственно на земле, либо на кровле здания. В этих случаях, как правило, наличие поддона не требуется.

Дополнительные преимущества

Использование системы увлажнения воздуха перед конденсатором дает ряд дополнительных преимуществ. В частности, сухая градирня или выносной воздушный конденсатор подбирается с расчетом на использование при более низкой температуре наружного воздуха, что позволяет уменьшить размеры теплообменной поверхности, а значит, и размеры самого аппарата. Отметим и возможность охлаждения жидкости при более высокой температуре наружного воздуха. Это позволяет использовать оборудование при наружной температуре, превышающей допустимый производителем лимит, ведь фактически подается более холодный воздух, температура которого находится в допустимых пределах.

Кроме того, сочетание адиабатической системы с инверторным частотным регулятором вентиляторов позволяет снизить электропотребление двигателей, значительно снизить уровень звукового давления и оптимизировать водопотребление.

Адиабатное увлажнение воздуха и рекуперация

Еще одной важной сферой применения адиабатного увлажнения являются рекуперативные теплообменники.

Как известно, в теплое время года рекуперация предназначена для охлаждения наружного, более теплого, приточного воздуха за счет вытяжного, более холодного. При этом вытяжной воздух выбрасывается в окружающую среду, и, следовательно, с ним можно делать «все что угодно». В нашем случае предлагается его увлажнить адиабатным методом, в результате, благодаря одновременно полученному охлаждению, рекуперация тепла (или, в нашем случае, холода) станет более эффективной.

Схема рассматриваемой системы представлена на рис. 4. Вытяжной воздух попадает сначала в секцию увлажнения («1» на рис. 4), где охлаждается, и поступает в секцию рекуперации («2»), в которой охлаждает приточный теплый воздух.

Чтобы оценить выгоду от использования секции адиабатного увлажнения перед рекуператором, проведем расчет данной системы.

Параметры наружного воздуха (точка «1», рис. 5):

• Расчетное давление: Р расч = 0,1 МПа.
• Температура наружного воздуха: t нар = +28 °C.
• Энтальпия наружного воздуха: i нар = +54 кДж/кг.
• Влажность наружного воздуха (определяется по I-d-диаграмме): φ нар = 43%.

• Поддерживаемая в помещении температура: t пом = 22 °C.
• Влажность, поддерживаемая в помещении: φ пом = 55%
• Энтальпия воздуха в помещении (определяется по I-d диаграмме): i пом = 45,5 кДж/кг.

Адиабатное увлажнение теоретически позволит добиться относительной влажности до φ = 100%, на практике же значение этого параметра будет около 90%. Таким образом, параметры точки после увлажнителя (точка «4», рис. 5):

• Влажность φ увл = 55%.
• Энтальпия i увл = 45,5 кДж/кг.
• Температура (определяется по I-d-диаграмме): t увл = 17 °C.

Для расчета выходных параметров можно воспользоваться параметром эффективности рекуперации (η=30…85% в зависимости от вида рекуператора). Для нашего случая примем η=45% и определим температуру приточного воздуха после рекуператора t рек (точка «2», рис. 5):

Отметим, что температуру tрек можно определить и исходя из разности температур на холодном конце рекуператора (разность температур между точками «2» и «4»). Опыт показывает, что в системах с малым перепадом температур она составляет 2–6 °C. В нашем случае получилось Δt = t рек - t увл = 28–23 = 5 °C, что хорошо коррелирует с опытными данными.

Если же секция адиабатного увлажнения вытяжного потока перед рекуператором отсутствовала, температура приточного воздуха после рекуператора составила бы:

При расходе приточного воздуха G возд = 10 000 м  3 /ч экономия в холодильной мощности составит:

и его плотность

С одной стороны, это позволяет сэкономить на капитальных затратах, выбрав холодильную установку мощностью почти на 30 кВт меньше (при общей потребной холодопроизводительности в 51,8 кВт экономия в 27,7 кВт составляет более 50%).

С другой стороны, если учесть, что на производство 3 кВт холодильной мощности тратится 1 кВт электроэнергии, обеспечивается экономия 9 кВт электроэнергии.

Заключение

Таким образом, эффект охлаждения в процессе адиабатного увлажнения трудно применить для непосредственного охлаждения воздуха в помещении в связи с тем, что полученный воздух хотя и будет обладать необходимой температурой, но его влажность заметно превысит верхнюю границу комфортного диапазона.

Однако существует ряд возможностей косвенного использования эффекта охлаждения при адиабатном увлажнении - там, где влажность полученного воздуха не имеет значения, а интерес представляет только низкая температура.

Это в полной мере относится к воздуху, который охлаждает конденсатор или драйкулер холодильных установок. За счет установки для распыления воды возможно понизить температуру конденсации хладагента на величину до 10 °C, а следовательно, повысить энергоэффективность системы кондиционирования до 30%.

Еще одной сферой применения адиабатного увлажнения является охлаждение вытяжного потока перед секцией рекуперации приточной установки в теплое время года. За счет увлажнения в рекуператор поступает более холодный воздух и, следовательно, появляется возможность получить на выходе более холодный приточный воздух.

Как показывают практика и расчеты, введение секции увлажнения перед рекуператором позволяет сэкономить более 50% холодильной мощности, требуемой для охлаждения приточного воздуха, что даст положительный экономический эффект как с точки зрения капитальных затрат на холодильное оборудование, так и с точки зрения эксплуатационных расходов на электроэнергию и энергоснабжение системы кондиционирования.

Из всего вышесказанного следует, что для энергоэффективных решений в области систем кондиционирования всегда следует иметь в виду такой инструмент, как адиабатное увлажнение воздуха.

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»

В статье использована методика НИИ санитарной техники для расчета адиабатной системы увлажнения с использованием форсунок.

В центрах обработки данных требуется постоянно охлаждать воздух для компенсации тепловых нагрузок и поддержания температуры в помещениях машинных залов в пределах рекомендуемых рабочих диапазонов. Энергопотребление климатического оборудования при использовании традиционных методов охлаждения на базе чиллеров, прецизионных кондиционеров или приточно-вытяжных установок достигает 33–40% от суммарной мощности, потребляемой ЦОДом.

Эффективность ЦОДов, как правило, оценивают по коэффициенту Power Usage Effectiveness (PUE), который рассчитывается как отношение общего энергопотребления ЦОДа к энергопотреблению собственно серверов и телекоммуникационного оборудования. В недавнем прошлом коэффициент PUE большинства ЦОДов был равен 2,0, то есть только 50% всей потребляемой энергии использовалось по назначению - для питания оборудования ИТ. Обновленная версия рекомендаций для проектировщиков ASHRAE Technical Committee 9.9 «Указания по проектированию телекоммуникационного оборудования с учетом воздействия на окружающую среду» уточняет требования к энергоэффективности - в частности, рекомендуемый PUE устанавливается не выше 1,5.

Диаграмма на рис. 1 показывает, как изменились рекомендации ASHRAE. Граница, обозначенная красным цветом, соответствует рекомендациям ASHRAE 2004 года. Оранжевая зона определяет расширенные (в рекомендациях 2008 года) диапазоны климатических параметров, в пределах которых производители ИТ-оборудования должны тестировать свою продукцию для обеспечения требуемой надежности при эксплуатации. Зеленая зона определена ASHRAE как допустимый диапазон климатических параметров, при которых ИТ-оборудование способно продолжать функционировать, однако надежность его работы при этом может снизиться, вследствие чего такие условия эксплуатации допустимы не более нескольких дней в году.

За счет расширения рекомендованных границ проектировщики получают возможность применять альтернативные решения по кондиционированию воздуха, обеспечивающие снижение энергопотребления ЦОДа. Одним из таких решений являются системы кондиционирования, способные работать в режиме фрикулинга. При этом следует различать системы, где используются теплообменники с промежуточным теплоносителем, и системы, в которых холодный воздух в межсезонье подается непосредственно в помещение. Последние обеспечивают подачу необходимого объема наружного воздуха в ЦОД при условии, что наружный воздух имеет приемлемые параметры. Поступающий извне воздух распределяется по помещениям ЦОДа и нагревается за счет теплообмена с ИТ-оборудованием. Далее, вместо механического охлаждения и рециркулирования, воздух просто выбрасывается из здания наружу.

В отличие от систем воздушного фрикулинга, водяные системы используют наружный воздух для охлаждения жидкости, циркулирующей внутри теплообменника. Затем охлажденный теплоноситель поступает в другой теплообменник, где взаимодействует с воздухом в помещении, охлаждая его. Из-за использования промежуточного теплообменника в водяных системах их энергоэффективность ниже, чем у систем воздушного фрикулинга.

Оба варианта все же требуют определенных энергозатрат, так как используют компоненты, потребляющие энергию, такие как вентиляторы, однако в любом случае эти затраты ниже, чем при механическом охлаждении. Кроме того, необходимо учитывать, что оба метода требуют дополнительного механического охлаждения воздуха в тех случаях, когда параметры наружного воздуха оказываются неприемлемыми для использования фрикулинга.

Последнее происходит за счет испарения воды (например, распыляемой системой высокого давления), в результате чего достигается соответствующее понижение температуры воздуха. Энергия, необходимая для перевода воды из жидкого состояния в газообразное, отбирается непосредственно у воздуха, тем самым охлаждая его.

Каждый литр испаренной воды обеспечивает 680 Вт холода при том, что на распыление воды затрачивается порядка 5 Вт электроэнергии.

В сухие и жаркие дни адиабатическая система охлаждает и увлажняет приточный воздух, увеличивая тем самым продолжительность работы установки в режиме воздушного фрикулинга. При этом система автоматизации контролирует параметры температуры и влажности, не допуская выхода влажности за пределы, определенные рекомендациями ASHRAE.

Дополнительная экономия может быть получена за счет установки второго адиабатического охладителя и пластинчатого рекуператора (см. рис. 2). Установленный в вытяжной секции адиабатический охладитель способен существенно снизить температуру вытяжного воздуха, который, в свою очередь, охлаждает приточный воздух, проходящий через рекуператор. Поскольку данный адиабатический охладитель устанавливается в вытяжной секции, для него отсутствует необходимость в ограничении уровня влажности.

Таким образом, системы вентиляции, использующие воздушный фрикулинг и адиабатическое охлаждение, способны радикально сократить потребность в механическом охлаждении, особенно в регионах с теплым климатом.

Диаграмма на рис. 3 иллюстрирует реализацию концепции воздушного фрикулинга с вспомогательным адиабатическим охладителем в соответствии с рекомендованными ASHRAE значениями параметров приточного воздуха 23°C / 60% RH. Область, закрашенная синим цветом, соответствует режиму воздушного фрикулинга. Зеленая область отражает дополнительные преимущества при использовании прямого испарительного охлаждения (Direct Evaporative Cooling, DEC), а желтая область показывает возможности косвенного адиабатического охлаждения (Indirect Evaporative Cooling, IEC). Область условий, при которых требуется только механическое охлаждение, сократилась - она показана красным цветом.

В среднем, по сравнению с традиционными системами, использующими механическое охлаждение, оказывается возможным снизить потребление энергии на 80–95% при использовании DEC и на 30–93% при использовании IEC. В таблице приведены сравнительные данные для распылительной системы высокого давления и для системы с механическим охлаждением.

Конечно, мы должны принять во внимание то, что вода как используемый ресурс имеет определенную ценность. Но также нельзя забывать про стоимость электроэнергии и эффект от воздействия энергетики на окружающую среду. Известно, что при производстве 1 кВт ч электроэнергии выделяется ориентировочно 500 г диоксида углерода CO 2 (