Ж у р н а л   о   к о м п ь ю т е р н ы х   с е т я х   и   т е л е к о м м у н и к а ц и о н н ы х   т е х н о л о г и я х
СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ on-line
  ПОИСК: ПОДПИСКА НА НОВОСТИ: НОМЕР:
    ДОМОЙ • Архив: Новостей | Конференций | НомеровПодписка
 
   
 
   
    
РЕДАКЦИЯ
 
Все о журнале
Подписка
Как проехать
Где купить
Отдел рекламы
График выхода журнала
Адреса в Интернет

РУБРИКАТОР
   
• Инфраструктура
• Информационные
   системы

• Сети связи
• Защита данных
• Кабельные системы
• Бизнес
• Колонка редактора
• Электронная
   коммерция

• Только на сервере
• Системы
   учрежденческой
   связи

• Новые продукты


  

Раздача воздуха в системах кондиционирования

А. Г. Барсков

Задача современных систем кондиционирования — не просто выдать расчетную холодопроизводительность, а снять перегрев именно там, где это больше всего необходимо. В зачастую “перенаселенных” аппаратных успех в решении этой задачи во многом определяется грамотным выбором схемы воздухораспределения.

В сентябрьском номере журнала (см.: “Холодное решение “горячих” проблем” // Сети и системы связи. 2004. № 9. С. 34) были представлены принципиальные различия двух основных типов кондиционеров — комфортных (бытовых), разработанных для жилых домов и офисов, и прецизионных (промышленных), предназначенных для сложных технологических объектов, — и сделан вывод, что для обеспечения требуемых условий работы (температуры и влажности) в помещениях с высокотехнологичным ИТ- и телекоммуникационным оборудованием следует применять прецизионные кондиционеры. В этой статье обсуждаются различные схемы работы систем кондиционирования.

Экскурс в историю

Системы кондиционирования в машинных залах начали применять более 25 лет назад, когда в ИТ-системах доминировали централизованные комплексы обработки данных. Старые мэйнфреймы содержали очень “нежные” элементы, чувствительные к параметрам окружающей среды — воздух в помещении должен был поддерживаться круглый год при температуре около +22 °С и влажности 55%. Компьютеры тех лет выделяли очень много тепла, поэтому для охлаждения их микросхем требовались мощные и надежные системы охлаждения. Со временем благодаря стремительному развитию электроники компьютеры уменьшались в размерах, количество выделяемого ими тепла снижалось, и они становились все менее чувствительными к условиям окружающей среды. Поэтому бум кондиционеров для машинных залов, имевший место в начале 80-х годов прошлого века, постепенно шел на убыль.

Полную версию данной статьи смотрите в 13-ом номере журнала за 2004 год.

Но производители технологических кондиционеров не остались без дела. В конце 80-х годов спрос на их продукцию резко возрос со стороны телекоммуникационного сектора. В те годы в мире происходила масштабная замена аналоговых АТС на цифровое коммутационное оборудование; начинали свое развитие сети сотовой связи. Конечно, энергопотребление аппаратуры нового поколения было меньше, она могла работать при более высоких температурах, но вместе с тем оборудование становилось компактнее, оно все плотнее размещалось в технических помещениях — в результате тепловыделение в расчете на единицу площади помещений не снижалось. В дальнейшем при стремительном расширении сетей сотовой связи требовалась установка большого число базовых станций. Оборудование таких станций размещалось в компактных контейнейрах — шелтерах, которые тоже нуждались в непрерывном отводе тепла. В связи с этим возрос спрос на компактные кондиционеры с относительно небольшой холодопроизводительностью (по сравнению с производительностью систем для больших центров обработки данных).

Мир вычислительной техники, который мы оставили в конце 80-х годов в момент зарождения эпохи персональных компьютеров (ПК), снова стал испытывать потребность в мощных системах климат-контроля в середине 90-х. Причиной тому стал, конечно, Интернет. Как грибы после дождя росли так называемые центры присутствия (POP). И не важно, будь это огромный аутсорсинговый центр с мегаваттными мощностями или серверная местного Интернет-провайдера с оборудованием мощностью несколько киловатт — установленная там аппаратура должна была работать максимально надежно, поскольку от Интернет-сервисов все в большей степени зависила и работа транснациональных корпораций, и качество жизни рядовых потребителей. Значит, этой аппаратуре требовались “комфортные” условия функционирования, которые и призваны обеспечивать кондиционеры.

Наш небольшой экскурс в историю ясно показывает, что, хотя и были периоды, когда потребность в системах кондиционирования в отдельных сегментах рынка hi-tech снижалась, в целом этот тип оборудования остается востребованным вот уже в течение почти трех десятков лет. Что мы видим сегодня? Значимость бесперебойной работы ИТ- и телекоммуникационной аппаратуры продолжает возрастать, при этом она становится все более компактной, а значит, энергопотребление в расчете на единицу площади (или на одну монтажную стойку) неуклонно растет, поэтому и рынок кондиционеров для высокотехнологичных систем продолжит свой рост.

Принципы работы

Основной режим работы прецизионных кондиционеров — компрессорный, или рефрижератор-ный, — базируется на стандартном цикле холодильной машины, который, надеюсь, известен читателям еще со студенческой скамьи. Основа кондиционера — замкнутый с помощью трубопроводов контур, заполенный рабочим веществом (хладагентом). Чтобы назвать ключевые элементы такого контура, достаточно изучить устройство обычного бытового холодильника. Правильно — это компрессор, испаритель и конденсатор (последние два элемента — в виде змеевика). Непосредственно к объекту охлаждения прецизионные кондиционеры подают холод с помощью промежуточного теплоносителя, как правило воздуха.

Наряду с компрессорным режимом многие современные кондиционеры используют дополнительный режим непосредственного свободного охлаждения (фрикулинг, free cooling). Когда температура наружного воздуха падает ниже определенного уровня, например +15 °C, система начинает использовать этот воздух в качестве источника охлаждения. Внешний воздух (после фильтрации) может подмешиваться к рециркулирующему в помещении, а может использоваться для снижения температуры в дополнительном контуре охлаждения с незамерзающей жидкостью (например, водным раствором этиленгликоля). При этом компрессоры работают на сниженной мощности, необходимой только для вторичного охлаждения, что, естественно, уменьшает потребление электроэнергии. При дальнейшем похолодании наступает момент, когда фрикулинг позволяет снять всю тепловую нагрузку — компрессоры останавливают полностью и охлаждение происходит практически бесплатно. Фрикулинг — очень важная функция, которая дает возможность значительно снизить эксплуатационные расходы и увеличить срок службы кондиционера.

Изучая системы кондиционирования, особенно большой мощности, вы наверняка столкнетесь с таким понятием, как чиллер. Это специальная холодильная машина, как правило устанавливаемая на крышах зданий, которая выдает охлажденную воду с температурой порядка +5... +7 °С. Поступая в рабочие помещения, эта вода используется для охлаждения воздуха в так называемых бескомпрессорных системах кондиционирования. В настоящее время на рынке представлены чиллеры с холодопроизводительностью до нескольких тысяч киловатт.

Сверху или снизу?

Допустим, имеется поток холодного воздуха, не важно каким образом он получен — с помощью традиционного прецизионного кондиционера или с помощью системы кондиционирования, использующей чиллер. Теперь его надо направить не просто куда попало, а к нагретым элементам серверов или оборудования связи. Здесь на первое место выходит выбор схемы воздухораспределения.

Исторически первой появилась схема с верхней раздачей. Согласно этой схеме, воздух подается из верхней части кондиционера и раздается через воздуховоды (пленумы), установленные в фальшпотол-ках. Динамические характеристики воздушного потока не позволяют холодному воздуху сразу попадать на нагретые элементы — он сначала опускается на уровень пола, а затем, когда скорость движения потока достаточно снизится, поступает к оборудованию и охлаждает его. Но еще до того как приступить к своей основной “работе”, поступающий из потолочных диффузоров воздух смешивается с теплым воздухом внутри помещения, а потому нагревается. Серьезным недостатком схемы с верхней раздачей является также и то, что кондиционеры забирают воздух для обработки как раз с уровня пола, где он и так самый холодный. Все эти обстоятельства снижают эффективность работы систем кондиционирования.

Для снятия ограничений, которые накладывает схема с верхней раздачей воздуха, была предложена схема с нижней раздачей. В этом случае требуется фальшпол, который и служит своеобразным пленумом для доставки потоков охлаждающего воздуха. Они поступают непосредственно в каждую аппаратную стойку и снимают тепло с установленного в ней оборудования. При этом могут быть задействованы устанавливаемые в серверных стойках вентиляторы, протягивающие воздух снизу вверх. В схеме с нижней раздачей забор воздуха в кондиционере расположен в его верхней части, т. е. там, где накапливается горячий воздух. Таким образом повышается эффективность работы кондиционеров.

Несмотря на очевидные преимущества схемы с нижней раздачей воздуха, пока она отнюдь не является самой распространенной. “Как правило, в России используется верхняя раздача воздуха, потому что на фальшпол просто нет денег”, — гово-рит Андрей Брук, менеджер по продуктам компании United Elements, дистрибутора кондиционеров итальянской фирмы Uniflair. Он также отмечает, что схема с верхней раздачей воздуха — наименее эффективная, но и наименее затратная, “а капитальные затраты очень часто у нас стоят на первом месте, и мало кто задумывается о том, что будет дальше”. Примерно 65% оборудования, поставляемого компанией United Elements, применяется в схемах с верхней подачей воздуха.

Наиболее часто используемой называет схему с верхней подачей воздуха и Анна Кулашова, эксперт компании Liebert-Hiross. “К сожалению, эта схема не исключает локальный перегрев оборудования, но есть объекты, где другие схемы подачи воздуха просто неприменимы”, — комментирует ситуацию г-жа Кулашова. Нижняя подача воздуха, по ее мнению, является самой лучшей, но и самой дорогой.

Однако существует одна проблема, которую описанные выше схемы воздухораспределения не решают. Дело в том, что в каждой стойке, как правило, установлено разное число устройств разного типа, поэтому тепловыделение в разных стойках различное. Однако классические схемы обеспечивают равномерную подачу воздуха ко всем стойкам, следовательно, в отдельных стойках создается разный температурный градиент. Там, где тепловая нагрузка выше, перепады температуры тоже оказываются выше. Даже если предположить, что на стадии проектирования четко рассчитан расход воздуха для каждой зоны, в дальнейшем в процессе эксплуатации оборудование будет неизбежно убираться из одной стойки и добавляться в другую, поэтому тепловое равновесие нарушится.

Метод вытеснения

Несколько лет назад в качестве экономичной альтернативы “эффективной, но дорогой” схемы с подачей воздуха через фальшпол была предложена новая схема воздухораспределения — схема с выте-снением (displacement). Она реализована, например, в кондиционерах Hiline и Himode компании Liebert-Hiross и Heat Hunter компании RC Group.

Суть новой схемы заключается в том, что холодный воздух подается с малой скоростью из нижней части кондиционера на уровне пола. Таким образом формируется ламинарный холодный фронт, который, распространяясь, вытесняет воздух, присутствующий в помещении, и создает по полу низкотемпературный слой. Источники тепла (оборудование в стойках), в свою очередь, приводят к формированию восходящих потоков, поднимающих нагретый воздух в соответствии с принципом естественной конвекции к потолку. Причем, чем выше температура внутри стойки, тем больший объем охлажденного воздуха проникнет в нее. Нагретый воздух забирается кондиционером из верхней части помещения.

Основное преимущество описанной схемы — отсутствие необходимости в дополнительном технологическом пространстве, т. е. в фальшполе. Это очень важно для небольших вычислительных центров и аппаратных комнат, где такое достаточно дорогое инженерное решение, как фальшпол, как правило, не предусмотрено. Даже если фальшпол имеется, часто пространство под ним так забито кабелями, что просто нет места для нормальной подачи воздуха. В этой ситуации тоже выручит схема с вытеснением.

Еще на одно важное преимущество этой схемы обращают внимание специалисты компании RC Group. По их заверению, поскольку в данном случае движение потоков холодного воздуха активируется выделяемой оборудованием теплотой, то наибольший объем холодного воздуха попадет именно в те стойки, где находится самое нагретое оборудование, в те же стойки, которые стоят пустыми, холодный воздух вообще не поступит. По этой же причине (потоками воздуха “управляет” само нагретое оборудование) не требуется устраивать внутри стоек принудительную циркуляцию, т. е. устанавливать вентиляторы. За счет этого экономятся не только средства на покупку оборудования, но и электроэнергия.

Одной из основных проблем схемы с вытеснением является то, что она требует значительного свободного пространства перед воздухораспределительной решеткой кондиционера. Если низкоскоростной поток воздуха наталкивается на какое-либо препятствие, например на расположенный в нескольких десятках сантиметров от него монтажный шкаф с оборудованием, направление потока изменяется и нарушается однородность распределения воздуха в помещении.

Для решения этой задачи используются разные способы. Компания RC Group, например, применяет запатентованную систему Air Rail, позволяющую направлять воздушные потоки в сторону от имеющихся препятствий. Система состоит из нескольких регулирующих воздушных каналов (эжекторов), расположенных в основании кондиционера. Специальная конструкция профиля эжектора обеспечивает создание “поддерживающей струи” на уровне пола, с помощью которой производится изменение направления подачи потока воздуха. Подобные приспособления значительно расширяют область применения схем с вытеснением.

Однако далеко не все специалисты верят в эффективность схем с ламинарными воздушными потоками. (Напомню, что ламинарным называют течение газа или жидкости, характеризующееся отсутствием перемешивания между соседними слоями.) Андрей Брук из компании United Elements замечает, что все серверные представляют собой затесненные пространства, поэтому трудно вообразить ситуацию, когда равномерные слои холодного воздуха будут эффективно замещать слои теплого воздуха. “Если воздух представить в виде воды, то в серверных все бурлит. Это не плавное течение, как в спокойной равнинной реке, а бурные пороги, как в стремительном горном ручье”, — полагает он.

Выбор схемы воздухораспределения очень важен, но нельзя забывать и о других характеристиках систем кондиционирования. Анатолий Масанов, коммерческий директор компании “Бизнес Пауэр”, говорит, что первое, на что обращают внимание его заказчики, — это массогабаритные характеристики оборудования. “ИТ-комнаты, как правило, под завязку забиты оборудованием, поэтому здесь преимущество получают кондиционеры с малыми габаритными размерами”, — отмечает он. По этому показателю специалисты “Бизнес Пауэр” выделяют кондиционеры компании Uniflair. Ее устройства серии Amico с мощностью по холоду до 17,7 кВт имеют глубину всего 45 см. Более того, у кондиционеров Uniflair съемная передняя панель (а не традиционная дверка), что позволяет оставлять перед ними минимум пространства для обслуживания.

Еще одной важной сегодня характеристикой г-н Масанов считает наличие современных средств управления, в том числе по протоколу SNMP. Если специалисты в области компьютерных сетей уже давно оценили удобство дистанционного управления по стандартным протоколам, и такую вещь, как поддержка SNMP, воспринимают как должное, то климатотехники, похоже, только сейчас начинают осознавать все преимущества управления и контроля по IP-cетям. Такое управление особенно важно для крупных предприятий, сети которых насчитывают большое число узлов, разбросанных по всей территории России. Наличие единого пункта управления, который обеспечивал бы мониторинг всех серверных или телекоммуникационных узлов, очевидно, позволит сэкономить средства (не требуется держать высокооплачиваемых специалистов на местах) и поднять на более высокий уровень доступность всех систем.

Все в комплексе

Как показывает практика, решить проблемы с перегревом ИТ-помещений стандартными способами, которые практикуют компании, занимающиеся кондиционированием обычных помещений, часто не удается — даже установка кондиционера, холодо-производительность которого в несколько раз превышает потребности данного оборудования, не ограждает от локальных перегревов. Необходимо не просто поставить кондиционер большой мощности, а обеспечить снятие тепловой нагрузки именно там, где это в первую очередь необходимо. Далеко не все определяется холодопроизводительностью кондиционера, многое зависит от выбранной схемы воздухораспределения, от того, где размещены аппаратные шкафы и стойки, какие установлены дополнительные средства управления потоками воздуха (направленные эжекторы, нагнетатели, вытяжки и т. п.).

Для оборудования ИТ- и телекоммуникационных помещений можно, конечно, закупать у разных фирм разные инженерные компоненты — кондиционеры, монтажные стойки, источники бесперебойного питания (ИБП), средства контроля и пр., а затем координировать их размещение, режимы работы и т. д. Однако недавно появились комплексные решения в области инженерной ИТ-инфраструктуры. Это системы InfraStruXure компании АРС и Foundation компании Liebert-Hiross, которые включают в себя аппаратные шкафы, кондиционеры, элементы управления воздушными потоками, ИБП, компоненты распределения электропитания и т. п. Все эти подсистемы согласованы между собой, обеспечивая, в частности, гарантированный съем тепла внутри аппаратного шкафа. И хотя стоимость таких комплексных систем, по крайней мере на начальном этапе, довольно высока, бесспорные преимущества их применения должны привлечь к ним внимание многих заказчиков..





  
13 '2004
СОДЕРЖАНИЕ

бизнес

• 44 этажа «интеллекта» на Canary Wharf

инфраструктура

• Снова о виртуализации памяти

• Централизованное управление удаленными офисами

• Раздача воздуха в системах кондиционирования

• Что стоит за ACD

информационные системы

• Фактор XML

• Приложения ИКТ в здравоохранении

сети связи

• Оптические беспроводные системы связи

• Все дороги телефонии ведут к... IP?

кабельные системы

• Рефлектометры на любой вкус

• Разработка стандарта на центры обработки данных близится к завершению

защита данных

• Пожалуйте на ковер

• Управляю, следовательно, существую

• MPLS и безопасность

новые продукты

• Angel преодолевает препятствия; Новые монтажные шкафы EcoLine; Сервисный маршрутизатор Alcatel 7750 SR


• Калейдоскоп



 Copyright © 1997-2007 ООО "Сети и Системы Связи". Тел. (495) 234-53-21. Факс (495) 974-7110. вверх