Естественное охлаждение и прецизионные кондиционеры

В былые годы, когда компьютеры были размером с дом, возникла очень явная необходимость в точных системах кондиционирования воздуха.

Прецизионное кондиционирование воздуха разработано для поддержания постоянной температуры в пределах 1°c в помещениях с чувствительным компьютерным оборудованием. В начале-середине 70-х подавляющее количество компаний начали использовать компьютеры в своей повседневной деятельности. Огромные блоки компьютерного оборудования были вмонтированы в специальные ИТ-помещения, которые требовали прецизионные кондиционеры воздуха для точного поддержания параметров температуры воздуха и влажности.

ИТ-рынок оказался прибыльной сферой для многих производителей прецизионных кондиционеров, так как все больше компаний инвестировали деньги в сделанные на заказ ИТ-помещения. Так продолжалось до появления ПК в конце 80-х. Современные технологии позволяют каждому иметь собственный настольный компьютер в офисе.

Такие современные компьютеры больше не требовали точного управления температурой, как в случае с их предшественниками. Для контроля температуры офисного пространства использовались комфортные кондиционеры воздуха. Это стало, конечно, главной причиной существенного спада продаж прецизионного оборудования и подъема установки агрегатированного оборудования  - настенных и потолочных кассетных кондиционеров.

В середине 90-х, с быстрым ростом сети Интернет, для прецизионного оборудования открылся новый рынок. Начали появляться огромные специальные помещения с большими серверами, необходимые для удовлетворения требований доступа в интернет, и эта среда нуждалась в прецизионном кондиционировании воздуха. Еще одна сфера, которая развивалась параллельно с ИТ-рынком – это сфере телекоммуникаций. Фрагментация телекоммуникационной индустрии создала огромный спрос из-за растущего количества цифровых АТС на прецизионные кондиционеры.

Возрождение прецизионного кондиционирования воздуха повлекло за собой появление новых требований к заказчикам, которые обязаны осознавать необходимость бережного отношения к природе и ее энергетическим ресурсам. С введением этого нового, более сложного рынка, прецизионные системы должны были представить больше преимуществ своей продукции, чем когда-либо ранее.

Рис. 1: Потенциал естественного
охлаждения

Естественное охлаждение использует атмосферный воздух достаточно низкой температуры для охлаждения следующих компонентов:

• Приточного воздуха для кондиционируемого помещения, прямо впуская необходимое количество свежего наружного воздуха в помещение, как правило, через прецизионный кондиционер.
• Смеси воды/гликоля, которая пропускается через установленный снаружи сухой воздухоохладитель  для удаления тепловой энергии.  Затем охлажденная жидкость рециркулирует через змеевик естественного охлаждения, установленный в прецизионный кондиционер.

Такие технологии могут либо исключить надобность в механическом охлаждении, при котором требуется один или более компрессор системы с непосредственным охлаждением, или, по крайней мере, сократить время работы и нагрузку на систему охлаждения. Их преимущества будут изложены ниже.

Благодаря минимальному механическому охлаждению радикально снижается электропотребление системы кондиционирования воздуха, что также уменьшает эксплуатационные расходы и сводит к минимуму воздействие на окружающую среду.  Если капитальная стоимость такой системы оказывается выше, эти дополнительные расходы часто окупаются в течение короткого промежутка времени, после чего экономия становится колоссальной.

На рис. 1 показано количество годовых часов в Лондоне относительно наружной температуры по сухому термометру. На схеме также показано количество годовых часов, доступных для применения естественного охлаждения, поэтапного охлаждения и механического охлаждения. Анализ этих данных выглядит следующим образом:

 часов / год %

Естественное охлаждение: 17011 9.4 

Поэтапное охлаждение:       4838 55.4 

Механическое охлаждение: 2197 25.2 

    ----------- 
          8736 

Рис. 2: Полное естественное охлаждение

Полное естественное охлаждение для удовлетворения нагрузки охлаждения всегда доступно при атмосферной температуре 5°C и ниже. Также возможно достигнуть эффекта полного естественного охлаждения при атмосферной температуре выше 5°C при частичной нагрузке, например, в зимний период. В режиме полного естественного охлаждения жидкостный циркуляционный насос создает циркуляцию холодной воды/раствора гликоля по змеевику естественного охлаждения, где происходит отвод и возврат тепла из помещения в сухие воздухоохладители для выпуска в атмосферу. В этом рабочем режиме не используется ни один компрессор.

При средней атмосферной температуре доступно частичное естественное охлаждение. В таких условиях насос создает циркуляцию холодной воды/раствора гликоля по змеевику естественного охлаждения, после чего один или больше механических холодильных контуров обеспечивают необходимое дополнительное охлаждение.

Рис. 3: Поэтапное охлаждение

На рис. 4 подробно показан принцип работы весной/осенью, основная суть которого представлена на рис. 3.

Если температура возвратного воздуха поднимается выше заданной температуры во время работы полного естественного охлаждения, очевидно, что необходима более высокая холодопроизводительность.

В таком случае достигается часть естественного охлаждения и выполняется первый этап механического охлаждения с непосредственным испарением. Существует несколько  этапов механического охлаждения системы.

На рис. 4, когда выполняется этап механического охлаждения с непосредственным испарением, активируется соответствующий регулирующий клапан водяного напора (WRV), чтобы пропустить необходимый объем водно-гликолевой жидкости через один из пластинчатых теплообменников (PHE).

Рис 4: Подробный принцип
работы весной/осенью

Функция пластинчатого теплообменника – произвести теплообмен между относительно холодной возвратной водно-гликолевой жидкостью из змеевика естественного охлаждения и горячим отработанным хладагентом из холодильного контура с непосредственным испарением, чтобы обеспечить конденсацию и частичное охлаждение.

Прямое механическое охлаждение

Когда наружная атмосферная температура поднимается до того уровня, когда невозможно использовать естественное охлаждение, система работает как обычный кондиционер воздуха с гликолевым охлаждением, который использует механические контуры охлаждения для обеспечения полной холодопроизводительности.

На рис. 6 показана работа системы в летний период. В этом режиме работы система естественного охлаждения полностью прекращена, активация происходит с помощью байпасного клапана естественного охлаждения (BV).

Рис. 5: Прямое механическое охлаждение

Вся нагрузка по охлаждению теперь полностью лежит на механическом охлаждении с непосредственным испарением.Доступны несколько этапов механического охлаждения, которые включаются для работы с мгновенной нагрузкой.

Соответствующие регулирующие компрессорные клапаны водяного напора (WRV) активируются, чтобы пропустить необходимый объем водно-гликолевой жидкости через один или несколько пластинчатых теплообменников (PHE) для выполнения конденсации и частичного охлаждения.

Свежий воздух с вспомогательным охлаждением с непосредственным испарением

Этот подход прецизионных систем, разработанный специально для  телефонных станций и аппаратных связи, использует свежий воздух для естественного охлаждения вместо водно-гликолевого раствора, как было описано раньше.

Рис. 6: Работа системы летом

Это сочетается с обозначенным выше механическим охлаждением с непосредственным испарением.

Есть три режима работы:

• полный ввод свежего воздуха в кондиционируемое помещение через установку кондиционирования воздуха.
• частичное естественное охлаждение через ввод свежего воздуха вместе со смешанным  рециркуляционным воздухом.
• полное механическое охлаждение.

Полный ввод свежего воздуха в кондиционируемое помещение через установку кондиционирования воздуха.

Система заслонок, встроенная в кондиционер воздуха, переходит в модулированную позицию, чтобы позволить ввод свежего воздуха на кондиционируемую область. Свежий воздух является главным источником охлаждения в этой системе, допуская некоторую степень естественного охлаждения в течение большей части года. Особо важно индивидуально подойти к высокой эффективности фильтрации свежего воздуха, чтобы защитить кондиционируемое пространство и находящееся в нем оборудование.

Частичное естественное охлаждение через ввод свежего воздуха вместе со смешанным  рециркуляционным воздухом.

С помощью системы заслонок, встроенной в кондиционер воздуха, можно регулировать температуру воздуха в кондиционируемом помещении, модулируя и смешивая теплый возвратный воздух из помещения со свежим наружным воздухом охладителя, полученным снаружи.

Свежий воздух является главным источником охлаждения в этой системе, допуская некоторую степень естественного охлаждения в течение большей части года. В теплое время года, когда температура снаружи высокая, система автоматически закрывает заслонки и запускает механическое охлаждение, что обеспечивает охлаждение через змеевик

Рис. 7: Полное механическое
охлаждение

Полное механическое охлаждение

 В этом режиме заслонки закрыты, чтобы обеспечить работу полной рециркуляции воздуха. Естественное охлаждение через заслонку свежего воздуха неактивно в данном режиме. Используется несколько этапов механического охлаждения, чтобы поддерживать температуру в помещении в соответствии с датчиком возвратного воздуха/встроенным комнатным датчиком и заданным значением контроллера.