klimatyzacja pomieszczeń serwerowni

 Centra elektronicznego przetwarzania danych takie jak: serwerownie, centrale telefoniczne czy pracownie komputerowe są specyficznymi pomieszczeniami, które charakteryzują się dużymi zyskami ciepła technologicznego. Często w bilansie ciepła należy uwzględnić także: oświetlenie, słońce, ludzi i wymianę ciepła przez przenikanie. Obecnie gęstość strumienia ciepła oddawanego przez elektroniczne elementy i urządzenia znajdujące się w centralach telefonicznych wynosi kilkaset watów na metr kwadratowy, a niekiedy, w serwerowniach, osiąga wartość nawet ponad 1000 W/m2.

Wprawdzie ilość ciepła oddawanego przez elementy elektroniczne stale maleje, lecz równocześnie zwiększa się ilość tych elementów w obudowie (stojaku), co sumarycznie powoduje wzrost gęstości strumienia oddawanego ciepła.
Zadaniem systemu klimatyzacji jest więc utrzymanie w takich pomieszczeniach warunków mikroklimatu technologicznego zapewniającego właściwe funkcjonowanie zainstalowanych urządzeń elektronicznych. Zadanie to powinno być spełnione niezależnie od zakłócających wpływów wewnętrznych i zewnętrznych, z osiągnięciem oszczędnego zużycia energii elektrycznej, ciepła i zimna, a także minimalnego obciążenia środowiska naturalnego.
Współczesne, coraz droższe urządzenia elektroniczne wymagają zapewnienia optymalnych warunków pracy, które mogą zagwarantować tylko systemy klimatyzacji precyzyjnej (technologicznej). Brak takich systemów powoduje zwiększenie awaryjności układów elektronicznych, błędy w transmisji i przetwarzaniu danych, a w skrajnym wypadku może prowadzić do ich utraty, co wiąże się z dużymi kosztami ich odtworzenia. W związku z tym firmy produkujące centrale telefoniczne dostarczają tzw. klimatogramy określające środowiskowe warunki pracy na które naniesione są obszary klimatu wewnętrznego, określające np. optymalne, normalne oraz ograniczone warunki eksploatacji sprzętu telekomunikacyjnego (rys. 1).

W pomieszczeniach w których występuje wiele urządzeń elektronicznych, często w sposób stały lub okresowy przebywają ludzie. W związku z tym należy tam, o ile to możliwe, spełnić także wymagania komfortu cieplnego. Odpowiedni klimat mogą zapewnić systemy klimatyzacji komfortowej. W sytuacji obecności w danym pomieszczeni zarówno ludzi jak i urządzeń elektronicznych można powiedzieć, że istnieje pewien wspólny obszar klimatu wewnętrznego, gdzie spełnione są wymagania zarówno komfortu technologicznego jak i cieplnego.
Istnieje jeszcze jedna, istotna różnica pomiędzy klimatyzacją technologiczną i komfortową. Różnica ta dotyczy jakości urządzeń klimatyzacyjnych i precyzji w ich sterowaniu. Urządzenia klimatyzacji komfortu pracują najczęściej tylko przez kilka tysięcy godzin w roku, podczas gdy urządzenia klimatyzacji technologicznej muszą zapewnić odpowiednie parametry powietrza wewnętrznego przez cały rok tzn. przez 8760 godzin. Niezawodność tych urządzeń, pewność działania i precyzja sterowania parametrami powietrza musi być więc w szeregu zastosowań większa, niż dla urządzeń klimatyzacji komfortowej.

Uwarunkowania techniczne
Rozwiązania systemów wentylacyjno-chłodzących czy klimatyzacyjnych zdeterminowane są technicznymi i konstrukcyjnymi właściwościami urządzeń telekomunikacyjnych i przetwarzających dane, które podają ich producenci, a w przypadku sprzętu komutacyjnego, ich trybem pracy i warunkami mikroklimatu określonymi w odpowiednich normach i rozporządzeniach.
Często stosowany jest system rozdziału powietrza polegający na nawiewie do pomieszczenia odpowiednio przygotowanego powietrza od dołu, przez podwójną podłogę, bezpośrednio do chłodzonych urządzeń (stojaków), lub obok nich. Ogrzane powietrze usuwane jest z górnej części pomieszczenia przez wywiewniki, lub strop podwieszony. Ze względu na znaczne zyski ciepła, strumień objętości powietrza wentylacyjnego może wynosić nawet kilkadziesiąt wymian w ciągu godziny. Udział powietrza zewnętrznego jest mały, zwykle 5÷15%, przy czym w okresach przejściowych i zimie może on być zwiększony w celu zmniejszenia zużycia mocy chłodniczej. Jeśli w pomieszczeniach są ludzie udział powietrza zewnętrznego nie może spaść poniżej tzw. minimum higienicznego.
Powietrze obiegowe przygotowywane jest zwykle w tzw. szafach klimatyzacyjnych instalowanych w pomieszczeniach przylegających do centrów przetwarzania lub bezpośrednio w nich. Szafy klimatyzacyjne zwykle są wyposażone we wszystkie urządzenia niezbędne do przygotowania powietrza (chłodnice, nagrzewnice, nawilżacze, filtry, wentylatory) oraz urządzenia regulacyjnozabezpieczające i sygnalizacyjne.
Głównym elementem szafy klimatyzacyjnej decydującym zarówno o jej kosztach inwestycyjnych jak i eksploatacyjnych jest urządzenie chłodnicze. Jest to najczęściej kompaktowe urządzenie wyposażone w hermetyczny zespół sprężarkowy ze sprężarką tłokową lub spiralną, parowacz stanowiący bezpośrednią, powierzchniową chłodnicę powietrza, chłodzony cieczą skraplacz płytowy lub spiralny. Ciepło skraplania i przegrzania pary czynnika chłodniczego odbierane jest ze skraplacza przez chłodziwo (wodę lub wodny roztwór glikolu o obniżonej temperaturze krzepnięcia) i rozpraszane w otoczeniu za pośrednictwem wentylatorowej chłodnicy powietrznej. Chłodziwo krąży w układzie zamkniętym (skraplacz – chłodnica wentylatorowa) wyposażonym w naczynie wzbiorcze oraz zespół dławicowych lub bezdławicowych pomp obiegowych. W okresach dostatecznie niskiej temperatury powietrza zewnętrznego pośredni układ skraplacza szafy klimatyzacyjnej umożliwia wykorzystanie chłodnic wentylatorowych do tzw. naturalnego chłodzenia powietrza obiegowego (free-cooling). Różne sposoby odbioru ciepła skraplania przedstawione są na rys. 2. W jednostkach klimatyzacyjnych stosowane są również urządzenia chłodnicze typu SPLIT, w których skraplacz, lub zespół skraplacza i sprężarki chłodniczej chłodzony powietrzem, instalowany jest na zewnątrz pomieszczenia (budynku).

Projektowanie i dobór systemu klimatyzacyjnego a oszczędność energii
Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne instalacji klimatyzacyjnej w omawianych centrach są superpozycją wielu czynników, zarówno projektowych, wykonawczych jak i eksploatacyjnych. Istotny wpływ ma również dobór urządzeń i elementów tej instalacji, a głównie urządzeń chłodniczych. A zatem do najważniejszych czynników wpływających na właściwe rozwiązanie instalacji klimatyzacyjnej i dobór jej elementów należą:
prawidłowe zaprojektowanie procesów uzdatniania powietrza,
dobór właściwego systemu rozdziału powietrza,
wybór odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych urządzeń uzdatniania powietrza,
odpowiedni dobór urządzenia chłodniczego stanowiącego wyposażenie szafy klimatyzacyjnej,
dobór odpowiedniego systemu sterowania i miejsca usytuowania czujników pomiarowych,
właściwa eksploatacja i nadzór nad pracą systemu klimatyzacyjnego.

Projektowanie procesów uzdatniania powietrza
Najprostszym układem energooszczędnym jest system z recyrkulacją powietrza. W układzie tym w sytuacji skrajnych (obliczeniowych) parametrów powietrza zewnętrznego, do obiegu wprowadzana jest tylko minimalna ilość powietrza zewnętrznego, wymagana przez zalecenia higieniczne, bądź warunek określający minimalną ilość powietrza zewnętrznego na 10% ilości powietrza wentylacyjnego. Bardziej efektywna pod względem energetycznym jest praca szafy klimatyzacyjnej ze zmienną ilością powietrza zewnętrznego zależną od obciążenia cieplnego pomieszczenia. W okresach przejściowych w wyniku zmiany stopnia mieszania powietrza obiegowego z zewnętrznym można także uzyskać znaczne oszczędności energetyczne. Umożliwia to zmniejszenia zużycia zimna w lecie oraz ciepła w okresie zimowym. Należy podkreślić, że praca szafy klimatyzacyjnej ze zmienną ilością powietrza

zewnętrznego w zakresie 0÷100% nie wpływa na obliczeniową moc urządzenia chłodniczego (koszty inwestycyjne), a jedynie na zużycie zimna. W ten sposób można uzyskać oszczędności wynoszące 60÷80% kosztów eksploatacji jednostki chłodniczej. System ten wymaga jednak rozbudowanego układu przepustnic oraz sterującego nimi układu automatycznej regulacji, który w większości produkowanych szaf klimatyzacyjnych nie występuje. Przykładem urządzenia pracującego ze zmienną ilością powietrza zewnętrznego może być specjalnie zaprojektowana przez niemiecką firmę szafa klimatyzacyjna stosowana przez niemiecką pocztę, rys. 3. (...)

Konstrukcja i technologia urządzeń klimatyzacyjnych
Wybór odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych szaf klimatyzacyjnych zapewnia bardzo wymierne i znaczące korzyści ekonomiczne.
Do ważniejszych zagadnień, które należy wziąć pod uwagę należą:
odpowiednie wykonanie obudów szaf klimatyzacyjnych (izolacje cieplne, dzwiekochłonne, gładkie powierzchnie, brak przewężeń i gwałtownych zmian kierunków powietrza, odpowiedni układ i lokalizacja części składowych szafy);
zastosowanie wentylatorów z bezpośrednim napędem o regulowanej prędkości obrotowej, właściwie usytuowanych;
odpowiednie rozmieszczenie elementów szafy a przede wszystkim filtrów powietrza i wymienników ciepła zapewniające równomierny przepływ powietrza z prędkością nie większą niż 2,5 m/s (rys. 7);
zastosowanie systemu wolnego chłodzenia – free-cooling z obiegiem wodnego roztworu glikolu. System ten jest inwestycyjnie droższy od tradycyjnego, pozwala jednak, wg informacji producentów, w okresach zimy i przejściowych na znaczne oszczędności energii (ograniczony czas pracy sprężarek) sięgające 50-60% kosztów eksploatacji sprężarki. Symulacyjne obliczenia pracy szafy klimatyzacyjnej w trybie free-cooling przeprowadzone w Instytucie Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki Warszawskiej także wskazywały oszczędności energii rzędu 30-70% w porównaniu z pracą szafy w trybie bezpośredniego odparowania czynnika chłodniczego. Przykład zastosowanego w szafie systemu freecooling przedstawiony jest na rys. 8;
wykorzystanie odpadowego ciepła skraplania czynnika chłodniczego do wtórnego ogrzewania powietrza (re-heating) – pozwala zmniejszyć koszty eksploatacyjne nagrzewnicy wtórnej. Przykład takiego rozwiązania pokazany jest na rys. 9;
zastosowanie nawilżacza ultradźwiękowego – w szafach klimatyzacyjnych powietrze nawilżane jest za pomocą nawilżaczy parowych, które są wyjątkowo energochłonne i praktycznie nie ma tu możliwości oszczędzania energii. Elektrodowa wytwornica pary może być zastąpiona nawilżaczem ultradzwiękowym, który do wytworzenia tej samej ilości pary potrzebuje tylko ok. 7% energii elektrycznej zużywanej przez tradycyjny nawilżacz. Nie bez znaczenia są tu także oszczędności pośrednie takie jak: niższe koszty elektrycznego okablowania i tablic rozdzielczych, rezerwowych generatorów czy wielkość transformatora dla całego obiektu. Proces ultradzwiękowego nawilżania jest procesem adiabatycznym, co nie powoduje wzrostu temperatury uzdatnionego powietrza, a tym samym obniża także zapotrzebowanie na moc chłodniczą całego systemu. Nawilżacze ultradzwiękowe wymagają jednak urządzeń do uzdatniania wody, musza być często konserwowane oraz ciągle jest jeszcze zbyt mało danych o ich ostatecznej przydatność w omawianych systemach. Przykład usytuowania takiego nawilżacza w szafie klimatyzacyjnej pokazany jest na rys. 10.

Eksploatacja i nadzór
Bieżąca i okresowa konserwacja urządzeń klimatyzacyjnych zapewnia ich bezawaryjną i długotrwałą pracę. Absolutnie niezbędną podczas realizacji w/w celu jest właściwie zredagowana instrukcja obsługi urządzenia. Dobrze napisana pozwoli m.in. uniknąć takich podstawowych błędów i nieprawidłowości (wcale nie będących rzadkością) pogarszających parametry pracy instalacji jak:
nadmierne zanieczyszczenie filtrów powietrza,
zanieczyszczenie powierzchni skraplaczy lub wentylatorowych chłodnic powietrza (suche liście, nasiona roślin, kurz, papier, śnieg itp.),
zanieczyszczenie wewnętrznych powierzchni wężownic skraplaczy chłodzonych wodą,
zanieczyszczenie tac ociekowych i zatkanie otworów odpływowych z tac,
ślizgnie się pasków napędów przekładni pasowych (gdy takie występują).