Конструкции шкафных прецизионных кондиционеров

Для различного IT-оборудования требуется различная плотность охлаждения. Обычно энергопотребление каждой стойки лежит в пределах от 2,5 до 20 кВт. В отдельных случаях тепловыделения от стойки могут возрастать до 40 кВт и даже до 80 кВт и выше (в суперкомпьютерах). При проектировании системы кондиционирования необходимо обязательно учитывать все особенности конкретного объекта. В целом можно выделить три основных способа кондиционирования дата-центра:

• Все оборудование для кондиционирования или его значительная часть располагаются снаружи и не занимают полезного пространства внутри помещения (кондиционирование с помощью вентиляционных установок).
• Значительная часть оборудования для кондиционирования располагается в помещении ЦОД или в непосредственной близости, кондиционеры забирают теплый воздух, охлаждают его и раздают («дисплейсмент», стоечные охладители и другие способы).
• Значительная часть оборудования для кондиционирования располагается в помещении ЦОД или в непосредственной близости, для раздачи охлажденного воздуха используют фальшпол.

Последний из перечисленных способов имеет следующие плюсы:

• возможность подвода охлажденного воздуха непосредственно к стойкам;
• удобное размещение коммуникаций для работы IT-оборудования и других систем ЦОД под плитами фальшпола;
• гибкое решение, имеющее множество различных вариантов комплектации;
• возможно распределение весовой нагрузки по всей площади дата-центра;
• возможно большое расстояние между оборудованием, располагаемым в ЦОД и снаружи.

Наиболее распространенной системой кондиционирования для такого решения является прецизионный кондиционер шкафного типа

Q_пс=Q_вент+Q_тр;

где Q_вент=Q_дв — потери ввиду теплопритока от двигателя вентилятора прецизионного кондиционера;
Q_тр — теплоприток ввиду трения воздуха о другие поверхности.

Слагаемым Q_тр в данном случае можем пренебречь, так как Q_вент= Q_дв > > Q_тр.

В свою очередь, мощность, потребляемая двигателем, непосредственно связана с расходом воздуха и напорной характеристикой вентилятора и высчитывается по формуле:

Q_дв=N_эл= (L∙H) / (η_вент∙η_пер∙η_дв);

где L — расход воздуха, м³/с;
H — напор вентилятора, Па;
η_вент — КПД вентилятора;
η_пер — КПД передаточного механизма (0,999≈1 — прямоприводной вентилятор, 0,96 — клиноременная передача);
η_дв — КПД двигателя (зависит от производителя и условий работы, обычно от 0,86 до 0,94).

После анализа данного выражения попытаемся найти пути уменьшения потребления электроэнергии.

Первый путь — c уменьшением расхода воздуха будет уменьшаться потребление электрической энергии двигателем вентилятора. Тем не менее этот параметр в любой системе может быть неоднозначным. Связано это со сложной зависимостью количества холода, снимаемого с теплообменника, расхода воздуха, температуры рабочего вещества (фреона, воды или ее растворов) и коэффициента эффективности теплообмена (SHR), равного отношению явной холодопроизводительности к полной. Как показывает опыт расчетов данных систем, наиболее эффективно и стабильно ведет себя система с постоянным расходом воздуха и переменной температурой рабочего вещества.

Второй путь — повышение КПД вентилятора, передаточного механизма и двигателя. Наибольшее распространение начинают получать вентиляторы с электронно-коммутируемым двигателем и прямым приводом. Основной особенностью этих вентиляторов является максимальная эффективность не только в рабочей точке, но и при частичных нагрузках за счет встроенного регулирования производительности с минимальной потерей эффективности, что особенно актуально в центрах обработки данных.

Наконец, третий путь — снижение потери напора в шкафу прецизионного кондиционирования. Один из путей оптимизации — это принципиальное изменение конструкции прецизионного кондиционера. Структура основных потерь напора в прецизионном кондиционере выглядит следующим образом:

∑∆P=∆P_вх+∆P_ф+∆P_то+∆P_вых;

где ∆P_вх — потери напора на входе в кондиционер;
∆P_ф — потери напора на фильтре кондиционера;
∆P_то — потери напора на теплообменнике;
∆P_вых — потери напора на выходе из теплообменника.

Уменьшить сопротивление мы можем с помощью изменения конструкции теплообменника и способа раздачи воздуха, так как существенно повлиять на потери напора на входе в кондиционер и на фильтре не представляется возможным.

Первое, что стоит сделать, — это вынести вентилятор за пределы прецизионного шкафа, под фальшпол. Таким образом будет обеспечена раздача воздуха во все стороны без потери мощности, что особо актуально для крупных ЦОД. Вместе с этим мы освобождаем пространство внутри кондиционера. За счет освободившегося пространства внутри шкафа установим V-образный теплообменник. Несмотря на то что производительность теплообменника будет расти, потери напора на теплообменнике значительно уменьшатся ввиду уменьшения скорости прохождения воздуха между ламелями.

Такая оптимизация конструкции прецизионного кондиционера обеспечивает уменьшение потребления вентилятором электроэнергии от 15 % при частичной нагрузке и от 25 — при полной загрузке кондиционера (эти данные были получены при помощи программы расчета HiRef S.p.A., в обоих случаях использовались EC-вентиляторы одного производителя), а также обеспечит оптимальную раздачу охлажденного воздуха под фальшпол. Если нужна раздача не во все стороны, а в определенных направлениях, можно поставить заслонки — это незначительно увеличит сопротивление на выходе.