Введение в промышленные кондиционеры. Обзор кондиционеров APC и Uniflair
Что такое кондиционер и для чего он нужен, сегодня знают все. Различные системы кондиционирования встречаются везде – в автомобилях, магазинах, медицинских учреждениях, офисных центрах ну и конечно на фасадах домов. Учитывая наш климат, мы активно начинаем использовать их в мае и заканчиваем в сентябре. Насколько разнообразны сферы деятельности, где востребована данная техника, настолько же разнообразны и брэнды, под которыми выходит эта продукция, за что, несомненно, нужно поблагодарить инженеров из Поднебесной. Очевидно, что в современном мире, где люди быстро привыкают к комфорту, без кондиционеров качество жизни заметно снизилось.
Если заглянуть в историю, то мы увидим, что впервые само понятие кондиционер ввел француз Жан Шибаннес, получивший британский патент на метод «кондиционирования воздуха и регулирования температуры в жилищах и других зданиях» в далеком 1815г. В переводе английского, глагол to condition - улучшать что-либо до желаемого состояния, соответственно conditioner - это то или тот, кто это улучшение осуществляет. Но как водится, воплотить в жизнь это изобретение удалось не сразу, а лишь через 87лет в 1902г, в Нью-Йорке, и не в качестве источника прохлады, а в качестве машины для осушения воздуха. Авторство первого кондиционера воздуха, принадлежит компании General Electric, выпустившей в 1929г. аппарат, использующий в качестве хладагента аммиак. После изобретения привычного для нас фреона в 1931г, кондиционеры стали безопасны для людей. Серийное производство сплит-систем стартовало в 1961г на заводах японской компании Toshiba. С тех пор шло постоянное развитие и усовершенствование кондиционеров – появились мультисплит-системы, компрессоры получили частотные преобразователи (инверторы), и единственное, что не претерпело изменений за все время, это их принцип действия.
Устройство кондиционера
Схематично, кондиционер состоит из компрессора, конденсатора, дросселя (расширителя), и испарителя. Компрессор является «сердцем» машины, его задача прокачивать фреон, сжимая его при этом до определенного давления. При сжатии любой газ нагревается, с этим явлением мы сталкиваемся постоянно, когда накачиваем колеса в машине или велосипеде. Но если в случае с машиной давление в колесе составляет 2 бара, то для фреона это будет 20-25 бар. Соответственно и температура сжатого фреона будет порядка 50-60 градусов. После компрессора горячий газ с высоким давлением попадает в конденсатор, где он начинает охлаждаться, в данном случае - воздухом. Свойства фреона таковы, что при охлаждении ниже определенной температуры, он начинает конденсироваться, т.е. переходить из газообразного состояния в жидкое. В итоге, из конденсатора выходит жидкость с таким же высоким давлением, но уже можно сказать, комнатной, температуры. После конденсатора, жидкий фреон проходит через дроссель, где происходит резкое падение давления с 25 до 10 бар. Из-за этого, жидкий фреон начинает кипеть, и испаряясь, поглощать тепло. Остается лишь направить его в теплообменник-испаритель, где он выкипая будет охлаждать подаваемую среду. Газообразный холодный фреон поступает в компрессор, где он вновь сжимается и цикл начинается заново. Также следует отметить, что вместе с фреоном по контуру циркулирует и компрессорное масло, которое необходимо для смазки компрессора, а низкая температура фреона способствует охлаждению электродвигателя.
Кондиционеры в IT индустрии
Длительное время сплит-системы, наряду с мобильными передвижными кондиционерами, оставались единственным источником холода для развивающейся IT индустрии. На начальных этапах развития отрасли, когда нагрузки измерялись максимум несколькими киловаттами, бытовые кондиционеры вполне успешно справлялись с поставленными задачами. Даже если и происходил отказ в работе, то ввиду низкой тепловой нагрузки температура в помещении не успевала подняться до критического значения. С развитием электронной промышленности, компоненты вычислительных машин становились все меньше, поток обрабатываемых данных рос, соответственно возрастало и количество тепла, выделяемого оборудованием. На смену стеллажам с хаотически расставленными системными блоками пришли специализированные серверные шкафы, а само IT оборудование подвели под единый стандарт. В итоге уже один серверный шкаф мог выделять несколько киловатт тепла, и мощности бытовых кондиционеров начинало не хватать. Помимо этого, бытовые кондиционеры не были рассчитаны на постоянную работу 24 часа 7 дней в неделю. Из-за этого случались поломки, как правило, в летний период, что в лучшем случае приводило быстрому повышению температуры в серверной, в худшем – если обслуживающий персонал не сразу обнаруживал проблему - к перегреву оборудования с последующим выходом из строя. В связи с этим назревала необходимость разработки более мощных, более надежных кондиционеров, которые бы не только поддерживали заданную температуру, но и регулировали влажность, имели бы широкий спектр пользовательских настроек, а в случае возникновения неисправности – подавали бы сигнал и автоматически вводили в работу резервное оборудование. Такие кондиционеры стали называть прецизионными, от английского слова precision – точность.
Прецизионные системы кондиционирования можно условно разделить на межрядные ( далее InRow, дословно – в ряду) и комнатные (InRoom – в комнате). В чем же отличия? Как было отмечено выше, современное IT оборудование стандартизировано под установку в специализированные шкафы. Помимо этого, большинство устройств забирают воздух для своего охлаждения с лицевой стороны, а горячий выбрасывают назад. Если несколько шкафов поставить в один ряд, то с тыльной стороны воздух будет горячий, а с лицевой - прохладный. Так появилось деление на горячие и холодные коридоры. Задача прецизионных кондиционеров забрать воздух из горячего коридора, охладить его, и вернуть в холодный.
Компания APC by Schneider Electric предложила следующее решение. При конфигурации InRow, кондиционеры устанавливаются между шкафами. Забирая воздух из горячего коридора они продувают его сквозь себя, охлаждают, и подают уже охлажденный воздух в холодный коридор, на вход в оборудование. При этом забор и выдув воздуха осуществляется по всей высоте блока, что обеспечивает равномерное охлаждение оборудования по всей высоте шкафа. Благодаря тому, что компания APC производит широкий спектр шкафов, все типы кондиционеров InRow беспрепятственно интегрируются с любыми из них.
Конфигурация InRoom подразумевает наличие так называемого фальшпола. Конструкция пола позволяет создать достаточно герметичное пространство под ним, что позволяет подавать в него охлажденный воздух. Для того, чтобы подать воздух на охлаждаемое оборудование, глухая плитка перед шкафом заменяется решеткой. Недостатком такого способа охлаждения может стать локальный нагрев оборудования, установленного в верхней части шкафа, по причине нехватки охлаждающего воздуха. Для борьбы с этим явлением, была разработана система Active Floor, которая будет рассмотрена позже. Помимо минусов, у данной конфигурации есть и существенный плюс, заключающийся в возможности прокладывать все коммуникации под полом, что несомненно улучшает внешний вид датацентра.
Типы кондиционеров компании APC
Помимо разделения на InRow и InRoom, прецизионные кондиционеры условно можно разделить по типу хладоносителя на фреоновые (далее DX, от английского Direct Expansion – прямое расширение) и на чиллерной воде (далее CW, от английского Chiller Water – чиллерная вода).
Линейка DX кондиционеров InRow производства компании APC представлена следующими моделями:
Кондиционер ACRD101 имеет форму типового шкафа AR3100, производства APC, уступая ему лишь шириной 300мм вместо 600. Это позволяет собирать всю конструкцию в единый массив.
Мощность охлаждения составляет от 2 до 10кВт. Подключение фреонопроводов и кабеля питания может осуществляется как с низу, так и сверху блока. Эти кондиционеры комплектуются несколькими типами внешних конденсаторных блоков, в зависимости от максимальной наружной температуры. Все типы конденсаторов имеют встроенный регулятор скорости вращения вентиляторов, настроенный с завода, а также комплект зимнего запуска, состоящий из перепускного трехходового клапана и автоматически подогреваемого ресивера. Данное сочетание обеспечивает стабильный пуск кондиционера при отрицательных наружных температурах.
Кондиционер ACRD201 имеет такую же мощность как и ACRD101, и конструктивно отличается тем, что имеет встроенный водяной конденсатор. Таким образом, подключение его производится к трубопроводам с охлажденной водой, расход которой через кондиционер регулируется трехходовым клапаном.
В обеих моделях использованы компрессоры спирального типа. Для возможности плавной регулировки производительности, использован метод байпаса горячего газа, при помощи регулируемого клапана. Степень его открытия варьируется от нуля до ста процентов, что позволяет изменять выходную мощность в достаточно широком диапазоне. Учитывая, что при этом ухудшается охлаждение компрессора, управляющей программой предусмотрена защита от перегрева.
Это моноблочный кондиционер, внутри которого расположен и испаритель, и воздушный конденсатор. Для охлаждения последнего в крыше имеется три отверстия диаметром 200мм, к которым присоединяются идущие в комплекте воздуховоды. По ближнему к задней стенке воздуховоду воздух затягивается из-за пределов помещения, продувается тремя вентиляторами через конденсатор, и нагретый выбрасывается по двум воздуховодам за пределы обслуживаемого помещения. Мощность охлаждения регулируется, как и в предыдущих случаях, за счет байпаса горячего газа. Несомненным преимуществом этой модели является отсутствие необходимости проведения строительно-монтажных работ и прокладке каких-либо трасс.
Все вышеперечисленные кондиционеры работают от однофазной сети, напряжением 230В и используют фреон R410A.
Модели ACRD502 и ACRP102 по габаритам идентичны шкафу AR3100. Они имеют мощность охлаждения от 10 до 30 киловатт и питаются от трехфазной сети напряжением 400 вольт. В них используются однотипные поршневые компрессоры с частотным приводом. В качестве хладагента выступает фреон R407C.
Модель ACRP102 имеет встроенный увлажнитель воздуха, а также группу из двух электрических ТЭНов, суммарной мощностью 6 кВт. Таким образом, этот кондиционер является самой функциональной моделью из всей линейки InRow. Мощность охлаждения регулируется изменением частоты компрессора от 30 до 80 герц, а также за счет регулирования скорости вращения вентиляторов. Для увлажнения используется водяной пар. Он образуется из обычной водопроводной воды, которая кипит в специальном пластиковом бачке, при подаче на него напряжения. Максимальная паропроизводительность его составляет 3 кг пара в час. Для полноценного контроля влажности в помещении, реализована функция осушения воздуха в летнее время. При ее активации, кондиционер понижает температуру испарителя ниже точки росы при текущих параметрах воздуха. Пары воды конденсируются на поверхности теплообменника, каплями стекают в поддон и, при его наполнении, откачивается конденсатным насосом. Однако, понижая температуру испарителя, мы вынужденно понижаем и температуру подаваемого воздуха. Если холодный воздух с температурой точки росы попадет в IT оборудование, то в нем может начаться процесс конденсации паров воды, как и на поверхности испарителя. Для исключения такого варианта, в кондиционерах APC помимо поддержания постоянной температуры на входе в оборудование, поддерживается и заданная температура приточного воздуха. Минимально возможное значение равняется пятнадцати градусам. Если в режиме осушения, либо по каким –то иным причинам, температура подаваемого воздуха становится ниже установленного значения, включается группа электрических ТЭНов. Необходимая температура достигается путем изменения длительности и очередности их включения. Данный алгоритм является упрощенным описанием принципа работы!
Модель ACRD502 является упрощенной моделью ACRP102, не имеющей функции увлажнения и осушения, поэтому не нуждается в дополнительном рассмотрении.
Линейка моделей кондиционеров, работающих на чиллерной воде CW, представлена кондиционерами ACRC103, ACRC502 и ACRP502.
Все CW модели имеют те же опции что и их фреоновые аналоги. За счет освободившегося от компонентов холодильного контура места, увеличился теплообменник – он занял все пространство от верха, до низа. В связи с этим, увеличилось количество вентиляторов – в ACRC103 с шести до восьми, ACRD/ACRP 502 – с двух до трех. Подключение трубопроводов возможно как сверху, так и снизу. Благодаря отсутствию компрессора, который является основным потребителем электрической мощности и источником высоких пусковых токов, появилась возможность подключать кондиционеры к источнику бесперебойного питания. Помимо этого, они имеют два раздельных ввода питания с автоматическим переключением, без отключения.
Мощность охлаждения регулируется по средствам трехходового клапана. В полностью закрытом положении он направляет охлаждающую жидкость в обратный трубопровод в обход теплообменника. По мере открытия, часть жидкости начинает поступать в теплообменник. При полной выходной мощности, клапан открывается на сто процентов и вся жидкость идет через теплообменник. Для расчета выходной мощности, используется специальный датчик-расходомер, определяющий количество литров жидкости в секунду, проходящее через кондиционер. Помимо этого, в подающем и обратном трубопроводах установлены датчики температуры, позволяющие контролировать температуры жидкости. В качестве хладоносителя может выступать вода либо гликоль. Для нормального функционирования моделей ACRC103 проток должен быть в пределах 0,8-1л/с, для ACRD/ACRP502 в пределах 1,8-2л/c. При более низких расходах кондиционеры будут охлаждать, однако мощность будет ниже заявленной. В инструкциях, поставляемых с кондиционерами, есть таблицы расчета мощности, в зависимости от температуры охлаждающей воды.
Управление кондиционерами осуществляется посредствам пульта на лицевой части. Для удаленного управления может использоваться встроенная сетевая Ethernet карта, также контроллер поддерживает протокол ModBus, имеет релейные входы и выходы (сухой контакт). Сетевая карта имеет возможность отправки email сообщений, а также SNMP трапов. Для объединения нескольких машин в группу, имеется собственный интерфейс A-Link. Групповое управление позволяет настраивать режимы ротации, когда кондиционеры работают по очереди, режим поддержки - запуск резервного кондиционера совместно с работающим, а также автоматически запуск резервного при неисправности основного кондиционера.
С каждым кондиционером в комплекте поставляется датчик температуры, который крепится на входе в охлаждаемый шкаф, а его показания являются основным задающим параметром для определения необходимой мощности охлаждения. В качестве опции может быть заказан датчик протечки, который крепится к полу вокруг кондиционера.
Во всех типах кондиционеров APC использован универсальный контроллер, функциональность которого в разных моделях достигается путем добавления опциональных карточек и замене ПО. Также однотипными являются температурные датчики и, с оговоркой, вентиляторы (у однофазных моделей один тип, у трех фазных – другой). Такая взаимозаменяемость позволяет экономить средства при резервировании запчастей.
Кондиционеры InRoom представлены линейкой кондиционеров Uniflair. Если взять вместе разные модификации, то спектр охватываемой охлаждаемой мощности составит от 2 до 200kW. Они бывают как феоновые, так и на чиллерной воде. В отличии от кондиционеров APC, каждая модель Uniflair может комплектоваться увлажнителем, электрическими ТЭНами, дополнительными датчиками.
Uniflair SP представляет собой Сплит-систему, с наружным блоком. Это самая маломощная модель – диапазон от 6 до 15kW, и единственная, в которой компрессор вынесен в наружный блок. В зависимости от исполнения может иметь режим «фрикулинга» за счет подачи в помещение холодного наружного воздуха. Может использоваться для кондиционирования небольших телекоммуникационных серверных помещений, в частности – базовых станций мобильных операторов.
Uniflair WM является моноблочным фреоновым кондиционером, предназначенный для монтажа на стене. Мощность охлаждения от 7 до 17kW. Для монтажа этого кондиционера необходимо лишь сделать в стене два отверстия для входа и выхода воздуха охлаждения конденсатора. Как и предыдущая модель, может иметь функцию фрикулинга и предназначена для телекоммуникационных серверных.
Uniflair AM служат для охлаждения средненагруженных серверных помещений. Могут быть как фреоновые так и водяные, с мощностью охлаждения от 5 до 20kW. В зависимости от пожелания заказчика могут выдувать воздух как вверх, так и вниз и доукомплектовываться пароувлажнителем и электрическим ТЭНом, а также датчиком протечки. Выпускаются как фреоновые версии, так и на чиллерной воде.
Uniflair LE является более мощной версией AM. В качестве хладагента также может выступать фреон либо чиллерная вода, а рабочий диапазон мощности составляет от 20 до 200kW. Эти кондиционеры используются для больших вычислительных центрах с большой тепловой нагрузкой. Для регулирования выходной мощности, в них может использоваться несколько компрессоров в тандеме, а для повышения отказоустойчивости – два независимых фреоновых контура в одной машине.
Отдельно стоит выделить модель с так называемым двойным охлаждением – Twin Cooling. Для охлаждения воздуха в ней совмещены два теплообменника – фреоновый и гликолевый. Внутри кондиционера расположен замкнутый фреоновый контур с гликолевым конденсатором. Расход гликоля через воздушный теплообменник регулируется посредствам трехходового клапана. Для охлаждения гликоля, используется наружный охладитель жидкости «сухая градирня». Циркуляцию обеспечивает насос, управляемый контроллером кондиционера. Помимо температуры в помещении, контроллер измеряет уличную температуру, а также температуру гликоля. В зависимости от ситуации, кондиционер работает:
- как обычная холодильная машина, отдавая тепло гликолю;
- в смешанном режиме, при котором также работает холодильная часть, а гликоль перед тем как охладить конденсатор, проходит через воздушный теплообменник, немного охлаждая воздух;
- режим полного «фрикулинга», когда воздух полностью охлаждается за счет гликоля. При этом контроллер поддерживает необходимую температуру гликоля, за счет управления вентилятором наружной сухой градирни.
Учитывая наши климатические условия, при определенных тепловых нагрузках, период работы в режиме фрикулинга может доходить до полугода.
Для контроля состояния всех типов кондиционеров, используются сухие контакты, на которые можно выводить разные аварии, а также дополнительные карточки, устанавливаемые в контроллер. Самые распространенные, это Ethernet и RS-485.
