Zasady doboru klimatyzacji dla pomieszczeń biurowych i małych serwerowni
Ogromny przepływ informacji w wielu firmach wymusił zaistnienie pokojów serwerowych (serwerowni). W warunkach eksploatacyjnych sprzęt emituje znaczną ilość ciepła, które zagraża utratom informacji, stąd tak bezwzględnie wymagana jest ich klimatyzacja.
arch. redakcji
Zastosowanie klimatyzacji umożliwia utrzymanie właściwych warunków środowiskowych w pomieszczeniach, które zapewniają komfort pracy ludzi oraz odbierają zyski ciepła od urządzeń elektronicznych. Urządzenia klimatyzacyjne mają znaczący wpływ na składniki klimatu pomieszczenia: temperaturę, wilgotność powietrza, jego czystość oraz ruch (cyrkulację powietrza).
Zobacz także
dr hab. inż. Paweł Piotrowski, mgr inż. Piotr Bilmin Analiza cech, kosztów i parametrów niezawodnościowych zasilania gwarantowanego sieci komputerowej (część 1.)
Systemy równoległe UPS można wykorzystać do pracy w konfiguracji redundantnej lub sumacyjnej. System redundantny stosuje się do zwiększenia niezawodności poprzez wprowadzenie nadmiarowości modułów UPS...
Systemy równoległe UPS można wykorzystać do pracy w konfiguracji redundantnej lub sumacyjnej. System redundantny stosuje się do zwiększenia niezawodności poprzez wprowadzenie nadmiarowości modułów UPS N+1. Analizie, w której brano pod uwagę m.in. dostępność (dyspozycyjność), MTBF, MTTR oraz koszty, poddano system składający się odpowiednio z jednego dwóch, trzech oraz czterech zasilaczy UPS.
mgr inż. Marta Bątkiewicz-Pantula, dr hab. inż Antoni Klajn Ocena jakości energii elektrycznej w budynkach biurowych
Jakość energii elektrycznej staje się z roku na rok coraz poważniejszym problemem w eksploatacji sieci i urządzeń elektroenergetycznych, w szczególności w sieciach rozdzielczych i instalacjach odbiorczych....
Jakość energii elektrycznej staje się z roku na rok coraz poważniejszym problemem w eksploatacji sieci i urządzeń elektroenergetycznych, w szczególności w sieciach rozdzielczych i instalacjach odbiorczych. Powody są oczywiste: stale rosnąca liczba odbiorników o nieliniowych charakterystykach obciążenia z jednej strony, a z drugiej – coraz większe wymagania co do jakości zasilania niektórych grup odbiorników.
Impakt SA Nowa rodzina zasilaczy PowerWalker UPS VFI EVS 5 kVA z magazynami energii
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych....
Seria PowerWalker VFI EVS to nowa generacja zasilaczy UPS, oferująca długi czas podtrzymania dzięki zastosowaniu baterii LiFePO4 o 40% mniejszej masie i wymiarach w odniesieniu do klasycznych baterii kwasowo-ołowiowych. Zastosowana topologia podwójnej konwersji (VFI-SS-311) gwarantuje najwyższy poziom bezpieczeństwa, a wyspecjalizowane układy utrzymują współczynnik mocy PF na poziomie > 0.99. Oczywiście zależy on od podłączonych urządzeń odbiorczych. Wszelkie informacje o stanie UPS widoczne są na...
W odróżnieniu od systemów wentylacji i klimatyzacji, które przejmują jeszcze dodatkowo ogrzewanie, wentylację i nawilżanie powietrza w zimie, jednostkowe urządzenia klimatyzacji pomieszczeń są łatwiejsze w instalacji i nie wymagają tak wysokich nakładów finansowych. Nie są tu konieczne kanały powietrzne, które wymagają przestrzeni na ich instalację.
W przypadku instalacji pełnej wentylacji i klimatyzacji projektant i instalator powinni nie tylko dobrać moc urządzeń, ale również dokładnie poznać obiekt lub pomieszczenia, aby optymalnie określić zadania, jakie mają realizować urządzenia chłodzące oraz grzewcze oraz uwzględnić preferencje klientów w wyborze potrzebnych funkcji. Jednocześnie nie można narażać inwestora na niepotrzebne koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.
Do wyboru są urządzenia pełniące różne funkcje. Można je podzielić na: chłodzące, wykorzystywane jedynie w okresach wysokich temperatur latem, i chłodząco-grzewcze, które mogą służyć do całorocznego utrzymywania temperatury powietrza w pomieszczeniu.
Przykładowe rozwiązanie chłodzenia w szafie dla serwerowni
Klimatyzatory mają szerokie możliwości regulacji temperatury, nawet z dokładnością do 0,5°C, a bardzo zaawansowane umożliwiają także sterowanie wilgotnością powietrza oraz są wyposażone w czujniki ruchu [1, 2].
Dobór mocy dla biur
Przeważnie to inwestor podczas rozmowy ze sprzedawcą dokonuje doboru mocy i montażu klimatyzatorów przenośnych lub zwartych, które są przeznaczone do zabudowy ściennej i wykorzystywane w upalne dni tylko do chłodzenia powietrza w pomieszczeniach. Moc takiego klimatyzatora powinna zbilansować sumę zysków ciepła w pomieszczeniu pochodzących od urządzeń, oświetlenia, nasłonecznienia i użytkowników.
Jedna z uproszczonych metod obliczeń polega na tym, że w typowych pomieszczeniach o wysokości do 2,8 m i bez dużych okien wychodzących na stronę nasłonecznioną mnoży się powierzchnię pomieszczenia w m2·100, otrzymując moc chłodniczą klimatyzatora (w watach), np. 20 m2·100 = 2000 W, tj. 2 kW.
Jeśli pomieszczenie jest bardzo nasłonecznione, należy zwiększyć moc chłodniczą o ok. 30% [2].
Z kolei poddasza i pomieszczenia z nasłonecznionymi oknami dachowymi wymagają klimatyzatora o mocy o połowę większej niż standardowa. Ta metoda sprawdza się w pomieszczeniach mieszkalnych i małych biurach, gdzie nie występują duże zyski ciepła od urządzeń i ludzi, zatem można przyjmować pewne uproszczenia.
W pomieszczeniach biurowych, obiektach użyteczności publicznej (przychodnie, banki itp.), a zwłaszcza zakładach produkcyjnych, dobór mocy chłodniczej urządzenia jest bardziej skomplikowany. Na przykład liczba osób przebywających w banku będzie zmienna i należy w tym wypadku nie tylko zapewnić chłodzenie optymalne dla maksymalnej liczby klientów i pomieszczeń biurowych, ale też wybrać odpowiedni system, który będzie najefektywniejszy poprzez dostosowanie się do aktualnego zapotrzebowania na chłód. W takim przypadku scentralizowana instalacja wentylacji i klimatyzacji, doposażona o urządzenia kanałowe do kształtowania mikroklimatu w pomieszczeniach, będzie tańsza zarówno w instalacji, jak i eksploatacji.
Podobnie wygląda sytuacja w budynkach usługowych – zmienia się liczba osób i pracujących urządzeń, pomieszczenia handlowe, należy dodatkowo chronić pomieszczenia przed napływem ciepła, stosując strefy i kurtyny, dlatego w takich przypadkach warto niekiedy porównać wyniki pochodzące z dokładniejszych metod obliczeń zysków ciepła oraz doboru klimatyzatorów, a można je znaleźć m.in. na stronach internetowych dystrybutorów. Niektóre programy komputerowe pozwalają dobrać jednostki wewnętrzne i zewnętrzne wraz z osprzętem [2].
Dobór i montaż klimatyzatorów typu split i multisplit powinien być przeprowadzany przez doświadczonego instalatora. Z praktyki wynika bowiem, że trzy główne przyczyny szybkiego zużycia urządzeń klimatyzacyjnych to:
- błędy przy projektowaniu instalacji i doborze urządzeń,
- wadliwe wykonanie instalacji (m.in. nieprawidłowe łączenia rur, wycieki czynnika chłodniczego) oraz
- brak przeglądów okresowych instalacji.
Wymagania dla małych serwerowni
Odmiennie niż w przypadku biur i obiektów użyteczności publicznej podchodzi się do klimatyzacji serwerowni, gdzie takie urządzenia są niezbędnym systemem służącym zapewnieniu właściwych parametrów środowiskowych, takich jak temperatura, wilgotność, czystość powietrza, które są wymagane przez pracujący sprzęt komputerowy.
I tak:
- w pomieszczeniu serwerowni powinna być utrzymywana stała temperatura w granicach 18–22° C gwarantująca prawidłową pracę wszystkich urządzeń teleinformatycznych.
- system chłodzenia i klimatyzacji w pomieszczeniu serwerowni musi być dostosowany do warunków pomieszczenia i mocy cieplnej wydzielanej przez zainstalowane urządzenia.
- chłodzenie pojedynczej szafy może być wspomagane poprzez wykorzystanie systemu wentylatorów umieszczonych w szafie.
- powietrze chłodzące sprzęt informatyczny jest zasysane z zewnątrz szafy, a w przypadku zbyt wysokiej temperatury zasysanego powietrza może to doprowadzić do przegrzania się urządzeń i w konsekwencji – ich awarii.
Dlatego istotne jest uniemożliwienie mieszania się powietrza chłodnego z ciepłym oraz wydzielenie stref chłodnego i gorącego powietrza dla poszczególnych szaf. W takim przypadku warto zastanowić się nad rozwiązaniami klimatyzacji precyzyjnej [5]. Szczegółowe wytyczne dotyczące parametrów powietrza otaczającego sprzęt komputerowy powinny być podane przez producenta urządzeń.
Jeśli nie ma innych zaleceń, przyjmuje się, że optymalna temperatura powietrza wynosi 22°C, natomiast wilgotność względna nie przekracza 60%.
Bardzo istotną sprawą jest to, aby niezależnie od pory roku temperatura powietrza w serwerowni była stała i nie ulegała dużym wahaniom, albowiem odpowiednia temperatura dla pomieszczeń z zasilaczami UPS jest warunkiem gwarantowanego przez producenta okresu trwałości baterii [4].
Z uwagi na to, że sprzęt komputerowy odznacza się znaczącą emisją ciepła, utrzymanie odpowiedniej temperatury jest głównym problemem większości serwerowni. We wspomnianych pomieszczeniach najczęściej istnieje konieczność instalacji klimatyzatora pozwalającego na całoroczne obniżanie temperatury powietrza.
Ze względu na oszczędność energii należy dążyć, aby źródło ogrzewania pomieszczenia było wyposażone w regulator (np. zawór termostatyczny), pozwalający na dostosowanie mocy grzewczej do potrzeb.
W serwerowniach działających w systemie ciągłym z uwagi na stałe duże zyski ciepła od sprzętu komputerowego najczęściej nie jest konieczne źródło zimowego ogrzewania pomieszczenia.
Należy pamiętać, że nie wszystkie urządzenia klimatyzacyjne mogą chłodzić w ujemnych temperaturach zewnętrznych. Warto też wiedzieć, że sprawność sprężarki wbudowanej w jednostce zewnętrznej spada wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej.
W pomieszczeniach serwerowni mamy do czynienia z dwoma podstawowymi grupami zysków ciepła:
- od sprzętu komputerowego i elektrycznego (np. oświetlenia) oraz
- zyskami ciepła od nasłonecznienia i ludzi obsługi.
Dokładne wartości zysków ciepła emitowanego przez urządzenia komputerowe powinny być podane przez producenta urządzeń. Jeśli nie dysponujemy takimi danymi, należy przyjmować zyski ciepła nawet 90% mocy elektrycznej pobieranej przez: komputery, serwery, monitory, drukarki oraz inne urządzenia telekomunikacyjne. Warto też wiedzieć, że dla zasilaczy UPS przyjmuje się zyski ciepła sięgające nawet 15% mocy elektrycznej tych urządzeń [4, 6].
Ponieważ bardzo często pomieszczenia serwerowni nie mają okien zewnętrznych oraz na stałe nie przebywa w nich personel, zyski ciepła od nasłonecznienia i ludzi z reguły mają mały wpływ na ogólny bilans cieplny. Nie można ich jednak zupełnie pominąć, gdyż lepiej dobrać moc chłodniczą z pewnym zapasem.
Zysk ciepła od oświetlenia elektrycznego
Ilość ciepła oddawaną do pomieszczenia od oświetlenia elektrycznego oblicza się na podstawie poniższych zależności [1]. W przypadku, gdy oświetlenie jest włączone:
gdzie:
N – zainstalowana moc oświetlenia elektrycznego, w [kW],
α – współczynnik uwzględniający stosunek ciepła odprowadzanego drogą konwekcji z powietrzem wywiewanym z wentylowanej oprawy lampy do całkowitej mocy zainstalowanej. Dla opraw niewentylowanych α = 0, wartość α dla opraw wentylowanych podana w tab. 1.,
β – współczynnik określający stosunek ciepła konwekcyjnego, przekazywanego powietrzu w pomieszczeniu do całkowitej mocy zainstalowanej (patrz: tab. 2.),
– współczynnik akumulacji w przypadku włączonego oświetlenia.
Tab. 1. Wartość współczynnika α dla wentylowanych opraw oświetleniowych [1]
Tab. 2. Wartość współczynnika β uwzględniającego stosunek ciepła przekazywanego drogą konwekcji do powietrza w pomieszczeniu do całkowitej mocy zainstalowanej [1]
W przypadku, gdy oświetlenie jest wyłączone:
przy czym:
– współczynnik akumulacji w przypadku wyłączonego oświetlenia.
Wartość współczynnika akumulacji zależy od rodzaju konstrukcji budynku oraz czasu od włączenia oświetlenia. Wartość wyznacza się z poniższych zależności [1]:
gdzie
Z – charakterystyka cieplna pomieszczenia, w [1/h],
t – czas od chwili włączenia oświetlenia, w [h].
gdzie
Z – charakterystyka cieplna pomieszczenia, w [1/h],
t – czas od chwili włączenia oświetlenia, w [h],
twył. – czas, po którym oświetlenie zostało wyłączone, w [h].
Chłodzenie szaf sterowniczych
Przykładowe rozwiązanie chłodzenia szaf sterowniczych
Obok negatywnych wpływów zewnętrznych, jak powietrze zawierające olej i wilgoć oraz pył, wrogiem numer jeden dzisiejszej elektroniki i komponentów elektronicznych w szafie sterowniczej jest przede wszystkim ciepło.
W odniesieniu na każdy pojedynczy komponent, straty mocy podzespołów elektronicznych stały się w ostatnich latach wyraźnie mniejsze. Jednocześnie jednak w szafach sterowniczych znacznie wzrosła gęstość upakowania, co doprowadziło do 50–60-procentowego wzrostu strat mocy w szafach sterowniczych.
Wraz z pojawieniem się mikroelektroniki i nowych komponentów elektronicznych zmieniły się wymagania dotyczące profesjonalnego budowania szaf sterowniczych, a przez to także wymagania odnośnie odprowadzania ciepła z szaf sterowniczych i obudów elektroniki [7].
Nowoczesna klimatyzacja szaf sterowniczych musi w pełni odpowiadać nowym warunkom w odniesieniu do najlepszych rozwiązań technicznych i z uwzględnieniem efektywności energetycznej. Jak już wspomniano, główną odpowiedzialność za to, że w szafie sterowniczej dochodzi do awarii podzespołów elektronicznych, ponosi ciepło. Po podwyższeniu temperatury o 10 K powyżej maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy, żywotność tych podzespołów spada o połowę, a awaryjność podwaja się, jak wynika z równania Arrheniusa (rys.).
Rys. Równanie Arrheniusa [7]
W szafach sterowniczych i obudowach elektroniki mamy do czynienia przede wszystkim z przewodzeniem ciepła i konwekcją. To, jaki rodzaj odprowadzania ciepła jest możliwy, zależy nie tylko od tego, czy szafa sterownicza jest otwarta czy zamknięta, lecz przede wszystkim od maksymalnej temperatury otoczenia w miejscu zainstalowania szaf sterowniczych oraz od maksymalnej temperatury wewnętrznej w szafie. Czy konwekcja wystarczy do odprowadzenia mocy traconej (Qv) z zamkniętej szafy sterowniczej przez ściany na zewnątrz, zależy od temperatury otoczenia (Tzew) i maksymalnej dopuszczalnej temperatury wewnętrznej (Twew) w szafie.
Maksymalny wzrost temperatury w szafie sterowniczej w stosunku do otoczenia można wyznaczyć z następującego równania:
gdzie:
k – współczynnik przepływu ciepła (blacha stalowa, k = 5,5 W/m2·K),
A – powierzchnia szafy sterowniczej, w [m2].
W celu polepszenia konwekcji przy ścianach szafy sterowniczej od wewnątrz na zewnątrz, stosuje się tzw. wentylatory recyrkulacji powietrza. Wentylatory te przetłaczają powietrze wewnątrz szafy, co powinno spowodować lepszy rozkład ciepła w szafie sterowniczej i przy jej ścianach [7].
Jeżeli szafa sterownicza musi spełniać stopień ochrony IP54, a różnica temperatur między powietrzem otoczenia a wnętrzem szafy jest dodatnia (Twew > Tzew), można zastosować wymienniki ciepła powietrze/powietrze. Im większa jest różnica temperatury wewnętrznej i zewnętrznej, tym większą moc traconą można odprowadzić na zewnątrz szafy sterowniczej.
W zastosowaniach w obudowach małogabarytowych i obudowach obsługi z wymaganym w obiegu wewnętrznym stopniem ochrony IP 54 chłodzenie metodą Peltiera jest bardzo często właściwym i optymalnym technicznie rozwiązaniem [7].
Obok klimatyzatorów szaf sterowniczych, największy rozwój nastąpił w zastosowaniach do odprowadzania ciepła z szaf sterowniczych i obudów elektroniki za pomocą wymienników ciepła powietrze/woda. Rozwój ten spowodowany jest między innymi tym, że pod względem technicznym i termicznym wymienniki ciepła powietrze/woda umożliwiają osiągnięcie najwyższej mocy chłodniczej w najmniejszej przestrzeni [7].
Podsumowanie
Właściwy dobór urządzeń klimatyzacyjnych najlepiej powierzyć wykwalifikowanej osobie, gdyż tylko właściwie dobrane i przeznaczone do serwerowni i innych zastosowań rozwiązanie gwarantuje wieloletnią bezawaryjna pracę i stabilną temperaturę.
Aby zapewnić odpowiedni poziom dostępności systemu chłodzenia i klimatyzacji, a tym samym całej serwerowni, konieczne jest przeprowadzanie zabiegów konserwacyjnych. Agregaty zewnętrzne w wyniku codziennej eksploatacji ulegają zabrudzeniu, a ich sprawność znacznie spada, w wyniku czego obniża się wydajność chłodzenia. W skraplaczu w związku z przepływem powietrza jego powierzchnia pokrywa się pyłem, co powoduje coraz słabsze schładzanie powietrza.
Należy pamiętać także o okresowym czyszczeniu i wymianie filtrów, które ulegają stopniowemu zabrudzeniu, zmniejszając przepływ powietrza, co w konsekwencji prowadzi do obniżenia wydajności systemu [3].
Zaleca się również okresowo sprawdzać szczelność instalacji, gdyż zbyt mała ilość czynnika chłodniczego ograniczy stopień chłodzenia. Okresowa kontrola stanu i oczyszczanie instalacji odprowadzania skroplin gwarantują funkcjonowanie urządzeń zgodnie z oczekiwaniami.
Literatura:
- J. Hendiger, P. Ziętek, M. Chludzińska, Wentylacja i klimatyzacja – materiały pomocnicze do projektowania, Venture Industries, Warszawa 2014.
- W. Joniec, Zasady doboru klimatyzatorów, „Rynek Instalacyjny, 5/2011”.
- S. Igras, Systemy chłodzenia dla serwerowni i centrów danych, 2007.
- Materiały firmy Karbon.
- Materiały firmy APC by Schneider Electric.
- Materiały firmy Emerson.
- Materiały firmy Rittal.
![Tab. 1. Wartość współczynnika α dla wentylowanych opraw oświetleniowych [1]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/zasady-doboru-tab-1.jpg)
![Tab. 2. Wartość współczynnika β uwzględniającego stosunek ciepła przekazywanego drogą konwekcji do powietrza w pomieszczeniu do całkowitej mocy zainstalowanej [1]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/zasady-doboru-tab-2.jpg)
![Równanie Arrheniusa [7]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/zasady-doboru-rys-3.jpg)
