Системы технологического кондиционирования MrSlim

Устройство систем технологического кондиционирования является одной из наиболее сложных и востребованных задач в климатотехнике. По существующей классификации такие системы отнесены к 1 группе систем кондиционирования воздуха, которая включает объекты, полностью исключающие возможность пребывания в них человека (подгруппа 1-1), и объекты и помещения с особыми параметрами воздушной среды, в которых человек отсутствует или находится эпизодически (подгруппа 1-2).

Объекты первой подгруппы оборудуются специализированными системами кондиционирования, во многих случаях специально для них разработанными. Во второй подгруппе в настоящее время преобладают объекты, в которых основным источником тепловыделений является электронная аппаратура: data-центры, серверные помещения, узлы телефонной связи, автономные пункты мобильной связи и т.п. Потребность в кондиционировании таких объектов, в первую очередь — серверных помещений, постоянно возрастает.

Нередко работы по климатическому обеспечению серверных производят компании, специализирующиеся на установке климатических систем комфортного кондиционирования. Требования к системам комфортного и технологического кондиционирования существенно отличаются. Это может создать определённые сложности для исполнителей при производстве работ и привести к трудно устраняемым ошибкам. В данной статье рассматриваются некоторые аспекты устройства систем технологического кондиционирования, основанные на приобретённом в этой области опыте ООО «Компания Хиконикс». Приводимый материал носит информационный характер и не может в полной мере рассматриваться в качестве технических рекомендаций.

Основные требования к системам кондиционирования помещений, источником тепловыделений в которых является постоянно работающая электронная аппаратура, включают: обеспечение круглогодичной непрерывной работы системы кондиционирования, обеспечение работы системы при экстремально низкой и высокой наружной температуре, повышенную надёжность, возможность автономного функционирования, длительный ресурс, максимальную оперативность устранения отказов, возможность удалённого контроля, низкий уровень электромагнитного излучения.

Системы технологического кондиционирования должны обеспечивать расширенный перечень регулируемых параметров. Этот перечень кроме целевой температуры, как правило, включает уровень влажности и, в отдельных случаях, уровень очистки воздуха от пыли, вредных примесей и газов. В зависимости от назначения помещения к системе предъявляются специальные требования по значению целевой температуры и точности её выдерживания. Важную роль играют требования по уровню вибрации, шума, озонобезопасности, устранению условий для размножения и распространения вредных микроорганизмов и др.

В настоящее время вводится в действие справочное руководство – «Требования и рекомендации к серверному помещению и системам» Дмитрия Мациевича. В основной своей части эти требования аналогичны американским стандартам TIA/EIA-569 и TIA/EIA-942-A для центров обработки данных. Они определяют граничные значения основных параметров воздуха в помещениях, где осуществляется цифровая обработка данных:

  • допустимая температура в помещении должна быть в диапазоне +15 — +32°С, рекомендованная +18 — +27°С;
  • влажность воздуха в серверной должна находиться в пределах от 20% до 80% без конденсации влаги; скорость изменения влажности не более 6% в час;
  • запылённость воздуха не должна превышать 0,75 мг/м³;
  • давление в серверной должно превышать давление в соседних помещениях;
  • для определённых видов оборудования data-центров необходимо ограничивать вибрацию систем технологического кондиционирования.

В большинстве случаев технические требования со стороны заказчика на оснащение таких объектов сводятся к обеспечению непрерывного круглогодичного поддержания в технологическом помещении заданной температуры и влажности при 100% резервировании климатического оборудования. Нередко дополнительным условием является обеспечение удалённого мониторинга климатической системы.

В качестве основных технических средств для климатического обеспечения серверных «Компания Хиконикс» предлагает бытовые и полупромышленные кондиционеры производства Mitsubishi Electric в комплекте со штатными или коммерческими устройствами ротации и резервирования, а также средствами обеспечения работы систем при низких наружных температурах. В большинстве случаев это оборудование является рациональной альтернативой системам прецизионного кондиционирования, специально созданным для решения таких задач. Прецизионные кондиционеры отличаются высокой стоимостью и часто превышают своими техническими возможностями требования, предъявляемые заказчиком.

Существенным преимуществом сплит-систем полупромышленной серии Mr.Slim производства Mitsubishi Electric, определяющим их применение в пунктах цифровой обработки данных, является наличие встроенной системы ротации и резервирования. Заложенный в систему управления этих кондиционеров алгоритм обеспечивает согласованную работу двух сплит-систем Mr.Slim любой модели, кроме серии SUZ-KA, и канальных кондиционеров большой мощности PEA-RP400/500GAQ. Организация работы этих систем в режиме ротации и резервирования обеспечивается способами, которые будут пояснены отдельно.

В процессе устройства технологического кондиционирования на базе двух сплит-систем полупромышленной серии со встроенной функцией ротации и резервирования производятся следующие операции:

  • - назначаются основная и резервная системы. Для этого на платах наружных блоков устанавливаются адреса (адреса гидравлического контура): «00» — на главной системе (перeключатель SW1— все тумблеры в положении OFF,) и адрес «01» на резервной системе (перeключатель SW1 — тумблер №3 в положении ON). В процессе работы основная и резервная системы равноправны.
  • - подключается проводной пульт управления PAR-21/30/31MAA к внутреннему блоку системы с адресом "00";
  • - прокладывается сигнальная линия между внутренними блоками основной и резервной систем (клеммные колодки TB5). Для этого обычно используется двужильный неэкранированный провод 2х0,5;
  • - на проводном пульте производится настройка режима ротации и резервирования.
  • На приведённом ниже рисунке пояснена работа системы кондиционирования в этом режиме.

Настройка алгоритма ротации и резервирования на проводном пульте выполняется в режиме настройки функций (описание процедуры приводится в пособии «Полупромышленные кондиционеры Mr.Slim. Технические данные 2013-0214. Mitsubishi Electric.», раздел «Настройка специальных функций»). В процессе настройки задаются целевая температура, максимальное превышение целевой температуры для подключения резерва и время ротации.

Логика работы встроенной системы охватывает практически все ситуации, связанные с появлением неисправности в резервированной системе и с выходом температурных параметров в помещении за эксплуатационные границы. Алгоритм ротации и резервирования предусматривает:

  • - попеременную работу сплит-систем (ротацию) по заданному графику (через 1,3,5,7,14,28 дней) для обеспечения одинакового ресурса кондиционеров комплекса;
  • - включение в работу кондиционера, находящегося в резерве, в случае отказа работающего (отказ определяется по появлению кода неисправности или прерыванию электропитания работающего кондиционера);
  • - включение кондиционера, находящегося в резерве, в случае превышения температуры в помещении заданного верхнего предела (может быть задано значение превышения целевой температуры на 4, 6, 8°С);
  • - автоматическое восстановление работы системы в исходном режиме после прерывания общего электропитания;
  • - выполнение заданной логики резервирования и ротации при неисправности или отключении пульта управления;
  • - включение основной и резервной систем при обрыве связи между внутренними блоками.

В некоторых случаях время реакции системы ротации и резервирования составляет до 4 минут, что иногда неверно воспринимается как её отказ.

Минимальная целевая температура у кондиционеров полупромышленной серии + 19°С.

Сплит-системы Mr.Slim отличаются большой длиной магистралей хладагента и перепадом высот между наружным и внутренним блоками (для наружных блоков Power Inverter — до 75м/30м, для серий: PUHZ-RP200/250 — 120м/30м, Standard Inverter PUHZ-P200/250 — 70м/50м; для блоков без инвертера PU(H) — 50м/50м). Это предоставляет широкие возможности для рационального размещения системы кондиционирования. При монтаже магистралей хладагента установка маслоподъёмных петель не требуется независимо от перепада высот между наружным и внутренним блоком.

При расчёте параметров системы технологического кондиционирования следует учитывать зависимость холодопроизводительности сплит-систем от длины магистрали хладагента. Соответствующие характеристики приводятся в технических описаниях наружных блоков. Снижение холодопроизводительности при максимальной длине магистрали может составлять 15-17%.

Требования по уровню влажности в серверных помещениях определяются тем обстоятельством, что уровень влажности ниже 20% приводит к возможности накопления статического электричества на электронных устройствах, превышение значения влажности 80% опасно образованием конденсата на платах и панелях цифровой техники. При работе системы охлаждения происходит осушение воздуха вследствие того, что температура фреонового теплообменника внутреннего блока оказывается ниже точки росы для воздуха в помещении (энтропии воздуха). Интенсивность осушения зависит от средней температуры теплообменника, от температуры и влажности воздуха в помещении (чем ниже средняя температура теплообменника и выше температура и влажность, тем интенсивнее осушение). При определённых соотношениях этих параметров процесс осушения воздуха практически останавливается.

В типичных режимах работы кондиционеров Mr.Slim в серверных помещениях (поддержание температуры в пределах 19-21°С) уровень влажности воздуха не опускается ниже 30-35% и практически никогда не достигает критического значения (20%). Это обстоятельство объясняется тем, что при такой температуре воздуха точка росы близка к температуре теплообменника кондиционера. Например, при температуре воздуха +20°С и влажности 35% температура точки росы составляет 4,1°С, что ниже температуры теплообменника. Выпадение конденсата в этом случае практически отсутствует. Таким образом, обеспечение целевой температуры 19-21°С в рабочем помещении гарантирует требуемый уровень влажности. При согласовании технических условий на кондиционирование серверных целесообразно обратить внимание заказчика на этот фактор.

Следует отметить, что в холодный период года при использовании естественной вентиляции влажность в помещении может упасть до нескольких процентов. Так, при нагреве наружного воздуха с влажностью 100% от -25°С до +20°С его относительная влажность падает до 3%. Это может потребовать искусственного увлажнения, которое легко обеспечивается с помощью недорогих бытовых увлажнителей воздуха. В приведённом примере производительность увлажнителя для достижения 35% влажности при однократном воздухообмене в помещении составлять 5г/м3 в час.

При использовании кондиционеров, формирующих интенсивную струю охлаждённого воздуха, во избежание образования на элементах цифровых приборов конденсата рекомендуется исключить попадание струи непосредственно на аппаратуру. Например, при влажности 55% и температуре 21°С точка росы 11,6°С, в то время как температура воздуха на выходе кондиционера может составлять 10-12°С.

Холодопроизводительность и энергоэффективность полупромышленных сплит-систем сохраняются и даже несколько возрастают по крайней мере снижения наружной температуры до нижней границы гарантированного диапазона (– 15°С при установке на наружных блоках панелей защиты от ветра). При определении требуемой холодопроизводительности целесообразно учитывать возможную низкую влажность воздуха в помещении в зимний период и эффект осушения воздуха кондиционером. В типичных условиях работы система технологического кондиционирования должна обеспечивать заданную интенсивность отвода тепла при пониженной влажности воздуха в помещении. В таком случае выбор системы охлаждения целесообразно производить не по номинальным параметрам производительности по полной теплоте, которые соответствуют 50% влажности воздуха и целевой температуре 27°С, а по холодопроизводительности по явной теплоте при оговоренных в техническом задании температурно-влажностных условиях. Это может повлечь увеличение требуемой номинальной холодопроизводительности системы на 10-20%.

В отдельных случаях для увеличения производительности системы по явной теплоте и снижения эффекта осушения воздуха Mitsubishi Electric допускает применение несимметричных комбинаций наружного и внутреннего блоков полупромышленной системы, в которых производительность внутреннего блока на одну ступень выше производительности наружного. При этом средняя температура теплообменника внутреннего блока составляет 10-12°С при сохранении требуемой холодопроизводительности. В таких условиях влажность воздуха может стабилизироваться в диапазоне 45-50% при целевой температуре 22-23°С. Эти параметры соответствуют комфортным климатическим условиям и наилучшим образом подходят для обслуживания компьютерных залов с постоянным присутствием людей. Возможность использования несимметричных комбинаций подтверждена для сплит-систем с наружными блоками серии PU-P и внутренними блоками настенного PKA-RP и подвесного PCA-RP типов (например, комбинация PU-P71YHA/ PKA-RP100KA).

Кондиционеры полупромышленной серии не подлежат какой-либо доработке для низкотемпературного применения, кроме рекомендуемой установки на наружные блоки панелей защиты от ветра. Все инвертерные и безинвертерные модели Mr.Slim оснащены системами обогрева картера компрессора и регуляторами скорости вращения вентилятора для управления компрессионным циклом кондиционера.

Мониторинг системы кондиционирования на базе полупромышленных аппаратов может быть организован с использованием внешних статических сигналов с разъёмов CN32 (включение/выключение кондиционера) и CN51 (исправен/неисправен) на платах управления внутренних блоков полупромышленной серии (рекомендуется приобрести опционные ответные части к указанным разъёмам: PAC-SE55RA и PAC-SA55HA соответственно, либо плату входных/выходных сигналов PAC-SF40RM).

Более информативные данные о работе системы позволяют получить средства внешнего контроля и управления по стандартным сетям передачи данных. Mitsubishi Electric поставляет аппаратные шлюзы для подключения к кабельным и беспроводным сетям KNX/EIB; Modbus/RTU; Lonworks, WiFi, EnOcean, а также к сетям мобильной GSM связи. Возможна организация мониторинга комплекса технологического кондиционирования Mr.Slim средствами контроля мультизональных систем. Использование сетевых технологий или центральных контроллеров VRF систем для климатического мониторинга серверных наиболее целесообразно если серверные принадлежат объектам, уже оснащённым соответствующими системами. Определённый интерес для контроля системы кондиционирования удалённых пунктов GSM мобильной связи представляет использование поставляемого Mitsubishi Electric комплекта управления кондиционерами посредством SMS сообщений (в комплект входят RS485 шлюзы ME-ACMBS-1 на каждый внутренний блок и один GSM ресивер/трансмиттер ME-AC-SMS-32, который может обслуживать до 32 внутренних блоков).

Практика показала, что наиболее эффективными и востребованными системами технологического кондиционирования Mitsubishi Electric производительностью от 8,0 до 14 кВт являются комплексы на базе полупромышленных наружных блоков без инвертера серии PU-P71/100/125/140Y(V)HA (состав комплекса показан на рисунке). Многолетний опыт эксплуатации таких систем показал надёжность их работы практически в любой климатической зоне России.

В то же время следует учитывать, что ресурс любых кондиционеров, работающих в круглогодичном режиме, заметно снижается. Поэтому средства технологического кондиционирования требуют систематического сервисного обслуживания и, кроме того, должна быть обеспечена возможность их оперативного ремонта.

Встроенная система ротации и резервирования полупромышленных кондиционеров Mr.Slim обеспечивает наиболее распространённую 100% схему резервирования. Схема 50% резервирования, при которой каждый кондиционер обеспечивает 50% требуемой мощности, включает три кондиционера (или три группы кондиционеров), один из которых находится в резервном режиме. Организация такого комплекса на базе полупромышленных сплит-систем Mr.Slim требует специального устройства системы ротации и резервирования. Упрощённый вариант построения системы 50% резервирования состоит в организации согласованной работы трёх одинаковых сплит-систем по синхронизированным таймерам их пультов управления.

Процесс ротации и резервирования в этой схеме реализуется настройкой суточных таймеров работы каждого кондиционера. Времена начала и окончания периодов работы по таймеру всех кондиционеров должны совпадать, длительность работы по таймеру - 24 часа. Настойка таймеров должна отводить 2/3 времени каждому кондиционеру (16 часов) на режим охлаждения с целевой температурой, соответствующей технологическим требованиям помещения, а 1/3 (8 часов) - с целевой температурой верхнего технологического предела. Периоды совместной работы кондиционеров должны иметь перекрытие 1/3 времени. В таком случае создаётся искусственный процесс резервирования и ротации, охватывающий большинство случаев, требующих реакции на отказ одного из трёх кондиционеров.

Естественно, подобная схема может служить временным решением задачи. Кондиционеры в такой системе постоянно находятся в режиме охлаждения (активном — 2/3 времени или пассивном — 1/3), при котором постоянно работают вентиляторы внутренних блоков. Значение замеряемой термодатчиками блоков температуры должно быть одинаковым, что достигается близким расположением внутренних блоков или применением рядом установленных выносных температурных датчиков.

Режим ротации и 50% резервирования комплекса кондиционеров Mr.Slim можно реализовать с помощью различных коммерческих устройств управления кондиционерами. Опыт ООО «Компания Хиконикс» показал эффективность решения такой задачи с помощью комплекта устройств ротации и резервирования БУРР-1/БИС-1 производства Нижегородского предприятия OOO «Алекс-Электроникс». Комплект включает Блок Управления Ротацией и Резервированием (БУРР-1) и Блоки Исполнительные Специализированные (БИС-1), которые являются компонентами единой микропроцессорной системы ротации и резервирования кондиционеров. В комплектацию системы входит один блок БУРР-1 в качестве центрального программируемого контроллера и несколько исполнительных блоков БИС-1 по одному на каждый внутренний блок. Система БУРР-1/БИС-1 реализует различные схемы ротации и резервирования комплекса, включающего до 15 сплит-систем, объединённых в одну, две или три группы. Управление осуществляется путём посылок по радиолинии команд от центрального блока БУРР-1 устройствам БИС-1 на включение или выключение определённых кондиционеров в соответствии с запрограммированной логикой управления системой. Исполнительное устройство БИС-1 воспроизводит через свой световод сигналы включения/выключения, соответствующие ИК-системе управления конкретного кондиционера. Заявленная гарантированная дальность радиопередачи составляет 50 м. В процессе настройки системы производится «обучение» контроллера БУРР-1 кодам ИК-управления каждого кондиционера через встроенный в прибор фотоприёмник. Логика ротации и резервирования вводится через интерактивный интерфейс БУРР-1. Оповещения об аварийных ситуациях от БУРР-1 можно передать по шлейфу охранной или пожарной сигнализации.

Кроме указанного комплекта режим ротации 50% или 100% резервирования можно организовать с помощью других коммерческих аппаратных средств, например, системы СРК-1М. Однако применение этого прибора для комплекса кондиционеров Mr.Slim требует либо использования дополнительных устройств (интерфейс MAC-397/333IF-E), что удорожает систему, либо предусматривает выполнение кабельной коммутации плат управления каждого внутреннего блока с разъёмом RJ45 прибора СРК-1М, что не всегда удобно.

Работу в режиме ротации и резервирования кондиционеров с наружными блоками серии SUZ-KA можно организовать с помощью комплекта устройств БУРР-1/БИС-1 или приборов УРК-2Т, СРК-1М, а также согласованной таймерной работой проводных пультов PAR-21/30/31MAA. Ротацию и резервирование комплекса канальных кондиционеров большой мощности PEA-RP400/500GAQ, холодопроизводительностью 38,0 и 44,0 кВт, не имеющих соответствующей встроенной функции, можно осуществить с помощью приборов УРК-2Т, а также таймерных настроек проводных пультов PAR-21/30/31MAA: двух (100% резерв) или трёх (50% резерв).