Системы увлажнения для центров обработки данных

Повседневная практика приучила нас, что увлажнение воздуха традиционно реализуется или в виде отдельной системы, или в качестве одного из модулей приточной системы вентиляции.

В первом случае подразумевается установка независимого увлажнителя, к которому подводится электропитание, подается вода, отводится дренаж. Это устройство имеет собственный вентилятор, то есть генерирует воздушный поток, независимый от других инженерных систем, чем и обеспечивает автономную работу.

Во втором же случае рассматривается приточная установка, в составе которой (если это комплектная установка) или в дополнение к которой (в случае наборной приточки) устанавливается секция увлажнения.

Однако существует еще один вариант климатического симбиоза — «кондиционер + увлажнитель». Подобная формула характерна для прецизионных систем кондиционирования, использующихся для поддержания микроклимата в технологических помещениях промышленных объектов, а также в машинных залах центров обработки данных (ЦОД). Более того, систему кондиционирования ЦОД практически невозможно представить без прецизионного оборудования, укомплектованного увлажнителями.

Нормирование влажности в ЦОД

Наиболее распространенными на данный момент рекомендациями по параметрам микроклимата в центрах обработки данных являются документы Американского общества инженеров по системам отопления, кондиционирования и вентиляции воздуха ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers). При этом отметим, что данные рекомендации со временем подвергаются пересмотру и корректировкам по мере появления новых решений по части серверного и вычислительного оборудования, причем в сторону расширения.

Так, изначально, в 2004 году, декларировался рекомендуемый диапазон влажности от 40 до 55 %. В 2008 году он был расширен и сформулирован более сложно. Влажность при этом могла изменяться в диапазоне 25–60 % в зависимости от поддерживаемой температуры. Точная формулировка рекомендуемых параметров микроклимата выглядит следующим образом:

• Рекомендуемый диапазон температур: 18–27 °C.
• Рекомендуемая точка росы: 5,5–15 °C (другими словами, рекомендуемый диапазон влагосодержания: 5,5–11 г/кг).
• Рекомендуемое значение относительной влажности: не более 60 %.

Согласно последним рекомендациям ASHRAE рекомендуемый диапазон параметров микроклимата в ЦОД остался без изменений, однако существенно расширился диапазон допустимых значений температуры и влажности. В частности, при использовании ИТ-оборудования класса А4 допустимый диапазон влажности может составлять 8–90 %.

Тем не менее столь широкий диапазон не говорит о том, что следить за уровнем влажности в ЦОД больше не надо. Во-первых, следует обратить внимание на то, что это ДОПУСТИМЫЙ диапазон, в то время как РЕКОМЕНДУЕМЫЙ остался прежним. Во-вторых, никто не отменял проблемы, возникающие при чрезвычайно высокой или низкой влажности в ЦОД.

Проблемы сухого и влажного микроклимата в ЦОД

Для серверного оборудования ЦОД критична как низкая, так и высокая влажность — оба этих фактора могут привести к выходу из строя микросхем, процессоров и других компонентов электронной аппаратуры дата-центра.

Так, слишком низкая влажность воздуха или чрезмерная его сухость приводят к накоплению статического электричества. К порче ИТ-оборудования может привести как сам накопленный заряд, так и возможный электрический пробой между двумя металлическими поверхностями.

В то же время слишком высокая влажность грозит выпадением конденсата на холодных поверхностях. Так, в дата-центре, построенном по ставшей уже традиционной архитектуре холодных и горячих коридоров, вероятность появления конденсата высока именно в холодном коридоре. Впоследствии конденсат может уноситься потоком воздуха, а его появление на электронных компонентах вычислительной техники может оказаться катастрофическим для ИТ-оборудования, так как создает возможность короткого замыкания.

Кроме того, как показывает практика, вышеописанные негативные факторы, связанные со слишком низкой или высокой влажностью, могут также являться причинами пожаров в ЦОД.

Принцип работы пароувлажнителя

Как правило, прецизионные кондиционеры комплектуются пароувлажнителями электродного типа. Принцип их работы упрощенно можно описать следующим образом: в бак с водой опускают два электрода, на которые подается напряжение. Вода, будучи электропроводной, пропускает электрический ток между электродами, при этом за счет сопротивления нагревается и испаряется.

Так как величина потребляемого тока прямо пропорциональна паропроизводительности, то контроль последней осуществляется через измерение величины потребляемого тока амперометрическим трансформатором. За уровнем воды в баке следит контроллер, поддерживая его путем открытия и закрытия запитывающего (входного) и сливного (выходного) соленоидных вентилей.

В случае понижения влажности в помещении это фиксируется датчиком, от которого сигнал поступает на контроллер, который, в свою очередь, дает команду на увлажнение, замыкая силовой контактор и обеспечивая подачу напряжения на электроды, циркуляцию тока между ними и достижение заданной паропроизводительности.

В процессе испарения воды паропроизводительность увлажнителя падает и отдается сигнал на открытие запитывающего клапана — бак заполняется водой.

Выход увлажнителя на рабочий режим длится до 2 часов и зависит от электропроводимости воды. Так, при высокой электропроводимости (то есть при высокой концентрации минеральных солей в воде) электрический ток быстро достигает величины, необходимой для обеспечения заданной паропроизводительности. В случае низкой концентрации минеральных солей увлажнитель медленно достигает рабочих характеристик, так как сначала необходимо затратить время на испарение некоторого количества воды с целью достижения ее нужной минерализации.

Особенности проектирования систем водоснабжения пароувлажнителей

Пароувлажнители относятся к типу изотермических увлажнителей.

Для выработки пара в них используется обычная водопроводная вода. Электропроводность воды, как правило, находится в пределах от 300 до 1250 мкСм/см. Вода непосредственно преобразовывается в пар за счет электроэнергии в паровом цилиндре с электродным нагревом. Пар вводится в воздушный поток через паровую дроссельную заслонку.

В результате испарения уровень воды в цилиндре понижается. По мере того как электроды оказываются менее погруженными в воду, уменьшается потребляемый ток. В то же время при падении уровня воды концентрация минеральных веществ в цилиндре возрастает, поскольку они не испаряются. Ток регулируется между двумя предельными значениями (как правило, In+10%, In-10%, где In — номинальное значение силы тока; однако это зависит от производителя). При достижении нижнего предельного значения открывается впускной клапан. После этого к оставшейся воде с высокой концентрацией минеральных веществ подмешивается свежая вода (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма работы пароувлажнителя (взята из технической документации компании Emerson Network Power).

После нескольких циклов испарения и заполнения, концентрация минеральных веществ возрастает таким образом, что уменьшение тока вследствие испарения и понижения уровня воды происходит довольно быстро. В тот момент, когда сила тока достигает нижнего предельного значения, открывается сливной клапан и цилиндр полностью опорожняется.

При проектировании системы дренажа следует учитывать этот слив воды при подборе диаметра трубопровода. Кроме того, после слива воды происходит быстрое наполнение цилиндра. Расход воды в этом режиме выше номинального в среднем в 3 раза. Это также нужно иметь в виду при подборе диаметра подводящего трубопровода.

Заполнение автоматически прерывается при контакте с электродом датчика вследствие высокого уровня воды в паровом цилиндре. Это может произойти на стадии пуска с новым паровым цилиндром.

Что касается обвязки пароувлажнителей, то производители, как правило, не включают в состав изделия запорную арматуру, о чем прямо пишут в технической документации. Однако, как с позиций удобства эксплуатации, так и с точки зрения безопасности, на входе в увлажнитель (на входе в прецизионный кондиционер) необходимо устанавливать отсечной кран (рис. 2).

Рис. 2. Установка отсеченного вентиля на входе в прецизионный кондиционер.

Варианты экономии в системах увлажнения

С точки зрения капитальных затрат понятно, что нет особого смысла в оснащении увлажнителями абсолютно всех кондиционеров в ЦОД. Как показывает опыт, для обеспечения оптимальной влажности достаточно заложить пароувлажнители лишь в половину кондиционеров.

При этом желательно чередовать кондиционеры с увлажнителями и без них, или же если на один коридор работает 2 шкафных прецизионных кондиционера с двух сторон, то оснащать увлажнителем только один из них.

Это позволит сэкономить до 10% стоимости системы охлаждения ЦОД.

Одним из способов экономии на эксплуатационных затратах является четкое отслеживание режима работы системы кондиционирования. Так, одной из наиболее распространенных проблем здесь является то, что кондиционер может одновременно и конденсировать влагу из потока воздуха на воздухоохладителе и увлажнять тот же поток одновременно. Очевидно, что подобный режим чрезвычайно неэффективен: бесполезные энергозатраты идут как на генерацию конденсата, так и на генерацию увлажняющего пара.

Более сложной ситуацией является случай, когда активным увлажнением воздуха в ЦОД занимается одна группа кондиционеров (скажем, в одном конце машинного зала дата-центра), а не менее активным сливом дренажа — другая группа кондиционеров в другом конце машинного зала ЦОД.

Подобные ситуации нередки, а выявить их сложнее, и только тщательный анализ данных о работе каждого кондиционера системы охлаждения может помочь обнаружить подобные проблемы и принять меры по их ликвидации.

Недостатки пароувлажнителей в ЦОД и почему с ними мирятся

Одним из наиболее серьезных недостатков пароувлажнителей в прецизионных кондиционерах является то, что сгенерированный пар подается в поток воздуха уже после того, как последний прошел через воздухоохладитель.

Суть проблемы заключается в том, что после воздухоохладителя воздух имеет более низкую температуру при том же влагосодержании, что и до воздухоохладителя. Из I-d-диаграммы следует, что в данном случае воздух будет иметь большую относительную влажность, а парциальное давление водяного пара в нем будет приближено к максимальному.

В то же время пароувлажнитель подает водяной пар, относительная влажность которого практически равна 100%, а парциальное давление водяного пара также близко к максимальному.

Таким образом, смешиваются два потока (воздух и водяной пар) с близкими по величине парциальными давлениями водяного пара, а это существенно замедляет процесс увлажнения. Этот же эффект можно объяснить и тем, что воздуху после воздухоохладителя с влажностью, близкой к 100%-ной буквально «некуда дальше увлажняться».

Тем не менее одно из возможных решений проблемы — введение пара от пароувлажнителя перед воздухоохладителем — нивелируется последующим резким ростом конденсата на воздухоохладителе, вследствие того что точка росы охлаждаемого воздуха окажется заметно выше температуры поверхности воздухоохладителя.

Другим решением может быть отказ от изотермического увлажнения в пользу адиабатного. Однако при таком варианте существует риск уноса капель воды в машинный зал ЦОД, что может привести к короткому замыканию и существенному (вплоть до пожара) повреждению дорогостоящего ИТ-оборудования. Поэтому системы адиабатного увлажнения в ЦОД практически не рассматриваются, несмотря на очевидную выгоду одновременного увлажнения и охлаждения воздуха.

Подбор пароувлажнителя

Необходимо заметить, что прецизионные кондиционеры комплектуются стандартными пароувлажнителями с единственно возможной номинальной мощностью для каждого конкретно взятого кондиционера. Другими словами, подобрав прецизионный кондиционер, вы автоматически выбираете и пароувлажнитель, который может идти в комплекте с кондиционером, поэтому дополнительных расчетов производить не требуется. Однако в качестве примера мы приведем расчет мощности пароувлажнителя.

Данные по расходу воздуха прецизионного кондиционера:

Расход воздуха: G прец.конд = 5600 м 3/ч
Холодопроизводительность: Qх = 25кВт

Параметры воздуха на входе в кондиционер:

Расчетное давление: Р расч. = 0,1МПа;
Температура воздуха на входе в кондиционер: t вх = 28°C;
Влажность воздуха на входе в кондиционер: φ`вх = 35%;
Энтальпия воздуха на входе в кондиционер (определяется по I-d диаграмме): i вх = 49,5 кДж/кг;
Влагосодержание воздуха на входе в кондиционер (определяется по I-d диаграмме): d вх = 8,5 г/кг.

Параметры воздуха после воздухоохладителя кондиционера (на входе в увлажнитель):

Температура воздуха после воздухоохладителя кондиционера: t вх = 16°C;
Влажность воздуха после воздухоохладителя кондиционера: φ вх = 68%;
Энтальпия воздуха после воздухоохладителя кондиционера (определяется по I-d диаграмме): i вх = 36,1 кДж/кг;
Влагосодержание воздуха после воздухоохладителя кондиционера (определяется по I-d диаграмме): d вх = 8,3 г/кг.

Параметры воздуха, которые поддерживаются в ЦОД:

Температура воздуха в ЦОД: t ЦОД = 24°C;
Влажность воздуха в ЦОД: φ ЦОД = 50%;
Влагосодержание воздуха на входе в кондиционер (определяется по I-d диаграмме): d ЦОД = 9,3 г/кг;

Термодинамические данные:

Плотность воздуха ρ возд. = 1,2 м  3 /кг;
Скрытая теплота парообразования r вода = 2500 кДж/кг;

Расчет необходимой паропроизводительности увлажнителя

Целью увлажнителя является увеличение влагосодержания воздуха от значения влагосодержания на входе в кондиционер до поддерживаемого в ЦОД.

Разность влагосодержаний воздуха на входе в кондиционер и в ЦОД:
D увл. = d ЦОД — d вх
D увл. = 9,3–8,3 = 1 г/кг

Необходимая паропроизводительность увлажнителя:
P увл. = d увл. ∙ G прец. конд. ∙ ρ возд.
P увл. = 1 ∙ 5600 ∙ 1,2 = 6720 г/ч = 6,7 кг/ч.

Потребляемая мощность пароувлажнителя:
N увл. = P увл. ∙ r вода
N увл. = 6,7 ∙ 2500 = 16750 кДж/ч = 4,65 кВт.

Как было сказано выше, каждому прецизионному кондиционеру соответствует своя модель увлажнителя. Проверим, насколько это адекватное соответствие.

Так, расход воздуха из нашего примера (5400 м  /ч) примерно соответствует номинальному расходу воздуха шкафного прецизионного кондиционера HPM S23 UA (5750 м3/ч) компании Emerson Network Power. Для этой модели предлагается пароувлажнитель KUECLD, паропроизводительность которого лежит в диапазоне 2,7–9,0 кг/ч, что вполне удовлетворяет расчетным 6,7 кг/ч.

Дополнительно отметим, что пароувлажнители для прецизионных кондиционеров имеют свои типоразмеры, причем увлажнитель одной и той же мощности может быть предложен сразу для нескольких кондиционеров. Так, самым мощным кондиционером, для которого подходит увлажнитель KUECLD, является HPM M29 UA, номинальный расход воздуха которого составляет G прец. конд.1 = 7080 м 3/ч, а, соответственно, расчетная паропроизводительность увлажнителя составит:

P увл. 1 = G прец. конд.1 ∙ P увл. / G прец. конд. P увл. 1 = 7080 ∙ 6,7 / 5600 = 8,47 кг/ч.

Таким образом, увлажнитель KUECLD подходит сразу к нескольким прецизионным кондиционерам.

Отличие от увлажнителей в системах вентиляции или одна из типичных ошибок

Необходимо подчеркнуть, что в отличие от увлажнителей в системах вентиляции увлажнитель в прецизионном кондиционере имеет дело не с наружным, а с рециркуляционным воздухом. Как следствие, целью увлажнителя является не существенное повышение влажности воздуха, а лишь его «доувлажнение».

Для более четкого понимания ситуации проведем сравнение.

Так, для приточной установки с тем же расходом, что и рассмотренный выше прецизионный кондиционер (G прит. = G прец. конд. = 5600 м 3/ч), и параметров воздуха перед увлажнителем (то есть, параметров наружного воздуха) –28°C/90% (согласно I-d диаграмме, d нар. = 0,42 г/кг) потребная паропроизводительность составила бы:

P увл. нар. = (d ЦОД — d нар. ) ∙ G прит. ∙ ρ возд. P увл. нар. = (9,3–0,42) ∙ 5600 ∙ 1,2 = 59674 г/ч ≈ 60 кг/ч

Как видно, полученный результат (P увл. нар. = 60 кг/ч) почти в 10 раз превосходит ранее полученное значение паропроизводительности (P увл. = 6,7 кг/ч) при том же расходе воздуха.

Практика показывает, что специалисты, привыкшие рассчитывать системы вентиляции, часто совершают ошибки при расчете систем увлажнения в системах охлаждения, построенных на основе прецизионной холодильной техники, опасаясь того, что встроенный увлажнитель не справится с поддержанием требуемой влажности в машинном зале ЦОД. Это может привести к десятикратной разнице расчетной и реально необходимой паропроизводительности увлажнителя.

Управление влажностью

Процесс управления влажностью осуществляется с помощью специальных микроконтроллеров, доступ к которым может осуществляться как посредством отдельной выносной кнопочной панели, так и через основной контроллер прецизионного кондиционера.

Контроллеры от различных производителей отображают различный набор параметров. Наиболее общий их список выглядит так:

• относительная влажность воздуха,
• сила тока в увлажнителе,
• электропроводимость воды,
• паропроизводительность,
• настройки контроллера и индикация ошибок.

Кроме того, контроллер позволяет задать различные настройки работы пароувлажнителя, среди которых:

• заданное значение поддерживаемой относительной влажности воздуха,
• дифференциал регулирования,
• максимальная паропроизводительность.

Рис. 3. Внешний вид котроллера пароувлажнителя компании Carel серии humiStear.

Рис. 4. Внешний вид контроллера HiroMatic для прецизионных кондиционеров Emerson Network Power. Данный контроллер управляет как работой кондиционера, так и работой пароувлажнителя.

Выводы

Итак, необходимость поддержания определенного уровня влажности в центрах обработки данных вызвана как опасностью сухости и потенциальными разрядами статического электричества, так и вероятностью выпадения конденсата в случае слишком высокой относительной влажности.

В отличие от жилых, офисных и других непромышленных объектов в ЦОД поддержание влажности, как правило, обеспечивается прецизионными кондиционерами, в комплект поставки которых могут быть включены электродные пароувлажнители. При этом следует правильно выбрать диаметр как подводящего, так и отводящего (дренажного) трубопроводов, а также не забыть установить отсечной клапан на входе в кондиционер.

При расчете не следует путать увлажнители в приточных установках и в прецизионных кондиционерах, так как первые имеют дело со свежим наружным воздухом, а вторые — с рециркуляционным.

Кроме того, в целях сокращения капитальных затрат необязательно оснащать пароувлажнителями все без исключения кондиционеры. Для снижения же эксплуатационных расходов необходимо следить, чтобы процессы отвода дренажа от воздухоохладителя кондиционера и активной работы пароувлажнителя не происходили параллельно.

Учет этих простых правил и понимание алгоритма работы увлажнителей позволят обеспечить оптимальную влажность в машинном зале ЦОД, упростить обслуживание оборудования и снизить эксплуатационные затраты.

Правила использования материалов сайта