Кондиционирование воздуха производственных помещений (прецизионная система кондиционирования)
 Определенное состояние воздушной среды производственных помещений является необходимым, а часто и решающим условием для стабильной и долговременной работы многих электронных устройств и средств связи.
Поддержание заданных параметров воздушной среды в производственных условиях обеспечивают системы кондиционирования микроклимата, которые являются совокупностью пассивных и активных инженерных средств и устройств.
Пассивные средства включают в себя различного рода ограждения и тепловую изоляцию помещений. В большинстве случаев, при существующих зданиях и сооружениях изменение их конструкции не представляется возможным или экономически невыгодно. К активным средствам обеспечения параметров микроклимата относятся системы вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха. Грамотная их организация, в большинстве случаев, позволяет добиться в производственных помещениях оптимальных условий для функционирования технологического оборудования.
Системы кондиционирования воздуха (СКВ) являются активной, обычно регулируемой системой, предназначенной для комплексного поддержания заданных параметров внутреннего воздуха. Система кондиционирования воздуха может работать в здании совместно с системами отопления и системами вентиляции, но зачастую система кондиционирования воздуха берет на себя функции последних и создает в здании или по крайней мере в его наиболее ответственных помещениях необходимые климатические условия как в холодный, так и в теплый период года.
Еще совсем недавно при создании заданных параметров микроклимата в основном ориентировались на использование центральных не автономных систем кондиционирования и централизованных станций холодоснабжения. В настоящее время наблюдается отход от центральных систем. Подсчитано, что в настоящий момент до 75% систем кондиционирования воздуха разрабатываемых для новых или перестроенных машинных залов, помещений для оборудования средств связи и т. д., ориентированы на использование автономных агрегатированных систем кондиционирования.
Чем обуславливается такой заметный отход от центральных систем? Владелец-пользователь получает три основных выгоды: простоту, гибкость и экономичность. Вдобавок, защита системы становиться все более важным фактором, говорящим в пользу применения агрегатированных автономных систем. Размещение всей системы кондиционирования воздуха в самом обслуживаемом помещении и простое присоединение к внутренним и наружным установкам для отвода тепла, (которые могут находиться в любой безопасной зоне здания) фактически гарантируют полную защиту системы.
В настоящее время значительная часть (15-20%) капитальных вложений на строительство производственных зданий, где размещается электронное оборудование или ведутся современные технологические процессы, приходится на системы кондиционирования воздуха и сопряженные с ними устройства. Затраты на эксплуатацию этих систем могут достигать 60% от общих затрат на эксплуатацию зданий.
Можно ли уменьшить затраты на организацию и эксплуатацию систем кондиционирования производственных помещений за счет использования дешевого комфортного климатического оборудования? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Попробуем разобраться почему?
Предположим помещение, где расположен Ваш небольшой компьютер, аппаратура связи или другое высокочувствительное оборудование, имеет площадь всего в несколько десятков квадратных метров. В этом помещении Вам необходим определенный температурный режим. С точки зрения экономичности проще всего было бы подключиться к общей системе охлаждения воздуха в здании. А если система отключена, например, в зимний сезон, или вообще отсутствует можно воспользоваться простым (комфортным оборудованием) кондиционером, установленным на крыше.
Но не спешите. Остановитесь на минуту и взгляните на проблему с другой стороны! Во-первых, это не самый дешевый вариант (особенно в случае необходимости резервирования), во-вторых, с уверенностью можно сказать — не наилучший способ решения проблемы.
Микроклимат помещения — это совокупность факторов, определяющих метеорологическую обстановку в нем. К числу этих факторов относятся: температура и влажность воздуха, потоки лучистого тепла, определяющие радиационную температуру помещений, газовый состав атмосферы, наличие твердых примесей в атмосфере, подвижность воздуха и фактор стабильности вышеуказанных параметров.
Поддержание температурного режима в помещении.
Температура воздуха является одним из основных факторов, характеризующих климатические условия помещений.
Большинство производителей электронной техники регламентируют температурные условия ее эксплуатации в пределах 22…26 С. Гигиенические нормы допустимых и оптимальных параметров микроклимата производственных помещений зависят от периода года, категории (тяжести) выполняемой работы и т. д. Для легкой категории работ допустимые нормы температуры составляют 19..23 С. Казалось бы оба диапазона температуры перекрываются и можно поддерживать температуру в помещении на уровне 22 С.
Но как поддерживать? В любом производственном помещении техники всегда можно разместить больше чем людей. Следовательно, компьютерный зал или производственное помещение с электронным оборудованием имеют удельную тепловую нагрузку существенно большую, чем офисное помещение. Такие помещения требует значительно большей охлаждающей способности в расчете на квадратный метр площади пола. Как правило, требуется одна тонна комфортно кондиционированного воздуха на каждые 25-30 м2 площади офиса, и в то же время около одной тонны прецизионно кондиционированного воздуха на каждые 5-10 м2 компьютерного зала.
Оборудование для комфортного кондиционирования воздуха обычно разрабатывается с учетом потребной холодопроизводительности в 1 кВт на 8 м2, тогда как прецизионный кондиционер разработан с учетом 2.5 кВт на 1 м2.
И это еще не все. Охлаждать помещение, где работают люди, создавая для них приятный микроклимат, или для техники — это совершенно разные задачи. Для начала приведем такое сравнение: когда в помещении находятся люди, влажность воздуха повышается (за счет влаговыделения людей), чего нельзя сказать о компьютерах. Значит, можно говорить о скрытом охлаждении (способности поглощать влагу) и об ощутимом охлаждении (способности уменьшать тепло).
Комнатные кондиционеры, кондиционеры централизованной системы жилого здания, а также системы кондиционирования воздуха служебных помещениях (комфортные систем кондиционирования) работают с коэффициентом ощутимого охлаждения около 0.60-0.70. Это значит, что 60-70% работы системы кондиционирования уходит на понижение температуры воздуха, а 30-40% — на удаление влаги. Такая система вполне оправдывает себя в помещениях с большим числом персонала и умеренным потоком входящих и выходящих людей.
Прецизионные (технологические) системы кондиционирования воздуха, в отличие от комфортных, за счет специальных технических средств имеют значительно более высокий коэффициент охлаждающей способности (ощутимой), равный 0.85-0.95. Примерно 85-95% работы прецизионной системы воздушного кондиционирования уходит на охлаждение воздуха, а 5-15% — на удаление влаги.
Еще одной важной характеристикой является стабильность заданных параметров температурного режима помещения. Прецизионные системы кондиционирования воздуха легко справляются с такими трудностями. Точность поддержания температуры обычно составляет до 2С, в отдельных случаях до 0.6С. Лучшее что можно ожидать от комфортных систем это 5С.
Поддержание влажностного режима помещения
Во многих производственных помещениях, наряду с жесткими требованиями к тепловому режиму, существует необходимость точно выдерживать и влажностный режим. При высокой относительной влажности, например в компьютерном зале или узле связи, могут возникнуть проблемы с конденсацией атмосферной влаги на частях оборудования, что неизбежно приводит к коррозии различных узлов электронного оборудования и неизбежному выходу его из стоя.
Наоборот, при низкой относительной влажности из-за эффекта электризации и возникновении статического электричества ( потенциала) могут возникнуть нарушения в работе оборудования, потери части информации вплоть до выхода из строя отдельных элементов электронных плат и иных элементов электронного оборудования.
Практически все производители современного электронного оборудования графу технического паспорта «условия эксплуатации» заносят сведения о влажностном режиме помещения, причем диапазон рекомендуемых значений относительной влажности обычно лежит в пределах 45…55%.
Может ли комфортная система кондиционирования обеспечить заданные пределы? Ответ однозначен, нет! Любая комфортная система кондиционирования в лучшем случае может работать в двух режимах: режиме охлаждения воздуха и режиме его нагрева (реверсивные модели — тепловой насос). Конечно, в режиме охлаждения воздуха снижается его влагосодержание, т. е. воздух осушается, но этот процесс в комфортных системах кондиционирования не подлежит регулировке. А увлажнение воздуха в комфортной системе не возможно принципиально (отсутствуют соответствующие функциональные блоки).
Комфортный кондиционер в первую очередь предназначен для создания оптимальных условий для работающего персонала. Обратимся к ГОСТ 12.1.005-88 «Воздух рабочей зоны. Общие санитарно гигиенические требования». Согласно этого документа для легкой категории работ (а именно такой род работ по энерговыделениям наблюдается в большинстве офисных помещений) для оптимальных параметров микроклимата мы обязаны в производственном помещении поддерживать скорость движения воздуха на уровне 0.1 м/с. Кроме того, для исключения локального переохлаждения и простудных заболеваний температура в приточной струе не должна отличаться от температуры в рабочей зоне более чем на 3С. Для выполнения этих условий воздух из выходного отверстия кондиционера должен выходить с малой скоростью, чтобы дойдя до рабочей зоны в виде плоской (чаще всего) струи понизить свою скорость и температуру до заданных пределов. А это в свою очередь приводит к необходимости уменьшать общие объемы воздуха обрабатываемые в кондиционере. Но как же при малых расходах воздуха снимать с оборудования заданные значения холодопроизводительности?. Ответ один. Снижать температуру кипения хладагента, тем самым увеличивать перепады температур между воздухом поступающим и выходящим из кондиционера. Но снижение температуры кипения хладагента ( температуры поверхности испарителя) до ровня 3…7С практически всегда приводит к охлаждению рециркуляционного воздуха ниже температуры точки росы, а это в свою очередь приводит к тому что влагосодержание воздуха падает до значений 0.003г/кг сухого воздуха ( относительная влажность 10…15% на уровне температур 25С).
В отличие от комфортного, прецизионный кондиционер предназначен для поддержания заданных параметров микроклимата исходя из требований технологического оборудования, для которого не существует жестких требований по скорости распространения воздушных масс в объеме помещения. Прецизионный кондиционер обрабатывает существенно большие массы воздуха, что при одной и той же холодопроизводительности с комфортным позволяет поднять температуру теплопередающих поверхностей выше температур конденсации атмосферной влаги (выше точки росы), исключив (или снизив до минимума) процесс осушения воздуха. Кроме того, при необходимости существует возможность понизить температуру поверхности испарителя и осуществлять процесс осушения воздуха. В состав оборудования прецизионного кондиционера входит специальный блок генератора пара ( увлажнителя), который может быть бойлерного типа, ультразвуковой, с инфракрасными излучателями и т. д. Совокупность этих двух возможностей обеспечивает возможность поддержания в кондиционируемом помещении требуемых условий по влажностному режиму.
Следует остановиться на некоторых практических примерах «модернизации» комфортных систем кондиционирования, с целью повышения их функциональных возможностей. В практике эксплуатации комфортных систем кондиционирования в промышленных помещениях (особенно в зимнее время) проблемы с сухим воздухом становятся настолько острыми, что службы эксплуатации решаются на приобретение дополнительных увлажнителей воздуха и размещению их в кондиционируемом помещении. У такого «решения» проблемы, помимо общего удорожания системы комфортного кондиционирования ( в этом случае стоимость может стать сравнима со стоимостью прецизионной системы) есть много и других негативных последствий. Главная из которых это несогласованность систем управления пароувлажнителя и кондиционера. Наступает такой момент когда пароувлажнитель начинает «работать» на кондиционер. Комфортная система кондиционирования работает на рециркуляционном воздухе, значит воздух увлажненный увлажнителем неизбежно поступает на вход кондиционера где интенсивно осушается и цикл замыкается. Мы достигаем только частичного результата. Но это не все. На осушение воздуха может расходоваться до 40% холодопроизводительности кондиционера. В этом случае мощности кондиционера для покрытия тепловыделений в помещении, как правило, уже не хватает, что приводит к нарушению и теплового режима помещения. Встает вопрос, а может быть при покупке комфортной системы, заранее выбрать ее большей холодопроизводительности, затем дооснастить пароувлажнителем и таким образом отказаться от покупки прецизионной системы. Да так можно, но комфортная система большей производительности стоит дороже, плюс стоимость пароувлажнителя и расходы на повышенное потребление электроэнергии. Стоимость такого «доморощенного» кондиционера, как показывает практика, будет выше, чем любого прецизионного оборудования HI-FI класса.
Встречаются случаи, когда заказчики с целью «экономии» средств устанавливают в одном помещении прецизионную систему, к ней комфортную систему и на случай отказа основного оборудования еще одну резервную комфортную систему кондиционирования. Объяснение такому решению простое. Прецизионная система кондиционирования меньшей холодопроизводительности чем потребная дешевле. Недостаток холодопроизводительности будет покрыт дополнительной, дешевой комфортной системой кондиционирования, а на аварийный случай есть вторая дешевая комфортная система. Кажется, что в этом варианте учтены все возможные случаи жизни, предусмотрен даже вариант дублирования. Посмотрим на такой вариант организации системы более внимательно. Стоимость прецизионных систем кондиционирования, зависит от холодопроизводительности незначительно. Для прецизионных систем кондиционирования увеличение холодопроизводительности в двое приводит к увеличению стоимости оборудования на 10…12%. Для комфортного оборудования такой тенденции нет. Для этого класса оборудование увеличение холодопроизводительности вдвое приводит к увеличению цены на 40…60%. Кроме того при стоимости комфортной системы порядка 2..3 тыс. $США, цена одной прецизионной системы кондиционирования номинальной (потребной) холодопроизводительности становится меньше чем стоимость прецизионной системы кондиционирования малой мощности и дополнительной комфортной.
Вариант совместного использования в одном помещении прецизионной и комфортной системы кондиционирования имеет и ряд других недостатков. При поддержании заданной влажности воздуха возможны варианты работы обоих систем друг на друга. Прецизионная будет увлажнять воздух, а комфортная система кондиционирования его осушать, тогда как в момент «противоборства» двух систем кондиционирования, оборудование в помещении будет работать само по себе. Это не относится к канальным системам кондиционирования работающим на приточном воздухе).
В заключении этого раздела хотим еще раз обратить внимание на тот факт, что если в помещении где размещено электронное оборудование отказаться от поддержания требуемой влажности воздуха, то в следствии необратимых процессов ( разрушения лака на электронных печатных платах, окисления контактов, высыхания изоляции силовой и коммутационной проводки и т. д.) сроки службы оборудования значительно снижаются, а эксплуатационные затраты ( ремонт, обслуживание) на основное оборудование резко возрастают.
Подвижность воздуха
Другое существенное различие между системами комфортного и прецизионного кондиционирования касается объемов перемещаемого воздуха и скорости их движения в кондиционируемом помещении. Как правило, комфортная система перемещает по своим контурам 300-800 м3 /ч. Прецизионная система имеет производительность почти втрое выше — 900-2500 м3 /ч для того, чтобы обеспечивался высокий ощутимый коэффициент охлаждения, для того, чтобы можно было справиться с плотной нагрузкой в компьютерном зале и поддерживать необходимую температуру и влажность. В комфортных системах объемы перемещаемого воздуха ограничиваются предельными значениями скорости движения воздушных масс в рабочей зоне ( не более 0.3 м/с), при технологическом кондиционировании таких ограничений нет, кроме того перемещение больших объемов воздуха способствует лучшей его фильтрации.
Благодаря большому объему обрабатываемого воздуха происходит лучшее его распределение по внутреннему пространству помещения. Это приводит к тому, что тепловые нагрузки могут сниматься из всех углов и ниш, происходит поддержание заданных параметров влажности и температуры и эти параметры удобно регулировать.
Как известно, одним из самых опасных врагов электронного оборудования является наличие грязи в воздухе. Она накапливается на электронном оборудовании, разрушая его составляющие и отдельные компоненты. Комфортные системы кондиционирования снабжены фильтрами, но эти фильтры защищают лишь сами кондиционеры от повреждения.
Фильтры, применяемые в прецизионных кондиционерах, являются фильтрами класса EU4 (стандартная комплектация). Благодаря большей кратности воздухообмена воздух чаще проходит через фильтр и полностью очищается от пыли и грязи. При необходимости мы можем обеспечить более высокоэффективными фильтрами.
Наличие пыли отрицательно сказывается на целостности данных и состоянии элементов компьютерного оборудования. Пыль, попавшая в устройства, считывающие с ленты или диска, может вызвать механическое повреждение носителей информации. Пыль быстро аккумулируется на заряженных частях оборудования. При высокой запыленности охлаждающая способность снижается, при этом части оборудования, имеющие слой пыли, работают при температурах, превышающих расчетные величины. Это ведет к уменьшению срока службы оборудования и преждевременному выходу его из строя. В комфортных системах обычно применяют одноразовые фильтры, подобные тем, которые используются в жилых домах для каминов. Их производительность около 10%.
Фильтры, установленные в прецизионных системах кондиционирования воздуха принимают форму внутренней камеры фильтра и их производительность составляет 40%.
Внешние климатические условия работы
Очень часто задается вопрос: почему для комфортного оборудования сплит-систем вводятся ограничения на температуры наружного воздуха в теплый и холодный период года? Постараемся разобраться в этом вопросе.
Повышенные температуры окружающей среды приводят к уменьшению тепла отводимого в окружающее пространство в конденсаторе, что в свою очередь уменьшает общую холодопроизводительность системы. Обычно для предотвращения аварийных режимов работы комфортное оборудование комплектуется датчиками температуры конденсации которые отключают компрессорную установку при достижении наперед заданного значения температуры конденсации. Обычно это соответствует температуре окружающей среды порядка 35…40С. Для оборудования тропического исполнения это значение может достигать 46С. Для комфортных систем это предел.
Прецизионные системы кондиционирования воздуха, по желанию заказчика, могут комплектоваться конденсаторами воздушного охлаждения с повышенными площадями поверхностей теплообмена и с повышенными производительностями вентиляторов, что обеспечивает верхнюю границу рабочих температур до 60С.
Нижняя граница рабочих температур определяется исходя из иных соображений.
Одним из главных достоинств сплит-систем является тот факт, что в обслуживаемом помещении располагается только вентилятор и испаритель, а самое шумное оборудование — компрессор, высокопроизводительный вентилятор конденсатора располагается вне помещения. Для комфортных систем кондиционирования, предназначенных для создания микроклиматических условий обслуживающему персоналу это очень важно. Необходимо выдержать довольно жесткие нормы по шуму в рабочих помещениях (ГОСТ 12.1003-83). При низких температурах окружающей среды изменяются смазывающие свойства компрессорного масла, ухудшаются условия его возврата в компрессор, т. е. резко сокращается срок службы. При очень низких отрицательных температурах масло может настолько загустеть, что при пуске компрессора произойдут поломки его подвижных частей или выход из строя электродвигателя. Кроме того, снижение температуры воздуха охлаждающего конденсатор приводит к переохлаждению фреона и снижению давления конденсации, что также нарушает режим работы кондиционера. Обычно для комфортных систем нижний предел работоспособности по температуре задается на уровне 5С.
В прецизионных системах кондиционирования компрессорный агрегат располагается внутри обслуживаемого помещения, а в окружающей среде размещается только конденсатор воздушного охлаждения. Поэтому прецизионные системы кондиционирования лишены этого недостатка.
Большинство производителей комфортного оборудования для систем кондиционирования имеют возможность комплектовать свое оборудование дополнительными блоками, регулирующими давление конденсации при низких температурах. Это могут быть блоки, регулирующие производительность вентилятора конденсаторного блока или специальные клапанные перепускные системы. При использовании этих устройств нижняя граница рабочих температур для комфортного оборудования может быть реально понижена до — 15С (в отдельных случаях до — 25 С). Это предельная температура для комфортных систем.
Прецизионные системы кондиционирования уверенно работают до температур порядка — 400С. В общем случае для прецизионных систем кондиционирования не существует нижней границы по рабочей температуре. Это связано с тем, что у прецизионного оборудования иная философия организации. Так для работы исключительно в холодное время года разработана система свободного охлаждения. Когда температура наружного воздуха падает ниже +15С, система автоматически перестраивается на режим использования холодного наружного воздуха в качестве источника охлаждения, полностью или частично заменяя компрессор. Работа без компрессора при низких температурах окружающей среды значительно снижает эксплуатационные затраты и увеличивает срок службы компрессора. Эти системы могут работать практически при любых температурах окружающей среды.
График работы
Прецизионная система кондиционирования воздуха рассчитана на функционирование в зависимости от работы электронного оборудования (например, телефонная станция работает круглосуточно). В большинстве учреждений это 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 52 недели в году, 365 дней в году, т. е. по 8760часов год.
Итак, вентилятор работает в течение всех 8760 часов, а другие части системы включаются и выключаются под контролем датчиков температуры и влажности, установленных на требуемые значения. Ниже приведена таблица, показывающая распределение времени работы системы для северных и южных территорий:
Типичный годовой режим работы прецизионной системы кондиционирования воздуха
% от рабочего времени (север/юг) Режим работы
30% / 50% Охлаждение
0% / 20% Осушение
10% / 20% Осушение и нагрев
10% / 5% Увлажнение
30% / 5% Охлаждение и увлажнение
Конечно, приведенные в таблице величины могут изменяться в зависимости от условий конкретного помещения, тепловой нагрузки и географического положения.
Итак, системы создания комфорта в помещении (комфорт-системы) включаются, когда в помещении находятся люди. Обычно это 8 часов в день и пять дней в неделю и только в жаркое время года. Среднегодовая эксплуатация составляет в среднем 1200 часов. По сравнению с расчетом рабочего времени по отношению к прецизионному кондиционеру это составляет лишь 14%.
Еще одно соображение, касающееся работы системы в холодное время года. Комфортные системы, имеющие внешние теплообменники, как правило, неработоспособны при падении температуры наружного воздуха ниже — 5 С. Прецизионная система, по сравнению с комфортной, безотказно работает при температуре до — 30…-45°С. По специальному заказу до — 60С.
При работе в зоне типичной северо-европейской наружной температуры в специальном исполнении для энергоэкономии. Если наружная температура понижается ниже 17С, автоматически включается в работу система свободного охлаждения и экономится энергия компрессора. Работа кондиционера без компрессора с так называемым свободным охлаждением радикально уменьшает накладные расходы и увеличивает срок службы компрессора
На телефонных станциях очень часто нам необходимо охлаждать воздух в помещении и при отрицательной наружной температуре.
Итак, если перед Вами стоит задача охлаждать помещение, где установлен компьютер или иное электронное оборудование, помните две важные вещи:
Первое, покупая комфорт-систему, Вы заплатите больше за один и тот же объем работы по сравнению с системой прецизионной. Как правило, охлаждающая способность комфортной системы составляет 2/3 от охлаждающей способности прецизионной.
Второе, система комфортного кондиционирования в течение значительной части года будет понижать относительную влажность ниже допустимого уровня. А это значит, что Вам придется приобрести систему увлажнения воздуха, с тем чтобы восстанавливать удаленную влагу.
|
