断熱冷却システム。空冷への断熱加湿の応用システム実装の実際的な側面

02.09.2023

知られているように、断熱加湿は空気の湿度を高めるだけでなく、その温度を下げることも可能にし、それによって加湿と冷却のプロセスを組み合わせることができます。同時に、断熱加湿を実現するために、実質的にエネルギー消費は必要なく、水だけが消費されます。したがって、冷却され加湿された空気のコストは低く、正しく使用すれば、さまざまなシステムのエネルギー効率を大幅に向上させることができます。

室内空気の断熱加湿

断熱加湿プロセスの最も単純な用途は、供給と再循環の両方で換気空気を冷却することです。冷却は、蒸気圧縮冷凍サイクルや大幅なエネルギー消費を使用せずに行われます。しかし、その結果生じる空気には多量の湿気が含まれており、その空気が室内に直接供給されると、人間にとって不快な状態が生じます。

たとえば、温度 28 °C、エンタルピー 54 kJ/kg (相対湿度 43%) のモスクワ地方の標準屋外空気を人間が快適な 22 °C まで断熱加湿すると、湿度は 74 まで上昇します。 %、これは推奨最大値の 60% よりも高くなります。

外気がさらに暖かく、または湿度が高い場合、状況はさらに悪化します (26°C/55% から 22°C への断熱冷却では出力が 78% になり、30°C/40% から 82% へ)。

したがって、断熱加湿方法による直接空気冷却は、最大空気湿度 60% によって制限されるため、快適な室内微気候を作り出すための補助プロセスとしてのみ考慮する必要があります。断熱加湿を利用して快適な条件を作り出す方法の 1 つである間接蒸発冷却については、記事「間接蒸発冷却システムの計算」(『Climate World』第 71 号)で説明されています。

凝縮器前の空気の断熱加湿

断熱加湿のもう 1 つの用途は、空調システムの凝縮器に供給される空気を予冷することです。この方法は暖かい季節に最も需要があります。

この場合、家庭用分割システム、マルチゾーンシステム、またはチラーベースの冷凍システムなど、どのような種類の空調システムが検討されているかは問題ではありません。コンデンサの設計 (内蔵またはリモート) も重要ではありませんが、もちろん、そのようなソリューションはリモートコンデンサと組み合わせて使用する方が簡単です。さらに、当該システムは、凝縮器だけでなく、乾式冷却器（ドライクーラー）との使用にも適している。

この解決策は、凝縮器を冷却する空気の温度が蒸気圧縮冷凍サイクルにおける冷媒の凝縮温度を決定し、この温度が低いほど、冷却システムのエネルギー消費量が少なくなるという事実に基づいています。エネルギー効率が高くなります。

知られているように、凝縮温度が 1 °C 低下すると、成績係数が 3% 増加します。 ID ダイアグラムに基づいて、断熱加湿は凝縮温度を 10 °C も下げることができると結論付けることができます。これはすでに空調システムのエネルギー効率の 3 番目の向上です。

凝縮器前の空気の断熱加湿の基本図は次のとおりです（図1）。給水源からの水は浄化システムを通過し、ポンプで汲み上げられ、ノズルから前方の空気流に噴霧されます。コンデンサーの。設置の様子を図に示します。 2.

システム構成

一般に、凝縮器前の断熱空気加湿システムは次の要素で構成されます。

レギュレーター内蔵の制御システム。
カスタムメイドのインジェクター（ノズル）を備えたパイプ - 図。 3、吸気側に取り付けられます。
排水用電動バルブ。
効果的なスプレーに必要な水圧を設定するための圧力計付き減速機。
軟水 (軟水器) は、水の硬度を下げて、 * 熱交換器 (凝縮器) のフィン付き表面への石灰分の堆積を防ぐ電子装置です。

給水を制御する電気バルブ。

寒い季節に水の凍結を防ぐサーモスタット。
制御キャビネットは水から保護されています (加湿システムの近くの屋外に設置された場合は IP65 バージョン)。

米。 3. インジェクターの外観

加湿の有効性は、水の霧化の程度、つまり、結果として生じる液滴の直径に直接依存します。断熱加湿システムで使用されるノズルでは、通常、液滴の直径は 0.06 ～ 0.08 mm の範囲にあります。

空気と水滴の混合物の流れを評価するためのもう 1 つの重要な特性は、水滴の上昇速度です。飛翔する液滴の速度が凝縮器ファンによって生成される空気流の速度よりも遅い場合、液滴は空気によって運ばれます。熱交換器の境界の外側に水滴を運ぶのは明らかに望ましくないことです。テーブル内図1は、直径に応じた液滴の急上昇の特徴的な速度を示しています。

表 1. 液滴の急上昇速度の直径依存性

d ドロップ、mm	v VIT、m/s
0,01	0,47
0,05	1,06
0,1	1,48
0,2	2,1
0,3	2,57
0,5	3,32
0,8	4,2
1,0	4,7
2	6,62
3	8,12
4	9,35
5	10,5
7	12,4
8	13,3
9	14,1
10	14,8

凝縮器の後ろでの液滴の除去を減らすために、空気速度を 2 ～ 2.3 m/s に制限することをお勧めします。

ノズルを用いた断熱加湿システムの計算

チャンバー内の熱と物質の伝達は、理想的なチャンバー内で可能な最大の熱伝達に対する実際の熱伝達の比率によって特徴付けられます。この関係は一般に次の式で表されます。

ここで、I 1 、I 2 は空気の初期および最終エンタルピー、kJ/kg です。私はv.n. — 初期温度における水面の飽和空気のエンタルピー。 ΔI、ΔI、およびは、それぞれ実際のエンタルピー差と最大 (理想的な) エンタルピー差です。

熱および物質移動プロセスの効率の特性として、2 つの効率係数が採用されています。

ここで、t v.n.、t v.k。 — 初期および最終水温、°C; t c1、t c2、t m1、t m2 - 乾湿温度計に基づく初期および最終気温 (°C)。

係数 E' は、水による空気処理のすべてのプロセスを記述および計算するのに適していることが実験テストによって示されているため、普遍的と呼ばれます。

同時に、等エンタルピー (断熱) プロセスでは t m2 = t m1 であるため、E a = E’ であることに注意します。

空気エンタルピーの変化によって起こるプロセスの計算では、空気と水の間の熱平衡方程式がさらに使用されます。

ここで、B = W / G は灌漑係数です。

係数 E、E'、E a は出口穴の直径に依存します。特に、直径 5 mm の場合は次のようになります。

ここで、v と ρ はそれぞれ対気速度と密度です。この式は 2.5 bar までの水圧に適用できます。

湿球温度範囲 8 °C ～ 20 °C の場合、熱平衡方程式は次のように近似的に表すことができます。

方程式 (1)、(2)、(3) から、気温と水の温度を決定するための式を得ることができます。

係数 E' および E の変化を説明する方程式と熱平衡方程式を組み合わせて使用すると、未知の最終または初期の空気パラメーターを見つけるなど、あらゆる計算を実行できます。検討中の断熱加湿システムを計算する際に決定すべき主なパラメータは、加湿空気の温度と加湿に必要な水の量です。

システム実装の実践的な側面

実用的な観点からは、供給される水の特性が重要です。

水の最大硬度は 8 ～ 12°Zh (°Zh - 硬度、水の硬度の測定単位であり、2005 年からロシアで導入され、アルカリ土類元素の濃度に相当し、数値的には等しい) の範囲にある必要があります。モルの 1/2 まで、mg/dm 3 で表します; 1°F = 1 mEq/l)。換言すれば、最大ＣａＣＯ３含有量は８０～１２０ｐｐｍである。

熱交換器のフィン付き表面の腐食を防ぐために、水の pH 値 (pH は水素の指標、水素イオンの濃度を特徴付ける値) は 7 未満である必要があります。

スプレーシステムが適切に動作するには、ノズルの前の過剰な水圧が少なくとも 2.5 bar である必要があります。 1 つのノズルの水流量は、特定のインジェクターモデルによって異なります。2.5 bar の圧力では、1.15 ～ 1.9 l/分の範囲になります。 (69-114kg/h)。

システムレイアウトの観点からは、噴霧された水が凝縮器に到達しないようにする必要があります。熱交換器の表面に噴霧水が現れると熱伝達が損なわれ、凝縮プロセスが複雑になるためです。したがって、ノズルから熱交換器の境界までの推奨距離は 20 ～ 50 cm です。

さらに、実際には、噴霧された水を完全に蒸発させることが常に可能であるとは限らないことにも注意してください。したがって、設置場所が高所にあり、蒸発しなかった水が下に落ちることが望ましくない場合は、トレイを設置し、排水を下水道に排水する必要があります。ただし、ほとんどの場合、そのようなスキームは地面または建物の屋根に直接配置されたコンデンサに対して実装されます。この場合、原則としてパレットは必要ありません。

追加のメリット

凝縮器の前に空気加湿システムを使用すると、さらに多くの利点が得られます。特に、より低い外気温度での使用には乾式冷却塔またはリモート空気凝縮器が選択され、これにより熱交換面のサイズを小さくし、したがって装置自体のサイズを小さくすることができます。また、外気温が高くなると液体を冷却する可能性にも注目します。これにより、実際には温度が許容範囲内であるより冷たい空気が供給されるため、メーカーが許可する制限を超える外部温度で装置を使用することができます。

さらに、断熱システムとファンのインバータ周波数制御装置を組み合わせることで、モーターの電力消費量を削減し、音圧レベルを大幅に低減し、水の使用量を最適化することができます。

空気の断熱加湿と回復

断熱加湿のもう 1 つの重要な用途は、蓄熱式熱交換器です。

ご存知のとおり、暖かい季節には、回生は、冷たい排気を犠牲にして、外気を冷やし、暖かい供給空気を供給するように設計されています。この場合、排気は環境中に放出されるため、排気を使って「何でも」行うことができます。私たちの場合、断熱方法を使用して加湿することが提案されています。その結果、同時に得られる冷却のおかげで、熱（または私たちの場合は冷気）の回収がより効率的になります。

検討中のシステムの図を図に示します。 4. 排気はまず加湿セクション (図 4 の「1」) に入り、そこで冷却され、回収セクション (「2」) に入り、そこで暖かい供給空気を冷却します。

復熱器の前に断熱加湿セクションを使用する利点を評価するために、このシステムを計算します。

屋外空気パラメータ (ポイント「1」、図 5):

設計圧力: P 計算値 = 0.1 MPa。
外気温度: t out = +28 °C。
外気のエンタルピー: iad = +54 kJ/kg。
外気の湿度(I-d線図により決定): φad = 43%。

内部空気パラメータ (ポイント「3」、図 5):

部屋の温度維持: 部屋 = 22 °C。
室内維持湿度：φ部屋＝55％
部屋の空気のエンタルピー (I-d ダイアグラムから決定): i room = 45.5 kJ/kg。

断熱加湿では理論的には相対湿度を最大 φ = 100% まで達成できますが、実際にはこのパラメータの値は約 90% になります。したがって、加湿器後のポイント (図 5、ポイント「4」) のパラメーターは次のようになります。

湿度φ uvl = 55%。
エンタルピー i uvl = 45.5 kJ/kg。
温度 (I-d ダイアグラムから決定): 温度 = 17 °C。

出力パラメータを計算するには、回収効率パラメータ (回収熱交換器のタイプに応じて η=30...85%) を使用できます。私たちのケースでは、η = 45% として、回収熱交換器 t を通過した後の供給空気の温度を決定しましょう (図 5 の点「2」)。

温度 trec は、復熱器の低温端の温度差 (ポイント「2」と「4」の間の温度差) に基づいて決定することもできることに注意してください。経験上、温度差が小さいシステムでは 2 ～ 6 °C です。私たちの場合、Δt = t River - t uvl = 28-23 = 5 °C であることが判明しました。これは実験データとよく相関しています。

復熱器の前に排気流を断熱加湿するセクションがない場合、復熱器後の供給空気の温度は次のようになります。

供給空気流量 G air = 10,000 m 3/h の場合、冷凍能力の節約は次のようになります。

そしてその密度

一方で、これにより、容量が約 30 kW 少ない冷凍ユニットを選択することで資本コストを節約できます (必要な冷却容量の合計が 51.8 kW の場合、27.7 kW の節約は 50% 以上になります)。

一方、3kWの冷凍電力を生成するのに1kWの電力が必要と考えると、9kWの電力の節約が達成される。

結論

したがって、断熱加湿プロセスにおける冷却効果を室内空気の直接冷却に適用することは困難です。これは、結果として得られる空気は、必要な温度は持っていますが、その湿度は快適な温度の上限を大幅に超えるためです。範囲。

ただし、断熱加湿中に冷却効果を間接的に使用する可能性は数多くあります。この場合、生成される空気の湿度は重要ではなく、低温のみが重要となります。

これは、冷凍ユニットのコンデンサーまたはドライクーラーを冷却する空気に完全に当てはまります。ウォータースプレーの設置により、冷媒の凝縮温度を最大 10 °C 下げることができるため、空調システムのエネルギー効率が最大 30% 向上します。

断熱加湿のもう 1 つの応用分野は、暖かい季節に空気処理ユニットの回収セクションの前で排気流を冷却することです。加湿により、より冷たい空気が復熱器に入り、出口でより冷たい供給空気を得ることが可能になります。

実践と計算が示すように、レキュペレーターの前に加湿セクションを導入すると、供給空気を冷却するために必要な冷凍能力の 50% 以上を節約でき、冷凍装置の資本コストの両面でプラスの経済効果が得られます。そして、電気と空調システムの電源の運用コストの観点からです。

上記のすべてから、空調システムの分野でエネルギー効率の高いソリューションを実現するには、断熱空気加湿などのツールを常に念頭に置く必要があることがわかります。

ユーリ・ホムツキー氏、クライメート・ワールド誌技術編集者

この記事では、衛生工学科学研究所の方法論を使用して、ノズルを使用した断熱加湿システムを計算しています。

データセンターで消費される全エネルギーの最大 35 ～ 40% が、サーバーラックとエンジニアリングシステムの冷却に費やされます。データセンター冷却の断熱原理により、従来のシステムと比較してエネルギー消費を大幅に削減できます。データセンターを冷却する経済的な方法が、モスクワの DataPro データセンターに導入されます。

データセンターの天気

近年、データセンターにおける機器の設置密度は大幅に増加しており、それに伴い電力コストも増加しています。ロシアの商用データセンターでは、1 ラックあたり平均 3 ～ 10 kW を消費しており、ほぼ同量の熱をラックから除去する必要があります。同時に、全体的なエネルギー消費状況に対する最も重要な「貢献」は冷却システムによってもたらされ、そのシェアは 35 ～ 40% に達します。

従来の設計を最適化するために、専門家はより効率的な冷媒を使用し、最適なシステム動作パラメータを選択することによって熱を除去しようと試みてきました。しかし、これらは中途半端な対策であり、大幅な節約を達成することはできませんでした。

従来の冷却回路で最もエネルギーを消費するコンポーネントは、コンプレッサーとコンデンサーユニットです。これらのコンポーネントを排除し、冷たい外気の使用 (フリークーリングは自由冷却の使用の学名です) を組み合わせることは、最適化された低エネルギー冷却システムに向けた最初の革命的なステップでした。このアプローチは、世界中の多くのデータセンターで採用されています。自由冷却の原理は現在、ロシアの多くのデータセンターで広く使用されており、主に窓の外の気温が何か月間も低いままである地域で使用されています。明らかに、ムルマンスクやノリリスクでは、そのような技術の使用は完全に正当化されます。しかし、暑い気候の中でエネルギー効率の高いデータセンターを構築することは可能でしょうか? ロシアのデータセンターにとっても、この問題は無関心ではありません。夏の間、中緯度や北緯でさえ気温が非常に高くなることがあるためです。

高温冷却

データセンター「マーキュリー」eBay社

逆説的ですが、データセンターが暑い気候、つまりロシアよりもはるかに過酷な環境に設置されている例は世界中にたくさんあります。たとえば、eBay は、夏には温度計が 50 ℃ に達する暑い砂漠の中にあるアメリカのアリゾナ州フェニックスにマーキュリーデータセンターを建設しました。 eBay のビジネスにとって、世界中のユーザーのリクエストは非常に重要です。この会社のポータルでは、毎秒合計約 2,000 ドルに達する膨大な量の取引が行われています。つまり、すべてのデータセンターシステムの信頼性が優先事項リストの第一位にあります。このようなデータセンターを冷却するには、北緯に配置する方が合理的であると思われます。

それでも、eBay はアリゾナにデータセンターを建設し、失敗しませんでした。外気を利用するなど論外だったようです。しかし、eBay の専門家は、エネルギー消費を削減するために利用可能なすべてのオプションを分析した結果、砂漠にある新しいデータセンターに必要な効率を最もよく提供するにはフリー冷却が最適であるという結論に達しました。その秘密は、この施設では断熱加湿と自由冷却を併用していることにあります。

海から風が吹いていました

海から来る空気は、水域の方向に吹く草原の風よりも冷たいことは長い間知られていました。古代ローマでは、家はこのようにして冷却されました。開いた窓の下には噴水のあるプールがありました。水の上を通過すると、空気は蒸発の結果として冷やされました。

湿式冷却塔もこの原理に基づいており、生産現場で積極的に使用されている最も古い冷却方法の 1 つです。これらのシステムの動作原理は、表面から吹き付けられる空気の流れによって水を冷却することに基づいています。
このプロセスのより高度なバージョンは、断熱空冷システムで使用されます。

問題の経済学

データセンターの断熱冷却は、複雑なユニットや冗長コンポーネントを必要としない、安価で信頼性の高いシステムです。断熱加湿を実現するには、実質的に電力は必要なく、消費されるのは水だけです。したがって、冷却された空気のコストは低く、正しく使用すれば、空調システムのエネルギー効率を大幅に向上させることができます。

一般に、最新のデータセンターの機器は、高温と湿度の上昇の両方に十分耐えることができます。 ASHRAE (米国加熱冷凍空調学会) によって推奨されるパラメータが許容限界として使用されます。 2004 年に発行されたこれらの推奨事項の初版では、上限を摂氏 25 度、湿度 40% に設定しましたが、第 2 版 (2008 年) では上限を湿度 60%、摂氏 27 度に設定しました。 2011 年の勧告では、最大 40 度および 45 度の温度範囲を持つデータセンター用の 2 つの新しいクラスの機器、A3 と A4 が登場しました。このような「ホット」冷却はまだ普及していませんが、イノベーション愛好家は積極的に使用し始めています。これにより、「グリーン」冷却の適用地域を大幅に拡大することができます。

断熱冷却は常に必要というわけではなく、最も暑い月にのみ必要です。寒い季節には、外気を利用して冷房を行います。少し前まで、断熱冷却システムは主に乾燥した暑い気候の地域で使用されていました。しかし、気候制御装置メーカーによる最近の開発により、温暖な気候のヨーロッパ地域で断熱冷却システムを使用する大きな可能性が示されています。

Emerson Network Power の技術専門家、Mikhail Balkarov 氏は、湿度とは異なり、初期水温も気温もプロセスに実質的に影響を及ぼさないことに注意してください。 - つまり、データセンターが砂漠に位置していても、同時に水源がある場合、その結果、完全に効果的なシステムが得られます。しかし、気温がプラス25度で雨が降った場合、残念なことに、雨の間は外気の湿度が100％に近いため、システムから冷却を引き出すことはできません。

ミハイル氏は、大きな水域の近くで発生する局所的な湿度異常を考慮する必要があると指摘しています。さらに、天候が変わりやすいロシアの地域では、従来型と代替型の 2 つのシステムを同時に導入する必要がある場合があり、これにより設備投資の規模が大幅に増加し、コストを節約するあらゆる試みが無効になる可能性があります。

断熱冷却方式の欠点は、空気湿度の上昇です。データセンター内の繊細な電子機器に湿気が脅威を与えるのではないかという懸念があるかもしれません。このような事件の一例を以下で説明します (「雨の中での Facebook」のセクションを参照)。

断熱冷却システムの他の欠点の中でも、専門家は水の消費量とこの水を準備する必要性に注目しています。「水の消費量はピーク時で 1 kW/h あたり約 2 l/h、暖かい季節には平均で約 0.3 l/h です」とバルカロフ氏は言います。「これはかなりの金額ですが、清掃にかかる費用を考慮するとさらに重要です。」

ミハイル・バルカロフ氏は、蒸発するとすべてのミネラルが細かい塵の形で空気中に放出されるため、水を浄化する必要があると強調する。「そして、冷却塔の場合、これが粗い洗浄に関連するかなり安価なプロセスである場合（洗浄は主にスケールを防止することを目的としています）、断熱システムのノズルにはマイクロフィルターと浸透圧濾過が必要です」と専門家は説明します。そのため、システムのコストだけでなく、運用コストも増加します。」

断熱冷却を使用する場合、給水、水の処分、水処理の問題も解決する必要があり、それが建築や建物の構造の問題にも影響することを覚えておく必要があります。水の値段も忘れずに。その価格は電気代に匹敵するものではありませんが、常に増加しています。

WUE係数

断熱冷却システムを使用すると、PUE とエネルギー消費量が削減されますが、水の消費量が非常に多くなる可能性があります。そのため、Green Grid 組織は 2011 年 3 月に、データセンターでの有効な水の消費量を特徴付ける別のパラメータである WUE (水使用効率) 係数を導入しました。係数は次の式を使用して計算されます。

ウェ = 年間水使用量 / IT機器電力

WUE の測定単位は l/kWh です。

Facebook は、WUE の意味を公然と共有した最初のデータセンター運営者となりました。 2011 年後半のプラインビルにあるデータセンターでは、このパラメータは 0.22 l/kWh でした。

一般に、断熱冷却を使用すると、データセンターの高いエネルギー効率を実現できます。夏季でも冷却システムを含む補助機器の消費電力は約データセンターのエネルギーの 4%、冬季にはさらに少なくなります (冬季の PUE 期間は約 1.018)。チラーや DX エアコンをベースとしたコンプレッサー凝縮システムの効率は大幅に低くなりますが、それらのシステムにとって、PUE = 1.3 は優れた結果です。

記事の冒頭で述べたMercuryデータセンターは、面積12,600平方メートル、容量4MWで、1年以上稼働しています。このデータセンターでは、自由冷却を断熱蒸発冷却と組み合わせて使用することで、その有効性が実証されました。

Facebook データセンター

Facebook データセンターの断熱冷却システム

新しい冷却技術の使用のもう 1 つの顕著な例は、Facebook データセンターです。 Facebookは2010年にアメリカのプラインビルという町に最初のデータセンターを建設した。 1 年後、ノースカロライナ州フォレストシティに 2 番目の冗長データセンターが建設されました。これらのサイトの PUE は、プラインビルデータセンターでは 1.07、フォレストシティデータセンターでは 1.09 です。これは、電力の伝送および変換中の損失の削減と、データセンター内の動作温度の上昇 (コールドアイルのラックでは +35 °C が許容される) によってのみ達成されました。

データセンターには従来の冷却システムがありますが、それは緊急事態にのみ使用されます。メインの空調システムは、外気が通過するいくつかの空気準備室を備えた直接自由冷却です。

まず、外部からの空気が 2 段目の吸気口から取り込まれ、準備室に入り、そこで濾過されて熱風と混合されます。その後、空気は冷却パネルを通過します。多数のパイプを備えた加湿室で、ノズルから蒸留水を高圧で噴霧し、吹き出す空気の湿度を上げ、温度を下げます。細かく分散した水分が電気を通さないようにするために、蒸留水が使用されます。さらに空気の通り道に沿って、大きな水分粒子を分離する膜フィルターがあります。その後、空気は強力なファンによって機械室に送られます。排水は専用のタンクに集められ、浄化されます。

雨の中のフェイスブック

ある日、プラインビルにある Facebook のデータセンターの冷蔵室内に湿気の雲が発生し、文字通りサーバールームと (語呂合わせで失礼します) 「クラウド」コンピューティングを覆いました。

2001 年、このデータセンターでは制御システムの問題が発生し、サーバーの冷却に使用される空気の温度が摂氏 26 度以上、湿度が 95% を超えました。その結果、結露が蓄積し始め、雨雲が形成され、空間全体がコンピューティング機器で埋め尽くされました。何が起こっているのか信じられませんでした。私たちは問題エスカレーションセンターの同僚に電話をかけ始めましたが、彼らは長い間、私たちが話している雨雲の種類を理解できませんでした。火星にリンゴの木が咲いていると彼らに納得させるほうが、雨のおとぎ話を納得させるよりも簡単だった。

電力を節約するために、Facebook はデータセンターの冷却に従来のシステムではなく外気を使用しました。しかし、制御システムが故障した後、水分レベルの低い加熱された空気が、水蒸発器をベースとした冷却システムを通じて再循環され始めました。

そのため、空気が非常に湿って雲が発生し、多くの問題が発生しました。一部のサーバーは完全に故障しており、データセンターにいた専門家は、サーバーが火花を散らして苦しむのを眺めていました。これ以上のことは想像できませんでした。しかし、この事件は再発しませんでした。Facebook の専門家は、サーバーが電源に接続されている接点を注意深く隔離し、湿気から保護しました。

ロシアではどうですか？

ロシアでは断熱冷却システムはまだあまり普及していませんが、専門家は今後数年間でデータセンター設計者の断熱冷却システムへの関心が高まるだろうと考えています。その理由は、エネルギー消費に厳しい制限を設け、2020 年までにエネルギー効率を 40% 向上することを義務付ける連邦法 FZ-261 です。このような要件を満たす唯一のシナリオは、断熱冷却と組み合わせた自由冷却への移行です。そして、そのような実装の最初の例はすでに存在します。特に、この冷却原理は、モスクワに建設中の新しい DataPro データセンターで使用されます。

このサイトの設計には、必要な気候条件を確保するための費用対効果の高いソリューション、シュナイダーエレクトリック製の EcoBreeze モジュラーシステムの使用が含まれています。 DataPro 社は、モスクワの Aviamotornaya 通りにある自社のメガデータセンター (設備容量 20 MW の施設) に、ヨーロッパ最大のこのシステムの導入を計画しています。 EcoBreeze システムは、湿式冷却塔の原理 (断熱冷却技術の一種) と自由冷却を組み合わせて構築されており、これについてはこの記事で説明します。電気料金が高いモスクワでは、このシステムを利用することでデータセンターの運営コストを大幅に削減できる。

「断熱冷却を使用する技術的ソリューションは、海外の多くのデータセンターで成功裏に使用されているため、革新的とは言えません」とアレクセイ・ソルダトフ氏は説明します。 - しかし、ロシアのデータセンターでこの原則が使用されるのはまれな現象です。当社のモスクワ拠点への EcoBreeze の設置は、最初の導入の 1 つです。」

しかし、別の施設、トヴェリにある DataPro 社のデータセンターでは、サーバールームと電気機器の冷却にフレオンルートを使用する伝統的な原理が使用されています。これは、資本コストと電気料金が低いためです。

トヴェリの施設では、断熱原理の別のバージョン、つまりサーバールーム内の必要な湿度レベルを維持するための等温加湿が使用されています。これについては次の記事で説明します。

動作原理
ミハイル・バルカロフ。書籍『冷却サーバーとデータセンターの基礎』からの抜粋、2011 年

断熱冷却システムの動作原理は、水を小さな液滴の形で霧化し、熱風に注入することです。（水からすべての不純物を除去する必要があります。）空気中で水が蒸発すると、湿式温度計の温度に近い温度まで空気が冷却されることがあります。

厳密に理論的には、このプロセスでの冷却限界は著しく低くなり、露点温度と同じになります。この可能性を実現するには、水を蒸発させて最初の空気の一部を湿球温度まで冷却し、それを加湿せずに残りの冷却に使用するだけで十分です。さらに、冷気も加湿され、より低温になります。このプロセスを空気の一部を使用して再度繰り返すと、露点に近い温度に達します。可能な最低温度を達成する際の唯一の明白な技術的困難は、必要な供給空気量と熱交換器面積が数倍に増加することです。

このようなシステムは、湿式冷却塔の原理に基づいて作成されます。つまり、水の薄膜で覆われたプレートの広い表面を使用するか、数百気圧の圧力下でミクロンのノズルを通して水を非常に小さな滴としてスプレーします。エアダクトに直接入ります。

次に、温度を冷却する必要のあるものと交換するか、湿った空気を直接使用して機器を冷却します。水の消費量は、除去される熱 1 kW/h あたり約 2 kg です。水の大部分は蒸発するため、その化学組成に対する要件もそれに応じて増加し、イオン交換フィルターまたは逆浸透フィルターの使用が必要になります。

インジェクターを使用する場合、機械的汚染に対して厳しい要件が課され、高圧ポンプの後にマイクロフィルターを設置する必要があります。これらの複雑さは、特定の液滴サイズから始まる蒸発プロセスが非常に速く起こり、これにより灌注チャンバーのサイズが大幅に縮小されるという事実によるものです。

中圧および低圧のより大きな直径のノズルの使用は、ノズルの操作と水処理プロセスの観点からより簡単です。しかし同時に、水の一部はプロセスに参加せずに排出されます（水滴が完全に蒸発する時間がありません）。さらに、加湿チャンバーのサイズはシステムの残りの部分と同等になります。

データセンターのエネルギー効率を高める効果的な方法の 1 つは、水の独特の性質を利用した断熱空冷を使用することです。

知られているように、データセンターでのエネルギー使用効率を評価するには、データセンターの IT 機器のエネルギー消費量に対する総エネルギー消費量の比率である PUE (電力使用効率) 指標が使用されます。逆の指標である DCE (データセンター効率) もあります。 1.5 ～ 2.0 の PUE 値が典型的とみなされます。後者は、IT 機器が消費エネルギーの 50% のみを消費することを意味します (DCE = 0.5)。特殊な CRAC (コンピュータールームエアコン) エアコンを使用する従来の機械冷却システムの場合、通常、総エネルギー消費量の約 35 ～ 40% を占めます。

しかし、データセンターでエネルギーをより効率的に使用できる、断熱空冷というアプローチがあります。

方法の原理

断熱冷却は、液体の中で最も高い蒸発潜熱値 (584.8 kcal/kg) を持つ水の独特の特性によるものです。その原理は、水を小さな液滴の形で噴霧することです。エネルギーの観点から見ると、これは機械的な冷却よりもはるかに効果的です（同じ原理は自然現象にも見られます）。媒体の総エネルギー量 (エンタルピーとして表される) が変化しない断熱条件下では、1 時間あたり 1 リットルの水が蒸発し、680 W (584.8/0.86、0.86 は変換係数 kcal/W) になります。空気に含まれ、その温度によって特徴付けられる顕熱は、結果として生じる水蒸気に含まれる潜熱に変わります。スプレー式空気加湿器を使用する場合、外部エネルギー消費は比較的少なく、その典型的な値は、水の表面張力が比較的低いため、噴霧水 1 リットルあたりわずか 4 W です。したがって、断熱冷却プロセス全体の効率は、比率 680/4 = 170 によって特徴付けられます。

直接冷却と間接冷却

断熱冷却には、直接 DEC (直接蒸発冷却) と間接 IEC (間接蒸発冷却) の 2 つの方法があります。それらの構成的な実装の図を図に示します。 1. 流入側に水を噴霧して直接冷却します。空気中に浮遊する水滴の蒸発によって冷却された供給空気は、サービス対象物の内部容積に直接供給されます。間接冷却では排気側に水を噴霧します。冷却された空気はプレート熱交換器に入り、フード内で噴霧された水の蒸発によって形成される水蒸気に集中した潜熱を伝達することなく、約65％の効率で顕熱が交換されます。

利用規約

どちらの方法も、大気の熱と湿度の特性に応じて使用に一定の制限があります。比較的低温で大気湿度が低い場合、直接断熱冷却 DEC は、供給と排気の両方に水を噴霧せずに実行される一般的な自由冷却方法、つまり自由冷却 (FC) の能力を大幅に拡張します。周囲温度がサービス対象施設内の温度を超えない限り、自由冷却が可能です。 DEC の場合、霧化された水の断熱蒸発により、入口空気温度は周囲空気温度と比較してさらに低下します。したがって、機械的冷却を使用せずに、保守対象の物体の内部の温度よりわずかに高い大気温度で自然冷却が提供されます。ただし、水蒸気による空気の飽和には制限があります。それに伴うエンタルピーの増加は、保守対象の物体内の必要な温度と相対湿度に対応する値を超えてはなりません。

対照的に、断熱 IEC 冷却は、対象物の内部の空気の温度とエンタルピーが周囲の空気の温度とエンタルピーよりも低い場合にのみ可能です。

また、上記の温度制限に加えて、自由冷却は、大気の絶対湿度 (水分含量) が、サービス対象の内部の必要な温度と相対湿度に対応する値を超えない場合にのみ可能であることにも留意する必要があります。施設。

したがって、機械冷却（機械冷却、MC）の割合は、大気の温度と絶対湿度の両方が必要な値に対応する値を同時に超える場合、大気の熱湿度特性のそのような組み合わせのみに残ります。サービス対象物の内部の温度と相対湿度。

データセンターにおける温度と相対湿度の最適値は、ASHRAE TC 9.9 勧告 (2008 年版) によって設定されており、それぞれ 230°C と 60% です。図では、図 2 は、これらの値を考慮に入れて、上記の制限を反映した i-d ダイアグラムを示しています。これは、データセンターを冷却するさまざまな方法の優先使用領域を明確に示しています。

エネルギー消費量の比較分析

データセンターのさまざまな冷却方法を使用した場合のエネルギー消費量の比較評価を実施しました (これらの計算結果は表にまとめられています)。機械冷却システムで使用される CRAC エアコンの COP (性能係数、消費電力に対する冷却能力の比を特徴付ける) 値は、市場のほとんどのデバイスモデルと同様に 2.8 であると想定されています。水処理システムで使用される逆浸透 (RO) ユニットのエネルギー消費量は 2.4 W/(l/h) と想定されており、これは典型的な値に相当します。

断熱冷却がうまく使用されているデータセンターの例には、HP Wynyard Park (英国ミドルズブラ、2009 年 4 月から稼働、PUE 値 1.2 を達成) および富士通データセンター (ドイツ、ニュルンベルク、2010 年 2 月から稼働。PUE 値は 1.2 に達した) が含まれます。 1.25）。どちらの場合も、データセンター冷却システムの必要性に対するエネルギーコストの削減は約 95% (つまり、実際のコストは機械冷却のコストの約 5%) であり、最初の例では年間 416 万ドルの節約となりました。これらの数字がすべてを物語っています。

データセンターの天気

高温冷却

データセンター「マーキュリー」eBay社

海から風が吹いていました

湿式冷却塔もこの原理に基づいており、生産現場で積極的に使用されている最も古い冷却方法の 1 つです。これらのシステムの動作原理は、表面から吹き付けられる空気の流れによって水を冷却することに基づいています。

このプロセスのより高度なバージョンは、断熱空冷システムで使用されます。

問題の経済学

断熱冷却は常に必要というわけではなく、最も暑い月にのみ必要です。寒い季節には、外気を利用して冷房を行います。少し前まで、断熱冷却システムは主に乾燥した暑い気候の地域で使用されていました。しかし、気候制御装置メーカーによる最近の開発により、温暖な気候のヨーロッパ地域で断熱冷却システムを使用する大きな可能性が示されています。

断熱冷却システムの他の欠点の中でも、専門家は水の消費量とこの水を準備する必要性に注目しています。「水の消費量はピーク時で 1 kW/h あたり約 2 l/h、暖かい季節には平均で約 0.3 l/h です」とバルカロフ氏は言います。「これはかなりの金額ですが、清掃にかかる費用を考慮するとさらに重要です。」

ミハイル・バルカロフ氏は、蒸発するとすべてのミネラルが細かい塵の形で空気中に放出されるため、水を浄化する必要があると強調する。「そして、冷却塔の場合、これが粗い洗浄に関連するかなり安価なプロセスである場合（洗浄は主にスケールを防止することを目的としています）、断熱システムのノズルにはマイクロフィルターと浸透圧濾過が必要です」と専門家は説明します。そのため、システムのコストだけでなく、運用コストも増加します。」

WUE係数

WUE = 年間水使用量 / IT 機器の容量

WUE の測定単位は l/kWh です。

データセンターフェイスブック

データセンターの断熱冷却システムフェイスブック

雨の中のフェイスブック

ロシアではどうですか？

動作原理

ミハイル・バルカロフ。書籍より抜粋」サーバールームやデータセンターの冷却。基本。」、2011

説明：

人々が運動を行う 1 つのゾーン内であっても、そのようなゾーン内ではさまざまな種類の身体活動に個別のエリアが割り当てられ、それらの空気処理が行われる必要があるという事実を考慮して空調システムを設計する必要があることは明らかです。特別な方法で組織されています。

フィットネスセンターの快適な環境

熱回収による断熱冷却

フィットネスセンターは、独立した施設であるか、さまざまな多機能複合施設 (スイミングプール、ホテルなど) の一部です。近年、非常に広いエリア（最大 5,000 平方メートル）がフィットネスセンターに割り当てられることが増えています。フィットネスセンターには、ジムだけでなく、スイミングプール、ハイドロマッサージ設備のあるリラクゼーションエリア、サンルーム、サウナ、トルコ式バス、レストランやバーも含まれます。

通常、このような分割は、施設の全体計画を作成する段階ですでに行われています。これは、いくつかの種類の身体運動は単純に適合しないためです。たとえば、比較的小さな部屋に多くの人が集まるエアロビクスや、スポーツ器具を使ったエクササイズは、より広いホールで行われます。これは、エクササイズをするためのスペースに加えて、エクササイズマシン自体を収容するためのスペースも必要だからです。別の特定のタイプの運動は、エアロバイクでの運動です。この場合、主な問題は、アスリートからの大量の潜熱を考慮して、水分の除去です。

設計データ

フィットネスセンターの各ゾーンは、異なる占有率と運動の種類によって特徴付けられ、計算された微気候パラメータに影響を与えます。図では、図 1 は、身体活動の種類とアスリートの服装に応じた気温変動のダイナミクスを、断熱指数 0.1 clo (非常に軽い)、0.5 (軽い)、0.9 (重い) で示しています (略語 clo - 熱量の単位)衣服の断熱）。

人によって生じる熱負荷は、実行される身体運動によっても決まります。この表は、さまざまな種類の運動中の平均代謝指数 (Met) (人間の熱出力) のパラメーターを示しています。 1 Met の値は 58 W/m2 に相当します。身体運動の種類に加えて、発熱量は運動の強度によっても決まります。トレーニングを受けておらず、重い負荷に慣れていない人の場合、発熱は通常最大値に近づきます。体は、主に潜在的な形（発汗の形）で最大量の熱を放出します。これは熱補償であり、増加した熱の利用です。筋肉の緊張によって引き起こされる体温。原則として、極度の緊張を必要とするエクササイズは長くは続かず、セッション全体で適宜交互に行う必要があります。たとえば、エクササイズバイクルームの場合、クラスの平均所要時間は 20 ～ 40 分ですが、最大の熱が放出される最大ストレスの期間は 5 ～ 10 分しか続きません。

物理的熱の除去効率、特に潜熱は、室内の相対湿度のレベルによって主に決まります。その結果、同じ身体的ストレスでも、相対湿度が低い部屋にいる人は、湿度が高い部屋で運動している人よりも発汗量が少なくなります。人間の皮膚から分泌される水蒸気を吸収しやすい性質があります。

このような状況では、体育館の湿度レベルを調整することが特に重要です。

表1

身体運動の種類	メット (1 メット = 58 W/m2)
トレーニング器具	3–4
モダンダンスとフォークダンス	4–5
フィジカルトレーニング	4–6
テニス	5–7
エアロビクス	6–8
時速15kmで走る	9
時速12kmで走る	8
時速9kmで走る	7
格闘技、ボクシング	7–9
エアロバイク	8–10

考慮すべきもう 1 つの重要な要素は風速です。これは、身体活動の種類を考慮して、人体と室内の空気の間の熱交換率を決定するためです。この点に関しては、デンマーク工科大学の教授である P. オーレ・ファンガー氏が提案した評価基準を使用することをお勧めします。彼は特に次のように述べています。体液分泌の形で体から発せられる熱力であり、主に発汗のメカニズムを通じて発生します。」

適切なスポーツウェアを着て運動している人の総発熱量は 390 W で、そのうち 135 W が顕熱、255 W が潜熱です（図 2）。蒸発熱が 2,501 J/g であることを考慮すると、255 W という値は、1 人あたり 367 g/h の量の水蒸気の放出に相当します。

設計パラメータ

上記に基づいて、さまざまなスポーツのために割り当てられた個々のホールの目的を考慮して、個々の部屋の体積空気流量の最小設計パラメータを決定することができます。空気交換を計算するときは、発汗によって生成される水蒸気の量、運動する人の数、および特定の運動の種類を考慮する必要があります。必要な空気交換（通常、1 人あたり 60 ～ 120 m 2 / h）のデータに基づいて体積流量を計算するだけでは、水分除去と熱需要の補正が必要となるため、ここでは十分ではありません。室内に放出される湿気の総量 (q mv、g/h で表される) を決定した後、空気から水分を除去するのに必要な空気の体積流量は、内部空気と供給空気の絶対湿度の差によって決まります。は次の式で計算されます。

q ma = q mu / x a – x m、kg/h、

V a = q ma / p a、m 3 / h。

物理的熱負荷を中和するために必要な空気の量 (q s) は、内部空気と供給空気の温度の差によって決まり、次の式で計算されます。

V a = q s (物理的熱負荷) / 0.34 Δt、m 3 /h。

（ところで、この状況は非常にしばしば見落とされますが）、人間の体は、長時間の身体運動中に、空気中の酸素を顕著な量で消費することに注意する必要があります。したがって、部屋の目的とするスポーツがより激しいほど、部屋の実際の熱と湿度のパラメータが規制要件や計算されたデータをどの程度満たしているかに関係なく、必要な空気交換を確保することがより重要になります。必要な快適さを提供するために、稼働モードのフィットネスセンターの敷地内には、一定の外気の流れが継続的に提供されなければなりません。

特殊装置

空調フィットネスセンターでは、特別に設計された空気処理システムが特に注目されています。この装置には、次のような特徴的な設計上の特徴がいくつかあります。

特定の種類の身体運動に必要な量の冷却力と湿気の除去を提供します。

除去される顕熱と潜熱に応じて供給空気の体積空気流量と熱と湿度のパラメータの値が設定されている場合、実行される身体運動に応じて微気候パラメータを正確に調整することが可能です。

この装置は、次の 2 つの最新テクノロジーによりエネルギー消費が削減されることが特徴です。

直列に設置され向流で動作する 2 つのクロスフロー熱交換器を使用して排気から熱を回収します。

断熱冷却システムと冷凍サイクルベースの冷却システムを組み合わせたもの。

この装置の空気流量は 1,200 ～ 27,000 m 2 /h であり、総冷凍負荷 (断熱システムと冷凍ユニット) は 6.6 ～ 159 kW の範囲です。

私たちは、電気機器と自動制御システムを備えた完全に独立したシステムについて話しています。給気ファンと排気ファンには、湾曲したブレードを備えた高性能自由回転インペラが電気モーターのシャフトに直接取り付けられており、その回転速度は別個のインバーターによって制御されます。システム全体の動作は、特別な振動センサーによって制御されます。バグフィルター (EU4 クラス) が吸込口 (外気および排気) に取り付けられており、簡単に取り外せます。メイン電気パネルにある差圧センサーの測定値に従ってメンテナンス間隔が守られます。

排気熱回収システムは、直列に取り付けられた 2 つのクロスフロープレート熱交換器に基づいています。

回生ユニットにより、熱伝達係数とエネルギー回収効率を最大 75% まで高めながら、負荷損失を極めて低く抑えることができます。強制排水付きドレン捕集パンはポリプロピレン製です。断熱空冷は、水交換器の表面に水を噴霧することによって発生し、約 10 °C の温度低下が生じます。この設備には、ノズル、水位調整システム、給排水バルブ、循環ポンプ、フィルター、水交換システム、自動洗浄サイクルが装備されています。

動作モード

図では、図 3 ～ 7 は、一年のさまざまな時期におけるこの装置の動作モードを示しています。図では、図 3 は、完全な熱回収を行うモードを示しており、夏は冷房、冬は室内空気を暖房します。移行期間中は、熱交換器から一定量の空気をバイパス（バイパス）することで部分熱回収モードで設備を開始することもできます（図4）。移行期間中または夜間は完全バイパスにより完全自然冷却モードで開始することもできます。 (熱回収なし)最大体積の場合、空気流量が最大 10% 増加します (図 5)。

夏には断熱冷却システムが使用され（図6）、外気温が高い場合には、冷凍サイクルによる冷却および除湿システムと統合できます（図7）。

RCI誌より略語を加えて翻訳。

イタリア語からの翻訳 S.N.ブレコバ.