Adiabatyczne systemy chłodzenia. Zastosowanie nawilżania adiabatycznego do chłodzenia powietrza. Praktyczne aspekty realizacji systemów

02.09.2023

Jak wiadomo, nawilżanie adiabatyczne pozwala nie tylko zwiększyć wilgotność powietrza, ale także obniżyć jego temperaturę, łącząc w ten sposób procesy nawilżania i chłodzenia. Jednocześnie do wdrożenia nawilżania adiabatycznego praktycznie nie jest wymagane zużycie energii - zużywana jest jedynie woda. Dzięki temu koszt schłodzonego i nawilżonego powietrza jest niski, co przy prawidłowym użytkowaniu może znacznie poprawić efektywność energetyczną różnych systemów.

Nawilżanie adiabatyczne powietrza w pomieszczeniu

Najprostszym zastosowaniem procesu nawilżania adiabatycznego jest schładzanie powietrza wentylacyjnego – zarówno nawiewnego, jak i recyrkulacyjnego. Chłodzenie odbywa się bez stosowania cyklu chłodniczego ze sprężaniem pary i bez znacznego zużycia energii. Powstałe powietrze zawiera jednak dużo wilgoci, a jego bezpośredni dopływ do pomieszczenia stworzy niekomfortowe warunki dla człowieka.

Na przykład przy nawilżaniu adiabatycznym standardowego powietrza zewnętrznego dla regionu moskiewskiego o temperaturze 28°C i entalpii 54 kJ/kg (wilgotność względna 43%) do komfortowej dla człowieka temperatury 22°C wilgotność wzrośnie do 74 %, czyli więcej niż zalecane maksimum wynoszące 60%.

Sytuacja staje się jeszcze gorsza, jeśli powietrze na zewnątrz jest jeszcze cieplejsze lub wilgotne (chłodzenie adiabatyczne z 26°C/55% do 22°C da 78% wydajności, a z 30°C/40% do 82%).

Zatem bezpośrednie chłodzenie powietrza metodą nawilżania adiabatycznego ograniczone jest maksymalną wilgotnością powietrza wynoszącą 60%, dlatego należy je traktować jedynie jako proces pomocniczy w tworzeniu komfortowego mikroklimatu w pomieszczeniu. Jeden ze sposobów stworzenia komfortowych warunków przy udziale nawilżania adiabatycznego - pośrednie chłodzenie wyparne - został omówiony w artykule „Obliczanie układu pośredniego chłodzenia wyparnego” („Świat Klimatu” nr 71).

Adiabatyczne nawilżanie powietrza przed skraplaczem

Innym zastosowaniem nawilżania adiabatycznego jest wstępne schładzanie powietrza dostarczanego do skraplacza układu klimatyzacji. Ta metoda jest najbardziej pożądana w ciepłym sezonie.

W tym przypadku nie ma znaczenia, jaki rodzaj systemu klimatyzacji jest brany pod uwagę – domowy system split, system wielostrefowy czy system chłodniczy oparty na agregatach chłodniczych. Konstrukcja kondensatora (wbudowany czy zdalny) również nie ma znaczenia, chociaż oczywiście takie rozwiązania są łatwiejsze w użyciu w połączeniu z zdalnym kondensatorem. Co więcej, omawiany system nadaje się do stosowania nie tylko ze skraplaczami, ale także z chłodnicami suchymi (drycoolerami).

Rozwiązanie polega na tym, że temperatura powietrza chłodzącego skraplacz determinuje temperaturę skraplania czynnika chłodniczego w obiegu chłodniczym ze sprężaniem pary, a im niższa jest ta temperatura, tym mniejsze jest energochłonność układu chłodzenia, czyli: tym wyższa jest jego efektywność energetyczna.

Jak wiadomo, spadek temperatury skraplania o 1°C prowadzi do wzrostu współczynnika wydajności o 3%. Na podstawie wykresu ID można stwierdzić, że nawilżanie adiabatyczne jest w stanie obniżyć temperaturę skraplania nawet o 10°C. A to już trzeci wzrost efektywności energetycznej systemu klimatyzacji.

Podstawowy schemat adiabatycznego nawilżania powietrza przed skraplaczem przedstawia się następująco (rys. 1): woda ze źródła wody przechodzi przez układ oczyszczania, następnie jest pompowana przez pompę i wtryskiwana przez dysze do strumienia powietrza z przodu skraplacza. Wygląd instalacji pokazany jest na rys. 2.

Skład systemu

Ogólnie rzecz biorąc, system adiabatycznego nawilżania powietrza przed skraplaczem składa się z następujących elementów:

układ sterowania z wbudowanym regulatorem;
rury z wykonanymi na zamówienie wtryskiwaczami (dyszami) – na rys. 3, montowany po stronie wlotu powietrza;
zawór elektryczny do odprowadzania wody;
reduktor z manometrem umożliwiający ustawienie wymaganego ciśnienia wody dla skutecznego oprysku;
Softwater (zmiękczacz wody) to urządzenie elektroniczne zmniejszające twardość wody, aby zapobiec * osadzaniu się kamienia na żebrowanej powierzchni wymiennika ciepła (skraplacza);

zawór elektryczny do sterowania dopływem wody;

termostat chroniący przed zamarzaniem wody w zimnych porach roku;
szafa sterownicza zabezpieczona przed wodą (wersja IP65 w przypadku montażu na zewnątrz w pobliżu systemu nawilżania).

Ryż. 3. Wygląd wtryskiwaczy

Skuteczność nawilżania zależy bezpośrednio od stopnia atomizacji wody, czyli od średnicy powstałych kropel. W dyszach stosowanych w systemach nawilżania adiabatycznego średnica kropel z reguły mieści się w przedziale 0,06-0,08 mm.

Inną ważną cechą pozwalającą ocenić przepływ mieszaniny kropelek powietrza i wody jest prędkość wzrastania kropli. Jeżeli prędkość wznoszenia się kropli jest mniejsza niż prędkość przepływu powietrza wytwarzanego przez wentylator skraplacza, wówczas kropla jest unoszona przez powietrze. Wynoszenie kropli poza granicę wymiennika ciepła jest oczywiście niepożądane. W tabeli Na rysunku 1 przedstawiono charakterystyczne prędkości wznoszenia się kropli w zależności od średnicy.

Tabela 1. Zależność prędkości wznoszenia się kropli od jej średnicy

d krople, 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

Aby ograniczyć usuwanie kropel za skraplaczem, zaleca się ograniczenie prędkości powietrza do 2-2,3 m/s.

Obliczanie adiabatycznego systemu nawilżania za pomocą dysz

Wymiana ciepła i masy w komorach charakteryzuje się stosunkiem rzeczywistej wymiany ciepła do maksymalnej możliwej wymiany ciepła w idealnej komorze. Zależność tę zazwyczaj wyraża się wzorem:

gdzie I 1, I 2 to początkowa i końcowa entalpia powietrza, kJ/kg; ja” v.n. — entalpia nasyconego powietrza na powierzchni wody w jej temperaturze początkowej; ΔI, ΔI i są odpowiednio rzeczywistą i maksymalną (idealną) różnicą entalpii.

Jako charakterystyki efektywności procesów wymiany ciepła i masy przyjmuje się dwa współczynniki sprawności:

gdzie t v.n., t v.k. — początkowa i końcowa temperatura wody, °C; t c1, t c2, t m1, t m2 - początkowa i końcowa temperatura powietrza według termometrów suchych i mokrych, °C.

Współczynnik E' nazywany jest uniwersalnym, gdyż badania eksperymentalne wykazały jego przydatność do opisu i obliczania wszelkich procesów uzdatniania powietrza wodą.

Jednocześnie zauważamy, że w procesach izentalpicznych (adiabatycznych) t m2 = t m1 zatem E a = E’.

W obliczeniach procesów zachodzących przy zmianach entalpii powietrza wykorzystuje się dodatkowo równanie bilansu cieplnego powietrza i wody:

gdzie B = W / G jest współczynnikiem nawadniania.

Współczynniki E, E' i E a zależą od średnicy otworu wylotowego. W szczególności przy średnicy 5 mm mamy:

gdzie v i ρ to odpowiednio prędkość i gęstość powietrza; wzór dotyczy ciśnienia wody do 2,5 bara.

Dla zakresu temperatur termometru mokrego 8°C–20°C równanie bilansu cieplnego można w przybliżeniu przedstawić w następujący sposób:

Z równań (1), (2) i (3) możemy otrzymać wzory na wyznaczanie temperatur powietrza i wody:

Łączne zastosowanie równań opisujących zmiany współczynników E' i E oraz równania bilansu cieplnego pozwala na wykonanie dowolnych obliczeń, łącznie ze znalezieniem nieznanych parametrów końcowych lub początkowych powietrza. Głównymi parametrami, które należy określić przy obliczaniu rozważanych systemów nawilżania adiabatycznego, są temperatura nawilżanego powietrza oraz ilość wody potrzebnej do nawilżania.

Praktyczne aspekty wdrożenia systemu

Z praktycznego punktu widzenia istotne są właściwości dostarczanej wody.

Maksymalna twardość wody powinna mieścić się w przedziale 8-12°Zh (°Zh - stopień twardości, jednostka miary twardości wody, wprowadzona w Rosji od 2005 roku i odpowiadająca stężeniu pierwiastka ziem alkalicznych, liczbowo równa do 1/2 jego mola, wyrażonego w mg/ dm 3; 1°F = 1 mEq/l). Innymi słowy, maksymalna zawartość CaCO 3 wynosi 80-120 ppm.

Wartość pH (pH jest wskaźnikiem wodoru; wartość charakteryzująca stężenie jonów wodorowych) wody powinna być mniejsza niż 7, aby zapobiec korozji na żebrowanej powierzchni wymiennika ciepła.

Aby instalacja natryskowa działała prawidłowo, nadciśnienie wody przed dyszą musi wynosić co najmniej 2,5 bar. Natężenie przepływu wody dla jednej dyszy zależy od konkretnego modelu wtryskiwacza i przy ciśnieniu 2,5 bar może wynosić od 1,15 do 1,9 l/min. (69-114 kg/h).

Z punktu widzenia układu systemu konieczne jest, aby rozpylona woda nie docierała do skraplacza, ponieważ jej pojawienie się na powierzchni wymiennika ciepła pogorszy wymianę ciepła, a tym samym skomplikuje proces kondensacji. Dlatego zalecana odległość dysz od krawędzi wymiennika wynosi 20-50 cm.

Ponadto zauważamy, że w praktyce nie zawsze możliwe jest całkowite odparowanie rozpylonej wody. Dlatego też, jeśli instalacja zlokalizowana jest na dużej wysokości, a opadanie nieodparowanej wody w dół jest niepożądane, należy zamontować korytko i odprowadzić drenaż do kanalizacji. Jednak najczęściej takie schematy są wdrażane dla kondensatorów umieszczonych bezpośrednio na ziemi lub na dachu budynku. W takich przypadkach z reguły paleta nie jest wymagana.

Dodatkowe korzyści

Stosowanie układu nawilżania powietrza przed skraplaczem zapewnia szereg dodatkowych korzyści. W szczególności do pracy przy niższej temperaturze zewnętrznej dobiera się suchą wieżę chłodniczą lub zdalny skraplacz powietrza, co pozwala na zmniejszenie wielkości powierzchni wymiany ciepła, a co za tym idzie i wielkości samego urządzenia. Zwracamy również uwagę na możliwość chłodzenia cieczy przy wyższej temperaturze zewnętrznej. Pozwala to na użytkowanie sprzętu przy temperaturach zewnętrznych przekraczających dopuszczalny przez producenta limit, gdyż faktycznie nawiewane jest powietrze zimniejsze, którego temperatura mieści się w dopuszczalnych granicach.

Dodatkowo połączenie układu adiabatycznego z inwerterowym regulatorem częstotliwości dla wentylatorów pozwala na zmniejszenie zużycia energii elektrycznej silników, znaczne obniżenie poziomu ciśnienia akustycznego oraz optymalizację zużycia wody.

Adiabatyczne nawilżanie i rekuperacja powietrza

Innym ważnym zastosowaniem nawilżania adiabatycznego są rekuperacyjne wymienniki ciepła.

Jak wiadomo, w sezonie ciepłym rekuperacja ma na celu schłodzenie cieplejszego, nawiewanego powietrza z zewnątrz, kosztem chłodniejszego powietrza wywiewanego. W takim przypadku powietrze wywiewane jest uwalniane do otoczenia, dzięki czemu można z nim „wszystko” zrobić. W naszym przypadku proponuje się nawilżanie go metodą adiabatyczną, w efekcie dzięki jednocześnie uzyskanemu chłodzeniu odzysk ciepła (lub w naszym przypadku chłodu) stanie się bardziej efektywny.

Schemat rozważanego układu pokazano na ryc. 4. Powietrze wywiewane najpierw trafia do sekcji nawilżania („1” na rys. 4), gdzie jest schładzane, a następnie trafia do sekcji odzysku („2”), w której schładza ciepłe powietrze nawiewane.

Aby ocenić korzyści wynikające z zastosowania sekcji nawilżania adiabatycznego przed rekuperatorem, obliczymy ten system.

Parametry powietrza zewnętrznego (punkt „1”, rys. 5):

Ciśnienie obliczeniowe: P obliczone = 0,1 MPa.
Temperatura powietrza zewnętrznego: t na zewnątrz = +28°C.
Entalpia powietrza zewnętrznego: iad = +54 kJ/kg.
Wilgotność powietrza zewnętrznego (określona wykresem I-d): φad = 43%.

Parametry powietrza wewnętrznego (punkt „3”, rys. 5):

Temperatura utrzymywana w pomieszczeniu: t pomieszczenie = 22°C.
Wilgotność utrzymywana w pomieszczeniu: φ pomieszczenie = 55%
Entalpia powietrza w pomieszczeniu (wyznaczona z wykresu I-d): i pomieszczenie = 45,5 kJ/kg.

Nawilżanie adiabatyczne teoretycznie pozwoli na osiągnięcie wilgotności względnej do φ = 100%, jednak w praktyce wartość tego parametru będzie wynosić około 90%. Zatem parametry punktu za nawilżaczem (punkt „4”, rys. 5):

Wilgotność φ uvl = 55%.
Entalpia i uvl = 45,5 kJ/kg.
Temperatura (określona na podstawie wykresu I-d): temp = 17°C.

Do obliczenia parametrów wyjściowych można wykorzystać parametr sprawności odzysku (η=30...85% w zależności od typu rekuperatora). Dla naszego przypadku przyjmijmy η=45% i określmy temperaturę powietrza nawiewanego za rekuperatorem t rzek (punkt „2”, rys. 5):

Należy pamiętać, że temperaturę t można również wyznaczyć na podstawie różnicy temperatur na zimnym końcu rekuperatora (różnica temperatur pomiędzy punktami „2” i „4”). Doświadczenie pokazuje, że w układach o małych różnicach temperatur wynosi ona 2-6°C. W naszym przypadku okazało się, że Δt = t rzeka - t uvl = 28-23 = 5°C, co dobrze koreluje z danymi eksperymentalnymi.

Gdyby przed rekuperatorem nie było sekcji nawilżania adiabatycznego spalin, temperatura powietrza nawiewanego za rekuperatorem wynosiłaby:

Przy natężeniu przepływu powietrza nawiewanego G = 10 000 m 3/h oszczędności w wydajności chłodniczej wyniosą:

i jego gęstość

Z jednej strony pozwala to zaoszczędzić na kosztach kapitałowych, wybierając agregat chłodniczy o mocy prawie 30 kW mniejszej (przy całkowitej wymaganej wydajności chłodniczej 51,8 kW, oszczędność 27,7 kW to ponad 50%).

Z drugiej strony, jeśli weźmiemy pod uwagę, że wytworzenie 3 kW mocy chłodniczej wymaga 1 kW energii elektrycznej, uzyskuje się oszczędność energii elektrycznej wynoszącą 9 kW.

Wniosek

Zatem efekt chłodzący w procesie nawilżania adiabatycznego jest trudny do zastosowania w przypadku bezpośredniego chłodzenia powietrza w pomieszczeniach ze względu na to, że powstałe powietrze, choć będzie miało wymaganą temperaturę, ale jego wilgotność znacznie przekroczy górną granicę komfortu zakres.

Istnieje jednak szereg możliwości pośredniego wykorzystania efektu chłodzącego podczas nawilżania adiabatycznego – gdzie wilgotność powstałego powietrza nie jest istotna, a interesuje nas jedynie niska temperatura.

Dotyczy to w pełni powietrza chłodzącego skraplacz lub chłodnicę suchą agregatów chłodniczych. Dzięki instalacji natryskowej możliwe jest obniżenie temperatury skraplania czynnika chłodniczego nawet o 10°C, a co za tym idzie zwiększenie efektywności energetycznej układu klimatyzacji nawet o 30%.

Innym obszarem zastosowań nawilżania adiabatycznego jest chłodzenie strumienia spalin przed sekcją odzysku centrali wentylacyjnej w okresie ciepłym. W wyniku nawilżania do rekuperatora dostaje się zimniejsze powietrze, dzięki czemu możliwe staje się uzyskanie zimniejszego powietrza nawiewanego na wylocie.

Jak pokazuje praktyka i obliczenia, wprowadzenie sekcji nawilżania przed rekuperatorem pozwala zaoszczędzić ponad 50% wydajności chłodniczej niezbędnej do schłodzenia powietrza nawiewanego, co będzie miało pozytywny efekt ekonomiczny zarówno pod względem kosztów kapitałowych urządzeń chłodniczych oraz pod względem kosztów eksploatacji energii elektrycznej i zasilania systemu klimatyzacji.

Z powyższego wynika, że chcąc uzyskać energooszczędne rozwiązania z zakresu systemów klimatyzacji, zawsze należy mieć na uwadze takie narzędzie jak adiabatyczne nawilżanie powietrza.

Jurij Chomucki, redaktor techniczny magazynu Climate World

W artykule wykorzystano metodologię Naukowo-Badawczego Instytutu Inżynierii Sanitarnej do obliczenia adiabatycznego układu nawilżania z wykorzystaniem dysz.

Do 35–40% całej energii zużywanej przez centrum danych jest wydawane na chłodzenie szaf serwerowych i systemów inżynieryjnych. Adiabatyczna zasada chłodzenia centrum danych pozwala na znaczną redukcję zużycia energii w porównaniu z tradycyjnymi systemami. Ekonomiczny sposób chłodzenia centrum danych zostanie wdrożony w centrum danych DataPro w Moskwie.

Pogoda w centrum danych

W ostatnich latach znacznie wzrosła gęstość rozmieszczenia sprzętu w centrach danych, a wraz z nią wzrosły również koszty energii. W rosyjskich komercyjnych centrach danych jedna szafa zużywa średnio od 3 do 10 kW - trzeba z niej usunąć w przybliżeniu taką samą ilość ciepła. Jednocześnie najbardziej znaczący „wkład” w ogólny krajobraz zużycia energii mają systemy chłodzenia: ich udział sięga 35–40%.

Starając się zoptymalizować tradycyjną konstrukcję, eksperci podjęli próbę usunięcia ciepła poprzez zastosowanie bardziej wydajnych czynników chłodniczych i dobór optymalnych parametrów pracy systemu. Były to jednak półśrodki, które nie pozwalały na osiągnięcie znaczących oszczędności.

Najbardziej energochłonnym elementem tradycyjnego obiegu chłodniczego są sprężarki i skraplacze. Wyeliminowanie tych elementów w połączeniu z wykorzystaniem zimnego powietrza zewnętrznego (freecooling to naukowa nazwa zastosowania freecoolingu) było pierwszym rewolucyjnym krokiem w kierunku zoptymalizowanego, energooszczędnego układu chłodzenia. Podejście to zostało przyjęte w wielu centrach danych na całym świecie. Zasada darmowego chłodzenia jest obecnie szeroko stosowana w wielu centrach danych w Rosji - głównie w tych regionach, gdzie temperatura za oknem pozostaje niska przez wiele miesięcy. Oczywiście zastosowanie takiej technologii jest całkiem uzasadnione w Murmańsku czy Norylsku. Ale czy możliwe jest zbudowanie energooszczędnego centrum danych w gorącym klimacie? W przypadku rosyjskich centrów danych problem ten również nie jest bezczynny, ponieważ w miesiącach letnich na środkowych, a nawet północnych szerokościach geograficznych temperatura powietrza może być dość wysoka.

Gorące chłodzenie

Centrum danych „Merkury” firmy eBay

Paradoksalnie, na całym świecie można znaleźć wiele przykładów centrów danych zlokalizowanych w gorącym klimacie – w warunkach znacznie bardziej ekstremalnych niż w Rosji. Przykładowo eBay zbudował centrum danych Mercury w amerykańskim mieście Phoenix w Arizonie – na gorącej pustyni, gdzie latem termometr osiąga 50 st. C. I to pomimo tego, że liczą się takie czynniki jak ciągłość i czas reakcji aplikacji niezwykle ważne dla biznesu eBay na prośbę użytkowników na całym świecie - co sekundę na portalu tej firmy dokonywany jest ogromny wolumen transakcji na łączną kwotę około 2 tysięcy dolarów. Oznacza to, że niezawodność wszystkich systemów centrów danych jest na pierwszym miejscu na liście priorytetów. Wydawałoby się, że w celu schłodzenia takiego centrum danych rozsądniej byłoby zlokalizować je na północnych szerokościach geograficznych.

A jednak eBay zbudował swoje centrum danych w Arizonie i nie zawiódł. Wydawać by się mogło, że wykorzystanie powietrza zewnętrznego nie wchodzi w grę. Jednak po przeanalizowaniu wszystkich dostępnych opcji zmniejszenia zużycia energii eksperci eBay doszli do wniosku, że bezpłatne chłodzenie najlepiej zapewni wymaganą wydajność nowego centrum danych na pustyni. Sekret polega na tym, że w tym obiekcie zastosowano nawilżanie adiabatyczne w połączeniu z freecoolingiem.

Od morza wiał wiatr

Od dawna zauważono, że powietrze napływające znad morza jest chłodniejsze niż wiatr stepowy wiejący w kierunku akwenu. W starożytnym Rzymie domy chłodzono w ten sposób: pod otwartymi oknami znajdował się basen z fontanną: przepływając nad wodą, powietrze schładzało się w wyniku jej parowania.

Mokre wieże chłodnicze również opierają się na tej zasadzie, jednej z najstarszych metod chłodzenia aktywnie wykorzystywanej w produkcji. Zasada działania tych systemów opiera się na schładzaniu wody strumieniem powietrza wdmuchiwanego przez jej powierzchnię.
Bardziej zaawansowaną wersję tego procesu stosuje się w układach adiabatycznego chłodzenia powietrza.

Ekonomia zagadnienia

Chłodzenie adiabatyczne centrum danych to niedrogi i niezawodny system, który nie wymaga skomplikowanych jednostek i nie wymaga redundantnych komponentów. Do wdrożenia nawilżania adiabatycznego praktycznie nie jest wymagana energia elektryczna – zużywana jest jedynie woda. Dzięki temu koszt schłodzonego powietrza jest niski, co przy prawidłowym użytkowaniu może znacznie poprawić efektywność energetyczną systemów klimatyzacyjnych.

Ogólnie rzecz biorąc, urządzenia nowoczesnych centrów danych dobrze wytrzymują zarówno wyższe temperatury, jak i podwyższoną wilgotność powietrza. Jako dopuszczalne wartości graniczne przyjęto parametry zalecane przez ASHRAE (Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa, Chłodnictwa i Klimatyzacji). Pierwsza edycja tych zaleceń, opublikowana w 2004 r., ustaliła górną granicę na 25 stopni Celsjusza przy wilgotności 40%, natomiast druga (2008 r.) ustaliła górną granicę na 27 stopni Celsjusza przy wilgotności na poziomie 60%. W rekomendacjach na rok 2011 pojawiły się dwie nowe klasy sprzętu dla centrów danych – A3 i A4 z zakresem temperatur do 40 i 45 stopni. Chociaż takie „gorące” chłodzenie nie jest jeszcze powszechne, miłośnicy innowacji aktywnie zaczynają z niego korzystać. Dzięki temu możemy znacznie rozszerzyć geografię stosowania „zielonego” chłodzenia.

Chłodzenie adiabatyczne nie zawsze jest wymagane – tylko w najgorętszych miesiącach. W zimnych porach roku chłodzenie odbywa się za pomocą powietrza zewnętrznego. Jeszcze do niedawna systemy chłodzenia adiabatycznego były stosowane głównie w regionach o klimacie suchym i gorącym. Jednak ostatnie osiągnięcia producentów sprzętu do kontroli klimatu wykazały ogromny potencjał stosowania adiabatycznych systemów chłodzenia w regionach Europy o klimacie umiarkowanym.

Należy zauważyć, że ani początkowa temperatura wody, ani temperatura powietrza, w przeciwieństwie do wilgotności, nie mają praktycznie żadnego wpływu na proces, wyjaśnia Michaił Balkarow, ekspert techniczny w Emerson Network Power. - Jeśli więc centrum danych znajduje się na pustyni, ale jednocześnie ma źródło wody, efektem jest w pełni efektywny system. Ale jeśli pada deszcz przy temperaturze powietrza plus 25 stopni Celsjusza, to niestety nie będzie możliwe wydobycie chłodzenia z systemu, ponieważ podczas deszczu wilgotność powietrza zewnętrznego jest bliska 100%.

Michaił zauważa, że należy wziąć pod uwagę lokalne anomalie wilgotności występujące w pobliżu dużych zbiorników wodnych. Ponadto w regionach Rosji o zmiennej pogodzie może okazać się konieczne posiadanie dwóch systemów jednocześnie - tradycyjnego i alternatywnego, co znacznie zwiększy wielkość inwestycji kapitałowych i może zniweczyć wszelkie próby oszczędzania pieniędzy.

Wadą metody chłodzenia adiabatycznego jest także wzrost wilgotności powietrza. Mogą istnieć obawy, że wilgoć będzie stanowić zagrożenie dla wrażliwego sprzętu elektronicznego w centrum danych. Jeden z przykładów takiego zdarzenia omówiono poniżej (patrz rozdział „Facebook w deszczu”).

Wśród innych wad układu chłodzenia adiabatycznego ekspert zwraca uwagę na zużycie wody i konieczność jej przygotowania. „Woda zużywana jest około 2 l/h na 1 kW/h w szczycie zużycia i średnio około 0,3 l/h w ciepłym sezonie” – mówi Balkarov. „To znaczne pieniądze, a biorąc pod uwagę koszty sprzątania, są one jeszcze większe”.

Oczyszczanie wody jest konieczne – podkreśla Michaił Bałkarow, ponieważ po odparowaniu wszystkie minerały trafiają do powietrza w postaci drobnego pyłu. „A jeśli w przypadku wież chłodniczych jest to dość tani proces związany z zgrubnym czyszczeniem – czyszczenie ma głównie na celu zapobieganie tworzeniu się kamienia – to wtedy dysze w układzie adiabatycznym wymagają mikrofiltrów i filtracji osmotycznej” – wyjaśnia ekspert. Zwiększają się więc nie tylko koszt systemu, ale także koszty operacyjne.

Stosując chłodzenie adiabatyczne, należy pamiętać, że trzeba będzie także rozwiązać problemy zaopatrzenia w wodę, odprowadzania wody i uzdatniania wody, co z kolei przełoży się na problemy architektury i konstrukcji budowlanych. Nie zapomnij o kosztach wody. Choć jego cena nie jest porównywalna z ceną prądu, to stale rośnie.

Współczynnik WUE

Zastosowanie systemów chłodzenia adiabatycznego zmniejsza PUE i zużycie energii, ale zużycie wody może być bardzo wysokie. Dlatego też organizacja Green Grid w marcu 2011 roku wprowadziła kolejny parametr charakteryzujący zużycie wody użytkowej w centrum danych – współczynnik WUE (Water Usage Effectiveness). Współczynnik oblicza się ze wzoru:

WUE = roczne zużycie wody/moc sprzętu IT

Jednostką miary WUE jest l/kWh.

Facebook stał się pierwszym operatorem centrum danych, który otwarcie podzielił się znaczeniem WUE. W centrum danych zlokalizowanym w Prineville w drugiej połowie 2011 roku parametr ten wyniósł 0,22 l/kWh.

Ogólnie rzecz biorąc, zastosowanie chłodzenia adiabatycznego pozwala na osiągnięcie wysokiej efektywności energetycznej centrum danych: współczynnik PUE może osiągnąć wartość 1,043, ze względu na fakt, że urządzenia pomocnicze, w tym układ chłodzenia, nawet w lecie zużywają jedynie ok. 4% energii centrum danych, a zimą jeszcze mniej (zimą okres PUE wynosi ok. 1,018). Sprawność układów sprężarkowo-kondensacyjnych opartych na chillerach czy klimatyzatorach DX jest znacznie niższa, dla nich PUE=1,3 to wynik doskonały.

Wspomniane na początku artykułu centrum danych Mercury o powierzchni 12 600 metrów kwadratowych i mocy 4 MW działa już od ponad roku. Zastosowanie darmowego chłodzenia w połączeniu z adiabatycznym chłodzeniem wyparnym w tym centrum danych udowodniło swoją skuteczność.

Centra danych Facebooka

System chłodzenia adiabatycznego w centrum danych Facebooka

Kolejnym uderzającym przykładem zastosowania nowych technologii chłodzenia są centra danych Facebooka. Facebook zbudował swoje pierwsze centrum danych w amerykańskim mieście Prineville w 2010 roku. Rok później w Forest City w Karolinie Północnej zbudowano drugie, redundantne centrum danych. Miejsca te mają współczynnik PUE wynoszący 1,07 dla centrum danych Prineville i 1,09 dla centrum danych Forest City. Udało się to osiągnąć jedynie dzięki zmniejszonym stratom podczas przesyłu i konwersji energii elektrycznej, a także wyższym temperaturom powietrza roboczego wewnątrz centrum danych (dopuszczalne +35°C w szafach w zimnym korytarzu).

Centra danych posiadają tradycyjny system chłodzenia, jednak stosowany jest on jedynie w sytuacjach awaryjnych. Głównym systemem klimatyzacji jest bezpośredni free-cooling z kilkoma komorami przygotowania powietrza, przez które przechodzi powietrze zewnętrzne.

Początkowo powietrze z zewnątrz pobierane jest czerpniami drugiej kondygnacji i trafia do komory przygotowawczej, gdzie jest filtrowane i mieszane z gorącym powietrzem. Następnie powietrze przechodzi przez panele chłodnicze. Stanowią komorę nawilżającą z dużą liczbą rur, które rozpylają za pomocą dysz wodę destylowaną pod wysokim ciśnieniem, zwiększając w ten sposób wilgotność i obniżając temperaturę wdmuchiwanego powietrza. Aby zapobiec przewodzeniu prądu przez drobno rozproszoną wilgoć, stosuje się wodę destylowaną. W dalszej części ścieżki powietrza znajdują się filtry membranowe, które oddzielają duże cząsteczki wilgoci. Powietrze jest następnie kierowane przez potężne wentylatory do maszynowni. Ścieki gromadzone są w specjalnym zbiorniku i oczyszczane.

Facebook w deszczu

Pewnego dnia w chłodni centrum danych Facebooka w Prineville utworzyła się chmura wilgoci, która dosłownie pokryła serwerownie wraz z ich (przepraszam za grę słów) „chmurą” przetwarzania danych.

W 2001 roku w tym centrum danych wystąpił problem z systemem sterowania, który spowodował, że temperatura powietrza używanego do chłodzenia serwerów osiągnęła ponad 26 stopni Celsjusza, a wilgotność przekroczyła 95%. W rezultacie zaczęła gromadzić się kondensacja i utworzyła się chmura deszczowa, wypełniając całą przestrzeń sprzętem komputerowym. Nie można było uwierzyć w to, co się działo. Zaczęliśmy dzwonić do naszych kolegów z centrum eskalacji problemów, ale przez długi czas nie mogli zrozumieć, o jakim rodzaju chmury deszczowej mówimy? Łatwiej było ich przekonać, że na Marsie kwitły jabłonie, niż przekonać ich do bajki o deszczu.

Aby oszczędzać energię elektryczną, Facebook zamiast tradycyjnego systemu wykorzystał do chłodzenia centrum danych powietrze zewnętrzne. Jednak po awarii układu sterowania ogrzane powietrze o niskim poziomie wilgoci zaczęto recyrkulować przez układ chłodzenia oparty na parowniku wodnym.

Doprowadziło to do tego, że powietrze stało się bardzo wilgotne i utworzyła się chmura, co spowodowało wiele kłopotów. Niektóre serwery były całkowicie niesprawne: specjaliści przebywający w centrum danych mogli obserwować, jak serwery iskrzyją i pracują. Nie można było sobie wyobrazić nic gorszego. Jednak incydent się nie powtórzył: specjaliści Facebooka starannie odizolowali styki, w których serwery były podłączone do zasilaczy, chroniąc je przed wilgocią.

A co w Rosji?

Systemy chłodzenia adiabatycznego nie są jeszcze w Rosji zbyt popularne, jednak eksperci uważają, że w nadchodzących latach projektanci centrów danych będą się nimi coraz bardziej interesować. Powodem tego jest ustawa federalna FZ-261, która ustala rygorystyczne limity zużycia energii i wymaga zwiększenia efektywności energetycznej o 40% do 2020 roku. Jedynym możliwym scenariuszem, który zaspokoi takie wymagania, jest przejście na chłodzenie swobodne w połączeniu z chłodzeniem adiabatycznym. A pierwsze przykłady takich wdrożeń już istnieją. W szczególności ta zasada chłodzenia zostanie zastosowana w nowym centrum danych DataPro budowanym w Moskwie.

Projekt tego obiektu zakłada zastosowanie ekonomicznego rozwiązania zapewniającego niezbędne warunki klimatyczne - modułowego systemu EcoBreeze firmy Schneider Electric. Firma DataPro planuje realizację największej instalacji tego systemu w Europie we własnym mega-centrum danych w Moskwie przy ulicy Awiamotornej – obiekcie o mocy zainstalowanej 20 MW. System EcoBreeze zbudowany jest w oparciu o zasadę mokrej wieży chłodniczej (forma technologii chłodzenia adiabatycznego) w połączeniu z chłodzeniem swobodnym, co omówiono w tym artykule. W Moskwie, gdzie taryfy za prąd są wysokie, zastosowanie tego systemu pozwoli na znaczne oszczędności w kosztach eksploatacji centrum danych.

„Rozwiązania techniczne wykorzystujące chłodzenie adiabatyczne nie można nazwać innowacyjnymi, ponieważ są z powodzeniem stosowane w wielu centrach danych za granicą” – wyjaśnia Aleksiej Soldatow. - Ale zastosowanie tej zasady w rosyjskich centrach danych jest zjawiskiem rzadkim. Instalacja EcoBreeze w naszej siedzibie w Moskwie jest jedną z pierwszych realizacji.”

Jednak w innym obiekcie, w centrum danych firmy DataPro w Twerze, do chłodzenia serwerowni i sprzętu elektrycznego stosowana jest tradycyjna zasada wykorzystująca trasy freonowe, co wynika z niskich kosztów kapitałowych i niskich stawek za energię elektryczną.

W zakładzie w Twerze stosowana jest inna wersja zasady adiabatycznej - nawilżanie izotermiczne w celu utrzymania wymaganego poziomu wilgotności w serwerowniach, o czym porozmawiamy w następnym artykule.

Zasada działania
Michaił Bałkarow. Fragment książki „Chłodzenie serwerów i centrów danych. Podstawy”, 2011.

Zasada działania adiabatycznego układu chłodzenia polega na rozpylaniu wody w postaci drobnych kropelek, które są wtryskiwane do gorącego powietrza. (Woda musi być oczyszczona z wszelkich zanieczyszczeń.) Parująca woda z powietrzem może ją schłodzić do temperatury zbliżonej do temperatury mokrego termometru.

Ściśle teoretycznie granica chłodzenia w tym procesie jest zauważalnie niższa i równa temperaturze punktu rosy. Aby skorzystać z tej możliwości, wystarczy schłodzić część powietrza początkowego do temperatury termometru mokrego poprzez odparowanie wody, a następnie wykorzystać ją do schłodzenia pozostałej części bez nawilżania. Ponadto zimne powietrze jest również nawilżane, uzyskując niższą temperaturę. Proces można powtórzyć ponownie z częścią powietrza, osiągając temperaturę bliską punktu rosy. Jedyną oczywistą trudnością techniczną w uzyskaniu możliwie minimalnej temperatury jest kilkukrotne zwiększenie wymaganej ilości nawiewanego powietrza i powierzchni wymiennika ciepła.

Układy takie wykonywane są albo na zasadzie mokrych wież chłodniczych – czyli wykorzystują dużą powierzchnię płyt pokrytych cienką warstwą wody – albo rozpylają wodę pod ciśnieniem kilkuset atmosfer, poprzez mikronowe dysze, w bardzo małych kroplach bezpośrednio do kanałów wentylacyjnych.

Następnie albo temperatura jest wymieniana z tym, co należy schłodzić, albo wilgotne powietrze jest bezpośrednio wykorzystywane do chłodzenia sprzętu. Zużycie wody wynosi około 2 kg na 1 kW/h usuniętego ciepła. Ponieważ większość wody odparowuje, wymagania dotyczące jej składu chemicznego odpowiednio rosną, co wymaga stosowania filtrów jonowymiennych lub filtrów odwróconej osmozy.

Przy stosowaniu wtryskiwaczy stawiane są rygorystyczne wymagania dotyczące zanieczyszczeń mechanicznych, wymagany jest montaż mikrofiltrów za pompą wysokociśnieniową. Powikłania te wynikają z faktu, że począwszy od określonej wielkości kropel proces parowania zachodzi bardzo szybko, przez co wielkość komory irygacyjnej ulega znacznemu zmniejszeniu.

Stosowanie dysz o większych średnicach, średniego i niskiego ciśnienia, jest łatwiejsze z punktu widzenia pracy dysz i procesu uzdatniania wody. Ale jednocześnie część wody nie bierze udziału w procesie i jest odprowadzana (krople nie mają czasu na całkowite odparowanie), ponadto wielkość komór nawilżających staje się porównywalna z resztą systemu.

Jednym ze skutecznych sposobów na zwiększenie efektywności energetycznej w centrum danych jest zastosowanie adiabatycznego chłodzenia powietrzem, które opiera się na unikalnych właściwościach wody.

Jak wiadomo, do oceny efektywności wykorzystania energii w centrach danych wykorzystuje się wskaźnik PUE (Power Usage Effectiveness) – stosunek całkowitego zużycia energii do zużycia energii przez sprzęt IT centrum danych. Istnieje również wskaźnik odwrotny - DCE (Efektywność centrum danych). Za typowe uważa się wartości PUE od 1,5 do 2,0; to drugie oznacza, że sprzęt IT zużywa jedynie 50% zużywanej energii (DCE = 0,5). W przypadku tradycyjnych układów chłodzenia mechanicznego wykorzystujących specjalistyczne klimatyzatory typu CRAC (Computer Room Air Conditioner), odpowiadają one zwykle za około 35-40% całkowitego zużycia energii.

Istnieje jednak podejście, które pozwala na znacznie bardziej efektywne wykorzystanie energii w centrum danych – adiabatyczne chłodzenie powietrzem.

Zasada metody

Chłodzenie adiabatyczne wynika z unikalnych właściwości wody, która posiada jedną z najwyższych wśród cieczy wartości ciepła utajonego parowania (584,8 kcal/kg). Jego zasada polega na rozpylaniu wody w postaci drobnych kropelek – z energetycznego punktu widzenia jest to o wiele bardziej efektywne niż chłodzenie mechaniczne (ta sama zasada występuje także w zjawiskach naturalnych). W warunkach adiabatycznych, w których całkowita zawartość energii ośrodka (wyrażona jako entalpia) pozostaje niezmieniona, przy odparowaniu 1 litra wody na godzinę, 680 W (584,8/0,86, gdzie 0,86 to współczynnik przeliczeniowy kcal/W) Ciepło jawne zawarte w powietrzu i charakteryzujące się jego temperaturą, zamienia się w ciepło utajone zawarte w powstałej parze wodnej. Przy zastosowaniu natryskowych nawilżaczy powietrza zużycie energii zewnętrznej jest stosunkowo niewielkie, ich typowa wartość wynosi zaledwie 4 W na 1 litr natryskiwanej wody, co wynika ze stosunkowo niskiego napięcia powierzchniowego wody. Zatem efektywność całego procesu chłodzenia adiabatycznego charakteryzuje się stosunkiem 680/4 = 170.

Chłodzenie bezpośrednie i pośrednie

Istnieją dwie metody chłodzenia adiabatycznego: bezpośrednie DEC (bezpośrednie chłodzenie wyparne) i pośrednie IEC (pośrednie chłodzenie wyparne); schemat ich konstruktywnej realizacji pokazano na ryc. 1. Chłodzenie bezpośrednie odbywa się poprzez rozpylanie wody po stronie dopływu. Powietrze nawiewane, schładzane poprzez odparowanie kropelek wody zawieszonych w powietrzu, dostarczane jest bezpośrednio do objętości wewnętrznej obsługiwanego obiektu. W przypadku chłodzenia pośredniego woda jest rozpylana po stronie wylotowej. Schłodzone powietrze trafia do płytowego wymiennika ciepła, gdzie ciepło jawne jest wymieniane z wydajnością około 65% bez przekazywania ciepła utajonego skupionego w parze wodnej, która powstaje w wyniku odparowania rozpylonej wody w okapie.

Warunki korzystania

Obie metody mają pewne ograniczenia w zastosowaniu, w zależności od charakterystyki ciepła i wilgotności powietrza atmosferycznego. Przy stosunkowo niskich temperaturach i niskiej wilgotności powietrza bezpośrednie chłodzenie adiabatyczne DEC znacząco rozszerza możliwości popularnej metody freecoolingu, czyli freecoolingu (FC), realizowanego bez rozpylania wody zarówno na nawiewie, jak i wywiewie. Bezpłatne chłodzenie jest możliwe pod warunkiem, że temperatura powietrza otoczenia nie przekracza temperatury wewnątrz obsługiwanego obiektu. W przypadku DEC, w wyniku adiabatycznego odparowania rozpylonej wody, temperatura powietrza wlotowego ulega dalszemu obniżeniu w stosunku do temperatury powietrza otoczenia. W ten sposób zapewnione jest chłodzenie naturalne, bez stosowania chłodzenia mechanicznego, przy temperaturach powietrza atmosferycznego nieco wyższych od temperatury wewnątrz obsługiwanego obiektu. Istnieje jednak ograniczenie związane z nasycaniem powietrza parą wodną. Towarzyszący wzrost entalpii nie powinien przekraczać wartości odpowiadających wymaganym temperaturom i wilgotności względnej wewnątrz obsługiwanego obiektu.

Natomiast chłodzenie adiabatyczne IEC jest możliwe tylko wtedy, gdy temperatura i entalpia powietrza wewnątrz obsługiwanego obiektu są niższe niż temperatura i entalpia powietrza otoczenia.

Należy także mieć na uwadze, że swobodne chłodzenie, poza powyższym ograniczeniem temperaturowym, możliwe jest jedynie wówczas, gdy wilgotność bezwzględna (zawartość wilgoci) powietrza atmosferycznego nie przekracza wartości odpowiadającej wymaganej temperaturze i wilgotności względnej wewnątrz obsługiwanego obiektu. obiekt.

Stąd udział chłodzenia mechanicznego (Mechanical Cooling, MC) pozostaje jedynie taką kombinacją charakterystyk cieplno-wilgotnościowych powietrza atmosferycznego, gdy jednocześnie zarówno jego temperatura, jak i wilgotność bezwzględna przekraczają wartości odpowiadające wartościom wymaganym temperatury i wilgotności względnej wewnątrz obsługiwanego obiektu.

Optymalne wartości temperatury i wilgotności względnej w centrach danych są określone w zaleceniach ASHRAE TC 9.9 (wydanie 2008) i wynoszą odpowiednio 230°C i 60%. Na ryc. Rysunek 2 przedstawia diagram i-d odzwierciedlający wymienione powyżej ograniczenia, z uwzględnieniem tych wartości, co wyraźnie pokazuje obszary preferencyjnego wykorzystania różnych metod chłodzenia centrów danych.

Analiza porównawcza zużycia energii

Przeprowadziliśmy ocenę porównawczą zużycia energii przy zastosowaniu różnych metod chłodzenia centrów danych (wyniki tych obliczeń zestawiono w tabeli). Założono, że klimatyzatory CRAC stosowane w układzie chłodzenia mechanicznego posiadają współczynnik COP (współczynnik wydajności, charakteryzujący stosunek wydajności chłodniczej do poboru mocy) o wartości 2,8, podobnie jak większość modeli urządzeń dostępnych na rynku. Zakłada się, że zużycie energii przez jednostki odwróconej osmozy (RO) stosowane w systemach uzdatniania wody wynosi 2,4 W/(l/h), co odpowiada wartościom typowym.

Przykładami centrów danych, w których z powodzeniem zastosowano chłodzenie adiabatyczne, są HP Wynyard Park (Middlesbrough, Wielka Brytania; działa od kwietnia 2009 r., osiągnięto wartość PUE 1,2) i centrum danych Fujitsu (Norymberga, Niemcy; działa od lutego 2010 r., osiągnięto wartość PUE 1,25). W obu przypadkach redukcja kosztów energii na potrzeby systemów chłodzenia centrów danych wyniosła około 95% (tj. rzeczywiste koszty stanowią około 5% kosztów chłodzenia mechanicznego), co w pierwszym przykładzie zapewniło roczne oszczędności w wysokości 4,16 mln USD. te liczby mówią same za siebie.

Pogoda w centrum danych

Gorące chłodzenie

Centrum danych „Merkury” firmy eBay

Od morza wiał wiatr

Bardziej zaawansowaną wersję tego procesu stosuje się w układach adiabatycznego chłodzenia powietrza.

Ekonomia zagadnienia

Chłodzenie adiabatyczne nie zawsze jest wymagane – tylko w najgorętszych miesiącach. W zimnych porach roku chłodzenie odbywa się za pomocą powietrza zewnętrznego. Jeszcze do niedawna systemy chłodzenia adiabatycznego były stosowane głównie w regionach o klimacie suchym i gorącym. Jednak ostatnie osiągnięcia producentów sprzętu do kontroli klimatu wykazały ogromny potencjał stosowania adiabatycznych systemów chłodzenia w regionach Europy o klimacie umiarkowanym.

Oczyszczanie wody jest konieczne – podkreśla Michaił Bałkarow, ponieważ po odparowaniu wszystkie minerały trafiają do powietrza w postaci drobnego pyłu. „A jeśli w przypadku wież chłodniczych jest to dość tani proces związany z zgrubnym czyszczeniem – czyszczenie ma głównie na celu zapobieganie tworzeniu się kamienia – to wtedy dysze w układzie adiabatycznym wymagają mikrofiltrów i filtracji osmotycznej” – wyjaśnia ekspert. Zwiększają się więc nie tylko koszt systemu, ale także koszty operacyjne.

Współczynnik WUE

WUE = roczne zużycie wody / wydajność sprzętu IT

Jednostką miary WUE jest l/kWh.

Centra danychFacebook

System chłodzenia adiabatycznego w centrum danychFacebook

Facebook w deszczu

A co w Rosji?

Zasada działania

Michaił Bałkarow. Fragment książki”Chłodzenie serwerowni i centrów danych. Podstawy.”, 2011

Opis:

Oczywistym jest, że nawet w obrębie jednej strefy, w której ludzie podejmują wysiłek fizyczny, systemy klimatyzacji należy projektować z uwzględnieniem faktu, że w obrębie takiej strefy wydzielone są odrębne obszary przeznaczone do różnych rodzajów aktywności fizycznej i należy zapewnić dla nich oczyszczanie powietrza. zorganizowane w szczególny sposób.

Komfort klimatyczny w centrach fitness

Chłodzenie adiabatyczne z odzyskiem ciepła

Centra fitness stanowią odrębne obiekty lub wchodzą w skład różnych wielofunkcyjnych kompleksów (baseny, hotele itp.). W ostatnich latach coraz częściej pod centra fitness przeznacza się dość duże powierzchnie (do 5 tys. m2). W centrach fitness znajdują się nie tylko siłownie, ale także baseny, strefy relaksu z urządzeniami do hydromasażu, solaria, sauny, łaźnie tureckie, a także restauracje i bary.

Zwykle takiego podziału dokonuje się już na etapie sporządzania ogólnego planu obiektu, ponieważ niektóre rodzaje ćwiczeń fizycznych po prostu nie są ze sobą kompatybilne: na przykład aerobik, gdzie w stosunkowo małym pomieszczeniu znajduje się wiele osób, a ćwiczenia na sprzęcie sportowym, które odbywają się w bardziej przestronnych salach, gdyż oprócz przestrzeni dla ćwiczących potrzebna jest przestrzeń na same urządzenia do ćwiczeń. Innym specyficznym rodzajem ćwiczeń są ćwiczenia na rowerach treningowych, gdzie głównym problemem jest odprowadzanie wilgoci, biorąc pod uwagę dużą ilość ciepła utajonego przez sportowców.

Dane projektowe

Każda strefa centrum fitness charakteryzuje się odmiennym obłożeniem i rodzajem wysiłku fizycznego, co wpływa na obliczone parametry mikroklimatu. Na ryc. Na rycinie 1 przedstawiono dynamikę wahań temperatury powietrza w zależności od rodzaju aktywności fizycznej i ubioru sportowców o współczynniku izolacji termicznej 0,1 clo (bardzo lekki), 0,5 (lekki) i 0,9 (ciężki) (w skrócie clo – jednostka termoizolacji). izolacja odzieży).

Obciążenie termiczne wytwarzane przez człowieka zależy również od wykonywanych ćwiczeń fizycznych. W tabeli przedstawiono parametry średniego wskaźnika metabolicznego (Met) (wydzielanego ciepła człowieka) podczas różnych rodzajów ćwiczeń. Wartość 1 Met odpowiada 58 W/m2. Oprócz rodzaju wysiłku fizycznego na wytwarzanie ciepła wpływa również intensywność wysiłku. U osób niewytrenowanych i nie przyzwyczajonych do dużych obciążeń wydzielanie ciepła zwykle zbliża się do maksimum – organizm uwalnia najwięcej ciepła, najczęściej w formie utajonej (w postaci pocenia się), co stanowi kompensację termiczną i wykorzystanie wzrostu temperatura spowodowana napięciem mięśni. Z reguły ćwiczenia wymagające ekstremalnego napięcia nie są długie i powinny być odpowiednio naprzemienne w trakcie sesji. Jeśli weźmiemy np. salę rowerów treningowych, gdzie średni czas zajęć wynosi od 20 do 40 minut, to okres maksymalnego stresu, w którym wydziela się największa ilość ciepła, trwa nie dłużej niż 5–10 minut.

Skuteczność odprowadzania ciepła fizycznego, w szczególności ciepła utajonego, w dużej mierze zależy od poziomu wilgotności względnej powietrza w pomieszczeniu. W rezultacie, przy równym obciążeniu fizycznym, osoba przebywająca w pomieszczeniu o niższej wilgotności względnej powietrza poci się mniej niż osoba ćwicząca w pomieszczeniu o większej wilgotności, gdyż w pierwszym przypadku powietrze jest mniej nasycone i bardziej skłonni do pochłaniania pary wodnej wydzielanej przez ludzką skórę.

W takich okolicznościach szczególnie istotna jest regulacja poziomu wilgotności na sali gimnastycznej.

Tabela 1

Rodzaj wysiłku fizycznego	Met (1 Met = 58 W/m2)
Aparatura treningowa	3–4
Tańce nowoczesne i ludowe	4–5
Trening fizyczny	4–6
Tenis	5–7
Aerobik	6–8
Bieganie 15 km/h	9
Bieganie 12 km/h	8
Bieganie 9 km/h	7
Sztuki walki, boks	7–9
Rower treningowy	8–10

Kolejnym ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest prędkość powietrza, gdyż od niej zależy szybkość wymiany ciepła pomiędzy ciałem człowieka a powietrzem w pomieszczeniu, biorąc pod uwagę rodzaj aktywności fizycznej. W tym względzie warto posłużyć się kryterium oceny zaproponowanym przez P. Ole Fangera, profesora Politechniki Duńskiej, który w szczególności zauważa: „Stan komfortu zależy bezpośrednio od średniej temperatury skóry i energia cieplna wydzielana przez organizm w postaci wydzielania płynów, zachodząca głównie poprzez mechanizm pocenia się.

Całkowita produkcja ciepła osoby ćwiczącej w odpowiednim stroju sportowym wynosi 390 W, z czego 135 W to ciepło jawne, a 255 W to ciepło utajone (ryc. 2). Biorąc pod uwagę, że ciepło parowania wynosi 2501 J/g, wartość 255 W odpowiada wyzwoleniu pary wodnej w ilości 367 g/h na osobę.

Parametry projektowe

Na podstawie powyższego i biorąc pod uwagę przeznaczenie poszczególnych sal przeznaczonych do uprawiania różnych dyscyplin sportowych, można określić minimalne parametry projektowe dotyczące objętościowego przepływu powietrza dla poszczególnych pomieszczeń. Obliczając wymianę powietrza, należy wziąć pod uwagę ilość pary wodnej powstałej w wyniku pocenia się, liczbę ćwiczących osób oraz specyficzny rodzaj ćwiczeń. Obliczanie przepływu objętościowego wyłącznie na podstawie danych o wymaganej wymianie powietrza (zwykle od 60 do 120 m 2 / h na osobę) tutaj nie wystarczy, ponieważ konieczne są korekty ze względu na odprowadzanie wilgoci i zapotrzebowanie na ciepło. Po określeniu całkowitej objętości wilgoci uwolnionej w pomieszczeniu (qmv, wyrażonej w g/h), objętościowe natężenie przepływu powietrza potrzebne do usunięcia wilgoci z powietrza wyznacza się jako różnicę pomiędzy wilgotnością bezwzględną powietrza wewnętrznego i nawiewanego oblicza się według wzoru:

q ma = q mu / x a – x m, kg/h,

V a = q ma / p a, m 3 / godz.

Ilość powietrza potrzebna do zneutralizowania fizycznego obciążenia cieplnego (q s) określana jest na podstawie różnicy pomiędzy temperaturą powietrza wewnętrznego i nawiewanego i obliczana ze wzoru:

V a = q s (fizyczne obciążenie cieplne) / 0,34 ∆t, m 3 /h.

Warto zaznaczyć (swoją drogą bardzo często pomija się tę okoliczność), że organizm ludzki podczas długotrwałego wysiłku fizycznego zużywa w zauważalnych ilościach tlen z powietrza. Zatem im intensywniejszy sport, do uprawiania danego pomieszczenia, tym ważniejsze jest zapewnienie wymaganej wymiany powietrza, niezależnie od tego, na ile rzeczywiste parametry cieplne i wilgotnościowe pomieszczenia odpowiadają wymaganiom regulacyjnym lub danym obliczeniowym. Aby zapewnić niezbędny komfort, pomieszczenia siłowni w trybie pracy muszą być stale zaopatrzone w stały dopływ powietrza zewnętrznego.

Specjalny sprzęt

W przypadku centrów fitness z klimatyzacją szczególnie interesujące są specjalnie zaprojektowane systemy uzdatniania powietrza. Sprzęt ten ma wiele charakterystycznych cech konstrukcyjnych:

Zapewnia moc chłodzenia i odprowadzanie wilgoci w ilościach niezbędnych dla danego rodzaju wysiłku fizycznego;

Istnieje możliwość precyzyjnego dostosowania parametrów mikroklimatu w zależności od wykonywanych ćwiczeń fizycznych, gdy wartości objętościowego przepływu powietrza oraz parametrów cieplno-wilgotnościowych powietrza nawiewanego dobiera się w zależności od ciepła jawnego i utajonego, które ma zostać usunięte.

Sprzęt ten charakteryzuje się obniżonym zużyciem energii dzięki dwóm nowoczesnym technologiom:

Odzysk ciepła z powietrza wywiewanego za pomocą dwóch krzyżowych wymienników ciepła, które są zainstalowane szeregowo i działają w przeciwprądzie;

Adiabatyczny układ chłodzenia połączony z układem chłodzenia opartym na cyklu chłodniczym.

Przepływ powietrza przez te urządzenia waha się od 1200 do 27 000 m 2 /h, całkowite obciążenie chłodnicze (układ adiabatyczny plus agregat chłodniczy) waha się od 6,6 do 159 kW.

Mówimy o całkowicie niezależnych systemach, dostarczanych w komplecie z osprzętem elektrycznym i automatycznym układem sterowania. Wentylatory nawiewno-wywiewne posiadają wysokowydajny, swobodnie obracający się wirnik z zakrzywionymi łopatkami, zamontowany bezpośrednio na wale silnika elektrycznego, którego prędkość obrotową reguluje oddzielny falownik. Działanie całego systemu regulują specjalne czujniki wibracji. Filtry workowe (klasa EU4) instalowane są na ssaniu (powietrza zewnętrznego i wywiewanego), można je łatwo zdemontować, okresy międzyobsługowe przestrzegane są na podstawie odczytów czujnika różnicy ciśnień umieszczonego na głównym panelu elektrycznym.

System odzysku ciepła z powietrza wywiewanego oparty jest na dwóch płytowych wymiennikach krzyżowych zamontowanych w linii.

Jednostka regeneracyjna pozwala na wyjątkowo niskie straty obciążenia przy jednoczesnym zwiększeniu współczynnika przenikania ciepła i efektywności odzysku energii aż do 75%. Taca zbierająca kondensat z wymuszonym spustem wykonana jest z polipropylenu. Adiabatyczne chłodzenie powietrzem polega na rozpylaniu wody na powierzchnię wymienników wodnych i powoduje spadek temperatury o około 10°C. Instalacja wyposażona jest w dysze, system regulacji poziomu wody, zawór doprowadzający i spustowy wody, pompę recyrkulacyjną, filtr, system podmiany wody oraz automatyczny cykl mycia.

Tryby pracy

Na ryc. Ryciny 3–7 przedstawiają tryby pracy tego sprzętu w różnych porach roku. Na ryc. Rysunek 3 przedstawia tryb z pełnym odzyskiem ciepła, zapewniający letnie chłodzenie lub zimowe ogrzewanie powietrza w pomieszczeniu. W okresie przejściowym instalację można uruchomić w trybie z częściowym odzyskiem ciepła poprzez obejście (bypass) określonej ilości powietrza z wymiennika ciepła (rys. 4) lub w trybie pełnego naturalnego chłodzenia w okresie przejściowym lub nocnym poprzez całkowite obejście (bez odzysku ciepła) gdy największa objętość zwiększa przepływ powietrza aż o 10% (rys. 5).

Latem stosuje się adiabatyczny układ chłodzenia (rys. 6), który przy wysokich temperaturach zewnętrznych można zintegrować z układem chłodzenia i osuszania poprzez obieg chłodniczy (rys. 7).

Przetłumaczone skrótami z magazynu RCI.

Tłumaczenie z języka włoskiego S. N. Bulekova.