Анализ технических решений по использованию свободного охлаждения (фрикулинга) на базовых станциях сотовой связи

В настоящее время существенное замедление роста бизнеса мобильных операторов за счет голосовых услуг и опережающий рост затрат на передачу данных над выручкой от этого рода деятельности вынуждают операторов все внимательнее рассматривать пути снижения операционных затрат как средство поддержания прибыльности своих предприятий.  

     Из-за стремительного роста тарифов на электроэнергию (с 2006 г. по 2011 г. более чем в 2 раза) с каждым годом удельный вес расходов на нее в общих затратах на эксплуатацию сетей существенно увеличивается. Что касается базовых станций, то свыше 30…40% потребляемой ими электроэнергии приходится на системы охлаждения, что заставляет операторов обратить на эту составляющую более пристальное внимание.  

     В настоящей статье мы рассмотрим современные технические решения по охлаждению оборудования связи на базовых станциях за счет холода окружающей среды – так называемое свободное (естественное) охлаждение или фрикулинг. Слово «фрикулинг» сейчас часто употребляется, но не всегда одно и то же слово означает одинаковые понятия. Мы попробуем разобраться в разнице между «фрикулингами» и понять какие есть плюсы и минусы у того или иного технического решения, которые применяются на российском рынке.  

     Впервые фрикулинг начал применяться на базовых станциях достаточно давно, больше 10 лет назад. В то время стали использовать моноблочные энергосберегающие кондиционеры таких производителей как Emerson, STULZ, RC Group и т. д. Экономия электроэнергии тогда особо никого не волновала, а использование кондиционеров со встроенной системой фрикулинга было обусловлено желанием применить оборудование с большими ресурсом и вандалоустойчивостью, чем сплиты.  

     Уже в процессе эксплуатации было замечено, что кондиционеры такого типа обеспечивают низкое годовое энергопотребление за счет применения технологий free cooling (фрикулинг) или fresh air cooling (фреш эйр кулинг). Её смысл заключается в следующем: охлаждение оборудования базовой станции происходит за счет подачи в помещение более холодного наружного воздуха при соответствующих погодных условиях. В жару и при теплой погоде фрикулинг не работает, и тогда охлаждение базовой станции производится за счет работы холодильного контура кондиционера.  

     На рисунке 1 приведены схемы движения воздушных потоков при фрикулинге в кондиционерах серии «Мистраль-телеком» производства ООО «ВЕНТСПЕЦСТРОЙ» с нижней и верхней подачей воздуха. Заслонка клапана фрикулинга имеет пропорциональный привод, который позволяет задавать ей любое положение, тем самым, обеспечивая смешение потоков теплого воздуха из помещения и холодного воздуха с улицы для предотвращения образования конденсата на выходе воздуха из кондиционера при низких температурах наружного воздуха. В случае отсутствия необходимости в естественном охлаждении заслонка закрывает сообщение с окружающей средой.  

     Подача холодного воздуха с улицы осуществляется с помощью того же вентилятора, который работает при использовании компрессорного охлаждения. Кондиционеры этого типа разрабатывались на базе прецизионных кондиционеров, в них применяются вентиляторы с большей производительностью, чем у сплитов при той же холодопроизводительности. Это означает, что в режиме фрикулинга, такой кондиционер может подавать в помещение значительное количество наружного воздуха. Изменение расхода воздуха в таких изделиях осуществляется с помощью высокоэффективных электронно-коммутируемых вентиляторов, работающих на постоянном токе 48В. Вентиляторы позволяют плавно изменять скорость вращения от 30 до 100%. Раскрутка вентилятора на 100% происходит только лишь в случае крайней необходимости. В остальное время логикой управления энергосберегающего кондиционера отдается предпочтение режиму фрикулинга с минимально возможным для текущих условий расходом воздуха.  

     Многолетняя эксплуатация этих кондиционеров подтвердила эффективность и надежность применения системы фрикулинга, состоящей из штатного вентилятора кондиционера с изменяемой скоростью вращения и клапана фрикулинга с заслонкой, позволяющей регулировать температуру приточного воздуха и не допускать ее понижения до критических значений в холодное время года.  

  

Рис. 1. Фрикулинг в кондиционерах «Мистраль-телеком».
  

     Резюмируя достоинства и недостатки данного решения, можно сказать следующее.  

     Плюсы:  

  • большая холодопроизводительность (расход воздуха);
  • высокая надежность;
  • большой ресурс (10…12 лет);
  • низкое энергопотребление;
  • наличие режима аварийного охлаждения с помощью фрикулинга при пропадании основного питания;
  • возможность мониторинга и дистанционного управления;
  • вандалоустойчивость;
  • простота монтажа и обслуживания.

     Минусы:  

  • высокие капитальные затраты на приобретение кондиционеров (относительно сплитов).

     Несмотря на неоспоримые достоинства энергосберегающих кондиционеров, оборудованных системой фрикулинга, большая часть базовых станций оснащается кондиционерами типа «сплит». В связи с этим возникла необходимость в дооснащении таких систем охлаждения устройствами фрикулинга.  

     В настоящее время используется несколько различных типов оборудования для фрикулинга.  

     Наиболее оптимальной по конструкции, надежности, назначению и функционированию является моноблочное вентиляционное устройство для естественного охлаждения (free cooling box, fresh air box). По сути, это устройство представляет собой энергосберегающий кондиционер, из которого убрали холодильный контур, компрессор и вентилятор конденсатора, и сжали в размерах. Принцип работы и конструкция клапана фрикулинга в этих устройствах такие же, как и у энергосберегающих кондиционеров: подача холодного воздуха в помещение с улицы осуществляется 48-вольтовым электронно-коммутируемым вентилятором с плавно изменяемой скоростью вращения, а поддержание температуры приточного воздуха – утепленной заслонкой клапана фрикулинга с пропорциональным приводом 48 В.  

     Такие компактные моноблочные устройства помимо того, что в стандартном исполнении используют мощные управляющие контроллеры, могут опционально оснащаться электронагревателем, системой включения и ротации дополнительных внешних кондиционеров, выносным терминалом для управления устройством, системами контроля относительной влажности воздуха, устройствами мониторинга и дистанционного управления.  

     Моноблочное вентиляционное устройство для естественного охлаждения «ЕНИСЕЙ 2000», разработанное и изготавливаемое ООО «ВЕНТСПЕЦСТРОЙ», работает в следующих режимах обработки воздуха:  

  • естественное охлаждение;
  • охлаждение с помощью дополнительного(ых) кондиционера(ов);
  • нагрев;
  • рециркуляция;
  • ограничение относительной влажности.

      Принцип работы и схема устройства вентиляционного «ЕНИСЕЙ 2000» показаны на рисунке 2.  


  

Рис. 2. Принцип работы «ЕНИСЕЙ 2000».
  

     В режиме естественного охлаждения температура воздуха в помещении поддерживается за счет холодного наружного воздуха, подаваемого приточным вентилятором через входное отверстие, защищенное козырьком со съемной антимоскитной сеткой, открытый полностью или частично теплоизолированный клапан естественного охлаждения. При этом наружный воздух проходит через воздушный фильтр повышенной пылеемкости, где очищается от пыли, а также через неиспользуемый в данном режиме электронагреватель. Теплый воздух из помещения вытесняется наружу через клапан естественного охлаждения и выходное отверстие, закрытое защитным козырьком со съемной антимоскитной сеткой. В режиме естественного охлаждения (фрикулинга) поддерживается избыточное давление воздуха внутри базовой станции.  

     Устройство может работать как отдельно, так и в составе с одним или двумя дополнительными кондиционерами, которые будут включаться и выключаться по командам от контроллера устройства. Контроллер устройства также может осуществлять ротацию кондиционеров для равномерной выработки ресурса. При этом система управления фрикулинг-боксом параллельно реализует свои внутренние алгоритмы работы для достижения максимальной эффективности охлаждения.  

     Нагрев воздуха используется для поддержания температуры воздуха в помещении при ее снижении ниже заданной. В данном режиме клапан естественного охлаждения закрыт. Воздух поступает из помещения, проходит через воздушный фильтр, приточный вентилятор и электрический нагреватель, за счет работы которого температура воздуха повышается. Нагретый воздух подается в помещение.  

     Рециркуляция — режим работы устройства, при котором не требуется охлаждение или нагрев воздуха. Для контроля температуры помещения осуществляется движение воздуха с минимальным расходом по кругу: помещение – устройство — помещение. Клапан естественного охлаждения закрыт.  

     Ограничение относительной влажности — режим, при котором устройство работает по специальному алгоритму, управляя клапаном фрикулинга и дополнительным кондиционером таким образом, чтобы значение относительной влажности воздуха в помещении не превысило заданной величины.  

     Переключение устройства с одного режима на другой, включение кондиционеров, электронагревателя, регулирования оборотов вентилятора и положения заслонки клапана фрикулинга автоматически производится контроллером устройства на основании данных, получаемых от трех датчиков температур воздуха: в помещении, на улице и приточного воздуха, а также от датчика относительной влажности воздуха в помещении. При этом поддерживается не только температура в помещении, но и температура приточного воздуха (он не может быть слишком холодным и слишком горячим). Поэтому название фрикулинг-бокс для этого устройства слишком «узкое», т. к. оно не только охлаждает. Более правильное название в данном случае – климатическая установка.  

     Рассмотрим технические характеристики «ЕНИСЕЙ 2000», которые приведены в Таблице 1.  

Таблица 1. Технические характеристики УВ «ЕНИСЕЙ 2000»

Наименование показателя, единица измерения

Значение показателей

Охлаждающая способность, кВт *

5,5

Удельная охлаждающая способность (отношение величины охлаждающей способности к значению перепада температур между внутренним и наружным воздухом, при котором получены характеристики устройства), Вт/градус

688

Производительность вентилятора по воздуху, м3

700 – 2000

Температура наружного воздуха, °С

от –50 до +50

Фильтр очистки воздуха, класс

G3 – F5

Напряжение питания, В

= 48 (+ 18%, — 25%)

Максимальная потребляемая мощность, Вт

230

Энергетическая эффективность (количество полученного холода, отнесенное к потребляемой мощности и перепаду температур между внутренним и наружным воздухом), Вт/(Вт * градус)

3

Минимальная потребляемая мощность, Вт

15

Масса устройства (без упаковки), кг

50

Габаритные размеры (В х Ш х Г), мм

940 х 540 х 460

Мощность электронагревателя, напряжение ≈220В, кВт

1,5

* — при разнице температур воздуха снаружи и в помещении равной 8°С при максимальной производительности приточного вентилятора, полностью открытом клапане фрикулинга, без опции «Регулируемая приточная решетка» и чистом воздушном фильтре.  

     Как видно из таблицы, устройство обладает высокой охлаждающей способностью при компактных размерах и низком энергопотреблении.  

     Особо следует отметить, что устройство «ЕНИСЕЙ 2000» имеет основное питание от 48 В постоянного тока, т. е. его можно запитать от источника бесперебойного питания, и оно будет охлаждать телекоммуникационное оборудование при пропадании основного питания. Опасения, что работа вентиляционного устройства сильно сократит время работы на аккумуляторах, необоснованны. Наши расчеты показывают, что без работы фрикулинг-бокса температура гораздо быстрее достигает критических значений, чем происходит разряд аккумуляторов. Соотношение примерно такое – температура может подняться в течение нескольких минут, а время работы от аккумуляторов может сократиться на 0,5 часа. При емкости аккумуляторов, рассчитанной на период 3…4 часа, сокращение работы на полчаса не так страшно, как перегрев базовой станции и её остановка через 7 минут.  

     Система охлаждения базовой станции, состоящая из сплитов и устройства «ЕНИСЕЙ 2000», практически лишена недостатков и обладает теми же достоинствами, что и энергосберегающие кондиционеры, за исключением, низкой вандалоустойчивости наружных кондиционерных блоков и несколько меньшей эффективностью охлаждения при работе сплит-систем.  

     Рассмотрим еще одну систему фрикулинга, так называемого раздельного типа, на примере устройства FREE-AIR 3, производимого фирмой STULZ. Система называется раздельной, так как она состоит из непосредственно вентиляционного блока и обратного клапана, который не является частью блока и монтируется отдельно на стене базовой станции.  

     Устройство FREE-AIR 3 располагается снаружи базовой станции на одной из стен. Обратный клапан производитель рекомендует устанавливать на противоположной стене. Типовая схема расположения элементов системы фрикулинга на базе FREE-AIR 3 показана на рис. 3.  

     Вентиляционный блок FREE-AIR 3 представляет собой корпус, в котором размещены вентилятор, фильтр, электрический шкаф и система управления. Также как в «ЕНИСЕЙ 2000» приточный вентилятор FREE-AIR 3 является электронно-коммутируемым вентилятором с возможностью плавного изменения скорости вращения и питанием от 48 В постоянного тока.  

  

Рис.3. Система фрикулинга на базе FREE-AIR 3
  

     FREE-AIR 3, подобно «ЕНИСЕЙ 2000», может управлять двумя кондиционерами и имеет возможность подключения к системам мониторинга (BMS).  

     В зависимости от погодных условий и температуры в контейнере приточный вентилятор плавно меняет свою скорость от 10 до 100%, обеспечивая охлаждение телекоммуникационного оборудования за счет поступления холодного воздуха. Теплый воздух вытесняется через обратный клапан. Вентиляционный блок системы фрикулинга не имеет клапана с механическим приводом, как в «ЕНИСЕЙ 2000», поэтому при сильных морозах впускное отверстие для воздуха остается открытым, что может вызвать частичное или полное промерзание контейнера. Кроме того, вследствие отсутствия клапана фрикулинга с плавно изменяемым положением заслонки, с помощью которого можно смешивать теплый и холодный воздух, температура приточного воздуха в данном устройстве никак не регулируется, что может привести к выпадению конденсата внутри помещения при низких наружных температурах. Для сравнения скажем, что в устройстве «ЕНИСЕЙ 2000» производится контроль температуры приточного воздуха. В случае понижения его температуры ниже 10 ОС клапан фрикулинга будет пропорционально понижению температуры прикрываться и полностью закроется при достижении температуры приточного воздуха значения 5 ОС. Тем самым, исключается образование конденсата в устройстве и на оборудовании. В случаях, когда изоляция контейнера не обеспечивает соблюдение климатических параметров, клапан фрикулинга устройства «ЕНИСЕЙ 2000» полностью закрыт, а само устройство может включить в работу свой встроенный электронагреватель (опция).  

     Для выхода воздуха в системе фрикулинга на базе FREE-AIR 3 используется обратный клапан без привода, исполнительные элементы которого, могут легко примерзнуть при низких наружных температурах, когда устройство работает с минимальным расходом или выключено.  

     В связи с тем, что устройство FREE-AIR 3 является устройством наружного размещения, оно обладает ещё одним недостатком, который весьма важен для российского потребителя — низкой вандалоустойчивостью. Наружный блок необходимо защищать от механических повреждений, а также кражи.  

     Рекомендуемая производителем схема размещения вентиляционного блока и обратного клапана и связанное с таким расположением движение воздушных потоков на наш взгляд не оптимально, так как при размещении на противоположных стенах воздух будет идти по маршруту наименьшего сопротивления, т. е. насквозь через помещение базовой станции, минуя технологическое оборудование. Такая схема была бы оптимальной, если бы требовалось вентилировать помещение, например, обеспечивать санитарную норму по воздуху или удалять из помещения вредные примеси. Но на базовой станции решается совсем другая задача – ассимиляция тепловыделений от технологического оборудования. Поэтому необходимо, чтобы наружный холодный воздух подавался к оборудованию, охлаждал его и только потом, в нагретом состоянии, удалялся из помещения. В «ЕНИСЕЙ 2000» реализована именно такая схема движения, воздух делает «петлю», поглощая тепло от оборудования, а затем вытесняется через выходное отверстие устройства.  

     Логика работы устройства FREE-AIR 3 отключает устройство в случае достижения внутри контейнера максимальной относительной влажности воздуха. Логика работы устройства «ЕНИСЕЙ 2000» более гибкая, она позволяет контролировать (ограничивать) максимальное значение относительной влажности воздуха, а также снижать его, используя работу сплит-систем и клапан фрикулинга.  

     Ещё одним конструктивным отличием является использование полуавтоматического тестирования компонентов при запуске устройства FREE-AIR 3, в то время как у «ЕНИСЕЙ 2000» — полностью автоматическое.  

     В заводском описании мы также не нашли упоминания о возможности оснащения устройства FREE-AIR 3 электронагревателем и, соответственно, управления им. В «ЕНИСЕЙ 2000» такая опция присутствует, что позволяет поддерживать заданные климатические параметры при экстремально холодном климате в контейнерах с плохой теплоизоляцией.  

     Присущие FREE-AIR 3 конструктивные недостатки отсутствуют в «ЕНИСЕЙ 2000», вследствие чего он более приспособлен к эксплуатации в условиях российского климата.  

     Рассмотрим технические характеристики FREE-AIR 3, приведенные в таблице 2.  

Таблица 2. Технические характеристики FREE-AIR 3 

Наименование показателя, единица измерения

Значение показателей

FCL35

FCL60

Охлаждающая способность, кВт *

3,5

6,0

Удельная охлаждающая способность, Вт/градус

350

600

Номинальная производительность вентилятора по воздуху, м3

1050

1724

Производительность вентилятора по воздуху в аварийном режиме, м3

2300

3400

Температура наружного воздуха, °С

Нет данных

Фильтр очистки воздуха, класс

G4

Напряжение питания, В

= 48

Номинальная потребляемая мощность, Вт

36

120

Энергетическая эффективность, Вт/(Вт * градус)

9,7

5

Потребляемая мощность в аварийном режиме, Вт

236

420

Масса устройства (без упаковки), кг

35

70

Габаритные размеры (В х Ш х Г), мм

604 х 720 х 612

683 х 730 х 609

Мощность электронагревателя, напряжение ≈220В, кВт

* — при температуре воздуха в помещении равной 30°С и относительной влажности 40% и наружной температуре равной 20°С.  

     Как видно из таблицы, удельная охлаждающая способность моделей FCL35 и FCL60 ниже, чем у «ЕНИСЕЙ 2000». Это означает, что при таком же перепаде температур, при котором даются характеристики «ЕНИСЕЙ 2000» (8 °С) охлаждающая способность будет составлять соответственно 2,8 и 4,8 кВт, т. е. и абсолютные значения при схожих условиях ниже, чем у «ЕНИСЕЙ 2000». Полученные значения охлаждающей способности FREE-AIR 3 коррелируются с номинальными значениями расходов воздуха, которые также ниже, чем у «ЕНИСЕЙ 2000». Лишь в аварийном режиме (при отключении сплит-систем) расходы воздуха у моделей FREE-AIR 3 становятся выше, чем у «ЕНИСЕЙ 2000». Если рассматривать технические характеристики для аварийного режима, можно увидеть, что модель FREE-AIR 3 FCL35 близка к «ЕНИСЕЙ 2000», но с той оговоркой, что для «ЕНИСЕЙ 2000» это является штатным режимом. Модель FREE-AIR 3 FCL60 в аварийном режиме будет иметь большее значение охлаждающей способности, чем «ЕНИСЕЙ 2000».  

     Устройства FREE-AIR 3 имеют лучшие значения энергетической эффективности в штатном режиме, чем устройство «ЕНИСЕЙ 2000». Однако это связано с тем, что в них используются переразмеренные вентиляторы, которые в штатном режиме работают с низкой скоростью вращения. В связи с тем, что мощность привода центробежных вентиляторов пропорциональна третьей степени количества оборотов, при одном и том же расходе воздуха значение потребляемой мощности будет существенно ниже у того вентилятора, который вращается с более низкой скоростью. В качестве платы за низкое энергопотребление выступают большие размеры и вес вентилятора и, соответственно, цена. Из-за переразмеренности вентиляторов устройства FREE-AIR 3 имеют худшие интегральные массо-габаритные характеристики, чем «ЕНИСЕЙ 2000».  

     Рассмотрим еще одну систему фрикулинга раздельного типа, которая более приспособлена к российским реалиям. Речь идет о системе TKS 03-03 фирмы Dantherm HMS. Схема работы этой системы приведена на рисунке 4.  

  

Рис. 4. Принципиальная схема работы устройства TKS 03-03 Dantherm HMS.
  

     В отличие от системы FREE-AIR 3 приточный вентиляционный блок располагается внутри помещения базовой станции, что защищает его от погодных воздействий и несанкционированного доступа. Блок оснащается клапаном наружного воздуха с электроприводом, вентилятором (=48 В) с плавным изменением скорости вращения и блоком управления, который не только управляет работой блока, но подает команды на клапан с электроприводом, через который выходит теплый воздух.  

     Опционально блок может укомплектовываться клапаном с электроприводом для смешения теплого и холодного воздуха для предотвращения образования конденсата на выходе из устройства и датчиком наружной температуры. В условиях российского климата применение указанных опций должно носить обязательный характер.  

     Функционально это устройство приближается к «ЕНИСЕЙ 2000». Оно также может управлять одним или двумя кондиционерами и выносным электронагревателем. Однако следует заметить, что устройство сложнее в монтаже (требуется прокладка управляющего кабеля к клапану выходящего воздуха), а также имеет более сложную конструкцию (три воздушных клапана с электроприводами). По сути три клапана с электроприводами в системе TKS 03-03 выполняют ту же функцию, что один клапан фрикулинга с электроприводом в кондиционерах «Мистраль-телеком» и вентиляционных устройствах «ЕНИСЕЙ 2000».  

     Технические характеристики TKS 03-03 приведены в таблице 3.  

Таблица 3. Технические характеристики TKS 03-03. 

Наименование показателя, единица измерения

Значение показателей

Охлаждающая способность, кВт *

4,4

Удельная охлаждающая способность, Вт/градус

629

Производительность вентилятора по воздуху, м3

1836

Температура наружного воздуха, °С

от –40

Фильтр очистки воздуха, класс

F5

Напряжение питания, В

= 48

Максимальная потребляемая мощность, Вт

260

Энергетическая эффективность, Вт/(Вт * градус)

2,4

Масса устройства (без упаковки), кг

48

Габаритные размеры вентиляционного блока (В х Ш х Г), мм

700 х 500 х 600

* — при разнице температур воздуха снаружи и в помещении равной 7°С.  

     По значениям технических характеристик устройства TKS 03-03 и «ЕНИСЕЙ 2000» очень близки, но по удельной охлаждающей способности, расходу воздуха и потреблению электроэнергии TKS 03-03 проигрывает «ЕНИСЕЙ 2000».  

     Из недостатков устройства следует отметить применение для мониторинга устаревшего на настоящий момент интерфейса RS-232. Использование в устройстве фильтра класса F5 также можно отнести к недостаткам, т. к. такой фильтр не нужен на объектах сотовой связи, он дороже, чем фильтры класса G3/4, и, что наиболее существенно, быстрее забивается пылью и требует замены.  

     До сих пор мы рассматривали устройства фрикулинга заводского изготовления. Кроме них, на российском рынке встречаются системы фрикулинга, созданные на базе отдельных агрегатов разных изготовителей. Все они относятся к системам фрикулинга раздельного типа. Рассмотрим конструкцию и работу этих устройств. Данный тип систем явился развитием систем аварийной вентиляции базовых станций, которые изначально применялись только в случае отключения основного питания, когда отключались сплиты.  

     Система приточно-вытяжной вентиляции на базе канального вентилятора RUCK RS315L состоит из бытового канального вентилятора с тиристорным регулятором скорости вращения, который обеспечивает приток холодного воздуха. Приточный воздух проходит через решетку для забора воздуха, смонтированную на отверстии в стене контейнера, клапан с электроприводом, приточный вентилятор и воздушный фильтр. Удаление теплого воздуха производится методом вытеснения через обратный клапан, соединенный воздуховодом с выбросной решеткой. При монтаже системы фрикулинга требуется предварительная подсборка элементов и использование дополнительных расходных материалов (вентзаготовка, саморезы, алюминиевый скотч). Данная система не имеет клапана, позволяющего регулировать температуру приточного воздуха при низких наружных температурах. Обратный клапан без электропривода также склонен к замерзанию и нестабильной работе при морозах, как и в других системах, о которых мы говорили выше. Соответственно, возникает вероятность выпадения конденсата и излишнего охлаждения объекта. В системе используется бытовой канальный вентилятор с питанием от сети переменного напряжения 220 В, т. е. при пропадании основного питания система фрикулинга будет неработоспособна. Управление системой фрикулинга осуществляется с помощью контроллера управления системой вентиляции и кондиционированием БРКВ V1.  

     Рассмотрим технические характеристики системы фрикулинга на базе вентиляторов RUCK RS315L. С учетом аэродинамического сопротивления (250 Па), создаваемого приточной решеткой, воздуховодами и воздушным фильтром, получаем расход воздуха равный 1163 м3/ч (Рис. 5).  

  

Рис. 5. Расходно-напорная характеристика вентиляторов RUCK RS315L
  

     При расходе 1163 м3/ч система фрикулинга потребляет 280 Вт. При этом абсолютная охлаждающая способность будет составлять 3,2 кВт при перепаде температур воздуха снаружи и в помещении равной 8°С, а удельная охлаждающая способность – 400 Вт/градус. Показатель энергетической эффективности данной системы фрикулинга весьма низкий – всего 1,4 Вт/(Вт * градус). Указанные технические характеристики справедливы при использовании фильтров класса G3 диаметром 315 мм. При использовании фильтров диаметром 160 мм технические характеристики существенно ухудшаются вследствие большего аэродинамического сопротивления.  

     Рассмотрим еще одну систему фрикулинга раздельного типа, построенную на базе двух вентиляторов ВЕНТС 160 ВКМц (160 VKMzn). Один вентилятор работает на приток, другой – на вытяжку. Когда система не работает, поступление воздуха снаружи перекрывается обратными клапанами, которые стоят на приточном и вытяжном воздуховоде. Система не имеет клапана подмеса теплого воздуха, поэтому не может контролировать температуру приточного воздуха, что в холодное время может привести к выпадению конденсата. Питание вентиляторов осуществляется от сети переменного напряжения 220 В, что в случае пропадания основного питания приведет к остановке системы фрикулинга. Управление приточно-вытяжной вентиляцией осуществляется контроллером УМКТ 2-Н1-Р (интерфейс RS, версия ПО V2.0).  

     Принимая потери напора в данной системе равными 200 Па, определяем производительность системы по воздуху (рис. 6).  

  

Рис. 6. Определение расхода воздуха для вентилятора ВЕНТС 160 ВКМц (160 VKMzn).
  

     Расход воздуха составляет всего 270 м3/ч, что соответствует абсолютному значению охлаждающей способности равному 740 Вт при перепаде температур 8 ОС или удельной охлаждающей способности равной 93 Вт/градус. При потребляемой мощности двух вентиляторов 156 Вт энергетическая эффективность данной системы составляет всего 0,6 Вт/(Вт * градус).  

     Кроме описанных выше моноблочных устройств и систем фрикулинга раздельного типа, в некоторых случаях применяются устройства для охлаждения телекоммуникационных объектов, которые представляют собой теплообменники «воздух-воздух». В принципе, эти устройства создавались специально для использования в так называемых климатических шкафах. Схема работы таких устройств проста, она изображена на рис. 7.  

     Когда температура в климатическом шкафу превышает температуру окружающей среды, для рассеивания тепловой нагрузки используется алюминиевый противоточный теплообменник. Окружающий воздух проходит через внешний контур теплообменника, охлаждая при этом внутренний воздушный контур. Два контура тщательно отделены друг от друга, что позволяет избегать попадания влаги и пыли внутрь шкафа с оборудованием. Используя встроенные датчики температуры в зависимости от различной тепловой нагрузки и климатических условий контроллер теплообменного устройства автоматически регулирует скорости вращения вентиляторов внешнего и внутреннего контуров для поддержания заданной температуры в шкафу.  

     Таким образом, в теплообменниках «воздух-воздух» также используется холод окружающей среды. Но по назначению, конструкции, применению, техническим параметрам – это совершенно разные устройства.  

  

Рис. 7. Принцип работы теплообменника «воздух-воздух».
  

     Для примера рассмотрим систему теплообмена ZDHR-300A Heatexchanger. Система теплообмена ZDHR-300A Heatexchanger является теплообменником типа «воздух-воздух» и предназначена для поддержания параметров в климатических шкафах с относительно малыми тепловыми нагрузками, как впрочем, и все другие устройства данного типа. ZDHR-300A работает только в режиме охлаждения и обладает жестко «зашитой» логикой управления. Производитель в качестве технической характеристики дает величину удельной охлаждающей способности, которая у этого устройства равна 300 Вт/градус. Соответственно, при перепаде температур 8 градусов (для сравнения с устройством «ЕНИСЕЙ 2000») величина абсолютной охлаждающей способности будет равна 2,4 кВт при потребляемой мощности 365 Вт. Энергетическая эффективность составляет 0,8 Вт/(Вт * градус).  

     Исходя из всего вышесказанного, позволим себе сформулировать некоторые рекомендации для подготовки технических требований (технических заданий) на оборудование базовых станций устройствами фрикулинга.  

     В первую очередь, необходимо определить в технических требованиях величину максимальной тепловой нагрузки. Имея эти данные и данные по удельной охлаждающей способности различных устройств фрикулинга, для каждого из них можно определить температурный перепад, при котором полностью ассимилируются теплоизбытки. Например, тепловыделения от технологического оборудования базовой станции составляют 5 кВт. Рассчитываем перепады температур для различных устройств:  

  • «ЕНИСЕЙ 2000» — 7 ОС;
  • FREE-AIR 3 FCL35 — 14 ОС;
  • FREE-AIR 3 FCL60 — 8 ОС;
  • TKS 03-03 — 8 ОС;
  • RUCK RS315L – 13 ОС;
  • ВЕНТС 160 ВКМц — 54ОС;
  • ZDHR-300A Heatexchanger — 17 ОС.

     Что это дает? Зная температуру воздуха, которую необходимо поддерживать в помещении и величину температурного перепада, определяем температуру наружного воздуха, ниже которой фрикулинг будет полностью обеспечивать удаление тепла. Выше этой температуры будут включаться сплиты. И так, при температуре воздуха в помещении 25 ОС:  

  • «ЕНИСЕЙ 2000» — 25 — 7 = 18 ОС;
  • FREE-AIR 3 FCL35 – 25 – 14 = 11 ОС;
  • FREE-AIR 3 FCL60 – 25 – 8 = 17 ОС;
  • TKS 03-03 – 25 – 8 = 17 ОС;
  • RUCK RS315L – 25 – 13 = 12 ОС;
  • ВЕНТС 160 ВКМц – 25 – 54 = — 29 ОС;
  • ZDHR-300A Heatexchanger – 25 – 17 = 8 ОС.

     Как видно из полученных результатов, применение «ЕНИСЕЙ 2000» оправдано практически во всех климатических регионах, в то время как использование системы фрикулинга на базе вентиляторов ВЕНТС 160 ВКМц при относительно высоких тепловых нагрузках целесообразно разве что в Антарктиде.  

     В то же время, если объект представляет собой климатический шкаф с тепловой нагрузкой 600 Вт, не имеет смысла применять устройства фрикулинга с высокой удельной и абсолютной охлаждающей способностью.  

     Далее в технических требованиях заказчики должны определиться с минимально допустимой величиной энергетической эффективности системы фрикулинга, с необходимостью ограничивать или нет величину относительной влажности воздуха, а также с другими конструктивными особенностями оборудования, как то: наличия электронагревателей, регулируемых решеток для подачи воздуха, теплоизоляции корпуса устройства и клапана, электроприводов и т. п.  

     Особое внимание в технических требованиях должно быть уделено логике работы непосредственно устройства и совместной работы устройства фрикулинга и кондиционеров, а также нагревательных приборов. Должны быть описаны режимы работы, алгоритмы включения/выключения, ротации и т. д.  

     Также должны быть определены требования к организации мониторинга и дистанционного управления системой охлаждения, состоящей из устройства фрикулинга и сплитов. Необходимо указать, по каким протоколам будет выполняться подключение к системе удаленного контроля и управления (диспетчеризации), например, Modbus или TCP/IP.  

     На наш взгляд, подготовленное с использованием наших рекомендаций техническое задание позволит заказчикам получить в конечном итоге оптимальную высокоэффективную систему охлаждения телекоммуникационных объектов с минимальными капитальными вложениями.  

     В завершение настоящего обзора хотели бы отметить, что эффективность работы и удобство эксплуатации различных систем естественного охлаждения зависят не только от конструктивных особенностей, но и в немалой степени от логики работы, в связи с чем считаем, что наиболее объективное заключение о целесообразности использования той или иной системы можно принять лишь после их опытной эксплуатации.  

  

П. Л. Ронжин, Е. В. Шеин
ООО «ВЕНТСПЕЦСТРОЙ»
+7 (495) 775-37-91
http://www.ventss.ru/


Поделиться информацией

Вы можете послать эту статью или новость коллеге или знакомому по email со своим комментарием, пригласить обсудить ее. Просто нажмите на иконку конверта --->


Сообщения, вопросы и ответы

Вы можете задать вопрос, написать комментарий, обсудить данную новость или статью.

Ваше сообщение (вопрос, ответ, комментарий)