Efektívne riešenie klimatizácie ­dátovej sály

Projekt získal čestné uznanie SSTP v kategórii realizovaný projekt za rok 2011. Ocenený projekt sa vyznačuje vysokou aktuálnosťou vďaka zvýšenému chladiacemu výkonu pri nižšej spotrebe elektrickej energie v porovnaní s pôvodným zariadením. Pri realizácii sa využilo priame voľné chladenie, ktoré zaistilo dosiahnutie priaznivých energetických parametrov, a tým aj ochranu životného prostredia.

Tvorivý prístup k riešeniu umožnil realizáciu diela pri neprerušenej prevádzke dátovej sály vrátane poskytovania on-line služieb verejnosti, pričom grafická technika projektanta slúžila na koordináciu technologických a stavebných realizačných prác. Zariadenie, ktoré sa tu podarilo nainštalovať, môže slú­žiť ako vzor ekologického a energeticky nená­ročného riešenia.

Náplň projektu
Projekt klimatizácie dátovej sály rieši chla­denie a reguláciu vlhkosti miestnosti výpoč­tovej techniky na druhom nadzemnom podla­ží budovy, ktorá patrí inštitúcii štátnej správy a nachádza sa v Bratislave.
Vek objektu je zhruba štyridsať rokov, podobne ako vek pôvodnej, čiastočne funkčnej klimatizácie, ktorú v zmysle tohto projektu nahradila nová inštalácia. Výkon starej chladiacej techniky už nestačil novým súčasným zvýšeným požiadavkám na chladiaci výkon, preto bolo nevyhnutná výmena a náhrada novými technickými zariadeniami s vyšším výkonom a s výkonovou rezervou do budúcnosti. Ocenené projektové riešenie sa však presadilo práve preto, že napriek vyšším chladiacim výkonom ho sprevádzala nižšia spotreba elektrickej energie v porovnaní s pôvodným chladiacim systémom, čo sa aj neskôr v reálnej praxi preukázalo a potvrdilo používateľom zariadenia.

Klimatizácia dátovej sály Začiatok realizácie:  8/2010 Ukončenie realizácie:  12/2010 Projekt: X way project, s. r. o., Bratislava Dodávateľ klimatizácie a nadväzných profesií:  X way, s. r. o., Bratislava Dovozca klimatizačných zariadení: VOKS, s. r. o., Bratislava Výrobca klimatizačných zariadení: STULZ, GmbH, Hamburg Návratnosť investície do klimatizácie (na úsporách elektrickej energie) je menej ako tri roky.

Priame voľné chladenie
Pri realizácii sa využilo priame voľné chladenie, ktoré veľmi zjednodušene povedané predstavuje niečo podobné ako vetranie oknom v čase, keď je vonku chladnejší vzduch než v budove. V skutočnosti si technické riešenie vyžiadalo doplniť takéto vetranie technickými zariadeniami, ktoré v porovnaní so strojovým chladením spotrebujú malé množstvo energie. Medzi tieto zariadenia patria:

• nútené vetranie s filtráciou vzduchu,
• zvlhčovanie privádzaného vzduchu,
• regulácia vetrania v závislosti od vhodnosti vetrania vonkajším vzduchom vzhľadom na jeho vlhkosť a iné parametre.

Vo všeobecnosti sa na filtrovanie vzduchu nespotrebuje veľké množstvo energie, väčšiu spotrebu energie vykazuje bežné elektrické zvlhčovanie na princípe odparovania vody. Na zníženie spotreby energie sa v projekte použilo ultrasonické zvlhčovanie, ktoré spotrebuje na svoju prevádzku približne len 5 % elektrickej energie v porovnaní s bežne používaným parným zvlhčovačom.

Energetická nenáročnosť = ekologická úroveň investora
V dátových centrách sa energetická náročnosť hodnotí parametrom, ktorý sa nazýva indikátor energetickej efektivity, označovaný skratkou PUE (Power Usage Effectiveness). PUE je indikátorom pomeru súhrnnej spotreby energie v dátovom centre k energii, ktorá sa priamo využíva výpočtovou technikou. Táto hodnota teda vyjadruje, aké efektívne je dátové centrum ako celok, a zároveň ukazuje, aký je priestor na zvyšovanie jeho efektivity.

Ideálna hodnota PUE by bola, prirodzene, 1,0. V takom prípade by sa všetka energia využila výlučne na prevádzku výpočtovej techniky. Bežné dátové centrá mávajú hodnotu PUE 2. Dátové centrá s najnovšími chladiacimi strojmi na priamy odpar bez free coolingu mávajú PUE 1,4 až 1,6. Nepriamy free cooling (chladenie cez kvapalinový okruh) môže dosiahnuť hodnotu 1,25, priamy free cooling dosahuje hodnotu 1,14 až 1,12 – v závislosti od lokality. Najväčší podiel na zvyšovaní koeficienta PUE v dátovom centre smerom k nižšej efektivite má chladenie, ktoré je zvyčajne energeticky náročné.

Klimatizačné zariadenie navrhnuté v ocene­nom projekte je na špičke vývoja v oblasti šetrenia energiou, pri jeho použití je priemerné ročné PUE menej ako 1,15. Táto výnimočná energetická hospodárnosť sa dosahu­je využívaním voľne dostupného prírodného zdroja (chladu vonkajšieho vzduchu) a zároveň použitím ultrasonického zvlhčovania. Negatívne vplyvy na životné prostredie sú teda mimoriadne efektívne minimalizované, a to v najvyššej možnej miere vzhľadom na čas inštalácie. Takto zariadenia môžu v súčasnosti slúžiť ako vzor ekologickej úrovne investora.
 
Koncepcia riešenia
Principiálna koncepcia riešenia vychádzala z možností, ktoré dávala budova v prevádzke vzhľadom na minimalizovanie odstávok dátovej technológie počas demontáže jestvujúceho klimatizačného zariadenia a montáže nového klimatizačného zariadenia. Navrhnuté zariadenie sa zvolilo aj s ohľadom na stanovené investičné limity.

Zariadenie sa člení na päť kompletov, pričom každý z nich je samostatne plne funkčný. Nadradená regulácia zabezpečuje súčinnosť zostáv. Systém sa navrhol so zálohou N + 1, ktorá rotuje na zabezpečenie rovnomerných strojových hodín.

Výmena vzduchu v riešenom priestore sa integruje v klimatizačných zariadeniach. To zna­mená, že klimatizačné jednotky sú schopné privádzať vonkajší chladiaci vzduch bez potreby samostatných vetracích jednotiek a na tento účel sú navrhnuté potrubné prepojenia na vonkajšie prostredie.

Chladenie je koncepčne navrhnuté tak, aby v prvom rade využívalo voľne dostupný prírodný zdroj chladu (vonkajší vzduch), a to v maximálnom možnom rozsahu, čiže aj v zmiešanom režime s cirkulačným vzduchom. Prívod chladného vzduchu k technológii sa zabezpečuje cez zdvojenú podlahu, a to prevažne pred technologické elektrotechnické zariadenia, v niektorých prípadoch zospodu priamo do technologického rozvádzača. Odvod vzduchu sa rieši za technológiou pod stropom, prípadne cez zdvojený podhľad.
Ohrev netreba riešiť, trvalé vnútorné zdroje tepla (inštalovaná technológia) výrazne prevyšujú tepelné straty priestoru.

Dovlhčovanie sa zabezpečuje ultrasonicky v cirkulačnom vzduchu cez dve zostavy zvlhčovacích zariadení. Celá sústava má ako celok riešené záložné blokovanie voľného chladenia, ak by nastala porucha na zvlhčovaní. V tomto prípade sa automaticky uvádza do prevádzky strojové kompresorové chladenie.
Odvlhčovanie sa rieši blokovaním voľného chladenia a následným odvlhčením na chladičoch, jeho potreba je málo pravdepodobná. 

Dimenzovanie zariadení
Pri dimenzovaní zariadení sa vychádzalo z týchto výpočtových hodnôt:

• teplota v zime: –11 °C,
• teplota v lete: +33 °C,
• entalpia: 58 kJ/kg s. v.

Riešený priestor dátovej sály má technologický charakter, nenachádzajú sa v ňom žiadne trvalé pracoviská, preto počet osôb nie je vodiacim parametrom. Rozhodujúcim faktorom pre množstvo čerstvého vzduchu je teda energetická atraktívnosť vonkajšieho vzduchu, pričom takto použitý vonkajší vzduch výrazne prevyšuje potreby vetrania.

Chladiaci výkon sa stanovil na základe zadávacích podmienok a neskorších spresnení na 80 kW účinného výkonu. Z tohto dôvodu sa zvolilo členenie (4 × 20 + 20 kW) účinného výkonu, ktoré zabezpečí aj záskok zariadení v systéme N + 1. Novoinštalované zariadenia produkujú zaokrúhlene 35 kW tepelných ziskov, priestupy stavebnými konštrukciami produkujú zhruba 5 kW tepelnej záťaže (horná hodnota pri teplote vonkajšieho vzduchu +35 °C). Záťaž vetraním sa eliminuje riadením vetrania v nadväznosti na vhodnosť teploty vonkajšieho vzduchu (v tropických letných dňoch sa bude využívať vonkajší chlad výlučne v noci atď.). V najbližšom čase je plánovaný prísun novej technológie s tepelným ziskom zaokrúhlene 20 kW. Spolu pôjde teda o 60 kW tepelnej záťaže, z čoho vyplýva rezerva vo výške 20 kW na budúce rozširovanie technológie. Následne možno využiť pripravené pozície aj na inštaláciu ďalších klimatizačných zariadení v pravej strojovni vzduchotechniky.

Inštalované zariadenia
Zariadenia K1, K3, K4, K5
Vzduchotechnické zariadenie slúži na:

• zabezpečenie prísunu čerstvého upraveného vzduchu,
• chladenie vzduchu na potrebnú hodnotu (prednostne využitím vonkajšieho vzduchu).

Obe funkcie zabezpečujú vzduchotechnické jednotky umiestnené v ľavej strojovni vzduchotechniky. Osadené sú na úrovni dvojitej podlahy na vlastnom samonosnom ráme. Vyfukovanie chladeného vzduchu sa smeruje do dvojitej podlahy.

Spiatočný vzduch sa odsáva z podhľadu s prepojením na využitie vonkajšieho vzduchu prostredníctvom trojice synchrónne spojito riadených klapiek.

Vzduchotechnické zariadenie sa skladá z:

• vnútornej stojatej jednotky vybavenej filtrom, ventilátorom, chladičom, kompresorom a autonómnym rozvádzačom vrátane plnoautomatického riadenia,
• vonkajšieho vzduchom chladeného konden­zátora s axiálnymi ventilátormi s vertikálnym výfukom a plnoautomatickou reguláciou,
• chladiarenských prepojení vnútornej a von­kajšej jednotky (vedené v novovytvorenej trase), vzduchotechnického prepojenia vrátane klapiek a ich servopohonov,
• mikroprocesorového riadenia zabudovaného do inštalovaných zariadení, ktoré zabezpečuje chladenie vzduchu na potrebnú hodnotu – prednostne využitím vonkajšieho vzduchu – vrátane všetkých potrebných externých snímačov a ich napojení na zariadenie s možnosťou pripojenia do nad­ra­deného systému riadenia,
• zo zariadenia na sledovanie únikov vody (snímač v zdvojenej podlahe),
• z technologického sifónu s aktívnou výškou minimálne 100 mm.

Pri akejkoľvek poruche na ktoromkoľvek chladiacom zariadení nastáva automatický nábeh ďalšieho zariadenia.

Zariadenie K2
Zariadenie sa zhoduje s uvedenými zariadeniami, nad rámec opisu K1 však toto zariadenie obsahuje:

• nadradenú reguláciu, ktorá koordinuje riadenie všetkých piatich zariadení a zároveň obsahuje komunikačné používateľské rozhranie na priame nastavovanie všetkých požadovaných parametrov, evidenciu poruchových stavov a informácie o stave všetkých sledovaných hodnôt,
• bránu na napojenie na vzdialenú plnohodnotnú komunikáciu cez internet,
• softštart (vrátane úprav na chladiacom okruhu) na možnosť jednoduchšieho napájania zo zálohového zdroja.

 
Zariadenie Z1
Systém zvlhčovania je zabudovaný do zariadenia K2 aj so všetkými náležitosťami potrebnými na jeho funkčnosť (s výnimkou úpravy vody a sledovania vodivosti vody).

Zvlhčovací systém tvoria v prvom rade ultrasonický distribútor vody do vzduchu (inštalovaný vo vzduchotechnickom potrubí) a ďalej riadiaci rozvádzač, senzory, prepojenia vody, odpadu, napájania a riadenia.

Zariadenie Z2
Systém zvlhčovania je zabudovaný do zariadenia K4 aj so všetkými náležitosťami potrebnými na jeho funkčnosť (s výnimkou úpravy vody a sledovania vodivosti vody).

Zvlhčovací systém tvoria v prvom rade ultrasonický distribútor vody do vzduchu (inštalovaný vo vzduchotechnickom potrubí), riadiaci rozvádzač, senzory, ako aj prepojenia vody, odpadu, napájania a riadenia.

Meranie a regulácia
Súčasťou navrhnutých a inštalovaných zariadení je kompletný a plne funkčný systém automatiky novovybudovaného zariadenia. Prevádzka zariadení si nevyžaduje obsluhu, len príležitostný dohľad (s možnosťou dozoru a riadenia aj cez internet) a nevyhnutný pravidelný servis štyrikrát ročne.

Protipožiarne opatrenia
Riešený priestor predstavuje jednu miestnosť (rozdelenú ľahkými interiérovými prieč­kami), takže je aj jedným požiarnym úsekom. Všetky zariadenia sú napojené na EPS, ktorá blokuje ich chod pri požiari. Po zablokovaní chodu zariadení sa automaticky (bez potreby elektrickej energie) uzatvoria klapky do vonkajšieho prostredia.

Ochranu proti zadymeniu priestoru dátového centra dymom z okolia budovy zabezpečuje odstavenie voľného chladenia a prepnutie do režimu cirkulačného kompresorového chladenia. Klapky externého a pretlakového vzduchu sa zatvoria.

Odskúšané v praxi
Ocenené projektové riešenie sa presadilo vďaka úrovni ekologického cítenia investora, ktorý ocenil jeho nízku energetickú náročnosť. Investor tak získal v dátovej miestnosti vyšší chladiaci výkon pri nižšej spotrebe elektrickej energie v porovnaní s pôvodným chladiacim systémom. Táto pôvodne „papierová deklarácia“ sa už dnes potvrdzuje aj v reálnej praxi k spokojnosti používateľa zariadenia.

Ing. Peter Komrska, Peter Komrska mladší
Obrázky: archív spoločností projektanta a dodávateľa stavby, STULZ

Autori pôsobia v spoločnosti X way project, s. r. o.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.