Энергоэффективный контроль микроклимата в монтажных шкафах

Сложная чувствительная электроника и накопители составляют основу множес-тва промышленных решений, и, чтобы защитить это оборудование от неблагоприятных внешних воздействий, его зачастую размещают в монтажных шкафах. В зависимости от температуры и условий окружающей среды, шкафы необходимо охлаждать, предупреждая тем самым возникновение отказов вследствие перегрева и обес-печивая надлежащее функционирование оборудования. Согласно данным исследовательской организации Rocky Mountain Institute, затраты энергии, используемой для обогрева и охлаждения, можно сократить на 60%. В данной статье описываются методы охлаждения корпусов, которые помогут снизить энергопотребление и сэкономить денежные средства.

ЭТАП ПРОЕКТИРОВАНИЯ: КАКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ НЕОБХОДИМО?

Прежде всего следует выяснить, необходимо ли охлаждение в каждом конкретном случае, и если да, то какой мощности. Важно произвести точную оценку, чтобы не расходовать энергию понапрасну.

Выбирая решение для контроля микроклимата, нужно ответить на три вопроса: каковы размеры шкафа, сколько тепла выделяется оборудованием и где будет размещаться шкаф. При наличии всех данных расчеты можно провести как вручную, так и с помощью программного обес-печения, например Rittal Therm. В данной статье рассмотрим пример, когда расчет выполняется вручную. Первый шаг — выбор подходящего оборудования, для чего можно воспользоваться диаграммой, приведенной на рис. 1.

Рис. 1. Выбор оборудования в зависимости от условий окружающей среды и других факторов.

Чтобы правильно рассчитать компоненты, необходимо знать площадь поверхности (размеры) шкафа, температуру окружающей среды и тепловыделение установленного в шкафу оборудования.

Какое отношение площадь поверхности имеет к контролю микроклимата? Без затрат дополнительной энергии тепло передается только в одном направлении — из горячей области в холодную. Примером может служить чашка кофе, остывающая через несколько минут после того, как ее поставят на стол: тепло покидает чашку и рассеивается в более холодном помещении. В случае контроля микроклимата необходимо определить, как будет перемещаться теплый воздух: из окружающей среды внутрь шкафа или наоборот. Процесс передачи тепла происходит через стенки, крышу и основание.

Площадь поверхности, которую можно рассчитать путем сложения площадей всех четырех стенок шкафа, не всегда является поверхностью теплообмена. Например, при установке шкафа у стены, нагреется стена, разность температур будет невелика, а значит, выход тепла из шкафа будет замедлен или невозможен, поскольку при отсутствии разности температур теплового потока не будет. По этой причине международные организации приняли решение (DIN 57 660 часть 50 и VDE 660 часть 500) скорректировать поверхность шкафа для выполнения расчета (см. рис. 2).

Рис. 2. Способ установки шкафа согласно МЭК 60 890.

Тепловыделение. Зная эффективную площадь поверхности шкафа, можно рассчитать тепловыделение в нем на основании разницы между внешней и внутренней температурой (для уже установленной системы) либо путем суммирования данных по тепловыделению отдельных компонентов, указанных в технической документации (при компоновке новой системы).

Тепловой расчет для уже установленной системы:

Q_e = Q_v – A×k×ΔT

где Q_v — тепловыделение оборудования в шкафу (Вт); A — эффективная поверхность теплообмена (м²); k = 5,5 Вт/м²K (для листовой стали, для других материалов значения иные), ΔT = (T_i – T_u) — разность температуры снаружи и внутри шкафа.

Если расчеты покажут, что нужен контроль микроклимата, то необходимо выбрать подходящее решение. В зависимости от требований возможны разные варианты: фильтрующие вентиляторы, воздухо-воздушные теплообменники, холодильные агрегаты или воздухо-водяные теплообменники. Каждое решение имеет свои преимущества. Фильтрующие вентиляторы и воздухо-воздушные теплообменники потребляют меньше энергии, но температура окружающей среды должна быть ниже, чем температура внутри шкафа. Если снаружи теплее, чем допустимо, понадобится холодильный агрегат или воздухо-водяной теплообменник.

Правильный выбор устройства очень важен для обеспечения энергоэффективности, но и другие факторы (его расположение на корпусе и относительно внешней среды, общее обслуживание) могут оказать значительное влияние на степень эффективности.

ЭТАП МОНТАЖА: УСТАНОВКА КОМПОНЕНТОВ ВНУТРИ И СНАРУЖИ ШКАФА

При монтаже компонентов (в том числе для контроля микроклимата) снаружи или внутри шкафа необходимо предусмот-реть достаточно места для обес-печения эффективной работы.

Кабели, забытый в шкафу технический справочник, запчасти и другие предметы могут блокировать поток воздуха, что снизит эффективность охлаждения компонентов. В результате срок их службы сократится, а вероятность отказов по причине перегрева увеличится. Крайне важно предусмотреть достаточное пространство для циркуляции воздуха, убрав все препятствия.

Кроме того, эффективность снижается и от нехватки свободного места рядом с системами контроля микроклимата. В общем случае компоненты, которые устанавливаются внутри шкафа, должны располагаться не ближе 200 мм от места забора воздуха, генерируемого системой контроля микроклимата, а поток воздуха, создаваемый вентиляторами этих компонентов, не должен быть направлен навстречу воздушному потоку, исходящему от блока охлаждения. За пределами шкафа оптимальным является расстояние не менее 200–400 мм между устройством контроля микроклимата и рядом находящимися объектами.

Правильный монтаж систем контроля микроклимата в шкафу повышает эффективность работы оборудования. Если сфера применения не требует иного, обычно рекомендуется размещать фильтрующие вентиляторы в нижней части шкафа, а выходные фильтры — в верхней и с противоположной стороны. Таким образом, внутри корпуса создается перекрестная вентиляция, улучшающая отвод тепла.

Еще одним способом повышения производительности является размещение шкафа вдали от источников тепла, что исключает чрезмерный нагрев и риск возможного ущерба из-за отказа оборудования.

Правильный расчет и грамотное проектирование позволяют получить максимальную отдачу от систем контроля микроклимата, однако способы повышения эффективности на этом не исчерпываются. Для улучшения производительности и сокращения энергозатрат необходимо осуществлять плановое техническое обслуживание в течение всего срока службы оборудования.

ЭТАП ЭКСПЛУАТАЦИИ: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЛЬТРУЮЩИХ ВЕНТИЛЯТОРОВ И ХОЛОДИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ

Обслуживание фильтрующих вентиляторов достаточно простое, так как загрязненность фильтров и необходимость их замены можно оценить визуально. Регулярные профилактические мероприятия необходимы и для холодильного агрегата. Чтобы понять, какие именно, рассмотрим принцип его работы.

У холодильного агрегата две стороны — горячая и холодная. Первая находится снаружи, вторая — внутри устройства. С обеих сторон расположены теплообменники: конденсатор снаружи и испаритель внутри. Между ними циркулирует хладагент, выводящий тепло наружу. Вентиляторы обеспечивают циркуляцию воздуха, прогоняя его через теплообменник (см. рис. 3). В случае засорения теплообменника его эффективность падает: нагрузка на него возрастает, он потреб-ляет больше энергии, а мощность охлаждения снижается.

Рис. 3. Схема типового контура охлаждения.

Для предотвращения загрязнения на плас-тины теплообменника может быть нанесено покрытие, например Rittal RiNano, которое защищает от прилипания пыли, масла и прочих субстанций, либо установлен специальный фильтр. Регулярность чисток и замен фильтра зависит от состояния окружающей среды. Существуют три типа фильтров, каждый из которых предназначен для различных внешних условий: металлические используются при наличии масла в воздухе, ворсяные улавливают мельчайшие волос-ки, а фильтры из полиуретана эффективны в особо пыльной среде.

ВОЗДУХО-ВОДЯНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ

Воздухо-водяные теплообменники используются в более неблагоприятных условиях, чем фильтрующие вентиляторы, и, как холодильные агрегаты, охлаждают внутреннее пространство шкафа до температуры ниже, чем у окружающей среды. Для них требуется источник охлажденной воды. Вода циркулирует внутри змеевика теплообменника, а встроенный вентилятор прогоняет через него нагретый воздух. Тепло передается воде, которая поглощает его и доставляет в чиллер, где вода охлаждается и затем подается обратно.

Энергозатратность воздухо-водяных теплообменников мала, поэтому они считаются эффективным решением, к тому же не требующим особого обслуживания. Охлажденная вода используется в производственных процессах многих предприятий — например, выпускающих штампованный металл и пластик. Крупные промышленные чиллеры более эффективны — чем крупнее система, тем лучше результат ее работы.

Чтобы обеспечить максимальную эффективность системы жидкостного охлаждения, используемые трубопроводы необходимо изолировать и не располагать в горячих зонах, например рядом с печью.

Сами агрегаты должны отвечать современным требованиям к эффективности систем оборотного жидкостного охлаждения. На этапе проектирования необходимо предусмотреть, чтобы устанавливаемые чиллеры были оснащены компрессорами и насосами с инверторным управлением, а вентиляторы конденсатора имели EC-двигатели. Таким требованиям отвечают, например, чиллеры Rittal линейки Blue e+; экономия электроэнергии при их использовании составляет около 70%.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ И КОЭФФИЦИЕНТ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

Чтобы точно определить нужный типоразмер и уровень эффективности холодильного агрегата, надо знать, какое количество тепла придется отводить от шкафа и сколько энергии для этого необходимо.

Для систем бытового кондиционирования используется показатель SEER (сезонный коэффициент энергоэффективности). В отличие от бытовых, промышленные холодильные агрегаты обычно работают круглый год 24 часа в сутки, так как, когда оборудование включено, компоненты внутри шкафа выделяют тепло. В случае с промышленными агрегатами мерой эффективности является отношение охлаждающей способности к величине энергопотребления. Расчет этого коэффициента производится при определенной температуре (как правило, 35°C и внутри, и снаружи). Показатель изменяется при различных температурах, что позволяет сравнивать производителей оборудования путем оценки эффективности по единому стандарту.

Современные производства нередко оснащены высокоточным оборудованием, для надлежащего функционирования которого требуется поддерживать определенную температуру внутри распределительного шкафа автоматики. Производители климатического оборудования для шкафов стремятся обеспечить энергоэффективность и вместе с тем высокую точность поддержания определенного уровня температуры. С такими задачами может справиться только высокотехнологичное оборудование, в частности агрегаты из новейшей линейки холодильного оборудования Blue e+ производства Rittal.

В моноблочных холодильных агрегатах используется запатентованный способ охлаждения: традиционный «компрессорный» тип охлаждения соседствует с пассивным контуром «тепловых трубок». Последний соединяет теплообменник испарителя и теплообменник конденсатора медными фреоновыми трубками без использования запорно-регулирующих устройств. Благодаря этому достигается экономия электроэнергии около 75%, поскольку при определенном тепловом режиме снаружи и внутри шкафа компрессор установки работает на низких оборотах или не работает вообще, при этом теплосъем происходит с помощью «тепловых трубок».

Увеличить холодопроизводительность и энергоэффективность можно за счет использования инверторных компрессора и вентиляторов внешнего и внутреннего контуров, PID-контроллера, а также подключения холодильного агрегата к системам учета и контроля электроэнергии всего здания посредством различных протоколов связи (Profinet, SNMP, Modbus TCP и CANopen и т.?д.). Это можно сделать с помощью оборудования Rittal серии Blue e+ совместно с IoT-интерфейсом.

РЕЗЮМЕ

Создание эффективных и энергосберегающих решений для промышленного контроля микроклимата предполагает три этапа: проектирование, монтаж и эксплуатацию.

В ходе проектирования должны быть выполнены общая компоновка, тепловой расчет и выбор способа контроля микроклимата. Особое внимание следует обратить на свободный ток воздуха внутри монтажного шкафа. Расчет необходимой мощности охлаждения и учет среды, в которой будет размещен шкаф,?— это ключевые факторы, которые следует учитывать при выборе типа и мощности решения.

На этапе проектирования и монтажа нужно уделять внимание деталям и корректной — в соответствии с проектом — установке в шкафу оборудования и компонентов контроля микроклимата, что позволит достичь желаемых показателей энергоэффективности. Рекомендуется проверить изоляцию корпуса и прочие проблемные места, которые могут повлиять на бесперебойную работу оборудования.

В процессе эксплуатации надо обеспечить постоянное наблюдение за работой систем контроля микроклимата, а также проведение регулярного технического обслуживания с целью увеличения срока службы компонентов.

Благодаря использованию современных агрегатов с инверторами для плавного и точного регулирования мощности, компрессоров, насосов и вентиляторов с ЕС-управлением потребители имеют возможность значительно сократить потребление электроэнергии.

Анна Комарова, менеджер по продукции Outdoor и системам контроля микроклимата компании Rittal