مقدمه

در این بخش به ادامه معرفی چیلر هواخنک مناسب برای دیتاسنتر و تجهیزات آن پرداخته شده و در پایان جمع بندی مطالب و نکات مهم در انتخاب چیلر مناسب دیتاسنتر آورده شده است. در بخش اول مطالب مختلفی از جمله معرفی چیلر هواخنک، شماتیک اجزای اصلی و اصول عملکرد چیلر هواخنک، کمپرسور چیلر هواخنک، اواپراتور چیلر هوا خنک، کندانسور چیلر هواخنک مورد بررسی قرار گرفت.

شیر انبساط چیلر هواخنک

شیر انبساط مکانیزمی است جهت کنترل مقدار جریان و دمای مبرد ورودی به اواپراتور، که نقش اصلی را در تعیین دمای آب سرد خروجی از چیلر ایفا می کند. به کمک شیر انبساط، میزان سوپرهیت ایجادشده در جریان خروجی از اواپراتور تنظیم می شود تا بدین وسیله از ورود مایع مبرد به کمپرسور جلوگیری شود. به طوری که شیر انبساط با توجه به مقدار فشار و دمای مبرد خروجی از اواپراتور، میزان سوپرهیت را تشخیص داده و در صورت پایین بودن مقدار آن، مسیر عبور جریان مبرد را کاهش می دهد تا مبرد کمتری وارد اواپراتور شود. این چنین میزان سوپرهیت بخار مبرد در خروج از اواپراتور افزایش می یابد. از طرفی یک شیر انبساط به منظور بدست آوردن اختلاف فشار بین فشار بالا (در کندانسور) و فشار پایین (اواپراتور) یک سیستم تبرید مورد استفاده قرار می گیرد. این اختلاف فشار به دمای اواپراتور این قابلیت را می دهد تا به اندازه کافی کم باشد تا حرارت را از آبی که می خواهد سرد شود بگیرد در صورتی که همین مبرد در دمایی به اندازه کافی بالا در کندانسور به منظور دفع حرارت به هوای محیط باشد. به طور معمول 2 نوع شیر انبساط در چیلرهای هوا خنک مورد استفاده قرار می گیرد.

شیر انبساط ترموستاتیکی

یک شیر انبساط ترموستاتیکی از یک شیر تنظیم کننده و یک حباب حسگر (سنجش) دمای متصل تشکیل یافته است. این حباب حسگر در خط خروجی اواپراتور و در مکش کمپرسور قرار دارد. این تجهیز دمای مبرد در اواپراتور و دمای سوپرهیت مبرد در خروجی اواپراتور را می سنجد. این موضوع به شیر انبساط این امکان را می دهد تا جریان عبوری مبرد از اواپراتور را به منظور بدست آوردن میزان خروجی مناسب سوپرهیت تنظیم نماید.

شیر انبساط الکترونیکی

یک شیر انبساط الکترونیکی دارای سنسورهای دما و فشار خارجی می باشد تا سوپرهیت را اندازه گیری نموده و با استفاده از موتور پله ای قابل کنترل، بتواند جریان عبوری از شیر را کنترل نماید. در مقایسه شیر انبساط الکترونیکی با ترموستاتیکی برتری با استفاده از شیر انبساط الکترونیکی می باشد از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد: - داشتن افت فشار کمتر - داشتن گستره تنظیمات بیشتر و انعطاف پذیری شرایط عملیاتی بیشتر - فراهم کردن کنترل ظرفیت دقیق تر - استفاده از الگوریتم های پیش بینی کننده به منظور جلوگیری از مشکلات احتمالی عملیاتی

کنترل چیلر هوا خنک

تمامی چیلرها نیازمند کنترل مناسب به منظور امنیت و عملکرد مناسب می باشند. امروزه تجهیزات چیلر در حال استفاده گسترده از فناوری، برای ارائه این کنترل است. یک چیلر به روز، از میکروپروسسورها، سنسورهای الکترونیکی و رابط کاربر دیجیتال استفاده می کند که باعث تغییر ظاهر سیستم های کنترل تجهیزات چیلر شده اند. این فناوری به یک کنترل دیجیتال مستقیم ارجاع می شود. (Direct Digital Control (DDC))

کنترل دیجیتال مستقیم عبارت است از کنترل خودکار یک شرایط یا فرایند توسط یک دستگاه دیجیتال مثل کامپیوتر می باشد. کنترل مستقیم دیجیتال یک رویکرد شبکه محور متمرکز را در پیش می گیرد. تمام ابزار دقیق توسط مبدل های مختلف آنالوگ و دیجیتال جمع آوری می شود که از شبکه برای انتقال این سیگنال ها به کنترل کننده مرکزی استفاده می کنند. سپس کامپیوتر مرکزی از تمام قوانین تولید خود پیروی می کند و باعث می شود اقدامات از طریق همان شبکه به شیرها، محرک ها و سایر اجزای قابل تنظیم چیلر ارسال شود. رابط کاربری سیستم DDC به صاحبان اپراتورها و تکنسین های خدمات، توانایی ارزیابی تشخیصی عملکرد تجهیزات را با استفاده از نمایشگرهای نصب شده یا دستی می دهد. اکثر سیستم های DDC دارای یک ترمینال ارتباطی هستند که امکان برقراری ارتباطات شبکه ای یا اتصال یک کامپیوتر برای قابلیت های تشخیصی دقیق تر را فراهم می کند. سیستم های DDC توانایی به اشتراک گذاری اطلاعات در یک گذرگاه ارتباطی را دارند که می تواند در همه جا مشاهده شود. برای انتقال داده ها و ایجاد پیوند ارتباطی، پروتکلی لازم است. یک پروتکل اساساً مجموعه ای از قوانین، برای برقراری ارتباط در یک شبکه بین رایانه ها است، قوانین به گونه ای است که در صورت عدم رعایت آن ها ارتباط برقرار نخواهد شد. وظیفه پروتکل ها امکان برقراری ارتباط بین سیستم ها و اطمینان از دستیابی داده ها به مقاصد است. به منظور ارسال پیام از طریق شبکه از پروتکل های مختلف زیادی استفاده می شود، آن ها کارهای مختلفی را در فرآیند ارسال پیام بر عهده دارند. بیشتر ارتباطات شبکه ای در تجهیزاتی مانند چیلر از طریق پروتکل های ارتباطی Modbus یا SNMP (که هر کدام کارت شبکه مخصوص به خود دارد) صورت می پذیرد.

گازهای مبرد مورد استفاده در چیلر هواخنک

در حال حاضر سازندگان چیلرهای هواخنک در تعداد کمی از مدل های خود از گاز R22 استفاده می کنند. گاز R22 برای سالهای زیادی به عنوان مبرد استفاده شده است. اگرچه امروزه شرایط تغییر یافته است، R22 شامل کلر می باشد که زمانی که در جو آزاد می شود برای محیط زیست اثرات مخربی دارد. علاوه بر R22، چیلرهای جدیدتر از گاز R134a، بهره می برند که کلر ندارند. همچنین ترکیبات جدیدی مانند R410A و R407C برای استفاده در چیلرها توسعه یافته اند.

ریسیور (Receiver) چیلر هواخنک

یکی  از مشكلاتی که در زمان استارت كمپرسور به وجود می آید این است که اگر دماي محيط خيلي كاهش يابد دیشارژ کاهش یافته و در زمان شروع مجدد، مبرد کمتري از طريق شیر انبساط داخل تبخیر کننده مي شود.  با این وجود فشار مکش به شدت كاهش يافته و چیلر صنعتی به وسیله كنترل فشار مکش قطع می گردد. جهت رفع این مشکل بهتر است از ریسیور در سیکل چیلر صنعتی استفاده گردد هدف از به کارگیری ریسیور، دریافت و جمع آوری مبرد تخلیه شده از کندانسور چیلر صنعتی است. اصلی ترین وظیفه ریسیور جمع کردن یا حذف نوسانات موجود در سطح مبرد مایع می‌باشد. علاوه بر این وجود یک مخزن مناسب در زمان پمپ دان (Pump down) سیستم بسیار ضروری است. به عبارتی، اگر سیستمی فاقد ریسیور باشد، همواره شارژ دستگاه باید در حالت تعادل (نه زیاد و نه کم) باشد. اما در صورت وجود این قطعه در دستگاه، سیستم دیگر به میزان شارژ گاز حساس نمی‌باشد زیرا شارژ اضافی به صورت مایع در رسیور ذخیره شده و برای سیستم مشکلی ایجاد نمی‌کند. همچنین رسیور این اطمینان را ایجاد می کند که مایع مبرد کاملا خالص و به دور از هر گونه گاز به سمت اواپراتور جریان یابد. ریسیور می تواند به عنوان منبعی برای کنترل مبرد مایع عمل کند و حتی بر روی فشار کندانس و مادون سرد بودن مایع (Sub Cooling) تاثیر بگذارد. و همچنین به عنوان نگهدارنده مبرد مایع اضافی در سیستم تاثیر بگذارد. ریسورها به دو شکل افقی و عمودی ساخته می‌شوند که نوعی افقی آن متداول‌تر است.

سیستم فری کولینگ (Free Cooling) چیلر هواخنک

هدف کلی چیلر خنک کردن آب از 12 درجه سانتیگراد تا 6 درجه سانتیگراد است. از آب سرد 6 درجه سانتیگراد می توان برای اهداف مختلفی مانند تهویه مطبوع راحت، خنک کننده در پردازش داده ها یا مراکز ارتباط از راه دور یا در فرآیندهای مختلف صنعتی استفاده کرد. به طور استاندارد یک چیلر هواخنک، به اواپراتور مجهز است که به لطف تبخیر مبرد، آب را خنک می کند. برای تبخیر مبرد، انرژی درایو الکتریکی مورد نیاز است که به نوبه خود بیشتر توسط یک یا چند کمپرسور مصرف می شود. به منظور کاهش چشمگیر مصرف انرژی، چیلرهای دارای فری کولینگ (Free Cooling) به مبدل حرارتی اضافی با خنک کننده هوا مجهز هستند.

به محض اینکه دمای هوای بیرون 2 درجه سانتیگراد (در چیلرهای مختلف، متفاوت می باشد) به زیر دمای تنظیم شده سیستم آب سرد کاهش یابد، فری کولینگ (Free Cooling) به منظور کاهش مصرف انرژی فعال می شود. با استفاده از سه شیر دو طرفه یا یک شیر 3 طرفه برقی، آب مستقیماً به مبدل حرارتی پوسته و لوله وارد نمی شود بلکه به یک مبدل حرارتی اضافی با هوا خنک می شود. این سیستم از اختلاف دما بین دمای بالاتر آب سیستم و دمای پایین هوا در فضای باز برای خنک سازی آب و کاهش انرژی مصرف شده توسط کمپرسورها استفاده می کند. هرچه اختلاف بین دمای برگشت واحد و دمای هوای خارج بیشتر باشد، می توان انرژی الکتریکی بیشتری را نیز ذخیره کرد. بسته به طراحی سیستم و نوع واحد انتخاب شده - با شروع اختلاف درجه حرارت 2 درجه سانتیگراد و هوای آزاد، می توان آن را کاملاً بدون کارکرد الکتریکی کمپرسور انجام داد. لازم به ذکر است به دلیل افت فشار بیشتر سیستم به خاطر کویل های سیستم فری کولینگ (Free Cooling)، در بیشتر برند ها از یک پمپ آب مخصوص مدار فری کولینگ (Free Cooling) در چیلر استفاده می شود. شماتیک کلی عملکرد سیستم فری کولینگ (Free Cooling) به صورت زیر می باشد: استفاده از این سیستم در چیلرهای دائم کار به کار رفته در صنعت به خصوص دیتاسنترها به منظور صرفه جویی در مصرف برق و بهره وری بهتر (البته در مناطقی که شرایط استفاده از آن را داشته باشند) حتما توصیه می گردد.

اکونومایزر (Economaizer) در چیلرهای تراکمی

اکونومایزر یک مبدل حرارتی است که در چیلر ها استفاده می شود. استفاده از اکونومایزر به این خاطر صورت می گیرد که ظرفیت سرمایشی سیستم را بالاتر برده، کارایی آن را افزایش دهد. این مبدل های حرارتی در کل باعث ایجاد ساب کولینگ (Sub cooling) شده، با ساز و کاری مشخص مایع مبرد را پس از عبور از کندانسور به مایع فوق سرد تبدیل می کند. این عمل به دو دلیل باعث خنک سازی بیشتر چیلر می شود. در مرحلۀ نخست استفاده از آن باعث افزایش ظرفیت سرمایشی سیستم می گردد و در مرحلۀ دوم، کنترل کاربر را روی شیر انبساط بیشتر می نماید.

مزایا و معایب چیلر هوا خنک

مزیت های چیلر هواخنک

- ظرفیت برودتی متنوع - امکان کنترل ظرفیت برودتی - ضریب عملکرد بالاتر و ابعاد و اندازه کوچک تر نسبت به چیلرهای جذبی - عدم نیاز به پمپ برای کندانسور - کمتر بودن هزینه نصب چیلر هوا خنک نسبت به سایر چیلر ها به علت تعداد کمتر تجهیزات و قطعات - دارای قابلیت کارکرد در اکثر شرایط آب و هوایی، همچنین در مناطق که منابع آبی کمتر می باشند مانند اکثر مناطق کشور بهتر است از چیلر های هوا خنک به جای چیلرهای آب خنک و جذبی استفاده شود. - چیلر هوا خنک نسبت به چیلر آب خنک (نیاز به نصب برج خنک کننده دارد) فضای کمتری از ساختمان را اشغال می کند.

معایب چیلر هواخنک

- مصرف برق بالاتر چیلر هوا خنک نسبت به آب خنک - پایین تر بودن ضریب عملکرد چیلر هوا خنک نسبت به چیلر آب خنک - بالاتر بودن هزینه اولیه چیلر هوا خنک به علت گران بودن کندانسور هوایی نسبت به چیلر آب خنک - پایین تر بودن عمر مفید چیلر هوا خنک نسبت به چیلر آب خنک به دلیل قرار گرفتن آن در فضای آزاد (در معرض آفتاب، باران و برف)

جمع بندی مطالب و نکات مهم در انتخاب چیلر مناسب دیتاسنتر

با توجه با مطالب عنوان شده در این مقاله به منظور انتخاب یک چیلر هواخنک مناسب برای دیتاسنتر می بایست تمامی شرایط را در نظر گرفت و بر اساس قابلیت های هر تجهیز به کار رفته در آن، بهترین را برگزید.

نکته 1

به دلیل کار یک دیتاسنتر که به صورت 365 روز سال و کل شبانه روز (7*24) می باشد، در درجه اول چیلر هواخنک مناسب برای یک مرکز داده می بایست دائم کار صنعتی بوده و توانایی کار در تمام مدت شبانه روز و در تمامی فصول را داشته باشد که به این منظور کل تجهیزات چیلر می بایست حتما شرایط کار در هر زمانی را دارا بوده و از بهترین برندها و کیفیت ساخته شده باشند. کلیه تمهیدات لازم برای کار در زمستان برای جلوگیری از یخ زدگی دستگاه منظور شود. با توجه به استفاده از ضد یخ در سیستم خنک کننده دیتاسنترها، اجزای چیلرهای مرکز داده می بایست با ضد یخ هایی مثل اتیلن گلایکول سازگار باشند.

نکته 2

با توجه به ظرفیت چیلر مورد نیاز حداقل از 2 یا چند کمپرسور اسکرال یا اسکرو و به تبع آن مدار تبرید مختلف در چیلر استفاده شده باشد. تا حد امکان کمپرسور دارای اینورتر به منظور تعیین و تنظیم ظرفیت های مختلف باشد. کمپرسور می بایست مجهز به امکانات کار در زمستان باشد (هیتر). همچنین دارای Soft Start باشد.

نکته 3

با توجه به شرایط آب و هوایی کندانسور مناسب آن منطقه در چیلر تعبیه دیده شود و در مناطقی که در هوای آن امکان خوردگی پره های کندانسور وجود دارد حتما از پره های با پوشش طلا، نقره و غیره استفاده گردد. به منظور صرفه جویی در انرژی و همچنین عملکرد بهتر استفاده از EC Fan در کندانسور پیشنهاد می گردد. در چیلر صنعتی حتما در تمامی فصول و شرایط باید روشي در نظر گرفته شود كه فشار كندانسينگ را در محدوده طراحي نگاه دارد. بهترین روش کنترل دور فن کندانسور استفاده از اینورتر یا EC Fan می باشد.

نکته 4

سیستم کنترل چیلرها می بایست کامل بوده و سنسورها و ابزار دقیق مناسب برای کنترل و مانیتورینگ کامل سیستم را دارا باشد. همچنین به منظور اتصال به شبکه دارای کارت شبکه Modbus یا SNMP باشند. در صورت استفاده از چند چیلر به صورت سری با هم، این چیلرها می بایست با یکدیگر در ارتباط بوده و به صورت یکپارچه با هم کار کنند.

نکته 5

اگر چیلر در مناطق معتدل و یا سرد مورد استفاده قرار می گیرد که شرایط استفاده از هوای محیط برای خنک کردن آب به مدت مناسب در طول سال را دارند، سیستم فری کولینگ (Free Cooling) برای چیلر پیشنهاد می گردد.

نکته 6

با توجه به افت فشار کمتر و همچنین تعمیر و نگهداری آسانتر، استفاده از اواپراتور پوسته-لوله ای پیشنهاد می گردد، در صورت استفاده از اواپراتور صفحه ای تمهیدات لازم در پمپ سیرکولاسیون سیستم خنک کننده در نظر گرفته شود.

نکته 7

استفاده از اکونومایزر در چیلر به سبب افزایش ظرفیت سرمایشی و بازدهی توصیه می گردد. همچنین در صورت مزاحمت صدای چیلر (صدای فن کندانسور و کمپرسور) می توان از چیلرهای دارای سایلنسر استفاده نمود.

نکته 8

بازدهی چیلر هواخنک نیز از جمله مواردی است که می بایست در انتخاب آن مدنظر قرار داد. مقیاس اندازه گیری بازده چیلر در سطح جهانی ضریب EER باشد. عدد EER بر اساس جداول تعریف شده از سوی سازمان های استاندارد جهانی رتبه مصرف انرژی دستگاه ها را مشخص میکند. میزان راندمان چیلر در ارتباط مستقیم به EER دارد. هرچقدر EER بیشتر باشد بازدهی چیلر بیشتر است و به همین میزان انرژی کمتری برای کار چیلر نیاز است. این امر علاوه بر مصرف انرژی پایین تر، در انتخاب میزان برق مصرفی درخواستی از شرکت برق هم حائز اهمیت می‌باشد.

نکته 9

به طور کلی در انتخاب چیلر مناسب برای استفاده در سیستم خنک کننده یک دیتاسنتر می بایست بر اساس طراحی صورت گرفته، شرایط آب و هوایی، بودجه اختصاص یافته و سایر عوامل بهترین تصمیم گرفته شود. اجزای چیلر را میتوانید در سایت اشنایدر مشاهده کنید.