МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПОМЕЩЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК F24F7/07 F24F7/08 

Предлагаемое изобретение относится к вентиляционной технике и может быть использовано как универсальная схема воздухообмена в помещениях с повышенными требованиями надежности работы оборудования в аппаратных помещениях, серверных, в помещениях коммутационным оборудованием и другим аналогичным оборудованием с общей теплонагруженностью от оборудования ЭВМ до 30кВт, географически локализованных в холодном макроклиматическом районе.

Известны системы кондиционирования воздуха, использующие для генерации холода парокомпрессионный цикл холодильной машины как с промежуточным холодоносителем (вода), так и с прямым воздушным охлаждением (фреон).

Известна Комбинированная система кондиционирования воздуха помещения с теплоизбытками в закрытом сооружении [Описание изобретения к авторскому свидетельству на изобретение SU 1778455, опубликовано 30.11.1992], содержащая косвенно-испарительный охладитель, местный увлажнитель, приточный воздуховод, конструкция которой не позволяет использовать систему круглогодично из-за отсутствия защиты от перемерзания холодоносителя - воды в зимнее время.

Известна Установка кондиционирования воздуха [RU 2641503 опубликовано 17.01.2018], включающая тракт приточного воздуха с установленными последовательно блоком косвенно-испарительного охлаждения, использующим для охлаждения часть прямого потока, и хладоновым поверхностным воздухоохладителем.

Недостатком известных систем является большое количество энергопотребляющих устройств с высоким коэффициентом себестоимости одного кВт холода, а также невозможностью бесперебойной работы при экстремально низких температурах.

Известна система кондиционирования воздуха [RU 2253804, опубликовано 10.06.2005], выбранная в качестве ближайшего аналога. Система содержит вентилятор, камеру смешения, регулирующие клапаны, приборы регулирования с датчиками, систему орошения, воздухоохладитель, воздухонагреватель.

Недостатком данной системы кондиционирования воздуха является отсутствие секции фильтра с необходимым классом очистки воздуха, т.к. камера смешения циклонного типа не сможет улавливать мелкодисперсную пыль. Также при кондиционировании помещения в зимний период для поддержания температуры необходим нагрев воздуха электрическим нагревателем, что требует дополнительных эксплуатационных затрат на потребление электроэнергии. Кроме того, в процессе смешения холодных масс наружного воздуха с рециркуляционным воздухом в камере смешения возникает риск обмерзания при функционирующем увлажнителе воздуха. Отсутствие вытяжного вентилятора на линии выкида теплого воздуха из помещения может спровоцировать ситуацию, когда при низкой температуре наружного воздуха поток воздуха через нагнетательный клапан, величина открытия которого прямо пропорциональна величине открытия всасывающего клапана, будет двигаться по наименьшему сопротивлению в обратном направлении - на приток, что в итоге нарушит технологию рециркуляционного нагрева.

Основной задачей создания многофункциональной системы воздушного охлаждения помещения (МСВО) является разработка нового технического решения, позволяющего задействовать минимальное количество технических устройств и минимальное количество затрачиваемой электроэнергии для поддержания параметров воздушной среды в аппаратных помещениях и создания условий для бесперебойной работы оборудования ЭВМ, при этом объединяющей в себя несколько функций, а именно:

- функция ассимиляции теплоизбытков от теплонапряженного оборудования ЭВМ;

- функция самоочистки воздушного фильтра, задействованного в процессе воздухоподготовки;

- функция удаления отработанного воздуха с углекислотным составом и вредными испарениями из помещений, оборудованных системой автоматической установкой пожаротушения (АУПТ);

- функция поддержания температурного режима в эксплуатируемом помещении в аварийном режиме - при выходе из строя одного рабочего вентилятора.

Указанная задача решается тем, что многофункциональная система воздушного охлаждения помещения содержит последовательно установленные на приточной линии регулируемый дроссель-клапан с периметральным обогревом и обратной связью электропривода, воздушный фильтр панельного типа, тройник смешения наружного воздуха с рециркуляционным, канальный вентилятор с реверсивным двигателем и частотным преобразователем, элементы сети воздуховодов, а также последовательно установленные на вытяжной линии элементы сети воздуховодов, канальный вентилятор с реверсивным двигателем и частотным преобразователем, тройник распределения рециркуляционного воздуха от вытяжного воздуха, дроссель-клапан с периметральным обогревом и обратной связью электропривода, а также дроссель-клапан, размещенный на рециркуляционной линии для регулирования расхода воздуха на нагрев наружного воздуха.

В аппаратных помещениях необходимо поддерживать постоянные параметры воздуха круглосуточно (круглогодично) для корректной работы оборудования ЭВМ. Применение МСВО на базе канального вентиляционного оборудования позволяет использовать естественный холод (технология free-cooling) для ассимиляции тепла в помещении в холодный период времени года, при этом разгружая работу автономного кондиционера с искусственным генератором холода, применяемого в комфортных условиях эксплуатации - в течение 30-60 дней в летний период.

Многофункциональная система воздушного охлаждения поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 изображена схема МСВО с обозначением ее элементов.

На фиг. 2 изображен режим работы МСВО «Кондиционирование» - поддержание параметров микроклимата в холодный период года, при температуре наружного воздуха ниже +5°С.

На фиг. 3 режим работы МСВО «Кондиционирование», аварийный режим - поддержание параметров микроклимата в холодный период года при выходе из строя одного из вентиляторов (левого).

На фиг. 4 изображен режим работы МСВО «Кондиционирование», аварийный режим - поддержание параметров микроклимата в холодный период года при выходе из строя одного из вентиляторов (правого).

На фиг. 5 изображен режим работы МСВО «Самоочистка» - частичная очистка фильтра, без демонтажа его из конструкции МСВО.

На фиг. 6 изображен режим работы МСВО «Газоудаление» - удаление продуктов газовых огнетушащих веществ после срабатывания АУПТ.

На фиг. 7 отображён температурный тренд при работе автономного кондиционера за отдельно взятый зимний период года. Данный тренд доказывает, что при работе автономного кондиционера происходит постоянный скачок температуры в помещении (перепад до +7°С) - следствие режима «старт-стоп», в результате которого происходит быстрый износ узлов и агрегатов автономного кондиционера из-за частых пусков.

На фиг. 8 отображён температурный тренд при работе МСВО за отдельно взятый зимний период года, который характеризует наиболее плавное поддержание температурного режима в аппаратном помещении, за счет двойного регулирования:

- температуры притока - изменением положения открыто/закрыто воздушных клапанов.

- повышением или понижением температуры в помещении путем изменения числа оборотов канальных вентиляторов.

На фиг. 9 отображён тренд по показаниям параметра относительной влажности воздуха при работе МСВО за отдельно взятый зимний период года. В итоге необходимость дополнительного источника осушения воздуха в зимний период не требуется, т.к. относительная влажность в помещении № 1118 линейно-аппаратного узла связи не превышала отметку 25% за счет небольшого влагосодержания (менее 1 г/м³) в наружном воздухе. Также не требуется и дополнительный источник увлажнения в зимний период, т.к. средний процент влажности в исследуемом помещении за отдельно взятый период наблюдений находился на отметке 10-12%, что не является критическим показателем, способным повредить оборудование ЭВМ от статического электричества с учетом данных по докладу, выпущенному в 2014 г. по заданию технического комитета ТС 9.9 Американского общества ASHRAE по исследованию критического показателя относительной влажности (https://www.alldc.ru/news/3997.html), принятой 8%.

Многофункциональная система воздушного охлаждения содержит:

1 - левый канальный вентилятор с реверсивным двигателем и частотным преобразователем электродвигателя, выполняющие функцию нагнетания и удаления воздуха в обслуживаемом помещении;

2 - правый канальный вентилятор с реверсивным двигателем и частотным преобразователем электродвигателя, выполняющие функцию нагнетания и удаления воздуха в обслуживаемом помещении;

3, 4, 5, 6 - воздушные дроссель-клапаны с электроприводом и функцией управления с обратной связью (инверсия сигнала 0…10В), выполняющие функцию регулирования/перекрытия воздушного потока. При этом клапаны 4 и 5 оснащаются электроприводами быстрого срабатывания.

7 - фильтр воздушного панельного типа с классом очистки, соответствующий требованиям к запыленности воздуха в эксплуатируемом аппаратном помещении, выполняющий функцию очистки наружного воздуха.

8 - воздуховоды, покрытые теплоизоляцией;

9 - тройники типа «штаны», покрытые теплоизоляцией;

10 - отводы, покрытые теплоизоляцией.

Все элементы МСВО (1 - 10), выполняющие функцию транспортировки воздушных масс, применены круглого сечения с минимальными удельными потерями напора рабочей среды, а также покрыты теплоизоляцией толщиной 20 мм, основными функциями которой являются:

- предупреждение образования конденсата как на внутренней, так и на наружной поверхностях элементов МСВО;

- ослабление шума и вибраций, возникающих в процессе движения воздушных масс в МСВО;

- уменьшение теплопередачи между потоком воздуха в воздуховодах и внешней средой помещения.

11 - оборудование автоматической системы управления технологическим процессом (АСУ ТП), выделяющее тепло в эксплуатируемое помещение.

Многофункциональность работы системы воздушного охлаждения помещения далее продемонстрирована на режимах: «Кондиционирование»; «Самоочистка»; «Газоудаление».

1. Режим «Кондиционирование», работа с двумя вентиляторами.

Режим работы оборудования изображен на Фиг. 2. Поддержание температурного режима в аппаратном помещении осуществляется за счет двойного регулирования:

- температуры притока - изменением положения открыто/закрыто дроссель-клапанов 3, 4, 5, 6.

- повышением или понижением температуры в помещении путем изменения числа оборотов канальных вентиляторов 1 и 2.

При активации режима «Кондиционирование» при работе с двумя вентиляторами изначально запускаются в работу канальные вентиляторы 1 и 2 на 50% мощности, при этом дроссель-клапаны 3 и 6 - полностью закрыты, а дроссель-клапаны 4 и 5 - полностью открыты. Далее, в зависимости от температуры наружного воздуха, происходит синхронное регулирование работой дроссель-клапанов 3 и 6 в обратно пропорциональной зависимости от положения дроссель-клапана 4, при этом дроссель-клапан 5 полностью открыт. В результате чего через канальный вентилятор 2 в помещение подается подготовленный воздух с температурой 0…+5°С, регулируемый канальным датчиком (не показано), размещенным в воздуховоде перед вентилятором 2. Далее, в зависимости от показания датчика температуры в аппаратном помещении, происходит регулирование оборотов канальных вентиляторов 1 и 2, с целью достижения параметров температуры в эксплуатируемом помещении в диапазоне +18…+25°С.

2. Режим «Кондиционирование», аварийный, работа с одним вентилятором - правая сторона.

Аварийный режим работы оборудования «Кондиционирование» при работе с одним вентилятором 2 изображен на Фиг. 3.

В случае выхода из строя канального вентилятора 1 происходит активация аварийного режима. Поддержание температурного режима в аппаратном помещении осуществляется за счет двойного регулирования:

- температуры притока - изменением положения открыто/закрыто дроссель-клапанов 4, 5, 6;

- повышением или понижением температуры в помещении путем изменения числа оборотов канального вентилятора 2.

При выходе из строя канального вентилятора 1 изначально система останавливается, воздушные клапаны 3, 4, 5 закрываются, канальный вентилятор 2 отключается. Затем происходит запуск канального вентилятора 2 на 50% мощности, при этом дроссель-клапаны 3 и 6 - полностью закрыты, а дроссель-клапаны 4 и 5 - полностью открыты. Далее, в зависимости от температуры наружного воздуха, происходит синхронное регулирование работой дроссель-клапана 6 в обратно пропорциональной зависимости от положения дроссель-клапана 4, при этом клапан 3 остается в полностью закрытом состоянии, а дроссель-клапан 5 полностью в открытом положении. Через дроссель-клапан 4 в линию притока поступает рециркуляционный воздух естественным путем. В результате чего через канальный вентилятор 2 в помещение подается подготовленный воздух с температурой 0…+5°С, регулируемый канальным датчиком, размещенным в воздуховоде перед вентилятором 2. Далее, в зависимости от показания датчика температуры в аппаратном помещении, происходит регулирование оборотов канального вентилятора 2, с целью достижения параметров температуры в эксплуатируемом помещении в диапазоне +18…+25°С.

3. Режим «Кондиционирование», аварийный, работа с одним вентилятором - левая сторона.

Режим работы оборудования «Кондиционирование», аварийный, работа с одним вентилятором - левая сторона изображен на Фиг. 4.

В случае выхода из строя канального вентилятора 2 происходит активация аварийного режима.

Поддержание температурного режима в аппаратном помещении при таком режиме осуществляется за счет двойного регулирования:

- температуры притока - изменением положения открыто/закрыто дроссель-клапанов 4, 5, 6.

- повышением или понижением температуры в помещении путем изменения числа оборотов канального вентилятора 1.

При выходе из строя канального вентилятора 2 изначально система останавливается, воздушные клапаны 3, 4, 5, 6 закрываются, канальный вентилятор 1 отключается. Затем происходит запуск канального вентилятора 1 в реверсивном режиме на 50% мощности, при этом дроссель-клапаны 3, 6 полностью закрыты, а дроссель-клапаны 4 и 5 - полностью открыты. Далее, в зависимости от температуры наружного воздуха, происходит синхронное регулирование работой дроссель-клапана 6 в обратно пропорциональной зависимости от положения дроссель-клапана 4, при этом клапан 3 остается в полностью закрытом состоянии, а клапан 5 полностью в открытом положении. Через дроссель-клапан 4 в линию притока поступает рециркуляционный воздух естественным путем. В результате чего через канальный вентилятор 1 в помещение подается подготовленный воздух с температурой 0…+5…С, регулируемый канальным датчиком, размещенным в воздуховоде перед вентилятором 1. Далее, в зависимости от показания датчика температуры в аппаратном помещении, происходит регулирование оборотов канального вентилятора 1, с целью достижения параметров температуры в эксплуатируемом помещении в диапазоне +18…+25°С.

4. Режим «Самоочистка».

Режим работы оборудования «Самоочистка» изображен на Фиг. 5. Данный режим является техническим решением, позволяющим осуществлять частичную очистку фильтра 7 без его демонтажа из системы. Активация данного режима происходит при превышении перепада давления на воздушном фильтре 7, установленного датчиком перепада показания (не показано).

При активации режима «Самоочистка» изначально система останавливается, воздушные клапаны 3, 4, 5, 6 закрываются, канальные вентиляторы 1 и 2 отключаются. Далее при закрытых клапанах 3, 4, 5 и полностью открытом клапане 6 происходит запуск в работу канального вентилятора 1, а также запуск канального вентилятора 2 в реверсивном режиме с постепенным набором мощности, в результате чего перед клапанами 4 5 создается избыточное давление. Далее при выходе вентиляторов 1 и 2 на полную мощность через датчик избыточного давления, размещенный перед дроссель-клапанами 4 и 5 подается сигнал на автоматический сброс давления через дроссель-клапаны 4 и 5 с электроприводами быстрого срабатывания, тем самым воздушный поток на большой скорости отбивает пылевые отложения на панельном фильтре 7. Далее после сброса давления процедура повторяется 2-3 раза: дроссель-клапаны 4 и 5 взводятся автоматически в закрытое положение, тем самым повторно создается избыточное давление перед клапанами 4, 5 и последующий импульсный сброс воздушного потока в полость фильтра. Импульсный сброс давления достигается за счет конструктивной возможности дроссель-клапанов 4 и 5 мгновенно открываться при превышении избыточного давления перед клапанами. Таким образом осуществляется частичная очистка панельного фильтра с удалением пыли наружу.

5. Режим «Газоудаление».

Режим работы оборудования «Газоудаление» изображен на Фиг. 6. Активация данного режима происходит после срабатывания АУПТ и активируется ручном режиме с кнопки у входа, в результате чего происходит удаление из помещения продуктов газового огнетушащего вещества (ГОТВ) из эксплуатируемого помещения. При активации режима «Газоудаление» изначально система останавливается, воздушные клапаны 3, 4, 5, 6 закрываются, канальные вентиляторы 1 и 2 отключаются. Далее при закрытых клапанах 4, 5, 6 и полностью открытом клапане 3 происходит запуск в работу канального вентилятора 1 на максимальную мощность, в результате чего из эксплуатируемого помещения удаляются продукты ГОТВ и помещение очищается от вредных веществ.

Многофункциональная система воздушного охлаждения помещения внедрена и обеспечивает поддержание температурного режима в помещениях: № 1118 линейно-аппаратного узла связи, № 3412 серверной инженерно-технических средства охраны административно-бытового комплекса заявителя.

Сравнительный анализ функционирования стандартного технического решения - автономный кондиционер для поддержания параметров температуры воздуха в помещении № 1118 линейно-аппаратного узла связи в холодный период по сравнению с использованием МСВО отражен на графиках фиг. 7, фиг. 8. Как видно из представленных температурных трендов, при работе бытового кондиционера происходит постоянный скачок температурного тренда (перепад до +7°С), что является следствием режима работы автономного кондиционера «старт-стоп». МСВО поддерживает температуру в аппаратном помещении наиболее плавно (фиг. 8) по сравнению с работой автономного кондиционера за счет двойного каскадного регулирования:

- температуры притока - изменением положения открыто/закрыто дроссель-клапанов 3, 4, 5.

- уменьшения или увеличение температуры в помещении путем изменения оборотов канальных вентиляторов 1, 2.

Экономический эффект от применения МСВО позволит обеспечить снижение эксплуатационных затрат:

- на потребление электроэнергии для ассимиляции теплоизбытков в аппаратном помещении, за счет того, что потребление электроэнергии вентиляторами значительно меньше, чем при работе автономных кондиционеров;

- на потребление электроэнергии для поддержания относительной влажности в аппаратном помещении за счет отсутствия дополнительного оборудования поддержания влаги (как видно на представленном тренде фиг. 8 за отдельно взятый период функционирования МСВО, относительная влажность в помещении № 1118 линейно-аппаратного узла связи не превышала отметку 25% за счет небольшого влагосодержания (менее 1 г/м³) в наружном воздухе, являющимся источником холода в холодный период, при этом средний процент влажности в исследуемом помещении за отдельно взятый период наблюдений находился на отметке 10-12%, что не является критическим показателем, способным повредить оборудование ЭВМ от статического электричества c учетом данных по докладу, выпущенному в 2014г. по заданию технического комитета ТС9.9 Американского общества ASHRAE по исследованию критического показателя относительной влажности принятой 8%);

- на обслуживание фильтрующих элементов в составе вентиляционного оборудования за счет активации режима частичной очистки, что в итоге позволит уменьшить трудозатраты на выполнение технического обслуживания дежурным персоналом;

- на обслуживание сложного технического оборудования автономного кондиционирования за счет снижения наработки данного оборудования с 12 до 1-2 месяцев в году, при этом затраты на обслуживание наиболее ремонтопригодного вентиляционного оборудования МСВО будут незначительны и не потребуют дорогостоящих комплектующих.

Предлагаемое изобретение позволяет обеспечить надежную и безаварийную работу оборудования ЭВМ в аппаратных помещениях посредством: минимальных капитальных вложений на оснащение (выполнение нескольких функций одним техническим устройством); минимизации эксплуатационных затрат; снижения потребления электроэнергии за счет применения естественного источника холода - наружного воздуха, а также применения оборудования, адаптированного к суровым условиям эксплуатации (выполнение требований п.8.1 СП 60.13330.2020, Свод правил: Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха https://docs.cntd.ru/document/573697256); снижения затрат на обслуживание технических устройств за счет большего периода задействования наиболее ремонтопригодного оборудования; создания безопасных условий воздушной среды - удаления продуктов ГОТВ после срабатывания АУПТ (выполнение требований п.7.13 СП 7.13130.2013 Свод правил. Отопление, вентиляция и кондиционирование, Требования пожарной безопасности, https://docs.cntd.ru/document/1200098833).

Изобретение относится к вентиляционной технике и может быть использовано как универсальная схема воздухообмена в помещениях с повышенными требованиями надежности работы оборудования: в аппаратных помещениях, серверных, в помещениях коммутационным оборудованием и другим аналогичным. Система содержит последовательно установленные на приточной линии регулируемый дроссель-клапан с периметральным обогревом и обратной связью электропривода, воздушный фильтр панельного типа, тройник смешения наружного воздуха с рециркуляционным, канальный вентилятор с реверсивным двигателем и частотным преобразователем, элементы сети воздуховодов, а также последовательно установленные на вытяжной линии элементы сети воздуховодов, канальный вентилятор с реверсивным двигателем и частотным преобразователем, тройник распределения рециркуляционного воздуха от вытяжного воздуха, дроссель-клапан с периметральным обогревом и обратной связью электропривода, а также дроссель-клапан, размещенный на рециркуляционной линии для регулирования расхода воздуха на нагрев наружного воздуха. Применение многофункциональной системы воздушного охлаждения на базе канального вентиляционного оборудования позволяет использовать естественный холод для ассимиляции тепла в помещении в холодный период года, при этом разгружая работу автономного кондиционера с искусственным генератором холода. 9 ил.

Многофункциональная система воздушного охлаждения, характеризующаяся тем, что содержит последовательно установленные на приточной линии регулируемый дроссель-клапан с периметральным обогревом и обратной связью электропривода, воздушный фильтр панельного типа, тройник смешения наружного воздуха с рециркуляционным, канальный вентилятор с реверсивным двигателем и частотным преобразователем, элементы сети воздуховодов, а также последовательно установленные на вытяжной линии элементы сети воздуховодов, канальный вентилятор с реверсивным двигателем и частотным преобразователем, тройник распределения рециркуляционного воздуха от вытяжного воздуха, дроссель-клапан с периметральным обогревом и обратной связью электропривода, а также дроссель-клапан, размещенный на рециркуляционной линии для регулирования расхода воздуха на нагрев наружного воздуха.