Szerverterem
TEMPERÁLÁS

Rubin COOL

Energiafelhasználás és klimatizálás

Az elmúlt évtizedekben megnőtt a komfort igény a privát szférában és az ipari objektumokban egyaránt. Ez magával hozta a klimatizálás szükségességét szinte mindenütt. Jól mutatja ezt az a tény, hogy a nyári hónapok villamosenergia felhasználása már meghaladja a téli időszakot. Ez elsősorban a rendkívül nagy mennyiségű, és nem eléggé átgondoltan működtetett klíma berendezések okozzák.

Ezzel párhuzamosan az elmúlt években robbanásszerű fejlődés indult meg az informatika és a kommunikáció terén, ami egyre több és nagyobb szerver termek, bázisállomások, datacenterek létesülését eredményezte. Az elvárások a hőmérséklet szabályozása tekintetében igen különböznek egymástól. Érdekes eltérés mutatható ki a lakossági, és az infokommunikációs ipar energia felhasználásában.

A megtakarítás elsősorban ott remélhető nagyobb mértékben, ahol maga az alapfogyasztás is nagyobb. Ezért minden olyan innovatív megoldás, ami az ipari villamosenergia-fogyasztást, ill. a lakossági hőigényt csökkenti, sikerre van ítélve. Látható, hogy míg a lakossági energiafogyasztás súlyponti része a hő (fűtés, meleg víz), az infokommunikációs szektorban a fő energiaforrás a villamos áram.

Különösen így van ez olyan területeken, ahol sok klímaberendezés működik, hiszen ezek is villamosenergiát fogyasztanak. Az európai kommunikációs iparág adatai azt mutatják, hogy ez az energia az összes felhasznált 30-48%-a, attól függően, hogy milyen korszerű rendszereket építettek ki a szolgáltatók. A klíma berendezések feladata lényegében a keletkezett belső hő és a külső hő terhelés által befogadott hő visszahűtése oly módon, hogy egy előre meghatározott hőmérsékleti tartományban (ez más a komfort igény esetén és más a technológiáknál) egyensúly álljon be. A géptermek esetében a bevitt villamosenergia lényegében teljes egészében hővé alakul, a forgalmazott bitek mennyiségétől függő nagyságrendben. Ezt kell a klíma berendezésekkel visszahűteni. A kompresszoros klímaberendezések hatásfoka (amivel a villamosenergiát hőenergiává alakítják) elvileg 30%-os. Ezt a paramétert jellemzi, az ún. COP szám, ami elvileg így 3-as érték. Az EU-ban mért adatok alapján ez az infokommunikációs iparágban csak 2,1. Itt tehát lényeges a megtakarítási lehetőség! Különösen, ha olyan innovatív megoldást alkalmazunk, ami ezt az értéket akár egy nagyságrenddel is magasabbra képes emelni.

Más az elvárás egy lakás temperálásakor és más egy IT gépterem által támasztott követelmény. A főbb paraméterek mentén az alábbi táblázatban foglaltuk össze a követelményeket.

 

 

Látható, hogy az egyes alkalmazásokhoz más és más működésű berendezésre van szükség. Ezt a problémát a kínálati piacon megjelenő klímagyártók úgy kezelik, hogy néhány alap típust fejlesztettek ki, ezeket teljesítmény szerint lépcsőzték, és a jellemző felhasználói szokásokhoz minden gyártmány család kap egy kismértékben konfigurálható alap programot. Ha egy felhasználó jelentősen el szeretne térni a gyári programozástól, csekély lehetősége van módosítani azon.

A felgyorsult technológiai fejlődés eközben érdekes anomáliát hozott felszínre

Miközben egy-egy technológiai szolgáltatás az IT, vagy a kommunikáció területén 3-5 év alatt elavul, mivel új lép a helyébe, az ezeket a rendszereket kiszolgáló infrastrukturális berendezések, így a klímák is ezt meghaladó, 8-12-15 éves életciklussal rendelkeznek. Tehát ezek több generációnyi technológiai szolgáltatást képesek a hátukon hordozni.

Ugyanez a helyzet az irodai rendszerek, vagy a lakásba felszerelt klímák esetében is. Egy épület beruházásánál 10-20 év időtartamra működéssel számolunk. A megváltozott használati mód, vagy az energia árak jelentős megnövekedése (ezzel kell számolnunk) nehezen kezelhető utólag egy fix telepítésű rendszerben.

Tehát igen gyakran kell döntést hoznia a felhasználónak

• Klíma berendezések cseréje korszerűbbre, vagy a megváltozott igényhez megfelelőbbre.
• Bizonyos gépek szakaszos, vagy végleges kikapcsolása.
• A meglévő klímák gyártó által történő átprogramoztatása.
• A meglévő gépek intelligens kiegészítése külső vezérléssel, alkalmazkodás a konkrét felhasználási igényhez.

A döntés következménye több tekintetben is érzékelhető

• Beruházási költség vonzata van. Alapjában üzemképes, jó gépeket nem gazdaságos kidobni, pusztán azért, mert ma már létezik korszerűbb is a piacon.
• Üzemeltetési költség növekedés vonzata van.
• A gyártók nem szívesen foglalkoznak egyedi igényekkel, egyéb beavatkozás pedig garancia és üzemeltetési vitákat generálhat.
• A külső vezérléssel igen flexibilis rendszer alakítható ki a meglévő berendezések megtartásával. A konkrét, változó igény szerinti programozás hosszú távon is biztosítható. Légtechnika bevonásával jelentős üzemeltetési költség realizálható.

Üzemeltetési biztonság

A technológiai géptermek, bankok, data centerek, IT szervertermek, kommunikációs hálózatok üzemelése során kiemelkedően fontos a megbízható és 24 órás folyamatos működés. Ez nem csak az alapműködésre igaz, hanem a temperálásra és az áramellátásra egyaránt. Így minden gépterem mellett (vagy vele egy helyiségben) jelentős kapacitású akkumulátor telepek találhatók az esetleges áramkimaradások áthidalására. Magyarországon ezek a kimaradások az alábbi mért jellemzők szerint alakultak az elmúlt időszakban.

További problémát is okoznak ezek az áram kimaradások. Ugyanis a kézi beavatkozás akkor indul el, amikor már magas hőmérsékletet észlelünk. A nagy tömegek miatt ez a hőmérséklet még a szellőztetés megkezdését követően is sokáig fennáll. A stabil belső hőmérsékletet pedig a telepített, igen drága és kényes akkumulátorok különösen megkívánják. Ezek ilyenkor nagy hő sokkot kapnak, ami a megbízhatóságuk és az élettartamuk csökkenéséhez vezet. Látható, hogy a kritikus 1 óránál tovább tartó szünetek száma több száz is lehet, ezek alkalmával szinte biztos a szolgáltatás kiesés, ha nem teszünk intézkedéseket, ugyanis ennyi idő alatt felforr az akkumulátorokról működő gépterem, mivel a klímaberendezések a hálózati áramellátás nélkül nem működnek. Ma ezt a veszélyt a legtöbb üzemeltető oly módon hárítja el, hogy valakit a helyszínre irányított, aki ajtó, ablak kinyitásával kiszellőzteti a belső teret, mindaddig, amíg vissza nem kapcsolódik a tápláló áram, és ki nem hűl a terem. Ez rendkívül költséges, bizonytalan és kétes sikerű eljárás.

Az akkumulátorok élettartama és kapacitása nagyon érzékeny a környezeti hőmérsékletre. Néhány alkalommal kialakuló 30-50 ºC hő sokk lecsökkenti a kapacitásukat, tönkreteszi belső szerkezetüket.

Ez különösen nagy kárral jár, mert a jelenség nem mutatkozik azonnal, hanem egy későbbi időpontban hirtelen töltésvesztés formájában okoz kárt. Ilyenkor a váratlanul megjelenő hálózati áramkimaradást így nem képesek áthidalni és megáll a rájuk bízott rendszer. Költség oldalról vizsgálva a kérdést még drámaibb a helyzet. Ezek az akkumulátorok igen drágák, emiatt fontos, hogy teljes életciklusuk kihasznált legyen (8-10 év) és ne kelljen 3-4 év után kiselejtezni őket.

Az állomások ilyen „hő megfutása” különösen gyorsan kialakulhat, amikor az elektromos áram szolgáltatás kimarad. Ilyenkor ugyanis a beépített klímaberendezések nem működnek, hiszen ezek üzemeltetéséhez hálózati áram szükséges. A technológia által termelt hő rövid idő alatt felfűti a belső teret és kialakul a kritikus 40-50 ºC léghőmérséklet, ami azt eredményezi, hogy a berendezések (beépített védelmük segítségével) kikapcsolnak, a szolgáltatás megszűnik. Ugyanígy leállna a gépterem, ha az áramkimaradás ideje meghaladja azt az értéket, amit az akkumulátorok képesek áthidalni. Ilyen esetekre rendszerint diesel generátoros segédáramforrás áll rendelkezésre, de ennek indulása és terhelhetősége között 15-20 perc is szükség lehet, amit ha nem hidalnak át az akkumulátorok, megáll az egész rendszer.

A megoldási irány

A probléma felvetéséből, megfogalmazásából leszűrhetők azok a legfontosabb követelmény paraméterek, amelyek mentén a piaci megoldásoktól eltérően, a felhasználó elsődleges érdekei mentén alakítható ki innovatív hűtési rendszer. Ennek főbb ismérvei a következők:

• Berendezés típustól, gyártmánytól független. Nem bontja meg a klímák belső rendszerét.
• Meglévő rendszereken is alkalmazható.
• Energiatakarékos, csökken az energia felhasználás, csökken a CO2 emisszió.
• Költséghatékony, nem igényel nagy beruházást, megtérülési ideje 3 év alatt marad.
• Nő az üzembiztonság, áramszünetek esetén is van hűtés, ami megvédi a technológiai berendezéseket.
• Flexibilisen programozható és átprogramozható, a felhasználás igénye szerint, mindig megtalálva az optimális munkapontokat.
• Ipari, irodai és lakossági komfort igényekre is alkalmazható.
• Környezetbarát, csökken a kültéri zajterhelés.
• Nő a klíma berendezések élettartama, csökken a karbantartási költség.

Megoldások az európai kommunikációs cégek gyakorlatában

Mindenekelőtt sajnálattal kell megállapítani, hogy valamennyi európai infokommunikációs szolgáltató cég külön kezeli a technológiai hűtési megoldásainak és a komfort igényű irodai hűtések fejlesztéseit. Ennek az lehet az oka, hogy a kétféle rendszer célfüggvénye, igénye, biztonsági követelményei egymástól jelentősen eltérnek. Ennek a szétválasztásnak aztán az az oka, hogy a fejlesztések során nem jöhet létre az az ugrás, amit innovációnak nevezhetünk.

Szinte mindegyik vállalkozás a technológiai hűtésre fókuszál (ennek nagyobb az energia felhasználása).

Telecom Italia EFFC rendszer. Felső elszívással depressziós teret hoz létre, a szűrt friss levegő kényszeráramlással jut be a térbe. Az éves COP 50 körül van kis terek estében.
Belgacom A klímás hűtésre friss levegős hűtéssel segít rá. jellemzően 10 Celsius hő lépcső mellett dolgozik, 18 Celsius külső hőmérséklet alatt.
Swisscom Mistral rendszer. Egyszerű friss levegős megoldás, saját adatgyűjtővel, programozható vezérlő nélkül. Segítségével a COP 20 fölé emelkedett.
Deutsche Telekom DeltaClima rendszer a Weiss cég fejlesztése. Felhasznál egy központi hűtővíz rendszert is. A külső és a hűtött levegőt pillangószeleppel keveri.

A megoldások a friss levegős megoldások különféle megvalósulását adják, de rendszertechnikailag nem kezelik együtt ezeket a meglévő klímákkal, légkezelőkkel, fűtőberendezésekkel, felügyeleti rendszerekkel, beléptetőkkel, biztonsági elemekkel. Nem készítenek napi-, heti-, vagy egyéb intervallumú időprogramot, nem rendelkeznek öntanuló képességgel, nem kapcsolnak össze több géptermet és több klíma berendezést.

Már hazai alkalmazásokban is elterjedt ún. friss levegős klímaberendezések egy berendezésen belül, gyári kialakításban tartalmazzák a kompresszoros és a friss levegőhűtés lehetőségét. A rendszer nagy hibája, hogy nem öblíti át a hűtendő teret friss levegővel (egy oldalú elrendezés), kötött a működése, nem a térre koncentrál, hanem a berendezésre. Nincs jelentős energia megtakarítása, és gondos, költséges üzemeltetést igényel.

Az energia megtakarításának egyik jól mérhető paramétere a kompresszoros és a szabadlevegős működési idők megoszlása. Míg a kompresszoros üzemben 1-5 kW a villamosenergia-fogyasztása, a ventilátoros szabadlevegős hűtésé ezzel szemben 0,1-0,3 kW. A megtakarítás itt jelentkezik!

Azt, hogy mikor lehet áttérni az egyik üzemmódból a másikba, az a hő lépcső érték jellemzi legjobban, ami szükséges a kültér és beltér között. Ez a fent eddig bemutatott rendszerek esetében 10-13 Celsius fok között van. Ez azt jelenti, hogy ha a gépterem hőmérsékletét 25-30 Celsius között akarjuk stabilizálni, akkor a szellőztető üzemmód maximum 12-20 Celsius fok között működhet, e fölött kompresszoros üzemre van szükség.

A mellékelt ábrán kitűzhetők azok az időszakok, amikor alkalmas hőmérséklet van friss levegős hűtésre. Ahol a külső hőmérséklet (piros diagram) a kék, ill. a zöld vonal alá esik, ott lehet jó hatásfokkal működtetni az átszellőztetést. Ezért ez a hő lépcső nagyon fontos jellemzője egy ilyen rendszernek. A szakmában ez az ún. ∆t érték. A Rubin Zrt. innovatív megoldása 7 ºC-os ∆t értéket ért el, így a takarékos átszellőztetési időszakot az év 8 hónapjára garantálja, és a nyári hónapok éjszakai időszakát is felhasználva 80%-al csökkenti az energia felhasználást.

A megvalósult fejlesztés, a RUBIN COOL bemutatása

Európában, így Magyarországon is az év legnagyobb részében a külső léghőmérséklet a megkívánt belső stabil hőmérséklet tartomány (20-25 ºC) alatt van, tehát a külső levegő szinte végtelenül nagy hő kapacitása alkalmas lehet a termelődött káros hő elvonására. További előnye az ilyen rendszereknek, hogy nem alakul ki a zárt hűtések esetén veszélyes „száraz levegő” effektus, amikor a kiszáradt levegő fajhője olyan mértékben lecsökken, hogy nem képes hő elvonására.

A diagram szerint 5 kW hő teljesítmény stabil elvonására van lehetőség egy olyan ventilátorral, melynek nyílásmérete mindössze 280×280 mm, légszállító képessége 1920 m3/h és csak 105 W villamosenergiát igényel, mindezt 48 V DC feszültségről, ami lehetőséget ad a szükség üzemmód megvalósítására a hálózati áram kimaradási időszakokban.

A ventilátoros átszellőztetés Magyarországon több helyen megépült. A tapasztalatok igen kedvezők voltak, de az is kiderült, hogy a klíma és a szellőző közé kell egy olyan vezérlő egység, amely egy célfüggvény mentén optimalizálja a működést, és az átváltást a kétféle hűtés között. Azt is megtapasztaltuk, hogy nyári időszakok magas nappali hőmérsékleti értékei mellett a 6-10 ºC hőmérséklet különbség nem valósítható meg, ilyenkor a nappali órákban a már felszerelt klímák működésbe lépnek. Tehát tartós átszellőztetés 15-18 ºC külső hőmérséklet alatt valósítható meg, e felett vegyes üzemmód várható. Mivel Magyarországon az átlaghőmérséklet eloszlása a 15 ºC körül mozog, várható volt, hogy az év igen nagy részében működőképes a ventilátoros hűtés.

A várakozásainkat a később megépült és működésbe állt nagy átszellőztető rendszerek igazolták. A méréseink, és a sok száz állomás sikeres működése igazolták, hogy ez a takarékos hűtési módszer két téli hónap kivételével egész évben hasznosítható.

Ahhoz, hogy a leghatékonyabb legyen a megtakarítás és a hűtés pontossága, a kialakított megoldást rendszerbe kellet kapcsolnunk, intelligenciával kellett ellátnunk. Ezért a berendezést kiegészítettük egy vezérlő egységgel. Ebben a hűtéstechnikai szakemberek tudását, a korábbi tapasztalatainkat és az elvárt működési paramétereket, üzemmódok közötti folyamatokat egy cél szoftverbe programoztuk be úgy, hogy a későbbi tapasztalatok, igények szerint az programozással módosítható, fejleszthető legyen.

 

A rendszer elemei

Meglévő klíma berendezések 1, vagy 2 db 230V AC üzemmódú, vagy 3×400 V AC üzemmódú
Ventilátoros átszellőztető 48 V DC üzemmódú, vezérelt fordulatszámmal és nyitható zsaluzattal, légszűrőkkel
Mikroprocesszoros vezérlő egység, mely optimalizálja a működést és riportoz a hálózat felügyelet felé. Egyúttal hibajelzéseket figyel és kezel, valamint remote üzemmódban távműködtetést tesz lehetővé. A HW kialakítás sokoldalú: Különálló erősáramú egység (kapcsolás, fázisváltás) és DC működtetésű programvezérelt elektronika. Az aktuális SW verzió lehetőséget biztosít a folyamatos funkcionális fejlesztésre, az új rendszerekhez történő adaptálásra. A Vezérlő főbb funkciói a következők:

• Klímagépek vezérlése
• Átszellőztető vezérlése
• Fűtés vezérlése
• Kapcsolattartás a hálózat felügyelettel
• Érzékelők jeleinek fogadása és értékelése

Fázisváltó elektronika

Az egyfázisú klímagépek esetében igen gyakori hibajelenség, hogy az áramszolgáltatónál a három fázisból valamelyik kimarad. Ekkor szerencsétlen esetben a klímagép leáll, jóllehet van az állomáson még két használható fázis. A vezérlő egység ezért kiegészül opcionálisan egy fázisváltó elektronikával, amely kiválasztja mindig a használható fázist annak érdekében, hogy a klíma működése ne álljon le. Természetesen háromfázisú gépek esetében ez az egység elmarad.

Innovációnkban gazdaságosan megvalósul a klímás és a szellőztetéses hűtés alternálása. Közben kiaknázzuk és optimalizáljuk mindkét hűtési mód előnyeit. A működtetésre egy olyan vezérlő egységet fejlesztettünk ki, amely figyeli a külső- és belső hőmérsékleteket, a klíma- és a szellőztető üzemi paramétereit, és vezérli a berendezéseket az optimális konténer hőmérséklet és a gazdaságos üzem elérésével. Az emberi szaktudást és a továbbfejlesztés lehetőségét is ez a vezérlő hordozza, a beépített szoftverében.

A vezérlőegység lehetőséget biztosít a működtetett klímák és szellőztetők távfelügyeletének ellátására is, aminek eredményeképpen a főbb működési paraméterek, esetleg hibák egy központi felügyeleten figyelhetők és értékelhetők. Ezzel a beállítás és a hibaelhárítás egy jelentős része remote (távvezérelt) üzemmódban megvalósítható, csökkentve az emberi erőforrás ráfordítást, a kiszállási időt és költséget. Ugyanakkor az adatok elemzésével a rendszer fejleszthető, optimalizálható. Ennek köszönhető, hogy a jelenleg futó szoftver verzió már számos új funkciót, szolgáltatást és hatékonyabb üzemmódot tartalmaz (pl. szellőztető fordulatszám szabályozása, standard beállítások, stb.).

A rendszer szoftveres vezérlése nyitott, segítségével bármilyen működés beállítható. Így az áramszünetek során a rendszer automatikusan vész-szellőzés üzemmódra kapcsol, ami még a nyári melegben is tartósan biztosítja az állomás működését. Az év nagy részében a klímák helyett a szellőző rendszer dolgozik, ami kimagasló megtakarítást eredményez, a klímák működési ideje lecsökken, élettartamuk jelentősen megnő, javítási és karbantartási költségeik csökkennek.

A megvalósítás ütemezése, mérési eredmények

A sikeresen működő berendezések adatai alapján gazdasági számításokat végeztünk a megvalósítás költségigényére, a gazdaságosság és megtérülés értékeire.

A megépített rendszerek működéséből kiderült, hogy jelentős megtakarítás várható a klímák élettartamában, a karbantartási és javítási költségek csökkenésében. Ezt a kapcsolási számok csökkenése és a működési időtartamok csökkenése jelzi már előre számunkra, ahogyan a következő ábrán ezt bemutatjuk.

Az üzemeltetés során folyamatosan végeztünk méréseket az üzemidők és a villamosenergia-fogyasztások alakulására. Ezek alapján megállapítható, hogy a várt megtakarításnál nagyobb az eredmény. Ez elsősorban a többszörösen finomított szoftvernek köszönhető, másodsorban annak, hogy a szellőztetés még meleg nyári napokon is működött az esti-éjszakai órákban. Ezt előzetesen, a tervezéskor nem vettük figyelembe.

A RUBIN COOL műszaki, gazdasági mutatói

Az innováció során kifejlesztett hűtési rendszer hatékonysága a következő mért paraméterekkel jellemezhető.

 

 

A megtakarítás természetesen a külső hőmérséklet függvénye. A magyarországi átlaghőmérséklet és a rendszer hatékonyságának az optimuma szinte egybeesnek a 18 ºC közelében, ezért nagyon előnyösen kiaknázható az energia megtakarítási lehetőség, ahogyan az alábbi mérési eredmény is mutatja, amelyet a már működő rendszerből nyertünk a több száz telepített rendszer adatai alapján.

A mért eredményeket ábrázoló diagram adataiból leolvasható, hogy az éves átlaghőmérséklettel számolva megvalósult a várakozásunk, a napi energiamegtakarítás meghaladja a 20 ezer kWh értéket, ami napi 700 ezer Ft megtakarítást jelent. Ez látható módon a külső hőmérséklet függvényében változik.

Nem várt, járulékos előnyök

• A vész-szellőzés üzem még 30 fokos kánikulában is hatékony, az üzemi átszellőztetés a nyári hónapokban is működik.
• Klíma hiba esetén a javításra több idő áll rendelkezésre anélkül, hogy az állomás felmelegedne.
• Jelentős klíma élettartam növekedés (5-8 év), ezáltal jövőbeli beruházás megtakarítás.
• Korai hiba diagnózis lehetséges, az üzemi paraméterek megváltozásának észlelésével, még a megállás előtt.
• Remote üzemmód: paraméterezésben, szoftverfrissítésben és szellőztetésindításban.
• A tárolt üzemállapotok révén a hiba előzménye és rejtett okai is kideríthetők.

További alkalmazási lehetőségek

• Inverteres klímák működtetése
• Több gépes, több termes rendszerek működtetése
• Komfort rendszerek működtetése

Kapcsolódás más rendszerekhez

• Távfelügyeleti rendszerek
• Biztonsági rendszerek
• Komfort rendszerek