BEVISFØRELSE FOR AT FUGTIGHED IKKE SKABER PROBLEMER VED ANVENDELSE AF FRIKØLING PÅ TELECOM-BASISSTATIONER 1 2 AF EHSAN B. HAGHIGHI PHD, THERMAL SPECIALIST DANTHERM COOLING
BEVISFØRELSE FOR AT FUGTIGHED IKKE SKABER PROBLEMER VED ANVENDELSE AF FRIKØLING PÅ TELECOM-BASIS- STATIONER/ANDEN DEL HVAD DU HAR BRUG FOR AT VIDE - I KORTE TRÆK Ved anvendelse af både frikøling og aircondition på Telecom-basisstationer i områder med meget høj luftfugtighed er det en almindelig opfattelse, at risikoen for kondensdannelse er større. Hovedformålet med de beregninger, der præsenteres i denne hvidbog, er derfor at beregne den relative luftfugtighed i teknikhuse med både aircondition og frikøling. Beregningerne er foretaget for tre standardinstallationer på forskellige lokationer med høj luftfugtighed, og resultaterne sammenlignes med de fugtighedsgrader, der er acceptable iht. ASHRAE/ETSI-standarderne. Resultaterne viser, at risikoen for kondensdannelse elimineres, når det sikres, at kølebelastningen og luftgennemstrømningshastigheden matcher den genererede varmebelastning. 1. INDLEDNING Første del af denne hvidbog omhandlede en analytisk tilgang til spørgsmålet om anvendelse af frikøling til temperaturstyring i Telecom-teknikhuse beliggende i områder med høj luftfugtighed. Resultaterne understøttede klart sikkerheden ved denne kølemetode på trods af meget fugtige vejrforhold, når den blev anvendt i overensstemmelse med de anførte anbefalinger. I fortsættelse heraf omhandler anden del risikoen for høj luftfugtighed i teknikhuse, hvor der anvendes både frikøling og aircondition. Undersøgelsen indeholder specifikke beregninger fra tre forskellige områder af verden, som alle er karakteriseret ved meget fugtige klimaforhold. Undersøgelsen bygger på skøn, som er foretaget i overensstemmelse med termodynamikkens love og under hensyntagen til ASHRAE- og ETSI-anbefalede og -tilladte miljøklasser for IT-udstyr ved havets overflade [2][3]. i
2. BAGGRUND OG DRIFTSLOGIK Ved køling af elektronik i de områder i verden, hvor der er meget høj luftfugtighed, giver høje interne fugtighedsgrader, som fører til kondensdannelse, ofte grund til bekymring. Ved anvendelse af en kombination af aircondition og frikøling antages risikoen for kondensdannelse at være ekstra høj. For at identificere risikoen for øget fugtighed og kondens i teknikhuse med både frikøling og aircondition er det i første omgang relevant at afklare driftslogikken bag den givne installation og bestemme, hvornår en sådan risiko er teoretisk til stede. Figur 1a-1c viser en typisk Telecom-basisstation med frikøling og aircondition. Airconditiontilstanden er baseret på afkøling i et lukket kredsløb, hvilket betyder, at den interne luftstrøm er adskilt fra den eksterne (se fig. 1b). I frikølingstilstanden tilføres luften i den ene ende af teknikhuset, cirkulerer i det interne miljø og forlader huset i den modsatte ende (se fig. 1c). Som det tydeligt ses i fig. 1b og 1c, bestemmer omgivelsestemperaturerne, hvornår der skiftes mellem de to køletilstande. Når frikøling er aktiveret, trækkes den fugtige udeluft ind i teknikhuset og opvarmes pga. den interne varmebelastning (se fig. 1c og grøn pil fig. 3). Men når aircondition er aktiveret, tilføres ligningen endnu en proces: En køle-/ affugtningsproces, som finder sted, før luften opvarmes af den interne varmebelastning. Dette skyldes, at luften passerer gennem airconditionenheden og affugtes over fordamperslangen (den blå pil i fig. 3). Den kolde luft, som nu allerede er affugtet, møder derefter den varme interne luft og opvarmes (den røde pil i fig. 3). Fig. 1a: Aircondition- og frikølingsenheder installeret i et teknikhus af standardtypen. Fig. 1b: Aircondition-tilstand Fig. 1c: Frikølingstilstand
3. BEREGNINGSPARAMETRE For at omsætte dette til dimensioner, som kan beregnes, er det nødvendigt at antage, at den interne luft har et ensartet udgangspunkt for såvidt angår værdierne for temperatur og fugtighed uanset køletilstanden. I dette tilfælde er beregningsgrundlaget det værst tænkelige scenarie svarende til værdier for ekstern luft. Køleprocessen for aircondition kan nu inddeles i fase 1, 2 og 3. 3.1 Køleproces, aircondition-tilstand I fig. 2 og 3 er fase 1 den oprindelige tilstand, hvor værdierne for lufttemperaturen og luftfugtigheden antages at svare til værdierne for den eksterne luft. Følger man den blå pil (1) i fig. 3, ændrer værdierne sig, efterhånden som luften afkøles og affugtes over fordamperslangen i fase 2. Til slut møder luften i fase 3 indeklimaet og varmes op af den tilstedeværende varmebelastning. Forklaring: (1, 2, 3) relaterer til faserne for køling/affugtning/ opvarmning vist i fig. 3. Variablerne q 1-2 og q 2-3 er kw for køling (eller nedkøling) og opvarmning for hhv. fase 1-2 og fase 2-3. Variablerne h i og W i er hhv. specifik entalpi for fugtig luft og specifik entalpi, og fugtighedsforholdet. Variablen h w2 er den specifikke entalpi for mætningsvæske (kj/kgw), m w er volumenhastigheden for mættet vand, og m da er volumenhastigheden for tør luft. Hovedformålet er at beregne den relative luftfugtighed i fase 3 (inde i teknikhuset) og sammenligne den med den acceptable luftfugtighed iht. ASHRAE- og ETSI-standarderne [2][3]. Normalt er vejrdataene for fase 1 inklusive tørtemperatur (T db ), vådtemperatur (T wb ), relativ luftfugtighed φ (%), m da og q 2-3 kendte værdier. Fremgangsmåden for beregning af de tilbageværende parametre er forklaret i detaljer i ASHRAE-standarderne [4]. Fig. 3: Psykrometrisk diagram, SI-måleenheder, havoverflade, barometertryk 101,3 kpa. Beskrevne faser i airconditiontilstand vist iht. ASHRAE -anbefalede og -tilladte miljøklasser for IT-udstyr ved havets overflade. Anbefalet Tilladt A1 Tilladt A2 Tilladt A3 Tilladt A4 Fig. 2: Kølings-/affugtnings- og opvarmningssprocesser i aircondition-tilstand. Styrende ligninger, baseret på fig. 2 og 3: 3.2 Køleproces, frikølingstilstand Til forskel fra luften i aircondition-tilstand affugtes luften i frikølingstilstand ikke aktivt. I stedet er luften direkte underlagt den interne varmebelastning. For at vedblive med at være det samme "værst tænkelige scenarie" nævnt i begyndelsen af afsnit 3 antages teknikhuset at være jævnt fyldt med luft med en temperatur og fugtighed, som svarer til den eksterne lufts. Dette behandles detaljeret i første del af denne serie af hvidbøger. (1) (2) (3)
4. MODELBEREGNINGER For at kunne foretage beregningen har vi udtaget beregningsværdierne for vådtemperaturen (Twb) og de gennemsnitlige, sammenfaldende tørtemperaturer (Tdb) for New Orleans, USA, i juli måned, svarende til 0,4 kumulativ hyppighed, fra ASHRAE-håndbogen [4]. Disse værdier er hhv. Twb=29,0 C og Tdb=32,0 C svarende til en relativ luftfugtighed på φ=96%. Luften nedkøles, mens den passerer aircondition-slangen og varmes derefter op (se fig. 2). Tørluftens volumenhastighed (mængden af luft tilpasset af aircondition-systemet) kan ændres svarende til størrelsen af aircondition-enheden. Omfanget af den varmebelastning, der kræves for at reducere den relative luftfugtighed til et acceptabelt niveau, kan beregnes, og resultaterne er vist i fig. 4. Air flow rate 100 m 3 /h New Orleans, USA Air flow rate 776 m 3 /h New Orleans, USA = 0,80 kw = 0,15 kw = 6,5 kw = 0,8 kw Air flow rate 2328 m 3 /h New Orleans, USA Air flow rate 3100 m 3 /h New Orleans, USA = 20 kw = 3 kw = 25 kw = 4 kw Fig. 4: Indendørs relativ luftfugtighed vs. indblæsningstemperatur med forskellige volumenhastigheder og varmebelastninger for en typisk basisstation i New Orleans, USA. X-aksen viser indblæsningstemperaturen fra aircondition-enheden, og y-aksen viser den beregnede relative fugtighed i den luft, der opvarmes af det indelukkede IT-udstyr. Som det ses for volumenhastighederne 100 m3/h, 776 m3/h, 2328 m3/h og 3100 m3/h, kræves der minimumsvarmebelastninger på hhv. 0,15 kw, 0,8 kw, 3 kw og 4 kw for at skabe en relativ luftfugtighed, der er lavere end 80% (se fig. 3). For at opnå en lavere luftfugtighed (f.eks. φ=20%) kræves en varmebelastning på hhv. 0,8 kw, 6,5 kw, 20 kw og 25 kw.
5. MODELBEREGNINGER, FORTSAT Lignende beregninger blev udført med beregningsværdierne for juli for Singapore (Tdb=30,2 C, Twb=27,6 C, φ=96%) og Shanghai (Tdb=33,9 C, Twb=28,8 C, φ=93%). Disse er vist i hhv. fig. 5 og fig. 6. Air flow rate 100 m 3 /h Singapore Air flow rate 100 m 3 /h Shanghai, China = 0,80 kw = 0,15 kw = 0,80 kw = 0,15 kw Air flow rate 771 m 3 /h Singapore Air flow rate 781 m 3 /h Shanghai, China = 6,5 kw = 0,8 kw = 6,5 kw = 0,8 kw Air flow rate 2314 m 3 /h Singapore Air flow rate 2342 m 3 /h Shanghai, China = 20 kw = 3 kw = 20 kw = 3 kw Air flow rate 3085 m 3 /h Singapore Air flow rate 3122 m 3 /h Shanghai, China = 25 kw = 4 kw = 25 kw = 4 kw Fig. 5: Indendørs relativ luftfugtighed vs. indblæsningstemperatur med forskellige volumenhastigheder og varmebelastninger for en typisk basisstation i New Orleans, USA. Fig. 6: Indendørs relativ luftfugtighed vs. indblæsningstemperatur med forskellige volumenhastigheder og varmebelastninger for en typisk basisstation i New Orleans, USA.
6. RESULTATER OG KONKLUSION Hovedformålet med denne undersøgelse var at beregne den relative luftfugtighed i teknikhuse med frikøling og aircondition for tre standardinstallationer på lokationer med meget høj luftfugtighed og sammenligne resultaterne med de fugtighedsværdier, der er acceptable iht. ASHRAE- og ETSI-standarderne. 6.1 BEREGNINGSRESULTATER OG KONKLUSION Resultaterne viser, at for alle testede områder gælder det, at niveauet for relativ luftfugtighed bliver inden for de anbefalede/tilladte grænser, når kølebelastningskapaciteten og strømningshastigheden matcher den varmebelastning, der genereres inde i teknikhuset. Grunden hertil er den generede varmebelastning inde i teknikhuset, som med det samme opvarmer udeluften, efterhånden som den tilføres i frikølingstilstanden. Det kan derfor konkluderes, at det er sikkert at installere frikøling og aircondition sammen i områder med høj luftfugtighed, så længe kølekapaciteten og luftstrømningshastigheden matcher den genererede varmebelastning. 6.2 EKSISTERENDE INSTALLATIONER Den installationstype, der præsenteres i denne hvidbog, anvendes allerede med succes i 52 lande over hele verden. Kontakt os i dag og få uforpligtende rådgivning. Du finder vores kontaktoplysninger nedenfor. ring til os: Global: +45 9614 3783 / USA: +1 (864) 595-9800 / Asien og Stillehavsområdet: 0512 6667 8522 skriv til os: electronicscooling@dantherm.com besøg vores website: www.danthermcooling.com referencer [1] Bevisførelse for at fugtighed ikke skaber problemer ved anvendelse af frikøling på Telecom-basisstationer, første del [2] ASHRAE, 2012, Thermal Guidelines for Data Processing Environments, Third Edition [3] ETSI EN 300 019-1-3 V2.2.2 (2004-03), European Standard (Telecommunications series) [4] ASHRAE Handbook Fundamentals, 2013
DANTHERM COOLING UDVIKLER OG FREMSTILLER DRIFTSSIKKER, ENERGIEFFEKTIV VARMEBORTLEDNING TIL TELECOM- OG ELEKTRONIKKØLEINDUSTRIEN DANTHERM COOLING ER DEN FORETRUKNE PARTNER INDEN FOR ELEKTRONIKKØLING OG FØRENDE GLOBAL LEVERANDØR AF LØSNINGER TIL KLIMASTYRING electronicscooling@dantherm.com