BEVISER AT FUKT IKKE ER ET PROBLEM VED BRUK AV FRIKJØLING I BASESTASJONER FOR TELEKOMMUNIKASJONSUTSTYR

Transkript

1 BEVISER AT FUKT IKKE ER ET PROBLEM VED BRUK AV FRIKJØLING I BASESTASJONER FOR TELEKOMMUNIKASJONSUTSTYR 1 2 AV EHSAN B. HAGHIGHI PHD, THERMAL SPECIALIST DANTHERM COOLING

2 BEVISER AT FUKT IKKE ER ET PROBLEM VED BRUK AV FRIKJØLING I BASESTASJONER FOR TELEKOMMUNIKASJONSUTSTYR/DEL TO KORT OM DET DU MÅ VITE Når både luftkjøling og luftbehandling benyttes i basestasjoner for telekommunikasjonsutstyr i områder med høy luftfuktighet er den vanlige oppfatningen at det er større fare for kondens. Det viktigste målet til beregningene i dette faktaarket er derfor å beregne den relative fuktigheten i teknikkhus med både luftbehandling og frikjøling. Beregningene er utført for tre standardoppsett i forskjellige områder med høy luftfuktighet, og resultatet sammenlignes med akseptable fuktgrenser i henhold til standardene fra ASHRAE/ETSI. Resultatet viser at faren for kondens elimineres når det sikres at kjølebelastningen og lufthastigheten er i tråd med den genererte varmebelastningen. 1. INNLEDNING Den første delen av dette faktaarket hadde en analytisk tilnærming til det å benytte frikjøling til temperaturregulering i teknikkhus for telekommunikasjonsutstyr plassert på steder med høy luftfuktighet. Resultatet viste en tydelig støtte til sikkerheten rundt denne kjølemetoden, på tross av svært fuktig klima. når den ble benyttet i henhold til anbefalingene i konklusjonen. Som en følge av dette diskuterer del to faren for høy fuktighet i teknikkhus som benytter både frikjøling og luftbehandling. Undersøkelsen presenterer beregninger fra tre forskjellige regioner som alle karakteriseres av et klima med høy luftfuktighet. Undersøkelsen er basert på estimater som er basert på termodynamiske lover og i henhold til anbefalinger fra ASHRAE og ETSI sammen med godkjente miljøklasser for IT-utstyr på havnivå [2][3]. i

3 2. BAKGRUNN OG DRIFTSLOGIKK Når du skal kjøle elektronikk i områder med høy luftfuktighet er bekymringen ofte at høy intern fuktighet fører til kondensasjon. Når en blanding av luftbehandling og frikjøling benyttes antas det videre at denne faren er ekstra stor. For å identifisere faren for økt fuktighet og kondensering i teknikkhus med både luftbehandling og frikjøling er det i utgangspunktet relevant å klargjøre driftslogikken bak det angitte oppsettet og bestemme når en slik risiko teoretisk er tilstede. Figurene 1a-1c viser en typisk basestasjon for telekommunikasjon med frikjøling og luftbehandling. Luftbehandlingsmodus er basert på kjøling i et lukket løkkesystem, noe som betyr at den interne luftflyten er adskilt fra den eksterne luftflyten (ref. figur 1b). Under frikjølingsmodus leveres luften i den ene enden av teknikkhuset, sirkulerer i det interne miljøet og går ut i den andre enden (ref. figur 1c). Som vist i figur 1b og 1c så bestemmer omgivelsestemperaturen byttet mellom de to kjølemodusene. Når frikjøling aktiveres trekkes fuktigheten utendørs inn i teknikkhuset og varmes der opp som følge av den interne varmebelastningen (ref. figur 1c og den grønne pilen i figur 3). Men når luftbehandling aktiveres utvides regnestykket med en ekstra prosess: En kjøle-/avfuktingsprosess som skjer før luften varmes opp av den interne varmebelastningen. Dette skyldes at luften passerer luftbehandlingsenheten og avfuktes over fordamperspiralen (den blå pilen i figur 3). Den kalde luften, som nå er avfuktet, møter den varme interne luften og varmes dermed opp (den røde pilen i figur 3). Figur 1a: Luftbehandlingsenhet og frikjølingsenheter montert i et standard teknikkhus. Figur 1b: Luftbehandlingsmodus Figur 1c: Frikjølingsmodus

4 3. BEREGNINGSPARAMETRE Når man skal overføre dette til kalkulerbare dimensjoner må man anta at den interne luften har et uniformt opphav med tanke på temperatur og fuktnivå uavhengig av kjølemodus. I dette tilfellet er beregningene basert på et "worst-case" scenario som tilsvarer eksterne luftverdier. Kjøleprosessen for luftbehandlingen kan nå deles inn i fase 1, 2 og Kjøleprosess, luftbehandlingsmodus Som vist i figur 2 og 3 er fase 1 starttilstanden der lufttemperaturen og fuktverdiene er antatt tilsvarende til den utvendige luften. Ved å følge den blå pilen (1) i figur 3 vil luftverdien endres etter hvert som luften kjøles og avfuktes av fordamperspiralen i fase 2. Til slutt møter luften det interne miljøet i fase 3, og varmes opp av den eksisterende varmebelastningen. Forklaring: (1, 2, 3) relatert til fasene for kjøling/avfukting/oppvarming illustrert i figur 3. Variablene q 1-2 og q 2-3 er kws for kjøling (eller frysing) og oppvarming for henholdsvis fase 1-2 og 2-3. Variablene h i og W i er henholdsvis fuktig luft-spesifikk entalpi og fuktforhold. Variabel h w2 er den spesifikke entalpien til metningsvæsken (kj/kgw), m ẇ er massens strømningsrate ved mettet vann og m ḋa er massens strømningsrate ved tørr luft. Hovedmålet er å beregne den relative fuktigheten i fase 3 (inn ei teknikkhuset) og sammenligne denne med akseptabelt fuktighetsområde i henhold til standardene fra ASHRAE og ETSI [2] [3]. Normalt er værdataene for fase 1, inkludert tørrtemperaturen (T db ), våttemperaturen (T wb ), den relative fuktigheten φ (%), m da og q kjente verdier. Prosedyren for beregning av de 2-3 gjenværende parameterne er forklart i detalj i standarden til ASHRAE [4]. Figur 3: Psykometridiagram, SI metriske enheter, havnivå, barometrisk trykk 101,3 kpa. Beskrevne faser i luftbehandlingsmodus, illustrert i henhold til ASHRAE-anbefalte og tillatte miljøklasser for IT-utstyr på havnivå. Anbefalt Tillatt A1 Tillatt A2 Tillatt A3 Tillatt A4 Figur 2: Kjøling/avfukting og varmeprosessen i luftbehandlingsmodus. Ledende formler basert på figur 2 og 3: 3.2 Kjøleprosess, frikjølingsmodus I motsetning til luften i luftbehandlingsmodus så avfuktes ikke luften i frikjølingsmodus aktivt. Isteden utsettes luften direkte for den interne varmebelastningen. For å ivareta den uniforme "worst-case" scenarioet som ble beskrevet is starten av seksjon 3, så antas det at teknikkhuset er jevnt fylt med luft som har en temperatur og en fuktighet som tilsvarer luften eksternt. Dette er nøye gjennomgått i den første delen av denne serien med faktaark. (1) (2) (3)

5 4. BEREGNINGSMODELLER For at vi skal kunne utføre beregningene er designverdiene for våttemperaturen og den gjennomsnittlige tørrtemperaturen for New Orleans, USA, i juli, tilsvarende til 0,4 kumulativ eksistensfrekvens hentet ut fra håndboken til ASHRAE [4]. Disse verdiene er henholdsvis Twb=29,0 C og Tdb=32,0 C, noe som tilsvarer en relativ luftfuktighet på φ=96 %. Luften kjøles ned når den passerer luftbehandlingsspolen og varmes deretter opp (ref. figur 2). Lufthastigheten til tørrluften (mengden luft som justeres av luftbehandlingssystemet) kan endres i henhold til størrelsen på luftbehandlingsenheten. Mengden av nødvendig varmebelastning for på redusere den relative fuktigheten til en akseptabel verdi kan beregnes og resultatet vises i figur 4. Lufthastighet: 100 m 3 /t New Orleans, USA Lufthastighet: 776 m 3 /t New Orleans, USA = 0,15 kw = 6,5 kw Lufthastighet: m 3 /t New Orleans, USA Lufthastighet: m 3 /t New Orleans, USA = 20 kw = 3 kw = 25 kw = 4 kw Figur 4: Innendørs relativ fuktighet kontra leveringsluftens temperatur med forskjellige lufthastigheter og varmebelastninger for typiske basestasjoner lokalisert i New Orleans, USA. X-aksen viser temperaturen på leveringsluften fra luftbehandlingsenheten, mens Y-aksen viser den beregnede relative luftfuktigheten etter oppvarming av det innkapslede IT-utstyret. Siden den viser for massens flytrate ved 100 m3/t, 776 m3/t, 2328 m3/t og 3100 m3/t, er en varmebelastning på henholdsvis minst 0,15 kw, 0,8 kw, 3 kw og 4 kw nødvendig for å skape en relativ fuktighet som er lavere enn 80 % (ref. figur 3). For å oppnå et lavere område (f.eks. φ=20 %) er den nødvendige varmebelastningen henholdsvis 0,8 kw, 6,5 kw, 20 kw og 25 kw.

6 5. BEREGNINGSMODELLER, FORTS. Tilsvarende beregninger ble utført for designverdiene for Singapore i juli (Tdb=30,2 C, Twb=27,6 C, φ=96 %) og Shanghai (Tdb=33,9 C, Twb=28,8 C, φ=93 %), vist i henholdsvis figur 5 og 6. Lufthastighet: 100 m 3 /t Singapore Lufthastighet: 100 m 3 /t Shanghai, Kina = 0,15 kw = 0,15 kw Lufthastighet: 771 m 3 /t Singapore Lufthastighet: 781 m 3 /t Shanghai, Kina = 6,5 kw = 6,5 kw Lufthastighet: m 3 /t Singapore Lufthastighet: m 3 /t Shanghai, Kina = 20 kw = 3 kw = 20 kw = 3 kw Lufthastighet: m 3 /t Singapore Lufthastighet: m 3 /t Shanghai, Kina = 25 kw = 4 kw = 25 kw = 4 kw Figur 5: Innendørs relativ fuktighet kontra leveringsluftens temperatur med forskjellige lufthastigheter og varmebelastninger for typiske basestasjoner lokalisert i Singapore, Singapore. Figur 6: Innendørs relativ fuktighet kontra leveringsluftens temperatur med forskjellige lufthastigheter og varmebelastninger for typiske basestasjoner lokalisert i Shanghai, Kina.

7 6. RESULTATER OG KONKLUSJON Hovedmålet av denne undersøkelsen var å beregne den relative fuktigheten i teknikkhus med både luftbehandling og frikjøling, og sammenligne denne med akseptabelt fuktighetsområde i henhold til standardene fra ASHRAE og ETSI BEREGNINGSRESULTATER OG KONKLUSJON Resultatet viser at de relative fuktighetsnivåene for alle de testede regionene holdt seg innenfor den anbefalte/tillatte nivåene når kjølekapasiteten er i tråd med den genererte varmebelastningen i teknikkhuset. Årsaken til dette er at den genererte varmebelastningen inne i teknikkhuset, som øyeblikkelig varmer opp luften utvendig etter hvert som den mates ut i frikjølingsmodus. Derfor kan det konkluderes med at frikjøling og luftbehandling trygt kan installeres som samarbeidende enheter i områder med høy luftfuktighet, så lenge kjølekapasiteten og lufthastigheten stemmer overens med den genererte varmebelastningen. 6.2 EKSISTERENDE INSTALLASJONER Installasjonstypen som presenteres i dette faktaarket er allerede implementert i 52 land over hele verden. Finn våre kontaktdetaljer nedenfor, og ta kontakt med oss for en uforpliktende rådgivning i dag. ring oss: Globalt kontor: / USA: +1 (864) / APAC: Skriv til oss: electronicscooling@dantherm.com besøk vår nettside: Referanser [1] Beviser at fukt ikke er et problem ved bruk av frikjøling i basestasjoner for telekommunikasjonsutstyr, del en [2] ASHRAE, 2012, Thermal Guidelines for Data Processing Environments, Third Edition [3] ETSI EN V2.2.2 ( ), European Standard (Telecommunications series) [4] ASHRAE Handbook Fundamentals, 2013

8 DANTHERM COOLING LEVERER PÅLITELIG OG ENERGIEFFEKTIV VARMEFJERNING FOR KJØLING TELEKOM-UTSTYR OG ANNEN ELEKTRONIKK DANTHERM COOLING ER DEN FORETRUKNE PARTNEREN FOR ELEKTRONISK KJØLING OG LEDENDE GLOBAL LEVERANDØR AV KLIMASTYRINGSLØSNINGER