Rambler's Top100
Статьи ИКС № 01-02 2011
Евгений Петрович ВИШНЕВСКИЙ  Михаил САЛИН  Тимур ТОЛОКОННИКОВ  07 февраля 2011

Оптимизация гидравлической обвязки систем холодоснабжения ЦОДов

Оптимизируя энергопотребление ЦОДов, следует иметь в виду и системы холодоснабжения. Как показывает сравнение различных схем водяного охлаждения, традиционные системы и энергетически, и экономически недостаточно эффективны.

Современные ЦОДы – высокоэнергоемкие объекты, а потому повышение их энергетической эффективности становится одной из важнейших задач при проектировании. При этом разработчики стараются увеличить эффективность не только основного телекоммуникационного оборудования, но и вспомогательных систем, в том числе систем холодоснабжения.

 

Системы охлаждения ЦОДов выполняются на базе как фреоновых прецизионных кондиционеров с выносными конденсаторами, так и водяных прецизионных кондиционеров и чиллеров. Однако для фреоновых систем существуют ограничения на длину фреоновых трубопроводов (максимальная рекомендуемая длина – не более 50 м) и перепад высот между внутренними и наружными блоками (не более 30 м). Поэтому в ЦОДах средней и большой мощности (с тепловыделением более 500  кВт) применяются системы с водяным контуром на базе чиллеров и водяных прецизионных кондиционеров.

 

Оптимизация гидравлической обвязки с целью улучшения энергетической эффективности работы ЦОДов сводится к правильному выбору схемы холодоснабжения.

 

Схемы холодоснабжения ЦОДов

 

В ЦОДах широко распространены двухконтурные системы холодоснабжения – с внутренним и внешним контурами хладоносителя. Во внешнем контуре, связывающем чиллер с промежуточным теплообменником, циркулирует водный раствор этиленгликоля, не замерзающий в холодное время; во внутреннем контуре, между промежуточным теплообменником и кондиционерами, – чистая вода. Кроме того, такая система позволяет применить фрикулинг без значительной переработки схемы.

 

Во внутреннем контуре применяются схемы как с постоянным расходом хладоносителя, так и с переменным. Первая схема, получившая широкое распространение, включает насосы с постоянным расходом и трехходовые регулирующие клапаны. Для управления производительностью кондиционеров применяется байпас части хладоносителя через трехходовой клапан в обход теплообменника. Для балансировки системы в этом случае, как правило, используются ручные балансировочные клапаны. Такая схема отличается простотой регулирования и легкостью подбора оборудования. Однако у нее есть и существенные недостатки: наладка ее весьма трудоемка из-за трудности гидравлической балансировки системы, а в процессе эксплуатации периодически требуется повторная балансировка из-за старения трубопроводов. К тому же схема с постоянным расходом хладоносителя малоэффективна в плане экономии энергии. Поскольку максимальная производительность требуется только в течение короткого отрезка времени, основная часть энергии насоса расходуется впустую.

 

Наиболее интересна с точки зрения энергоэффективности схема с переменным расходом хладоносителя. Она включает насосы с частотно регулируемым приводом и двухходовые регулирующие клапаны. Особенностью данной схемы является то, что при снижении нагрузки вместе с уменьшением расхода через кондиционер уменьшается скорость вращения привода насоса, благодаря чему сокращается потребление энергии.

 

Управление температурой при помощи регулирующего клапана

 

Работа регулирующих клапанов полностью зависит от давления. При закрывании клапана перепад давлений P увеличивается, а поток Q на регулируемом участке уменьшается. В общем виде эту зависимость можно выразить следующей формулой: 

где А – коэффициент, зависящий от типа жидкости и геометрии местного сопротивления.

 

Если геометрия элемента гидравлического контура неизменна, то очевидна зависимость расхода жидкости от перепада давления в гидравлическом контуре (стрелки показывают, что при увеличении напора в системе расход жидкости увеличивается):

 

Например, при увеличении напора в одном из циркуляционных колец расход может превысить значение, необходимое для обеспечения заданной температуры. Чтобы вернуться к расчетному расходу, потребуется частично прикрыть регулирующий клапан, что приведет к изменению коэффициента пропорциональности А.

 

   
На практике регулирующий клапан должен постоянно реагировать на колебания давления в контуре. Если коэффициент клапана изменяется от А1 до А2, соответственно меняется и гидравлическая характеристика контура (рис. 1). Чем больше становится перепад давления в контуре, тем больше требуется прикрывать регулирующий клапан. Если поддерживать постоянный поток в контуре, то зависимость «расход – напор» будет иметь следующий вид:

 

Из сказанного выше понятно, что работа обычного регулирующего клапана очень сильно зависит от потерь давления в контуре вообще и от сопротивления отдельных его элементов (труб, балансировочных клапанов, теплообменников) в частности. Из-за неизбежных колебаний давления расход в теплообменнике не будет постоянным, что повлечет за собой колебания температуры в помещении (рис. 2).

 

Влияние потерь давления в контуре на регулирующий клапан определяется значением авторитета клапана. Величина авторитета клапана  характеризует его способность воздействия на поток, которая зависит в основном от правильного выбора проходного сечения (а точнее, пропускной способности клапана). Чем больше клапан соответствует требуемому авторитету, тем меньше потребуется воздействовать на поток. Авторитет двухходового регулирующего клапана определяется по формуле 

где в числителе – только сопротивление регулирующего клапана, а сумма в знаменателе включает сопротивления всех элементов гидравлического контура: регулирующего клапана (PРЕГ. КЛ), балансировочного клапана (PБАЛАНС. КЛ) и теплообменника (PТО). 

 

Сопротивление труб обычно меньше других составляющих потерь давления в контуре, поэтому его значением в расчетах часто пренебрегают. Однако справедливости ради нужно заметить, что учет сопротивления труб хоть и незначительно, но ухудшает авторитет клапана. Обычно считается, что значение авторитета должно быть равно примерно 50% (или 0,5). Это означает, что минимальное сопротивление двухходового клапана будет определяться равенством

 

В итоге значение потерь давления на клапане и в контуре может оказаться довольно большим. Получается, что увеличенные потери энергии вызываются не только плохим качеством регулирования, но и стремлением к достижению требуемого качества регулирования (авторитета регулирующего клапана). Значение авторитета меньше 0,5 показывает, что зависимость потока от проходного сечения клапана не является пропорциональной. Иными словами, после сигнала от датчика температуры регулирующий клапан будет открываться больше, чем требуется. И наоборот, при закрывании клапана влияние его на поток будет меньше, чем должно быть, что также приведет к сильным колебаниям температуры в помещении, увеличению потерь и снижению комфорта. Более того, из-за непропорционально большого расхода через теплообменник (80% от номинального расхода вместо 50%) перепад температур на входе и на выходе окажется меньше расчетного. Проблема недостаточного перепада T – это следствие избыточного потока через теплообменник. Данная проблема является всеобщей и неизбежной при использовании двухходовых регулирующих клапанов в системах кондиционирования.

 

 
 
На рис. 3 приведена зависимость расхода от регулирования: для гидравлического контура с авторитетом клапана, равным 50%, показаны режимы работы теплообменника для клапана, открытого полностью или наполовину. Как было видно из рис. 2, расход сначала регулируется с большой амплитудой, что вызывает значительное отклонение температуры от уставки. Эти колебания обусловлены невозможностью обеспечить авторитет клапана, равный 100%, если на работу регулирующего клапана влияют другие элементы гидравлического контура.

 

Управление температурой при помощи комбинированного клапана

 

Комбинированный клапан выполняет функции регулирующего и балансировочного клапанов. Его также называют регулирующим клапаном, независимым от давления (Pressure Independent Control Valve, PICV). С учетом функции регулирования давления формула для определения расхода примет следующий вид:

 

В формуле остается лишь одна переменная А, поэтому при постоянном перепаде давления на регулирующем клапане можно обеспечить пропорциональное регулирование потока. Каждому положению штока в зависимости от значения параметра А будет соответствовать точно заданный расход (рис. 4).

 

Сравнение характеристик традиционного регулирующего клапана и комбинированного клапана (см. рис. 1, 4) наглядно показывает преимущество автоматической балансировки. Автоматические клапаны обеспечивают пропорциональное регулирование даже при переменных давлениях и расходах в контурах. Колебания давления от minP до maxP не будут влиять ни на расход воды в теплообменнике, ни на теплоотдачу. Еще одно достоинство автоматической балансировки – простота выбора клапанов, так как рассчитывать авторитет теперь не требуется. Расчет авторитета важен в контурах, где расход и потери давления связаны. В комбинированном клапане расчетный расход остается неизменным при любых значениях P в широком диапазоне, который можно варьировать в зависимости от условий работы клапана. Расход через клапан зависит только от положения штока (А1, А2…). Это означает, что авторитет клапана будет равен 100%. В данном случае становится неважным влияние сопротивления теплообменника, трубопроводов, самого клапана на регулирование потока. Учитывая вышесказанное, можно охарактеризовать графическую зависимость расхода от управляющего сигнала как линейную. Так, при перемещении штока на половину хода поток изменяется на 50%.

 

Пропорциональное регулирование потока можно обеспечить только за счет совместного использования автоматического балансировочного и регулирующего клапанов. Если поток изменяется точно в соответствии со степенью воздействия управляющего сигнала (напряжения), то температура обратного трубопровода тоже будет адекватно изменяться для поддержания T. Таким образом, исчезает проблема недостаточного перепада температуры на теплообменнике. При любых колебаниях давления в гидравлической системе комбинированный клапан точно управляет потоком. Как следствие, стабильность расхода обеспечивает номинальные значения температуры и T.

 

Сравнение гидравлических схем

 

Преимущества любой новой технологии становятся очевидными только при тщательной оценке экономического эффекта от внедрения. Попробуем разобраться с тем, что дает потребителю использование автоматической балансировочной арматуры. В качестве примера рассмотрим систему холодоснабжения ЦОДа с нагрузкой на холодильное оборудование 5 МВт. Система состоит из двух изолированных схем, одинаковых по мощности и конфигурации. Тип схемы – двухконтурная, с промежуточным теплообменником. В первичном контуре чиллера в качестве охлаждаемой жидкости используется водный раствор этиленгликоля, во вторичном контуре – вода. В каждой схеме вторичного контура имеются три насоса, один из которых резервный. Производительность каждого насоса составляет 216 м3/ч. Каждая схема вторичного контура состоит из 41 прецизионного кондиционера общей холодопроизводительностью 2990 кВт с учетом резервного оборудования: 27 кондиционеров имеют производительность 103 кВт, еще 14 кондиционеров – 15 кВт.

 

Оставляя неизменной компоновку первичного контура и чиллера, сравним два варианта обвязки прецизионных кондиционеров и балансировки гидравлических контуров.

 

В первом варианте для управления кондиционерами служат трехходовые пропорциональные клапаны. Насосы обеспечивают постоянный расход. Балансировку системы выполняют с помощью ручных балансировочных клапанов.

 

Во втором варианте управление расходом и балансировка осуществляются с помощью пропорциональных комбинированных клапанов (PICV). Насосы с частотно регулируемым приводом обеспечивают переменный расход.

 

В схеме с ручными балансировочными клапанами увязку гидравлической системы приходится выполнять поэтапно, в зависимости от количества циркуляционных колец. Сначала необходимо сбалансировать байпасную линию на каждом кондиционере, поскольку ее гидравлическое сопротивление меньше, чем сопротивление кондиционера. Далее уравниваются кондиционеры на каждой ветке, а затем – каждый стояк. Таким образом, для рассматриваемой схемы, включающей 41 кондиционер, требуется 134 ручных балансировочных клапана. Для данной системы пусконаладочные работы довольно сложны, поскольку при изменении сопротивления в одной ветке меняется и сопротивление на других участках.

 

В схеме с комбинированными клапанами клапаны совмещают функции автоматической балансировки и регулирования расхода хладоносителя. Поэтому вместо трехходовых регулирующих и отдельных ручных балансировочных клапанов в ней установлены двухходовые комбинированные клапаны. Они автоматически поддерживают нужный расход через прецизионный кондиционер, изменяя его в зависимости от управляющего сигнала датчика температуры воздуха в охлаждаемом помещении.

 

В таблице описанные выше варианты сравниваются по первоначальным затратам на арматуру для обеих схем системы холодоснабжения мощностью 5 МВт. В качестве трехходовых клапанов на прецизионных кондиционерах применялись клапаны VF3 (Danfoss) с пропорциональным управлением. В первой схеме использовались ручные балансировочные клапаны ISV-I и MSV-F2; во второй – комбинированные клапаны FlowCon с пропорциональным регулированием.

 

Экономия на капитальных затратах от применения автоматических балансировочных клапанов зависит от конфигурации системы холодоснабжения: чем более разветвленной она будет, тем значительнее разница в стоимости комплекта регулирующей арматуры. Сравнение показало, что при рассматриваемой конфигурации гидравлической схемы замена ручных балансировочных клапанов на комбинированные снижает затраты на арматуру не менее чем на 10%.

 

Подведем итоги

 

С точки зрения современных требований к энергосбережению традиционные схемы на базе трехходовых регулирующих и ручных балансировочных клапанов в системах холодоснабжения ЦОДов недостаточно эффективны. Наиболее перспективное направление в этой области – системы с переменным расходом хладоносителя с использованием комбинированных клапанов и насосов с частотно регулируемым приводом. За счет работы насосов в режимах частичной нагрузки большую часть эксплуатационного периода потребление электроэнергии значительно сокращается.

 

Комбинированные клапаны позволяют с высокой точностью поддерживать требуемый расход хладоносителя через кондиционер и тем самым обеспечивают истинно прецизионный контроль микроклимата, что особенно важно для ЦОДов.

 

Помимо этого, крупные системы с переменным расходом хладоносителя на базе комбинированных клапанов могут оказаться выгоднее с точки зрения капитальных затрат (что и демонстрирует сравнительный анализ альтернативных гидравлических систем на конкретном примере).


Таким образом, схемные решения на базе комбинированных клапанов и насосов с переменным расходом хладоносителя обладают несомненными достоинствами в свете повышения энергетической эффективности систем холодоснабжения ЦОДов.
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!