Rambler's Top100
Статьи ИКС № 06 2011
Сергей ЛЕБЕДЕВ  Евгений КОЛПАЩИКОВ  14 июня 2011

Работа систем охлаждения в экстремальных погодных условиях

Эксплуатация систем охлаждения в тяжелых условиях лета-2010 дала инженерам ЦОДов бесценный опыт и показала эффективность некоторых практических приемов.

Сергей ЛЕБЕДЕВ, директор сервисного центра компании «ДатаДом»   Евгений КОЛПАЩИКОВ, ведущий инженер по холодильному оборудованию компании «ДатаДом»
Зачастую один из первых вопросов заказчика при выборе дата-центра: по какому принципу построена система охлаждения в ЦОДе? На сегодняшний день в московском регионе чаще всего встречаются два типа решений: на базе DX-кондиционеров (Direct eXpansion – прямое расширение) и построенные по схеме «чиллер – фанкойл» на основе CW-архитектуры (Chilled Water – охлажденная вода). Эти решения хорошо известны, у каждого есть свои преимущества и недостатки.

Выбор той или иной системы делается на этапе строительства и, как правило, зависит от конструктивных особенностей площадей, на которых планируется строить дата-центр, и от финансовых возможностей заказчика. Так, если нет свободной прилегающей территории для установки холодильных машин (чиллеров), то обычно принимается решение в пользу DX-кондиционеров с размещением выносных блоков на крыше (если нет, конечно, других ограничений, например по длине трассы). У чиллерных систем, в отличие от фреоновых кондиционеров, длина трассы между чиллером и фанкойлом (внутренний блок кондиционера) может быть произвольной и ограничивается только мощностью насоса или насосной станции. Стоит также отметить, что система охлаждения на DX-кондиционерах дешевле, чем система чиллер – фанкойл, особенно если учесть необходимость резервирования инженерной инфраструктуры в ЦОДе. Необходимо предусмотреть установку дополнительной холодильной машины на случай ремонта или профилактических работ на основной (или основных) машинах. Все это приводит к существенному удорожанию систем охлаждения CW-архитектуры.

Но в рамках этой статьи мы не будем сравнивать эффективность работы систем охлаждения, построенных по разных моделям, а поговорим о практических задачах, с которыми сталкиваются инженеры при эксплуатации той и другой системы.

Система охлаждения, наряду с системой электропитания, требует постоянного внимания. Наши специалисты на протяжении нескольких лет обслуживают инженерные системы различных дата-центров: от крупных коммерческих (мощностью до 4 МВт) до относительно небольших, принадлежащих банковским структурам (мощностью до 400 кВт). За это время накоплен практический опыт в области эксплуатации систем кондиционирования, в том числе в критических для системы охлаждения ситуациях. Это, в частности, работа климатического оборудования в экстремальных погодных условиях.

Какие условия считать экстремальными?

Прежде всего, чтобы избежать непонимания, поясним, что мы подразумеваем под «экстремальными погодными условиями». Этим термином мы будем обозначать выход температурных параметров окружающей среды за верхнюю или нижнюю границу диапазона, в котором производитель гарантирует работу холодильного оборудования. Поясним на примере: если внешний конденсаторный блок DX-кондиционера рассчитан на температуру наружного воздуха от –30 до +30°C, то экстремальные погодные условия для данного кондиционера будут –30 и ниже или от +30 и выше. Если внешний конденсаторный блок рассчитан на работу в диапазоне от –30 до +35°C, то уличная температура в +30°C для него уже не является экстремальной – кондиционер должен работать.

Поскольку основная идея, лежащая в основе создания ЦОДов, – это обеспечение непрерывности работы клиентского оборудования, то уже при выборе системы охлаждения критически важно правильно указать расчетные параметры наружного воздуха. Ответ очевидный: чем шире диапазон, тем лучше. Но, как обычно, наши желания вступают в противоречие с нашими возможностями: оборудование с широким рабочим температурным диапазоном стоит дороже. Приходится идти на компромиссы, принимать на себя повышенные риски и т. д. В результате мы получаем, что несколько дней (недель) в году оборудование работает на пределе своих возможностей или даже за их пределом – в экстремальных погодных условиях.

Для каждого региона расчетные температурные параметры наружного воздуха можно взять в справочнике (СНиП 23-01-99 «Строительная климатология»). С учетом работы ЦОДа в режиме 24х7х365 при расчете систем кондиционирования берутся значения абсолютной минимальной и абсолютной максимальной температуры воздуха для данной географической местности. Для московского региона это –42°C зимой и +37°C летом.

Но даже если мы строго выдержали рекомендации справочника и правильно подобрали климатическое оборудование, это все же не дает 100%-ной гарантии спокойного существования. Справочник оперирует статистическими данными, исходя из того, что уже когда-то было. А что еще будет – неизвестно. Наглядный пример – лето 2010 г., когда температура переваливала за отметку в 37°C. Тем не менее мы рекомендуем при подборе климатического оборудования придерживаться данного СНиПа.

Эффективные приемы

Предположим, что у нас идеально построена система охлаждения ЦОДа. Это означает, что:

• рассчитаны мощности тепловыделения от оборудования;

• оборудование правильно подобрано по температурным параметрам согласно СНиПу;

• учтен необходимый резерв;

• составлен проект;

• монтаж оборудования выполнен квалифицированными специалистами с учетом рекомендаций завода-изготовителя;

• выполнены пусконаладочные работы;

• регулярно проводятся работы по техническому обслуживанию.

В таком случае вероятность стабильной и долгой работы климатического оборудования достаточно высока. Это в теории. Практика показала, что и в зимний, и в летний период есть много нюансов в работе даже таких «идеальных» систем, не говоря уже о достаточно типичной ситуации, когда климатическое оборудование с явно недостаточными характеристиками уже установлено. И что делать? Как минимизировать влияние экстремальных погодных условий?

Для начала рассмотрим летний период – лето нам сейчас ближе в буквальном смысле слова. Еще свежи воспоминания лета 2010-го с его каждодневными температурными рекордами и ураганным ветром. Холодильное оборудование работало в экстремальных погодных условиях так часто, что фактически аварийная ситуация по перегреву уже не считалась чем-то особенным, стала восприниматься как штатная, как рутинная работа. Перед инженерами стояла задача не просто пережить один-два дня жаркой погоды, а сделать так, чтобы и сейчас, и завтра, и через неделю была обеспечена непрерывная работа холодильных машин в условиях длительной рекордно жаркой погоды.

Что можно сделать, допустим, для холодильной машины, рассчитанной на работу при температуре окружающего воздуха не выше +35°C, и, к примеру, для выносного блока фреонового DX-кондиционера, рассчитанного на температуру не выше +33°C? Рецепты «счастья» в обеих ситуациях примерно одинаковы.

Убрать все лишнее. Во-первых, лучше сразу начать с исправления ошибок, которые были допущены при проектировании или при строительстве/монтаже холодильной системы: расчистить площадь перед теплообменниками, чтобы по максимуму обеспечить свободный доступ воздуха к холодильному оборудованию и тем самым убрать эффект «теплового мешка». Температура конденсации фреона находится в диапазоне 45–55°C (мы, конечно, берем на себя большую смелость указывать температуру конденсации, не назвав ни давление конденсации, ни тип газа, но суть не в этом; все фреоны в физическом смысле ведут себя одинаково: чтобы перевести их из газообразного состояния в жидкое, их нужно сжать и охладить). Итак, если у нас оборудование зажато внешними строениями, коробками, другими предметами, то при отсутствии ветра часть отработанного воздуха (уже подогретого теплообменником холодильной машины с уличных 35 до 40°C и выше) захватывается вентиляторами и снова прогоняется через холодильную машину. В результате эффективность охлаждения самой машины резко снижается и холодопроизводительность ее падает. Поэтому надо обеспечить максимальный доступ свежего воздуха к машине.

Можно рассмотреть идею снятия защитных решеток с конденсаторных блоков. С одной стороны, решетки защищают оборудование от попадания посторонних предметов, но с другой – препятствуют продуву машины свежим воздухом. А когда борьба идет за каждый градус, мелочей уже не бывает.

Уменьшить локальный нагрев. Известно, что само солнце воздух практически не нагревает: солнце нагревает предметы (землю, асфальт, песок, воду и т.д.), а уж затем от них нагревается воздух. Так, температура асфальта летом в Москве легко может превышать 55°C, а температура газона в то же самое время будет около 30°C. Отсюда следует простой вывод: асфальтовое покрытие или черный гудрон – отнюдь не лучшее основание для размещения холодильного оборудования. Имеет смысл покрасить поверхность в белый цвет, насыпать щебенки, а еще лучше – посадить газонную траву, если есть такая возможность. Очень часто подобные задачи решают следующим способом: на предприятиях, где есть «дармовая» вода, под внешние блоки кондиционеров в жаркие дни на целый день включают воду, и она так и льется: по крыше, по стоку, в «ливневку» и далее на улицу. Так снимается локальный нагрев крыши, плюс увеличивается влажность воздуха, что также играет положительную роль при отводе тепла.

Проверить настройки. Необходимо проверить настройки каждого холодильного контура климатического оборудования: лучше придерживаться настроек, при которых оборудование работает максимально стабильно, без срывов в аварию по высокому давлению. Здесь основная задача – не допустить нестабильной работы компрессоров, их частого включения/выключения. При такой работе рывками есть риск просто «загнать» оборудование, и оно очень быстро выйдет из строя (надо ли говорить, что сломается оно в самый неподходящий момент?). В случае чиллера, кроме настроек работы компрессоров, необходимо подобрать оптимальный температурный баланс по входу/выходу воды (гликоля) из холодильной установки. Для этого можно аккуратно поднять температурную уставку по выходу на несколько градусов. Согласно справочнику «Система вентиляции и кондиционирования. Теория и практика» (в редакции от 2008 г.) при повышении температуры воды на выходе из чиллера на 1 градус холодопроизводительность машины увеличивается на 3%. Согласитесь, это неплохо. Но надо понимать, что повышение температуры воды — весьма ограниченный ресурс, так как холодильная машина проектируется на заводе под определенную температурную «вилку». Это, как правило, 12°C на вход чиллера и 7°C на выход, и нужно, не выходя за эти границы, подобрать температуру, при которой оборудование будет работать наиболее устойчиво.

Очистить установку. Холодильное оборудование любит чистоту. Если конденсаторные блоки загрязнены, на них лежит слой грязи, перья, пушинки одуванчиков или плотное одеяло из тополиного пуха, можно даже не беспокоиться по поводу экстремальных погодных условий: оборудование перестанет работать гораздо раньше. Бесконтактная мойка (в том числе с «химией»), сухая чистка, чистка пылесосом должны проводиться в обязательном порядке и на регулярной основе. Разница между работой оборудования с чистыми конденсаторными блоками и с грязными колоссальна. Во многих ситуациях хорошо выполненная чистка блоков решает проблемы жарких дней. Поэтому первым этапом подготовки климатического оборудования к жаркой погоде должна быть чистка, а лучше мойка конденсаторных блоков, причем мойка из аппарата высокого давления, с химией и – при необходимости – со снятием вентиляторов с холодильной машины для лучшего доступа к теплообменникам.

Рискованные меры

Если вышеуказанные мероприятия не помогли, и чувствуется, что кондиционеры (чиллеры) работают на грани возможностей и в любой момент готовы сорваться, можно попробовать еще несколько способов облегчить им жизнь. Но только к этим способам нужно относиться с осторожностью, учитывая некоторые нюансы. Как пишут в аннотациях к лекарствам: применять, если ожидаемая польза превышает потенциальный риск.

Во-первых, как ни удивительно это звучит, можно повысить температуру в модуле (в машзале, в гермозоне, словом, в помещении, где установлены сами стойки). До разумных пределов – например, до 25°C в холодном коридоре. Задача системы холодоснабжения в дата-центре – снимать теплопритоки. Если в помещение поступает неохлажденный уличный воздух из системы вентиляции или через входную дверь, то в модуль попадает теплый воздух, который тоже необходимо охлаждать. Получается, что система не только снимает теплопритоки в модуле, но и охлаждает улицу, а это совершенно лишнее. Надо снизить разницу между температурой в здании дата-центра и температурой в модуле, тогда на устранение поступающего извне тепла будет затрачиваться меньше энергии.

Но надо понимать, что, повышая температуру в модуле, мы тем самым сужаем время реагирования на возможные проблемы в системе кондиционирования. В этом случае начальная точка отсчета температуры в модуле – не +21°C, а +25. И кратковременная остановка холодильной машины может привести к печальным последствиям, так как инерционность модуля по холоду мы практически свели на нет. Кстати, свойства инерционности модуля с температурной точки зрения мы успешно использовали прошлым летом во многих ЦОДах: ночью, когда не так жарко, принудительно охлаждали помещение до +18°C, а затем днем постепенно стравливали до +25°C, что помогало нам пережить особенно жаркие часы.

Многие наши коллеги, чтобы холодильное оборудование хоть как-то работало, поливают конденсаторные блоки из шланга водой: вот так с утра и до самого вечера непрерывно льют на них воду. Такой способ охлаждения имеет право на жизнь, но эффективность его не очень высока. Как известно из курса физики, теплоемкость воды равна 4,2 кДж/(кг•К), а удельная теплота ее испарения – 2500 кДж/кг. Очевидно, что если мы хотим отвести с помощью воды как можно больше тепла, то лучше воду испарять. Отсюда простой вывод: гораздо эффективнее не поливать конденсаторные блоки из шланга, а распылять воду в непосредственной близости от них. Так и расход воды меньше, и эффективность охлаждения выше. На одном из объектов мы собрали небольшую систему орошения на базе форсунок мелкодисперсионного распыления воды и с ее помощью добились образования устойчивого «тумана». Когда мы запустили систему в работу, результаты нас приятно удивили: с помощью системы орошения мы смогли локально понизить температуру окружающего воздуха на 8°C! На целых 8 градусов! Это, конечно, прекрасный результат.

С помощью системы орошения мы смогли существенно «отодвинуть» зону экстремальных температур и обеспечить стабильный режим работы холодильного оборудования. Но этот способ не панацея. При длительном использовании системы орошения на конденсаторных блоках образуется известковый налет: сначала теплообменники белеют, затем пластины оребрения покрываются твердой коркой солей кальция, которую потом очень трудно удалить. В итоге, постоянно распыляя воду, мы ухудшаем теплообмен, сами себе создаем проблемы в дальнейшей эксплуатации. Чтобы уменьшить налет, мы проводили водоподготовку, пропускали воду через фильтры, но полностью избавиться от известкового налета не получилось.

Зимой – свои проблемы

Несколько слов о зимнем периоде эксплуатации холодильного оборудования. Прошедшая зима не отличалась рекордами, в Москве не было тридцатиградусных морозов, зато случилось такое редкое явление, как ледяной дождь. Это явление опасно для выносных конденсаторных блоков кондиционеров, которые установлены параллельно земной поверхности – на выдув вверх. Если такой блок не работал во время ледяного дождя, то на нем могла образоваться замечательная ледяная «шуба», которая механически блокировала вращение вентилятора, и это могло привести к его поломке. Перед запуском такого кондиционера необходимо было очистить ото льда вентилятор внешнего блока. Мы размораживали такие внешние блоки теплой водой. Надо заметить, что при несильном намерзании льда внешний блок может сам разморозиться горячим фреоном. Для чиллерных систем, работающих в режиме фрикулинга, особое внимание стоит обратить на сальники насосов. Если насосная группа установлена на улице, то сальниковое уплотнение должно быть рассчитано на работу в условиях сильных морозов, иначе они просто потекут.

  

Эксплуатация систем охлаждения больших промышленных объектов, таких как ЦОДы, включает в себя как техническое обслуживание силами собственных инженеров на объекте, так и обслуживание с привлечением специалистов сервисных компаний. Обслуживание на регулярной основе с соблюдением графиков планово-профилактического ремонта минимизирует вероятность аварий оборудования. Надо стремиться к тому, чтобы инженеры службы эксплуатации могли предвидеть возможные аварийные ситуации и были к ним готовы. Еще лучше – чтобы они могли устранить причину возможной аварии. А это достигается с опытом, через шишки и подзатыльники, каждодневной работой. По другому – никак.  икс 

 
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!