Rambler's Top100
Статьи ИКС № 12 2011
Джон БИН  Джон НИМАНН  Виктор АВЕЛАР  06 декабря 2011

Экономичные режимы работы систем охлаждения ЦОДов

Часть 1. Основные типы экономичных режимов. В определенных климатических зонах перевод системы охлаждения на работу в экономичном режиме позволяет сократить ее годовое энергопотребление на 70% и более – что соответствует снижению среднегодового показателя PUE свыше чем на 15%. Существует много типов таких режимов, но отсутствие четких определений затрудняет их выбор. В цикле статей, начатых этой публикацией, будут рассмотрены определения различных типов экономичных режимов и механизмы функционирования системы, проведено сравнение наиболее полезных режимов по важнейшим показателям функционирования ЦОДа.

Естественное охлаждение

В экономичном режиме компрессор частично или полностью исключается из работы. При этом иногда говорят о естественном охлаждении (free cooling). Эта эффектная фигура речи помогает подчеркнуть идею, однако необходимо помнить следующее. Большинство систем, в которых реализован экономичный режим, основную часть времени работают в режиме частичного байпаса компрессорного холодильного контура, что экономит энергию, но сказать, что это происходит «бесплатно», никак нельзя. Более того, даже при полном отключении компрессора остаются значительные затраты энергии на перемещение теплоносителя вентиляторами и насосами, а также, возможно, на иные функции, например увлажнение.

Отметим, что существует по крайней мере одна конструкция, так называемый курятник Yahoo (Yahoo Chicken Coop), в которой теплопередача осуществляется за счет естественной конвекции в специально устроенном здании, что позволяет отказаться от вентиляторов либо резко сокращает потребность в них.  

Системы охлаждения ИТ-сред, работающие в экономичном режиме, обеспечивают снижение энергопотребления за счет использования уличного воздуха в холодное время года, что позволяет отключать механические системы охлаждения либо включать их на пониженную мощность. До недавнего времени экономичные режимы рассматривались как дополнительные либо вспомогательные, но теперь их применение становится необходимым условием для достижения целевых уровней эффективности, которые устанавливаются эксплуатирующими ЦОДы организациями или новыми стандартами (например, ANSI/ASHRAE Standard 90.1-2010, Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings). Более того, в определенных климатических зонах экономичный режим работы системы охлаждения может быть основным, а механические системы охлаждения – выступать в качестве вспомогательных или резервных.

Для переноса тепловой энергии из ЦОДа наружу в системе охлаждения может использоваться воздух, вода либо хладагент. В случае систем охлаждения со встроенным экономичным режимом часто применяют термины «с воздушным экономайзером» и «с водяным экономайзером».

Здесь нужно отметить, что хотя концепция экономичного режима пользуется широким признанием в отрасли ЦОДостроения, соответствующая терминология и определения пока недостаточно стандартизованы, что нередко ведет к недопониманию. Одна из причин такого недопонимания – в использовании термина «экономайзер». Не следует рассматривать «экономайзер» как компонент или совокупность компонентов системы охлаждения, суть дела – именно в экономичном режиме функционирования системы в целом.

Экономичные режимы: механизмы действия

Для отвода тепла из ЦОДов применяется множество различных устройств и технологий. Однако во всех из них реализуются по крайней мере некоторые из четырех базовых процессов.

Теплопередача: вентиляторы и/или насосы обеспечивают движение рабочего тела (воздуха или воды), которое переносит тепло из ЦОДа во внешнюю среду.

Теплообмен: змеевики или вентиляционные каналы обеспечивают передачу тепла от одного потока к другому; во всех случаях присутствует конечный теплообмен с окружающей средой.

Сжатие: система, содержащая заполненный хладагентом контур с зонами высокого и низкого давления, обеспечивает перенос тепловой энергии из холодной среды (ЦОД) в теплую (летний уличный воздух). Сжатый до высокого давления хладагент приобретает температуру значительно выше уличной. Это «преобразование температуры» делает возможным перенос тепловой энергии из помещений ЦОДа во внешнюю среду.

Испарительное охлаждение: градирни, влажные фильтры и разбрызгиватели используют процесс испарения воды для отвода тепла во внешнюю среду.

В типичном ЦОДе с водяной системой охлаждения используются все перечисленные элементы. Процессы теплопередачи и сжатия связаны с расходом электроэнергии, а испарительное охлаждение – воды.

Системы охлаждения проектируются в расчете на самые тяжелые условия работы: при полной нагрузке ЦОДа и высокой уличной температуре. При более низких уровнях нагрузки и температурах среды системе приходится выполнять значительно меньше работы. К сожалению, отдельные составляющие системы охлаждения при этом недоиспользуются и работают с низкой эффективностью. Повысить эффективность позволяют различные усовершенствования, такие как использование электродвигателей с приводами переменной частоты, разделение систем на несколько ступеней, вводимых в действие по мере необходимости, и т.д. Тем не менее энергопотребление остается весьма значительным. Для его снижения в благоприятных условиях (при низкой нагрузке и низкой температуре на улице) применяются экономичные режимы функционирования системы охлаждения.

В экономичном режиме компрессорный режим работы (процесс сжатия хладагента) частично или полностью исключается, что снижает либо сводит к нулю энергопотребление компрессоров. Компрессорный режим  применяется для отвода тепла в более теплую внешнюю среду. Но когда температура наружного уличного воздуха ниже, нежели температура воздуха в помещении ЦОДа, становится возможна передача тепла во внешнюю среду естественным путем. Таким образом, в благоприятных условиях от компрессорного режима работы можно отказаться – со значительной экономией энергии. Аналогично порой оказывается излишним и расходование воды на испарительное охлаждение. 

В прежние времена внедрение экономичного режима в систему охлаждения ЦОДа рассматривалось главным образом как источник дополнительных затрат и сложности и признавалось оправданным только в особых климатических условиях, например в высоких широтах. Однако теперь считается, что экономичные режимы охлаждения выгодно применять практически в любых географических условиях, – и тому есть ряд причин.

  • Работа ЦОДа под неполной нагрузкой увеличивает выгодность экономичных режимов, а проектировщики все больше ориентируются на то обстоятельство, что большую часть времени ЦОД работает именно под малой нагрузкой. Тенденция к динамическим изменениям потребления мощности ИТ-оборудованием дополнительно усиливает этот эффект.
  • Повышение температуры обратного воздуха в ЦОДах – а эта тенденция четко обозначилась в последнее время – значительно увеличивает общее время возможной работы в экономичном режиме, особенно в теплом климате.
  • В большинстве новых конструкций предусмотрена возможность работы в смешанном режиме, что значительно увеличивает экономию энергии почти во всех случаях.
  • Новый усовершенствованный инструментарий количественной оценки экономии энергии помогает лучше оценивать эффект экономичных режимов. Его применение позволяет выявлять значительные возможности экономии и обосновывать рентабельность инвестиций.
  • Последние усовершенствования систем мониторинга и управления дают уверенность в том, что применение экономичных режимов охлаждения не окажет отрицательного влияния на надежность функционирования ЦОДа.

Типы экономичных режимов

Основная идея рассматриваемых экономичных режимов – обход системы компрессорного охлаждения. Способ организации такого обхода (и получаемые преимущества) зависит от устройства системы охлаждения.

Существует 19 основных типов экономичных режимов, 15 из них пригодны для применения в современном ЦОДе: в шести из них используется воздух, в девяти – вода (рис. 1). Оставшиеся четыре типа мы не рассматриваем, поскольку они требуют подачи конденсаторной воды в помещения ЦОДа, а это создает дополнительную угрозу для оборудования.

Объективное сравнение экономичных режимов требует учета характеристик всех задействованных компонентов. Например, иногда ограничиваются рассмотрением пластинчатого теплообменника как «экономайзера» в системе на чиллерной воде, тогда как в действительности для работы в экономичном режиме необходимо множество других компонентов: градирня, насосы конденсаторной воды, насосы чиллерной воды, фанкойлы (воздушые доводчики). Если исключить хотя бы один из них, работа в экономичном режиме будет невозможна даже в самый холодный день. Вот почему в общем случае правильно говорить не об использовании некоего «экономайзера» в ЦОДе, а об экономичном режиме работы системы охлаждения.

Механизмы функционирования экономичных режимов и соответствующие конструкции систем охлаждения бывают двух типов: последовательные и параллельные. В последовательной конфигурации экономайзер (например, пластинчатый теплообменник) устанавливается последовательно с компрессором. Это позволяет частично заменить компрессорное охлаждение воздуха или воды предварительным – в теплообменнике. Тем самым уменьшается количество тепловой энергии, отводимой компрессорной системой, значительно сокращается ее собственное энергопотребление.

В параллельной конфигурации компонент, байпасирующий тепловой насос, устанавливается параллельно самому тепловому насосу. Это исключает частичную замену компрессорного охлаждения – по принципу «все или ничего». В результате теряется возможность значительной экономии электроэнергии.

Далее мы подробно рассмотрим все пригодные для ЦОДов экономичные режимы. Для каждого из них приводится список компонентов, задействованных в работе системы в рассматриваемом режиме. Во всех случаях предполагается наличие системы управления; в нее входят компоненты, регулирующие работу системы, такие как клапан, запирающий водный контур, или жалюзи, перекрывающее воздушный поток при определенной температуре снаружи.

Обход кондиционера с непосредственным использованием наружного воздуха

Основные компоненты: вентиляторы, дефлекторы, увлажнители, фильтры; при использовании испарительного охлаждения – испарительные площадки и насосы.

Этот режим требует вентиляторов и дефлекторов для подачи определенного количества наружного холодного воздуха через фильтры непосредственно в помещения ЦОДа (рис. 2). Дефлекторы и увлажнители также обеспечивают управление стравливанием теплого воздуха наружу и его подмешиванием в поступающий с улицы холодный поток в соответствии с уставками. Фильтрация не устраняет из воздуха тонкодисперсных взвесей и химических примесей.

Такой экономичный режим может дополняться испарительным охлаждением – пропусканием уличного воздуха через увлажняемые сетчатые полотна. В условиях низкой влажности на улице испарительное охлаждение позволяет снизить температуру воздуха на величину до 19°C, за счет чего общее время работы в экономичном режиме становится значительно больше (в среднем в год). Этот способ охлаждения каждый испытывал на себе – выходя из воды на ветерок после купания. Следует помнить, что испарительное охлаждение повышает уровень влажности в помещениях ЦОДа. Наибольший эффект достигается в сухом климате; в более влажном необходимо оценивать систему испарительного охлаждения на рентабельность инвестиций. Возможна работа в смешанном режиме.

Обход кондиционера на базе воздушного теплообменника

Основные компоненты: вентиляторы, пластинчатый теплообменник воздух-воздух; при использовании испарительного охлаждения – испарительные площадки и насосы.

Использование теплообменника для обхода компрессорного охлаждения (непрямое использование наружного воздуха) требует вентиляторов для прогона холодного воздуха через пластинчатые  теплообменники или змеевики, на которые с другой стороны подается для охлаждения воздух, циркулирующий по помещениям ЦОДа (рис. 3). Этот экономичный режим может дополняться испарительным охлаждением – с орошением поверхности теплообменников водой со стороны уличного воздуха. В отличие от предыдущего режима испарительное охлаждение не оказывает влияния на уровень влажности в помещениях ЦОДа. Возможна работа в смешанном режиме.

Обход кондиционера на базе вращающегося теплообменника

Основные компоненты: вентиляторы, вращающийся теплообменник; при использовании испарительного охлаждения – испарительные площадки и насосы.

Вентиляторы обеспечивают обдув вращающегося теплообменника холодным воздухом с одной стороны и горячим – с другой (рис. 4). Такие теплообменники изготавливают из специального материала, позволяющего сохранять более низкий уровень влажности воздуха в помещениях ЦОДа и избегать проникновения загрязнений с улицы. Этот экономичный режим может дополняться испарительным охлаждением – с пропуском уличного воздуха через увлажняемые сетчатые полотна. Возможна работа в смешанном режиме.

Обход чиллера на базе теплообменника

Основные компоненты: градирня, насосы, клапаны, пластинчатый теплообменник, внутренний блок (фанкойл).

Этот режим предполагает использование конденсаторной воды для непрямого охлаждения чиллерной воды. Насосы прокачивают конденсаторную воду через пластинчатый теплообменник для охлаждения чиллерной воды, используемой в фанкойлах, без смешения двух потоков (рис. 5). При снижении температуры конденсаторной воды до установленного уровня срабатывают клапаны, направляющие ее вместо чиллера на теплообменник. При последовательном включении теплообменника и чиллера в контур чиллерной воды возможна работа в смешанном режиме. Кстати, этот режим допускает использование в качестве источника холодной воды естественного водоема (например, озера).

Обход компрессора чиллера с использованием встроенного термосифона

Основные компоненты: градирня или драйкулер (сухая градирня), чиллер с термосифоном, насосы, клапаны, блок подготовки воздуха уровня помещения.

Иногда чиллер оснащается термосифоном, который при определенных условиях превращает его в простой теплообменник, отключая компрессор. При этом горячий хладагент подается в конденсатор для охлаждения, а затем самотеком либо с использованием насоса – в испаритель, где отдает холод чиллерной воде. Далее цикл повторяется. Важное преимущество описанной схемы перед предыдущей – отказ от отдельного теплообменника. Однако это влечет за собой невозможность работы в смешанном режиме.

Обход моноблочного чиллера на базе драйкулера (возможно, с испарительным охлаждением)

Основные компоненты: драйкулер, насосы, клапаны, фанкойл; при использовании испарительного охлаждения – испарительные площадки и насосы.

В рассматриваемой конфигурации происходит непосредственное охлаждение чиллерной воды (раствора гликоля) уличным воздухом при ее прокачке через драйкулер с последующей подачей в  фанкойлы (рис. 6). В зависимости от уличной температуры клапаны выключают чиллер либо обеспечивают его более экономичное функционирование. Работа в смешанном режиме возможна при условии включения теплообменника в контур чиллерной воды последовательно с чиллером. Отметим, что драйкулер и органы управления полностью интегрированы в чиллер.

Приведенное решение считается эталонным для данного экономичного режима работы системы охлаждения. Оно отличается компактностью и превосходит системы, собираемые из аналогичных автономных компонентов, по предсказуемости и эффективности функционирования.

Такой режим может дополняться испарительным охлаждением – с пропуском уличного воздуха через увлажняемые сетчатые полотна либо с тонкодисперсным распылением воды. Это позволяет дополнительно снизить температуру чиллерной воды и увеличить общее время возможной работы в экономичном режиме (потребуется заменить драйкулер орошаемым теплообменником).

Обход компрессора кондиционера с использованием второго змеевика

Основные компоненты: драйкулер, насосы, внутренний периметральный блок  со вторым змеевиком; при использовании испарительного охлаждения – испарительные площадки и насосы.

Экономайзер данного типа предполагает использование внутреннего периметрального блока с непосредственным охлаждением с независимым вторым змеевиком, через который в экономичном режиме работы прокачивается конденсаторная вода. В соответствующих погодных условиях насосы прокачивают конденсаторную воду через драйкулер для охлаждения уличным воздухом, а затем – через второй змеевик периметрального блока, установленного в помещении (рис. 7).

Возможна работа в смешанном режиме и применение испарительного охлаждения (потребуется заменить драйкулер орошаемым теплообменником). Возможен также вариант с охлаждением конденсаторной воды на мокрой башенной градирне, однако это повышает требования к водоподготовке, поэтому мы его здесь не рассматриваем.  

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