Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 03 2012
Евгений Петрович ВИШНЕВСКИЙ  Тимур ТОЛОКОННИКОВ  13 марта 2012

Климат региона и микроклимат ЦОДа. Учет климатических зон при анализе эффективности системы холодоснабжения

Из общего энергопотребления оборудования ЦОДа до 30% может приходиться на систему поддержания микроклимата. При оценке эффективности этой системы необходимо рассматривать различные факторы, в том числе и климатические условия территории, где находится ЦОД.

Евгений ВИШНЕВСКИЙ, технический директор United Elements  Тимур Толоконников, ведущий инженер отдела исследований и развития United Elements 
Помещение ЦОДа – сложный с точки зрения инженерных сетей объект, и обеспечение его круглогодичной работоспособности ложится на владельца серьезной финансовой нагрузкой. Одним из основных потребителей энергоресурсов в инженерной инфраструктуре ЦОДа, обеспечивающей его бесперебойную работу, является система поддержания микроклимата. К тому же помимо эксплуатационных затрат это и значительные капитальные расходы. Поэтому крайне важна правильная оценка проектного решения, чтобы, с одной стороны, эксплуатационные расходы не превышали запланированных значений, а с другой – чтобы мощность оборудования не была завышенной. Именно баланс капитальных и эксплуатационных расходов обеспечивает владельцу приемлемый срок окупаемости ЦОДа.

Коэффициенты энергетической эффективности

На данный момент подавляющее большинство систем поддержания микроклимата построено на основе парокомпрессионной фреоновой холодильной машины (чиллеры, фреоновые прецизионные кондиционеры). Для оценки энергетической эффективности чиллеров, работающих в режиме охлаждения, принято пользоваться тремя базовыми коэффициентами, разработанными международной сертификационной организацией Eurovent.

COP (Coefficient of Performance) – холодильный коэффициент. Это отношение холодопроизводительности компрессора к его потребляемой мощности. Значение COP не учитывает влияние на энергоэффективность других компонентов чиллера, в частности вентиляторов конденсатора. Для большей достоверности оценки в дополнение к COP был предложен коэффициент EER.

EER (Energy Efficient Ratio) – это коэффициент энергетической эффективности, рассчитываемый как отношение холодопроизводительности холодильной машины к ее потребляемой мощности, включая мощность вентиляторов. Таким образом, он более точно оценивает энергопотребление холодильной машины при номинальных условиях работы. Однако оценка энергоэффективности по коэффициенту EER при длительной эксплуатации системы холодоснабжения дает значительную погрешность, поскольку чиллер большую часть года работает в условиях, отличных от номинальных. Чтобы учесть этот фактор, Eurovent разработала дополнительный коэффициент ESEER.

ESEER (European Seasonal Energy Efficient Ratio) – коэффициент сезонной энергоэффективности. Как показали европейские исследования, в среднем в течение годового периода эксплуатации чиллер 3% времени работает в условиях 100%-ной нагрузки, 33% времени – при 75%-ной нагрузке, 41% – при 50%-ной нагрузке и 23% времени – при 25%-ной нагрузке. Коэффициент EER чиллера при разных нагрузках (EERn%, где n – процент нагрузки) принимает разные значения.

Таким образом, значение ESEER рассчитывается по следующей формуле:

ESEER = 0,03×EER100% + 0,33×EER75% + 0,41×EER50% + 0,23×EER25%.      (1)

Для аналогичных целей в США разработан еще один коэффициент – интегральный показатель при частичной нагрузке (Integral Part Load Values, IPLV). Этот показатель определяется в соответствии со стандартом Института кондиционирования воздуха, систем отопления и холодоснабжения AHRI.

Значение IPLV рассчитывается аналогично ESEER, но с другими коэффициентами в уравнении. Так, считается, что при 100%-ной нагрузке чиллер работает только 1% времени, при 75%-ной нагрузке – 42% времени, при 50%-ной – 45% времени и при 25%-ной нагрузке – 12% времени. Тогда:

IPLV = 0,01×EER100% + 0,42×EER75% + 0,45×EER50% + 0,12×EER25%.         (2)

Особенность интегрального показателя при частичной нагрузке состоит в том, что длительность работы в условиях 100%-ной нагрузки принята равной 1%. Предполагается также, что при проектировании системы холодоснабжения закладывается запас в 20–30% по холодопроизводительности.

Необходимо отметить, что коэффициенты ESEER и IPLV ориентированы на территории, где они были разработаны (на страны Европы и США соответственно). Коэффициенты, входящие в расчетные уравнения, не отражают таких факторов, как различные амплитуды температуры для разных климатических зон.

Различия в климатических параметрах для регионов России хорошо иллюстрируют кривые годового распределения температур для четырех городов (см. рисунок). Пики на кривых соответствуют наиболее распространенным температурам за год. Например, для Северо-Запада характерны температуры в диапазоне от –2 до +12°С (см. график для Санкт-Петербурга), на Дальнем Востоке этот диапазон смещен к значениям от +7 до +20°С (график для Хабаровска). Таким образом, территория России включает различные климатические зоны, и применять один и тот же коэффициент ESEER для всех районов страны будет некорректно.

Климатические базы данных

При определении годового энергопотребления наиболее целесообразно использовать климатические данные для каждого отдельного региона. Климатическая информация представлена в специальных базах данных в виде массива из 365-дневного ряда почасовых значений следующих параметров: температура, влажность, солнечная радиация, направление и скорость ветра и др. Причем эти параметры должны быть наиболее близки к средним многолетним значениям.

За последние 30 лет было предложено несколько вариантов наборов таких данных — reference year (что можно перевести как «эталонный год» или «справочный год»). В литературе подробно описаны типы справочных годов и методики их расчета*. В нашей работе использованы данные для так называемого типичного метеорологического года (Typical Meteorologic Year, TMY), распространяемые компанией Meteonorm. В базах Meteonorm содержатся данные за период с 1961 по 1990 гг. с 7400 метеостанций по всему миру, из которых более 500 станций находятся в России.

«Типичный метеорологический год» состоит из двенадцати «типичных метеорологических месяцев» (typical meteorological months, TMM), выбранных из многолетней базы данных. Отбор ТММ основан на статистическом анализе и оценке четырех климатических параметров: общей солнечной радиации (GSR), температуры по сухому термометру (DBT), температуры точки росы (DPT) и скорости ветра (WS). Месяцы отбирались по сложной методике с использованием статистической величины Finkelstein-Schafer (FS). В результате были отобраны месяцы, наиболее близкие к средневзвешенному значению по данным многолетних наблюдений. Таким образом, в набор данных TMY включены месяцы из нескольких разных годов.

Энергоэффективность системы холодоснабжения для разных регионов

В качестве примера рассмотрим систему холодоснабжения ЦОДа на базе винтового чиллера с асимметричным регулированием производительности** мощностью 1640 кВт. Анализ энергоэффективности проводили двумя способами: рассчитывая стандартные коэффициенты энергоэффективности (ESEER и IPLV) и на основании данных климатической базы Meteonorm.

В первом случае коэффициент энергоэффективности ESEER, рассчитанный по формуле (1), составил:

ESEER = 0,03×(1640/586) + 0,33×(1230/366) + 0,41×(820/210) + 0,23×(410/87) = 3,87.

Коэффициент энергоэффективности IPLV, рассчитанный по формуле (2), составил:

IPLV = 0,01×(1640/586) + 0,42×(1230/366) + 0,45×(820/210) + 0,12×(410/87) = 4,28.

При расчете энергоэффективности на основании базы данных Meteonorm вычисления проводились для четырех городов России, находящихся в разных климатических зонах: Санкт-Петербург, Волгоград, Екатеринбург и Хабаровск (результаты расчета представлены в таблице).

В расчете также учитывалось неравномерное распределение в течение суток нагрузок на холодильное оборудование от потребителей, основная доля которых – это нагрузки от работающих вычислительных средств. Общая же расчетная холодопроизводительность (1640 кВт) оставалась в каждом случае одной и той же.

Сравнение показало, что разброс в значениях энергопотребления для рассматриваемых городов достигает 13,4%. В то же время, как видно из расчета, коэффициент сезонного энергопотребления ESEER и показатель IPLV завышены по сравнению с «условными» ESEER, рассчитанными на основе отдельных коэффициентов для каждого города.

Такие результаты объясняются тем, что большую часть времени чиллер работает при высоких нагрузках (от 50 до 100% от максимальной), а в режиме 25%-ной нагрузки (с максимальным EER) практически не работает. Дело в том, что климатическая составляющая в нагрузке на чиллер составляет меньшую часть, а основная нагрузка приходится на работающие вычислительные устройства.

Отметим, что более серьезное влияние на энергоэффективность системы холодоснабжения ЦОДа оказывает тип системы охлаждения. В зависимости от внешних климатических условий и стоимости необходимых энергоресурсов в разных регионах страны в ЦОДах применяются следующие системы холодоснабжения:

• на базе чиллеров с центробежными компрессорами на магнитных подшипниках;

• на базе чиллеров с фрикулингом;

• система тригенерации на базе абсорбционных чиллеров;

• система адиабатического охлаждения.

Более подробное сравнение различных схем холодоснабжения в зависимости от климатических условий и тарифов на энергоресурсы в том регионе, где расположен дата-центр, мы проведем в следующей статье.

Некоторые выводы

Использование в расчетах климатической информации по регионам России, отражающей особенности разных климатических зон, позволяет точнее определить действительное энергопотребление систем поддержки микроклимата в ЦОДе, чем с помощью стандартных коэффициентов энергоэффективности (ESEER и IPLV).

В то же время в нагрузке ЦОДа основная часть приходится на электронное оборудование (серверы), а не на климатическую составляющую. Поэтому различия в энергопотреблении в зависимости от региона при прочих равных условиях невелики (по результатам нашего исследования – не более 13,5%).

В связи с этим представляет значительный интерес анализ схем микроклиматического обеспечения ЦОДа в зависимости не только от климатических параметров, но и от стоимости энергоресурсов в различных регионах нашей страны. 
____________________________________________________________________________

* См. Вишневский Е.П., Салин М.Ю., Чепурин А.В. Расчет теплофизических характеристик атмосферного воздуха. // СОК (Сантехника, отопление и кондиционирование), № 11' 2009, с. 86.

** Этот подход обсуждался в статье авторов «Резервирование и оптимизация систем холодоснабжения ЦОДов», «ИКС» №12’2010, с. 89.

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