Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 01-02 2013
Петр РОНЖИН  Василий КАЗАКОВ  23 января 2013

О влиянии климата на параметры механических систем ЦОДа

Те, кому приходилось сталкиваться со строительством инженерных систем для ЦОДов или серверных не только в своем регионе, на опыте узнали, что их работа очень сильно зависит от климатических условий местности. А тем, кто не решал такие задачи, будет полезно задуматься над вопросом: «Какие особенности должна иметь моя инженерная система на данной площадке, в данном регионе, в данном климате?»

Петр РОНЖИН, главный инженер отдела климатических систем, NVision Group 
 Василий КАЗАКОВ, ведущий инженер, NVision Group
На примере механических систем, к которым относятся системы отопления, вентиляции, кондиционирования и холодоснабжения, мы расскажем о влиянии наружных климатических условий на основные параметры таких систем и о том, на что обратить внимание при их проектировании и строительстве.

Климатические параметры

Чтобы обсуждать влияние климатических условий, первоначально определимся с тем, какие параметры характеризуют собственно климат. В данной статье мы разделим их на основные и второстепенные, но подчеркнем, что такое деление весьма условно: как будет показано ниже, какой-либо второстепенный параметр может оказать решающую роль на выбор механической системы и ее работоспособность.

К основным параметрам климата относятся атмосферное давление, температура воздуха, относительная влажность. С ними жестко связаны другие параметры, характеризующие состояние окружающей среды: абсолютное влагосодержание воздуха, энтальпия, температуры сухого и влажного термометров и т. п. Основные параметры воздуха можно вычислить друг из друга по формулам, но удобнее пользоваться так называемыми психрометрическими диаграммами влажного воздуха различного вида.

Атмосферное давление

На земной поверхности давление атмосферы меняется от места к месту и во времени. Особенно важны определяющие погоду непериодические изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления – антициклонов – и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей – циклонов, в которых господствует пониженное давление. За всю историю метеонаблюдений отмечены колебания атмосферного давления на уровне моря в пределах 641–816 мм рт. ст. (внутри смерча давление может достигать значения 560 мм рт. ст.). Но тем не менее основными факторами, определяющими атмосферное давление, являются значение ускорения свободного падения в данном месте и высота над уровнем моря, поскольку давление создается вышележащим слоем атмосферы. Поэтому атмосферное давление в конкретной местности характеризуется некоей постоянной среднестатистической величиной, определяемой на основе длительных метеонаблюдений.

Атмосферное давление, как и температура, существенно влияет на плотность воздуха. Следствием неправильно принятого значения давления для выбранной территории могут стать ошибки в дальнейших расчетах механических систем. Чем выше над уровнем моря располагается объект строительства, тем меньше плотность воздуха – и соответственно меньше теплоперенос – при тех же самых объемных расходах. При подборе оборудования следует указывать величину атмосферного давления или высоту над уровнем моря, так как по умолчанию все программы подбора рассчитывают характеристики при работе систем на уровне моря.

Температура воздуха

Этот параметр чаще всего фигурирует при обсуждении механических систем. При проектировании систем вентиляции, кондиционирования и холодоснабжения, обслуживающих машинные залы ЦОДов, прежде всего важны экстремальные (как отрицательные, так и положительные) значения температур наружного воздуха. В этом заключается коренное отличие механических систем для дата-центров от систем гражданского назначения, которые проектируются в соответствии с расчетными температурами наружного воздуха в теплый и холодный периоды года. В разработанном Uptime Institute стандарте Data Center Site Infrastructure Tier Standard: Topology указывается, что эффективная мощность инженерного оборудования должна определяться при пиковых значениях для данного климатического региона, которые публикуются каждые четыре года Американским обществом по отоплению, охлаждению и кондиционированию (ASHRAE). В соответствии с документом под названием ASHRAE Handbook проектная температура влажного термометра должна быть выбрана по максимальному среднегодовому значению, а проектная температура сухого термометра – по максимальному значению за 20 лет наблюдений.

Следует сказать несколько слов о том, как определяются температуры по сухому и влажному термометру. Если два одинаковых термометра закрепить на штативе и на один из них надеть специальный колпачок из тонкой материи, опустив ее конец в резервуар с водой, то этот термометр будет показывать более низкую температуру, чем сухой (поскольку некоторое количество тепла затрачивается на испарение воды с влажного термометра). Следует учитывать, что чем меньше в окружающем воздухе водяных паров, тем интенсивнее испаряется вода с влажного термометра и тем больше в результате будет разница температур между показаниями двух термометров.

Для вычисления показателя эффективности использования электроэнергии в ЦОДе (PUE) выполняются расчеты энергопотребления механическими системами при различных наружных условиях. Для получения корректного значения среднегодового коэффициента PUE необходима достоверная статистика, показывающая, в течение какого времени в году наблюдается определенный температурный интервал. Наиболее точный расчет будет соответствовать случаю, когда весь возможный для данной местности температурный диапазон, от абсолютного минимума до абсолютного максимума, разбит на узкие интервалы, например с шагом в 1 градус.

Влажность

Значения температур сухого и влажного термометров очень важны для определения относительной влажности воздуха, которая, в свою очередь, играет определяющую роль при проектировании механических систем, использующих, например, адиабатическое охлаждение. Изучив статистические данные по температурам сухого и влажного термометра, характерные для данной местности, можно сделать вывод о целесообразности использования на проектируемом объекте оборудования с адиабатическими процессами.

Другие параметры

Не стоит забывать и о второстепенных, но важных параметрах: запыленности, задымленности, загазованности – и о наличии в составе атмосферы вредных примесей (кислот, солей и т. п.) В нашей практике был случай, когда наружный блок прецизионного кондиционера каждое лето полностью выходил из строя по причине загрязнения теплообменников пылью, приносимой преобладающими ветрами с расположенного рядом цементного завода: под действием влажного воздуха цементная пыль превращалась в камень.

Задымленность атмосферы (вспомним летние торфяные пожары под Москвой) может сыграть злую шутку в случае использования систем с прямым свободным охлаждением (fresh air cooling). Задымленный воздух, попавший в ЦОД, может вызвать ложное срабатывание системы пожаротушения со всеми вытекающими отсюда последствиями.

В случае строительства дата-центра на морском побережье с особой тщательностью необходимо проработать вопросы коррозионной стойкости оборудования (ряд фирм выпускают так называемые исполнения для морского климата), а также учесть повышенную влажность воздуха.

Данные о климате различных районов России, о которых речь шла выше, можно найти в стандартах ГОСТ 16350-80 «Климат СССР. Районирование и статистические параметры климатических факторов для технических целей» и СНиП 23-01-99 «Строительная климатология».

 
 
 
 
В жару и в мороз

При выборе типа механических систем и их расчете рассматривают работу систем в холодный, переходный и теплый периоды года.

Холодный период определяет мероприятия по обеспечению работоспособности оборудования и системы в целом при низких температурах, вплоть до абсолютного минимума для данной местности. Мы должны убедиться, что все составляющие оборудования (вентиляторы, контроллеры и т.п.) работоспособны при этих температурах, а мощность калориферов в приточных установках достаточна для нагрева воздуха до нормы.

К примеру, если рассматривать фреоновые кондиционеры с выносными воздушными конденсаторами, оборудованные низкотемпературными комплектами, то их применение возможно только в районах с абсолютным минимумом температур не ниже –40°С. Скажем, в Ярославле мы бы не советовали применять такую систему кондиционирования, так как абсолютная минимальная температура для этого прекрасного города составляет –46°С! Конечно, такие морозы случаются нечасто, но ЦОД, если вы строите настоящий ЦОД, должен быть готов работать и в лютые холода. В этих случаях используют другие решения, например закрытые градирни, подбирая тип холодоносителя и его концентрацию так, чтобы он не замерзал при остановке системы.

Сейчас часто используются холодильные машины наружного исполнения со свободным охлаждением. При низких температурах компрессоры отключаются. Следует проверить: допускается ли производителем оборудования хранение компрессора при этих температурах? Как будут вести себя на морозе материалы панелей чиллера? В ряде случаев приходится предусматривать подогрев даже для неработающих частей оборудования.

Теплый период – диаметральная противоположность холодному, он определяет работоспособность оборудования при экстремально высоких температурах наружного воздуха. По аналогии с холодным периодом рассмотрим работу фреоновых кондиционеров. Размеры воздушных конденсаторов рассчитывают, исходя именно из максимальной температуры наружного воздуха. При возрастании наружной температуры растет температура конденсации фреона в теплообменниках и, соответственно, давление конденсации. Рост давления конденсации не может продолжаться бесконечно, при малых размерах теплообменников давление превышает допустимые значения и происходит остановка кондиционеров. Если невозможно дальше увеличивать площадь теплообмена, можно использовать адиабатическое охлаждение наружного воздуха перед конденсатором. Опять-таки, прежде чем применять адиабатическое охлаждение, необходимо поинтересоваться данными о влажности воздуха в данном регионе. Если влажность в периоды жаркой погоды значительно уменьшается, такую систему применять можно. В регионах же, где в жаркую погоду влажность остается высокой, например в приморских или тропических, эта система будет бесполезной. Аналогичная ситуация и в случае систем с градирнями или с моноблочными чиллерами.

Переходный период не накладывает блокирующих ограничений на системы кондиционирования и холодоснабжения. Но он не менее важен при расчете годового потребления электроэнергии механическими системами. Ключевую роль в данном случае играет распределение температур по году (рис. 1): по оси абсцисс таких графиков откладываются свойственные данной местности температуры, а по оси ординат – суммарное количество часов за год, в течение которого наблюдаются эти температуры. Чем больше выпуклая часть графика смещена влево, к минимальным температурам наружного воздуха, тем меньше будет годовое потребление электроэнергии, и наоборот. Помимо этого график распределения температур наилучшим образом подходит для выбора типа систем, так как на нем сразу видны и экстремальные значения для системы охлаждения, и ее загрузка в течение года.

В случае механических систем с адиабатическим охлаждением задача еще больше усложняется – необходимо рассматривать распределение сочетания параметров на психрометрической диаграмме и распределение температур мокрого термометра. Это обусловлено тем, что именно температура мокрого термометра является определяющей для подбора как адиабатических конденсаторов и мокрых градирен, так и экономайзеров с адиабатическим предварительным охлаждением. В связи с этим чаще всего мы используем психрометрические диаграммы с указанием распределения температур сухого и мокрого термометров, на которых видны экстремальные точки лета и зимы, а также основная зона работы системы (рис. 2). Облако из синих точек на рис. 2 характеризует распределение климатических параметров для определенной местности. Таким образом, в диаграмме учтена влажность воздуха, что позволяет оценить саму возможность адиабатического предварительного охлаждения и его характеристики.

Расчет и оптимизация

Теперь, определив ключевые параметры механической системы, рассмотрим их влияние на основные показатели системы холодоснабжения и кондиционирования на примере ЦОДа с мощностью ИТ-оборудования 1 МВт. Из всего многообразия регионов нашей необъятной Родины мы выбрали три: Мурманск, Москва, Краснодар. Для всех городов мы применили универсальное техническое решение, позволяющее работать в климатических условиях выбранных регионов. Для начала рассчитаем основные показатели механической системы, а потом выясним, как мы могли бы ее оптимизировать.

Итак, при ИТ-нагрузке в 1 МВт мощность системы холодоснабжения и кондиционирования с учетом теплопоступлений от ИБП, насосов, вентиляторов, системы вентиляции, солнечной радиации и т. п. должна составлять 1,3 МВт. Для расчета мы остановили свой выбор на системе с чиллерами внутренней установки с центробежными компрессорами и с двумя контурами (контур испаритель – потребитель и контур конденсатор – сухая градирня). Испаритель чиллера охлаждает воду с 15 до 10°С, а конденсатор охлаждается 40%-ной этиленгликолевой смесью с температурами 30/35°С. Для уменьшения температуры конденсации в градирнях мы предусмотрели адиабатическое предварительное охлаждение наружного воздуха. В качестве устройств охлаждения ИТ-оборудования выбраны межрядные кондиционеры с горизонтальным движением воздуха. Ряды стоек монтируются таким образом, чтобы соблюдался принцип изоляции холодных и горячих коридоров, это позволяет нам поддерживать б'ольшую разницу температур, чем без разделения коридоров. Температура воздуха в холодном коридоре составляет 24°С, в горячем – 39°С.

Мы рассчитали среднегодовой коэффициент использования энергии PUE для каждого региона, в котором, как предполагается, будут работать системы охлаждения. Для расчетов мы воспользовались климатическими данными за 2011 г. для трех выбранных городов (рис. 3).

Несмотря на существенные отличия температурных графиков в этих регионах, для абсолютно одинаковых систем охлаждения были получены почти одинаковые расчетные значения PUE: Мурманск – 1,32, Москва – 1,34 и Краснодар – 1,36. Из таблицы видно, как сказывается эта небольшая разница в значениях PUE на энергопотреблении ЦОДов.

Каким же образом можно оптимизировать показатели механических систем для этих регионов?

В Мурманске можно снизить температуры теплоносителя в контуре конденсатора и уменьшить давление конденсации в чиллере, тем самым снизив энергопотребление компрессоров чиллера. Учитывая невысокие летние температуры, следует отказаться от системы адиабатического предварительного охлаждения на градирнях и проверить, можно ли уменьшить их размеры, что позволит сократить капитальные затраты на систему охлаждения.

В Краснодаре вполне возможно уменьшение концентрации этиленгликоля и повышение за счет этого эффективности работы чиллеров при одновременном сокращении мощности циркуляционных насосов.

Для Москвы исходная конфигурация системы является оптимальной.

  

Из приведенного примера становится ясно, что построив одинаковые по схеме системы для разных регионов, мы не получим существенных различий в значениях коэффициента PUE. Тем не менее энергопотребление, а значит, операционные затраты будут различаться. Помимо увеличения затрат на энергопотребление система охлаждения для краснодарского ЦОДа потребует еще и б'ольших капитальных вложений по сравнению с мурманским.

Для того, чтобы добиться лучших показателей по капитальным и операционным затратам, следует для каждого региона разрабатывать индивидуальное техническое решение, оптимизирующее все факторы. К сожалению, проектировщики не всегда ищут оптимальное решение для системы охлаждения, им гораздо проще использовать какой-либо уже известный вариант. Поэтому мы считаем нужным перед принятием решения о применении той или иной схемы охлаждения провести для заказчика предварительные расчеты совокупной стоимости владения в случае разных механических систем – речь об этом шла в нашей предыдущей статье (см. «Технологии охлаждения в ЦОДах: как снизить коэффициент PUE», «ИКС» №10’2012, с. 88).  

Расчетные значения потребления энергии всеми инженерными системами дата-центра

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