Rambler's Top100
Статьи ИКС № 04 2014
Петр РОНЖИН  Василий КАЗАКОВ  08 апреля 2014

Прямо или косвенно? Особенности систем охлаждения на основе фрикулинга

Слово «фрикулинг» уже прочно вошло в лексикон специалистов по проектированию, строительству и эксплуатации ЦОДов.

Петр РОНЖИН, главный инженер отдела климатических систем, NVision Group 
 Василий КАЗАКОВ, ведущий инженер, NVision Group
Свободное охлаждение, существенно сокращающее эксплуатационные расходы, в той или иной мере используется в большинстве реализованных проектов крупных дата-центров.
Некоторые технические решения стали уже своеобразной классикой жанра: таковы, например, моноблочные чиллеры со встроенными системами фрикулинга в сочетании с прецизионными кондиционерами, работающими на теплоносителе. Несмотря на сложившуюся практику применения альтернативных систем охлаждения, жидкостные фрикулинговые системы, оставаясь весьма актуальным и востребованным на рынке техническим решением, продолжают совершенствоваться. Основные направления развития – использование все более высоких температур теплоносителя, расширение диапазона температур на входе и выходе кондиционеров, применение систем с переменным расходом как воздуха, так и теплоносителя, а также комбинация этих систем с адиабатическими водяными системами охлаждения. Мы не будем в подробностях рассматривать классику косвенного фрикулинга и сосредоточимся на воздушных фрикулинговых системах охлаждения, работающих без промежуточного жидкого теплоносителя.

Две системы

В последние два-три года воздушный фрикулинг стал одним из самых обсуждаемых трендов цодостроения. Сама по себе идея далеко не нова: достаточно сказать, что на ММТС-9 система центрального кондиционирования, позволяющая в зимнем режиме с помощью холодного наружного воздуха ассимилировать выделяющееся от оборудования тепло, используется для охлаждения аппаратных залов уже больше 30 лет. Всплеск интереса к охлаждению воздухом окружающей среды во многом вызван ростом тарифов на электроэнергию и увеличением масштабов строящихся объектов, что, в свою очередь, резко повышает операционные расходы.

Все многообразие технических решений с использованием наружного воздуха можно разделить на два типа: прямой и косвенный фрикулинг. Первый подразумевает охлаждение технологического оборудования ЦОДа подачей воздуха в помещения непосредственно из окружающей среды. Такой вид охлаждения получил название Fresh Air Cooling. Охлаждение наружным воздухом уже более десяти лет широко применяется для поддержания температурного режима на базовых станциях сотовой связи .

Под косвенным фрикулингом мы понимаем процесс с использованием холода окружающей среды, при котором наружный воздух не поступает внутрь дата-центра и передача тепла осуществляется через специальные теплообменные аппараты. Ярким примером организации косвенного свободного охлаждения является пионерское решение Kyoto Cooling – системы, в которой передача тепла происходит во вращающемся роторном рекуператоре.

Попробуем разобраться, почему два типа охлаждения существуют параллельно, какие у них преимущества и недостатки и чего следует опасаться, применяя каждый из них. На первый взгляд, прямой фрикулинг более энергоэффективен: ведь у него отсутствует рекуператор, а значит, и потери, связанные с работой этого устройства, и энергопотребление вентиляторов установки должно быть меньше, так как используется только один воздушный контур. Казалось бы, вывод очевиден – прямой фрикулинг лучше, поскольку должен выигрывать в энергопотреблении. Проверим, насколько это верно, рассмотрев, как функционируют разные типы фрикулинга в системах охлаждения ЦОДа в московских условиях.

Выбор режима работы

Фрикулинг и превратности климата 

Федор Набоков, системный инженер, подразделение IT-Business компании Schneider Electric.

Федор НабоковНекоторые типы систем охлаждения с функцией фрикулинга – такие, как кондиционеры с жидкостным охлаждением конденсатора и системы, построенные на основе чиллеров внешней или внутренней установки, уже можно назвать традиционными. Системы забора воздуха для охлаждения стоек непосредственно из окружающей среды, роторные теплообменники производства компании Kyoto Cooling и системы, основанные на испарении воды, встречаются гораздо реже и пока относятся к категории «нетрадиционных». Эти системы требуют грамотного расчета и осознания всех рисков использования. Кроме того, часто для их реализации нужны нестандартные, уникальные проектные решения. ЦОД работает круглосуточно и круглогодично, а холодопроизводительность нетрадиционных систем может сильно меняться в зависимости от параметров внешней среды. Однако такие системы при правильном проектировании позволяют добиваться очень существенной экономии электроэнергии, поэтому они вполне оправданы в крупных ЦОДах, где заказчик наиболее заинтересован в сокращении затрат на электроэнергию и готов к установке нестандартного оборудования.

При прямом фрикулинге, т.е. при охлаждении стоек воздухом из окружающей среды, электроэнергия тратится только на вентиляторах, которые обеспечивают необходимый воздушный поток. Однако внешний воздух в 90% случаев является непригодным для охлаждения серверного оборудования из-за запыленности, недостаточной влажности или температуры. Как правило, на подготовку такого воздуха энергии затрачивается даже больше, чем если бы ЦОД охлаждался фреоновыми кондиционерами. В некоторых странах, например, в Дании, есть места с практически постоянными в течение года климатическими параметрами. Именно там имеет смысл применять системы с прямым фрикулингом.

Косвенный фрикулинг позволяет избежать этих проблем, так как горячий воздух из ЦОДа не смешивается с окружающим, а охлаждается за счет испарения воды с поверхности теплообменника, через каналы которого идет горячий воздух. Именно поэтому такое решение является предпочтительным для нашей климатической зоны. Затраты энергии в такой системе гораздо ниже, чем в традиционных фреоновых, однако надо понимать, что косвенное испарение воды возможно только при плюсовой температуре и в определенном диапазоне относительной влажности окружающего воздуха. Наиболее эффективными системами являются те, которые могут комбинировать косвенное испарение воды с воздушным фрикулингом и работой фреонового контура в зависимости от температуры и относительной влажности окружающей среды.

Обычно при выборе решения оцениваются капитальные и операционные затраты, т.е. стоимость оборудования и его эксплуатации. В зависимости от типа фрикулинга в эксплуатационные затраты помимо электроэнергии могут попасть и затраты на воду. Некоторые заказчики считают, что гораздо экономнее сделать скважину и поставить станцию водоподготовки воды. Косвенно-испарительные системы на воде могут потреблять и испарять тысячи кубометров воды в год. Таким образом еще на этапе проектирования необходимо оценить затраты на эксплуатацию и разработать решения по их сокращению.

В принципе при правильном подходе к проектированию в российском климате можно использовать системы охлаждения любого типа. Однако сейчас на рынке есть решение, которое, во-первых, более эффективно, чем все остальные, а во-вторых, не требует специальных знаний и большой подготовки к инсталляции. Это контейнерная система EcoBreeze от Schneider Electric, которая сочетает в себе модульную конструкцию с возможностью расширения (увеличения холодильной мощности) и поддержку трех технологий охлаждения воздуха из ЦОДа, которые автоматика включает и выключает в зависимости от характеристик окружающего воздуха: фреоновый контур, фрикулинг и косвенное испарение воды. Такое сочетание позволяет обеспечить максимальную энергоэффективность ЦОДа в любое время года. 

Для начала разберемся в принципах работы этих систем охлаждения. Установка прямого фрикулинга состоит из рециркуляционных клапанов, испарителя, увлажнителя, системы фильтрации, вентилятора и холодильного агрегата. В системе косвенного фрикулинга используются вентиляторы внутреннего контура, система фильтрации внутреннего контура, испаритель на внутреннем контуре, пластинчатый теплообменник «воздух – воздух», вентиляторы внешнего контура, узел фильтрации внешнего контура, увлажнитель и байпас теплообменника на внешнем контуре. Такой выбор состава установок обусловлен тем, что при сравнении вариантов фрикулинга, мы считаем, что в дата-центре параметры воздуха должны соответствовать рекомендациям ASHRAE «2011 Thermal Guidelines for Data Processing Envi-ronments – Expanded Data Center Classes and Usage Guidance». Напомним, что рекомендуемые параметры воздуха лежат в области значений, ограниченной по температуре сухого термометра 18°С и 27°С и по влажности – от 5,5°C точки росы до 60% относительной влажности и 15°C точки росы без образования конденсата. Совместим на диаграмме влажного воздуха область рекомендуемых значений и фактические параметры, полученные в течение 2012 г. в Москве, и определим режимы работы систем. Соответственно, прямому фрикулингу будет соответствовать рис. 1, косвенному – рис. 2.

В течение года система прямого фрикулинга может работать в разных режимах в зависимости от зон, которым соответствуют параметры наружного воздуха в тех или иных климатических условиях (рис. 1).

Зона 1. Параметры наружного воздуха соответствуют рекомендуемым ASHRAE. Режим прямой подачи наружного воздуха в ЦОДе.

Зона 2. Область значений параметров воздуха в горячих коридорах (обратный поток воздуха в режиме полной рециркуляции: поступление наружного воздуха отсутствует). Режим полного механического охлаждения рециркуляционного воздуха.

Зона 3. Если параметры наружного воздуха находятся в этой зоне, установка работает в режиме смешения наружного воздуха с рециркуляционным. Степень смешения зависит от разницы температур наружного и внутреннего воздуха.

Зона 4. Установка работает в режиме смешения наружного воздуха с рециркуляционным. После смешения воздуха требуется его увлажнение. Степень смешения зависит от разницы температур наружного и внутреннего воздуха.

Зона 5. При таких климатических параметрах установка работает в режиме подачи наружного воздуха с предварительным увлажнением.

Зона 6. Параметры наружного воздуха позволяют подавать его в помещения ЦОДа после частичного механического охлаждения.

Зона 7. Работа в этой зоне требует осушения наружного воздуха и дальнейшего его смешения с рециркуляционным.

Зона 8. Область значений, при которых целесообразен перевод установки обработки воздуха в режим полного механического охлаждения с рециркуляцией.

В связи с тем, что в системе с косвенным фрикулингом не надо бороться с влажностью наружного воздуха, зон, в которых могут расположиться его параметры, всего 5 (рис. 2).


Зона 1. Параметры воздуха, рекомендуемые ASHRAE.

Зона 2. Область значений параметров воздуха в горячих коридорах. При нахождении параметров наружного воздуха в данной зоне установка работает в режиме полного механического охлаждения рециркуляционного воздуха.

Зона 3. Режим свободного охлаждения необработанным наружным воздухом с помощью рекуператора.

Зона 4. Режим свободного охлаждения, при котором наружный воздух сначала охлаждается с помощью адиабатического увлажнения, а затем охлаждает в рекуператоре внутренний воздушный контур.

Зона 5. Режим полного механического охлаждения рециркуляционного воздуха.

Энергопотребление системы прямого фрикулинга

Теперь, когда мы установили режимы работы каждой из установок, определим, сколько они будут потреблять электроэнергии при производительности 50 000 м3/ч (240 кВт). В системе прямого фрикулинга главными потребителями являются вентилятор, насос увлажнителя и холодильная машина. В системе косвенного фрикулинга потребителей несколько больше: вентиляторы внешнего и внутреннего контуров, насос увлажнителя и холодильная машина.

Сведем данные по потреблению в единую таблицу (табл. 1).

Как видно из таблицы, общая номинальная мощность системы косвенного фрикулинга действительно выше мощности системы прямого фрикулинга. Но это только номинальные значения, которые отражают работу систем в пиковых условиях. На самом деле потребляемые мощности сильно зависят от климатических условий и режимов работы. Используя рис. 1 и 2, на которых, помимо рабочих зон, отражены параметры воздуха в Московском регионе за 2012 г., а также данные по количеству часов работы в каждой зоне, получим общее потребление наших гипотетических установок за 2012 г.

Для прямого фрикулинга данные представлены в таблице 2.

Наименее энерго- и ресурсно-затратные режимы (в зонах 1 и 3) составляют чуть более трети года – 36,81%. В этих режимах будут работать только вентиляторы, приводы клапанов смешения и автоматика.

На несколько киловатт больше установки будут потреблять в климатических условиях зоны 4. Дополнительная энергия потребуется для подачи воды в систему увлажнения. Естественно, в качестве системы увлажнения не стоит применять пароувлажнители – сейчас существует множество решений с адиабатическим увлажнением.

Особенностью зоны 5 является возможность без применения механического охлаждения, только за счет адиабатического увлажнения, добиться рекомендуемых параметров. Энергетические затраты будут практически теми же, что и для зоны 4. Общая продолжительность работы вентустановок в режимах с увлажнением воздуха достигает 58,51%. Суммарная продолжительность периода, когда не требуется механическое охлаждение (при условии наличия воды), составляет внушительные 95,32%.

Что же мы должны делать с воздухом в оставшиеся 5% времени? В зоне 6 придется его охлаждать, используя механическое (компрессорное) охлаждение. При этом величина холодопроизводительности контура охлаждения будет всегда меньше полной производительности установки, так как температура наружного воздуха все же ниже температуры возвратного воздуха и часть тепловой нагрузки снимается фрикулингом.

При параметрах воздуха, соответствующих зоне 7, несмотря на его низкую температуру, мы не можем подавать воздух в дата-центр, поскольку он слишком влажный. Для получения рекомендуемых параметров надо будет или смешивать прямой воздух с обратным, или когда этого недостаточно, сначала охладить его до точки росы (часть влаги выпадет при этом в виде конденсата), а потом уже смешать с обратным.

Когда параметры наружного воздуха соответствуют зоне 8, нецелесообразно производить с ним какие-либо действия в виду того, что процессы эти достаточно сложны и энергозатратны. Проще переключиться в режим рециркуляции и работать на механическом охлаждении.

Энергопотребление системы косвенного фрикулинга

Показатели для этой установки (табл. 3) несколько отличаются от тех, что мы видим в системе прямого фрикулинга, так как, используя ее, применять свободное охлаждение, при котором работают только вентиляторы (внешнего и внутреннего контуров), можно три четверти всего года (75%), а в оставшееся время – просто адиабатически увлажнять и тем самым охлаждать наружный воздух. При этом нужно понимать, что потребление вентиляторов наружного контура не будет равно их номинальной мощности, а окажется переменным. В этой статье мы не будем подробно описывать вычисление потребляемой мощности. Наши расчеты показали, что средневзвешенная потребляемая мощность в зоне 3 будет равна 2,452 кВт, а в зоне 4 – 2,949 кВт.

Что примечательно для данной установки – за год не потребовалось бы ни разу включать холодильную машину. Следуя требованиям Uptime Institute, мы проанализировали климатические параметры Москвы за последние 20 лет. Так вот, они позволяют не применять холодильную машину! От нее вполне можно отказаться и таким образом значительно сократить первоначальную стоимость установки охлаждения.

Сопутствующие факторы

Сравнивая системы фрикулинга в условиях Москвы, видим, что энергопотребление в них отличается незначительно, однако система косвенного фрикулинга в эксплуатации более экономична. Впрочем, тип системы выбирается не только из расчета наименьшего потребления установки, но и исходя и из других условий.

В первую очередь следует обратить внимание на район строительства. Поскольку в целом атмосфера Москвы достаточно загрязненная, при использовании прямого фрикулинга надо сразу закладывать в статью расходов затраты на покупку и замену воздушных фильтров. Это не очень дорого, но необходимо: забитый фильтр может резко снизить расход воздуха, что негативно скажется на энергоэффективности.

Другая опасность, подстерегающая дата-центры с прямым фрикулингом в крупных городах, – наличие в атмосфере машинного зала газообразных соединений оксида азота (NO) и образующегося из него диоксида азота (NO2). Помимо опасности для людей он представляет серьезную угрозу работоспособности ИТ-оборудования. Диоксид азота выделяется главным образом при высокотемпературном сгорании топлива со свободным доступом кислорода, в частности, с выхлопными газами автомобильного транспорта. Автомобилям принадлежит львиная доля (55%) всех мировых выбросов диоксида азота. Окислы азота, взаимодействуя с водой, которая всегда присутствует в атмосферном воздухе, образуют азотную кислоту, которая приводит к ускоренной коррозии плат ИТ-оборудования.

По данным, полученным в 2010 г. передвижной лабораторией подведомственного Департаменту природопользования и охраны окружающей среды города Москвы государственного природоохранного учреждения «Мосэкомониторинг», средние показатели концентрации загрязняющих газообразных веществ на МКАД варьировались в пределах:

  • оксид углерода – 0,5 – 1,2 ПДКмр;
  • диоксид азота – 0,8 – 2,0 ПДКмр;
  • оксид азота – 0,2 – 0,4 ПДКмр.

В районе транспортных развязок МКАД с основными «вылетными» магистралями отмечено увеличение концентраций основных загрязняющих веществ (оксида углерода, оксида азота, диоксида азота) в полтора-два раза (!) по сравнению с участками МКАД, где отсутствуют развязки и другие факторы, негативно влияющие на равномерность движения.

Учитывая сказанное, мы не рекомендуем использовать системы прямого фрикулинга рядом с оживленными автодорогами. Кроме вышеперечисленных причин, затрудняющих применение прямого фрикулинга, можно упомянуть, например, высокую вероятность задымления атмосферы летом из-за возникающих в Подмосковье пожаров на торфяниках. Дым не только забивает фильтры, но и может вызвать ложное срабатывание систем пожарной сигнализации. По всей видимости, в период задымлений придется работать в условиях полной рециркуляции.

Подобно загазованности в городе, в удалении от городской застройки особой проблемой может оказаться пыльца в период цветения растений: будут забиваться не фильтры первичной очистки, а фильтры следующих ступеней, что значительно увеличит сопротивление системы и конечное ее потребление.

Климатический аспект

В отличие от прямого фрикулинга, косвенному не требуется высокая степень очистки наружного воздуха, ведь нужна только степень, обеспечивающая нормальную работу вентиляторов и теплообменника. Существенным плюсом этого решения можно считать простоту управления параметрами воздуха в машинном зале: он физически отделен от наружного воздуха. Эта схема лишена и проблем с задымлением атмосферы и присутствием в ней окислов азота.

В техническом плане оба решения примерно равнозначны по сложности. В одном случае придется сосредоточиться на холодильной машине, камерах смешения и увлажнения, в другом – на теплообменнике-рекуператоре. Поэтому однозначно сказать, какой вариант окажется существенно дешевле, нельзя. Решающего разрыва в энергоэффективности также не наблюдается.

На наш взгляд, при расположении ЦОДа в пределах Москвы предпочтительней вариант с косвенным фрикулингом, если же речь идет о размещении объекта в дальнем Подмосковье, можно рассмотреть решение, использующее Fresh Air Cooling.

Для того чтобы определиться с выбором в других регионах России, необходимо проанализировать местные климатические данные, помня, что влажный климат не позволяет использовать адиабатическое охлаждение. В таких случаях следует искать альтернативные решения на базе механического охлаждения.
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: