Rambler's Top100
Статьи
Анатолий СПАССКИЙ  Анна СУШЕНЦЕВА  17 марта 2016

Охлаждение с использованием фрикуллинга и рекуперация тепла для крупного ЦОДа

Каким должно быть рациональное холодоснабжение крупных центров обработки данных, где выделяемое тепло исчисляется мегаваттами, и все ломают голову над тем, как его подешевле выкинуть?

Поиск дешевых и надежных источников теплоснабжения во все времена являлся важнейшей задачей. Почти на всей территории России отопительный сезон длится более полугода. При проектировании и строительстве инфраструктурных, промышленных и жилых объектов чаще используются традиционные источники тепла, базирующиеся на сжигании углеводородов. В нашей стране самыми дешевыми, распространенными и перспективными источниками теплоснабжения служат газовые тепловые станции. Это определяется уровнем капитальных затрат на их сооружение, возможностью автоматизации технологических процессов и соотношением стоимости природного газа и других энергоносителей. Наиболее близкими к показателям газовых тепловых станций с учетом этих критериев обладают источники теплоснабжения, использующие сетевую электроэнергию. По первым двум критериям такие источники имеют значительное преимущество перед газовыми тепловыми станциями, но по критерию тарифной стоимости значительно проигрывают. Так, в Подмосковье в последнее время тариф на газ составляет 5,3 руб./куб. м, тариф на электроэнергию для жилых объектов без газоснабжения – 3,2 руб./(кВт·ч). При сжигании 1 куб. м газа в современных котельных установках теплопотребляющий объект получает приблизительно 5 кВт·ч тепла. Таким образом, при существующих расценках 1 кВт·ч тепла, полученный от газовой тепловой станции, обойдется потребителю в 1,06 руб., а 1 кВт·ч тепла от электрического источника – в 3,2 руб., т.е. газовое отопление в 3 раза выгоднее электрического по стоимости энергоносителя. Эта цифра практически совпадает с СОР современных тепловых насосов, работающих при температурах кипения хладагента на уровне 0–5°С и температурах конденсации 45–50°С. Таким образом, при наличии источника низкопотенциального тепла с температурами 5–10°С затраты на теплоснабжение от теплового насоса сравнятся с затратами на теплоснабжение от тепловой станции, использующей магистральный природный газ (при современных тарифах). Однако в большинстве случаев применение тепловых насосов на территории России ограничено отсутствием источников низкопотенциального тепла (ИНТ). В более теплых странах ИНТ в 90% случаев использования тепловых насосов служит окружающий воздух. В условиях России это возможно только в переходные осенний и весенний периоды, когда температура не опускается ниже 0°С. Применение в качестве ИНТ геотермального тепла связано со значительными капитальными затратами и сложностью эксплуатации таких систем. 

Фрикуллинг или рекуперация?

Тепловой насос технически представляет собой холодильную машину и работает по циклу Карно, т.е. отводит тепло от менее нагретых тел к более нагретым с затратой работы, поэтому любая парокомпрессионная машина может считаться тепловым насосом. Однако основная цель холодильной машины – получение холода, а отводимое тепло может выбрасываться в окружающую среду, но может и использоваться перед этим на «благие цели». В силу вышесказанного в наших климатических условиях целесообразно говорить о рекуперации тепла от работающих холодильных установок и направлении его на «благие цели».

В развитых европейских странах, на которые у нас часто ориентируются (иногда не совсем оправданно, как, например, в случаях оценки эффективности чиллеров по европейским коэффициентам ESEER, сертификации энергоэффективности зданий по LEED и т.д., не учитывая, что у нас отопительный сезон длится семь месяцев в году, а охладительный – три месяца, а у них наоборот), более 80% круглогодично работающих холодильных установок оснащаются рекуператорами (утилизаторами) тепла, которое используется для нагрева санитарной воды или для отопления помещений. У нас этой проблемой мало кто озадачивается, и гигаватты тепла выбрасываются на улицу даже там, где его можно легко и дешево утилизировать. Это относится к супермаркетам, холодильным складам, технологическим производствам, искусственным каткам и т.п. Особо стоит выделить такую расточительность при проектировании и строительстве крупных центров обработки данных, где выделяемое тепло исчисляется мегаваттами, и все ломают голову над тем, как его подешевле выкинуть.

Эффективность такого «выкидывания» определяется коэффициентом РUЕ, упрощенно представляющим собой отношение общего количества потребляемой электроэнергии (серверы + система охлаждения) к количеству электроэнергии, потребляемой серверами.

При использовании холодильных установок, оснащенных функцией фрикуллинга, где в теплый период года тепло отводится холодильной машиной, а с понижением температуры окружающего воздуха ниже температуры хладоносителя – через теплообменник «вода –воздух» минимальное значение этого коэффициента составит 1,3.

При использовании вентиляционных установок, когда тепло выкидывается на улицу напрямую, минуя холодильный цикл, РUЕ составит 1,2.

Естественно, всех заинтересованных лиц мучает вопрос снижения коэффициента РUЕ.

Годовые затраты на электроэнергию

Реального и значительного снижения коэффициента РUЕ можно добиться только при использовании рекуперации тепла и направлении этого тепла на «благие цели»: обслуживание нужд инфраструктуры самого ЦОДа или продажу сторонним потребителям. Рассмотрим гипотетический ЦОД мощностью 1 МВт, расположенный в средней климатической зоне, с тремя вариантами отвода тепла от основного оборудования.

Вариант 1.

Охлаждение холодильной машиной с опцией фрикуллинга. В этом случае расход электрической мощности на охлаждение основного оборудования будет складываться из ее расхода на обеспечение вентиляции серверного оборудования (приблизительно 70 кВт) и на работу холодильной машины (в режиме машинного охлаждения – приблизительно 300 кВт, в режиме фрикуллинга – 30 кВт). В средней полосе России при температуре хладоносителя 10/15°С режим фрикуллинга можно использовать в течение приблизительно 4500 ч в год. Таким образом, годовое потребление электроэнергии N для охлаждения основного серверного оборудования может быть рассчитано с достаточной степенью точности по формуле:

N = T1(Nвент + Nхм) + T2 (Nвент + Nфк),

где Т1 – время охлаждения в машинном режиме в течение года;

T2 – время охлаждения в режиме фрикуллинга;

Nвент – потребляемая мощность вентиляторов прецизионных кондиционеров;

Nхм – потребляемая мощность холодильной машины в режиме машинного охлаждения;

Nфк – потребляемая мощность холодильной машины в режиме фрикуллинга.

N = 4260(70 + 300) + 4500(70 + 30) = 2026200 кВт•ч.

При тарифе 3,2 руб./(кВт•ч) годовые затраты на электроэнергию для охлаждения основного серверного оборудования составят:

S1 = 3,2 •2026200 = 6483840 руб.

Вариант 2.

Охлаждение вентиляционной установкой. В этом случае электрическая мощность будет расходоваться на привод вентиляторов и даже в случае отсутствия дополнительной обработки воздуха (осушение, увлажнение, рекуперация и т. д.) будет не менее 200 кВт, т.е. годовые затраты составят:

N = TNвент,

где T – время работы за год;

Nвент – потребляемая мощность вентиляционной установки,

N = 8760 •200 = 1752000 кВт•ч.

Затраты на электроэнергию для системы охлаждения достигнут

S2 = 3,2 •1752000 = 5606400 руб.

Вариант 3.

Охлаждение холодильной машиной с рекуперацией тепла на уровне 55оС и реализацией этого тепла сторонним потребителям по средним расценкам. В этом случае потребляемая мощность на охлаждение основного серверного оборудования будет складываться из расхода электрической мощности на обеспечение вентиляции основного серверного оборудования (70 кВт) и потребляемой мощности холодильной машины (360 кВт):

N = T(Nвент + Nхм),

N = 8760(70 + 360) = 3766800 кВт•ч.

При тарифе 3,2 руб./(кВт•ч) годовые затраты на электроэнергию для охлаждения основного серверного оборудования составят

S3 = 3,2 •3766800 = 12053760 руб.

При этом общее количество рекуперируемого тепла:

Q = T(Nсерв + Nхм + Nвент),

где T – время работы;

Nсерв – потребляемая мощность серверного оборудования,

Q = 8760(1000 + 360 + 70) = 12526800 кВт•ч.

При тарифе на тепловую энергию 1,3 руб./(кВт•ч) годовая выручка от продажи рекуперированных теплопотерь ЦОДа составит:

S′ = 1,3•12526800 = 16284840 руб.

Рекуперируемое тепло может быть легко использовано на следующие цели: нагрев воды, отопление помещений, теплиц, сельскохозяйственных объектов и пр.

Рекуператор в этом случае представляет собой относительно недорогой пластинчатый теплообменник (рис. 1).

Рис. 1. Схема с рекуперацией тепла

Коэффициент PUE для различных вариантов охлаждения в стоимостном выражении может быть рассчитан по следующей формуле:

PUE = (Sосн + S)/Sосн,

где Sосн – годовые затраты на электроэнергию для основного серверного оборудования,

S – годовые затраты на электроэнергию для охлаждения основного серверного оборудования.

Sосн = 3,2 •8760 •1000 = 28032000 руб.

В первом варианте PUE1 = (28032000 + 6483840)/28032000 = 1,23.

Во втором варианте PUE2 = (28032000 + 5606400)/28032000 = 1,2.

В третьем варианте PUE3 = (Sосн + S3S′)/Sосн ,

PUE3 = (28032000 + 12053760 – 16284840)/ 28032000 = 0,85.

Утилизация тепловыделений

Разумеется, приведенные расчеты являются ориентировочными и в каждом конкретном случае должны уточняться и проверяться для выбора наиболее оптимальной схемы охлаждения конкретного объекта. Однако стоит отметить, что помимо экономического существует еще и экологический фактор. Так, на сегодняшний день в России суммарная установленная мощность серверного оборудования коммерческих ЦОДа составляет порядка 600 МВт, т.е. в год в окружающую среду просто так выбрасывается порядка 6 832 800 МВт·ч тепловой энергии, что эквивалентно сжиганию 1 366 560 000 куб. м природного газа. И это только коммерческие ЦОДы. Если считать, что корпоративные ЦОДы в России выбрасывают приблизительно такое же количество тепла, то речь идет о цифре порядка 3 000 000 000 куб. м, что равно годовому потреблению газа такими странами, как Молдова, Литва, Хорватия, Словения, Болгария, Сербия.

Рис. 2. применение утилизированных тепловыделений ЦОДа

По существующим нормативам потребления тепловой энергии на отопление жилых помещений (0,015 Гкал/кв. м в месяц, что эквивалентно 17,5 кВт·ч/кв. м в месяц), отведенной теплотой мегаваттного ЦОДа можно (рис. 2):

  • отапливать до 60 тыс. кв. м площади жилых и офисных зданий;
  • или подогревать до 30 куб. м/ч воды с температуры +10°С до температуры +50°С;
  • или обогревать теплицы площадью до 1,5 га (усредненный норматив – 75 кВт·ч/кв. м в месяц).


Анатолий СПАССКИЙ, Анна СУШЕНЦЕВА, компания «Климавенета» 

 

Полный тест статьи опубликован в журнале «Холодильная техника» № 2 за 2016 г.

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