Rambler's Top100
Статьи ИКС № 09-10 2016
Александра ЭРЛИХ   08 ноября 2016

Вода в системах охлаждения дата-центра

Перефразируя известный тезис, можно сказать: вода – источник энергосбережения в системах охлаждения ЦОДа.

Александра Эрлих генеральный директор Cabero

Это высказывание в равной степени относится как к внутреннему, так и к наружному охлаждению. Сегодня разговор пойдет о наружном охлаждении, а именно о различных системах, использующих испарение воды и позволяющих либо создавать полностью бесчиллерные системы, либо как минимум снижать энергопотребление холодильных и абсорбционных машин.

Все существующие системы можно разделить на пять основных классов:Идея охлаждения воздуха за счет испарения воды основана на том факте, что на разрыв межмолекулярных связей жидкости необходимо затратить большое количество энергии. И воздух, отдавая энергию, охлаждается. На этом принципе построены абсолютно все оросительные системы, от адиабатических до испарительных. Отличаются они главным образом по степени насыщения воздуха, надежности работы, массогабаритным и ценовым характеристикам.

  • мокрые градирни открытого типа;
  • мокрые градирни закрытого типа;
  • адиабатические охладители;
  • гибридные охладители;
  • испарительные охладители высокого давления.

Как выбрать правильную систему?

Прежде всего необходимо проверить, подходит ли вообще оросительная система для вашего климата. Для этого нужно сравнить показания мокрого и сухого термометров, учесть среднестатистические данные относительной влажности на протяжении нескольких лет, количество жарких дней в году, а также степень загрязненности окружающей среды. Если условия в вашей местности допускают использование оросительной системы, можно приступать к ее выбору. При этом в расчет берутся следующие показатели:

  • способность системы насытить воздух;
  • потребление воды среднегодовое/пиковое;
  • потребление электроэнергии среднегодовое/ пиковое;
  • инвестиционные затраты;
  • массогабаритные характеристики;
  • сложность обслуживания;
  • стоимость водоподготовки;
  • возможность фрикулинга;
  • надежность работы при скачках влажности.

Лишь взвесив все параметры в совокупности, вы сможете выбрать наиболее подходящую для конкретного проекта систему.

Мокрые градирни открытого типа

 Адиабатика – для крупных систем

Андрей КРЮКОВ, системный инженер, подразделение IT Division, Schneider Electric

Андрей Крюков

Общее преимущество адиабатических систем – пониженная нагрузка на фреоновую систему охлаждения, прямой и непрямой фрикулинг без участия фреонового цикла в течение большей части года. По сравнению с традиционным воздушным охлаждением типичная адиабатическая система работает на 6–8 градусов ниже (раньше выход на фрикулинг, меньшая нагрузка на холодильную машину). Однако при выборе адиабатической системы помимо климатических условий необходимо учитывать ее надежность, возросшее количество регламентных работ и операционных расходов по обслуживанию, капитальные затраты на систему водоподготовки и хранения воды. Капитальные затраты на систему водоподготовки и хранения воды из-за эффекта масштаба особенно велики в установках мощностью менее 300 кВт. Возврат инвестиций за разумное время в малых установках может быть недостижим.

Все элементы контура охлаждения (моноблочный чиллер или комбинация внутренний чиллер + внешняя градирня) резервируются, т.е. выход любого элемента (чиллер, градирня, компрессор) из строя не уменьшает мощность системы и не влияет на режимы работы фрикулинга. Линейка чиллеров Uniflair BREF с системой адиабатики представляет собой двухстадийную комбинацию мокрых панелей перед теплообменниками и орошением воздуха между мокрыми панелями и теплообменниками чиллера. Таким образом, выход из строя одной из них уменьшает цикл фрикулинга (или смешанный цикл) отдельно взятого чиллера. Сочетание чиллеров с высокотемпературными периметральными кондиционерами Uniflair HDCV позволяет снизить как затраты на оборудование (за счет меньших типоразмеров чиллера и кондиционеров) и гидравлическую разводку, так и операционные расходы – за счет меньшей мощности, потребляемой чиллером, меньших насосов в гликолевом контуре. Двойная система адиабатики снижает риск коррозии теплообменников. Типоразмеры чиллера с адиабатической системой остаются теми же и не требуют дополнительных внешних теплообменников.

Вместе с тем ряд факторов может заставить отказаться от адиабатического охлаждения: влажный климат, где реальная температура близка к температуре мокрого термометра (прибрежные районы) или климат с большим количеством дождливых дней в году; загрязненные области (пыль, песок, взвесь), где использование систем с орошением или мокрыми панелями потребует больших усилий по чистке системы, и чисто экономический эффект, когда суммарная стоимость владения такой системой будет не ниже, чем системы традиционного воздушного охлаждения.

Самая древняя и самая привычная из всех оросительных систем. Принцип ее работы прост: вода из системы охлаждения в свободном падении охлаждается воздухом. При этом часть воды испаряется (порядка 1–2% на один оборот воды), создавая необходимость пополнения системы, а остальная циркулирует дальше.

Система обеспечивает самую большую из возможных на сегодняшний день степень насыщения воздуха (96%), что позволяет снизить температуру воздуха на 10–12 К в зависимости от климатических условий. К другим достоинствам, безусловно, относятся низкие инвестиционные затраты и малая занимаемая площадь.

Однако система обладает целым рядом недостатков. Самый существенный из них – отсутствие теплообменной поверхности. Теплообмен в таких системах полностью латентный и зависит от способности воздуха принять в себя дополнительное количество влаги. При повышенной влажности воздуха (например, в течение нескольких часов сразу после дождя) система «захлебывается», будучи не в состоянии испарить необходимое количество жидкости и теряя при этом до 70% производительности. Для центра обработки данных это недопустимая ситуация, ведущая к сбою в работе системы охлаждения в целом.

Еще один недостаток такой системы – большой расход воды на протяжении всего времени работы (например, для Москвы и Московской области он составляет более полугода). При этом расход воды на пике температур не сильно отличается от расхода при низких температурах. Кроме того, для предотвращения размножения бактерий в циркулирующей воде подобная система обязательно требует глубокой водоподготовки (осмос или химия), что означает дополнительные расходы на обслуживание в течение всего срока эксплуатации аппарата, нивелирующие низкие инвестиционные затраты.

Фрикулинг на таких системах невозможен.

Мокрые градирни закрытого типа

Отличаются от своих предшественников наличием небольшой доли конвективного теплообмена. Это, с одной стороны, на 5–10% снижает риск «обвала» системы, но, с другой стороны, уменьшает испарительную способность системы, причем уменьшение может достигать 90%. Соответственно снижается возможность охлаждения рабочей жидкости.

Адиабатические охладители

Представляют собой привычный драйкулер/конденсатор, большую часть года (95% времени) охлаждаемый сухим воздухом. Для снятия пиковых нагрузок такие аппараты оснащаются системой форсунок, разбивающих подаваемую для орошения воду на мельчайшие капли в надежде испарить их в воздухе и тем самым охладить его. В результате создается облако из мельчайших водяных капель, благодаря чему такие системы получили название дисперсных.

Согласно независимым исследованиям, проведенным в Инс­ти­туте аэродинамики и газовой динамики (университет Штут­гар­та USTUTT, Гер­ма­ния), испарительная способность дисперсных систем – самая низкая из всех существующих и не превышает 70% при самых благоприятных условиях. В переводе на температуры это означает, что воздух охладится максимум на 5 К.

Такого рода аппараты обладают самой большой из рассматриваемых систем площадью теплообменной поверхности, которая позволяет начинать фрикулинг еще при плюсовых температурах. Кроме того, практически вся вода, расходуемая на снижение температуры воздуха, испаряется. Остатки ее просто стекают по водосточным трубам, не создавая дополнительной нагрузки на кровлю. Система водоподготовки в этом случае крайне проста и при правильном подборе материалов направлена исключительно на смягчение воды, что является еще одним преимуществом дисперсной адиабатики.

Вместе с тем, несмотря на значительную долю конвективного теплообмена, при работе в пиковых температурах система крайне ненадежна. Это связано не только и не столько со слабой способностью испарить жидкость, сколько с самим дисперсным облаком, которое при боковом ветре просто уносится от аппарата прочь. Рабочая жидкость в трубах в это время будет охлаждаться горячим воздухом, и ожидаемого эффекта в 5 К получить не удастся.

Для размещения аппаратов требуется большая площадь.

Сравнение годового прямого и косвенного энергопотребления климатических систем

Оросительная система

Прямое энергопотребление,
кВте/МВт °С

Повышение Ткэ, °С

Косвенное энергопотребление, кВте/МВт °С

Общее энергопотребление, кВте/МВт °С

Энергия затраченная/Энергия отведенная

Насосы

Вентиляторы

Общее

Мокрые градирни открытого типа

15 (13–17)

5

20

5

7

27

68

Мокрые градирни закрытого типа

>15 (13–17)

8

>23

8

11,2

>34,2

>85

Адиабатические охладители

15

15

15

21

36

90

Гибриды

15 (13–17)

8

23

5

7

30

75

Испарительные охладители высокого давления

15 (13–17)

8

 23

5

7

30

75


Гибридные системы

Первая попытка соединить преимущества сухого теплообменника и мокрой градирни. Вода насосом, встроенным в аппарат, закачивается в трубопровод, который расположен над теплообменным блоком, и стекает по всей поверхности теплообменника, испаряясь с нее. Неиспарившаяся вода собирается в ванну и снова закачивается наверх. Потери воды на испарение – до 10% на оборот, что требует еще большей подпитки водой, чем в мокрых градирнях.

Гибриды обеспечивают столь же высокую степень насыщения воздуха, как мокрые градирни, и при этом обладают большой площадью теплообмена. Доля латентного теплообмена в них составляет порядка 20%, и примерно восемь-девять месяцев в году аппарат работает полностью в сухом режиме.

Большая площадь теплообмена не только позволяет работать в режиме фрикулинга (для начала фрикулинга экономически обоснованы слабоминусовые температуры), но и обеспечивает гораздо большую, чем у мокрых градирен, устойчивость к скачкам влажности. При таком скачке система теряет порядка 10–20% производительности. Правильно рассчитанная система – не более 10%.

Сочетание высокой степени насыщения воздуха, большой площади теплообмена и высокой надежности аппаратов позволяет использовать их для создания как полностью бесчиллерных, так и так называемых малочиллерных систем (систем, в которых чиллер задействован малое количество часов в году).

Недостаток гибридов – прежде всего настолько же сложная, как в мокрых градирнях, система водоподготовки, так же связанная с циркуляцией воды. Кроме того, у них наиболее высокие из всех рассматриваемых систем инвестиционные затраты.

Аппаратам также требуется большая площадь размещения, немногим меньшая, чем для дисперсных систем.

Испарительные охладители высокого давления

Испарительные охладители высокого давления

Наилучшая из существующих на сегодняшний день оросительных систем. Вода под высоким давлением вбрасывается в межламельное пространство теплообменника, испаряясь при этом с 2/3 его теплообменной поверхности. Неиспарившаяся вода, как и в дисперсных системах, просто стекает по крыше.

Степень насыщения воздуха, обеспечиваемая такими системами, как и насыщение у мокрых градирен закрытого типа, составляет 90%, что позволяет довести снижение температуры воздуха до 10 К, а также создавать бесчиллерные либо малочиллерные системы. Фрикулинг может начинаться при плюсовых температурах, близких к нулю, при этом стоимость аппарата экономически интересна. Доля латентного теплообмена еще меньше, чем у гибридов, что делает их самыми надежными из всех существующих систем. При этом инвестиционные затраты гораздо ниже, чем у гибридов, зачастую даже ниже, чем у адиабатических охладителей.

Помимо этого система требует самой простой водоподготовки, и затраты на обслуживание таких аппаратов минимальные.

Потребление воды оросительными системами

Среднегодовой расход воды для потребителя – не менее важный фактор, определяющий затраты, чем потребление электроэнергии. Фактор, который не может оставить без внимания проектировщик любой климатической системы. Однако у центров обработки данных свои особенности.

Потребление воды в климатических системах

В современном ЦОДе во главу угла ставится отказоустойчивость. Для повышения отказоустойчивости инженерные системы резервируются. При этом необходимо учесть и воду, расходуемую на орошение. Поскольку в некоторых видах оросительных систем при незначительном среднегодовом потреблении воды на пике температур она расходуется в значительном количестве, в качестве отправной точки используется не среднегодовое потребление воды, а пиковое.

На рисунке показано потребление воды различных оросительных систем производительностью 1 МВт для климатических условий Москвы.

Влияние оросительной системы на энерго­потребление климатической системы в целом

Энергоэффективность системы охлаждения складывается из многих факторов, и оросительные системы – лишь один из компонентов климатической системы. Однако выбор этого, вроде бы незначительного компонента, может заметно повлиять на энергопотребление системы в целом.

Помимо прямого энергопотребления, т.е. энергопотребления всех составляющих, необходимых для работы аппарата, прежде всего вентиляторов и насосов, нужно учитывать и потребление энергии вспомогательными системами, например системами водоподготовки. Такое, косвенное, энергопотребление в приводимой таблице отражено соответствующим повышением температуры. Мерой энергопотребления здесь служит единица кВте/МВт °C – отношение киловатта затраченной электроэнергии к мегаватту отведенного тепла, помноженное на градус. Эта единица, предложенная австрийскими исследователями в качестве «общего знаменателя» характеристик различных теплообменников, показывает, сколько киловатт энергии нужно затратить, чтобы отвести 1 МВт тепла и понизить при этом температуру на 1°C.

Учтя косвенное энергопотребление, можно определить коэффициент энергоэффективности EER (Energy Efficiency Ra­tio) и понять, даст ли внедрение системы орошения ожидаемый эффект.

*  *  *

Выбор подходящей для конкретного проекта охладительной системы определяется целым рядом равно значимых факторов. Лишь взвесив все эти факторы в совокупности, вы создадите идеальную именно для вашего проекта климатическую систему.  

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