Битва за монополию, или Прецизионные кондиционеры vs воздухоохлаждающие приборы

Авторство создания прецизионных кондиционеров – вещь спорная. Сразу несколько компаний утверждают, что именно им принадлежит честь вывода данного продукта на рынок. Сходятся они лишь в одном: это произошло на рубеже 60-х и 70-х годов прошлого века. 

С тех пор прецизионные кондиционеры (далее – ПК) стали неотъемлемой частью дата-центров. До недавнего времени около 90% всех систем охлаждения ЦОДов базировались на этих продуктах. Своеобразная монополия, в которой производители ПК почти полвека чувствовали себя спокойно и уверенно. Но с появлением в машзалах большого количества высоконагруженных стоек возникла потребность в новых аппаратах для охлаждения. 

Первой попыткой удовлетворить растущие потребности рынка стали межрядные кондиционеры – компактные устройства для охлаждения оборудования с высокой плотностью тепловыделения. Ради компактности и высокой производительности этих ПК разработчики значительно увеличили их энергопотребление. И все бы хорошо, но при повышении средней мощности стоек растет и площадь машинного зала, занятая межрядными кондиционерами. В результате на каждые две стойки приходится по одному межрядному ПК. Кроме того, для этих устройств в машинном зале нужно проложить трубопроводы и организовать фальшпол, обеспечить отдельное (от ИТ-оборудования) энергоснабжение. И не забудем про риск протечек, недостатки обслуживания кондиционеров в машинном зале и пр.

Решение достигло предела своих возможностей и перестало удовлетворять рынок, и его участники снова занялись поисками более современной технологии охлаждения. Ею стала технология, в основе которой лежит принцип низкой скорости движения воздушных потоков. Оборудованием, реализующим этот принцип, являются воздухоохлаждающие приборы (ВОПы), широко известные в профессиональной среде как холодные стены. Чем подобная организация системы охлаждения лучше? Чем отличается от традиционных систем прецизионного кондиционирования? Общий ответ на эти вопросы можно найти в статье «Что придет на смену прецизионникам в ЦОДах» . В этой статье раскроем тему более подробно.

Преимущества применения ВОПов столь существенны, что монополия ПК оказалась под угрозой, и на рынке под видом холодных стен появились давно известные и редко используемые ПК с фронтальным выдувом воздуха. В чем разница?

Помимо большой площади теплообмена и невероятно низкого энергопотребления (за счет снижения потребления вентиляторами и дополнительного уменьшения нагрузки на насосы) – характеристик, по которым ПК, в том числе с фронтальным выдувом, значительно уступают ВОПам, – немаловажен принцип работы аппаратов. У ВОПов это низкоскоростное распределение воздуха внутри холодного бассейна. 

Разберем разницу между ВОПами и ПК с фронтальным распределением воздуха на примере небольшого сегмента машинного зала (рис. 1). Рассмотрим два модуля стоек с изолированными горячими коридорами и условимся, что для сечения 1 все параметры будут помечены индексом 1, а для сечения 2 – индексом 2 соответственно. 

 

Очевидно, что при работающих стойках скорость воздуха в сечении 1 больше, чем в сечении 2 (v1 > v2), так как площади прохода воздуха равны (S1 = S2), а объем воздуха в сечении 2 меньше, чем в сечении 1, поскольку часть воздуха, поступающего в холодный коридор, будет забираться стойками на их охлаждение.

Давление воздуха в разных точках холодного объема машинного зала (холодного бассейна) различается из-за трения, возникающего между потоком воздуха и поверхностями, с которыми он соприкасается, а также из-за потерь при огибании воздухом препятствий. Полное давление – это сумма динамического и статического давлений. Полное давление в сечении 1 будет отличаться от полного давления в сечении 2 на величину потерь, связанных с преодолением силы трения. Эту разницу давлений и должен компенсировать вентилятор охладителя. Получается, что чем больше потери на трение, тем большее давление предстоит создать вентилятору для его преодоления.

Представим, что наш участок холодного бассейна между сечениями 1 и 2 – обычный воздуховод, только очень шероховатый, поскольку поверхность ИТ-стоек далеко не гладкая. При расчете потерь давления из-за трения в классическом воздуховоде учитываются потери на преодоление силы трения между его поверхностью и воздухом, а также потери на местные сопротивления (загибы, повороты потока и пр.). Потери давления зависят от скорости движения воздуха, и зависимость эта квадратичная.

Таким образом ясно, что на давление, которое должны создать вентиляторы охлаждающего устройства, оказывает сильное влияние скорость потока воздуха, а давление, в свою очередь, напрямую влияет на энергопотребление вентиляторов.

Проверим нашу теорию на практике, используя вышеприведенные исходные данные для сравнения ПК с фронтальным выдувом и ВОПа типа «холодная стена» при условии, что ВОП и ПК с равной производительностью занимают одинаковую площадь. Для сравнения выберем аппараты производительностью 100, 150 и 200 кВт.

На рис. 2 показана зависимость скорости потока воздуха и энергопотребления для ПК с фронтальным выдувом и ВОПа «холодная стена». Скорость воздуха при прохождении через ВОП минимум в два раза меньше, чем при прохождении через блок ПК, при одинаковой площади, занимаемой этими устройствами. Это объясняется прежде всего конструкцией теплообменного блока. Дело в том, что сечение блока ПК, через который проходит воздух, заведомо меньше, чем сечение блока ВОПа с аналогичной площадью размещения. 

При увеличении производительности блока неизменно растет расход воздуха, проходящего через него. На рис. 2 видно, что для ПК скорость воздуха одна и та же при производительности 150 кВт и при производительности 200 кВт. И это не ошибка: при заданном температурном напоре в 6°C ПК уже не могут обеспечить требуемую производительность в габаритных размерах шкафа. Поэтому приходится увеличивать температурный напор на ПК, и самый простой способ – снизить температуру теплоносителя, ухудшая при этом возможности фрикулинга. Скорость же потока воздуха через ВОП может быть увеличена, так как в этом случае она не является предельной, что дает возможность дальнейшего повышения производительности при сохранении занимаемой площади и температурного напора. Поскольку потери давления тем ниже, чем ниже скорость воздуха, то и на ВОП они ниже, чем на ПК, и соответственно энергопотребление почти в два раза меньше (см. рис. 2).

При использовании низкоскоростного воздухораспределения (основной принцип работы ВОПов) воздух равномерно распределяется по потребителям, что подтверждается как CFD-моделированием, так и практикой, и каждая стойка забирает ровно столько воздуха, сколько необходимо ей для охлаждения. В то же время при работе с ПК с фронтальным выдувом из-за высоких скоростей температурное поле в машзале очень неравномерное как по площади зала, так и по его высоте.

Проведем более детальное сравнение двух систем охлаждения машзала. С этой целью выберем ПК двух известных производителей (А и В) и одного производителя ВОПов (С). 

В качестве опорных точек возьмем чистые явные производительности 100, 150 и 200 кВт для следующего режима:

 

Из табл. 1 видно, что ПК не могут обеспечить нужную температуру 22°C в холодном бассейне машзала, не занизив температуру рабочей жидкости и не сократив таким образом значительно количество часов работы в режиме свободного охлаждения.

При работе на повышенном температурном графике ПК могут обеспечить температуру в машинном зале не ниже 23°C. И то исключительно до производительности 150 кВт (табл. 2). При более высокой производительности работа на высоком температурном графике для ПК невозможна, как минимум при адекватных габаритных размерах с адекватным энергопотреблением.

 

 

Воздухоохладительные приборы безусловно энергоэффективнее прецизионных кондиционеров, что видно из сравнительных таблиц: потребление ВОПов минимум в два раза ниже, чем у самого эффективного ПК; количество часов бескомпрессорной работы минимум на 5% больше, чем у ПК. 

По стоимости (при сравнении аппарата с аппаратом без учета других факторов) ВОПы будут примерно на 10% дешевле ПК из нижнего ценового сегмента и на 25% – из среднеценового. При сравнении с ПК из премиум-сегмента экономическая выгода от приобретения ВОПов достигает 40% и более.

Помимо этих неоспоримых преимуществ ВОПы по сравнению с ПК обладают целым рядом других:

Какое практическое значение все выше сказанное имеет для вас? 

Предположим, вы планируете построить в Москве ЦОД с четырьмя машзалами по 287–288 стоек каждый; тип стоек – 600 × 1200 × 50U; средняя нагрузка на стойку – 10 кВт, площадь каждого машзала – 1000 кв. м. В машзале вы хотите получить температуру холодного бассейна 22°С при температуре в горячем коридоре 34°С. Доступная мощность – 14 МВт без возможности увеличения.

Предположим, что часть системы охлаждения, состоящая из водоводяного чиллера внутренней установки и гибридной градирни, которая, с одной стороны, поддерживает высокие температуры фрикулинга в сухом режиме, а с другой – обеспечивает в мокром режиме низкую (25°С) температуру конденсации на чиллере, одна и та же при охлаждении машзала и с помощью ПК, и с помощью ВОП. Допустим, что потребление этой части системы не меняется в зависимости от температурного графика внутренних систем охлаждения.

Для охлаждения машзалов были выбраны ПК и ВОП чистой явной производительностью 150 кВт. При расчете PUE (табл. 3) учитывались потребление и потери электроэнергии от всех тепловыделяющих элементов, включая розетки. В качестве ПК был принят ПК производителя В с параметрами из табл. 1.

 

Как видите, даже такая незначительная единица оборудования, как ВОП или ПК, оказывает значительное влияние на потребление ЦОДа. В рассмотренном примере при использовании ПК, имея в распоряжении всего 14 МВт электроэнергии, вы должны будете либо сократить количество стоек до 1074, либо уменьшить среднюю нагрузку на стойку до 9 кВт.

 

Рис. 4. Затраты на электроэнергию в ЦОДе с ПК и ВОП

Если же вам все-таки удастся получить дополнительные мощности, то помимо расходов на само подключение, которое может обойтись в сотни миллионов рублей, а также дополнительных вложений в систему бесперебойного питания ЦОДа, вы, как видно из рис. 4, в течение всего срока эксплуатации будете тратить на 11 млн руб. в год больше, оплачивая счета за электричество. И это при тарифе 4 руб./кВт.

Итак, выбирая ВОП, вы получаете:

Или вы можете остаться на устаревшей технологии, рискуя в любой момент потерять конкурентноспособность. Выбирайте сами.

Василий Казаков, начальник проектного отдела, «ПрофАйТиКул»

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

<< Предыдущая статья   Вернуться к содержанию   Следующая статья >>