Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 2 2021
Василий КАЗАКОВ  Александра ЭРЛИХ   Анна ГАЛКИНА (ВАСИЛЬЕВА)  12 июля 2021

Битва за монополию, или Прецизионные кондиционеры vs воздухоохлаждающие приборы

Воздухоохлаждающие приборы на основе низкоскоростного распределения воздуха оставляют далеко позади другие системы охлаждения техпроцессов и по энергоэффективности, и по занимаемой в машзале ЦОДа площади, и по простоте и удобству эксплуатации.

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.

Особенности воздухоохлаждающих приборов

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. 
 
Рис. 1. Схема движения воздуха при фронтальной подаче

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.
Рис. 2. Зависимость скорости воздуха и энергопотребления от типа охлаждающего устройства и производительности

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.

Сравнение ПК и ВОПов

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:
  • рабочая жидкость – этиленгликоль (40%);
  • температура воздуха – 34/22°C;
  • температура рабочей жидкости – 20/26°C.
 
Табл. 1. Сравнение ПК и ВОП при одинаковых температурах в машзале

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.
 
Табл. 2. Сравнение ПК и ВОП при повышенном температурном графике
 
Рис. 3. Сравнение энергоэффективности ПК и ВОП

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:
  • нет необходимости в фальшполе и/или фальш­потолке;
  • возможность адаптации к любой архитектуре;
  • неограниченная глубина мониторинга;
  • возможность зонального управления машзалом;
  • отсутствие конденсата;
  • уменьшение нагрузки на систему энергообеспечения ЦОДа как минимум на 50%;
  • простота эксплуатации.
Значение преимуществ ВОПов для ЦОДа в целом

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.
 
Табл. 3. Сравнение энергетической и экономической эффективности ПК и ВОП

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:
  • низкие инвестиционные затраты;
  • великолепные показатели энергоэффективности;
  • стабильную работу машзала;
  • возможность предлагать высоконагруженные стойки с низкой себестоимостью стойко-места даже при нехватке мощностей;
  • простоту и удобство эксплуатации.
Или вы можете остаться на устаревшей технологии, рискуя в любой момент потерять конкурентноспособность. Выбирайте сами.

Александра Эрлих, генеральный директор, «ПрофАйТиКул»
Анна Галкина (Васильева), руководитель консультационного центра, «ПрофАйТиКул»
Василий Казаков, начальник проектного отдела, «ПрофАйТиКул»
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!