Free cooling что это

Устройство и принцип работы прецизионного кондиционера

Прецизионный кондиционер относится к климатическому оборудованию, которое применяется для создания необходимого микроклимата. Особенностью этого вида устройств является то, что они осуществляют подготовку и обработку воздуха не для человека, а для оборудования (вычислительного или коммуникационного), выделяющего при работе значительное количество тепла. Чтобы нейтрализовать высокие показатели температуры воздуха в помещении с таким оборудованием, устанавливаются прецизионные кондиционеры, работающие на охлаждение. Приоритетным условием при этом становится строгое выполнение технологических требований в отношении поддержания работоспособности вычислительных машин. В зависимости от комплектации, прецизионные кондиционеры также могут поддерживать уровень влажности воздуха на необходимом уровне как за счет увлажнения, так и осушения.

Прецизионный кондиционер — это устройство для тепловлажностной обработки воздуха в специальных помещениях. Чаще всего такие кондиционеры ставятся в помещениях, где:

• необходимо поддерживать точный контроль температуры в пределах ± 0,5 оС,
• влажность в пределах ±3%,
• кондиционер гарантированно работал бы 24 часа в сутки и 365 дней в году,
• имел возможность быстрого запуска резервного блока при выходе из строя основного блока,
• теплоприток, превышающий обычные значения в 5÷10 раз.

В 99% случаях к таким помещениям относятся серверные вычислительных центров.

Однако также это могут быть:

• научно-исследовательские центры;
• системы, обеспечивающие работу мобильных устройств;
• медицинские лаборатории;
• хранилища музеев и библиотек;
• помещения АТС.

В последнее время стал весьма актуален вопрос охлаждения майнинговых ферм, которые также выделяют огромное количество теплоты в процессе эксплуатации и требуют точного соблюдения термовлажностного режима работы оборудования.

100% резервирование и ротация

Серверные обрабатывают огромное количество важной информации. Выход из строя прецизионного кондиционера грозит перегревом, потерей данных, зависанием или поломкой оборудования. Для исключения подобных ситуаций дополнительно к основному (ведущему) прецизионному кондиционеру необходимой производительности устанавливают дублер – резервный кондиционер, который начнет работать в случае необходимости в дополнительной ступени производительности, в случае поломки основного кондиционера или для обеспечения одинаковой наработки ресурса и увеличения допустимого периода эксплуатации. Он и отвечает за резервирование, которое подразделяется на частичное или полное. Процесс переключения работы с одного прецизионного кондиционера на другой для обеспечения одинаковой наработки ресурса называют ротацией. Чаще всего ротация настраивается таймером для переключения с одного кондиционера на другой один раз в несколько дней, или, как упоминалось выше, на случай поломки. Точная настройка периода переключения производится по желанию потребителя.

Устройство прецизионного кондиционера

По своему устройству прецизионный кондиционер напоминает стандартную бытовую сплит-систему. Он также состоит их двух блоков – внешнего и внутреннего, но имеет более сложное наполнение. Основным отличием является многократное (по сравнению с бытовым исполнением) увеличение рабочего расхода воздуха, проходящего через внутренний блок. Это позволяет одновременно добиться нескольких положительных моментов: выровнять температурный градиент в помещении, т.е. убрать зоны, где застаивается горячий воздух, и увеличить холодопроизводительность системы кондиционирования. Несомненно, увеличение мощности вентилятора негативно сказывается на шумовых характеристиках, но на фоне шума от основного оборудования серверной эти характеристики не имеют существенного значения.

В состав наружного блока прецизионного кондиционера входит воздушный конденсатор или сухая градирня, если используется конденсатор водяного охлаждения. Для поддержания постоянной и требуемой влажности в помещении дополнительно используются встроенные модули – увлажнители воздуха большой производительности. Необходимо отметить, что в случае использования увлажнителей электродного типа требуется строгое выполнение требований производителя в отношении качества и параметров электропроводности воды. В этом цикле используется водопроводная вода, которая имеет определенную жесткость и содержит большое количество разнообразных примесей. Такие примеси при распылении оседают на всех поверхностях, в том числе, на электронном оборудовании. По этой причине очень важно, чтобы вода, которая будет использоваться в увлажнителе, прошла предварительную обработку и очистку от примесей.

Внутренний блок прецизионного кондиционера чаще всего представлен моделями шкафного типа. Именно в нем происходит подготовка воздуха перед подачей его в помещение.

В качестве внешнего блока могут быть использованы воздушный конденсатор (схема 1) или различные виды охладителей жидкости (чиллер или драйкулер – для жидкостного конденсатора, который в этом случае находится во внутреннем блоке – схема 3).

Схема 1. Схема кондиционера c выносным конденсатором воздушного охлаждения. 1-испаритель; 2-компрессор; 3-выносной конденсатор воздушного охлаждения; 4-фильтр; 5-вентилятор; 6-ТРВ.	Схема 2. Схема кондиционера с конденсатором водяного охлаждения от чиллера. 1-испаритель; 2-компрессор; 3-ТРВ; 4-фильтр; 5-вентилятор; 6-конденсатор водяного охлаждения.	Схема 3. Схема кондиционера с конденсатором водяного охлаждения 1-испаритель; 2-компрессор; 3-сухая градирня; 4-фильтр; 5-вентилятор; 6-конденсатор водяного охлаждения; 7-ТРВ.

Во внутреннем блоке расположены: компрессор, испаритель, дросселирующее устройство, фильтры, дополнительные электронагревательные элементы, увлажнитель (если надо дополнительно контролировать влажность воздуха воздух), вентиляторы, запорная и регулирующая арматура.

Принцип работы прецизионного кондиционера

Газообразный холодильный агент сжимается в компрессоре и в газообразном состоянии поступает в конденсатор. В нем холодильный агент конденсируется, за счет отвода от него тепла. Далее жидкий холодильный агент проходит через дросселирующее устройство, где температура и давление жидкого холодильного агента понижаются. В таком состоянии холодильный агент попадает в испаритель, где превращается в газообразное состояние и опять возвращается в компрессор.

Воздух, продуваемый через испаритель, забирается из помещения, в котором необходимо поддерживать требуемую температуру. Проходя через испаритель, воздух охлаждается и в таком состоянии вновь поступает в помещение.

Внутренний блок в рамках регулирования микроклимата может выполнять различные функции в зависимости от назначения данной модели:

• только охлаждение;
• охлаждение и электроподогрев;
• охлаждение и увлажнение;
• охлаждение и электроподогрев и увлажнение.

Внутренние блоки могут быть выполнены с различными способами забора и подачи воздуха в помещение:

• забор в лицевой части, а подача в верхней части через воздуховод между ложным и основным потолком;
• забор в лицевой части, а подача в верхней части непосредственно в помещение;
• забор в верхней части через воздуховод между ложным и основным потолком, а подача с нижней части под ложный пол;
• забор в верхней части непосредственно из помещения, а подача с нижней части под ложный пол;
• забор с нижней части под ложным полом и сзади, а подача в верхней части через воздуховод между ложным и основным потолком;
• забор с нижней части под ложным полком и сзади, а подача в верхней части непосредственно в помещение.

Фрикулинг

Прецизионные кондиционеры в стандартной комплектации широко и часто применяются для охлаждения воздуха в специальных помещениях, но они подходят только для работы в регионах умеренного климата, где больше теплых дней.

Для северных регионов и районов крайнего севера больше подойдут специальные прецизионные кондиционеры, которые могут работать без классического холодильного контура или с небольшим дополнением к классическим моделям.

В первом случае, когда холодильный контур отсутствует как таковой, может применяться схема с наружным (уличным) и внутренним теплообменником. Внутри контура заправлена незамерзающая жидкость, которая циркулирует с помощью насоса между теплообменниками. Идея данного способа заключается в том, чтобы напрямую использовать возможность охлаждения за счет окружающей среды. Так как наружная температура воздуха в таких регионах часто оказывается ниже 0оС, то отвод тепла из помещения происходит напрямую при помощи циркулирующей жидкости без дополнительного компрессионного цикла.

Чаще применяется смешанная схема: классический прецизионный кондиционер с дополнительной функцией фрикулинга (от англ. free cooling – свободное охлаждение). В случае теплой или жаркой погоды работает фреоновый контур холодильной машины прецизионного кондиционера, а когда температура наружного воздуха значительно понижается, этот контур автоматически отключается и начинает работать второй контур – естественного охлаждения, описанный выше. За счет этого обеспечивается значительное сокращение затрат на электричество.

Есть вопрос? Задайте его специалисту!

• Имя E-mail Тема вопроса
• Вопрос Нажимая кнопку «Отправить», я даю свое согласие на обработку моих персональных данных и принимаю условия «Согласия на обработку персональных данных Пользователей»

Фрикулинг

Фрикулинг (free-cooling, свободное охлаждение) – это технология охлаждения объекта за счёт окружающей среды без применения компрессоров и другого энергоёмкого оборудования. Фактически, речь идёт о подаче прохладного уличного воздуха напрямую в помещение или посредством теплоносителя. Работоспособность фрикулинга возможна только тогда, когда температура воздуха на улице ниже температуры, которую требуется поддерживать в помещении.

Что такое фрикулинг, и когда он нужен

Стандартная система кондиционирования построена на базе парокомпрессионного холодильного цикла. Она позволяет охлаждать помещение за счет окружающей среды даже тогда, когда температура на улице превышает температуру в помещении. При снижении температуры на улице потребность в охлаждении помещений автоматически отпадает, и кондиционеры отключаются.

Однако на некоторых объектах охлаждение воздуха требуется не только летом, но и в межсезонье и даже зимой. К таковым относятся, например, серверные и коммутационные помещения, базовые станции, центры обработки данных и другие объекты с высокими теплоизбытками. Тепловыделения (как правило, от оборудования) в них настолько высоки, что перекрывают зимние теплопотери и вместо отопления на объекте нужно именно кондиционирование воздуха.

Для работы кондиционеров в зимнее время предусматривают низкотемпературный комплект. Тем не менее, работа кондиционеров зимой нестабильна и энергозатратна. Условно говоря, зачем включать компрессор, если можно просто открыть окно или подать нужное количество холодного воздуха при помощи приточной вентиляции. И здесь на первый план выходят технологии свободного охлаждения.

Итак, фрикулинг – это энергосберегающее решение для охлаждения объекта с высокими теплоизбытками в зимнее и переходное время года. Впрочем, некоторые системы свободного охлаждения (например, косвенный фрикулинг с адиабатикой) прекрасно работают и в летнее время года.

Виды фрикулинга и принципы их работы

Существует несколько разновидностей систем свободного охлаждения:

• Чиллер с фрикулингом
• Прямой фрикулинг
• Косвенный фрикулинг (с адиабатным увлажнением наружного воздуха или без него)

Чиллер с фрикулингом

Чиллеры с функцией фрикулинга представляют собой холодильные машины, оснащённые дополнительным теплообменником – теплообменником для охлаждения холодоносителя за счёт наружного воздуха.

Алгоритм работы таких чиллеров следующий. Если наружная температура выше заданной температуры холодоносителя, то агрегат работает по стандартной схеме – холодоноситель охлаждается в испарителе холодильного контура, встроенного в чиллер. Если же температура уличного воздуха ниже заданной температуры холодоносителя, то последний направляется не в испаритель, а в тот самый дополнительный теплообменник, где охлаждается за счёт обдува наружным воздухом.

Конструктивно дополнительный теплообменник установлен рядом с конденсатором и обдувается теми же вентиляторами, которыми обдувается конденсатор. Таким образом, чиллеры с фрикулингом отличаются от обычных лишь наличием трубной развязки, дополнительного теплообменника и адаптацией алгоритма работы контроллера.

Эту же схему можно реализовать и при помощи обычного чиллера и драйкулера (сухой градирни). В этом случае холодоноситель летом должен направляться для охлаждения в чиллер, а в межсезонье и зимой – в драйкулер. Такая конфигурация отличается повышенной надёжностью: например, если чиллер вышел из строя, то охлаждение продолжится за счет драйкулера. Однако она более сложна в реализации: трубную развязку, арматуру и алгоритмы автоматизации придётся разрабатывать самостоятельно.

Чиллер Dantex с функцией фрикулинга (серия DN-R110-1945BUSOHF)

Схема чиллера с секцией фрикулинга

Схема системы с обычным чиллером и драйкулером для реализации режима свободного охлаждения

Прямой фрикулинг

Прямой фрикулинг представляет собой мощную приточно-вытяжную установку с рециркуляцией воздуха. Данные установки снабжаются надёжной и эффективной системой фильтрации, которая обеспечивает чистый воздух во внутренних помещениях здания.

Температура подаваемого воздуха при прямом фрикулинге поддерживается на одном уровне независимо от наружных условий. Это достигается за счёт рециркуляции воздуха. Если наружная температура совпадает с заданной температурой приточного воздуха, то рециркуляция не осуществляется. Далее, при понижении наружной температуры, доля рециркуляции плавно нарастает, и достигает максимума при сильных морозах. Плавное регулирование соотношения рециркулируемого и приточного уличного потоков воздуха достигается за счет применения клапанов с шаговыми или плавными электроприводами.

Важно понимать, что прямой фрикулинг в чистом виде не способен поддержать в помещении более низкую, нежели наружная, температуру. Для того чтобы объект работал круглый год, данные установки оснащаются традиционными фреоновыми охладителями на базе парокомпрессионного холодильного цикла. Выгода же от работы фрикулинга заключается в том, что эти охладители работают меньшую часть года, что и обеспечивает существенную экономию электроэнергии.

Таким образом (и это касается установок свободного охлаждения всех трех типов) реализация фрикулинга всегда ведёт к повышению капитальных затрат и ощутимому снижению последующих эксплуатационных затрат. Период окупаемости зависит от энергоёмкости объекта и непрерывности охлаждения и обычно составляет 3-7 лет.

Схема работы прямого фрикулинга. Наружный воздух (зеленые стрелки) проходит через фильтры и воздухоохладители, работающие в летнее время, и подаётся в помещение (голубые стрелки). Нагретый в помещении воздух (желтые стрелки) частично рециркулируется, остальная его часть выбрасывается на улицу (коричневые стрелки).

Косвенный фрикулинг

Суть косвенного фрикулинга – охлаждение внутреннего воздуха за счёт наружного. Этот процесс осуществляется в специальных воздухо-воздушных теплообменниках.

Очевидно, что для работы теплообменника в нём должна поддерживаться разница тепловых потенциалов – разница между температурами двух сред. Таким образом, косвенный фрикулинг может работать только тогда, когда температура наружного воздуха на несколько градусов ниже температуры подаваемого охлажденного воздуха. Это означает, что длительность работы такого режима свободного охлаждения должна быть короче, нежели у прямого фрикулинга. Однако это не всегда так.

Дело в том, что установки косвенного фрикулинга можно оптимизировать – внедрить секцию адиабатного (распылительного) увлажнения наружного воздуха. В такой секции воздух будет не только увлажняться, но и охлаждаться, что будет равносильно более низкой наружной температуре, чем есть на самом деле. Применение адиабатных увлажнителей позволяет значительно расширить границы применения косвенного фрикулинга, особенно для жарких сухих регионов.

Воздухо-воздушный теплообменник, входящий в состав агрегатов косвенного фрикулинга, часто выполняется в виде медленно вращающегося ротора большого диаметра. Подобно роторному теплоутилизатору (рекуператору), холод наружного воздуха в нем передаётся внутреннему, что и обеспечивает работу всей установки.

Схема работы косвенного фрикулинга представлена на рисунке и заключается в передаче холода от наружного воздуха к внутреннему. Наружный воздух (синяя стрелка справа снизу) проходит через фильтры и установку адиабатного увлажнения (показана желто-зеленым цветом), в результате чего увлажняется и охлаждается, и попадает в роторный теплообменник. В это время лопасти роторного теплообменника охлаждаются.

Так как ротор медленно вращается, лопасти со временем окажутся на стороне внутреннего воздуха. Обдувая холодные лопасти, нагретый поток внутреннего воздуха (красные стрелки слева сверху) охлаждается и подаётся обратно в помещение (синие стрелки слева снизу). Одновременно с этим лопасти ротора нагреваются и переходят на сторону наружного воздуха. Наружный воздух, который отдал свой холод ротору, отводится обратно на улицу (красные стрелки справа сверху).

Для монтажа и обслуживания климатического оборудования Dantex обращайтесь к официальным дилерам. Они имеют необходимый опыт, навыки и сертификаты для проведения работ любой сложности.

Есть вопрос? Задайте его специалисту!

• Имя E-mail Тема вопроса
• Вопрос Нажимая кнопку «Отправить», я даю свое согласие на обработку моих персональных данных и принимаю условия «Согласия на обработку персональных данных Пользователей»

Что такое фрикулинг и когда он нужен

Free Cooling – это метод охлаждения, который использует наружный воздух для снижения температуры внутри помещений или систем охлаждения. В современном мире энергоэффективность становится все более важной темой. Одним из инновационных решений в области охлаждения является технология Free Cooling. В этой статье мы расскажем о видах и принципе работы фрикулинга, а также преимуществе применения.

Содержание:
1. Где применяется фрикулинг
2. Виды фрикулинга и принципы работы
2.1 Чиллер с фрикулингом
2.2 Прямой фрикулинг в моноблочных шкафных кондиционерах
2.3 Косвенный фрикулинг
2.4 Свободное охлаждение в системах вентиляции
3. Преимущества применения фрикулинга
Фрикулинг или free cooling — это прогрессивная техника охлаждения объектов за счёт свободного доступа холодного наружного воздуха без применения энергоёмкого компрессорного оборудования. Весомое превосходство технологии заключается в непревзойдённом коэффициенте энергосбережения. Самый простой пример free cooling — открытое для проветривания окно или форточка в доме. При использовании естественного охлаждения затраты на принудительный теплообмен исключаются.
Вариант целесообразен в случаях, когда температура природной охлаждающей среды ниже показателей, которые необходимо поддерживать в замкнутом внутреннем пространстве. Это лучший способ повысить энергоэффективность климатического оборудования и сократить потребление электроэнергии.

Где применяется фрикулинг

• фармацевтические фабрики, научно-исследовательские лаборатории;
• телекоммуникационные центры, аппаратные, операторы сотовой связи, ЦОД;
• аккумуляторные и серверные с высокими теплоизбытками;
• архивы, музеи, картинные галереи;
• производства микроэлектроники и хранилища продуктов.

Тепловыделение промышленной и компьютерной техники бывает настолько значительным, что без кондиционирования цехов и технических помещений обойтись невозможно. Именно в таких ситуациях, когда применение кондиционеров нерентабельно и хочется просто открыть окно, выручает климатическое оборудование со свободным охлаждением. Можно сказать, что фрикулинг — это энергосберегающая схема холодоснабжения, которая легко справляется с созданием комфортной температуры на ответственных объектах зимой и межсезонье. При этом существенно удешевляет поддержание нужного температурного показателя.

Виды фрикулинга и принципы работы

Практикой использования стандартных охлаждающих агрегатов доказано, что при отведении 100 кВт тепла из помещения, потребляемая мощность компрессора составляет около 35 кВт электроэнергии. За счёт снятия тепловых нагрузок фрикулингом можно снизить расход электричества на 40-60%. Экономия зависит от температурного режима на предприятии, энергоэффективности техники и способа организации free cooling. На сегодняшний день выделяют несколько разновидностей свободного охлаждения:

• чиллер с функцией фрикулинга;
• прямой и косвенный фрикулинг;
• свободное охлаждение в системах вентиляции.

Рассмотрим каждый вид подробно.

Чиллер с фрикулингом

Конструктивная особенность моноблочной автономной машины чиллер с функцией free cooling — наличие дополнительного воздушно-жидкостного теплообменника для хладоносителя, который охлаждается наружным воздухом. Агрегат предназначен для круглогодичного применения. Механизм действия регулирует автоматика с учётом разницы температур внутренней и внешней атмосферы.

Дополнительный контур для поступающей с улицы воздушной массы хорошо просматривается на схеме чиллера с фрикулингом. Такие устройства могут работать в трёх режимах:

• Механический. Охлаждение с помощью воды или смеси пропиленгликоля оптимально в летнее время, когда уличная атмосфера прогревается выше +18-20оС. В жаркий сезон весь поток хладоносителя проходит через испаритель, минуя секцию фрикулинга. В этом случае температура снижается только за счёт парокомпрессионного цикла.

• Смешанный или переходной. Принцип работы чиллера с фрикулингом, который функционирует в смешанном режиме, базируется на частичном охлаждении холодильного агента атмосферным воздухом в воздушно-жидкостном теплообменнике. Полное достижение заданных температурных параметров происходит за счёт доохлаждения в испарителе. Рабочие температуры находятся в диапазоне межсезонья от +7 до +18оС.

• Свободное охлаждение. Когда на улице фиксируется температура ниже +7-10°C, хладоноситель может полностью охлаждаться в секции free cooling. Поскольку охлаждение выполняется только атмосферным воздухом, парокомпрессионный цикл в чиллере выключается. Таким образом обеспечивается максимальная экономия электроэнергии.

Чиллеры с функцией free cooling содержат в себе все достоинства охладительных устройств с сухой градирней, но в условиях умеренного климата России демонстрируют большую экономическую выгоду. Причем, чем больше обрабатываемая площадь, тем значительнее экономия.

Прямой фрикулинг в моноблочных шкафных кондиционерах

В конструктивном исполнении прямой фрикулинг представляет собой приточно-вытяжное устройство с рециркуляцией воздуха и смесительной камерой. В процессе работы холодный воздушный поток поступает по воздуховодам, снимает теплоизбытки и удаляется в атмосферу. Фильтры тонкой очистки не допускают попадания пылевых частиц, дыма и вирусных бактерий во внутреннее пространство.

Алгоритм работы прямого фрикулинга в моноблочных прецизионных кондиционерах шкафного типа предполагает поддержание постоянной температуры в помещении независимо от погоды. При совпадении заданных температурных показателей с уличными, рециркуляция не включается. Но с приходом холодов рециркуляционный процесс плавно нарастает и достигает апогея в сильные морозы. На схеме с описанием принцип работы фрикулинга прямого типа выглядит следующим образом.

На рисунке слева показано, как охлаждает воздух холодильная шкафная конструкция с помощью компрессора. Воздушный клапан находится в закрытом положении. После включения режима free cooling компрессор автоматически отключается. На рисунке справа видно, что в этот момент открывается клапан и запускает воздушный поток непосредственно в помещение.

Здесь важно понимать, что свободное охлаждение в чистом виде не всегда справляется с поставленной задачей, поэтому установка, которую используют круглый год, оснащается фреоновым хладагентом. Такой гибридный фрикулинг бесперебойно поддерживает необходимый микроклимат при резких изменениях погодных условий. Кроме того, электронно-вычислительное оборудование чувствительно к статическому электричеству, а с приходом морозной погоды в помещение поступает сухой холодных воздух. По этой причине возникает необходимость дополнительного оснащения приточных установок секциями увлажнения.

Косвенный фрикулинг

Непрямое свободное охлаждение в основном применяют на объектах с круглогодичным поддержанием нужной температуры. Суть и принцип работы косвенного фрикулинга состоит в охлаждении внутренней атмосферы наружным воздухом. Обмен тепловой энергией между отработанным и холодным потоком происходит в воздушном теплообменнике, который еще называют «воздух-воздух».

Непрямой free cooling включается в работу только тогда, когда уличная воздушная масса на 5-7 градусов холоднее охлаждённого воздуха, который подаётся. Поэтому продолжительность теплообмена короче, чем при прямом фрикулинге. Работу установки непрямого охлаждения можно также ускорить путём внедрения секции распылительного увлажнения. Адиабатный увлажнитель будет одновременно повышать влажность воздухопотока и понижать температуру. Такая схема позволит расширить границы применения косвенного фрикулинга в южных регионах.

Синей стрелкой на схеме указано, как внешний поток поступает в фильтры, очищается, проходит через увлажнитель, насыщается влагой и становится холоднее. Затем подаётся на роторный теплообменник и охлаждает его лопасти.

Свободное охлаждение в системах вентиляции

Наиболее широкое распространение фрикулинг получил в промышленных системах вентиляции с роторными рекуператорами и воздушными теплообменниками. В основу принципа работы заложено попеременное соприкосновение лопастей ротора с противоположно поступающими потоками горячего отработанного и холодного приточного воздуха.

В зимнее время ротор приходит в движение и раскручивается входящим с улицы холодным плотным потоком. Но когда скорости притока для раскрутки лопастей не хватает, на помощь приходит электромотор.

Преимущества применения фрикулинга

Технология свободного охлаждения free cooling безукоризненно справляется с задачами, решение которых недоступно традиционным холодильным установкам. Несмотря на то, что внедрение секций фрикулинга требует вложения денежных средств, окупаемость применения в промышленных масштабах гарантируется в короткие сроки за счёт экономии электричества. Результативность использования чиллеров с фрикулингом, моноблочных шкафных кондиционеров для серверных и ЦОД доказана многолетней практиков. Эффективное поддержание постоянной температуры на производственных площадках способствует снижению износа и бесперебойной работе дорогостоящего оборудования.

Как мы заморочились по фрикулингу для дата-центра и что из этого вышло

Как-то к нам пришел один прогрессивный заказчик из города N, что в средней полосе России, и сказал: «Хотим чтобы дата-центр на 100% фрикулинге работал круглый год. Можете посчитать, это реально вообще? И если да, какая технология вам видится наиболее логичной?». Мы с холодильщиком воодушевились, ибо не каждый день тебе предлагают поработать над таким нетривиальным для средней полосы России проектом, и начали считать. Под катом много цифр и теории по части охлаждения дата-центров.

Краткий экскурс на пальцах

Эта часть для тех, кто к холодильной технике и цодостроению отношения не имеет, но вникнуть хочет. Матёрые могут смело скроллить до следующего раздела. Итак, грубо говоря, есть несколько основных способов охладить что угодно:

Фреоновый кондиционер

Охладить что-то когда на улице холодно, а в помещении тепло — вообще не проблема, для этого и существует фрикулинг (охлаждение естественными уличными температурами). Но когда нужно «выбросить» тепло из места, где жарко, в место, где еще жарче, — тут без парокомпрессионного цикла не обойтись. С ним все просто: жидкий фреон под давлением проходит через дроссель, из-за чего происходит резкое понижение давления хладагента, в газ он при этом не переходит, но температура его кипения понижается. Проходя в этом состоянии через теплообменник внутреннего блока, фреон «забирает» тепло у среды и от этого начинает испаряться. Дальше этот «теплый» газ поступает в компрессор, где его сжимают, отчего хладагент сильно нагревается. После он «отправляется» в теплообменник внешнего блока, где происходит «сброс» лишнего тепла за борт, и газ, конденсируясь, переходит в жидкое состояние.

Неоспоримые достоинства: просто, дешево, проверено годами.

Относительные недостатки: высокое энергопотребление, ограничения по длине фреоновой трассы, возможны сложности при использовании в зимний период.

Картинку взял из интернета.

Система «чиллер-фанкойл»

Чиллер работает по тому же принципу, что парочка «внешний — внутренний блок», но в едином корпусе, хотя бывают и чиллеры с выносным конденсатором. Т.е. там есть классический холодильный контур, все так же испаряется и конденсируется, только испаритель контактирует не с воздухом в помещении, а с водой или гликолем, которые с помощью насосов по трубопроводам подаются в теплообменники вентиляторных доводчиков (фанкойлов), установленных внутри помещений. Обычно такие системы дополняются драйкулерами (сухими градирнями), чтобы в межсезонье и зимой охлаждать воду/гликоль не от холодильной машины, а естественным образом от наружного воздуха.

Неоспоримые достоинства: возможность запасать холодную воду в баках-аккумуляторах и качать ее насосами в случае отключения электропитания чиллера (но не долго :)).

Относительные недостатки: высокая масса моноблочных чиллеров и внушительные габариты, высокая стоимость замены основных компонентов.

Тоже честно украдено из google-картинок.

Воздухообрабатывающие агрегаты прямого или косвенного фрикулинга

Вот тут начинается самое интересное. Агрегаты прямого или косвенного фрикулинга (в народе просто «ветродуйки») охлаждают помещение до температуры наружного воздуха: т.е. либо просто гонят огромными вентиляторами очищенный воздух с улицы напрямую в ЦОД, либо создают 2 воздушных контура, контактирующих через теплоутилизатор. Таким образом происходит охлаждение ЦОДа без попадания уличного воздуха. Если при этом увлажнять уличный воздух, то теплоутилизатор/рекуператор будет работать эффективнее.

Неоспоримые достоинства: дешево с точки зрения эксплуатационных затрат, с точки зрения капитальных — тоже дешево, но они занимают больше площади, а она небесплатная.
Относительные недостатки: габариты поболее, чем у чиллеров, может потребовать особых архитектурных решений, сложно резервировать, имеют смысл только в определенном климате — чем ближе к субтропикам, тем меньше шансы, что фокус прокатит.

Прямой фрикулинг

Косвенный фрикулинг

Только такие машины в теории и могут обеспечить 100% круглогодичный фрикулинг, поэтому для решения задач заказчика мы отталкивались именно от них.

Разведка боем

Чтобы шалость с «ветродуйками» удалась, нужно, чтобы температура наружного воздуха по влажному термометру 365 дней в году была меньше требуемой нам температуры по сухому термометру в «холодном коридоре». Влажный термометр — это важно, потому что именно эта характеристика говорит нам о том, насколько низкой температуры мы можем добиться, используя адиабатическое охлаждение «на входе», т.е. увлажняя приточный воздух. Есть ли нам что ловить в климате города N при соблюдении следующих требований заказчика?

Обычно, когда вопрос заходит об уличных температурах, инженер-проектировщик вооружается «Строительной климатологией»: там обозначена «средняя температура по больнице» для каждого города РФ в холодное и теплое время года.

Но данные «Строительной климатологии», собранные в тоненькой книжечке по имени СП 131.13330.2012 оказались слишком скудны для наших благих целей. Они не отражают динамики изменения температур и продолжительность нахождения воздуха при тех или иных температурных пределах. Поэтому мы пошли к истокам и взяли данные о температурах по сухому и смоченному термометрам в городе N с дискретностью в 3 часа. За последние 50 лет. Мы бы не поленились и взяли еще дальше, но дальше их никто так усердно и часто не измерял. Если «схлопнуть» нерепрезентативные строки, получится примерно следующее:

Итого — самый жаркий (по влажному термометру) день в обозримой метеорологами истории города N, был 10 июля 1996 года, от него и будем считать.

Основываясь на ТЗ, уровне резервирования и архитектуре дата-центра, приходим к выводу, что наши кандидаты в «ветродуйки» для ЦОДа должны выдавать 226 кВт чистой явной холодопроизводительности в нормальном режиме (и 282 кВт в экстренном) при следующих условиях:

• на входе стоит (и отчаянно сопротивляется воздушному потоку) ГОСТовский фильтр со степенью фильтрации F7;
• при худшем из раскладов на улице у нас 35 ℃ по сухому термометру и 25,5 ℃ по влажному.

Подбор оборудования

А теперь узнаем, имеют ли наши светлые мечты о фрикулинге что-то общее с суровой рыночной реальностью, не разорится ли заказчик на «ветродуйках» и действительно ли это решение близко к оптимальному?

Чтобы проверить это, мы выбрали 4 воздухообрабатывающих агрегата из представленных на рынке, 3 с косвенным фрикулингом, 1 агрегат прямого фрикулинга и «чиллер-фанкойл» с отдельно стоящим драйкулером для чистоты эксперимента. По каждому из них запросили у производителей информацию об энерго- и водопотреблении при интересующих нас параметрах температуры/влажности уличного воздуха (даже предусмотрели там небольшую защиту от брехни, чтобы никто не проставил значения «от балды»).

Логика тут такая: берем несколько дискретных срезов параметров температуры/влажности, значения которых нам незабвенный матан подсказал (например, 19℃ / отн. влажность — 68%) и выясняем сколько кВт электричества и литров воды съедают наши машины в час при этих значениях. Причем в вопросах аппетитов машин к электричеству мы заморочились конкретно и попросили производителей дополнительно указать сколько именно едят вентиляторы, насосы, роторы — все, что больше 0,2 кВт. Далее берем наши температурные данные за 50 лет, накидываем на них щепотку все того же матана (метод наименьшего квадрата) и смотрим сколько электричества и воды в деньгах едят машины при худшем из раскладов по годам. Далее по наиболее затратному году пристально вглядываемся в помесячные значения и получаем вот такой результат:

Зеленый № 5 — это референсный «чиллер-фанкойл». Как видно из графиков, наибольшую эффективность показал он и агрегат № 2. Только при этом наша ветродуйка № 2 (спойлер — с роторным рекуператором) работает без необходимости дополнительно привлекать парокомпрессию, а значит на 100% справляется с поставленной задачей. При заявленной мощности стоек среднегодовой PUE для этой машины тоже получается лучше всех: 1,08.

Выбор вроде как очевиден, но мы на всякий случай прикинули еще и суммарные годовые операционные затраты (электричество + вода без учета запчастей и ремонта), поскольку некоторые из представленных систем требуют особой водоподготовки, что тоже недешево.

Выводы

1. Круглогодичный 100% фрикулинг в России возможен (но не везде :)).
2. Не все то золото, что фрикулинг! PUE у некоторых «чиллеров-фанкойлов» могут быть не сильно хуже, чем у некоторых «ветродуек».
3. Между энергоэффективностью и совокупной стоимостью владения условно одинаковых решений может быть существенная разница, поэтому считать надо в комплексе.

Почта на всякий случай: PVashkevitch@croc.ru