Адиабатическое охлаждение для центров обработки данных

В центрах обработки данных требуется постоянно охлаждать воздух для компенсации тепловых нагрузок и поддержания температуры в помещениях машинных залов в пределах рекомендуемых рабочих диапазонов. Энергопотребление климатического оборудования при использовании традиционных методов охлаждения на базе чиллеров, прецизионных кондиционеров или приточно-вытяжных установок достигает 33–40% от суммарной мощности, потребляемой ЦОДом.

Эффективность ЦОДов, как правило, оценивают по коэффициенту Power Usage Effectiveness (PUE), который рассчитывается как отношение общего энергопотребления ЦОДа к энергопотреблению собственно серверов и телекоммуникационного оборудования. В недавнем прошлом коэффициент PUE большинства ЦОДов был равен 2,0, то есть только 50% всей потребляемой энергии использовалось по назначению — для питания оборудования ИТ. Обновленная версия рекомендаций для проектировщиков ASHRAE Technical Committee 9.9 «Указания по проектированию телекоммуникационного оборудования с учетом воздействия на окружающую среду» уточняет требования к энергоэффективности — в частности, рекомендуемый PUE устанавливается не выше 1,5.

Диаграмма на рис. 1 показывает, как изменились рекомендации ASHRAE. Граница, обозначенная красным цветом, соответствует рекомендациям ASHRAE 2004 года. Оранжевая зона определяет расширенные (в рекомендациях 2008 года) диапазоны климатических параметров, в пределах которых производители ИТ-оборудования должны тестировать свою продукцию для обеспечения требуемой надежности при эксплуатации. Зеленая зона определена ASHRAE как допустимый диапазон климатических параметров, при которых ИТ-оборудование способно продолжать функционировать, однако надежность его работы при этом может снизиться, вследствие чего такие условия эксплуатации допустимы не более нескольких дней в году.

Рис. 1. Изменения в рекомендациях ASHRAE предоставляют проектировщикам дополнительные возможности для применения новых решений в области охлаждения

За счет расширения рекомендованных границ проектировщики получают возможность применять альтернативные решения по кондиционированию воздуха, обеспечивающие снижение энергопотребления ЦОДа. Одним из таких решений являются системы кондиционирования, способные работать в режиме фрикулинга. При этом следует различать системы, где используются теплообменники с промежуточным теплоносителем, и системы, в которых холодный воздух в межсезонье подается непосредственно в помещение. Последние обеспечивают подачу необходимого объема наружного воздуха в ЦОД при условии, что наружный воздух имеет приемлемые параметры. Поступающий извне воздух распределяется по помещениям ЦОДа и нагревается за счет теплообмена с ИТ-оборудованием. Далее, вместо механического охлаждения и рециркулирования, воздух просто выбрасывается из здания наружу.

В отличие от систем воздушного фрикулинга, водяные системы используют наружный воздух для охлаждения жидкости, циркулирующей внутри теплообменника. Затем охлажденный теплоноситель поступает в другой теплообменник, где взаимодействует с воздухом в помещении, охлаждая его. Из-за использования промежуточного теплообменника в водяных системах их энергоэффективность ниже, чем у систем воздушного фрикулинга.

Оба варианта все же требуют определенных энергозатрат, так как используют компоненты, потребляющие энергию, такие как вентиляторы, однако в любом случае эти затраты ниже, чем при механическом охлаждении. Кроме того, необходимо учитывать, что оба метода требуют дополнительного механического охлаждения воздуха в тех случаях, когда параметры наружного воздуха оказываются неприемлемыми для использования фрикулинга.

Последнее происходит за счет испарения воды (например, распыляемой системой высокого давления), в результате чего достигается соответствующее понижение температуры воздуха. Энергия, необходимая для перевода воды из жидкого состояния в газообразное, отбирается непосредственно у воздуха, тем самым охлаждая его.

Каждый литр испаренной воды обеспечивает 680 Вт холода при том, что на распыление воды затрачивается порядка 5 Вт электроэнергии.

В сухие и жаркие дни адиабатическая система охлаждает и увлажняет приточный воздух, увеличивая тем самым продолжительность работы установки в режиме воздушного фрикулинга. При этом система автоматизации контролирует параметры температуры и влажности, не допуская выхода влажности за пределы, определенные рекомендациями ASHRAE.

Дополнительная экономия может быть получена за счет установки второго адиабатического охладителя и пластинчатого рекуператора (см. рис. 2). Установленный в вытяжной секции адиабатический охладитель способен существенно снизить температуру вытяжного воздуха, который, в свою очередь, охлаждает приточный воздух, проходящий через рекуператор. Поскольку данный адиабатический охладитель устанавливается в вытяжной секции, для него отсутствует необходимость в ограничении уровня влажности.

Рис. 2. Система кондиционирования с двумя адиабатическими охладителями и пластинчатым рекуператором

Таким образом, системы вентиляции, использующие воздушный фрикулинг и адиабатическое охлаждение, способны радикально сократить потребность в механическом охлаждении, особенно в регионах с теплым климатом.

Диаграмма на рис. 3 иллюстрирует реализацию концепции воздушного фрикулинга с вспомогательным адиабатическим охладителем в соответствии с рекомендованными ASHRAE значениями параметров приточного воздуха 23°C / 60% RH. Область, закрашенная синим цветом, соответствует режиму воздушного фрикулинга. Зеленая область отражает дополнительные преимущества при использовании прямого испарительного охлаждения (Direct Evaporative Cooling, DEC), а желтая область показывает возможности косвенного адиабатического охлаждения (Indirect Evaporative Cooling, IEC). Область условий, при которых требуется только механическое охлаждение, сократилась — она показана красным цветом.

Рис. 3. Психрометрическая диаграмма для воздуха на уровне моря

В среднем, по сравнению с традиционными системами, использующими механическое охлаждение, оказывается возможным снизить потребление энергии на 80–95% при использовании DEC и на 30–93% при использовании IEC. В таблице приведены сравнительные данные для распылительной системы высокого давления и для системы с механическим охлаждением.

Сравнительные данные для распылительной системы высокого давления и системы с механическим охлаждением

Конечно, мы должны принять во внимание то, что вода как используемый ресурс имеет определенную ценность. Но также нельзя забывать про стоимость электроэнергии и эффект от воздействия энергетики на окружающую среду. Известно, что при производстве 1 кВт•ч электроэнергии выделяется ориентировочно 500 г диоксида углерода CO₂ (источник: Wikipedia и Carbonfootprint), при этом «углеродный след» добычи и доставки 1 л воды — 0,5 г CO₂ (источник: Carbonfootprint). Принимая средний холодильный коэффициент (Coefficient of Performance, COP) для механического охлаждения равным 3,0, получаем 167 г CO₂ на 1 кВт•ч. Выше было указано, что мы получаем 680 Вт холодильной мощности на 1 л воды. Следовательно, на 1 кВт холодильной мощности приходится 1,5 л воды, что, в свою очередь, соответствует 0,75 г диоксида углерода CO2. Охладитель DEC с COP, равным 156, потребляет менее 7 Вт электроэнергии для производства 1 кВт холодильной мощности; «углеродный след» производства такой мощности — 3,5 г CO₂, что дает суммарно всего 4,25 г CO₂ на 1 кВт•ч.

Итог — снижение выбросов диоксида углерода более чем на 97%.

Конкретные значения будут отличаться в зависимости от различных факторов, таких как конструкция установки, место расположения, используемые компоненты, значение COP и т. д.; однако в любом случае адиабатическое охлаждение обеспечивает существенно меньшее негативное влияние на окружающую среду по сравнению с системами, использующими механическое охлаждение. Дальнейшее снижение выбросов двуокиси углерода может быть получено за счет сбора и использования дождевой воды.

Системы адиабатического охлаждения имеют еще одно дополнительное преимущество. В зимнее время года, за счет смешивания холодного наружного воздуха с теплым вытяжным воздухом, уровень влажности (RH) может опуститься ниже границ, рекомендованных для ЦОДов (ASHRAE определяет этот уровень в 35% — при более низких значениях влажности существенно повышается риск накопления статического электричества). В такой ситуации система адиабатического охлаждения может служить в качестве увлажнителя для повышения уровня RH до приемлемых значений без необходимости применения паровых увлажнителей, отличающихся высоким энергопотреблением — 750 Вт на 1 л испаренной воды по сравнению с 5–10 Вт в случае распылительных систем высокого давления. Паровые увлажнители существенно повышают суммарное энергопотребление ЦОДа и могут быть использованы только в тех случаях, когда адиабатические системы по тем или иным причинам невозможно применить.

Современные адиабатические системы оснащаются автоматикой, обеспечивающей управление режимами промывки, очистки и слива воды. Применение последних гарантирует соответствие самым жестким требованиям по гигиене без использования агрессивных химических средств обеззараживания. Системы высокого давления могут использоваться в различных областях, таких как больницы, чистые помещения и, разумеется, ЦОДы.

Системы адиабатического охлаждения совместно с вентиляционными установками в режиме воздушного фрикулинга обеспечивают надежное и стабильное поддержание климатических параметров при минимально возможных энергопотреблении, капитальных и эксплуатационных затратах. Такие системы гарантируют минимальное влияние на окружающую среду, будучи при этом эффективными и малозатратными в обслуживании. Адиабатические системы способны обеспечить существенную экономию ресурсов по сравнению с механическим охлаждением, особенно в регионах России с теплым и жарким климатом.

Дмитрий Смелов — директор по развитию представительства Carel в России; Ольга Серенкова — технический специалист представительства Carel в России. С авторами можно связаться по адресу: info@carelrussia.com.