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

C оригиналом статьи можно ознакомиться на Хабре