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.
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.
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.
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
- Круглогодичный 100% фрикулинг в России возможен (но не везде :)).
- Не все то золото, что фрикулинг! PUE у некоторых «чиллеров-фанкойлов» могут быть не сильно хуже, чем у некоторых «ветродуек».
- 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