Адиабатическое охлаждение воздуха – 404 – IKSMEDIA.RU

Адиабатическое охлаждение ЦОД / DataPro corporate blog / Habr

До 35-40 % всей энергии, потребляемой ЦОДом, расходуется на охлаждение серверных стоек и инженерных систем. Адиабатический принцип охлаждения дата-центра позволяет заметно снизить энергопотребление в сравнении с традиционными системами. Экономичный способ охлаждения ЦОДа будет реализован в дата-центре компании DataPro в Москве.

Погода в ЦОДе

За последние годы плотность размещения оборудования в дата-центрах существенно увеличилась, а вместе с ней выросли и расходы на электропитание. В российских коммерческих дата-центрах одна стойка в среднем потребляет от 3 до 10 кВт — примерно столько же от нее приходится отводить тепла. При этом самый весомый «вклад» а общий ландшафт энергопотребления вносят системы охлаждения: их доля достигает 35-40 %.

В стремлении оптимизировать традиционную схему, специалисты пытались отводить тепло путем применения более эффективных хладагентов и за счет выбора оптимальных параметров работы системы. Но эти были полумеры, которые не позволяли добиться существенной экономии.

Самое энергоемкое звено в традиционной схеме охлаждения — это компрессор и конденсаторные агрегаты. Отказ от этих компонентов в сочетании с использованием холода наружного воздуха (freecooling — именно так по-научному называется использование естественного охлаждения) стал первым революционным шагом на пути к оптимизированной, низкозатратной в отношении энергоресурсов системе охлаждения. Этот подход взяли на вооружение многие дата-центры мира. Принцип фрикулинга сегодня широко применяется и во многих ЦОДах России — в основном в тех регионах, где на протяжении многих месяцев держится низкая температура за окном. Очевидно, применение такой технологии вполне оправдано в Мурманске или Норильске. Но можно ли построить энергоэффективный ЦОД в жарком климате? Для российских дата-центров этот вопрос тоже не праздный, так как в летние месяцы в средних и даже северных широтах температура воздуха бывает довольно высокой.

Горячее охлаждение

ЦОД «Меркурий» компания eBay

Как ни парадоксально, но во всем мире известно немало примеров расположения дата-центров в жарком климате — в условиях, гораздо более экстремальных по сравнению с российскими. К примеру, ЦОД «Меркурий» компания eBay построила в американском городе Финикс, штат Аризона — в жаркой пустыне, где столбик термометра летом достигает 50 градусов C. И это при том, что для бизнеса eBay чрезвычайно важен такой фактор как непрерывность и время реакции приложения на запрос пользователей по всему миру — каждую секунду на портале этой компании заключается громадный объем сделок общей суммой около 2 тыс долларов. То есть безотказность всех систем ЦОДа стоит в списке приоритетов на первом месте. Казалось бы, для охлаждения такого ЦОДа разумнее было бы расположить его в северных широтах.

И, тем не менее, eBay построила свой ЦОД именно в Аризоне, — и не прогорела. Казалось бы, об использовании внешнего воздуха и речь не могла идти. Но, проанализировав все имеющиеся возможности снижения уровня потребления энергии, эксперты eBay пришли к выводу, что именно фрикулинг лучше всего обеспечит требуемую эффективность нового ЦОД в пустыне. Секрет в том, что в сочетании с фрикулингом на этом объекте было применено адиабатное увлажнение.

Ветер с моря дул

Уже давно было замечено, что воздух, приходящий с моря, прохладнее, чем степной ветер, дующий в направлении акватории. В Древнем Риме таким образом охлаждали дома: под распахнутыми окнами располагался бассейн с фонтаном: проходя над водой, воздух охлаждался в результате ее испарения.

На этом принципе основаны и мокрые градирни, — один из самых старых методов охлаждения, который активно используется на производствах. Принцип действия этих систем основан на охлаждении воды потоком воздуха, продуваемого через ее поверхность.
Более продвинутый вариант этого процесса применяется в адиабатических системах охлаждения воздуха.

Экономика вопроса

Адиабатическое охлаждение ЦОД — недорогая и надежная система, в которой отсутствуют сложные агрегаты и не требуется резервирование узлов. Для реализации адиабатического увлажнения практически не требуется затрат электроэнергии — расходуется только вода. Таким образом, стоимость охлажденного воздуха низка, что при правильном его использовании может существенно повысить энергоэффективность систем кондиционирования.

В целом оборудование современных ЦОДов неплохо переносит и более высокую температуру, и увеличение влажности воздуха. В качестве допустимых границ используются параметры, рекомендованные ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). В первой редакции этих рекомендаций, опубликованной в 2004 г., был установлен верхний предел в 25 градусов Цельсия при влажности 40%, во второй (2008 г.) – 27 градусов при влажности 60%. В рекомендациях 2011 года появились два новых класса оборудования для ЦОДов – А3 и А4 с температурным диапазоном до 40 и 45 градусов. Хотя такое «жаркое» охлаждение еще не распространено повсеместно, любители инноваций активно начинают его использовать. Это позволяет существенно расширить географию применения «зеленого» охлаждения.

Адиабатическое охлаждение требуется далеко не всегда, — только в самые жаркие месяцы. В холодное время года охлаждение идет с помощью внешнего воздуха. Не так давно системы адиабатического охлаждения в основном использовались в регионах с сухим и жарким климатом. Но последние разработки производителей климатического оборудования показали большой потенциал использования систем адиабатического охлаждения в европейских регионах с умеренным климатом.

— Следует отметить, что ни начальная температура воды, ни температура воздуха на процесс практически не влияют, — в отличие от влажности, — поясняет Михаил Балкаров, технический эксперт компании Emerson Network Power. — Так что если ЦОД находится в пустыне, но при этом имеет источник воды, получается вполне эффективная система. А вот если идет дождь при температуре воздуха плюс 25 градусов Цельсия, то, увы, никакого охлаждения из системы извлечь не удастся, поскольку во время дождя влажность наружного воздуха близка к 100%.

Михаил отмечает, что необходимо учитывать локальные аномалии влажности, возникающие рядом с крупными водоемами. Кроме того, в российских регионах с переменчивой погодой, возможно, придется иметь одновременно две системы — традиционную и альтернативную, что заметно увеличит размер капитальных инвестиций и может свести к нулю все попытки сэкономить.

Недостатком метода адиабатического охлаждения становится также увеличение влажности воздуха. Могут возникнуть опасения, что влажность станет угрозой для чувствительного электронного оборудования в дата-центре. Один из примеров такого инцидента рассматривается ниже (см. раздел «Facebook под дождем»).

Среди других недостатков системы адиабатического охлаждения эксперт отмечает расход воды и необходимость эту воду подготавливать. «Воды тратится порядка 2 л/ч на 1 кВт/ч в пике потребления и порядка 0,3 л/ч в теплый сезон в среднем, — рассказывает Балкаров. — Это заметные деньги, а считая с расходами на очистку, — еще более заметные».

Очищать воду нужно, подчеркивает Михаил Балкаров, потому что при испарении все минералы оказываются в воздухе в виде мелкой пыли. «И если для градирен это достаточно дешевый процесс, связанный с грубой очисткой, — очищение в основном предусмотрено для предотвращения накипи, — то форсунки в адиабатической системе требуют микрофильтров и осмотической фильтрации», — объясняет эксперт. Так что не только стоимость системы, но и эксплуатационные расходы возрастают».

При использовании адиабатического охлаждения следует помнить о том, что придется решать еще и вопросы водоснабжения, водоотведения и водоподготовки, которые, в свою очередь, перетекут в проблемы архитектуры и строительных конструкций. Не стоит забывать и о стоимости воды. Пока ее цена несравнима со стоимостью электроэнергии, но она постоянно растет.

Коэффициент WUE

Использование систем адиабатического охлаждения приводит к снижению PUE и энергопотребления, но при этом расход воды может быть очень велик. Поэтому организация Green Grid в марте 2011 г. ввела еще один параметр, характеризующий полезное потребление воды в дата-центре, – коэффициент использования воды WUE (Water Usage Effectiveness). Коэффициент рассчитывается по формуле:

WUE = годовое потребление воды / мощность ИТ-оборудования

Единицей измерения WUE является л/кВт/ч.

Facebook стал первым оператором дата-центра, который открыто поделился значением WUE. В ЦОДе, расположенном в г. Прайнвилль во втором полугодии 2011 г. этот параметр составлял 0,22 л/кВт*ч.

В целом использование адиабатического охлаждения позволяет добиться высокой энергоэффективности ЦОДа: коэффициент PUE может достигать значения 1,043, за счет того, что вспомогательное оборудование, включая систему охлаждения, даже летом потребляет всего около 4% электроэнергии энергии ЦОДа, а зимой – и того меньше (в зимний период PUE – около 1,018). Эффективность компрессорно-конденсаторных систем на основе чиллеров или DX-кондиционеров существенно ниже, для них PUE = 1,3 – великолепный результат.

Упомянутый в начале статьи ЦОД «Меркурий» площадью 12 600 квадратных метров и мощностью 4 МВт функционирует уже больше года. Использование фрикулинга совместно с адиабатным испарительным охлаждением в этом ЦОДе доказало свою эффективность.

ЦОДы Facebook

Адиабатическая система охлаждения в ЦОД Facebook

Еще один яркий пример использования новых технологий охлаждения – ЦОДы Facebook. Первый собственный дата-центр Facebook построила в американском городке Прайнвилль, в 2010 году. Через год был построен второй, дублирующий дата-центр в Форест-Сити, штат Северная Каролина. Коэффициенты энергоэффективности (PUE) этих площадок составляют: 1,07 для ЦОД в Прайнвилле и 1,09 — для ЦОД в Форест-Сити. Этого удалось достичь только благодаря снижению потерь при передаче и преобразовании электроэнергии, а также более высоким рабочим температурам воздуха внутри ЦОДа (допускается +35 °C в стойках в холодном коридоре).

В дата-центрах установлена традиционная система охлаждения, но используется она только в аварийных случаях. Основная же система кондиционирования воздуха — прямой фрикулинг с несколькими камерами подготовки воздуха, через которые проходит наружный воздух.

Первоначально воздух извне забирается воздухозаборниками на втором ярусе и поступает в камеру подготовки, где фильтруется и смешивается с горячим воздухом. Далее воздух проходит через холодильные панели. Они представляют собой камеру увлажнения с большим количеством труб, разбрызгивающих дистиллированную воду форсунками под высоким давлением, благодаря чему повышается влажность и понижается температура продуваемого воздуха. Чтобы мелкодисперсная влага не могла проводить электричество, используют дистиллированную воду. Далее на пути воздуха стоят мембранные фильтры, отделяющие крупные частицы влаги. Затем воздух мощными вентиляторами направляется в машинный зал. Отработанная вода собирается в специальном резервуаре и очищается.

Фейсбук под дождем

Однажды внутри охлаждаемого помещения дата-центра компании Facebook в Прайнвилле образовалось облако влаги, которое в буквальном смысле накрыло собой серверные помещения вместе с их (извините за каламбур) «облачными» вычислениями.

В 2001 г. этот дата-центр столкнулся с проблемой в работе системы управления, из-за чего температура воздуха, используемого для охлаждения серверов, достигла более 26 градусов Цельсия, а влажность — свыше 95%. В результате стал накапливаться конденсат и образовалось дождевое облако, заполнившее собой все пространство с вычислительным оборудованием. В происходящее было невозможно поверить. Начались звонки коллегам в центр эскалации проблем, а те долго не могли вникнуть, о каком дождевом облаке идет речь? Проще было убедить их в том, что яблони зацвели на Марсе, чем в сказку о дожде.

Ради экономии электричества Facebook использовал наружный воздух для охлаждения своего дата-центра вместо традиционной системы. Но после того как система управления вышла из строя, началась рециркуляция подогретого воздуха с низким уровнем влаги через систему охлаждения на базе водяного испарителя.

Это привело к тому, что воздух сильно увлажнился и образовалось облако, которое натворило много бед. Некоторые серверы полностью вышли из строя: те специалисты, кто находился в дата-центре, могли наблюдать, как искрят и агонизируют серверы. Хуже ничего и представить было невозможно. Впрочем, инцидент больше не повторился: специалисты Facebook тщательно изолировали контакты в местах подключения серверов к источникам питания, защитив их от влаги.

А что в России?

Адиабатические системы охлаждения в России пока не очень популярны, но специалисты считают, что в ближайшие годы проектировщики дата-центров будут проявляет к ним все больший интерес. Причина тому — Федеральный Закон ФЗ-261, который устанавливает жесткие рамки для энергопотребления и требует повышения энергетической эффективности на 40 % к 2020 году. Единственный возможный сценарий, который позволит удовлетворить такие требования — это переход на фрикулинг в сочетании с адиабатическим охлаждением. И первые примеры таких внедрений уже есть. В частности, данный принцип охлаждения будет использован в новом строящемся дата-центре компании DataPro в Москве.

Проект этой площадки подразумевает использование экономичного в эксплуатации решения для обеспечения необходимых климатических условий — модульной системы EcoBreeze производства Schneider Electric. Компания DataPro планирует реализовать крупнейшую в Европе инсталляцию данной системы в собственном мега-ЦОДе в Москве на Авиамоторной улице — объекте с установленной мощностью 20 МВт. Система EcoBreeze построена с использованием принципа мокрой градирни (разновидности технологии адиабатического охлаждения) в сочетании с фрикулингом, о которых говорится в данной статье. В Москве, где установлены высокие тарифы на электроэнергию, использование этой системы позволит добиться существенной экономии операционных расходов в дата-центре.

«Технические решения с использованием адиабатического охлаждения нельзя назвать инновационными, поскольку они успешно применяются во многих ЦОДах за рубежом, — поясняет Алексей Солдатов. — Но использование этого принципа в российских дата-центрах — явление редкое. Инсталляция EcoBreeze на нашей московской площадке — одно из первых внедрений».

А вот на другом объекте, в дата-центре компании DataPro в Твери, для охлаждения серверных помещений и электротехнического оборудования используется традиционный принцип с использованием фреоновых трасс, что обусловлено невысокими капитальными затратами и низкими тарифами на электроэнергию.

На объекте в Твери применяется еще одна разновидность адиабатического принципа — изотермическое увлажнение для поддержания необходимого уровня влажности в серверных помещениях, о нем мы расскажем в нашей следующей статье.

Принцип действия
Михаил Балкаров. Отрывок из книги «Охлаждение серверных и ЦОД.Основы.», 2011 г.

Принцип действия адиабатической системы охлаждения состоит в распылении воды в виде мельчайших капель, которые впрыскиваются в горячий воздух. (Вода при этом должна быть очищена от всяческих примесей.) Вода, испаряемая в воздухе, способна охладить его до температуры, близкой к температуре мокрого термометра.

Строго теоретически предел охлаждения в этом процессе заметно ниже и равняется температуре точки росы. Для реализации этой возможности достаточно часть исходного воздуха охладить до температуры мокрого термометра испарением воды, а потом с его помощью охладить остаток, не увлажняя. Далее холодный воздух также увлажняется, приобретая более низкую температуру. Процесс можно повторить еще раз с частью воздуха, достигнув температуры, близкой к точке росы. Единственная очевидная техническая трудность достижения минимально возможной температуры — увеличение в несколько раз требуемых объемов подаваемого воздуха и площади теплообменника.

Подобные системы делают либо по принципу мокрых градирен, — то есть используют большую поверхность пластин, покрытую тонкой пленкой воды, — либо распыляют воду под давлением в несколько сот атмосфер, через микронные форсунки, очень мелкими каплями непосредственно в воздуховоды.

Далее либо происходит обмен температурой с тем, что необходимо охладить, либо влажный воздух напрямую используется для охлаждения оборудования. Расход воды составляет около 2 Кг на 1 кВт/ч отводимого тепла. Поскольку испаряется большая часть воды, — соответственно растут требования к ее химическому составу, что требует использования ионнообменных фильтров или фильтров обратного осмоса.

При использовании форсунок строгие требования предъявляются к механическим загрязнениям, требуется установка микрофильтров после насоса высокого давления. Эти усложнения связаны с тем, что начиная с определенного размера капли процесс испарения происходит очень быстро, и за счет этого значительно уменьшаются размеры оросительной камеры.

Использование форсунок большего диаметра, среднего и низкого давления, проще с точки зрения эксплуатации форсунок и процесса водоподготовки. Но при этом часть воды не участвует в процессе и сливается (капли не успевают испарится полностью), кроме того размеры камер увлажнения становится сопоставимым с остальными помещениями системы.

habr.com

3.4. Процесс адиабатического охлаждения воздуха и его отображение на I-d диаграмме

Процесс адиабатического охлаждения воздуха при контакте с водой, имеющей температуру мокрого термометра, идет за счет испарения влаги, при котором явная теплота воздуха переходит в скрытую теплоту водяных паров. Поэтому данный процесс называют также прямым испарительным охлаждением. Учитывая, что явное тепло, затраченное на испарение влаги, возвращается снова в воздух в виде скрытого тепла, энтальпия воздуха в этом процессе измениться не может. НаI-dдиаграмме процесс идет по линииI=constвниз до кривой φ = 100%. Поэтому данный процесс часто называютизоэнтальпийным охлаждениемвоздуха. Учитывая, что теплота воздуху не передается,ΔI = 0, и тогда

ε = 1000 0 / Δd =0

Это распространенный процесс, осуществляемый в основном в форсуночных оросительных камерах кондиционеров путем распыления форсунками непрерывно циркулирующей воды в объеме камеры, через которую проходит обрабатываемый воздух. Основное условие – достаточно большая поверхность массообмена, что достигается за счет мелкого распыла воды. Реально достигается относительная влажность воздуха порядка 95%. Адиабатическое охлаждение может быть осуществлено и в аппаратах с пористой насадкой (орошаемые слои), при орошении циркулирующей водой.

Кроме того, имеются устройства для испарительного охлаждения путем мелкого распыла воды непосредственно в воздух помещений. Они имеют, как правило, относительно небольшую производительность. Распыление воды осуществляется или механическими устройствами (атомайзерами), в которых вода дробится на зубчиках вращающегося диска, или форсунками воздушного распыления.

3.5. Процесс увлажнения воздуха паром и его отображение на I-d диаграмме

Увлажнение воздуха паром осуществляется при непосредственном выпуске пара в помещение, а чаще в кондиционерах комфортного и технологического кондиционирования при увлажнении воздуха паровыми увлажнителями. Пар подается непосредственно в приточный воздуховод через перфорированную трубку, расположенную внутри него. Сам процесс испарения воды, то есть приготовления пара, осуществляется в отдельном устройстве – парогенераторе. Чаще всего для испарения используется электрический нагрев. Конструкция парогенератора позволяет плавно регулировать количество образующегося пара или изменяя расход подаваемой в него воды, или изменяя мощность нагревателя.

Учитывая, что испарение происходит при атмосферном давлении, температура пара почти всегда около 100°С. При этом явное тепло, которое несет пар, составляет лишь 6% от общей теплоты, а 94% приходится на скрытую теплоту парообразования. Поэтому можно считать, что в воздух вносится лишь скрытое тепло, и процесс идет практически по линии t=const( на самом деле чуть выше), в пределе до кривой φ = 100%. Угловой коэффициент луча процесса примерно соответствует скрытой теплоте парообразования (ε = 2500), на самом деле чуть больше.

При высокой относительной влажности воздуха пар начинает конденсироваться на холодных поверхностях, локально образовывая в объеме воздуха зоны тумана, то есть капельной влаги. При конденсации выделяется явное тепло, так как происходит процесс преобразования скрытого тепла в явное. При этом воздух и поверхности, на которых происходит конденсация, повышают свою температуру. Точный расчет такого процесса затруднителен из-за необходимости учета локальных температур воздуха и поверхностей.

studfiles.net

Адиабатическое охлаждение для центров обработки данных | Журнал сетевых решений/LAN

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: [email protected].

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

www.osp.ru

Система адиабатическая охлаждения | Геоклима

Адиабатическая установка для кондиционирования воздуха, представленная компанией «Геоклима», оснащена инновационной испарительной системой, которая обеспечивает значительное энергосбережение, используя естественный процесс адиабатического охлаждения.

Испарительная система основана на процессе, в котором вода, выходящая из водопровода, расположенного в верхней наружной части теплообменника конденсатора, увлажняет картонные фильтры: горячий и сухой воздух, поступающий из окружающей среды проходит через эти мокрые картонные фильтры и, таким образом, охлаждается. Охлаждающий эффект позволяет снизить температуру конденсации, в результате значительно понижая коэффициент давление компрессора с последующим энергосбережением. Вода, проходя через картонные фильтры, собирается с помощью специальной водопроводной системы с желобами, которые располагаются под каждым фильтром и используются для слива воды.

Испарительная система особенно эффективна при высокой температуре окружающей среды и относительной влажности ниже 60%. Во время зимних месяцев или в экстремальных для испарительной системы погодных условиях, «умный» контроль управляет расстоянием между адиабатическими панелями, снижая при этом объем воздуха поглощаемого вентиляторами, с целью сохранения максимальной эффективности системы.

Испарительный адиабатический эффект снижает температуру воздуха на целых 8 °C, повышая при этом эффективность конденсаторов.

Используя систему адиабатического испарения, «Геоклима» способна снизить годовое потребление электричества установками для кондиционирования до 30%, по сравнению с обычной воздушной системой охлаждения. Кроме того, мы разработали систему таким образом, что вода, используемая для увлажнения фильтров, не остается отходным материалом, как это обычно происходит в работе систем охлаждения. Наоборот, мы используем ее повторно для работы установок для кондиционирования воздуха и повторяем этот процесс вновь и вновь. Это обеспечивает дополнительные преимущества с точки зрения энергосбережения, финансовых затрат и эко-стабильности.

www.geoclima.com

Адиабатические процессы охлаждения воздуха – Справочник химика 21

    Процесс сжатия в компрессоре может быть изотермическим, адиабатическим или политропическим. При изотермическом процессе сжатие воздуха происходит при постоянной температуре, т. е. от воздуха отводится вся получающаяся в процессе сжатия теплота, для чего необходимо применять весьма интенсивное охлаждение. При адиабатическом процессе к воздуху не подводится и от него не отводится теплота этот процесс протекает в сосуде с термоизоляцией. Изотер- [c.57]
    При определении показателя политропы т по формуле (VI.27) условно принимается, что впрыскиваемая вода в потоке воздуха испаряется полностью, а теплоемкость паровоздушной смеси Срт равна теплоемкости сухого воздуха, что не соответствует реальным условиям испарительного охлаждения впрыскиваемая вода в потоке воздуха испаряется не полностью, а теплоемкость паровоздушной смеси в адиабатическом процессе сжатия меняется. [c.140]

    Процесс сжатия воздуха в турбонагнетателе с испарительным охлаждением протекает адиабатически с показателем адиабаты к  [c.234]

    Адиабатическое охлаждение воздуха происходит в том случае, если все тепло, необходимое для испарения влаги с поверхности материала, поступает из окружающего воздуха как единственного источника тепла. При этом процесс испарения (сущки) протекает в адиабатических условиях — без потерь тепла и подвода его извне. [c.741]

    Для расчета объемных коэффициентов тепло-. и массопередачи в процессе адиабатического охлаждения воздуха (путем испарения воды в потоке воздуха), характерного, например, для кондиционирования воздуха, можно использовать упрощенные формулы [c.258]

    Масса разбрызгиваемой воды, приходящаяся на 1 кг обрабатываемого воздуха, называется коэффициентом орошения В. Для процессов адиабатического увлажнения В=0,5-ь1,0, а для процессов охлаждения и осушения воздуха В = 1,5-+2. [c.229]

    Процесс тепло- и влагообмена между воздухом и водой. Для увлажнения или осушки, а часто и для охлаждения или нагревания воздух вводят в контакт с водой. Для этого его пропускают через оросительные камеры, в которых разбрызгивается вода, или продувают через специальные пористые слои или оребренные поверхности, которые орошаются водой. В процессе обработки используется специально приготовляемая вода, имеющая температуру, отличную от мт – Размеры капель и толщина пленок воды в таком процессе достаточно велики. Этими двумя условиями данный процесс отличается от ранее рассмотренного процесса адиабатического увлажнения. [c.32]

    На диаграмме 5—Т этого цикла (см. рис. 2.20,6) изотермическое сжатие воздуха до абсолютного давления /72=6—7 кгс/см изображается горизонтальной линией 1—2, а охлаждение в регенераторах до состояния 3 — изобарой 2—3, соответствующей давлению р2. По линии 3—4 происходит расширение воздуха в турбодетандере до абсолютного давления pi = l кгс/см , причем линия 3—4 соответствует адиабатическому процессу расширения, а линия 3—-I— действительному. Конденсация оставшейся части воздуха, не проходившей через турбодетандер, протекает по линии 3—5—6. Линия постоянной энтальпии 6—7 соответствует процессу дросселирования воздуха, сжиженного в конденсаторе. Образующиеся при дросселировании пары жидкого воздуха смешиваются с потоком воздуха из турбодетандера и через трубки конденсатора поступают в регенератор, охлаждая его насадку при этом они сами нагреваются до первоначальной температуры Ti по линии 7—4—1 постоянного давления pi. [c.80]

    При сухом тепловыделении и не очень высокой температуре в верхней зоне цеха возможно ограничиться для охлаждения цехового воздуха промывкой его по адиабатическому процессу без применения искусственного охлаждения. [c.189]

    Адиабатическое охлаждение воздуха происходит в том случае, если все тепло, необходимое для испарения влаги с поверхности материала, поступает из окружающего воздуха, как единственного источника тепла. При этом процесс испарения (сушки) протекает [c.526]

    При сжатии воздуха или любого другого газа без охлаждения (адиабатический процесс) температура будет резко повышаться. [c.331]

    Из таблицы видно, что расход мощности тем больше, чем больше степень сжатия и чем менее совершено охлаждение сжимаемого воздуха. Так, например, при изотермическом сжатии 1 воздуха с 1 до 10 ати расход мощности почти в полтора раза меньше, чем при адиабатическом, а при более высоких давлениях это различие еще больше. Отсюда понятно стремление приблизить действительный процесс сжатия к изотермическому, что достигается охлаждением воздуха в цилиндрах компрессоров, а при высоких степенях сжатия еще дополнительным охлаждением в промежуточных холодильниках. [c.184]

    Эта задача решается с помощью рис. 38. 7. Влагосодержание исходного воздуха равно 0,043 кг воды/кг воздуха. Когда воздух проходит по теплообменнику, его влагосодержание не изменяется. При входе в сушилку, где А = 0,043 и / = 76,7° С, — 43,3° С. Процесс прохождения воздуха через псевдоожиженный слой твердого материала является адиабатическим предполагается, что никакого теплообмена с окружающей средой нет. Средняя температура частиц материала и связанная влага в них постоянны. Воздух следует кривой адиабатического охлаждения его температура мокрого термометра постоянна и равна 43,3° С. При степепи насыщения, равной 90%, температура сухого термометра равна 45° С, а. = 0,057. Каждый килограмм воздуха уносит 0,057 — 0,043 = 0,014 кг воды. Полное количе- [c.586]

    При адиабатическом обратимом расширении воздуха с начальной температурой 300° К, сжатого до 10 г/тга, температура его понизится на 140°, в то время как необратимое дросселирование (эффект Джоуля-Томсона) дает охлаждение воздуха только на 2,5°. Такое большое различие эффектов охлаждения этих двух предельных способов расширения вполне закономерно. Любая необратимость процесса расширения с получением работы в расширителе вызывает снижение падения температуры и при полной необратимости, в результате которой внешняя работа не производится, достигается результат, как при эффекте Джоуля-Томсона. Устройство для дросселирования газа отличается простотой и применяется при получении очень низких температур. Этот процесс используют в большинстве случаев не самостоятельно, а с адиабатическим расширением и регенерацией [6. 7]. [c.14]

    Величина W/L показывает увеличение влагосодержания воздуха в процессе его адиабатического охлаждения, равное (л —х ), где х — влагосодержание воздуха при его полном насыщении влагой при температуре t . [c.590]

    Авторами разработаны номограммы, позволяющие рассчитывать как адиабатический, так и неадиабатический процесс сжигания метана в воздухе с образованием окислов азота и с последующим охлаждением продуктов горения в промышленной аппарату

www.chem21.info

Чиллеры с адиабатической системой охлаждения

• Главная
• Статьи
• Чиллеры с дополнительной адиабатической системой охлаждения

При эксплуатации теплообменного оборудования с воздушным охлаждением довольно часто возникает проблема со снижением его производительности при явном увеличении энергопотребления.

Причем внешние признаки поломки агрегата отсутствуют, если не учитывать одного из важнейших условий эксплуатации – температура окружающей среды.

К причинам снижения эффективности работы чиллера, драйкуллера или градирни относят следующие: 

• Эксплуатация оборудования при повышенной температуре окружающей среды.
• Воздействие внешних факторов – попадания песка, пыли, грязи внутрь агрегата.

Обеспечить высокую эффективность, надежность и стабильность теплообменных агрегатов призвана адиабатическая система охлаждения. 

Принцип действия адиабатической системы охлаждения

Ее задача сводится к охлаждению забираемого снаружи воздуха посредством распыления воды из форсунок. При испарении влаги поглощается тепло, и температура воздуха понижается на несколько градусов.

Использование такой системы обеспечивает поступление в конденсатор уже охлажденного наружного воздуха, и теплообменный агрегат работает в нормальном режиме. Применение адиабатической системы наиболее оправдано в период летнего зноя, когда холодильные агрегаты работают с превышением максимальной нагрузки. 

В чиллерах используется адиабатическая система типа ChillBooster. Она обеспечивает охлаждение наружного воздуха посредством испарения распыляемой воды. В летнюю жару наружный воздух имеет слишком высокую температуру и выполнять роль охладителя в теплообменнике никак не может. Его орошение холодной водой позволяет достичь оптимальной рабочей температуры и создать комфортные условия для работы чиллера. 

Составные детали адиабатической системы охлаждения

В состав охлаждающей установки адиабатического типа входят следующие элементы:

• подающий воду насос,
• контроллер подачи и расходования воды,
• защита от перегрева,
• клапан отключения,
• стальные модульные коллекторы,
• форсунки, распыляющие воду,
• дренажная распределительная система,
• шланги и крепления,
• защита от УФ.

Обязательным условием использования такой системы охлаждения воздуха является доступность воды в нужном объеме. 

Требования к качеству воды для адиабатической системы

Учитывая, что охлажденный и увлажненный системой воздух поступает в теплообменник, то к чистоте и составу воды предъявляются высокие требования. Агрегат может работать на необработанной или деминерализованной воде. Но при использовании необработанной воды ее примеси будут скапливаться на поверхности теплообменника в виде отложений, тормозящих его работу. В этом отношении более рационально применять очищенную деминерализованную воду. 

Для очистки воды от загрязнений, солей и минералов могут дополнительно использоваться специальные установки. В любом случае во избежание загрязнения теплообменника и скапливания отложений на его поверхности рекомендуется использовать установки адиабатического охлаждения воздуха не более 200 часов в год.

Назад в раздел

remont-chillera.ru

Адиабатическое охлаждение ЦОД

До 35-40 % всей энергии, потребляемой ЦОДом, расходуется на охлаждение серверных стоек и инженерных систем. Адиабатический принцип охлаждения дата-центра позволяет заметно снизить энергопотребление в сравнении с традиционными системами. Экономичный способ охлаждения ЦОДа будет реализован в дата-центре компании DataPro в Москве.

Погода в ЦОДе

За последние годы плотность размещения оборудования в дата-центрах существенно увеличилась, а вместе с ней выросли и расходы на электропитание. В российских коммерческих дата-центрах одна стойка в среднем потребляет от 3 до 10 кВт — примерно столько же от нее приходится отводить тепла. При этом самый весомый «вклад» а общий ландшафт энергопотребления вносят системы охлаждения: их доля достигает 35-40 %.

В стремлении оптимизировать традиционную схему, специалисты пытались отводить тепло путем применения более эффективных хладагентов и за счет выбора оптимальных параметров работы системы. Но эти были полумеры, которые не позволяли добиться существенной экономии.

Самое энергоемкое звено в традиционной схеме охлаждения —  это компрессор и конденсаторные агрегаты. Отказ от этих компонентов в сочетании с использованием холода наружного  воздуха (freecooling —  именно так по-научному называется использование естественного охлаждения) стал первым революционным шагом на пути к оптимизированной, низкозатратной в отношении энергоресурсов системе охлаждения. Этот подход взяли на вооружение многие дата-центры мира. Принцип фрикулинга сегодня широко применяется и во многих ЦОДах России —  в основном в тех регионах, где на протяжении многих месяцев держится низкая температура за окном. Очевидно, применение такой технологии вполне оправдано в Мурманске или Норильске. Но можно ли построить энергоэффективный ЦОД в жарком климате? Для российских дата-центров этот вопрос тоже не праздный, так как в летние месяцы в средних и даже северных широтах температура воздуха бывает довольно высокой.

Горячее охлаждение

ЦОД «Меркурий» компания eBay

Как ни парадоксально, но во всем мире известно немало примеров расположения дата-центров в жарком климате —  в условиях, гораздо более экстремальных по сравнению с российскими. К примеру, ЦОД «Меркурий» компания eBay построила в американском городе Финикс, штат Аризона —  в жаркой пустыне, где столбик термометра летом достигает 50 градусов C. И это при том, что для бизнеса eBay чрезвычайно важен такой фактор как непрерывность и время реакции приложения на запрос пользователей по всему миру —  каждую секунду на портале этой компании заключается громадный объем сделок общей суммой около 2 тыс долларов. То есть безотказность всех систем ЦОДа стоит в списке приоритетов на первом месте. Казалось бы, для охлаждения такого ЦОДа разумнее было бы расположить его в северных широтах.

И, тем не менее, eBay построила свой ЦОД именно в Аризоне, — и не прогорела.  Казалось бы, об использовании внешнего воздуха и речь не могла идти. Но, проанализировав все имеющиеся возможности снижения уровня потребления энергии, эксперты eBay пришли к выводу, что именно фрикулинг лучше всего обеспечит требуемую эффективность нового ЦОД в пустыне. Секрет в том, что в сочетании с фрикулингом на этом объекте было применено адиабатное увлажнение.

Ветер с моря дул

Уже давно было замечено, что воздух, приходящий с моря, прохладнее, чем степной ветер, дующий в направлении акватории. В Древнем Риме таким образом охлаждали дома: под распахнутыми окнами располагался бассейн с фонтаном: проходя над водой, воздух охлаждался в результате ее испарения.

На этом принципе основаны и мокрые градирни, —  один из самых старых методов охлаждения, который активно используется на производствах. Принцип действия этих систем основан на охлаждении воды потоком воздуха, продуваемого через ее поверхность.

Более продвинутый вариант этого процесса применяется в адиабатических системах охлаждения воздуха.

Экономика вопроса

Адиабатическое охлаждение ЦОД —  недорогая и надежная система, в которой отсутствуют сложные агрегаты и не требуется резервирование узлов. Для реализации адиабатического увлажнения практически не требуется затрат электроэнергии — расходуется только вода. Таким образом, стоимость охлажденного воздуха низка, что при правильном его использовании может существенно повысить энергоэффективность систем кондиционирования.

В целом оборудование современных ЦОДов неплохо переносит и более высокую температуру, и увеличение влажности воздуха. В качестве допустимых границ используются параметры, рекомендованные ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). В первой редакции этих рекомендаций, опубликованной в 2004 г., был установлен верхний предел в 25 градусов Цельсия при влажности 40%, во второй (2008 г.) – 27 градусов при влажности 60%. В рекомендациях 2011 года появились два новых класса оборудования для ЦОДов – А3 и А4 с температурным диапазоном до 40 и 45 градусов. Хотя такое «жаркое» охлаждение еще не распространено повсеместно, любители инноваций активно начинают его использовать. Это позволяет существенно расширить географию применения «зеленого» охлаждения.

Адиабатическое охлаждение требуется далеко не всегда, —  только в самые жаркие месяцы. В холодное время года охлаждение идет с помощью внешнего воздуха. Не так давно системы адиабатического охлаждения в основном использовались в регионах с сухим и жарким климатом. Но последние разработки производителей климатического оборудования показали большой потенциал использования систем адиабатического охлаждения в европейских регионах с умеренным климатом.

— Следует отметить, что ни начальная температура воды, ни температура воздуха на процесс практически не влияют, —  в отличие от влажности, —  поясняет Михаил Балкаров, технический эксперт компании Emerson Network Power. —  Так что если ЦОД находится в пустыне, но при этом имеет источник воды, получается вполне эффективная система. А вот если идет дождь при температуре воздуха плюс 25 градусов Цельсия, то, увы, никакого охлаждения из системы извлечь не удастся, поскольку во время дождя влажность наружного воздуха близка к 100%.

Михаил отмечает, что необходимо учитывать локальные аномалии влажности, возникающие рядом с крупными водоемами. Кроме того,  в российских регионах с переменчивой погодой, возможно, придется иметь одновременно две системы — традиционную и  альтернативную, что заметно увеличит размер капитальных инвестиций и может свести к нулю все попытки сэкономить.

Недостатком метода адиабатического охлаждения становится также увеличение влажности воздуха. Могут возникнуть опасения, что влажность станет угрозой для чувствительного электронного оборудования в дата-центре. Один из  примеров такого инцидента рассматривается ниже (см. раздел «Facebook под дождем»).

Среди других недостатков системы адиабатического охлаждения эксперт отмечает расход воды и необходимость эту воду подготавливать. «Воды тратится порядка 2 л/ч на 1 кВт/ч в пике потребления и порядка 0,3 л/ч в теплый сезон в среднем, —  рассказывает Балкаров. —  Это  заметные деньги, а считая с расходами на очистку, — еще более заметные».

Очищать воду нужно, подчеркивает Михаил Балкаров, потому что при испарении все минералы оказываются в воздухе в виде мелкой пыли. «И если для градирен это достаточно дешевый процесс, связанный с грубой очисткой, —  очищение в основном предусмотрено для предотвращения накипи, —  то форсунки в адиабатической системе требуют микрофильтров и осмотической фильтрации», —  объясняет эксперт. Так что не только стоимость системы, но и эксплуатационные расходы возрастают».

При использовании адиабатического охлаждения следует помнить о том, что придется решать еще и вопросы водоснабжения, водоотведения и водоподготовки, которые, в свою очередь, перетекут в проблемы архитектуры и строительных конструкций. Не стоит забывать и о стоимости воды. Пока ее цена несравнима со стоимостью электроэнергии, но она постоянно растет.

Коэффициент WUE

Использование систем адиабатического охлаждения приводит к снижению PUE и энергопотребления, но при этом расход воды может быть очень велик. Поэтому организация Green Grid в марте 2011 г. ввела еще один параметр, характеризующий полезное потребление воды в дата-центре, – коэффициент использования воды WUE (Water Usage Effectiveness). Коэффициент рассчитывается по формуле:

WUE = годовое потребление воды / мощность ИТ-оборудования 

Единицей измерения WUE является л/кВт/ч.

Facebook стал первым оператором дата-центра, который открыто поделился значением WUE . В ЦОДе, расположенном в г. Прайнвилль во втором полугодии 2011 г. этот параметр составлял 0,22 л/кВт*ч.

В целом использование адиабатического  охлаждения позволяет добиться высокой энергоэффективности ЦОДа: коэффициент PUE может достигать значения 1,043, за счет того, что вспомогательное оборудование, включая систему охлаждения, даже летом потребляет всего около 4% электроэнергии энергии ЦОДа, а зимой – и того меньше (в зимний период PUE –  около 1,018). Эффективность компрессорно-конденсаторных систем на основе чиллеров или DX-кондиционеров существенно ниже, для них PUE = 1,3 – великолепный результат.

Упомянутый в начале статьи ЦОД «Меркурий» площадью 12 600 квадратных метров и мощностью 4 МВт функционирует уже больше года. Использование фрикулинга совместно с адиабатным испарительным охлаждением в этом ЦОДе доказало свою эффективность.

ЦОДы Facebook

Адиабатическая система охлаждения в ЦОД Facebook

Еще один яркий пример использования новых технологий охлаждения – ЦОДы Facebook. Первый собственный дата-центр Facebook построила в американском  городке Прайнвилль, в 2010 году. Через год был построен второй, дублирующий дата-центр в Форест-Сити, штат Северная Каролина. Коэффициенты энергоэффективности (PUE) этих площадок составляют: 1,07 для ЦОД в Прайнвилле и 1,09 — для ЦОД в Форест-Сити. Этого удалось достичь только благодаря снижению потерь при передаче и преобразовании электроэнергии, а также более высоким рабочим температурам воздуха внутри ЦОДа  (допускается +35 °C в стойках в холодном коридоре).

В дата-центрах установлена традиционная система охлаждения, но используется она только в аварийных случаях. Основная же система кондиционирования воздуха — прямой фрикулинг с несколькими камерами подготовки воздуха, через которые проходит наружный воздух.

Первоначально воздух извне забирается воздухозаборниками на втором ярусе и поступает в камеру подготовки, где фильтруется и смешивается с горячим воздухом. Далее воздух проходит через холодильные панели. Они представляют собой камеру увлажнения с большим количеством труб, разбрызгивающих дистиллированную воду форсунками под высоким давлением, благодаря чему повышается влажность и понижается температура продуваемого воздуха. Чтобы мелкодисперсная влага не могла проводить электричество, используют дистиллированную воду. Далее на пути воздуха стоят мембранные фильтры, отделяющие крупные частицы влаги. Затем воздух мощными вентиляторами направляется в машинный зал. Отработанная вода собирается в специальном резервуаре и очищается.

Фейсбук под дождем

Однажды внутри охлаждаемого помещения дата-центра компании Facebook в Прайнвилле образовалось облако влаги, которое в буквальном смысле накрыло собой серверные помещения вместе с их (извините за каламбур) «облачными» вычислениями.

В 2001 г. этот дата-центр столкнулся с проблемой в работе системы управления, из-за чего температура воздуха, используемого для охлаждения серверов, достигла более 26 градусов Цельсия, а влажность — свыше 95%. В результате стал накапливаться конденсат и образовалось дождевое облако, заполнившее собой  все пространство с вычислительным оборудованием. В происходящее было невозможно поверить. Начались звонки коллегам в центр эскалации проблем, а те долго не могли вникнуть, о каком дождевом облаке идет речь? Проще было убедить их в том, что яблони зацвели на Марсе, чем в сказку о дожде.

Ради экономии электричества Facebook использовал наружный воздух для охлаждения своего дата-центра вместо традиционной системы. Но после того как система управления вышла из строя, началась рециркуляция подогретого воздуха с низким уровнем влаги через систему охлаждения на базе водяного испарителя.

Это привело к тому, что воздух сильно увлажнился и образовалось облако, которое натворило много бед. Некоторые серверы полностью вышли из строя: те специалисты, кто находился  в дата-центре, могли наблюдать, как искрят и агонизируют серверы. Хуже ничего и представить было невозможно. Впрочем, инцидент больше не повторился: специалисты Facebook тщательно изолировали контакты в местах подключения серверов к источникам питания, защитив их от влаги.

А что в России?

Адиабатические системы охлаждения в России пока не очень популярны, но специалисты считают, что в ближайшие годы проектировщики дата-центров будут проявляет к ним все больший интерес. Причина тому — Федеральный Закон ФЗ-261, который устанавливает жесткие рамки для энергопотребления и требует повышения энергетической эффективности на 40 % к 2020 году. Единственный возможный сценарий, который позволит удовлетворить такие требования — это переход на фрикулинг в сочетании с адиабатическим охлаждением. И первые примеры таких внедрений уже есть. В частности, данный принцип охлаждения будет использован в  новом строящемся дата-центре  компании DataPro в Москве.

Проект этой площадки подразумевает использование экономичного в эксплуатации решения для обеспечения необходимых климатических условий — модульной системы EcoBreeze производства Schneider Electric. Компания DataPro планирует реализовать крупнейшую в Европе инсталляцию данной системы в собственном мега-ЦОДе в Москве на Авиамоторной улице — объекте с установленной мощностью 20 МВт. Система EcoBreeze построена с использованием принципа мокрой градирни (разновидности технологии адиабатического охлаждения) в сочетании с фрикулингом, о которых говорится в данной статье. В Москве, где установлены высокие тарифы на электроэнергию, использование этой системы позволит добиться существенной экономии операционных расходов в дата-центре.

«Технические решения с использованием адиабатического охлаждения нельзя назвать инновационными, поскольку они успешно применяются во многих ЦОДах за рубежом, — поясняет Алексей Солдатов. — Но использование  этого  принципа в российских дата-центрах — явление редкое. Инсталляция EcoBreeze на нашей московской площадке    — одно из первых внедрений».

А вот на другом объекте, в дата-центре компании DataPro в Твери, для охлаждения серверных помещений и электротехнического оборудования используется традиционный принцип с использованием фреоновых трасс, что обусловлено невысокими капитальными затратами и низкими тарифами на электроэнергию.

На объекте в Твери применяется еще одна разновидность адиабатического принципа —   изотермическое увлажнение для поддержания необходимого уровня влажности в серверных помещениях, о нем мы расскажем в нашей следующей статье.

Принцип действия

Михаил Балкаров. Отрывок из книги «Охлаждение серверных и ЦОД. Основы.», 2011 г.

Принцип действия адиабатической системы охлаждения состоит в распылении воды в виде мельчайших капель, которые впрыскиваются в горячий воздух. (Вода при этом должна быть очищена от всяческих примесей.) Вода, испаряемая в воздухе, способна охладить его до температуры, близкой к температуре мокрого термометра.

Строго теоретически предел охлаждения в этом процессе заметно ниже и равняется температуре точки росы. Для реализации этой возможности достаточно часть исходного воздуха охладить до температуры мокрого термометра испарением воды, а потом с его помощью охладить остаток, не увлажняя. Далее холодный воздух также увлажняется, приобретая более низкую температуру. Процесс можно повторить еще раз с частью воздуха, достигнув температуры, близкой к точке росы. Единственная очевидная техническая трудность достижения минимально возможной температуры —  увеличение в несколько раз требуемых объемов подаваемого воздуха и площади теплообменника.

Подобные системы делают либо по принципу мокрых градирен, —  то есть используют большую поверхность пластин, покрытую тонкой пленкой воды, —  либо распыляют воду под давлением в несколько сот атмосфер, через микронные форсунки, очень мелкими каплями непосредственно в воздуховоды.

Далее либо происходит обмен температурой с тем, что необходимо охладить, либо влажный воздух напрямую используется для охлаждения оборудования. Расход воды составляет около 2 Кг на 1 кВт/ч отводимого тепла. Поскольку испаряется большая часть воды, —  соответственно растут требования к ее химическому составу, что требует использования ионнообменных фильтров или фильтров обратного осмоса.

При использовании форсунок строгие требования предъявляются к механическим загрязнениям, требуется установка микрофильтров после насоса высокого давления. Эти усложнения связаны с тем, что начиная с определенного размера капли процесс испарения происходит очень быстро, и за счет этого значительно уменьшаются размеры оросительной камеры.

Использование форсунок большего диаметра, среднего и низкого давления, проще с точки зрения эксплуатации форсунок и процесса водоподготовки. Но при  этом часть воды не участвует в процессе и сливается (капли не успевают испарится полностью), кроме того размеры камер увлажнения становится сопоставимым с остальными помещениями системы.

Источник: TelecomBloger.ru

hpc-lc.ru