Применение прямого freecooling (freshcooling) на базе прецизионного кондиционирования STULZ

Почему freecooling (freshcooling)– это важно

Одним из важнейших показателей работы ЦОД является PUE – отношение суммарно потребляемой энергии к энергии, потраченной на IT-оборудование. Чем меньше его значение, тем выше энергоэффективность ЦОД, поэтому все стремятся снизить этот показатель, и сейчас в мире уже действует ряд объектов, где значение PUE достигает 1,1–1,2.

Существует два основных вида фрикулинга: косвенный и прямой. Косвенный не предполагает прямого контакта холодной среды со средой охлаждаемого воздуха – это, например, чиллер с фрикулингом или приточно-вытяжная установка с промежуточным рекуператором воздуха. Мы же поговорим о прямом фрикулинге – иногда его еще называют фрешкулинг, потому что охлаждение происходит за счет холодного воздуха с улицы, который подается непосредственно в помещение дата-центра. Именно фрешкулинг позволяет достичь таких значений PUE, о которых говорилось выше.

Само применение фрешкулинга стало возможным с развитием технологий IT-оборудования – расширились допуски, предъявляемые к нему согласно стандарту ASHRAE, и стало возможным подавать воздух непосредственно в помещение ЦОД.

Упираемся в габариты

Почему интересна тема реализации системы охлаждения на базе прецизионного кондиционера с применением фрешкулинга?

Одно из очевидных преимуществ – габариты, особенно если речь идет о небольших серверных или дата-центрах, где основная площадь занята серверными стойками. У системы с прецизионным кондиционером компактный размер и очень маленькая сервисная зона: она расположена всего с одной (фронтальной) стороны и занимает порядка 1200 мм. Что касается систем центрального кондиционирования на базе приточно-вытяжных установок, то они весьма габаритны и требуют наличия специальных площадок и конструкций для монтажа. Кроме того, приточная система нуждается в большой сервисной зоне, равной 1,3 от ширины установки, – при проектировании это приходится учитывать.

Системы фрешкулинга на базе прецизионного кондиционера STULZ примечательны еще и тем, что скорость на испарителе всегда менее 2,9 м/с, а испаритель стоит под наклоном по отношению к движению воздуха. Это позволяет избежать срыва капель – следовательно, не нужен каплеотделитель. Все это конструктивно реализовано в прецизионном кондиционере.

Обратим внимание также на то, за счет чего достигается прецизионность поддержания параметров у кондиционеров STULZ. К примеру, рассмотрим технические данные прецизионного кондиционера CyberAir 3 ASR 1082 А. Температура кипения в заданном режиме – 16,3 °С, а температура выхода из кондиционера в холодный коридор – всего 18 °С. Т. е. дельта между охлаждающей поверхностью и подачей составляет менее 2 °С. Это говорит о том, что у испарителя очень большая теплообменная поверхность – за счет этого и достигается прецизионность параметров охлаждения. При расчете подобных систем на базе приточно-вытяжных установок используется температура кипения, как правило, в диапазоне 5–10 °С, т. е. поверхность испарителя в решениях с применением приточно-вытяжных кондиционеров будет всегда меньше по сравнению с решением на базе прецизионного кондиционера STULZ.

В систему фрешкулинга на базе прецизионного кондиционера входят: сам прецизионный кондиционер, вентгруппа и камера смешения с фильтрами и группой клапанов.

Для наглядности рассмотрим в качестве примера один из текущих проектов. У заказчика имеется ЦОД всего на 430 кВт с заданной температурой горячего коридора 31 °С и холодного коридора 18 °С.

На рис. 1 видно, насколько компактной получилась система. При разработке такой системы на базе центрального кондиционирования пришлось бы выносить вентустановки за контур ЦОД: их длина составит почти 5 м, высота – столько же. Кроме того, потребовалась бы большая сервисная зона, а также дополнительный фундамент, так как пришлось бы поднимать установки как минимум на высоту снежного покрова. При этом эффективность охлаждения и точность поддержания температуры у обоих вариантов одинаковы.

Как уже говорилось, применение таких решений стало возможным благодаря расширению диапазона поддержания температуры в холодном коридоре. Сейчас, согласно стандарту 2008 ASHRAE Environmental Guidelines for Datacom Equipment, допускается забор воздуха серверами при температуре от 18 до 27 °С, при этом влажность нормируется не выше 60 %. Поэтому можно использовать систему фрешкулинга до 20 °С без дополнительного охлаждения.

Как работает система фрешкулинга на базе прецизионного оборудования?

Есть несколько режимов в зависимости от температуры воздуха (рис. 2–4). К примеру, в горячем коридоре нужно поддерживать температуру не более 25 °С, а в холодном – 17 °С.

Если температура уличного воздуха выше 25 °С, то система работает в режиме полной рециркуляции и охлаждение осуществляется контуром DX, когда холодильная машина работает на 100 %.

В диапазоне 19–24 °С происходит 100 %-ный воздухообмен. Воздух забирается с улицы и нагнетается в ЦОД. Доохлаждение осуществляется контуром DX. Таким образом, происходит вытеснение тепла из ЦОД либо через переточные решетки с клапанами, либо через вытяжные вентиляторы, которые ставятся, чтобы занизить выбросные отверстия.

При температуре от 0 до 17 °С происходит подмес воздуха в камере смешения – точка смеси в камере держится на уровне подачи в холодный коридор. Таким образом, доля выбрасываемого воздуха уменьшается, т. к. и количество воздуха, забираемого с улицы, тоже снижается.

При температуре ниже –1 °С наступает вероятность обмерзания первого фильтра при смешении. Чтобы ее исключить, предусмотрена установка дополнительного (третьего) клапана, который называется клапаном оттайки фильтра.

При –1 °С клапан открывается – это первая ступень подмеса горячего воздуха к холодному. Таким образом, на фильтр уже поступает более теплый воздух, и далее, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление, дальнейшее смешение воздуха происходит после двух кассет фильтра.

Поддержание относительной влажности

Дело в том, что параметр относительной влажности напрямую зависит от температуры, поэтому очень важно, где именно хочет нормировать влажность заказчик: в горячем либо холодном коридоре. Рекомендованный уровень влажности должен находиться в пределах 30–60 %, а допустимый – 20–80 %.

На наш взгляд, нужно ориентироваться на допустимый диапазон и поддерживать влажность на выходе из горячего коридора по минимальному значению. Таким образом, мы всегда будем поддерживать требуемую влажность на входе в холодный коридор.

Так как мы работаем с большим количеством свежего воздуха, а зимой он сухой, его приходится увлажнять. Существует несколько типов увлажнителей для этой задачи (рис. 5): пароувлажнители и увлажнители испарительного типа (адиабатические).

Пароувлажнители характеризуются высоким уровнем энергопотребления, поэтому для ЦОД становятся все более популярны увлажнители второго типа. Они потребляют мало электроэнергии, потому что вода в них испаряется за счет теплого воздуха и при этом воздух дополнительно охлаждается. В совместных проектах «СМАРТЛЮФТ» и HTS все чаще применяются именно увлажнители испарительного типа.

Так как многое упирается в габариты, заказчик часто просит разработать специальную циркуляционную камеру с функцией поддержания влажности. Поэтому мы разработали конструктив, который позволяет решить эти задачи, и интегрировали увлажнитель испарительного типа непосредственно в саму камеру смешения.

Что собой представляет камера смешения? Это фильтр-бокс, в котором установлена группа клапанов и несколько ступеней фильтров. В базовом исполнении камера оснащается негорючими теплоизоляционными панелями с плотностью тепловаты 100 кг/м³. Профили алюминиевые, а стенки сделаны из оцинкованной стали, по желанию заказчика они могут быть окрашены. Возможно применение клапанов с электроподогревом (для холодных регионов), установка различных комбинаций фильтров, а главное – камера может быть любой, но геометрически правильной формы.

Если заказчик не хочет устанавливать увлажнитель в камеру, его можно установить непосредственно под фальшпол – система так или иначе получится замкнутой. Как вариант – установить в горячем коридоре отдельно стоящий увлажнитель с собственным вентилятором, который будет обеспечивать поддержание в горячем коридоре заданного уровня влажности.

Пандемия COVID-19 показала, что заказчики начали задумываться не только о поддержании влажности, но и о борьбе с вирусами. Поэтому появился ряд запросов по модернизации уже существующих проектов – они доукомплектовывались, например, фильтрами HEPA или УФ-лампой.

www.h-ts.ru