Як відомо, адіабатне зволоження дозволяє не тільки підвищити вологість повітря, але і знизити його температуру, тим самим поєднавши воєдино процеси зволоження та охолодження. При цьому для реалізації адіабатного зволоження практично не потрібні витрати електроенергії — витрачається лише вода. Таким чином, вартість охолодженого та зволоженого повітря низька, що при правильному його використанні може суттєво підвищити енергоефективність різних систем.

Адіабатне зволоження повітря у приміщенні

Найбільш простим застосуванням процесу адіабатного зволоження є охолодження вентиляційного повітря як припливного, так і рециркуляційного. Охолодження відбувається без застосування парокомпресійного холодильного циклу та суттєвих енерговитрат. Однак отримане повітря містить багато вологи, і безпосередня подача його до приміщення створить некомфортні для людини умови.

Наприклад, при адіабатному зволоженні стандартного для Московського регіону зовнішнього повітря з температурою 28 °C та ентальпією 54 кДж/кг (відносна вологість 43%) до комфортних для людини 22 °C вологість зросте до 74%, що вище за рекомендований максимум у 60%.

Ситуація стає ще гіршою, якщо зовнішнє повітря буде ще теплішим або вологішим (адіабатне охолодження з 26°C/55% до 22°C призведе до 78% на виході, а з 30°C/40% — до 82%).

Таким чином, пряме охолодження повітря методом адіабатного зволоження обмежується граничною вологістю повітря 60%, тому його доводиться розглядати лише як допоміжний процес при створенні комфортного мікроклімату в приміщенні. Один із способів створення комфортних умов за участю адіабатного зволоження — непрямо-випарне охолодження — було розглянуто у статті «Розрахунок непрямо-випарної системи охолодження» («Світ клімату» №71).

Адіабатне зволоження повітря перед конденсатором

Інший варіант використання адіабатного зволоження - попереднє охолодження повітря, яке подається до конденсатора системи кондиціювання. Цей спосіб найбільш затребуваний у теплу пору року.

При цьому немає різниці, яка саме система кондиціювання розглядається — побутова спліт-система, мультизональна система чи система холодопостачання на основі чилерів. Також не має значення та виконання конденсатора (вбудований або виносний), хоча, безумовно, подібні рішення простіше застосовувати у поєднанні з виносним конденсатором. Більше того, система, що розглядається, придатна для використання не тільки з конденсаторами, але і з сухими градирнями (драйкулерами).

В основі рішення — той факт, що від температури повітря, що охолоджує конденсатор, залежить температура конденсації холодоагенту в парокомпресійному холодильному циклі і чим нижча ця температура, тим нижча енерговитрата системи охолодження, тобто вища її енергоефективність.

Як відомо, зниження температури конденсації на 1 °C призводить до підвищення холодильного коефіцієнта на 3%. Відштовхуючись від ID-діаграми можна зробити висновок, що адіабатне зволоження цілком здатне знизити температуру конденсації навіть на 10 °C. А це вже на третину зросла енергоефективність системи кондиціювання.

Принципово схема адіабатного зволоження повітря перед конденсатором виглядає так (рис. 1): вода з джерела водопостачання проходить через систему очищення, далі вона нагнітається насосом і розпорошується через форсунки в потік повітря перед конденсатором. Зовнішній вигляд установки представлено на рис. 2.

Склад системи

Загалом система адіабатного зволоження повітря перед конденсатором складається з наступних елементів:

• система управління із вбудованим регулятором;
• труби з виготовленими на замовлення інжекторами (форсунками) – на рис. 3, змонтованими на стороні забору повітря;
• електричний клапан для дренажу;
• редуктор із манометром для встановлення потрібного тиску води для ефективного розпилення;
• Softwater (пом'якшувач води) - електронний прилад, що зменшує жорсткість води для запобігання відкладення вапняного осаду на оребреній поверхні теплообмінного апарату (конденсатора);

електричний клапан для керування подачею води;

• термостат захисту від замерзання води в холодну пору року;
• шафа управління, захищена від впливу води (виконання IP65 при встановленні на вулиці біля системи зволоження).

Мал. 3. Зовнішній вигляд форсунок

Ефективність зволоження безпосередньо залежить від ступеня розпилення води, тобто від діаметра одержуваних крапель. У форсунках, які застосовуються в системах адіабатного зволоження, діаметр крапель, як правило, лежить у діапазоні 0,06-0,08 мм.

Ще однією важливою для оцінки перебігу суміші повітря з краплями води характеристикою є швидкість витання краплі. Якщо швидкість витання краплі менше швидкості повітряного потоку, створюваної вентилятором конденсатора, то крапля виноситься повітрям. Винесення краплі за кордон теплообмінника, очевидно, небажане. У табл. 1 наведено характерні швидкості витання краплі залежно від діаметра.

Таблиця 1. Залежність швидкості витання краплі від діаметра

d краплі, мм	v ВІТ, м/с
0,01	0,47
0,05	1,06
0,1	1,48
0,2	2,1
0,3	2,57
0,5	3,32
0,8	4,2
1,0	4,7
2	6,62
3	8,12
4	9,35
5	10,5
7	12,4
8	13,3
9	14,1
10	14,8

Для зменшення виносу крапель за конденсатор швидкість повітря рекомендується обмежувати 2-2,3 м/с.

Розрахунок системи адіабатного зволоження з використанням форсунок

Тепло- та масообмін у камерах характеризується ставленням реального теплообміну до максимально можливого теплообміну в ідеальній камері. Це ставлення у випадку виражається формулой:

де I 1 I 2 - початкова і кінцева ентальпії повітря, кДж / кг; І” в. н. - ентальпія насиченого повітря біля поверхні води за її початкової температури; ΔI, ΔI і - відповідно реальний та максимальний (ідеальний) перепади ентальпій.

Як характеристики ефективності процесів тепло- і масообміну прийнято два коефіцієнти ефективності:

де t ст.н., t ст.к. - Початкова і кінцева температури води, ° C; t c1 , t c2 , t м1 , t м2 — початкові та кінцеві температури повітря за сухим та мокрим термометрами, °C.

Коефіцієнт Е'названий універсальним тому, що експериментальна перевірка показала його придатність для опису та розрахунку всіх процесів обробки повітря водою.

При цьому відзначимо, що при ізоентальпійних (адіабатних) процесах t м2 = t м1 тому Е а = Е '.

У розрахунках процесів, що протікають із зміною ентальпії повітря, додатково використовують рівняння теплового балансу між повітрям та водою:

де B = W/G - коефіцієнт зрошення.

Коефіцієнти E, E' і E a залежать від діаметра отвору, що випускається. Зокрема, при діаметрі 5 мм маємо:

де v і ρ - Швидкість і щільність повітря відповідно; формула застосовна для тиску води до 2,5 бар.

Для інтервалу температур по мокрому термометру 8 ° C - 20 ° C рівняння теплового балансу наближено можна представити так:

З рівнянь (1), (2) та (3) можна отримати формули для визначення температур повітря та води:

Спільне використання рівнянь, що описують зміни коефіцієнтів Е' та Е, та рівняння теплового балансу дозволяє виконувати будь-які розрахунки, включаючи відшукання невідомих кінцевих або початкових параметрів повітря. Основними параметрами, які слід визначити при розрахунку систем адіабатного зволоження, що розглядаються, є температура зволоженого повітря, кількість необхідної для зволоження води.

Практичні аспекти реалізації системи

З практичної точки зору важливими є характеристики води, що подається.

Максимальна жорсткість води повинна бути в межах 8-12°Ж (°Ж - градус жорсткості, одиниця виміру жорсткості води, введена в Росії з 2005 року і відповідна концентрації лужноземельного елемента, чисельно рівної 1/2 його моля, вираженої в мг/ дм 3 - 1°Ж = 1 мг-екв/л). Іншими словами, максимальний вміст CaCО 3 становить 80-120 частин на мільйон.

Значення рН (рH - водневий показник; величина, що характеризує концентрацію іонів водню) води має бути менше 7 для запобігання появі корозії на ореброваній поверхні теплообмінника.

Для правильної роботи розпилювальної системи надлишковий тиск води перед форсункою має бути не менше 2,5 бара. Витрата води для однієї форсунки залежить від конкретної моделі інжектора, при тиску 2,5 бар він може коливатися від 1,15 до 1,9 л/хв. (69-114 кг/год).

З погляду компонування системи необхідно, щоб розпилена вода не долітала до конденсатора, так як її поява на поверхні теплообмінника погіршить тепловіддачу і, отже, ускладнить процес конденсації. Тому відстань від форсунок до межі теплообмінника становить 20-50 см.

Крім того, зазначимо, що на практиці далеко не завжди вдається досягти повного випаровування розпорошеної води. Тому, якщо установка розташована на висоті, а падіння води, що не випарувалася вниз небажано, необхідні установка піддону і відведення дренажу в систему каналізації. Однак найчастіше подібні схеми реалізуються для конденсаторів, розташованих безпосередньо на землі, або на покрівлі будівлі. У цих випадках зазвичай наявність піддону не потрібна.

Додаткові переваги

Використання системи зволоження повітря перед конденсатором дає низку додаткових переваг. Зокрема, суха градирня або виносний повітряний конденсатор підбирається з розрахунком на використання за нижчої температури зовнішнього повітря, що дозволяє зменшити розміри теплообмінної поверхні, а значить, і розміри самого апарату. Відзначимо і можливість охолодження рідини за більш високої температури зовнішнього повітря. Це дозволяє використовувати обладнання при зовнішній температурі, що перевищує допустимий виробником ліміт, адже фактично подається холодніше повітря, температура якого знаходиться в допустимих межах.

Крім того, поєднання адіабатичної системи з інверторним частотним регулятором вентиляторів дозволяє знизити електроспоживання двигунів, значно знизити рівень звукового тиску та оптимізувати водоспоживання.

Адіабатне зволоження повітря та рекуперація

Ще однією важливою сферою застосування адіабатного зволоження є рекуперативні теплообмінники.

Як відомо, у теплу пору року рекуперація призначена для охолодження зовнішнього, теплішого, припливного повітря за рахунок витяжного, холоднішого. При цьому витяжне повітря викидається в навколишнє середовище, і, отже, з ним можна робити все що завгодно. У нашому випадку пропонується його зволожити адіабатним методом, в результаті завдяки одночасно отриманому охолодженню рекуперація тепла (або, в нашому випадку, холоду) стане більш ефективною.

Схема аналізованої системи представлена ​​рис. 4. Витяжне повітря потрапляє спочатку в секцію зволоження («1» на рис. 4), де охолоджується, і надходить у секцію рекуперації («2»), в якій охолоджує тепле припливне повітря.

Щоб оцінити зиск від використання секції адіабатного зволоження перед рекуператором, проведемо розрахунок даної системи.

Параметри зовнішнього повітря (точка «1», рис. 5):

• Розрахунковий тиск: Р розрахунок = 0,1 МПа.
• Температура зовнішнього повітря: t нар = +28 °C.
• Ентальпія зовнішнього повітря: i нар = +54 кДж/кг.
• Вологість зовнішнього повітря (визначається за I-d-діаграмою): ? нар = 43%.

Параметри внутрішнього повітря (точка «3», рис. 5):

• Температура, що підтримується в приміщенні: t пом = 22 °C.
• Вологість, що підтримується у приміщенні: φ пом = 55%
• Ентальпія повітря у приміщенні (визначається по I-d діаграмі): i пом = 45,5 кДж/кг.

Адіабатне зволоження теоретично дозволить досягти відносної вологості до φ = 100%, на практиці значення цього параметра буде близько 90%. Таким чином, параметри крапки після зволожувача (крапка «4», рис. 5):

• Вологість увл = 55%.
• Ентальпія i увл = 45,5 кДж/кг.
• Температура (визначається за I-d-діаграмою): t увл = 17 °C.

Для розрахунку вихідних параметрів можна скористатися параметром ефективності рекуперації (? = 30 ... 85% залежно від виду рекуператора). Для нашого випадку приймемо η=45% і визначимо температуру повітря припливу після рекуператора t річок (точка «2», рис. 5):

Зазначимо, що температуру трек можна визначити і виходячи з різниці температур на холодному кінці рекуператора (різниця температур між точками «2» і «4»). Досвід показує, що у системах із малим перепадом температур вона становить 2-6 °C. У нашому випадку вийшло Δt = t річок - t увл = 28-23 = 5 ° C, що добре корелює з досвідченими даними.

Якщо ж секція адіабатного зволоження витяжного потоку перед рекуператором була відсутня, температура припливного повітря після рекуператора склала б:

При витраті припливного повітря G повд = 10 000 м  3 /год економія в холодильній потужності складе:

та його щільність

З одного боку, це дозволяє заощадити на капітальних витратах, обравши холодильну установку потужністю майже на 30 кВт менше (за загальної потрібної холодопродуктивності 51,8 кВт економія 27,7 кВт становить понад 50%).

З іншого боку, якщо врахувати, що виробництво 3 кВт холодильної потужності витрачається 1 кВт електроенергії, забезпечується економія 9 кВт електроенергії.

Висновок

Таким чином, ефект охолодження в процесі адіабатного зволоження важко застосувати для безпосереднього охолодження повітря в приміщенні у зв'язку з тим, що отримане повітря хоч і матиме необхідну температуру, але його вологість помітно перевищить верхню межу комфортного діапазону.

Проте існує низка можливостей непрямого використання ефекту охолодження при адіабатному зволоженні — там, де вологість отриманого повітря немає значення, а інтерес становить лише низька температура.

Це повною мірою стосується повітря, яке охолоджує конденсатор або драйкулер холодильних установок. За рахунок установки для розпилення води можна знизити температуру конденсації холодоагенту на величину до 10 °C, а отже, підвищити енергоефективність системи кондиціювання до 30%.

Ще однією сферою застосування адіабатного зволоження є охолодження витяжного потоку перед секцією рекуперації припливної установки у теплу пору року. За рахунок зволоження в рекуператор надходить холодніше повітря і, отже, з'являється можливість отримати на виході холодніше припливне повітря.

Як показують практика та розрахунки, запровадження секції зволоження перед рекуператором дозволяє заощадити понад 50% холодильної потужності, необхідної для охолодження припливного повітря, що дасть позитивний економічний ефект як з точки зору капітальних витрат на холодильне обладнання, так і з точки зору експлуатаційних витрат на електроенергію та енергопостачання системи кондиціювання.

З усього вищесказаного випливає, що для енергоефективних рішень у галузі систем кондиціювання завжди слід мати на увазі такий інструмент, як адіабатне зволоження повітря.

Юрій Хомутський, технічний редактор журналу "Світ клімату"

У статті використано методику НДІ санітарної техніки для розрахунку адіабатної системи зволоження з використанням форсунок.

До 35-40 % усієї енергії, що споживається ЦОДом, витрачається на охолодження серверних стійок та інженерних систем. Адіабатичний принцип охолодження дата-центру дозволяє помітно зменшити енергоспоживання порівняно з традиційними системами. Економічний спосіб охолодження ЦОД буде реалізований в дата-центрі компанії DataPro в Москві.

Погода в ЦОДі

За останні роки щільність розміщення обладнання у дата-центрах суттєво збільшилася, а разом із нею зросли й витрати на електроживлення. У російських комерційних дата-центрах одна стійка в середньому споживає від 3 до 10 кВт – приблизно стільки ж від неї доводиться відводити тепла. При цьому найвагоміший «внесок», а загальний ландшафт енергоспоживання вносять системи охолодження: їхня частка сягає 35-40 %.

У прагненні оптимізувати традиційну схему фахівці намагалися відводити тепло шляхом застосування більш ефективних холодоагентів і за рахунок вибору оптимальних параметрів роботи системи. Але ці були напівзаходи, які не дозволяли досягти суттєвої економії.

Найенергоємніша ланка в традиційній схемі охолодження - це компресор та конденсаторні агрегати. Відмова від цих компонентів у поєднанні з використанням холоду зовнішнього повітря (freecooling – саме так по-науковому називається використання природного охолодження) стала першим революційним кроком на шляху до оптимізованої, низьковитратної щодо енергоресурсів системи охолодження. Цей підхід взяли на озброєння багато дата-центрів світу. Принцип фрикулінгу сьогодні широко застосовується й у багатьох ЦОДах Росії - переважно у регіонах, де протягом багатьох місяців тримається низька температура за вікном. Очевидно, застосування такої технології цілком виправдане у Мурманську чи Норильську. Але чи можна побудувати енергоефективний ЦОД у спекотному кліматі? Для російських дата-центрів це питання теж не пусте, тому що в літні місяці в середніх і навіть північних широтах температура повітря буває досить високою.

Гаряче охолодження

ЦОД "Меркурій" компанія eBay

Як не парадоксально, але в усьому світі відомо чимало прикладів розташування дата-центрів у спекотному кліматі – в умовах, набагато екстремальніших у порівнянні з російськими. Приміром, ЦОД «Меркурій» компанія eBay побудувала в американському місті Фінікс, штат Арізона – у спекотній пустелі, де стовпчик термометра влітку досягає 50 градусів C. І це при тому, що для бізнесу eBay надзвичайно важливий такий фактор як безперервність та час реакції програми на запит користувачів по всьому світу - кожну секунду на порталі цієї компанії укладається величезний обсяг угод на загальну суму близько 2 тис доларів. Тобто безвідмовність усіх систем ЦОД стоїть у списку пріоритетів на першому місці. Здавалося б, для охолодження такого ЦОД розумніше було б розташувати його в північних широтах.

Проте eBay побудувала свій ЦОД саме в Аризоні, - і не прогоріла. Здавалося б, про використання зовнішнього повітря і не могло йтися. Але, проаналізувавши всі можливості зниження рівня споживання енергії, експерти eBay дійшли висновку, що саме фрикулінг найкраще забезпечить необхідну ефективність нового ЦОД у пустелі. Секрет у тому, що у поєднанні з фрикулінгом на цьому об'єкті було використано адіабатне зволоження.

Вітер з моря дув

Вже давно було помічено, що повітря, що приходить із моря, прохолодніше, ніж степовий вітер, що дме у напрямку акваторії. У Стародавньому Римі таким чином охолоджували будинки: під відчиненими вікнами розташовувався басейн із фонтаном: проходячи над водою, повітря охолоджувалося внаслідок її випаровування.

На цьому принципі засновані і мокрі градирні - один із найстаріших методів охолодження, який активно використовується на виробництвах. Принцип дії цих систем ґрунтується на охолодженні води потоком повітря, що продувається через її поверхню.
Більше просунутий варіант цього процесу застосовується в адіабатичних системах охолодження повітря.

Економіка питання

Адіабатичне охолодження ЦОД - недорога та надійна система, в якій відсутні складні агрегати та не потрібне резервування вузлів. Для реалізації адіабатичного зволоження практично не потрібні витрати електроенергії - витрачається тільки вода. Таким чином, вартість охолодженого повітря низька, що при правильному використанні може істотно підвищити енергоефективність систем кондиціювання.

В цілому обладнання сучасних ЦОД непогано переносить і більш високу температуру, і збільшення вологості повітря. Як допустимі межі використовуються параметри, рекомендовані ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). У першій редакції цих рекомендацій, опублікованій у 2004 р., було встановлено верхню межу 25 градусів Цельсія при вологості 40%, у другій (2008 р.) – 27 градусів при вологості 60%. У рекомендаціях 2011 року з'явилися два нові класи обладнання для ЦОДів – А3 та А4 з температурним діапазоном до 40 та 45 градусів. Хоча таке «спекотне» охолодження ще не поширене повсюдно, любителі інновацій активно починають його використовувати. Це дозволяє суттєво розширити географію застосування «зеленого» охолодження.

Адіабатичне охолодження потрібно далеко не завжди, - тільки в спекотні місяці. У холодну пору року охолодження відбувається за допомогою зовнішнього повітря. Нещодавно системи адіабатичного охолодження в основному використовувалися в регіонах з сухим і жарким кліматом. Але останні розробки виробників кліматичного обладнання показали великий потенціал використання систем адіабатичного охолодження у європейських регіонах із помірним кліматом.

Слід зазначити, що ні початкова температура води, ні температура повітря на процес практично не впливають - на відміну від вологості, - пояснює Михайло Балкаров, технічний експерт компанії Emerson Network Power. - Отже, якщо ЦОД знаходиться в пустелі, але при цьому має джерело води, виходить цілком ефективна система. А от якщо йде дощ за температури повітря плюс 25 градусів Цельсія, то, на жаль, ніякого охолодження з системи витягти не вдасться, оскільки під час дощу вологість зовнішнього повітря близька до 100%.

Михайло зазначає, що необхідно враховувати локальні аномалії вологості, що виникають поряд із великими водоймами. Крім того, у російських регіонах з мінливою погодою, можливо, доведеться мати одночасно дві системи – традиційну та альтернативну, що помітно збільшить розмір капітальних інвестицій та може звести до нуля всі спроби заощадити.

Недоліком методу адіабатичного охолодження стає збільшення вологості повітря. Може виникнути побоювання, що вологість стане загрозою для чутливого електронного обладнання у дата-центрі. Один із прикладів такого інциденту розглядається нижче (див. розділ Facebook під дощем).

Серед інших недоліків системи адіабатичного охолодження експерт наголошує на витраті води та необхідності цю воду готувати. «Води витрачається близько 2 л/год на 1 кВт/год у піку споживання та близько 0,3 л/год у теплий сезон у середньому, – розповідає Балкаров. - Це помітні гроші, а рахуючи з витратами на очищення - ще помітніші».

Очищати воду потрібно, наголошує Михайло Балкаров, бо при випаровуванні всі мінерали опиняються у повітрі у вигляді дрібного пилу. "І якщо для градирень це досить дешевий процес, пов'язаний з грубим очищенням, - очищення в основному передбачене для запобігання накипу, - то форсунки в адіабатичній системі вимагають мікрофільтрів та осмотичної фільтрації", - пояснює експерт. Тож не лише вартість системи, а й експлуатаційні витрати зростають».

При використанні адіабатичного охолодження слід пам'ятати про те, що доведеться вирішувати ще й питання водопостачання, водовідведення та водопідготовки, які, у свою чергу, перетікають у проблеми архітектури та будівельних конструкцій. Не варто забувати і про вартість води. Поки що її ціна незрівнянна з вартістю електроенергії, але вона постійно зростає.

Коефіцієнт WUE

Використання систем адіабатичного охолодження призводить до зниження PUE та енергоспоживання, але при цьому витрата води може бути дуже великою. Тому організація Green Grid у березні 2011 р. запровадила ще один параметр, що характеризує корисне споживання води у дата-центрі – коефіцієнт використання води WUE (Water Usage Effectiveness). Коефіцієнт розраховується за такою формулою:

WUE = річне споживання води / потужність ІТ-обладнання

Одиницею вимірювання WUE є л/кВт/год.

Facebook став першим оператором дата-центру, який відверто поділився значенням WUE. У ЦОДі, розташованому у м. Прайнвілль у другому півріччі 2011 р. цей параметр становив 0,22 л/кВт*год.

Загалом використання адіабатичного охолодження дозволяє досягти високої енергоефективності ЦОДу: коефіцієнт PUE може досягати значення 1,043, за рахунок того, що допоміжне обладнання, включаючи систему охолодження, навіть улітку споживає всього близько 4% електроенергії енергії ЦОДу, а взимку – і того менше (взимку період PUE – близько 1,018). Ефективність компресорно-конденсаторних систем на основі чилерів або DX-кондиціонерів суттєво нижча, для них PUE = 1,3 – чудовий результат.

Згаданий на початку статті ЦОД «Меркурій» площею 12 600 квадратних метрів та потужністю 4 МВт функціонує вже понад рік. Використання фрикулінгу спільно з адіабатним випарним охолодженням у цьому ЦОДі довело свою ефективність.

ЦОДи Facebook

Адіабатична система охолодження в ЦОД Facebook

Ще один яскравий приклад використання нових технологій охолодження – ЦОДи Facebook. Перший власний дата-центр Facebook збудувала в американському містечку Прайнвілль, у 2010 році. Через рік було збудовано другий, дублюючий дата-центр у Форест-Сіті, штат Північна Кароліна. Коефіцієнти енергоефективності (PUE) цих майданчиків становлять: 1,07 для ЦОД у Прайнвіллі та 1,09 – для ЦОД у Форест-Сіті. Цього вдалося досягти лише завдяки зниженню втрат при передачі та перетворенні електроенергії, а також вищим робочим температурам повітря всередині ЦОДу (допускається +35 °C у стійках у холодному коридорі).

У дата-центрах встановлено традиційну систему охолодження, але використовується вона лише в аварійних випадках. Основна система кондиціонування повітря - прямий фрикулінг з кількома камерами підготовки повітря, якими проходить зовнішнє повітря.

Спочатку повітря ззовні забирається повітрозабірниками на другому ярусі і надходить у камеру підготовки, де фільтрується та змішується з гарячим повітрям. Далі повітря проходить крізь холодильні панелі. Вони являють собою камеру зволоження з великою кількістю труб, що розбризкують дистильовану воду форсунками під високим тиском, завдяки чому підвищується вологість і знижується температура повітря, що продується. Щоб дрібнодисперсна волога не могла проводити електрику, використовують дистильовану воду. Далі по дорозі повітря стоять мембранні фільтри, що відокремлюють великі частки вологи. Потім повітря потужними вентиляторами прямує до машинного залу. Відпрацьована вода збирається у спеціальному резервуарі та очищається.

Фейсбук під дощем

Одного разу всередині приміщення дата-центру компанії Facebook, що охолоджується, в Прайнвіллі утворилася хмара вологи, яка в буквальному сенсі накрила собою серверні приміщення разом з їх (вибачте за каламбур) «хмарними» обчисленнями.

У 2001 р. цей дата-центр зіткнувся з проблемою в роботі системи управління, через що температура повітря, що використовується для охолодження серверів, досягла понад 26 градусів за Цельсієм, а вологість - понад 95%. В результаті став накопичуватися конденсат і утворилася дощова хмара, що заповнила весь простір з обчислювальним обладнанням. У те, що відбувалося, було неможливо повірити. Почалися дзвінки колегам до центру ескалації проблем, а ті довго не могли вникнути, про яку дощову хмару йдеться? Простіше було переконати їх у тому, що яблуні зацвіли на Марсі, ніж у казку про дощ.

Для економії електрики Facebook використовував зовнішнє повітря для охолодження свого дата-центру замість традиційної системи. Але після того, як система управління вийшла з ладу, почалася рециркуляція підігрітого повітря з низьким рівнем вологи через систему охолодження на базі водяного випарника.

Це призвело до того, що повітря сильно зволожилося і утворилася хмара, яка наробила багато бід. Деякі сервери повністю вийшли з ладу: ті фахівці, які перебували у дата-центрі, могли спостерігати, як іскрять та агонізують сервери. Гірше нічого й уявити було неможливо. Втім, інцидент більше не повторився: спеціалісти Facebook ретельно ізолювали контакти у місцях підключення серверів до джерел живлення, захистивши їх від вологи.

А що у Росії?

Адіабатичні системи охолодження в Росії поки не дуже популярні, але фахівці вважають, що найближчими роками проектувальники дата-центрів виявляють до них дедалі більший інтерес. Причина цього - Федеральний Закон ФЗ-261, який встановлює жорсткі рамки для енергоспоживання та потребує підвищення енергетичної ефективності на 40% до 2020 року. Єдиний можливий сценарій, який дозволить задовольнити такі вимоги, - це перехід на фрикулінг у поєднанні з адіабатичним охолодженням. І перші приклади таких запроваджень уже є. Зокрема, даний принцип охолодження буде використаний в новому дата-центрі компанії DataPro, що будується в Москві.

Проект цього майданчика передбачає використання економічного рішення для забезпечення необхідних кліматичних умов - модульної системи EcoBreeze виробництва Schneider Electric. Компанія DataPro планує продати найбільшу в Європі інсталяцію цієї системи у своєму мега-ЦОДі в Москві на Авіамоторній вулиці - об'єкті з встановленою потужністю 20 МВт. Система EcoBreeze побудована з використанням принципу мокрої градирні (різновиду технології адіабатичного охолодження) у поєднанні з фрикулінгом, про які йдеться у цій статті. У Москві, де встановлені високі тарифи на електроенергію, використання цієї системи дозволить досягти суттєвої економії операційних витрат у дата-центрі.

«Технічні рішення з використанням адіабатичного охолодження не можна назвати інноваційними, оскільки вони успішно застосовуються у багатьох ЦОДах за кордоном, – пояснює Олексій Солдатов. - Але використання цього принципу у російських дата-центрах – явище рідкісне. Інсталяція EcoBreeze на нашому московському майданчику – одне з перших впроваджень».

А ось на іншому об'єкті, в дата-центрі компанії DataPro у Твері, для охолодження серверних приміщень та електротехнічного обладнання використовується традиційний принцип із використанням фреонових трас, що зумовлено невисокими капітальними витратами та низькими тарифами на електроенергію.

На об'єкті в Твері застосовується ще один різновид адіабатичного принципу - ізотермічне зволоження для підтримки необхідного рівня вологості в серверних приміщеннях, про яке ми розповімо в наступній статті.

Принцип дії
Михайло Балкаров. Уривок із книги «Охолодження серверних та ЦОД.Основи.», 2011 р.

Принцип дії адіабатичної системи охолодження полягає у розпиленні води у вигляді найдрібніших крапель, які впорскуються в гаряче повітря. (Вода повинна бути очищена від усіляких домішок.) Вода, що випаровується в повітрі, здатна охолодити його до температури, близької до температури мокрого термометра.

Суворо теоретично межа охолодження в цьому процесі помітно нижче і дорівнює температурі точки роси. Для реалізації цієї можливості достатньо частину вихідного повітря охолодити до температури мокрого термометра випаровуванням води, а потім з його допомогою охолодити залишок, не зволожуючи. Далі холодне повітря також зволожується, набуваючи нижчої температури. Процес можна повторити ще раз із частиною повітря, досягнувши температури, близької до точки роси. Єдина очевидна технічна складність досягнення мінімально можливої ​​температури - збільшення в кілька разів необхідних обсягів повітря, що подається, і площі теплообмінника.

Подібні системи роблять або за принципом мокрих градирень, тобто використовують велику поверхню пластин, покриту тонкою плівкою води, або розпорошують воду під тиском в кілька сотень атмосфер, через мікронні форсунки, дуже дрібними краплями безпосередньо в повітроводи.

Далі або відбувається обмін температурою з тим, що необхідно охолодити, або вологе повітря використовується для охолодження обладнання. Витрата води становить близько 2 кг на 1 кВт/год тепла, що відводиться. Оскільки випаровується більша частина води, відповідно зростають вимоги до її хімічного складу, що вимагає використання іоннообмінних фільтрів або фільтрів зворотного осмосу.

При використанні форсунок строгі вимоги пред'являються до механічних забруднення, потрібне встановлення мікрофільтрів після насоса високого тиску. Ці ускладнення пов'язані з тим, що, починаючи з певного розміру краплі, процес випаровування відбувається дуже швидко, і за рахунок цього значно зменшуються розміри зрошувальної камери.

Використання форсунок більшого діаметру, середнього та низького тиску, простіше з точки зору експлуатації форсунок та процесу водопідготовки. Але при цьому частина води не бере участі в процесі і зливається (краплі не встигають повністю випаруватися), крім того розміри камер зволоження стає порівнянним з іншими приміщеннями системи.

Один із дієвих способів підвищити ефективність використання енергії в ЦОДі – застосувати адіабатичне охолодження повітря, в основі якого лежать унікальні властивості води.

Як відомо, для оцінки ефективності використання енергії в ЦОД застосовують показник PUE (Power Usage Effectiveness) - відношення загального енергоспоживання до енергоспоживання ІТ-обладнання дата-центру. Існує і зворотний показник – DCE (Data Center Efficiency). Типовими вважаються значення PUE від 15 до 20; останнє означає, що на ІТ-обладнання витрачається лише 50% споживаної енергії (DCE = 0,5). У випадку традиційних систем механічного охолодження з використанням спеціалізованих кондиціонерів CRAC (Computer Room Air Conditioner), на них зазвичай припадає приблизно 35-40% загального енергоспоживання.

Але є підхід, що дозволяє набагато ефективніше використовувати енергію в ЦОДі - це адіабатичне охолодження повітря.

Принцип методу

Адіабатичне охолодження обумовлено унікальними властивостями води, яка має одну з найбільших серед рідин значення прихованої теплоти пароутворення (584,8 ккал/кг). Принцип його полягає у розпиленні води у вигляді дрібних крапель - з енергетичної точки зору це значно ефективніше за механічне охолодження (той же принцип зустрічається і в природних явищах). В адіабатичних умовах, в яких загальний енергозміст середовища (виражається ентальпією) залишається незмінним, при випаровуванні 1 л води на годину 680 Вт (584,8/0,86, де 0,86 - переказний коефіцієнт ккал/Вт) явного тепла, що міститься в повітрі і характеризується його температурою, переходить у приховане тепло, що міститься в парах води, що утворюються. При використанні зволожувачів повітря розпилювального типу витрати зовнішньої енергії порівняно невеликі, їх типове значення становить лише 4 Вт на 1 л води, що розпилюється, що обумовлено відносно невеликим значенням поверхневого натягу води. Отже, ефективність процесу адіабатичного охолодження загалом характеризується ставленням 680/4 = 170.

Пряме та опосередковане охолодження

Розрізняють два способи адіабатичного охолодження: пряме DEC (Direct Evaporative Cooling) та непряме IEC (Indirect Evaporative Cooling); Схема їх конструктивної реалізації показана на рис. 1. Пряме охолодження здійснюється шляхом розпилення води на боці припливу. Охолоджене за рахунок випаровування зважених у повітрі крапельок води припливне повітря подається безпосередньо у внутрішній об'єм об'єкта, що обслуговується. При непрямому ж охолодженні вода розпорошується за витяжки. Охолоджене повітря надходить у пластинчастий теплообмінник, де з ефективністю приблизно 65% відбувається обмін явним теплом без передачі прихованого тепла, зосередженого в парах води, які утворюються за рахунок випаровування води на витяжці.

Умови використання

Обидва способи мають певні обмеження використання залежно від тепло-влажностных характеристик атмосферного повітря. При відносно низьких температурах та невеликій вологості атмосферного повітря пряме адіабатичне охолодження DEC істотно розширює можливості популярного способу вільного охолодження, або фрикулінгу (FC), що здійснюється без розпилення води як на притоці, так і на витяжці. Фрікулінг можливий за умови, що температура атмосферного повітря не перевищує температури всередині об'єкта, що обслуговується. У випадку DEC за рахунок адіабатичного випаровування води, що розпилюється, температура повітря на притоці додатково знижується по відношенню до температури атмосферного повітря. Таким чином, забезпечується природне охолодження, без застосування механічного, при температурах атмосферного повітря, що трохи перевищують температуру всередині об'єкта, що обслуговується. Однак при цьому існує обмеження, пов'язане із насиченням повітря парами води. Супутнє збільшення ентальпії не повинно перевищувати значень, що відповідають необхідним значенням температури і відносної вологості всередині об'єкта, що обслуговується.

На противагу цьому адіабатичне охолодження IEC можливе лише тоді, коли температура повітря та його ентальпія всередині об'єкта, що обслуговується, нижче температури і ентальпії атмосферного повітря.

Слід також мати на увазі, що фрикулінг крім зазначеного вище температурного обмеження можливий тільки за умови, що абсолютна вологість (вміст вмісту) атмосферного повітря не перевищує значення, що відповідає необхідним значенням температури і відносної вологості всередині об'єкта, що обслуговується.

Звідси частку механічного охолодження (Mechanical Cooling, MC) залишається лише таке поєднання тепло-влажностных характеристик атмосферного повітря, коли це його температура, і абсолютна вологість перевищують значення, відповідні необхідним значенням температури і відносної вологості всередині об'єкта, що обслуговується.

Оптимальні значення температури та відносної вологості в ЦОДах задаються рекомендаціями ASHRAE TC 9.9 (редакція 2008 р.) та становлять відповідно 230°С та 60%. На рис. 2 представлена ​​i-d-діаграма, що відображає перелічені вище обмеження з урахуванням цих значень, на якій чітко видно області переважного використання різних методів охолодження ЦОДів.

Порівняльний аналіз енергоспоживання

Ми провели порівняльну оцінку енергоспоживання під час використання різних методів охолодження ЦОДів (результати цих розрахунків зведено до таблиці). При цьому передбачалося, що кондиціонери CRAC, які використовуються в системі механічного охолодження, мають значення холодильного коефіцієнта COP (Coefficient of Performance, характеризує ставлення холодопродуктивності до споживаної потужності), що дорівнює 2,8, як у більшості моделей пристроїв, що присутні. Енергоспоживання використовуваних у системах водопідготовки установок зворотного осмосу (Reverse Osmos, RO) прийнято рівним 2,4 вт/(л/год), що відповідає типовим значенням.

Як приклади ЦОДів, де успішно використовується адіабатичне охолодження, можна назвати HP Wynyard Park (Міддлсбро, Великобританія; діє з квітня 2009 р., досягнуто значення PUE 1,2) та дата-центр Fujitsu (Нюрнберг, Німеччина; діє з лютого 2010 р. ., досягнуто значення PUE 1,25). В обох випадках зниження енерговитрат на потреби систем охолодження ЦОДу склало близько 95% (тобто фактичні витрати становлять близько 5% від наявних при механічному охолодженні), що в першому прикладі забезпечило річну економію в $4,16 млн. І ці цифри говорять самі за себе.

До 35-40 % усієї енергії, що споживається ЦОДом, витрачається на охолодження серверних стійок та інженерних систем. Адіабатичний принцип охолодження дата-центру дозволяє помітно зменшити енергоспоживання порівняно з традиційними системами. Економічний спосіб охолодження ЦОД буде реалізований в дата-центрі компанії DataPro в Москві.

Погода в ЦОДі

За останні роки щільність розміщення обладнання у дата-центрах суттєво збільшилася, а разом із нею зросли й витрати на електроживлення. У російських комерційних дата-центрах одна стійка в середньому споживає від 3 до 10 кВт – приблизно стільки ж від неї доводиться відводити тепла. При цьому найвагоміший «внесок», а загальний ландшафт енергоспоживання вносять системи охолодження: їхня частка сягає 35-40 %.

У прагненні оптимізувати традиційну схему фахівці намагалися відводити тепло шляхом застосування більш ефективних холодоагентів і за рахунок вибору оптимальних параметрів роботи системи. Але ці були напівзаходи, які не дозволяли досягти суттєвої економії.

Найенергоємніша ланка в традиційній схемі охолодження - це компресор та конденсаторні агрегати. Відмова від цих компонентів у поєднанні з використанням холоду зовнішнього повітря (freecooling – саме так по-науковому називається використання природного охолодження) стала першим революційним кроком на шляху до оптимізованої, низьковитратної щодо енергоресурсів системи охолодження. Цей підхід взяли на озброєння багато дата-центрів світу. Принцип фрикулінгу сьогодні широко застосовується й у багатьох ЦОДах Росії - переважно у регіонах, де протягом багатьох місяців тримається низька температура за вікном. Очевидно, застосування такої технології цілком виправдане у Мурманську чи Норильську. Але чи можна побудувати енергоефективний ЦОД у спекотному кліматі? Для російських дата-центрів це питання теж не пусте, тому що в літні місяці в середніх і навіть північних широтах температура повітря буває досить високою.

Гаряче охолодження

ЦОД "Меркурій" компанія eBay

Як не парадоксально, але в усьому світі відомо чимало прикладів розташування дата-центрів у спекотному кліматі – в умовах, набагато екстремальніших у порівнянні з російськими. Приміром, ЦОД «Меркурій» компанія eBay побудувала в американському місті Фінікс, штат Арізона – у спекотній пустелі, де стовпчик термометра влітку досягає 50 градусів C. І це при тому, що для бізнесу eBay надзвичайно важливий такий фактор як безперервність та час реакції програми на запит користувачів по всьому світу - кожну секунду на порталі цієї компанії укладається величезний обсяг угод на загальну суму близько 2 тис доларів. Тобто безвідмовність усіх систем ЦОД стоїть у списку пріоритетів на першому місці. Здавалося б, для охолодження такого ЦОД розумніше було б розташувати його в північних широтах.

Проте eBay побудувала свій ЦОД саме в Аризоні, - і не прогоріла. Здавалося б, про використання зовнішнього повітря і не могло йтися. Але, проаналізувавши всі можливості зниження рівня споживання енергії, експерти eBay дійшли висновку, що саме фрикулінг найкраще забезпечить необхідну ефективність нового ЦОД у пустелі. Секрет у тому, що у поєднанні з фрикулінгом на цьому об'єкті було використано адіабатне зволоження.

Вітер з моря дув

Вже давно було помічено, що повітря, що приходить із моря, прохолодніше, ніж степовий вітер, що дме у напрямку акваторії. У Стародавньому Римі таким чином охолоджували будинки: під відчиненими вікнами розташовувався басейн із фонтаном: проходячи над водою, повітря охолоджувалося внаслідок її випаровування.

На цьому принципі засновані і мокрі градирні - один із найстаріших методів охолодження, який активно використовується на виробництвах. Принцип дії цих систем ґрунтується на охолодженні води потоком повітря, що продувається через її поверхню.

Більше просунутий варіант цього процесу застосовується в адіабатичних системах охолодження повітря.

Економіка питання

Адіабатичне охолодження ЦОД - недорога та надійна система, в якій відсутні складні агрегати та не потрібне резервування вузлів. Для реалізації адіабатичного зволоження практично не потрібні витрати електроенергії - витрачається тільки вода. Таким чином, вартість охолодженого повітря низька, що при правильному використанні може істотно підвищити енергоефективність систем кондиціювання.

В цілому обладнання сучасних ЦОД непогано переносить і більш високу температуру, і збільшення вологості повітря. Як допустимі межі використовуються параметри, рекомендовані ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). У першій редакції цих рекомендацій, опублікованій у 2004 р., було встановлено верхню межу 25 градусів Цельсія при вологості 40%, у другій (2008 р.) – 27 градусів при вологості 60%. У рекомендаціях 2011 року з'явилися два нові класи обладнання для ЦОДів – А3 та А4 з температурним діапазоном до 40 та 45 градусів. Хоча таке «спекотне» охолодження ще не поширене повсюдно, любителі інновацій активно починають його використовувати. Це дозволяє суттєво розширити географію застосування «зеленого» охолодження.

Адіабатичне охолодження потрібно далеко не завжди, - тільки в спекотні місяці. У холодну пору року охолодження відбувається за допомогою зовнішнього повітря. Нещодавно системи адіабатичного охолодження в основному використовувалися в регіонах з сухим і жарким кліматом. Але останні розробки виробників кліматичного обладнання показали великий потенціал використання систем адіабатичного охолодження у європейських регіонах із помірним кліматом.

Слід зазначити, що ні початкова температура води, ні температура повітря на процес практично не впливають - на відміну від вологості, - пояснює Михайло Балкаров, технічний експерт компанії Emerson Network Power. - Отже, якщо ЦОД знаходиться в пустелі, але при цьому має джерело води, виходить цілком ефективна система. А от якщо йде дощ за температури повітря плюс 25 градусів Цельсія, то, на жаль, ніякого охолодження з системи витягти не вдасться, оскільки під час дощу вологість зовнішнього повітря близька до 100%.

Михайло зазначає, що необхідно враховувати локальні аномалії вологості, що виникають поряд із великими водоймами. Крім того, у російських регіонах з мінливою погодою, можливо, доведеться мати одночасно дві системи – традиційну та альтернативну, що помітно збільшить розмір капітальних інвестицій та може звести до нуля всі спроби заощадити.

Недоліком методу адіабатичного охолодження стає збільшення вологості повітря. Може виникнути побоювання, що вологість стане загрозою для чутливого електронного обладнання у дата-центрі. Один із прикладів такого інциденту розглядається нижче (див. розділ Facebook під дощем).

Серед інших недоліків системи адіабатичного охолодження експерт наголошує на витраті води та необхідності цю воду готувати. «Води витрачається близько 2 л/год на 1 кВт/год у піку споживання та близько 0,3 л/год у теплий сезон у середньому, – розповідає Балкаров. - Це помітні гроші, а рахуючи з витратами на очищення - ще помітніші».

Очищати воду потрібно, наголошує Михайло Балкаров, бо при випаровуванні всі мінерали опиняються у повітрі у вигляді дрібного пилу. "І якщо для градирень це досить дешевий процес, пов'язаний з грубим очищенням, - очищення в основному передбачене для запобігання накипу, - то форсунки в адіабатичній системі вимагають мікрофільтрів та осмотичної фільтрації", - пояснює експерт. Тож не лише вартість системи, а й експлуатаційні витрати зростають».

При використанні адіабатичного охолодження слід пам'ятати про те, що доведеться вирішувати ще й питання водопостачання, водовідведення та водопідготовки, які, у свою чергу, перетікають у проблеми архітектури та будівельних конструкцій. Не варто забувати і про вартість води. Поки що її ціна незрівнянна з вартістю електроенергії, але вона постійно зростає.

Коефіцієнт WUE

Використання систем адіабатичного охолодження призводить до зниження PUE та енергоспоживання, але при цьому витрата води може бути дуже великою. Тому організація Green Grid у березні 2011 р. запровадила ще один параметр, що характеризує корисне споживання води у дата-центрі – коефіцієнт використання води WUE (Water Usage Effectiveness). Коефіцієнт розраховується за такою формулою:

WUE = річне споживання води / потужність ІТ-обладнання

Одиницею вимірювання WUE є л/кВт/год.

Facebook став першим оператором дата-центру, який відкрито поділився значенням WUE. У ЦОДі, розташованому у м. Прайнвілль у другому півріччі 2011 р. цей параметр становив 0,22 л/кВт*год.

Загалом використання адіабатичного охолодження дозволяє досягти високої енергоефективності ЦОДу: коефіцієнт PUE може досягати значення 1,043, за рахунок того, що допоміжне обладнання, включаючи систему охолодження, навіть улітку споживає всього близько 4% електроенергії енергії ЦОДу, а взимку – і того менше (взимку період PUE – близько 1,018). Ефективність компресорно-конденсаторних систем на основі чилерів або DX-кондиціонерів суттєво нижча, для них PUE = 1,3 – чудовий результат.

Згаданий на початку статті ЦОД «Меркурій» площею 12 600 квадратних метрів та потужністю 4 МВт функціонує вже понад рік. Використання фрикулінгу спільно з адіабатним випарним охолодженням у цьому ЦОДі довело свою ефективність.

ЦОДиFacebook

Адіабатична система охолодження в ЦОДFacebook

Ще один яскравий приклад використання нових технологій охолодження – ЦОДи Facebook. Перший власний дата-центр Facebook збудувала в американському містечку Прайнвілль, у 2010 році. Через рік було збудовано другий, дублюючий дата-центр у Форест-Сіті, штат Північна Кароліна. Коефіцієнти енергоефективності (PUE) цих майданчиків становлять: 1,07 для ЦОД у Прайнвіллі та 1,09 – для ЦОД у Форест-Сіті. Цього вдалося досягти лише завдяки зниженню втрат при передачі та перетворенні електроенергії, а також вищим робочим температурам повітря всередині ЦОДу (допускається +35 °C у стійках у холодному коридорі).

У дата-центрах встановлено традиційну систему охолодження, але використовується вона лише в аварійних випадках. Основна система кондиціонування повітря - прямий фрикулінг з кількома камерами підготовки повітря, якими проходить зовнішнє повітря.

Спочатку повітря ззовні забирається повітрозабірниками на другому ярусі і надходить у камеру підготовки, де фільтрується та змішується з гарячим повітрям. Далі повітря проходить крізь холодильні панелі. Вони являють собою камеру зволоження з великою кількістю труб, що розбризкують дистильовану воду форсунками під високим тиском, завдяки чому підвищується вологість і знижується температура повітря, що продується. Щоб дрібнодисперсна волога не могла проводити електрику, використовують дистильовану воду. Далі по дорозі повітря стоять мембранні фільтри, що відокремлюють великі частки вологи. Потім повітря потужними вентиляторами прямує до машинного залу. Відпрацьована вода збирається у спеціальному резервуарі та очищається.

Фейсбук під дощем

Одного разу всередині приміщення дата-центру компанії Facebook, що охолоджується, в Прайнвіллі утворилася хмара вологи, яка в буквальному сенсі накрила собою серверні приміщення разом з їх (вибачте за каламбур) «хмарними» обчисленнями.

У 2001 р. цей дата-центр зіткнувся з проблемою в роботі системи управління, через що температура повітря, що використовується для охолодження серверів, досягла понад 26 градусів за Цельсієм, а вологість - понад 95%. В результаті став накопичуватися конденсат і утворилася дощова хмара, що заповнила весь простір з обчислювальним обладнанням. У те, що відбувалося, було неможливо повірити. Почалися дзвінки колегам до центру ескалації проблем, а ті довго не могли вникнути, про яку дощову хмару йдеться? Простіше було переконати їх у тому, що яблуні зацвіли на Марсі, ніж у казку про дощ.

Для економії електрики Facebook використовував зовнішнє повітря для охолодження свого дата-центру замість традиційної системи. Але після того, як система управління вийшла з ладу, почалася рециркуляція підігрітого повітря з низьким рівнем вологи через систему охолодження на базі водяного випарника.

Це призвело до того, що повітря сильно зволожилося і утворилася хмара, яка наробила багато бід. Деякі сервери повністю вийшли з ладу: ті фахівці, які перебували у дата-центрі, могли спостерігати, як іскрять та агонізують сервери. Гірше нічого й уявити було неможливо. Втім, інцидент більше не повторився: спеціалісти Facebook ретельно ізолювали контакти у місцях підключення серверів до джерел живлення, захистивши їх від вологи.

А що у Росії?

Адіабатичні системи охолодження в Росії поки не дуже популярні, але фахівці вважають, що найближчими роками проектувальники дата-центрів виявляють до них дедалі більший інтерес. Причина цього - Федеральний Закон ФЗ-261, який встановлює жорсткі рамки для енергоспоживання та потребує підвищення енергетичної ефективності на 40% до 2020 року. Єдиний можливий сценарій, який дозволить задовольнити такі вимоги, - це перехід на фрикулінг у поєднанні з адіабатичним охолодженням. І перші приклади таких запроваджень уже є. Зокрема, даний принцип охолодження буде використаний в новому дата-центрі компанії DataPro, що будується в Москві.

Проект цього майданчика передбачає використання економічного рішення для забезпечення необхідних кліматичних умов - модульної системи EcoBreeze виробництва Schneider Electric. Компанія DataPro планує продати найбільшу в Європі інсталяцію цієї системи у своєму мега-ЦОДі в Москві на Авіамоторній вулиці - об'єкті з встановленою потужністю 20 МВт. Система EcoBreeze побудована з використанням принципу мокрої градирні (різновиду технології адіабатичного охолодження) у поєднанні з фрикулінгом, про які йдеться у цій статті. У Москві, де встановлені високі тарифи на електроенергію, використання цієї системи дозволить досягти суттєвої економії операційних витрат у дата-центрі.

«Технічні рішення з використанням адіабатичного охолодження не можна назвати інноваційними, оскільки вони успішно застосовуються у багатьох ЦОДах за кордоном, – пояснює Олексій Солдатов. - Але використання цього принципу у російських дата-центрах – явище рідкісне. Інсталяція EcoBreeze на нашому московському майданчику – одне з перших впроваджень».

А ось на іншому об'єкті, в дата-центрі компанії DataPro у Твері, для охолодження серверних приміщень та електротехнічного обладнання використовується традиційний принцип із використанням фреонових трас, що зумовлено невисокими капітальними витратами та низькими тарифами на електроенергію.

На об'єкті в Твері застосовується ще один різновид адіабатичного принципу - ізотермічне зволоження для підтримки необхідного рівня вологості в серверних приміщеннях, про яке ми розповімо в наступній статті.

Принцип дії

Михайло Балкаров. Уривок із книги «Охолодження серверних та ЦОД. Основи.», 2011 р.

Принцип дії адіабатичної системи охолодження полягає у розпиленні води у вигляді найдрібніших крапель, які впорскуються в гаряче повітря. (Вода повинна бути очищена від усіляких домішок.) Вода, що випаровується в повітрі, здатна охолодити його до температури, близької до температури мокрого термометра.

Суворо теоретично межа охолодження в цьому процесі помітно нижче і дорівнює температурі точки роси. Для реалізації цієї можливості достатньо частину вихідного повітря охолодити до температури мокрого термометра випаровуванням води, а потім з його допомогою охолодити залишок, не зволожуючи. Далі холодне повітря також зволожується, набуваючи нижчої температури. Процес можна повторити ще раз із частиною повітря, досягнувши температури, близької до точки роси. Єдина очевидна технічна складність досягнення мінімально можливої ​​температури - збільшення в кілька разів необхідних обсягів повітря, що подається, і площі теплообмінника.

Подібні системи роблять або за принципом мокрих градирень, тобто використовують велику поверхню пластин, покриту тонкою плівкою води, або розпорошують воду під тиском в кілька сотень атмосфер, через мікронні форсунки, дуже дрібними краплями безпосередньо в повітроводи.

Далі або відбувається обмін температурою з тим, що необхідно охолодити, або вологе повітря використовується для охолодження обладнання. Витрата води становить близько 2 кг на 1 кВт/год тепла, що відводиться. Оскільки випаровується більша частина води, відповідно зростають вимоги до її хімічного складу, що вимагає використання іоннообмінних фільтрів або фільтрів зворотного осмосу.

При використанні форсунок строгі вимоги пред'являються до механічних забруднення, потрібне встановлення мікрофільтрів після насоса високого тиску. Ці ускладнення пов'язані з тим, що, починаючи з певного розміру краплі, процес випаровування відбувається дуже швидко, і за рахунок цього значно зменшуються розміри зрошувальної камери.

Використання форсунок більшого діаметру, середнього та низького тиску, простіше з точки зору експлуатації форсунок та процесу водопідготовки. Але при цьому частина води не бере участі в процесі і зливається (краплі не встигають повністю випаруватися), крім того розміри камер зволоження стає порівнянним з іншими приміщеннями системи.

Опис:

Очевидно, що навіть у межах лише однієї зони, де люди займаються фізичними вправами, системи кондиціонування повинні проектуватися з урахуванням того, що в межах такої зони для різних видів фізичної діяльності виділяються окремі ділянки та повітропідготовка для них має бути організована особливим чином.

Кліматичний комфорт у фітнес-центрах

Адіабатичне охолодження з регенерацією теплоти

Фітнес-центри є окремими закладами або входять до складу різних багатофункціональних комплексів (плавальних басейнів, готелів і т. д.). Останніми роками все частіше під фітнес-центри відводять досить великі площі (до 5 000 м 2 ). До складу фітнес-центрів входять не лише тренажерні зали, а й басейни, зони релаксації з гідромасажними установками, солярії, сауни, турецькі лазні, а також ресторани та бари.

Очевидно, що навіть у межах лише однієї зони, де люди займаються фізичними вправами, системи кондиціонування повинні проектуватися з урахуванням того, що в межах такої зони для різних видів фізичної діяльності виділяються окремі ділянки та повітропідготовка для них має бути організована особливим чином.

Зазвичай такий поділ здійснюється вже на етапі складання загального плану об'єкта, оскільки деякі види фізичних вправ просто не сумісні: наприклад, аеробіка, де багато людей у ​​відносно невеликому приміщенні, та заняття на спортивних тренажерах, що проходять у більш просторих залах, оскільки крім місця для тих, хто займається, потрібні площі для розміщення самих тренажерів. Ще один специфічний вид вправ – це заняття на велотренажерах, де основну проблему становить вологовидалення з урахуванням великого обсягу прихованої теплоти від спортсменів.

Проектні дані

Для кожної зони фінтес-центру характерні різні показники заповнюваності та видів фізичних вправ, що впливає на розрахункові параметри мікроклімату. На рис. 1 представлена ​​динаміка коливань температури повітря залежно від виду фізичної діяльності та одягу спортсменів з індексом теплоізоляції 0,1 clo (дуже легка), 0,5 (легка) та 0,9 (важка) (скор. clo – одиниця теплоізоляції одягу).

Виконуваними фізичними вправами обумовлено і теплове навантаження, яке створюється людиною. У таблиці наведено параметри середнього метаболічного індексу (Met) під час різних видів фізичних вправ. Значення Met 1 відповідає 58 Вт/м 2 . Крім виду фізичних вправ тепловиділення визначається також ступенем інтенсивності цих вправ. У людей нетренованих і не звикли до великих навантажень тепловиділення зазвичай наближається до максимуму – організм виділяє найбільшу кількість теплоти, переважно у прихованій формі (у вигляді потовиділення), що є тепловою компенсацією та утилізацією підвищення температури, спричиненої м'язовою напругою. Як правило, вправи, що вимагають граничної напруги, не бувають тривалими і повинні відповідним чином чергуватись протягом усього занять. Якщо взяти, наприклад, зал велотренажерів, де середня тривалість занять коливається від 20 до 40 хв, то період максимальної напруги, коли виділяється найбільше теплоти, триває трохи більше 5–10 хв.

Ефективність фізичного відведення теплоти, зокрема прихованої, значною мірою визначається рівнем відносної вологості повітря у приміщенні. Внаслідок цього при рівній фізичній напрузі менше потіє людина, що знаходиться в приміщенні, де відносна вологість повітря нижче, ніж той, що займається в залі з більш високою вологістю повітря, оскільки в першому випадку повітря менш насичене і більшою мірою розташоване до поглинання водяної пари, виділяється шкірними покривами людини.

У цих обставинах особливого значення набуває регулювання рівня вологості у приміщенні спортивного залу.

Таблиця 1

Вид фізичної вправи Met (1 Met = 58 Вт/м2) Тренажер 3–4 Сучасні та народні танці 4–5 Фізкультура 4–6 Теніс 5–7 Аеробіка 6–8 Біг 15 км/год 9 Біг 12 км/год 8 Біг 9 км/год 7 Бойові мистецтва, бокс 7–9 Велотренажер 8–10

Інший важливий фактор, який слід обов'язково враховувати, – це швидкість повітря, оскільки вона визначає швидкість теплообміну між тілом людини та повітрям у приміщенні з урахуванням виду фізичного навантаження. У цьому зв'язку доцільно скористатися критерієм оцінки, запропонованим професором Датського технічного університету П. Фангером (P. Ole Fanger), який, зокрема, зазначає: «Стан комфорту безпосередньо залежить від середньої температури шкірних покривів та теплової потужності, що віддається організмом у формі виділення рідини , що відбувається головним чином за допомогою механізму потовиділення».

Загальне теплоутворення людини, яка займається спортом у відповідному спортивному одязі, становить 390 Вт, з яких 135 Вт становить явна теплота та 255 Вт – прихована теплота (рис. 2). Враховуючи, що випарна теплота становить 2501 Дж/г, значення 255 Вт відповідає виділення водяної пари в обсязі 367 г/год на людину.

Розрахункові параметри

На підставі вищесказаного та з урахуванням призначення окремих залів, виділених для різних видів спорту, можна визначити мінімальні розрахункові параметри об'ємної витрати повітря для окремих приміщень. При розрахунку повітрообміну слід враховувати кількість водяної пари, що створюється потовиділенням, кількість людей, що займаються, і конкретний вид фізичних вправ. Розрахунку об'ємної витрати тільки на підставі даних про необхідний повітрообмін (зазвичай від 60 до 120 м 2 /год на особу) тут недостатньо, оскільки необхідні поправки на видалення води та теплову потребу. Після визначення загального обсягу вологовиділень у приміщенні (q mv , виражений в г/ч) об'ємна витрата повітря, потрібна для видалення вологи з повітря, визначається різницею між абсолютною вологістю внутрішнього та припливного повітря і розраховується за формулою:

q ma = q mu / x а - x m, кг/год,

V = q ma / p а, м 3 /год.

Кількість повітря, необхідного для нейтралізації фізичного теплового навантаження (q s), визначається різницею між температурою внутрішнього та припливного повітря та розраховується за формулою:

V a = q s (фізичне теплове навантаження) / 0,34 ∆t, м 3 /год.

Слід зазначити (до речі, дуже часто ця обставина не береться до уваги), що тіло людини під час тривалих фізичних вправ у помітних обсягах споживає кисень з повітря. Таким чином, чим інтенсивнішим є вид спорту, для якого призначене приміщення, тим важливіше забезпечити необхідний повітрообмін незалежно від того, наскільки фактичні тепловологові параметри приміщення задовольняють нормативним вимогам або розрахунковим даним. Для того щоб забезпечити необхідний комфорт, приміщення фінтес-центрів у робочому режимі повинні безперервно забезпечуватись постійним припливом зовнішнього повітря.

Спеціальне обладнання

Для кондиціювання фітнес-центрів особливий інтерес становлять спеціально розроблені системи повітропідготовки. Це обладнання має низку відмінних конструктивних особливостей:

Забезпечується холодильна потужність та вологовидалення в обсягах, необхідних для конкретного виду фізичних вправ;

Надається можливість точного регулювання параметрів мікроклімату в залежності від фізичних вправ, що виконуються, коли значення об'ємної витрати повітря і тепловологові параметри припливного повітря встановлюються в залежності від явної і прихованої теплоти, що підлягає відводу.

Для даного обладнання характерно знижене споживання енергії завдяки двом сучасним технологіям:

Регенерація теплоти витяжного повітря за допомогою двох теплообмінників з перехресними потоками, які встановлені в лінію та функціонують у протитоці;

Система адіабатичного охолодження у поєднанні із системою охолодження на базі холодильного циклу.

Значення витрати повітря даного обладнання змінюється в діапазоні від 1200 до 27000 м 2 /год, загальне холодильне навантаження (адіабатична система плюс холодильна установка) становить від 6,6 до 159 кВт.

Йдеться про повністю незалежні системи, що постачаються в комплекті з електрообладнанням та системою автоматичного регулювання. Припливні та витяжні вентилятори мають високопродуктивний вільно обертовий імпелер із загнутими лопатями, встановлений безпосередньо на вал електродвигуна, швидкість обертання якого регулюється окремим інвертером. Робота системи загалом регулюється спеціальними вібраційними датчиками. Рукавні фільтри (класу EU4) встановлюються на всмоктування (зовнішнє повітря та витяжне повітря), легко знімаються, інтервали технічного обслуговування дотримуються за показаннями датчика диференціального тиску, виведеного на головний електричний щит.

Система регенерації теплоти витяжного повітря побудована на основі двох пластинчастих теплообмінників з перехресними потоками, що монтуються в лінію.

Блок регенерації дозволяє забезпечити надзвичайно низьку втрату навантаження у разі зростання коефіцієнта теплообміну та ККД енергетичної регенерації до 75 %. Піддон збору конденсату з примусовим зливом виконаний із поліпропілену. Адіабатичне охолодження повітря відбувається шляхом розбризкування води поверхнею водяних обмінників і дає зниження температури близько 10 °С. Установка комплектується форсунками, системою регулювання рівня води, клапаном подачі та відведення води, рециркуляційним насосом, фільтром, системою зміни води, циклом автоматичного миття.

Режими роботи

На рис. 3–7 показано режими роботи даного обладнання у різну пору року. На рис. 3 показаний режим з повною регенерацією теплоти, що забезпечує літнє охолодження або зимове нагрівання повітря в приміщенні. У перехідний період установку можна запускати в режимі з частковою регенерацією теплоти шляхом перепускання (байпасування) з теплообмінника певного об'єму повітря (рис. 4) або в режимі повного природного охолодження в перехідний або нічний період за допомогою повного байпасування (без регенерації теплоти) при зростанні найбільшого об'ємного повітря витрати повітря до 10% (рис. 5).

У літній період використовується система адіабатичного охолодження (рис. 6), яка при високій температурі зовнішнього повітря може інтегруватися із системою охолодження та влаговидалення за допомогою холодильного циклу (рис. 7).

Перекладено зі скороченнями з журналу RCI.

Переклад з італійської С. М. Булекова.