Как мы можем корректно сравнивать характеристики чиллеров, предназначенных для охлаждения центров хранения и обработки данных?

Данная проблема знакома каждому, кто сталкивается в своей работе с проектированием, консультированием, либо владением центром хранения и обработки данных. После того, как было принято решение о создании дата-центра, начинается сложный процесс конкурентного отбора техники для отвода теплоизбытков из машинных залов с установленным там IT-оборудованием. И именно в этот момент возникает главная задача: как наиболее правильно оценить характеристики оборудования для охлаждения, которое наилучшим бы образом подходило бы для решения инженерной задачи по отводу теплоизбытков?

Данная статья рассказывает о том, какие технические данные можно использовать для сравнения оборудования и как относительно просто изучить или проверить достоверность этих данных.

Прежде чем начать, мы должны сначала понять, на чем сосредоточить внимание. Каковы важнейшие факторы для моего проекта? Следует ли сосредоточиться на капитальных расходах (CapEx), эксплуатационных расходах (OpEx), уровне шума или простоте интеграции в существующую систему? Сравнивать капитальные расходы относительно несложно. Однако, очень важно убедиться, что у обоих сравниваемых друг с другом чиллеров от разных производителей могут быть оснащены одним и тем же оборудованием. Имеется ли в стандартной версии чиллера что-то, что доступно в другой модели только в виде опции за дополнительные деньги?

Когда речь идет об интеграции, ключевым аспектом является сотрудничество с производителем и то, насколько он готов к компромиссам. Здесь сравнивать уже становится сложнее. Однако ясно, что некоторые производители проявляют бОльшую гибкость, чем другие. В этом контексте гибкость означает гораздо больше, чем просто расширение стандартного диапазона вариантов, сюда могут входить: возможность установки более мощного компрессора с той же площадью основания, адаптация точек ввода электропитания в электрический щит управления чиллера, нестандартные требования по электропитанию и многое другое.

После того, как мы собрали информацию для одной и той же базовой конфигурации чиллеров от двух или нескольких производителей, можно приступить к серьезному сравнению технических данных. Популярным средством сравнения являются определенные ключевые показатели производительности, например коэффициенты EER и ESEER. Но насколько они важны на самом деле? Чтобы внести ясность, давайте сначала определим, что кроется за этими значениями. Прежде всего, объясним, как они рассчитываются:

Коэффициент энергетической эффективности (EER) = Холодопроизводительность / Потребление электроэнергии

EER — это отношение холодильной мощности агрегата, измеренной в кВт, к электрической мощности данного агрегата, также измеренной в кВт, необходимой для производства холода. Это значение должно быть как можно выше (то есть чем меньше будет требоваться энергии для производства одной и той же единицы холода, тем лучше).

Преимущества Недостатки
Возможно сравнить характеристики чиллеров в одной рабочей точке. Рассматривается работа только в одной рабочей точке.
Не принимается во внимание эффективность работы на протяжении всего года.
Неточные предоставляемые данные, так как не все производители в электрических характеристиках оборудования указывают всех потребителей( например, насос и т.д.).

Европейский стандарт коэффициента энергетической эффективности (ESEER) = 0.03 A+0.33 B+0.41 C+0.23D

где A-D означают следующие расчетные параметры:

Оценка EER-фактор Внешняя температура
A- 100 % 0.03 35 °C
B- 75 % 0.33 30 °C
C- 50 % 0.41 25 °C
D- 25 % 0.23 20 °C

При использовании ESEER предполагается, что холодопроизводительность уменьшается с понижением температуры, т. к. потребность в охлаждении меньше.

Преимущества Недостатки
Сравнение возможно для нескольких эксплуатационных режимов. В центре хранения и обработки данных в среднем относительно постоянная потребность в охлаждении.
Вышеупомянутые предположения применимы не всегда.
Температура воды не учитывает особенности конкретного проекта, а задана заранее.

Оба этих ключевых показателя производительности предоставляют лишь ограниченную информацию об эффективности работы чиллера в центре хранения и обработки данных. Одним из альтернативных вариантов будет сравнение общих эксплуатационных расходов за год, включая все данные конкретного проекта. Этот метод основан на информации о погоде на соответствующей территории, поэтому принимает во внимание динамику в широком диапазоне температур, а также все режимы работы (DX-охлаждение только с использованием компрессоров, MIX-охлаждение при помощи компрессоров и «фрикулинга», FC-охлаждение только при помощи фрикулинга). При сравнении эксплуатационных расходов важно убедиться, что расчеты основаны на одних и тех же температурных режимах и тепловой нагрузке. В противном случае могут возникнуть значительные расхождения. Большое количество часов работы при более низких температурах окружающей среды значительно улучшают статистику.

Можно нам полагаться только на технические данные или следует рассмотреть их подробнее? Иногда необходимо проверять технические данные. Когда разница в цене значительна, а технические данные очень похожи, имеет смысл приглядеться повнимательнее.

Какие компоненты установлены?

Прежде всего, нам нужно проверить, какие компоненты и от каких производителей были использованы в конструкции чиллера. И что самое интересное, большинство из них будут одинаковыми. Но даже в данной ситуации следует уделить деталям более пристальное внимание. А зачем? Дело в том, что чиллер представляет собой сложную систему, а не один единственный компонент. Поэтому важно, чтобы взаимодействие всех используемых компонентов в чиллере было гармоничным. Возьмите компрессор, например: даже если кажется, что в обоих чиллерах установлен один и тот же компрессор, важную роль играет окружающая его среда, состоящая из датчиков, управляющих, защищающих и контролирующих его алгоритмов работы и механизмов.

Так в чем же разница? Температура испарения и температура конденсации являются основными показателями для проведения расчетов потребления энергии и рабочих характеристик компрессора.. Температура испарения должна быть как можно выше, а температура конденсации - как можно ниже. Разница между температурой испарения и температурой конденсации, иными словами, представляет собой путь, который преодолевает поток хладагента при помощи компрессора. Каждый сэкономленный на этом пути градус Кельвина приводит к снижению энергозатрат для работы компрессора примерно на 3-5%. Но как нам получить низкую температуру конденсации и высокую температуру испарения? Оба этих параметра зависят от того, как спроектирован холодильный контур и конструкция чиллера, а также от используемых материалов. Для теплообменников испарителя и конденсатора справедливо основное уравнение теплопередачи:

Q = A ⋅ k ⋅ΔT

Q — тепловой поток, переданный в процессе теплопередачи в Вт

A — площадь поверхности теплообмена в м2

k — коэффициент теплопередачи в Вт/(м2·К)

ΔT — движущая сила процесса теплопередачи в °С.

Эта формула показывает, что материал теплообменника и его размер/площадь являются решающими факторами. И в данном случае размер имеет значение! Следовательно, технические данные по чиллеру уже смогут помочь нам определить, являются они достоверными или нет. Возможно ли, что чиллер с меньшей площадью поверхности конденсатора действительно дает более низкую температуру конденсации и большую эффективность использования энергии? Как правило, ответ - НЕТ.

То же правило распространяется и на режим естественного охлаждения «Free Cooling». Чем больше поверхность естественного охлаждения – т.е. площадь теплообменника для использования функции «Free Cooling» – тем раньше система сможет переключиться в режим естественного охлаждения. Здесь физический размер тоже имеет значение, и достоверность информации можно проверить, просто взглянув на рисунки чиллеров. 

Падение давления

Листы технических данных содержат еще одно значение, которое зачастую с трудом поддается сравнению: падение давления. Падение давления определяет, насколько мощным должен быть насос для прокачки охлажденной воды. Если общее сопротивление гидравлической системы намного выше, то и насос для охлажденной воды, должен быть больше. Даже если на энергозатраты насоса приходится только около 10% расходов энергии в системе жидкостного охлаждения, то в течение всего жизненного цикла работы системы охлаждения в центре хранения и обработки данных может быть достигнута значительная экономия. Почему эти падение давления для разных чиллеров часто трудно сравнивать? Потому что не все производители одинаково рассчитывают свои данные. Например, производитель A может указать падение давления только для испарителя, а производитель B указывает общее падение давления в чиллере, включая падение давления в трубопроводе охлажденной воды. Здесь имеет смысл проявить крайнюю внимательность при подборе чиллеров.

В дополнение к вопросу об энергоэффективности, все более актуальным становится проблема по снижению уровня шума чиллера.

Здесь также обычное простое сравнение предоставленной информации может показать, верны ли данные. Производитель A и производитель B предоставляют различающиеся данные об уровне шума. По какому показателю необходимо их сравнивать? По давлению звука или уровню звуковой мощности? В чем различие? Давление звука в значительной степени зависит от акустических свойств окружающей среды. Кроме того, возникает вопрос о том, как и при условиях были проведены эти измерения. Как мы видим, на такой основе реальное сравнение невозможно. Поскольку уровень звуковой мощности не зависит от акустических свойств окружающей среды, эта особенность применима к конкретному рассматриваемому оборудованию, и поэтому является единственным допустимым значением, которое должно использоваться при серьезном сравнении.

При сравнении этих значений довольно просто проверить, реалистичны ли данные. У чиллеров в большинстве случаев преобладает шум вентилятора. Таким образом, нам нужно обратить внимание на вентилятор и связанные с ним данные. Каков диаметр вентилятора? И сколько оборотов в минуту необходимо для получения заданного потока воздуха? Вентилятор с меньшим диаметром вряд ли будет производить тот же поток воздуха с низким энергопотреблением и меньшим уровнем шума.

Это вентилятор с асинхронным двигателем или с электронно-коммутируемыми обмотками? Если это вентилятор, оснащенный двигателем с электронно-коммутируемыми обмотками (EC), то мы должны узнать, каковы его характеристики в рабочей точке. Если он работает на полной мощности, то он не имеет преимущества в сравнении с вентилятором, оснащенным асинхронным двигателем, так как наибольшая экономия электроэнергии для EC-вентилятора происходит в режиме его неполной нагрузки.

Последнее, но не в последнюю очередь ...

Необходимо также рассматривать вопрос возможности интеграции чиллера в инфраструктуру. Как упоминалось выше, здесь важную роль играет готовность производителя к компромиссам. Однако, установка дополнительных опций и эксплуатационные ограничения также могут играть определенную роль. Если нужно слишком много дополнительных электрических устройств, зачастую требуется установить для чиллера еще один внешний распределительный щит. Это чрезвычайно важный фактор, потому что он увеличивает капитальные расходы (которые не связаны напрямую с затратами на чиллер) и найти дополнительное пространство на площадке размещения системы охлаждения из-за использования этого дополнительного электрического шкафа. Если же все дополнительные элементы помещаются внутри распределительного шкафа чиллера, то процесс монтажа значительно упрощается.

Еще одним аспектом в этой связи является поведение чиллера во время и сразу же после отключения электроэнергии – наихудшего сценария для любого оператора центра обработки данных! Сколько нужно времени, чтобы чиллер вернулся к 100% холодопроизводительности? Насколько он гибок, когда речь идет о переключении между двумя вводами электроэнергии? Как скоро он может быть включен? Насколько высокой может быть температура воды, чтобы перезапуск прошел без проблем? Каковы эксплуатационные ограничения по максимально возможной температуре теплоносителя? Можно как-то уменьшить объем накопительных баков, чтобы сэкономить на занимаемой ими площади и затратах на их приобретение? В лучшем случае емкость может быть меньше, потому что чиллер способен запуститься без проблем, несмотря на высокую температуру воды.

Так что же делать?

  • Сравнивайте показатели энергоэффективности работы чиллера, опираясь на эксплуатационные расходы, рассчитанные с использованием информации о погоде в одном и том же регионе.
  • Проверяйте достоверность технических данных.
  • Внимательно прочитывайте чертежи и обращайтесь к ним при проведении сравнения.
  • Всегда принимайте во внимание как систему в целом, так и дополнительные факторы, влияющие на нее.