Применение прямого Freecooling (Freshcooling) на базе прецизионного кондиционирования STULZ

Почему Freecooling (Freshcooling) – это важно

Одним из важнейших показателей ЦОДа является PUE – отношение суммарно потребляемой энергии ЦОДа к энергии, потраченной на ИТ-оборудование. Чем меньше его значение, тем ЦОД является более энергоэффективным, так что все стремятся снизить этот показатель. И сейчас по всему миру уже существует ряд объектов, где значение PUE достигает значения 1,1-1,2.

Существует 2 основных вида фрикулинга: косвенный и прямой. Косвенный не предполагает прямого контакта холодной среды со средой охлаждаемого воздуха, 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 ИТ-оборудования: расширились допуски согласно стандарту ASHRAE, предъявляемые к нему, поэтому стало возможным подавать воздух непосредственно в помещение ЦОДа.

Упираемся в габариты

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

Одно из очевидных преимуществ – это 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 всего с одной (фронтальной) стороны и занимает порядка 1200 мм. Что касается систем центрального кондиционирования на базе приточно-вытяжных установок, то они очень габаритные и требуют специальные площадки и конструкции для их установки. Кроме того, приточная система занимает большую сервисную зону равную 1,3 от ширины установки – при проектировании это приходится учитывать.

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

Еще обратим внимание 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. То есть 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 от 5 до 10 °С, т.е. поверхность испарителя в решениях с применением приточно-вытяжных будет всегда меньше по сравнению с решением на базе с прецизионным кондиционером STULZ.

Если говорить о составе системы фрешкулинга на базе прецизионного кондиционера, то в нее входят: сам прецизионный кондиционер, вентгруппа и камера смешения с фильтрами и группой клапанов.

Подводя итог вышесказанному, для наглядности рассмотрим в качестве примера один из текущих проектов. У заказчика есть ЦОД всего 430 кВт с заданной температурой горячего коридора 31°С и холодного коридора 18°С.

На иллюстрации выше видно, насколько компактной получилась система. Если же сделать такую систему на базе центрального кондиционирования, то тогда вентустановки придется вынести за контур ЦОДа: их длина составит почти 5 метров, высота – столько же. Кроме того, потребуется большая сервисная зона, а также дополнительный фундамент, так как придется поднять их как минимум на высоту снежного покрова. При этом эффективность охлаждения и точность поддержания температуры будут одинаковы.

Как уже упоминали, применение таких решений стало возможным благодаря тому, что расширился диапазон по поддержанию 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 мы можем 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. К примеру, в горячем коридоре нужно поддерживать не более 25°С, а в холодном коридоре 17°С.

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

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

При температуре от 0 до 17°С происходит подмес воздуха в камере смешения – мы держим точку смеси в камере 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.

И при -1°С этот клапан открывается, таким образом происходит первая ступень подмеса горячего воздуха к холодному, и на фильтр уже поступает более теплый воздух. И далее, чтобы снизить аэродинамическое сопротивление, дальнейшее смешение воздуха происходит после двух кассет фильтра.

Основной вопрос, который возникает в подобных проектах, касается поддержания 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 поддерживаем 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: пароувлажнители и увлажнители испарительного типа (адиабатические).

Пароувлажнители можно применять, но у них большой уровень электропотребления, поэтому для ЦОДов становятся все более популярны увлажнители второго типа. У них низкое энергопотребление, потому что вода испаряется за счет теплого воздуха, и при этом воздух дополнительно охлаждается.

В совместный 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 из себя представляет камера смешения? Это фильтр-бокс, в котором установлена группа клапанов и несколько ступеней фильтров. В базовом исполнении камера оснащается теплоизоляционными панелями с плотностью тепловаты 100 кг/м3. Это негорючий материал.

Профили алюминиевые, а сама стенка сделала из оцинкованной стали. При этом по желанию заказчика она может быть окрашена, возможно применение клапанов с электроподогревом (для холодных регионов), возможны различные комбинации фильтров, и главное – она может быть любой, но геометрически правильной формы.

Если заказчик не хочет устанавливать увлажнитель в камеру, мы можем установить его непосредственно под фальшпол – система так или иначе получится замкнутой. Или же можно установить отдельно стоящий увлажнитель в горячем коридоре с собственным вентилятором, который будет обеспечивать поддержание заданной влажности в горячем коридоре.

Пандемия показала, что люди начали задумываться не только о задачах поддержания влажности, но и о том, как бороться с вирусами. Поэтому появился ряд запросов по модернизации уже существующих проектов – они доукомплектовывались, например, фильтрами HEPA или УФ-лампой.

---

Подробности о компаниях:

СМАРТЛЮФТ – это дистрибьютор оборудования таких марок, как OC IMP Klima в Словении (приточные установки, распределительные клапаны), Fisair в Испании (установки для увлажнения и осушения воздуха) и завод по производству воздухораспределительных устройств Lindab. Уже на протяжении 25 лет компания СМАРТЛЮФТ является дистрибьютором европейского оборудования.

Компании HTS и СМАРТЛЮФТ являются давними партнерами и имеют ряд реализованных совместных проектов.