В последние несколько лет у специалистов по проектированию и строительству ЦОДов повысился интерес к прецизионным кондиционерам с функцией естественного охлаждения без применения гликолевых растворов в качестве посредника в холодный период года. С одной стороны, этот интерес подогревается инвесторами проектов, желающими минимизировать финансовые вложения на этапе строительства и сократить дальнейшие ежедневные издержки на содержание ЦОДа. С другой стороны, производители видят в этом направлении новую нишу на рынке климатического оборудования. Постараемся разобраться в отличиях «новой» схемы фреонового фрикулинга от «классического» решения и оценить пригодность безгликолевого решения для российского рынка.
Исторически в системах холодоснабжения ЦОДов на базе прецизионных кондиционеров применяются два варианта естественного охлаждения: прямой воздушный фрикулинг (FreeCooling, FC) и жидкостной. Прямой воздушный фрикулинг накладывает существенные ограничения на размещение холодильного оборудования и организацию машинного зала ЦОДа, а зачастую вообще не может быть применен из соображений безопасности.
Летний режим FreeCooling
Прецизионный кондиционер с прямым воздушным фрикулингом
Большинство европейских производителей давно отказались от реализации таких систем из-за низкого спроса и сложности поддержания точных (прецизионных) параметров микроклимата.
Альтернативным способом организации прямого воздушного фрикулинга можно назвать систему приточно-вытяжной вентиляции, работающую в тандеме с прецизионными кондиционерами, оснащенными электрическими нагревателями и увлажнителями для доведения параметров микроклимата машинного зала ЦОДа до требуемых значений.
Приточно-вытяжная система циркуляции воздуха в машинном зале ЦОДа с доведением его параметров до рабочих значений с помощью шкафных прецизионных кондиционеров
Но и такую схему клиентам зачастую трудно реализовать: вентиляционное оборудование и прецизионные кондиционеры на объекте, как правило, изготовлены разными производителями и ни один из них не может поручиться за качество функционирования системы в связке с чужим оборудованием. Подобный проект не может быть выполнен под ключ производителями климатического оборудования и требует точной подгонки и отладки в процессе эксплуатации, что зачастую затруднительно или даже невозможно. Помимо обеспечения слаженной работы системы вентиляции и кондиционирования нельзя забывать о правильной настройке системы автоматического пожаротушения и дымоудаления, что еще больше усложняет систему и ставит функционирование всего ЦОДа в зависимость от качества настройки систем автоматики и безотказности их работы. В случае потери специалиста, занимавшегося отладкой системы, и/или аномальных условий, непредусмотренных в алгоритмах управляющего процессора, надлежащая эксплуатация столь сложноорганизованной системы автоматизации процессов поддержания микроклимата может оказаться затруднительной.
Тем не менее укажем преимущества такой системы: наименьшие эксплуатационные затраты в плане потребления электроэнергии и отсутствие промежуточных теплоносителей, а также средств их распределения. Но есть и существенные недостатки: сложность отладки и автоматизации, большая интегрированность с другими системами ЦОДа, высокая вероятность непредсказуемого поведения в аномальной ситуации.
Более проста альтернативная система с промежуточным теплоносителем. Такие системы также делятся на несколько типов, но реализуют, по сути, один и тот же процесс: охлаждение машинного зала ЦОДа за счет циркуляции водно-гликолевой смеси между водо-воздушным теплообменником внутреннего блока прецизионного кондиционера и размещенной снаружи градирни.
Варианты реализации схемы жидкостного фрикулинга в прецизионных кондиционерах
Схемы организации естественного охлаждения с применением промежуточного хладоносителя хорошо себя зарекомендовали, а наличие нескольких вариантов исполнения позволяет реализовать практически любой проект без оглядки на ограничения по размещению внутреннего и наружных блоков. Автоматизация переходных режимов и включение естественного охлаждения целиком и полностью лежат на контроллере прецизионного кондиционера. Этот алгоритм опирается на длительный опыт эксплуатации и мониторинга таких систем по всему миру и может быть адаптирован производителями к географическому положению объекта.
К преимуществам такой системы можно отнести: минимальную увязанность системы кондиционирования с другими вспомогательными системами ЦОДа, готовую автоматизацию процессов смены режима от производителя прецизионного кондиционера, простоту регулирования.
Перечислим и недостатки: усложненный монтаж, увеличение количества труб и коммуникаций, использование водно-гликолевой смеси (т.е. необходимость системы водоподготовки и установки для приготовления раствора нужной концентрации), а также потребность в насосном оборудовании для обеспечения циркуляции жидкости.
До недавних пор китайские производители не слишком интересовались системами холодоснабжения ЦОДов и в локальных проектах в основном использовали технику западных производителей. Бум применения в повседневной жизни компьютеров и смартфонов, подключенных через интернет к облачным платформам, а также быстрые темпы цифровизации мировой экономики подтолкнули многих азиатских производителей к развитию новых индустриальных направлений и освоению выпуска прецизионных кондиционеров. Сначала производители пытались перенять зарубежный опыт и адаптировать его к потребностям локального рынка, в том числе и по цене. После налаживания производства определенных типов оборудования, популярных на локальном рынке, и удовлетворения внутреннего спроса азиатские заводы начали экспансию на рынки Африки, Латинской Америки, Средней Азии и Европы. Но тут производители столкнулись с жесткими требованиями к энергоэффективности и необходимости использования технических решений, не применяемых в домашнем регионе. Одно из таких решений – естественное охлаждение.
Климатическая карта Китая
Все дело в географии: в Китае преобладают экваториальный, тропический, субтропический и умеренный муссонный климаты. При этом большая часть городов (а значит, и ИT-объектов) расположена в центральной, южной и восточной частях страны. Здесь не получится непрерывно использовать систему естественного охлаждения более двух месяцев в году, поэтому их установка экономически нецелесообразна. Отсутствие опыта разработки таких систем и возможности проведения длительных реальных испытаний привели к созданию упрощенной системы естественного охлаждения на базе фреоновой помпы.
Схема естественного охлаждения на базе фреоновой помпы разрабатывалась компанией Carrier еще в 2000-х годах, а к 2005 г. на рынке появилась линейка спиральных чиллеров производительностью до 270 кВт с функцией естественного охлаждения. Для вывода этого продукта на рынок Carrier пришлось разработать новое семейство инверторных спиральных компрессоров с увеличенным количеством пусков в час. Однако после длительных испытаний и двухлетней рекламной кампании Carrier предпочла отказаться от этой технологии в своих чиллерах, посчитав дальнейшие инвестиции в технологию невыгодными. Причинами этого послужили высокая цена и низкий запас прочности фреоновых помп и, вероятно, проблемы со стабильностью процесса охлаждения, с которыми столкнулись покупатели первых холодильных машин. Еще одной и немаловажной причиной полного отказа от применения этого решения стали европейские директивы по снижению количества фреона, используемого в холодильных машинах, ведь для применения фреоновой помпы требуется значительный запас хладагента в ресивере.
Гидравлическая схема работы холодильного контура прецизионного кондиционера в компрессорном режиме
Китайские инженеры взяли за основу решение Carrier и применили его к прецизионным кондиционерам с воздушным охлаждением конденсатора. Для этого необходимо было оснастить наружный блок кондиционера дополнительным жидкостным ресивером и инверторной фреоновой помпой для перекачки жидкого хладагента из конденсатора наружного блока в испаритель прецизионного кондиционера в зимний период года без участия компрессора. Кроме того, потребовалось добавить байпасную линию для газобразного фреона в обход компрессора и дополнительный электронный расширительный клапан, а также написать алгоритм работы для контроллера.
Гидравлическая схема работы холодильного контура прецизионного кондиционера в режиме естественного охлаждения
Как правило, переход на полный фрикулинг происходит, когда среднесуточная температура наружного воздуха опускается ниже +3℃, а в интервале до +20℃ система работает в смешанном режиме, задействуя одновременно и компрессор, и фреоновую помпу.
Наилучшим образом схему работы данной системы поясняет PH-диаграмма.
PH-диаграмма работы прецизионного кондиционера с фреоновой помпой в двух режимах
На бумаге это «подзабытое» техническое решение выглядит просто отлично: никакого дополнительного промежуточного хладоносителя, количество межблочных коммуникаций и труб сведено к минимуму, схема монтажа практически не отличается от обыкновенной системы с низкотемпературным комплектом, а фреоновая помпа в номинальном режиме потребляет до 1 кВт мощности.
Однако такая система непригодна для эксплуатации в суровых северных условиях, где температура окружающей среды зимой может устойчиво держаться на отметке -30℃ и ниже в течение нескольких дней или даже недель. Первое ограничение накладывают сама фреоновая помпа и плата инверторного управления для нее: они могут быть размещены только внутри наружного блока или в непосредственной близости от него, а по техническим данным их надлежащая работа при температурах ниже -20℃ не гарантируется. Второе ограничение обусловлено невозможностью организовать байпас горячего газа со входа в конденсатор на жидкостную линию, так как это помешает работе фреоновой помпы. Также в случае поломки фреоновой помпы жидкостной ресивер кондиционера отсекается из рабочей схемы, и система не сможет запуститься при температуре окружающего воздуха ниже -10℃.
Фреоновые помпы по-прежнему стоят очень дорого, а круг их производителей сильно ограничен, причем 95% таких компаний расположены в Азии. Одна фреоновая помпа сопоставима по стоимости с инверторным компрессором на 25 кВт, а при закупке ЗИПа для обеспечения надежности ЦОДа вы будете вынуждены приобрести не только запасные компрессоры, но и фреоновые помпы в том же количестве. В случае поломки фреоновой помпы и отсутствия запасной найти столь малораспространенное и узкоспециальное устройство на российском рынке в короткие сроки невозможно.
Естественное охлаждение может продемонстрировать высокую эффективность и финансовую привлекательность только в том случае, если его работа грамотно настроена и отлажена. Отладку и настройку нельзя выполнить под ключ на заводе-изготовителе, поскольку каждая система имеет свою индивидуальную длину, количество изгибов и поворотов. Иными словами, для отладки и настройки такой системы обязательно нужен инженер, который в реальном времени будет следить за работой холодильного контура каждого кондиционера в течение первого года реальной эксплуатации, отыскивать сбои и аномалии в переходные периоды, определять причины, их вызвавшие, и вносить коррективы в регулировку каждого смонтированного кондиционера. Безусловно, такая работа должна выполняться в тесном сотрудничестве с заводом-изготовителем и наверняка потребует внесения изменений не только в набор уставок, но и непосредственно в ПО кондиционеров.
Как правило, воздушные конденсаторы с интегрированной фреоновой помпой изготавливаются V-образного типа и не предусматривают их размещения на фасаде здания, а дополнительные модули для стандартных плоских конденсаторов занимают значительное пространство рядом с наружным блоком и при замене старого оборудования новым с функцией фрикулинга могут не поместиться на кровле. Размещение фреоновой помпы в помещении в большинстве случаев не представляется возможным.
Таким образом можно сказать, что применение технологии естественного охлаждения на базе фреоновой помпы в европейской части России целесообразно и безопасно на широтах от побережья Черного моря до Санкт-Петербурга, т.е. в регионах, где средняя максимальная температура воздуха зимой не превышает +3℃, а средняя минимальная температура не опускается ниже -15℃ за зимний сезон.
Получается, что естественное охлаждение на базе фреоновой помпы на этапе монтажа действительно значительно дешевле классических решений, но на этом его преимущества заканчиваются: двукратное повышение стоимости ЗИПа, вероятные задержки поставки фреоновых помп в критической ситуации, а также ограниченная география возможного применения сильно снижают привлекательность этой технологии на данном этапе развития.
Компания ЛЕММИНГ производит все типы прецизионных кондиционеров как для классических вариантов естественного охлаждения, так и на базе фреоновой помпы. В разработке проектов для систем холодоснабжения у нас принят индивидуальный подход, и это позволяет нам, взвесив все плюсы и минусы, определив потребности клиента и опираясь на имеющийся опыт, предложить разумные рекомендации по выбору и применению той или иной схемы холодоснабжения.
Никита Витюк, бренд-менеджер "ЛЕММИНГ"
С оригиналом статьи можно познакомиться по ссылке: https://www.iksmedia.ru/articles/6014557-Primenenie-sistemy-estestvennogo.html?erid=2VfnxxyegMN
Представьтесь, мы вам перезвоним.