Описание:

Очевидно, что даже в рамках только одной зоны, где люди занимаются физическими упражнениями, системы кондиционирования должны проектироваться с учетом того, что в пределах такой зоны для различных видов физической деятельности выделяются отдельные участки и воздухоподготовка для них должна быть организована особым образом.

Климатический комфорт в фитнес-центрах

Адиабатическое охлаждение с регенерацией теплоты

Фитнес-центры представляют собой отдельные заведения либо входят в состав различных многофункциональных комплексов (плавательных бассейнов, гостиниц и т. д.). В последние годы все чаще под фитнес-центры отводятся достаточно большие площади (до 5 000 м 2). В состав фитнес-центров входят не только тренажерные залы, но и бассейны, зоны релаксации с гидромассажными установками, солярии, сауны, турецкие бани, а также рестораны и бары.

Обычно такое деление осуществляется уже на этапе составления общего плана объекта, поскольку некоторые виды физических упражнений просто не совместимы: например, аэробика, где много людей в относительно небольшом помещении, и занятия на спортивных тренажерах, которые проходят в более просторных залах, поскольку, помимо места для занимающихся, требуются площади для размещения самих тренажеров. Еще один специфический вид упражнений – это занятия на велотренажерах, где основную проблему составляет влаго-удаление с учетом большого объема скрытой теплоты от спортсменов.

Проектные данные

Для каждой зоны финтес-центра характерны различные показатели заполняемости и видов физических упражнений, что влияет на расчетные параметры микроклимата. На рис. 1 представлена динамика колебаний температуры воздуха в зависимости от вида физической деятельности и одежды спортсменов с индексом теплоизоляции 0,1 clo (очень легкая), 0,5 (легкая) и 0,9 (тяжелая) (сокр. clo – единица теплоизоляции одежды).

Выполняемыми физическими упражнениями обусловлена и тепловая нагрузка, создаваемая человеком. В таблице приведены параметры среднего метаболического индекса (Met) (тепловыделения человека) во время различных видов физических упражнений. Значение 1 Met соответствует 58 Вт/м 2 . Помимо вида физических упражнений тепловыделение определяется также степенью интенсивности этих упражнений. У людей нетренированных и не привыкших к большим нагрузкам тепловыделение обычно приближается к максимуму – организм выделяет наибольшее количество теплоты, большей частью в скрытой форме (в виде потоотделения), что является тепловой компенсацией и утилизацией повышения температуры, вызванной мышечным напряжением. Как правило, упражнения, требующие предельного напряжения, не бывают продолжительными и должны соответствующим образом чередоваться на всем протяжении занятий. Если взять, к примеру, зал велотренажеров, где средняя продолжительность занятий колеблется от 20 до 40 мин, то период максимального напряжения, когда выделяется наибольшее количество теплоты, длится не более 5–10 мин.

Эффективность физического отвода теплоты, в частности скрытой, в значительной степени определяется уровнем относительной влажности воздуха в помещении. Вследствие этого при равном физическом напряжении меньше потеет человек, находящийся в помещении, где относительная влажность воздуха ниже, нежели тот, что занимается в зале с более высокой влажностью воздуха, поскольку в первом случае воздух менее насыщен и в большей степени расположен к поглощению водяного пара, выделямого кожными покровами человека.

В этих обстоятельствах особое значение приобретает регулирование уровня влажности в помещении спортивного зала.

Таблица 1

Вид физического упражнения	Met (1 Met = 58 Вт/м 2)
Тренажер	3–4
Современные и народные танцы	4–5
Физкультура	4–6
Теннис	5–7
Аэробика	6–8
Бег 15 км/ч	9
Бег 12 км/ч	8
Бег 9 км/ч	7
Боевые искусства, бокс	7–9
Велотренажер	8–10

Другой важный фактор, который следует обязательно учитывать, – это скорость воздуха, поскольку она определяет скорость теплообмена между телом человека и воздухом в помещении с учетом вида физической нагрузки. В этой связи целесообразно воспользоваться критерием оценки, предложенным профессором Датского технического университета П. Фангером (P. Ole Fanger), который, в частности, отмечает: «Состояние комфорта напрямую зависит от средней температуры кожных покровов и тепловой мощности, отдаваемой организмом в форме выделения жидкости, происходящей главным образом при помощи механизма потоотделения».

Общее теплообразование человека, занимающегося спортом в соответствующей спортивной одежде, составляет 390 Вт, из которых 135 Вт составляет явная теплота и 255 Вт – скрытая теплота (рис. 2). Учитывая, что испарительная теплота составляет 2 501 Дж/г, значению 255 Вт соответствует выделение водяного пара в объеме 367 г/ч на человека.

Расчетные параметры

На основании вышесказанного и с учетом назначения отдельных залов, выделенных для различных видов спорта, можно определить минимальные расчетные параметры объемного расхода воздуха для отдельных помещений. При расчете воздухообмена следует учитывать количество водяного пара, создаваемого потоотделением, количество занимающихся людей и конкретный вид физических упражнений. Расчета объемного расхода только на основании данных о требуемом воздухообмене (обычно от 60 до 120 м 2 /ч на человека) здесь недостаточно, поскольку необходимы поправки на влагоудаление и тепловую потребность. После определения общего объема влаговыделений в помещении (q mv , выраженный в г/ч) объемный расход воздуха, требующийся для удаления влаги из воздуха, определяется разницей между абсолютной влажностью внутреннего и приточного воздуха и рассчитывается по формуле:

q ma = q mu / x а – x m , кг/ч,

V a = q ma / p а, м 3 /ч.

Количество воздуха, необходимого для нейтрализации физической тепловой нагрузки (q s), определяется разницей между температурой внутреннего и приточного воздуха и рассчитывается по формуле:

V a = q s (физическая тепловая нагрузка) / 0,34 ∆t, м 3 /ч.

Следует отметить (кстати, очень часто это обстоятельство упускается из виду), что тело человека во время продолжительных физических упражнений в заметных объемах потребляет кислород из воздуха. Таким образом, чем интенсивней вид спорта, для которого предназначено помещение, тем важнее обеспечить требуемый воздухообмен независимо от того, насколько фактические тепловлажностные параметры помещения удовлетворяют нормативным требованиям или расчетным данным. Для того чтобы обеспечить необходимый комфорт, помещения финтес-центров в рабочем режиме должны непрерывно обеспечиваться постоянным притоком наружного воздуха.

Специальное оборудование

Для кондиционирования фитнес-центров особый интерес представляют специально разработанные системы воздухоподготовки. Это оборудование имеет ряд отличительных конструктивных особенностей:

Обеспечивается холодильная мощность и влагоудаление в объемах, необходимых для конкретного вида физических упражнений;

Предоставляется возможность точной регулировки параметров микроклимата в зависимости от выполняемых физических упражнений, когда значения объемного расхода воздуха и тепловлажностные параметры приточного воздуха устанавливаются в зависимости от явной и скрытой теплоты, подлежащей отводу.

Для данного оборудования характерно пониженное потребление энергии благодаря двум современным технологиям:

Регенерация теплоты вытяжного воздуха при помощи двух теплообменников с перекрестными потоками, которые установлены в линию и функционируют в противотоке;

Система адиабатического охлаждения в сочетании с системой охлаждения на базе холодильного цикла.

Значение расхода воздуха данного оборудования меняется в диапазоне от 1 200 до 27 000 м 2 /ч, общая холодильная нагрузка (адиабатическая система плюс холодильная установка) составляет от 6,6 до 159 кВт.

Речь идет о полностью независимых системах, поставляемых в комплекте с электрооборудованием и системой автоматического регулирования. Приточные и вытяжные вентиляторы имеют высокопроизводительный свободно вращающийся импеллер с загнутыми лопастями, установленный напрямую на вал электродвигателя, скорость вращения которого регулируется отдельным инвертером. Работа системы в целом регулируется специальными вибрационными датчиками. Рукавные фильтры (класса EU4) устанавливаются на всасывание (наружный воздух и вытяжной воздух), легко снимаются, интервалы техобслуживания соблюдаются по показаниям датчика дифференциального давления, выведенного на главный электрический щит.

Система регенерации теплоты вытяжного воздуха построена на основе двух пластинчатых теплообменников с перекрестными потоками, монтируемых в линию.

Блок регенерации позволяет обеспечить чрезвычайно низкую потерю нагрузки при росте коэффициента теплообмена и КПД энергетической регенерации до 75 %. Поддон сбора конденсата с принудительным сливом выполнен из полипропилена. Адиабатическое охлаждение воздуха происходит путем разбрызгивания воды по поверхности водяных обменников и дает понижение температуры порядка 10 °С. Установка комплектуется форсунками, системой регулировки уровня воды, клапаном подачи и отвода воды, рециркуляционным насосом, фильтром, системой смены воды, циклом автоматической мойки.

Режимы работы

На рис. 3–7 показаны режимы работы данного оборудования в различное время года. На рис. 3 показан режим с полной регенерацией теплоты, обеспечивающий летнее охлаждение или зимний нагрев воздуха в помещении. В переходный период установку можно запускать в режиме с частичной регенерацией теплоты путем перепускания (байпасирования) с теплообменника определенного объема воздуха (рис. 4) либо в режиме полного естественного охлаждения в переходный или ночной период посредством полного байпасирования (без регенерации теплоты) при росте наибольшего объемного расхода воздуха до 10 % (рис. 5).

В летний период используется система адиабатического охлаждения (рис. 6), которая при высокой температуре наружного воздуха может интегрироваться с системой охлаждения и влагоудаления посредством холодильного цикла (рис. 7).

Переведено с сокращениями из журнала «RCI».

Перевод с итальянского С. Н. Булекова .

> Адиабатические системы охлаждения

Адиабатическая система охлаждения представляет наиболее эффективный, чистый, безопасный и экономически выгодный способ охлаждения воды в диапазоне температур от 5 до 35°C. Процесс охлаждения происходит в замкнутом контуре. Теплоноситель всегда остается чистым, не испаряется, не подвергается атмосферным загрязнениям и загрязнениям накипью. При эксплуатации такой системы, отсутствует необходимость в водообработке, фильтрации и подпитке воды. Адиабатическая система охлаждения - надежный и безопасный способ охлаждения с минимально возможными эксплуатационными затратами. Комплектная поставка: охладители, система рециркуляционных насосов, баки накопители, фильтрация, контроль и управление всеми составляющими с одного пульта. Возможность подключения к дистанционной системе управления и контроля.

Передовая система охлаждения работает при любых условиях окружающей среды и является прекрасной альтернативой градирням с испарением теплоносителя, также обеспечивая значительные преимущества с точки зрения эксплуатационных затрат и вопросов, связанных с защитой окружающей среды.

94% экономии энергоресурсов по сравнению с чиллером
34% экономии энергоресурсов по сравнению с градирней
99% экономии воды по сравнению с градирней.

* средние результаты подсчитаны согласно различным климатическим условиям и различным тепловым нагрузкам.

Без Риска роста бактерий

Эксплуатационные преимущества «Замкнутый контур»

Минимальные эксплуатационные издержки
Быстрое и простое текущее обслуживание
Модульное соединение
Гарантия охлаждения
Параллельные (P) и последовательные (S) конфигурации
Минимальное воздействие на окружающую среду
Система предварительного охлаждения воздуха.
Эксплуатационная экономия
Экономия воды

3DK охладитель работают, не поглощая воду и только во время жарких дней, он автоматически активирует адиабатическую систему для того, чтобы получить заранее охлажденный воздух.
Такая система использует минимальное количество воды, которая испаряется без прямого контакта с оребренным радиатором, исключая всякий риск осаждения примесей, содержащихся в воде и воздухе, на охладителе.
Более того, при помощи современной геометрии увлажняющих блоков, достигается высокая степень относительной влажности воздуха, используемого для охлаждения, тем самым, улучшается эффективность охладителя.

Экономия энергии.
Использование вентиляторов с бесколлекторным двигателем совместно с устройством регулирования скорости вращения, позволяет снизить уровень шума, продлить долговечность и надежность механизма, не смотря на то, что удельное энергопотребление на 1/3 ниже, чем у традиционной ступенчатой или тиристорной системы.

Принцип работы
В охладителе серии 3DK производственная вода прокачивается через медные трубки с алюминиевым оребрением, расположенных в «V» модуле. Благодаря высокому объему подаваем для охлаждения воды, обеспечивается оптимальная величина турбулентности потока, необходимая для передачи тепла охлаждающему потоку воздуха, который прокачивается через секции радиатора вентиляторами, с производительностью около 23000М3/ч каждый.
Охладитель работает в «сухом» режиме, т.е. без воды, всякий раз, когда температура атмосферного воздуха ниже требуем температуры производственной воды.

Когда жарко, «адиабатическая система» активируется, и дает возможность поддерживать нужную температуру охлаждающей воде, даже если внешняя температура выше.
В адиабатической камере впрыск воды из внешних источников активируется автоматически, для того чтобы насытить воздушный поток водой и добиться понижения температуры до того как он попадет в батареи. Используется воздух насыщенный испаряющейся водой для достижения температуры влажного термометра.
Количество потребляемой воды контролируется микропроцессором, он распыляет 1,5 л/м на каждый установленный вентилятор и гарантирует полное испарение в потоке воздуха до того как дойдет до оребрений радиатора.
Отсутствие прямого контакта между распыленной водой и оребренным радиатором помогает избежать проблему отложения налета на ребрах, позволяя тем самым использование охладителя серии 3DK в любых климатических условиях, даже в тропическом климате, без всяких требований к техническому обслуживанию.
Радиатор остается практически сухим и свободным от образования накипи, тем самым поддерживается его эффективность.

Панель управления состоит из усовершенствованной системы микропроцессора и отличается простотой использования. На экране интерфейса постоянно отображается показание температуры крупными цифрами. Параллельно на большим ЖК дисплее отображаются параметры работы, текущее состояние оборудования и сообщения об аварийной ситуации с точным определение причины.

Панелью можно управлять на любом расстоянии от самой системы, что обеспечивает легкодоступный и постоянный контроль за условиями работы и принятие срочных мер в случае тревожного сигнала. Програмное обеспечение позволяет осуществлять контроль за неограниченным количеством вентиляторов. Для повышения надежности системы, PMR снабжена возможностью перехода в ручной режим работ.

Главные функции:

контроль за скоростью вентиляторов, в соответствии с температурой окружающей среды и температурой производственной воды с целью применения полученной хладопроизводительности.
контроль за функцией испарения в соответствии с температурой окружающей среды и температурой производственной воды.
контроль за трехлинейным распределителем для «естественного охлаждения» применительно к водоохладителям.
управление насосными станциями:
контроль за давлением воды для защиты насосной станции и защиты в случае неисправностей (протечка или поломка труб)
автоматический контроль за количеством работающих насосов, зависящих от давления и их чередования для выравнивания наработки.
Набор переходников (KFV) (включен в объем поставки)

До 35-40 % всей энергии, потребляемой ЦОДом, расходуется на охлаждение серверных стоек и инженерных систем. Адиабатический принцип охлаждения дата-центра позволяет заметно снизить энергопотребление в сравнении с традиционными системами. Экономичный способ охлаждения ЦОДа будет реализован в дата-центре компании DataPro в Москве.

Погода в ЦОДе

За последние годы плотность размещения оборудования в дата-центрах существенно увеличилась, а вместе с ней выросли и расходы на электропитание. В российских коммерческих дата-центрах одна стойка в среднем потребляет от 3 до 10 кВт - примерно столько же от нее приходится отводить тепла. При этом самый весомый «вклад» а общий ландшафт энергопотребления вносят системы охлаждения: их доля достигает 35-40 %.

В стремлении оптимизировать традиционную схему, специалисты пытались отводить тепло путем применения более эффективных хладагентов и за счет выбора оптимальных параметров работы системы. Но эти были полумеры, которые не позволяли добиться существенной экономии.

Самое энергоемкое звено в традиционной схеме охлаждения - это компрессор и конденсаторные агрегаты. Отказ от этих компонентов в сочетании с использованием холода наружного воздуха (freecooling - именно так по-научному называется использование естественного охлаждения) стал первым революционным шагом на пути к оптимизированной, низкозатратной в отношении энергоресурсов системе охлаждения. Этот подход взяли на вооружение многие дата-центры мира. Принцип фрикулинга сегодня широко применяется и во многих ЦОДах России - в основном в тех регионах, где на протяжении многих месяцев держится низкая температура за окном. Очевидно, применение такой технологии вполне оправдано в Мурманске или Норильске. Но можно ли построить энергоэффективный ЦОД в жарком климате? Для российских дата-центров этот вопрос тоже не праздный, так как в летние месяцы в средних и даже северных широтах температура воздуха бывает довольно высокой.

Горячее охлаждение

ЦОД «Меркурий» компания eBay

Как ни парадоксально, но во всем мире известно немало примеров расположения дата-центров в жарком климате - в условиях, гораздо более экстремальных по сравнению с российскими. К примеру, ЦОД «Меркурий» компания eBay построила в американском городе Финикс, штат Аризона - в жаркой пустыне, где столбик термометра летом достигает 50 градусов C. И это при том, что для бизнеса eBay чрезвычайно важен такой фактор как непрерывность и время реакции приложения на запрос пользователей по всему миру - каждую секунду на портале этой компании заключается громадный объем сделок общей суммой около 2 тыс долларов. То есть безотказность всех систем ЦОДа стоит в списке приоритетов на первом месте. Казалось бы, для охлаждения такого ЦОДа разумнее было бы расположить его в северных широтах.

И, тем не менее, eBay построила свой ЦОД именно в Аризоне, - и не прогорела. Казалось бы, об использовании внешнего воздуха и речь не могла идти. Но, проанализировав все имеющиеся возможности снижения уровня потребления энергии, эксперты eBay пришли к выводу, что именно фрикулинг лучше всего обеспечит требуемую эффективность нового ЦОД в пустыне. Секрет в том, что в сочетании с фрикулингом на этом объекте было применено адиабатное увлажнение.

Ветер с моря дул

Уже давно было замечено, что воздух, приходящий с моря, прохладнее, чем степной ветер, дующий в направлении акватории. В Древнем Риме таким образом охлаждали дома: под распахнутыми окнами располагался бассейн с фонтаном: проходя над водой, воздух охлаждался в результате ее испарения.

На этом принципе основаны и мокрые градирни, - один из самых старых методов охлаждения, который активно используется на производствах. Принцип действия этих систем основан на охлаждении воды потоком воздуха, продуваемого через ее поверхность.
Более продвинутый вариант этого процесса применяется в адиабатических системах охлаждения воздуха.

Экономика вопроса

Адиабатическое охлаждение ЦОД - недорогая и надежная система, в которой отсутствуют сложные агрегаты и не требуется резервирование узлов. Для реализации адиабатического увлажнения практически не требуется затрат электроэнергии - расходуется только вода. Таким образом, стоимость охлажденного воздуха низка, что при правильном его использовании может существенно повысить энергоэффективность систем кондиционирования.

В целом оборудование современных ЦОДов неплохо переносит и более высокую температуру, и увеличение влажности воздуха. В качестве допустимых границ используются параметры, рекомендованные ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). В первой редакции этих рекомендаций, опубликованной в 2004 г., был установлен верхний предел в 25 градусов Цельсия при влажности 40%, во второй (2008 г.) – 27 градусов при влажности 60%. В рекомендациях 2011 года появились два новых класса оборудования для ЦОДов – А3 и А4 с температурным диапазоном до 40 и 45 градусов. Хотя такое «жаркое» охлаждение еще не распространено повсеместно, любители инноваций активно начинают его использовать. Это позволяет существенно расширить географию применения «зеленого» охлаждения.

Адиабатическое охлаждение требуется далеко не всегда, - только в самые жаркие месяцы. В холодное время года охлаждение идет с помощью внешнего воздуха. Не так давно системы адиабатического охлаждения в основном использовались в регионах с сухим и жарким климатом. Но последние разработки производителей климатического оборудования показали большой потенциал использования систем адиабатического охлаждения в европейских регионах с умеренным климатом.

Следует отметить, что ни начальная температура воды, ни температура воздуха на процесс практически не влияют, - в отличие от влажности, - поясняет Михаил Балкаров, технический эксперт компании Emerson Network Power. - Так что если ЦОД находится в пустыне, но при этом имеет источник воды, получается вполне эффективная система. А вот если идет дождь при температуре воздуха плюс 25 градусов Цельсия, то, увы, никакого охлаждения из системы извлечь не удастся, поскольку во время дождя влажность наружного воздуха близка к 100%.

Михаил отмечает, что необходимо учитывать локальные аномалии влажности, возникающие рядом с крупными водоемами. Кроме того, в российских регионах с переменчивой погодой, возможно, придется иметь одновременно две системы - традиционную и альтернативную, что заметно увеличит размер капитальных инвестиций и может свести к нулю все попытки сэкономить.

Недостатком метода адиабатического охлаждения становится также увеличение влажности воздуха. Могут возникнуть опасения, что влажность станет угрозой для чувствительного электронного оборудования в дата-центре. Один из примеров такого инцидента рассматривается ниже (см. раздел «Facebook под дождем»).

Среди других недостатков системы адиабатического охлаждения эксперт отмечает расход воды и необходимость эту воду подготавливать. «Воды тратится порядка 2 л/ч на 1 кВт/ч в пике потребления и порядка 0,3 л/ч в теплый сезон в среднем, - рассказывает Балкаров. - Это заметные деньги, а считая с расходами на очистку, - еще более заметные».

Очищать воду нужно, подчеркивает Михаил Балкаров, потому что при испарении все минералы оказываются в воздухе в виде мелкой пыли. «И если для градирен это достаточно дешевый процесс, связанный с грубой очисткой, - очищение в основном предусмотрено для предотвращения накипи, - то форсунки в адиабатической системе требуют микрофильтров и осмотической фильтрации», - объясняет эксперт. Так что не только стоимость системы, но и эксплуатационные расходы возрастают».

При использовании адиабатического охлаждения следует помнить о том, что придется решать еще и вопросы водоснабжения, водоотведения и водоподготовки, которые, в свою очередь, перетекут в проблемы архитектуры и строительных конструкций. Не стоит забывать и о стоимости воды. Пока ее цена несравнима со стоимостью электроэнергии, но она постоянно растет.

Коэффициент WUE

Использование систем адиабатического охлаждения приводит к снижению PUE и энергопотребления, но при этом расход воды может быть очень велик. Поэтому организация Green Grid в марте 2011 г. ввела еще один параметр, характеризующий полезное потребление воды в дата-центре, – коэффициент использования воды WUE (Water Usage Effectiveness). Коэффициент рассчитывается по формуле:

WUE = годовое потребление воды / мощность ИТ-оборудования

Единицей измерения WUE является л/кВт/ч.

Facebook стал первым оператором дата-центра, который открыто поделился значением WUE. В ЦОДе, расположенном в г. Прайнвилль во втором полугодии 2011 г. этот параметр составлял 0,22 л/кВт*ч.

В целом использование адиабатического охлаждения позволяет добиться высокой энергоэффективности ЦОДа: коэффициент PUE может достигать значения 1,043, за счет того, что вспомогательное оборудование, включая систему охлаждения, даже летом потребляет всего около 4% электроэнергии энергии ЦОДа, а зимой – и того меньше (в зимний период PUE – около 1,018). Эффективность компрессорно-конденсаторных систем на основе чиллеров или DX-кондиционеров существенно ниже, для них PUE = 1,3 – великолепный результат.

Упомянутый в начале статьи ЦОД «Меркурий» площадью 12 600 квадратных метров и мощностью 4 МВт функционирует уже больше года. Использование фрикулинга совместно с адиабатным испарительным охлаждением в этом ЦОДе доказало свою эффективность.

ЦОДы Facebook

Адиабатическая система охлаждения в ЦОД Facebook

Еще один яркий пример использования новых технологий охлаждения – ЦОДы Facebook. Первый собственный дата-центр Facebook построила в американском городке Прайнвилль, в 2010 году. Через год был построен второй, дублирующий дата-центр в Форест-Сити, штат Северная Каролина. Коэффициенты энергоэффективности (PUE) этих площадок составляют: 1,07 для ЦОД в Прайнвилле и 1,09 - для ЦОД в Форест-Сити. Этого удалось достичь только благодаря снижению потерь при передаче и преобразовании электроэнергии, а также более высоким рабочим температурам воздуха внутри ЦОДа (допускается +35 °C в стойках в холодном коридоре).

В дата-центрах установлена традиционная система охлаждения, но используется она только в аварийных случаях. Основная же система кондиционирования воздуха - прямой фрикулинг с несколькими камерами подготовки воздуха, через которые проходит наружный воздух.

Первоначально воздух извне забирается воздухозаборниками на втором ярусе и поступает в камеру подготовки, где фильтруется и смешивается с горячим воздухом. Далее воздух проходит через холодильные панели. Они представляют собой камеру увлажнения с большим количеством труб, разбрызгивающих дистиллированную воду форсунками под высоким давлением, благодаря чему повышается влажность и понижается температура продуваемого воздуха. Чтобы мелкодисперсная влага не могла проводить электричество, используют дистиллированную воду. Далее на пути воздуха стоят мембранные фильтры, отделяющие крупные частицы влаги. Затем воздух мощными вентиляторами направляется в машинный зал. Отработанная вода собирается в специальном резервуаре и очищается.

Фейсбук под дождем

Однажды внутри охлаждаемого помещения дата-центра компании Facebook в Прайнвилле образовалось облако влаги, которое в буквальном смысле накрыло собой серверные помещения вместе с их (извините за каламбур) «облачными» вычислениями.

В 2001 г. этот дата-центр столкнулся с проблемой в работе системы управления, из-за чего температура воздуха, используемого для охлаждения серверов, достигла более 26 градусов Цельсия, а влажность - свыше 95%. В результате стал накапливаться конденсат и образовалось дождевое облако, заполнившее собой все пространство с вычислительным оборудованием. В происходящее было невозможно поверить. Начались звонки коллегам в центр эскалации проблем, а те долго не могли вникнуть, о каком дождевом облаке идет речь? Проще было убедить их в том, что яблони зацвели на Марсе, чем в сказку о дожде.

Ради экономии электричества Facebook использовал наружный воздух для охлаждения своего дата-центра вместо традиционной системы. Но после того как система управления вышла из строя, началась рециркуляция подогретого воздуха с низким уровнем влаги через систему охлаждения на базе водяного испарителя.

Это привело к тому, что воздух сильно увлажнился и образовалось облако, которое натворило много бед. Некоторые серверы полностью вышли из строя: те специалисты, кто находился в дата-центре, могли наблюдать, как искрят и агонизируют серверы. Хуже ничего и представить было невозможно. Впрочем, инцидент больше не повторился: специалисты Facebook тщательно изолировали контакты в местах подключения серверов к источникам питания, защитив их от влаги.

А что в России?

Адиабатические системы охлаждения в России пока не очень популярны, но специалисты считают, что в ближайшие годы проектировщики дата-центров будут проявляет к ним все больший интерес. Причина тому - Федеральный Закон ФЗ-261, который устанавливает жесткие рамки для энергопотребления и требует повышения энергетической эффективности на 40 % к 2020 году. Единственный возможный сценарий, который позволит удовлетворить такие требования - это переход на фрикулинг в сочетании с адиабатическим охлаждением. И первые примеры таких внедрений уже есть. В частности, данный принцип охлаждения будет использован в новом строящемся дата-центре компании DataPro в Москве.

Проект этой площадки подразумевает использование экономичного в эксплуатации решения для обеспечения необходимых климатических условий - модульной системы EcoBreeze производства Schneider Electric. Компания DataPro планирует реализовать крупнейшую в Европе инсталляцию данной системы в собственном мега-ЦОДе в Москве на Авиамоторной улице - объекте с установленной мощностью 20 МВт. Система EcoBreeze построена с использованием принципа мокрой градирни (разновидности технологии адиабатического охлаждения) в сочетании с фрикулингом, о которых говорится в данной статье. В Москве, где установлены высокие тарифы на электроэнергию, использование этой системы позволит добиться существенной экономии операционных расходов в дата-центре.

«Технические решения с использованием адиабатического охлаждения нельзя назвать инновационными, поскольку они успешно применяются во многих ЦОДах за рубежом, - поясняет Алексей Солдатов. - Но использование этого принципа в российских дата-центрах - явление редкое. Инсталляция EcoBreeze на нашей московской площадке - одно из первых внедрений».

А вот на другом объекте, в дата-центре компании DataPro в Твери, для охлаждения серверных помещений и электротехнического оборудования используется традиционный принцип с использованием фреоновых трасс, что обусловлено невысокими капитальными затратами и низкими тарифами на электроэнергию.

На объекте в Твери применяется еще одна разновидность адиабатического принципа - изотермическое увлажнение для поддержания необходимого уровня влажности в серверных помещениях, о нем мы расскажем в нашей следующей статье.

Принцип действия
Михаил Балкаров. Отрывок из книги «Охлаждение серверных и ЦОД.Основы.», 2011 г.

Принцип действия адиабатической системы охлаждения состоит в распылении воды в виде мельчайших капель, которые впрыскиваются в горячий воздух. (Вода при этом должна быть очищена от всяческих примесей.) Вода, испаряемая в воздухе, способна охладить его до температуры, близкой к температуре мокрого термометра.

Строго теоретически предел охлаждения в этом процессе заметно ниже и равняется температуре точки росы. Для реализации этой возможности достаточно часть исходного воздуха охладить до температуры мокрого термометра испарением воды, а потом с его помощью охладить остаток, не увлажняя. Далее холодный воздух также увлажняется, приобретая более низкую температуру. Процесс можно повторить еще раз с частью воздуха, достигнув температуры, близкой к точке росы. Единственная очевидная техническая трудность достижения минимально возможной температуры - увеличение в несколько раз требуемых объемов подаваемого воздуха и площади теплообменника.

Подобные системы делают либо по принципу мокрых градирен, - то есть используют большую поверхность пластин, покрытую тонкой пленкой воды, - либо распыляют воду под давлением в несколько сот атмосфер, через микронные форсунки, очень мелкими каплями непосредственно в воздуховоды.

Далее либо происходит обмен температурой с тем, что необходимо охладить, либо влажный воздух напрямую используется для охлаждения оборудования. Расход воды составляет около 2 Кг на 1 кВт/ч отводимого тепла. Поскольку испаряется большая часть воды, - соответственно растут требования к ее химическому составу, что требует использования ионнообменных фильтров или фильтров обратного осмоса.

При использовании форсунок строгие требования предъявляются к механическим загрязнениям, требуется установка микрофильтров после насоса высокого давления. Эти усложнения связаны с тем, что начиная с определенного размера капли процесс испарения происходит очень быстро, и за счет этого значительно уменьшаются размеры оросительной камеры.

Использование форсунок большего диаметра, среднего и низкого давления, проще с точки зрения эксплуатации форсунок и процесса водоподготовки. Но при этом часть воды не участвует в процессе и сливается (капли не успевают испарится полностью), кроме того размеры камер увлажнения становится сопоставимым с остальными помещениями системы.

Погода в ЦОДе

Горячее охлаждение

ЦОД «Меркурий» компания eBay

Ветер с моря дул

Более продвинутый вариант этого процесса применяется в адиабатических системах охлаждения воздуха.

Экономика вопроса

Адиабатическое охлаждение требуется далеко не всегда, - только в самые жаркие месяцы. В холодное время года охлаждение идет с помощью внешнего воздуха. Не так давно системы адиабатического охлаждения в основном использовались в регионах с сухим и жарким климатом. Но последние разработки производителей климатического оборудования показали большой потенциал использования систем адиабатического охлаждения в европейских регионах с умеренным климатом.

Очищать воду нужно, подчеркивает Михаил Балкаров, потому что при испарении все минералы оказываются в воздухе в виде мелкой пыли. «И если для градирен это достаточно дешевый процесс, связанный с грубой очисткой, - очищение в основном предусмотрено для предотвращения накипи, - то форсунки в адиабатической системе требуют микрофильтров и осмотической фильтрации», - объясняет эксперт. Так что не только стоимость системы, но и эксплуатационные расходы возрастают».

Коэффициент WUE

WUE = годовое потребление воды / мощность ИТ-оборудования

Единицей измерения WUE является л/кВт/ч.

Facebook стал первым оператором дата-центра, который открыто поделился значением WUE . В ЦОДе, расположенном в г. Прайнвилль во втором полугодии 2011 г. этот параметр составлял 0,22 л/кВт*ч.

ЦОДы Facebook

Адиабатическая система охлаждения в ЦОД Facebook

Фейсбук под дождем

А что в России?

Принцип действия

Михаил Балкаров. Отрывок из книги « Охлаждение серверных и ЦОД. Основы.», 2011 г.

Один из действенных способов повысить эффективность использования энергии в ЦОДе - применить адиабатическое охлаждение воздуха, в основе которого лежат уникальные свойства воды.

Как известно, для оценки эффективности использования энергии в ЦОДах применяют показатель PUE (Power Usage Effectiveness) - отношение общего энергопотребления к энергопотреблению ИТ-оборудования дата-центра. Существует и обратный показатель - DCE (Data Center Efficiency). Типовыми считаются значения PUE от 1,5 до 2,0; последнее означает, что на ИТ-оборудование расходуется только 50% потребляемой энергии (DCE = 0,5). В случае традиционных систем механического охлаждения с использованием специализированных кондиционеров CRAC (Computer Room Air Conditioner) на них обычно приходится примерно 35-40% общего энергопотребления.

Но есть подход, позволяющий гораздо более эффективно использовать энергию в ЦОДе, - это адиабатическое охлаждение воздуха.

Принцип метода

Адиабатическое охлаждение обусловлено уникальными свойствами воды, которая имеет одно из наибольших среди жидкостей значение скрытой теплоты парообразования (584,8 ккал/кг). Принцип его состоит в распылении воды в виде мельчайших капель - с энергетической точки зрения это значительно эффективнее механического охлаждения (тот же принцип встречается и в природных явлениях). В адиабатических условиях, в которых общее энергосодержание среды (выражаемое энтальпией) остается неизменным, при испарении 1 л воды в час 680 Вт (584,8/0,86, где 0,86 - переводной коэффициент ккал/Вт) явного тепла, содержащегося в воздухе и характеризуемого его температурой, переходит в скрытое тепло, содержащееся в образующихся парах воды. При использовании увлажнителей воздуха распылительного типа затраты внешней энергии сравнительно невелики, их типовое значение составляет всего 4 Вт на 1 л распыляемой воды, что обусловлено относительно небольшим значением поверхностного натяжения воды. Таким образом, эффективность процесса адиабатического охлаждения в целом характеризуется отношением 680/4 = 170.

Прямое и косвенное охлаждение

Различают два способа адиабатического охлаждения: прямое DEC (Direct Evaporative Cooling) и косвенное IEC (Indirect Evaporative Cooling); схема их конструктивной реализации показана на рис. 1. Прямое охлаждение осуществляется путем распыления воды на стороне притока. Охлажденный за счет испарения взвешенных в воздухе капелек воды приточный воздух подается непосредственно во внутренний объем обслуживаемого объекта. При косвенном же охлаждении вода распыляется на стороне вытяжки. Охлажденный воздух поступает в пластинчатый теплообменник, где с эффективностью примерно 65% происходит обмен явным теплом без передачи скрытого тепла, сосредоточенного в парах воды, которые образуются за счет испарения распыляемой воды на вытяжке.

Условия использования

Оба способа имеют определенные ограничения в использовании в зависимости от тепло-влажностных характеристик атмосферного воздуха. При относительно низких температурах и небольшой влажности атмосферного воздуха прямое адиабатическое охлаждение DEC существенно расширяет возможности популярного способа свободного охлаждения, или фрикулинга (FC), осуществляемого без распыления воды как на притоке, так и на вытяжке. Фрикулинг возможен при условии, что температура атмосферного воздуха не превышает температуры внутри обслуживаемого объекта. В случае DEC за счет адиабатического испарения распыляемой воды температура воздуха на притоке дополнительно понижается по отношению к температуре атмосферного воздуха. Таким образом, обеспечивается естественное охлаждение, без применения механического, при температурах атмосферного воздуха, несколько превышающих температуру внутри обслуживаемого объекта. Однако при этом существует ограничение, связанное с насыщением воздуха парами воды. Сопутствующее этому увеличение энтальпии не должно превышать значений, отвечающих требуемым значениям температуры и относительной влажности внутри обслуживаемого объекта.

В противоположность этому адиабатическое охлаждение IEC возможно только тогда, когда температура воздуха и его энтальпия внутри обслуживаемого объекта ниже температуры и энтальпии атмосферного воздуха.

Следует также иметь в виду, что фрикулинг помимо указанного выше температурного ограничения возможен только при условии, что абсолютная влажность (влагосодержание) атмосферного воздуха не превышает значения, соответствующего требуемым значениям температуры и относительной влажности внутри обслуживаемого объекта.

Отсюда на долю механического охлаждения (Mechanical Cooling, MC) остается лишь такое сочетание тепло-влажностных характеристик атмосферного воздуха, когда одновременно и его температура, и абсолютная влажность превышают значения, соответствующие требуемым значениям температуры и относительной влажности внутри обслуживаемого объекта.

Оптимальные значения температуры и относительной влажности в ЦОДах задаются рекомендациями ASHRAE TC 9.9 (редакция 2008 г.) и составляют соответственно 230°С и 60%. На рис. 2 представлена i-d-диаграмма, отражающая перечисленные выше ограничения с учетом этих значений, на которой четко видны области преимущественного использования различных методов охлаждения ЦОДов.

Сравнительный анализ энергопотребления

Мы провели сравнительную оценку энергопотребления при использовании различных методов охлаждения ЦОДов (результаты этих расчетов сведены в таблицу). При этом предполагалось, что кондиционеры CRAC, используемые в системе механического охлаждения, имеют значение холодильного коэффициента COP (Coefficient of Performance, характеризует отношение холодопроизводительности к потребляемой мощности), равное 2,8, как у большинства моделей присутствующих на рынке устройств. Энергопотребление используемых в системах водоподготовки установок обратного осмоса (Reverse Osmos, RO) принято равным 2,4 вт/(л/ч), что соответствует типовым значениям.

В качестве примеров ЦОДов, где успешно используется адиабатическое охлаждение, можно назвать HP Wynyard Park (Миддлсбро, Великобритания; действует с апреля 2009 г., достигнуто значение PUE 1,2) и дата-центр Fujitsu (Нюрнберг, Германия; действует с февраля 2010 г., достигнуто значение PUE 1,25). В обоих случаях снижение энергозатрат на нужды систем охлаждения ЦОДа составило около 95% (т.е. фактические затраты составляют порядка 5% от имеющих место при механическом охлаждении), что в первом примере обеспечило годовую экономию в $4,16 млн. И эти цифры говорят сами за себя.