Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Комплексные энергоэффективные решения для климатического оборудования ЦОД от компании Recuperator и Carel

По оценкам специалистов, мировое энергопотребление центров обработки данных составляет около 2–3% от общего потребления электроэнергии на земле. В результате столь высокого уровня энергопотребления возникает все большая необходимость во внедрении высокоэффективных решений. В частности, технологии свободного охлаждения и испарительного охлаждения являются одними из наиболее перспективных решений для охлаждения центров обработки данных, особенно для недавно построенных площадок. Подобные проекты предусматривают разделение между холодными и горячими потоками воздуха, допуская при этом более высокую температуру приточного воздуха, как указано в нормативных актах ASHRAE TC 9.1.

В последние годы были разработаны различные решения как для прямого (ПИО), так и косвенного испарительного охлаждения (КИО). Наиболее оптимальный вариант зависит от погодных условий и ограничений при установке, при этом всегда учитывается баланс между энергосбережением и обеспечением бесперебойного функционирования систем, что крайне важно в подобных применениях.

Среди вышеописанных решений в последние годы системы косвенного испарительного охлаждения (КИО) являются особенно интересными благодаря разработке различных конфигураций и совершенствованию технологий. По мере роста количества установок все производители отрасли стремятся улучшить эти технологии и перейти на следующий уровень.

Рис. 1. Пример установки системы КИО

Данная система состоит из кондиционера, который рециркулирует воздух из центра обработки данных и использует наружный воздух для охлаждения через воздухо-воздушный перекрестноточный теплообменник (рис. 1). Этот наружный, или «вторичный», воздушный поток проходит через теплообменник без попадания в центр обработки данных, что позволяет избежать попадания загрязняющих веществ в воздух. Зимой наружный воздух достаточно холодный, чтобы обеспечить охлаждение, а в летний период испарительный охладитель снижает температуру «вторичного» воздуха, одновременно повышая его влажность до насыщения, с максимальным охлаждением рециркуляционного воздуха, при этом не влияя на его влажность. Охлаждающий змеевик (прямого расширения или c охлажденной водой) может обеспечить дополнительную охлаждающую способность, если это необходимо, а также обеспечить непрерывное обслуживание. Воздух подается в «холодный» вентиляционный канал и распределяется через решетки или диффузоры, после чего возвратный вентилятор забирает воздух из «горячего» вентиляционного канала.

Улучшенная эффективность

Общая эффективность системы данного типа зависит от производительности двух отдельных компонентов: сердца системы — пластинчатого теплообменника и адиабатического увлажнителя. Компании Carel и Recuperator уже много лет работают вместе в поисках новых возможностей для повышения эффективности этой технологии и предоставления производителям систем вентиляции наилучших решений по объединению этих двух компонентов.

Теплообменник

Теплообменник B ∙ Blue

В настоящее время существуют различные типы теплообменников, однако наиболее подходящей технологией является применение перекрестноточного алюминиевого теплообменника со специальным покрытием (рис. 2), поскольку это дает ряд преимуществ:

— Лучшая сухая эффективность, то есть испарительное охлаждение используется только при необходимости, таким образом оптимизируя количество использованной воды.

— Гарантирует лучшую воздушную и водонепроницаемость: в частности, последнее очень важно для предотвращения попадания воды в серверную комнату. Эта характеристика делает перекрестноточные теплообменники наиболее подходящей технологией по сравнению с роторными теплообменниками. При использовании роторов нельзя избежать перекрестного загрязнения (перетока между приточным и вытяжным потоками воздуха), что делает практически невозможным использование испарительного охлаждения.

— Устойчивость к высокому перепаду давления между двумя воздушными потоками, что обеспечивает более гибкую компоновку двух воздушных потоков с их собственной скоростью и давлением воздуха.

— Устойчивость к образованию льда благодаря собственной упругости алюминия, так как охлаждающее устройство работает круглый год и должно быть надежным в течение всего времени использования.

— Легкая чистка с помощью аппаратов высокого давления без повреждений, что обеспечивает высокую надежность с течением времени.

Адиабатический увлажнитель

Рис. 3. Система КЕС

Существуют разные способы испарительного охлаждения «вторичного» воздушного потока. В одной из технологий используется так называемая «влажная губка» (WET PAD), картон или пластиковый носитель, пропитанный водой, через который проходит воздух, поглощая влагу и тем самым охлаждаясь. Альтернативным способом является распыление воды в воздушный поток, создающее при этом мелкие капли для облегчения испарения. Например, в таких системах, как Carel KEC (рис. 3) используется насос для повышения давления воды до 15 бар, распыляющий ее через форсунки с последующим эффективным поглощением для оптимального охлаждающего эффекта. Ниже представлены преимущества системы испарительного охлаждения под давлением KEC:

— Лучшая эффективность поглощения благодаря каплям меньшего размера.

— Лучший контроль температуры, так как насос управляется инвертором, который дает возможность регулирования количества распыляемой воды. Кроме того, сниженная инерция системы обеспечивает более быструю реакцию, что имеет первостепенное значение для контроля температуры подачи (рис. 4).

Рис. 4. Сравнение разницы температур воздуха в ЦОД между конфигурациями WET PAD и KEC

— Меньший перепад давления по сравнению с системой, в которой используется «влажная губка», что означает более низкую совокупную стоимость для конечного клиента благодаря более низкому потреблению энергии вентилятором.

— Сокращение технического обслуживания, так как «влажную губку» необходимо периодически заменять.

— Возможность достижения непрерывного обслуживания путем удвоения системы распыления. Двойная «влажная губка» означает либо два канала, либо удвоение потерь давления.

— Возможность смачивать поверхность теплообменника (если это позволяет тип теплообменника), обеспечивая охлаждающую способность для испарения при контакте.

Совместные исследования, проводимые компанией Recuperator и Carel, направлены на то, чтобы определить, какое расположение системы KEC является наилучшим для оптимального распределения воды на пластинах теплообменника с ограниченным потреблением воды. Адиабатический увлажнитель среднего давления KEC позволяет выбирать различные варианты, чтобы найти наиболее оптимальный. Для достижения этого были исследованы экспериментально всевозможные конфигурации, при этом производительность измерялась при разных рабочих условиях: увлажнение сверху, сбоку, снизу, сверху под углом 45 ° и снизу под углом 45 ° (рис. 5).

Рис. 5. Конфигурации системы KЕС и теплообменника

Результаты показывают, что наибольшая охлаждающая способность достигается при вертикальной ориентации пластин теплообменника и подачи воды/вторичного воздуха сверху: на входе в теплообменник происходит предварительное увлажнение, а испарение воды равномерно распределяется по теплообменнику. Сопла, расположенные в противотоке к воздушному потоку, еще больше увеличивают охлаждающую способность всей системы (рис. 6).

Производительность систем, не показанных на графике: верхняя и нижняя конфигурации под углом 45 ° имеет промежуточную производительность между компоновкой снизу и сверху.

Пластинчатый теплообменник: B ∙ Blue

Для дальнейшего увеличения охлаждающей способности системы косвенного испарительного охлаждения (КИО) компания Recuperator разработала специальную серию B ∙ Blue. Основой этой серии является перекрестноточный теплообменник типа «воздух — воздух», предназначенный для косвенного и адиабатического испарительного охлаждения. Благодаря специальному покрытию он может противостоять самым агрессивным типам воды в течение многих лет. Это уникальное покрытие имеет функцию защиты и повышения производительности системы.

Рис. 6. Сравнение разных конфигураций системы KEC + теплообменник

Рекуператоры серии B ∙ Blue обладают всеми функциями, необходимыми для использования в центрах по обработке данных. Специальное оребрение было разработано для увеличения распределения воды на поверхности пластин во время адиабатического процесса. Распределение и форма турбулентной геометрии позволяют воде распределяться по всей пластине. Синий цвет теплообменника обусловлен цветом специального гидрофильного покрытия, которое повышает смачиваемость пластин.

Это покрытие было разработано и проверено в лаборатории Миланского политехнического института в сотрудничестве с поставщиком алюминия компании Recuperator, чтобы увеличить образование водной пленки и улучшить удержание воды на поверхности, таким образом обеспечивая более высокую охлаждающую способность при меньшем потреблении воды.

Скачать PDF версию статьи «Комплексные энергоэффективные решения для климатического оборудования ЦОД от компании Recuperator и Carel»