Системы охлаждения жидкости (чиллер) с «Free Cooling» — сухие градирни
В регионах с умеренным и холодным климатом наличие фрикулинга помогает существенно экономить электроэнергию в осенне-зимний период. В драйкулере от питания работают только осевые вентиляторы, в то время как в других типах холодильных агрегатов электричество требуется также для работы испарителя. При наличии системы свободного охлаждения компрессор – основной потребитель электроэнергии – работает значительно меньше, что становится дополнительным источником экономии.
Кроме того, большинство современных драйкулеров оснащены частотными преобразователями, которые позволяют регулировать скорость вращения лопастей вентилятора.
Чиллер с естественным охлаждением может использовать фрикулинг полностью или частично. В первом случае охлаждение воздуха происходить при полностью выключенном компрессоре за счет гликолевого контура, во втором – компрессор работает в половину нагрузки, а гликолевый контур используется параллельно для охлаждения воздуха в помещении и конденсатора.
Системы с «Free cooling» в зимний период дают возможность экономить до 80% электроэнергии, а в межсезонье – до 50%. Учитывая значительный рост цен на энергоносители, такая экономия является весьма существенной. Именно поэтому владельцы промышленных предприятий, имеющих постоянную потребность в охлаждении, предпочитают установку систем охлаждения жидкости с «Free cooling».
Наша компания предлагает охладители технических жидкостей с системой фрикулинг, а также занимается производством, поставкой и монтажом драйкулеров («сухих охладителей жидкости» или «сухих градирен»). «Ксирон-холод» занимается выпуском драйкулеров как под чиллеры собственного производства, так и для монтирования в другие системы охлаждения.
Мы предоставляем широкий выбор драйкулеров Guntner, изготовленных на основе качественных комплектующих от известных европейских производителей.
Энергосберегающие схемы охлаждения технических жидкостей
На сегодняшний день наибольшим спросом пользуется оборудование с системой естественного охлаждения «Фрикулинг», которое позволяет в зимний и осенне-весенний период использовать для охлаждения хладагента холодный наружный воздух, не включая компрессор. Поскольку основным потребителем электроэнергии считается именно компрессор, то применение фрикулинга позволяет существенно экономить электроэнергию.
Водоохлаждающая установка на базе воздушного конденсатора с сухой градирней
Принцип работы
При снижении температуры воздуха тосол при помощи трехходового клапана поступает предварительно в градирню, где он частично охлаждается и только после этого подается в холодильную установку. При стабильно низких наружных температурах основной отбор тепла будет происходить в градирне, в то время как компрессор будет отключен.
Преимущества
Когда температура воздуха понижается, и разница между температурой наружного воздуха и температурой воды достигает 5ºС, в работу включается гликолевый контур. Чем холоднее будет на улице, тем большую часть отводимого тепла будет брать на себя контур охлаждения тосолом.
Водоохлаждающая установка на базе жидкостного конденсатора с драйкулером
Принцип работы
В зимний период, когда температура наружного воздуха падает настолько, что градирня может взять на себя всю нагрузку по отбору тепла, охлажденный поток тосола из драйкулера поступает на пластинчатый теплообменник, а компрессор чиллера отключается.
Преимущества
Недостатки
Рассчитываем срок период окупаемости чиллера с системой «Free cooling»
Стоимость градирни вместе с другим дополнительным оборудованием (насосом для тосола, разборным теплообменником, трехходовым клапаном) – 11,5 тыс. евро.
Если считать, что холодильное оборудование будет работать круглосуточно при цене электроэнергии 3 руб за кВт/час, то годовая экономия достигнет – 227 тыс. рублей. Таким образом, можно сделать вывод, что приобретенное оборудование окупит себя немногим более чем за 2 года.
Особенности и преимущества технологии фрикулинга в системе охлаждения ЦОДов EcoBreeze
В конце сентября APC by Schneider Electric провела в Москве пресс-конференцию, посвященную началу поставок в Россию модульной системы охлаждения EcoBreeze. Эта система идеально подходит для стран с холодным климатом и является самым энергоэффективным решением среди всех известных на данный момент вариантов. Применение EcoBreeze для охлаждения крупных вычислительных центров, позволяет существенно снизить потребность в электроэнергии и сократить расходы на обслуживание самой системы. Что же собой представляет решение EcoBreeze и какую роль в повышении эффективности охлаждения играет технология «естественного охлаждения» или фрикулинга? Давайте попробуем в этом разобраться.
Перед тем, как рассмотреть непосредственно само решение EcoBreeze, вспомним об интересных особенностях современных систем охлаждения ЦОДов. Большинство из них имеют довольно таки высокое потребление электроэнергии, т.к. большую часть времени в работе участвует компрессор.
До недавнего времени даже самые лучшие ЦОДы обладали коэффициентом энергоэффективности порядка 1.6, а худшие демонстрировали показатель, равный 3. Коэффициент PUE (Power Usage Effectiveness — отношение общей мощности, подведенной к ЦОДу, к полезной мощности, дошедшей до потребителя) равный 3 означает, что на каждый киловатт, потребляемый серверами, еще 2 киловатта бесполезно съедаются инженерными системами по причине неэффективности их работы.
Далеко не редкостью являются и такие ЦОДы, в которых вентиляторы системы кондиционирования, доставляя воздух к серверам через узкое пространство, потребляют больше электроэнергии, чем охлаждаемые ими стойки с серверами.
Еще год назад на самых эффективных технологиях, получивших промышленное распространение, получить коэффициент энергоэффективности меньше, чем 1.3 или 1.4 было просто невозможно. В настоящий момент, благодаря решению EcoBreeze, данный показатель удалось снизить до значения 1.25.
Основными инженерными системами, обеспечивающими функционирование ЦОДа и потребляющими больше всего энергии, являются система электроснабжения и система кондиционирования. Система электроснабжения за последние несколько лет полностью преобразилась и на текущий момент ее вклад в общие потери энергии минимален. В настоящее время энергобезопасность ЦОДов обеспечивают ИБП с очень низкими потерями, КПД которых составляет порядка 97—98%. Таким образом, помимо вычислительных систем, основным вкладчиком в общее энергопотребление вычислительных центров является система охлаждения. И именно преобразование данной системы позволит сократить расходы электроэнергии и повысить энергоэффективность.
Как же можно повысить эффективность системы охлаждения и при этом снизить энергопотребление? Решение оказалось простым — для охлаждения серверов дешевле всего использовать холодный воздух окружающей среды. Данная технология получила название «естественное охлаждение» или фрикулинг (free cooling), а в ее основе лежит воздушный теплообмен без перемешивания наружного и внутреннего воздуха.
При высоких наружных температурах: цикл Карно (компрессор) 
При низких наружных температурах: свободный теплоперенос от более к менее нагретой среде 
Существуют несколько схем реализаций фрикулинга, отраженных на иллюстрациях ниже.
Примеры реализаций фригулинга:
Фрикулинг с использованием наружного воздуха 
Фрикулинг с использованием прецизионного кондиционера с двумя теплообменниками 
Фрикулинг с применением теплового колеса 
Система EcoBreeze сочетает в себе самые лучшие технологии фрикулинга и использует преимущества местного климата. В зависимости от ситуации система может автоматически переключаться на один из трех способов охлаждения.
Прямой воздушный теплообмен — горячий воздух от компьютерного оборудования ЦОДа прокачивается электронно-коммутируемыми вентиляторами через внутренние каналы косвенного испарительного охладителя (IEC), после первоначального охлаждения воздух от компьютерного оборудования выходит из IEC, проходит через теплообменник системы охлаждения и возвращается в центр обработки данных.
Схема прямого теплообмена 
Косвенный испарительный теплообмен — тепло от поступающего из помещения ЦОДа воздуха удаляется за счет испарения воды на наружной поверхности каналов воздухо-воздушного теплообменника.
Схема испарительного теплообмена 
• Тепло удаляется испаряющейся водой на наружной части канала теплообменника.
• Вода подается равномерно посредством распылительных форсунок по всей площади теплообменника.
• Поддерживает настройку количества подаваемого воздуха
При превышении окружающей температурой порога 7°C (эта величина может корректироваться в в зависимости от параметров воздуха в ЦОД) подключается дополнительное орошение, а при температуре 27°C (величина также может меняться в зависимости от параметров ЦОДа) подключается пропорциональный фреоновый контур.
Схема с пропорциональным контуром 
• Компрессор с переменной мощностью позволяет достичь оптимальной эффективности фреонового охлаждения
• Дополняет испаряющее охлаждение для поддержания температуры подаваемого воздуха
• Спроектирован для 60% полной нагрузки
• Хладаген фреон R410a
Таким образом, при низких температурах система обходится и без воды, и без фреона, работая только на окружающем воздухе. Когда температуры и количества наружного воздуха не хватает для поддержания заданной температуры воздуха, подаваемого в ЦОД, подключается оросительная система. Если подключенная система с дополнительным орошением перестает обеспечивать заданный температурный режим, в действие вступает компрессорная система.
Система охлаждения EcoBreeze
Система охлаждения EcoBreeze построена по модульному принципу и состоит из блоков холодопроизводительностью до 50 кВт, которые можно объединять в группы, включающие до четырех (200 кВт) или восьми (400 кВт) модулей.
Объединение нескольких модулей в систему позволяет подобрать требуемую для каждого конкретного случая систему охлаждения и избежать лишних затрат.
Использование EcoBreeze совместно с другими энергоэффективными компонентами инженерной инфраструктуры ЦОДа позволяет достичь значений среднегодового PUE всего ЦОДа в пределах 1.25—1.3. Возможность сочетания трех способов охлаждения позволяет получить холодильный коэффициент, недостижимый для традиционных систем охлаждения. При уменьшении нагрузки на систему охлаждения, например, при построении отказоустойчивой системы уровня 2N, эффективность данного решения только увеличивается за счет того, что естественное охлаждение работает практически круглогодично без подключения компрессорной системы.
EcoBreeze имеет множество принципиальных отличий в сравнении с классическими системами кондиционирования применяемых для ЦОДов. Вся система кондиционирования выводится за пределы ЦОДа, и если раньше в системах охлаждения применялись периметрические кондиционеры, которые подавали воздух под фальшпол, или внутрирядные системы охлаждения, которые встраивались между стойками, то данное решение все равно являлось встроенным в помещение ЦОДа и занимало столь дефицитное свободное пространство. EcoBreeze спроектирована таким образом, что все ее элементы вынесены за пределы основного зала ЦОДа. Систему можно устанавливать на земле, рядом с ЦОДом или на крыше здания, непосредственно над машинным залом. Еще одна немаловажная особенность системы EcoBreeze это ее модульность и поддержка масштабируемости. В случае, если у заказчика растет нагрузка и требуется увеличить количество вырабатываемого «холода», то система позволяет добавить дополнительные охлаждающие модули, при этом в машинном зале не требуется делать какие-либо перестановки.
Схема перемещения воздушных потоков системы охлаждения EcoBreeze с фальшполом 
При построении системы охлаждения с фальшполом, циркуляция воздушных потоков осуществляется следующим образом: горячий воздух, вырабатываемый серверами, ограничивается рамками «горячего» коридора Hot Aisle Containment System (HACS, кстати, технология запатентована APC by Schneider Electric), затем он поднимается к потолку и подается в возвратную систему труб EcoBreeze где охлаждается, после чего, подается обратно в ЦОД через пространство под фальшполом в «холодном» коридоре. Холодный воздух подается в холодный коридор и используется для поддержания безопасной для эксплуатации серверов температуре.
Схема перемещения воздушных потоков системы охлаждения EcoBreeze без фальшпола 
Схема распределения воздушных потоков в помещении без фальшпола выглядит немного иначе: горячий воздух поступающий от серверов, ограничивается рамками «горячего» коридора, затем он поднимается к потолку и подается в возвратную систему труб EcoBreeze. После охлаждения воздух подается обратно в машинный зал с помощью распределителей, находящихся в «холодном» коридоре.
Так как система охлаждения EcoBreeze рассчитана на работу в холодном климате, то производитель видит основных клиентов в странах северной Европы и России. Несмотря на то, что отгрузки EcoBreeze назначены на ноябрь—декабрь 2011 года уже два крупных проекта находятся в процессе проектирования, один из которых будет располагаться в Санкт-Петербурге. Суровый климат Северной столицы станет хорошим испытанием на прочность и отказоустойчивость.
Режим свободного охлаждения — фрикулинг
 |
| Рис. 1. Архитектура непрямого фрикулинга с воздухо-воздушным теплообменником |
 |
| Рис. 2. Архитектура прямого фрикулинга: наружный воздух напрямую подается в помещение |
 |
| Рис. 3. Чиллер компании Emerson Network Power Liebert серии HPC с функцией фрикулинга |
При проектировании систем кондиционирования для помещений, требующих круглогодичного охлаждения, — технических зон, серверных, центров обработки данных, производственных площадок с высоким уровнем теплоизбытков — неминуемо встает вопрос: нельзя ли в зимнее время года использовать для их охлаждения наружный холодный воздух? Именно такую возможность и открывает технология свободного охлаждения — фрикулинга (от англ. «Freecooling» — «свободное охлаждение»).
Истоки фрикулинга
Как известно, холодильная машина — это устройство, которое передает тепло от менее нагретого тела к более нагретому. Для того чтобы осуществить такой переброс тепла, требуется затратить энергию. В привычных для нас кондиционерах элементом, который обеспечивает такой перенос, является компрессор. Он и потребляет основную долю затрачиваемой кондиционером энергии.
Но при похолодании мы перестаем использовать кондиционер для охлаждения внутреннего воздуха. Вместо этого мы просто открываем окно и довольствуемся естественной вентиляцией. Что мешает применить подобную схему и для помещений, которым требуется круглогодичное охлаждение? Для электрощитовых, помещений с источниками бесперебойного питания и аккумуляторными батареями, небольших серверных и крупных центров обработки данных, промышленных площадок и производственных цехов — везде, где есть значительные теплоизбытки (более 200 Вт/м 2 ) требуется охлаждение не только в летнее, но и в зимнее время.
В те моменты, когда температура наружного воздуха не превышает температуру воздуха в помещении, то есть когда тепло нужно передавать не от более холодной среды к более теплой, а от более нагретой среды к менее нагретой, и может быть задействован фрикулинг.
Независимо от того, охлаждается помещение наружным воздухом напрямую или же через дополнительный воздушный или водяной контур, фрикулинг несет в себе огромный энергосберегающий потенциал. Ведь в этом режиме не задействуется самый энергоемкий элемент любого кондиционера — компрессор. Это же порождает и еще одно достоинство режима свободного охлаждения — экономию ресурса компрессора: самый дорогостоящий элемент кондиционера используется реже, а потому прослужит дольше.
Виды свободного охлаждения
Существуют две архитектуры систем свободного охлаждения. Это непрямой и прямой фрикулинг.
Разница между ними заключается в том, что при непрямом фрикулинге наружный воздух не попадает непосредственно в обслуживаемое помещение (рис. 1), а при прямом фрикулинге попадает (рис. 2), как если бы это действительно были открытые окна.
Каждая из двух архитектур имеет свои достоинства и недостатки. Так, при прямом фрикулинге удается достичь большего энергосбережения, да и сама система становится проще. Однако подача наружного воздуха в помещение требует уделить большое внимание очистке этого воздуха. Причем, важно отметить, что расходы воздуха в таких системах значительны, а потому и система фильтрации должна быть мощной.
В то же время при непрямом фрикулинге наружный воздух не подается в помещение, а потому требования по его очистке отсутствуют. Однако в системе возникают дополнительные элементы — воздухо-воздушный или воздухо-водяной теплообменник, трассы для водяного контура и прочее. В результате и энергоэффективность всей системы в целом несколько ниже.
Реализация свободного охлаждения
Существует несколько вариантов реализации систем прямого и непрямого свободного охлаждения — как встроенных в холодильное оборудование, как правило, в чиллеры, так и независимых от них.
Чиллер с функцией фрикулинга
Одной из наиболее распространенных реализаций системы свободного охлаждения является использование чиллеров с функцией фрикулинга (рис. 3).
Данное оборудование позволяет отказаться от использования компрессора в переходный и зимний периоды. С помощью трехходового клапана вода переводится в дополнительную теплообменную систему фрикулинга и уже потом — в испаритель. Агрегат отличается компактными размерами, так как теплообменник фрикулинга встроен в корпус чиллера.
Преимуществом использования чиллеров с функцией фрикулинга является встроенная система управления, подразумевающая автоматическое переключение оборудования с компрессионного режима на свободное охлаждение и наоборот.
Воздухо-воздушный теплообменник
 |
| Рис. 4. Использование роторного теплообменника для реализации системы свободного охлаждения |
Другой набирающий популярность вариант реализации фрикулинга заключается в использовании воздухо-воздушного теплообменника (рис. 1) с использованием роторных теплообменников (рис. 4).
Безусловным недостатком подобных систем являются их габариты. Установки могут занимать целый этаж здания, а иногда и два, когда высота теплообменника достигает 6 м. Однако для производственных и иных зон, учитывая их и без того немалые габариты, размеры систем свободного охлаждения, построенных на основе воздухо-воздушных теплообменников, вполне приемлемы. Кроме того, их можно разместить на технических этажах или на чердаке здания.
Очевидным же преимуществом является крайне высокий потенциал энергосбережения. Они могут работать при температурах наружного воздуха, почти равных температуре внутреннего, то есть, практически, в течение всего года. На энергозатратную компрессионную систему охлаждения выпадает не более 10 % времени в году.
Реализация системы прямого фрикулинга
Одна из наиболее популярных схем реализации прямого фрикулинга основана на применении моноблочных прецизионных кондиционеров, оснащенных данной функцией. Такие решения наиболее пригодны для относительно небольших объектов, теплоизбытки которых не превышают 50 кВт.
При этом моноблочный кондиционер устанавливается вплотную к наружной стене, а в его конструкцию входит клапан, который изменяет направление движения воздуха. В результате этого в зимнее время холодный наружный воздух, который ранее предназначался для охлаждения конденсатора, через смесительный узел направляется в помещение (рис. 5).
Оценка энергосбережения от использования фрикулинга
Одной из актуальных задач на сегодняшний момент остается оценка эффективности работы архитектуры свободного охлаждения. Прежде всего следует выяснить, в течение какого времени в году будет задействован режим фрикулинга и климатические особенности региона, где будет смонтирована система охлаждения.
Если используется непрямой фрикулинг на основе чиллерного оборудования, то максимальная наружная температура, до которой может быть задействован режим свободного охлаждения, составляет, как правило, 7 °C. Сразу оговоримся, что эта цифра — не догма и зависит от компоновки всей системы в целом, числа контуров в ней, температурного графика теплоносителя и других критериев. Однако «средней по больнице», как показывает опыт, можно принять температуру 7 °C.
Длительность периода со среднесуточной температурой менее 7 °C для различных городов России, рассчитанная на основе данных из СНиП «Строительная климатология», приведена в таблице.
Следует отметить, однако, что в таблице приведены данные по среднесуточным температурам, в то время как в переходный и летний периоды температура воздуха днем зачастую выше заданной отметки, а ночью — ниже ее. Обусловленные перепадами температуры дополнительные часы использования режима свободного охлаждения здесь не учтены.
Однако существуют и более точные методы расчета длительности режима фрикулинга. Так, подробный архив погоды за последние 15 лет начиная с 1999 года доступен на интернет-ресурсе www.AboutDC.ru по адресу http://AboutDC.ru/weather_statistic/. На сайте собраны данные о температуре, влажности и других параметрах климата различных городов России. По состоянию на начало июня 2013 г. приводится информация по Москве, Санкт-Петербургу, Волгограду и Уфе, которая в том числе, представлена в виде графиков среднемесячных /средненедельных /среднесуточных/ среднечасовых значений (рис. 6).
 |
| Рис. 6. График среднесуточных температур для Москвы в июле-сентябре запомнившегося жарким летом 2010 года |
 |
| Рис. 7. График среднемесячных температур для Москвы на основе данных за период |
Онлайн-приложение позволяет с высокой точностью рассчитать те или иные климатические показатели, например минимумы/максимумы, и средние значения за определенный период, а также длительность периода, в течение которых заданные показатели климата не превышали заданных пороговых значений.
Кроме того, задавая температуру перехода на фрикулинг и основные характеристики системы охлаждения (потребляемую мощность в обычном и энергосберегающем режимах), становится возможным оценить длительность задействования режима свободного охлаждения в рассматриваемом регионе России, а также связанную с этим экономическую выгоду и окупаемость затрат на повышение энергоэффективности системы охлаждения.
| Таблица. Ориентировочная годовая длительность периодов для различных городов России, в течение которых среднесуточная температура воздуха меньше +7 °C (на основе СНиП «Строительная климатология») | |
|---|---|
| Город | Продолжительность, сут. |
| Архангельск | 240 |
| Волгоград | 165 |
| Воронеж | 180 |
| Екатеринбург | 210 |
| Иркутск | 240 |
| Казань | 210 |
| Калининград | 180 |
| Краснодар | 145 |
| Красноярск | 220 |
| Москва | 200 |
| Мурманск | 250 |
| Нижний Новгород | 210 |
| Новосибирск | 220 |
| Омск | 220 |
| Ростов-на-Дону | 150 |
| Самара | 195 |
| Санкт-Петербург | 200 |
Безусловно, погода постоянно меняется, и даже у соответствующих специалистов не всегда получается точно ее предугадать. Как результат, рассчитать некое среднее значение использования фрикулинга за последние 15 лет, на наш взгляд, является не самым верным способом оценки его энергосберегающего потенциала. Гораздо более правильным видится вариант оптимистичного и пессимистичного прогнозирования.
В результате расчетов (для каждого года за последние 15 лет) мы получим 15 цифр, среди которых будет свой минимум (наименьший эффект от свободного охлаждения — пессимистичный вариант) и максимум (наивысший эффект от свободного охлаждения — оптимистичный вариант). Таким образом, прогнозируя эффект от внедрения фрикулинга на будущее, можно оперировать конкретными цифрами, характеризующими пессимистичный и оптимистичный варианты развития событий.
В частности, для Московского региона, как показывает практика, при расчете оптимистичного варианта можно опираться на данные лета 2004 года, которое оказалось самым холодным за последние 15 лет. При расчете пессимистичного варианта подобной однозначности нет. В зависимости от избранной пороговой температуры это могут быть 2005, 2007, 2010, 2011 и 2012 годы. Например, если за пороговую температуру принять 7 °C, то наихудшим будет 2010 год, а если 10 °C, то 2012 год.
Заключение
Системы свободного охлаждения позволяют в значительной мере сократить затраты на электроэнергию, потребляемую системой охлаждения помещений, которым требуется круглогодичное кондиционирование. Прямой фрикулинг более эффективен, но требует особых мер по очистке наружного воздуха. Непрямой фрикулинг менее эффективен, но и не допускает наружный воздух внутрь помещения.
Для любого объекта важным является вопрос возврата инвестиций в энергосберегающие технологии. Если говорить о сроке окупаемости фрикулинга, то он составляет, как правило, не более лет и может быть рассчитан с использованием данных о погоде конкретного региона. Для усредненных оценок могут быть использованы среднемесячные значения. Однако рекомендуется сразу использовать более точные инструменты, к которым следует отнести ресурс www.AboutDC.ru.
Используя в своей практике оптимистичный и пессимистичный прогнозы на основе климатических данных за наиболее холодный и теплый годы, можно с большой точностью предсказать диапазон сроков окупаемости энергосберегающих технологий, а также скорость возврата инвестиций за счет экономии на эксплуатационных затратах.
По материалам Вестника УКЦ АПИК»
