|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Охлаждать воздух в помещении дата- центра можно по-разному. Несмотря на все альтернативные варианты, вроде Kyoto Cooling, все же вряд ли рынок быстро откажется от традиционных кондиционирующих решений, где в качестве хладоносителя используется газ (фреон) либо жидкость (вода, водногликолевый раствор). Фреоновые схемы охлаждения проще и дешевле водяных, но без последних трудно обойтись, если речь идет о крупных объектах. В каждом случае выбор того или иного решения — дело сугубо индивидуальное и зависит от решаемой задачи и ба¬зовых условий. По мнению специалистов, эмпирические данные говорят о том, что в подавляющем большинстве случаев на объектах, тепловыделение которых превышает 1- 1,5 МВт, выгоднее оказывается жидкостная система. В других случаях возможны варианты. Тем не менее водяное охлаждение активно используется и для объектов, мощность которых меньше указанной величины, применяется оно и в украинских дата- центрах. Базовым элементом водяной системы является холодильная машина — чиллер. Поскольку данная статья посвящена именно им, то оставим за рамками публикации сравнение фреоновых и жидкостных систем, а остановимся на более детальном рассмотрении последних — кто и что именно предлагает на рынке, а также какие модели чиллеров лучше всего подходят для применения в условиях современных дата-центров.
Для начала все же стоит уделить немного внимания рассмотрению того, какие именно чиллеры сегодня позиционируются как решения для ЦОД. Общая схема работы чиллера хорошо известна, так же, как и его основные элементы, поэтому описательная часть вынесена во врезку «Чиллер — основные элементы». В этом же разделе мы кратко рассмотрим отличительные особенности решений для дата- центров.
Для таких объектов существуют некоторые специфические требования, в числе которых — высокая энергоэффективность, повышенная надежность за счет резервирования ключевых компонентов, специальное фирменное ПО (которое позволяет оптимально использовать ресурсы чиллера и автоматически настраивать различные режимы работы в зависимости от обстоятельств), встроенные средства удаленного мониторинга и управление. В чиллерах для ЦОД стараются увеличить площадь теплообменника, поскольку это благоприятно сказывается на их энергоэффективности. Все более широко применяется двухкомпонентный хладагент R410A, который позволяет повысить холодильную мощность чиллера на 10- 15%. Также важным атрибутом такого оборудования должен быть терморегулирующий вентиль с электронным управлением (ЭТВР), наличие которого даст дополнительные 25- 35% экономии по сравнению с чиллером, имеющим механические ТРВ. Из соображений компактности для дата- центров, как правило, используют моноблочные чиллеры с воздушным конденсатором. Важный фактор экономичности — регулировка производительности компрессора в холодильном контуре, которая позволяет значительно повысить КПД холодильной машины в режиме неполной нагрузки даже при высокой наружной температуре. Достигается это либо использованием инверторных компрессоров, либо применением мультикомпрессорной схемы (несколько штук на один фреоновый контур). Нелишним для ЦОД будет и наличие у чиллера нескольких независимых холодильных контуров, что повышает надежность единичной системы, хотя не отменяет необходимость полноценного резервирования. Нужны также аварийные датчики (малого расхода, низкой температуры воды и др.), отдельные вводы для питания электроники чиллеров и насосов, функции «быстрый старт» и «плавный старт». На энергоэффективности положительно сказывается использование современных электронно-коммутируемых (ЕС) вентиляторов. Однако в последнее время наиболее пристальное внимание уделяется наличию функции свободного охлаждения (фрикулинга), без которой чиллер не попадет в современный дата-центр. Отметим, что все эти возможности не обязательно присутствуют в каждом устройстве, позиционируемом для ЦОД. Часто они подразумеваются производителем, но поставляются в качестве дополнительных опций. Несколько слов стоит сказать о фрикулинге. Принцип технологии заключается в использовании холодного наружного воздуха (как правило, в осенне-зимний период) для охлаждения конденсатора чиллера. Для этого система оснащается дополнительным контуром с незамерзающей жидкостью. Режим фрикулинга позволяет сократить время работы компрессоров, которые являются главным потребителем электроэнергии в чиллере, и тем самым существенно повысить экономичность системы охлаждения. Одним из основных показателей работы холодильной машины является ERR (Energy Efficiency Ratio или соотношение энергоэффективности), демонстрирующее, сколько ватт тепла может отвести система, затрачивая один Вт электроэнергии. Естественно, чем этот показатель выше — тем лучше. В режиме работы компрессоров ERR для хороших чиллеров составляет 3- 3,5 (ERR — безразмерная единица), в то время как использование фрикулинга может довести этот показатель до 25 и выше! На практике, в зависимости от средней температуры в наших широтах, фрикулинг позволяет экономить от 30% до 80% электроэнергии в месяц или от 20% до 50% в годовом исчислении. Правда, сами кондиционеры с фрикулингом дороже на 10- 15% своих собратьев без такой функции (иногда больше). Срок окупаемости — также величина вполне растяжимая, зависящая от многих факторов и может колебаться в пределах от двух-трех — до десяти лет.
Отметим также, что чиллеры с фрикулингом
работают в трех режимах: Приведенные температуры являются ориентировочными и у различных производителей могут варьироваться.
Продукция Uniflair давно и хорошо известна на украинском рынке своими чиллерами и зальными кондиционерами, обладая значительной инсталлированной базой. В 2010 году компания вошла в состав Schneider Electric (есть представительство в Украине), которая таким образом ликвидировала «вакуум» в номенклатуре зальных кондиционеров и чиллеров, что весьма кстати в контексте комплексных решений для дата- центров, которые активно развивает SE (первым решительным шагом в этом направлении была покупка американской компании APC в 2007 году). Решения Uniflair хорошо прижились в местных дата- центрах и благодаря комплексному продвижению Schneider Electric продолжают укрепляться в этой нише. Номенклатура продукции производителя чрезвычайно широка и содержит несколько десятков различных моделей, включая чиллеры на водяном, гликолиевом и воздушном охлаждении, оснащенные традиционными (осевыми) или ЕС- вентиляторами, с функцией фрикулинга или без таковой, со встроенными насосами или без них. Каждая модель находит своего потребителя в той или иной сфере. Холодопроизводительность разных моделей чиллеров варьируется от 40 до 1200 кВт. Устройства оснащены фирменными технологиями Uniflair, о наиболее интересных из которых стоит рассказать отдельно. Например, производитель самостоятельно разрабатывает ПО для своего оборудования. Это позволяет компании оснащать каждый агрегат «индивидуальным» интерфейсом управления, позволяющим использовать все функции продукта по максимуму. Важной характеристикой является низкий уровень шума изделий, который достигается благодаря специальным вентиляторам из композитных материалов с большими теплообменниками воздушной зоны, особым алгоритмам управления скоростью вращения вентиляторов, оптимизированным конфигурациям корпусов и шумовой изоляции компрессоров. Также стоит отметить фирменную систему естественного охлаждения, которая построена не на традиционной схеме с использованием трехходового клапана, а базируется на применении специального насоса только для нужд естественного охлаждения (рис. 1).
Преимущество такого подхода заключается, например, в том, что в первом случае насосы рассчитываются для преодоления сопротивления теплообменника естественного охлаждения и трехходового клапана, а во втором — только на преодоление сопротивления испарителя. По данным производителя, полученным на основе реальных проектов, такая схема позволяет экономить еще 3- 6% электроэнергии по сравнению с традиционным подходом к свободному охлаждению. Еще одной особенностью холодильных машин Uniflair является функция «умного» фрикулинга. Заключается она в том, что несколько чиллеров формируют общую систему путем объединения контуров теплообменников естественного охлаждения. Таким образом, можно обеспечить сквозной расход воды через все имеющиеся теплообменники (в т.ч. резервный). Когда тепловая нагрузка в ЦОД возрастает, то начинают работать все имеющиеся чиллеры, но когда она снижается — отдельные машины отключаются, но их теплообменники продолжают пассивно использоваться на благо всей системы охлаждения. В итоге это приводит к снижению энергопотребления до 7% (по сравнению с обычным фрикулингом). Также дополнительные чиллеры могут выступать в качестве резервных элементов (рис. 2).
Контур хладагента во многих моделях работает по схеме «тандем», которая подразумевает наличие в системе нескольких относительно маломощных компрессоров вместо одного узла высокой производительности. Таким образом, достигается оптимальная регулировка системы охлаждения, возможность работы при выходе из строя части компрессоров, снижение затрат на замену отдельного узла. К тому же снижается пиковая нагрузка на электрические сети за счет поочередного запуска компрессоров. Отметим, что в качестве хладагентов чиллеров используются современные фреоны R410A и R134a. Есть и другие фирменные разработки Uniflair, повышающие надежность и эффективность холодильных машин. В контексте данной статьи рассмотрим несколько конкретных моделей. Нас в первую очередь интересуют серии, которые наилучшим образом подходят для дата-центров. Напомним, что к таковым мы решили отнести чиллеры, оснащенные, среди прочего, функцией фрикулинга и другими энергосберегающими технологиями, а также инструментами удаленного мониторинга и управления. В эти рамки попадают, в частности, модели Uniflair серий ERAF, ARAF, ISAF, BREF. Модель ERAF холодопроизводительностью до 120 кВт — это чиллер с осевыми вентиляторами и спиральными компрессорами в шумоизолирующем исполнении, с функцией плавного пуска. Система естественного охлаждения управляется микропроцессорным контроллером, так же, как и насос контура фрикулинга. Осуществляется частичная рекуперация тепла конденсации, есть внутренний компенсационный бак с насосом для управления первичным контуром, а также устройство повышения коэффициента мощности компрессоров. Отметим, что в моделях ERAF достигается очень хороший показатель ERR — до 25- 26 с фрикулингом и до 3,43 без него. Серию ARAF отличает главным образом наличие двух контуров охлаждения и холодопроизводительность до 280 кВт К особенностям модели ISAF можно отнести наличие спирального компрессора с инвертором, привод которого защищен в соответствии с IP54, помещен в отдельный отсек и соединен с конкретным компрессором. Модель может непрерывно работать при температуре окружающей среды до - 20°C. Наиболее мощным устройством в серии чиллеров с фрикулингом является BREF (рис. 3.), холодопроизводительность которого достигает 1200 кВт. Эта модель имеет два полугерметичных двухвинтовых компрессора с внутренней тепловой защитой, запорным клапаном на выходе, масляными нагревателями и антивибрационными опорами, два контура хладагента и способна работать при наружной температуре до - 25°C в стандартной комплектации (теплообменник изолирован закрытопористым неопреном с защитой от УФ- излучения). При этом в моделях BREF показатель ERR достаточно хорош на всех режимах и достигает 18,8 в режиме естественного охлаждения и 3,31 без него. Отметим, что функциями фрикулинга оснащены также модели серий ISCF, ERCF и ISCC - ISCH.
Немецкий производитель Rittal (представленный в нашей стране ТОВ «Риттал») предлагает чиллеры в диапазоне холодопроизводительности 15- 1200 кВт. Их особенностью является то, что разрабатывались эти системы специально для работы с ИТ- нагрузкой — в первую очередь в составе комплексных решений для ЦОД, которые предлагает немецкий производитель. Несмотря на то, что в Украину Rittal поставляет в основном промышленные чиллеры, модели для дата-центров имеют широкую инсталлированную базу в странах ближнего и дальнего зарубежья (рис. 4), а главное, являются составной частью комплексного решения для построения инженерной инфраструктуры дата- центра, поэтому в любом случае, заслуживают упоминания. Холодильные машины Rittal оснащены функцией фрикулинга, ЕС- вентиляторами, малошумными компонентами. В стандартную комплектацию чиллера входят те элементы, которые у многих производителей являются опцией (например, байпас, обратный клапан, питание зимнего комплекта от ИБП). Также чиллер использует специальные адаптивные алгоритмы работы, которые позволяют автоматически выбирать оптимальный режим охлаждения. Кроме того, как отмечает Сергей Принев, руководитель отдела продаж ИТ- решений ТОВ «Риттал», применение встроенной гидравлической группы в чиллерах Rittal упрощает управление и мониторинг системы охлаждения: «Как правило, наши клиенты используют насосы с частотным управлением, что положительно сказывается на энергосбережении». В то же время, по словам Константина Бобылева, руководителя отдела продуктов Rittal UAB (Литва), чиллерная технология — одна из наиболее экономичных, особенно учитывая специфику жидкостного охлаждения Rittal: «Обычно нагрузка в ЦОД растет постепенно; соответственно, и холодильная машина функционирует с разной нагрузкой. Понимание тонкостей работы всей системы является ключом в достижении энергетической эффективности. Поэтому мы рекомендуем привлекать квалифицированных специалистов на всех этапах работы. Кроме того, подписание сервисного контракта помогает свести к минимуму вероятность нештатных ситуаций». Возвращаясь к техническим особенностям решений, отметим, что чиллеры Шиа! в качестве хладагента используют фреон R407C (для систем холодопроизводительностью до 50 кВт) или R410A (системы более высокой мощности). При этом ERR для моделей на последнем типе фреона достигает 3-3,4.
Чиллеры оснащаются не только продублированными встроенными насосами, но и несколькими компрессорами (от двух до четырех). Отметим также, что каждая помпа снабжена инвертором (что позволяет осуществлять плавную регулировку скорости работы), а также двумя датчиками давления. В результате чиллер может автоматически регулировать уровень давления при подключении/ отключении кондиционеров в зале ЦОД. Продублированы и блоки питания. Есть встроенная карта для управления по протоколам SNMP и BMS (Modbus, Trend, LonWorks, Bacnet). Специальная технология позволяет объединять до восьми чиллеров в общую группу, работающую и управляемую как единая система с балансировкой нагрузки и дублированием. Чиллеры Rittal вполне подходят для наших широт, поскольку способны работать в диапазоне температур до - 30 °C.
Компания HiRef (Италия), представленная в Украине своим основным партнером — компанией «Энергосистемы-Луджер», входит в группу Galletti и позиционирует себя как производитель оборудования премиум- класса по доступной цене. Мощные чиллеры холодопроизводительностью 860-1040 кВт с функцией фрикулинга используются в Украине уже не один год. Современные чиллеры HiRef LSE 861 FS (рис. 5) работают круглогодично, оборудованы теплообменниками естественного охлаждения, имеют электронные ТРВ и технологию MultiScroll (по три компрессора в каждом из четырех фреоновых контуров).
Технология MultiScroll позволяет достичь высокой эффективности при частичных нагрузках. Однако в этом году запущены гибридные чиллеры, использующие спиральные (Scroll) компрессоры с инверторным приводом постоянного тока (DC inverter или BLDC) в комбинации с обычными Scroll-компрессорами. Такая технология позволяет соблюсти баланс между высокой экономичностью и стоимостью решения. Снижение энергопотребления в режиме механического «компрессорного» охлаждения достигается благодаря применению в чиллерах HiRef электронно-управляемых ТРВ и патентованных алгоритмов динамического управления давлением конденсации (патент № BO2002A000785 ITA). По данным производителя, ЭУ ТВР позволяет экономить в среднем до 35% электроэнергии в сравнении с чиллером, имеющим механические терморасширительные вентили. В «копилку» экономии вносят свой вклад также и новейшие вентиляторы серии HyBlade. Все компоненты чиллеров (гарантия на которые составляет два года) изготовлены европейскими производителями. Отметим также, что итальянский производитель пошел по пути использования общедоступных составляющих. Это значит, что они выпускаются не только для HiRef, но и продаются на свободном рынке. Таким образом, клиент (и партнеры производителя) не привязан к бренду и может самостоятельно приобретать элементы, проводить ремонт и замену, не обращаясь лишний раз к производителю.
Компания Emerson Network Power (основной партнер в Украине Alpha Grissin Infotech Ukraine) поставляет на наш рынок чиллеры под торговой маркой Liebert. Эти системы широко применяются в украинских дата-центрах. В частности, они установлены в одном из крупнейших коммерческих ЦОД BeMobile. Как отмечает Андрей Митченко, руководитель сервисной службы оператора, основные технологические особенности используемых на объекте чиллеров — наличие фрикулинга и возможность работы при повышенных температурах — до +40 (при том, что другие производители предлагали только до +35). Расширенный температурный диапазон важен в условиях нынешнего глобального потепления. Вся линейка чиллеров имеет одно общее название HPC. Холодопроизводительность систем достигает 1530 кВт. В чиллерах HPC используются как специальные герметичные спиральные (Scroll) компрессоры, так и полугерметичные винтовые. Использование первых более энергоэффективно, но вторые больше подходят при больших мощностях. Чиллеры Emerson данной серии выпускаются в трех модификациях: базовой, малошумной, «супермалошумной» и подразделяются на четыре модельных ряда, обозначенных буквами S, M, L, W. Самые мощные системы на водяном охлаждении — HPC-W (280- 1200 кВт) с по- лугерметичными винтовыми компрессорами. Холодильные машины для наружной установки (S, M, L) оснащены осевы¬ми вентиляторами и спиральными (HPC- S) или винтовыми компрессорами (серии HPC-M, HPC-L). Для HPC-S холодопроизводительность достигает 380 кВт, в то время как наиболее мощная модель HPC-L может выдавать до 1530 кВт. Все чиллеры с воздушным охлаждением доступны в конфигурации с фрикулингом, что делает их подходящим решением для дата-центров. В этом году на украинском рынке был представлен обновленный модельный ряд чиллеров Liebert HPC- S (60- 340 кВт), использующий в качестве хладагента фреон R410. Модель может иметь как один, так и два контура охлаждения, каждый из которых оснащен двумя компрессорами. Кроме того, чиллеры данной серии могут работать при высоких температурах входящей воды (до +26°C) и наружного воздуха (до +52°C). Поставляются в конфигурациях, оснащенных инверторными насосами, ЕС-вентиляторами, картами мониторинга SNMP, ModBus, LonWorks). Отметим, что другие серии — Liebert HPC- M и L — также могут работать с водой, температура которой достигает +26°C (рис. 6).
Также в упомянутых системах используются
новые ЕС- вентиляторы типа HyBlade с мо-дернизированным профилем лопастей,
которые обеспечивают снижение шума и потребления электроэнергии. Все
чиллеры Emerson оснащаются фирменными контроллерами iCOM, которые
позволяют объединить в общую сеть управления до 16 холодильных машин.
Blue Box и другие Еще одной итальянской компанией, которая довольно твердо обосновалась на украинском рынке, является Blue Box (дистрибьютор в нашей стране компания АСМ), чиллеры которой нередко используются в украинских дата-центрах. Модельный ряд производителя весьма широк, поэтому уделим внимание тем моделям, которые, на наш взгляд, наилучшим образом подойдут для дата-центров. В первую очередь — это решения с воздушным охлаждением конденсатора и функцией фрикулинга: Zeta Echos FC, Zeta 2002 FC и Kappa V Evo. Первая из перечисленных моделей обеспечивает холодопроизводительность до 250 кВт, используя хладагент R410A. В ней до четырех герметичных спиральных компрессоров и осевые вентиляторы, электронные ТВР, а также электродвигатель с пониженным уровнем шума. Есть функция «плавный пуск», позволяющая избежать бросков напряжения. Zeta 2002 FC способна отвести до 315 кВт тепла и в целом схожа по характеристикам с Echos. Наиболее мощной моделью является Kappa V Evo, холодопроизводительность которой может достигать 1550 кВт (рис. 7). Система оснащена бессальниковым винтовым компрессором с возможностью плавного регулирования нагрузки в пределах 25-100% мощности. Запуск чиллера осуществляется по схеме «звезда-треугольник». Чиллер оснащен осевыми вентиляторами и реверсивным тепловым насосом. Есть варианты модели со встроенным теплоизолированным аккумулирующим баком, увеличенным теплообменником, оптимизированные для работы в условиях повышенной температуры и т.д. Также может устанавливаться интерфейс удаленного управления (RS-485) с поддержкой протоколов Carel, Modbus, Echelon, Bacnet. В числе других производителей, решения которых предназначены для работы в дата-центрах, можно отметить компанию Stulz (Герма-ния), которую в Украине представляет ее эксклюзивный дистрибьютор «Мегатрейд». Однако до сих пор чиллеры Stulz в нашей стране не предлагались. Оожидается, что их продвижение начнется в 2013 году. Также, по данным интеграторов, в украинских ЦОД используются чиллеры A-Clima, Clint и некоторых других торговых марок, но их доля невелика. В качестве сезонных чиллеров (без фрикулинга) иногда применяются и решения других производителей — Daikin, Carrier, Mitsubishi, York. Далеко не все дата-центры используют чиллерную систему охлаждения, тем более в Украине. Но рынок холодильных машин для ИТ-нагрузки постепенно растет. Вызвано это общемировой тенденцией к укрупнению ЦОД и строительством комплексов, тепловыделение которых измеряется мегаваттами. В нашей стране также строятся дата-центры с высокими требованиями по охлаждению, а значит, будут востребованы и чиллеры. В ближайшее время на этот сегмент выйдут новые международные производители, хотя и тех, что есть сегодня, более чем достаточно.
За помощь в подготовке статьи автор
выражает благодарность Виктору Крупке («Шнейдер Электрик Украина»), Сергею
Приневу (ТОВ «Риттал»), Константину Бобылеву (Rittal UAB), Александру
Вишневскому (ДП «Энергосистемы-Луджер») и Андрею Митченко (BeMobile).
Игорь
КИРИЛЛОВ,
|
|
