Новые методы повышения энергоэффективности систем кондиционирования центров обработки данных

Рис. 1. Схема управления ТРВ на примере электронных ТРВ от итальянского производителя Carel

Сегодня энергоэффективность стала одной из важнейших характеристик любого проекта. Энергосберегающей технике и технологиям посвящаются целые главы технико-коммерческих предложений, а в проектной документации энергосберегающим решениям отводят отдельный раздел с подробными описаниями и расчетами.

Проблема энергосбережения особенно актуальна для систем кондиционирования центров обработки данных (ЦОД), холодильная мощность которых может достигать десятков мегаватт. В данной статье рассматриваются новые технологии, направленные на оптимизацию их работы.

Электронный ТРВ

Один из способов повысить энергоэффективность системы кондиционирования заключается в использовании кондиционеров с электронным терморегулирующим вентилем.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ), или терморегулирующий клапан, в холодильных установках служит для регулирования холодопроизводительности. Благодаря ему хладагент из испарителя попадает в компрессор только в газообразном состоянии, без жидких фракций. Сравнивая разность давления на выходе из испарителя и давления насыщения для данной температуры с заданной величиной (давлением уставки), ТРВ изменяет расход хладагента.

Традиционные механические ТРВ состоят из корпуса, мембраны и пружины. Требуемое давление (давление уставки) задается при помощи винта, регулирующего степень сжатия пружины. Мембрана, прогибаясь под действием разности давлений в ту или иную сторону, изменяет проходное сечение и соответственно расход хладагента.

В электронных ТРВ изменение проходного сечения происходит за счет движения конической иглы при помощи шагового электропривода. Причем шаговым привод назвать можно только условно: при числе шагов от 250 до 1500 обеспечивается практически непрерывное регулирование.

Рис. 2. Оптимизация холодильного цикла за счет применения электронного ТРВ

Управляется такое устройство встроенным в кондиционер контроллером, который на основе информации о температуре и давлении, поступающей от соответствующих датчиков, генерирует сигнал, подаваемый на электропривод (см. рис. 1).

Электроника контроллера работает гораздо быстрее и точнее механики традиционного ТРВ, что позволяет более точно поддерживать величину перегрева хладагента на выходе из испарителя, не завышая ее. В то время как в обычных кондиционерах перегрев может достигать 15°C, в кондиционерах с электронным ТРВ он составляет всего 5°C.

Снижение величины перегрева означает уменьшение температуры на входе и на выходе компрессора и понижение температуры конденсации. Это позволяет одновременно сократить потребляемую мощность и повысить холодопроизводительность, то есть увеличить холодильный коэффициент (рис. 2.).
Электронный ТРВ может быть оснащен системой мониторинга, а его рабочие характеристики — выведены на экран диспетчеру. Кроме того, работой ТРВ можно управлять дистанционно, по сетевому кабелю.

Таким образом, применение электронного ТРВ оптимизирует холодильный цикл кондиционера, увеличивая холодильный коэффициент (в некоторых ситуациях — на 20%). Работу такого ТРВ можно контролировать с диспетчерского пульта.

Электронно-коммутируемые вентиляторы (ЕС-вентиляторы)

Рис. 3. Схема коммутации на примере оборудования компании Uniflair

Еще один метод повышения энергоэффективности системы кондиционирования — применение электронно-коммутируемых вентиляторов (ЕС-вентиляторов).

В отличие от обычных двигатель ЕС-вентиляторов создан с использованием современной бесщеточной технологии. Магнитное поле образуется благодаря присутствию постоянного магнита, а коммутация осуществляется транзистором (рис. 3), без применения механических элементов.

Отсутствие движущихся частей сокращает число деталей, подверженных износу. Кроме того, электронная коммутация происходит без разрывов и более гладко. При работе синхронных ЕС-двигателей нет характерного для асинхронных моторов проскальзывания магнитного поля, приводящего к дополнительным потерям энергии.

Все вышесказанное объясняет более высокую эффективность EC-вентиляторов по сравнению с другими типами этих устройств (рис. 4).

Рис. 4. Сравнение эффективности работы различных типов вентиляторов (по материалам компании Uniflair)

При регулировании производительности вентиляторов ни один метод регулирования, будь то трансформатор или даже преобразователь частоты, не может соперничать с результатами EC-вентиляторов (рис. 5)

Производительность EC-вентиляторов можно изменять в широком диапазоне, что особенно важно в процессе наращивания мощности ЦОД. Плавный выход на режим, без пусковых токов, является дополнительным плюсом при использовании систем бесперебойного питания, которые очень чувствительны к резким скачкам силы тока.

По данным компании Uniflair, применение кондиционеров с ЕС-вентиляторами позволяет сэкономить до 63 % потребляемой вентиляторами мощности (рис. 6)

По сравнению с обычными, ЕС-вентиляторы более долговечны. Срок службы ЕС-вентиляторов, как правило, составляет до 80 000 часов при температуре ниже 10 °C (до 40 °C — 60000 часов), они характеризуются большим КПД и меньшим уровнем шума, чем обычные вентиляторы.

К преимуществам EC-вентиляторов также следует отнести широкий диапазон рабочего напряжения питания (от 200 до 277 В для сети 220 В и от 380 до 480 В для сети 400 В) и возможность адаптации к реальным условиям за счет изменения рабочих параметров управляющим микропроцессором. Кроме того, многими производителями указывается возможность увязки EC-вентиляторов с прочими элементами инженерии ЦОД: вентиляторами соседних кондиционеров и модулями активного пола.

Система поддержания давления воздуха под фальшполом

Рис. 5. Кривые регулирования для различных типов вентиляторов (по материалам компании Systemair)

Большинство ЦОД используют архитектуру охлаждения на уровне зала или ряда, при которой холодный воздух нагнетается кондиционерами под фальшпол, откуда через решетки поступает в холодный коридор и далее к электронному оборудованию. Но при этом под фальшполом перекрестные потоки образуют неблагоприятные вихри, встречные потоки создают градиент давлений, а само давление резко меняется при ротации кондиционеров.

Для решения указанных проблем в компании Uniflair SPA разработали систему автоматического поддержания давления (САПД) под фальшполом, с помощью которой осуществляется управление электронно-коммутируемыми вентиляторами кондиционера и модулями активного пола (при их наличии), а также поддерживается единое избыточное давление под фальшполом, что обеспечивает равномерное распределение холодного воздуха по холодным коридорам ЦОД.

Для реализации САПД необходимы: шкафной кондиционер c электронно-коммутируемыми вентиляторами, «позитивный» и «негативный» датчики давления под фальшполом, преобразователь измерений датчиков, локальная сеть для суммирования информации о воздушных потоках и избыточных давлениях под фальшполом, микропроцессор для обработки полученной информации и генерации регулирующего воздействия.

«Позитивный» датчик крепится непосредственно под фальшполом, а «негативный» устанавливается в нижнее отверстие боковой панели кондиционера (рис. 7).

Согласно расчетам компании Uniflair, благодаря использованию САПД экономится до 55% потребляемой кондиционерами электроэнергии при загрузке ЦОД на 70% (табл. 1) и до 64% в полностью загруженном ЦОД (табл. 2).

Грамотное резервирование

Рис. 6. Экономия энергии EC – вентиляторами (по материалам компании Uniflair)

Известно, что каждая система в ЦОД должна обладать высокой надежностью, которая в свою очередь достигается за счет использования той или иной схемы резервирования. Традиционной и наиболее широко применяемой является схема N+1, когда помимо N работающих единиц оборудования устанавливается одна резервная.

Изначально в такой схеме резервный агрегат задействовался только в случае проведения сервисных работ или же при выходе из строя рабочей единицы оборудования. Потом, в целях равномерного износа оборудования, стал применяться принцип ротации, когда в роли резервного агрегата выступало по очереди каждое из имеющихся устройств.

Сегодня все чаще говорится о том, что энергоэффективность системы кондиционирования можно увеличить за счет одновременной работы всех блоков, но с нагрузкой меньше номинальной. Это относится именно к системе кондиционирования— для источников бесперебойного питания, например, такой режим приведет лишь к дополнительным потерям энергии из-за снижения КПД.

Мощность, потребляемая вентилятором, пропорциональна кубу скорости его вращения. Следовательно, снизив скорость вдвое, мы уменьшим энергопотребление в 8 раз. Именно такого результата следует ожидать в небольшом ЦОД, где нагрузка будет распределена между основным и резервным кондиционерами.

Если в машинном зале установлено, допустим, 5 кондиционеров (4+1), то при работе всех пяти единиц оборудования нагрузка на каждый кондиционер составит 80%, а энергопотребление системы снизится в 2 раза.

Следует иметь в виду, что эти расчеты верны только для ЕС-вентиляторов.

В качестве примера рассмотрим энергопотребление вентилятора водяного шкафного кондиционера TDCR 1800 (табл. 3) от компании HiRef.

Из примера следует, что реальная экономия будет немного меньше ожидаемой: при снижении нагрузки на кондиционер до 80% его потребляемая мощность падает в 1,8 раза, а при уменьшении нагрузки вдвое — в 5,6 раза.

Таким образом, при переходе от ротации кондиционеров к работе всех блоков на неполную мощность энергопотребление вентиляторов снижается тем больше, чем ниже нагрузка на них. С практической точки зрения наиболее оптимальна нагрузка на уровне 70–80% (экономия 50–60% при несущественном увеличении числа блоков). Следует еще раз сказать, что эти расчеты верны только при использовании ЕС-вентиляторов.

Температурный график теплоносителя

Рис. 7. Установка «позитивного» и «негативного» датчика САПД

Огромную роль в эффективности работы системы кондиционирования, организованной по схеме «чиллер – фэнкойл», играет температура циркулирующего в контуре теплоносителя. Неверно заданная температура может привести к недостаточному теплосъему, резкому осушению воздуха, повышенному энергопотреблению системы и другим негативным явлениям.

Влажность воздуха — очень важный параметр для ЦОД. Сухой воздух способствует накоплению статического электричества, представляющего угрозу электронному оборудованию. Однако использование пароувлажнителей желательно свести к минимуму— они потребляют очень много энергии, при этом всего лишь восстанавливая влажность, удаленную кондиционерами в виде конденсата.

Конденсат появляется, если температура поверхности теплообменника опускается ниже точки росы. Следовательно, для предотвращения конденсации влаги необходимо повысить температуру теплоносителя. Поскольку для стандартных параметров микроклимата в ЦОД (температура 24°C, относительная влажность — 50%) точка росы составляет 12,7°C, то и средняя температура поверхности теплообменника должна быть близка к этой величине. Именно поэтому в проектах для ЦОД вместо традиционного температурного графика 7/12°C гораздо выгоднее использовать график 10/15°C, для которого коэффициент эффективности теплообмена (SHR), равный отношению явной и полной холодопроизводительностей, составляет 0,98–1.

Отметим, что при переходе на график 10/15°C падает холодильная мощность водяных шкафных кондиционеров, но возрастает мощность чиллеров. На практике это означает, что на ту же мощность ЦОД потребуется большее число внутренних блоков и меньшее число чиллеров. Проиллюстрируем это на примере ЦОД мощностью 1,5 МВт (табл. 4).

Как видно из примера, при переходе на новый график в помещении ЦОД придется установить на три кондиционера больше, зато потребуется на один чиллер меньше. Очевидно, что, во-первых, чиллер стоит дороже трех кондиционеров, а во-вторых, вместо оснащения пароувлажнителями 15 кондиционеров для гарантии поддержания влажности достаточно укомплектовать ими лишь 2–3 устройства. Все это позволяет существенно снизить капитальные затраты.

Эксплуатационные расходы также сокращаются— энергозатраты системы уменьшаются с 842 до 720 кВт, то есть, на 14%. И это без учета работы пароувлажнителей!

Другими словами, использование температурного графика теплоносителя 10/15°C вместо 7/12°C повышает SHR с привычных 0,75–0,85 до 0,98–1. Таким образом, практически отпадает необходимость в установке увлажнителей, достигается экономия как капитальных, так и эксплуатационных затрат. В частности, наблюдается снижение энергопотребления системы до 15%.

Программируемая экономия

Для удаленного мониторинга и управления системы кондиционирования ЦОД всегда оборудуются контроллерами. Современные системы мониторинга способны самостоятельно анализировать поступающую информацию и на ее основе управлять работой кондиционеров в автоматическом режиме.

Роль человека сводится к программированию различных энергосберегающих алгоритмов.

Так, настройке подлежит режим свободного охлаждения. Коррекция температурного графика теплоносителя производится в зависимости от температуры на улице и в помещении, влияния солнечных лучей, загруженности ЦОД, уровня влажности и наличия конденсата. Более того, применение всех описанных выше методов повышения энергоэффективности системы кондиционирования может быть запрограммировано при помощи системы управления.

Преимущества такого подхода очевидны: он обеспечивает максимальную скорость реакции и высокую точность корректирующих воздействий.

Подводя итоги

Очевидно, что внедрение энергоэффективных технологий требует дополнительных капитальных затрат. Вместе с тем технические решения, повышающие эффективность работы систем кондиционирования центров обработки данных, окупаются в течение 3–5 лет, что при среднем сроке эксплуатации ЦОД, равном 10 годам, является вполне приемлемым. Внедрение новых технологий сегодня гарантирует экономию на эксплуатационных расходах завтра.