Как известно, для надежной и безопасной работы центров обработки данных и серверных помещений необходимо поддержание не только определенной температуры, но и заданного значения относительной влажности воздуха. Это достигается путем применения отдельных увлажнителей и прецизионных кондиционеров со встроенной функцией увлажнения. Иначе обстоит дело в случае фрикулинга. Секция увлажнения в таких системах представляет собой один из элементов вентиляционной установки.
На что влияет влажность в ЦОД
Влияние влажности на функционирование ЦОД можно рассматривать как с позиции безопасности, так и с позиции энергоэффективности.
С позиции безопасности следует помнить, что низкая относительная влажность воздуха способствует накапливанию статического электричества на металлических поверхностях. В машинных залах дата-центров таковых предостаточно, поэтому поддержание влажности на уровне как минимум 20%, а лучше выше является жизненно важной задачей.
Повышенная влажность в ЦОД ведет к повышению точки росы и выпадению конденсата на относительно холодных поверхностях. Например, при температуре +27°C и влажности 70% конденсат может появиться даже на достаточно теплых поверхностях — с температурой вплоть до +21°C. Выпадение конденсата представляет опасность для дорогостоящей вычислительной техники. Ситуация усугубляется высокой мощностью оборудования в машинных залах ЦОД: в помещении площадью всего 250 квадратных метров она запросто может превышать 1 мегаватт.
С позиции энергоэффективности любая влажность хороша, и энергию на ее поддержание лучше бы не тратить вовсе. Действительно, увлажнение воздуха в ЦОД, как мы дальше убедимся, требует значительных энергозатрат. Осушение воздуха тоже энергозатратно. Поэтому для достижения высокой энергоэффективности любая обработка внутреннего воздуха должна быть сведена к минимуму.
Несколько иначе обстоит дело в случае охлаждения ЦОД с использованием технологий свободного охлаждения, в первую очередь косвенного фрикулинга с адиабатикой. Здесь адиабатное увлажнение воздуха помогает сэкономить на мощности, потребляемой системами охлаждения, о чем будет рассказано ниже.
Оптимальная влажность в ЦОД
Первоначальные стандарты регламентировали определенные диапазоны влажности в машинных залах ЦОД. Обычно речь шла о 40–55%. В расчетах, как правило, принимали 45% при температуре +24°C. Эти цифры прописаны в стандарте TIA-942 «Телекоммуникационная инфраструктура центров обработки данных».
Позже Американская ассоциация инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) выработала рекомендации (см. статью «Развитие директивы ASHRAE о микроклимате центров обработки данных» в журнале «Мир климата» № 71, 2012 год), которые впоследствии были закреплены российским стандартом СТО НОСТРОЙ 2.15.177–2015 «Инженерные сети зданий и сооружений внутренние. Устройство систем вентиляции и кондиционирования серверных помещений. Правила, контроль выполнения, требования к результатам работ».
Суть рекомендаций сводится к одновременному контролю трех параметров микроклимата — температуры воздуха (18—27°C), относительной влажности воздуха (не более 60%) и точки росы (5,5—15°C). Наиболее часто встречающимися расчетными параметрами микроклимата в ЦОД стали температура +27°C и относительная влажность 40%.
О правильном выборе расчетных параметров
На самом деле переход расчетных параметров микроклимата от +24°C и 45% к +27°C и 40% случился неспроста. В первую очередь он был продиктован стремлением к повышению энергоэффективности систем охлаждения. Очевидно, что на поддержание +24°C будет затрачено заметно больше энергии, чем на +27°C. Но дело здесь не только в температуре, но и во влажности.
Выбор более низкого показателя влажности способствует уменьшению времени работы увлажнителей, а также увеличению явной холодопроизводительности кондиционера. Действительно, поддержание при той же температуре более низкой относительной влажности влечет за собой и более низкое влагосодержание воздуха внутри ЦОД. Точка росы такого воздуха ниже, чем более влажного. А это, в свою очередь, означает, что при взаимодействии с холодным испарителем кондиционера конденсат будет выделяться в гораздо меньших количествах. Именно за это снижение и борются инженеры, выбирая расчетные параметры.
С научной точки зрения борьба идет за повышение коэффициента явной холодопроизводительности SHR. Он равен отношению явной холодопроизводительности (идущей непосредственно на охлаждение воздуха) к полной холодопроизводительности (расходуемой как на охлаждение воздуха, так и на выпадение конденсата). При выборе расчетных параметров в машинных залах ЦОД из допустимого диапазона следует выбирать такие, при которых достигается наибольший SHR, чье максимально возможное значение равно 1.
Увлажнение и конденсат
Одна из основных причин неэффективного функционирования систем охлаждения центров обработки данных — усиленная работа увлажнителей при повышенном образовании конденсата на испарителях кондиционеров. Иными словами, работа увлажнителя нейтрализуется кондиционером.
Это тот случай, когда неправильно настроенная работа пароувлажнителей сводит на нет усилия инженеров по повышению SHR. На каждую 1000 ватт излишнего увлажнения кондиционер будет тратить около 350 ватт на образование конденсата. В общей сложности впустую будет потрачено 1,35 киловатта электроэнергии. На крупных объектах величина потерь может измеряться десятками киловатт.
В данном случае важна грамотная работа не только проектировщиков и наладчиков систем охлаждения, но и специалистов по эксплуатации. В конце концов, проектировщики и наладчики сделают свою работу и покинут объект, а отдел эксплуатации будет следить за работой систем в течение многих лет. И здесь на первое место выходит анализ, наблюдение за режимами работы увлажнителей и кондиционеров, расходом воды и количеством сливаемого конденсата.
Следует понимать, что увлажнитель делает свою работу эффективно только тогда, когда на испарителях кондиционеров в ЦОД практически не образуется конденсат.
Прецизионные кондиционеры с пароувлажнителями
Одним из самых распространенных способов поддержания влажности в ЦОД считается применение прецизионных кондиционеров с пароувлажнителями, как правило, электродного типа. Обычно это шкафные кондиционеры (рис. 1), впрочем, сегодня пароувлажнителями оснащают и внутрирядные блоки.
Электродный пароувлажнитель работает по принципу изотермического увлажнения. В емкость с водой опущены два электрода — анод и катод. Протекающий ток способствует испарению воды, а полученный пар подмешивается к потоку воздуха, который подается в помещение.
Оценим влияние пароувлажнителей на энергоемкость системы охлаждения.
Мощность пароувлажнителя расходуется на нагрев воды и ее испарение. Если производитель не указывает в явном виде потребляемую увлажнителем мощность, она может быть рассчитана вручную. Обычно на испарение одного литра воды в час такие устройства расходуют около 800 ватт. Следовательно, электродный пароувлажнитель производительностью 8 литров в час будет потреблять 6,4 киловатта.
Увлажнители такой производительности предусматриваются в кондиционерах холодильной мощностью 30–70 киловатт, потребляемая мощность которых лежит в диапазоне от 8 до 25 киловатт. Такой анализ позволяет оценить вклад увлажнителя в общее энергопотребление системы кондиционирования. Он ощутимо увеличивает потребляемую мощность кондиционера на 25–75%.
Справедливости ради отметим, что не все кондиционеры в ЦОД оснащаются увлажнителями. Обычно каждый второй или третий. Плюс в одном из блоков может быть предусмотрен резервный увлажнитель.
Допустим, в машинном зале установлено 8 кондиционеров (6 рабочих и 2 резервных), потребляемая мощность каждого составляет 20 киловатт. Общее энергопотребление системы считается только по рабочим блокам и поэтому составляет 120 киловатт. Мощность одного пароувлажнителя 6,4 киловатта. Всего в помещении потребуется 2 пароувлажнителя общей мощностью 12,8 киловатта. Следовательно, в данном примере пароувлажнители повышают энергопотребление системы охлаждения на величину до 10%, что, конечно, немало.
Особенности подключения пароувлажнителей
Пароувлажнитель не только потребляет воду для выпаривания, но и периодически сливает ее. Слив выполняется, когда концентрация солей в остатках воды слишком велика. Кстати, отслеживается эта концентрация путем измерения силы тока в силовой цепи электродов.
Кроме того, слив воды производится при промывке и очистке бака и электродов. В этом случае подача и отвод воды происходят одновременно. Таким образом, к любому пароувлажнителю должен подходить не только подающий водопровод, но и дренаж.
На подающем трубопроводе необходимо предусматривать отсечный кран и фильтр. Для возможности промывки и замены фильтра рекомендуется после него устанавливать еще один кран. Если на объекте вода низкого качества, перед увлажнителем необходимо предусмотреть узел водоподготовки.
Рекомендуемые показатели состава воды для пароувлажнителей кондиционеров Schneider Electric Uniflair указаны в таблице 1. Мы приводим эти данные исключительно в справочных целях. В каждом конкретном проекте следует запрашивать аналогичные сведения у выбранного производителя.
Отвод дренажа обычно выполняется полипропиленовыми трубами с уклоном в сторону канализации не менее 1 сантиметра на 1 метр трубопровода. На выходе из кондиционера необходимо предусматривать сифон (гидрозатвор).
О правилах расчета и подбора пароувлажнителей читайте статью «Вестник УКЦ АПИК: Системы увлажнения для центров обработки данных» в журнале «Мир климата» № 74, 2012 год.
Адиабатное увлажнение в ЦОД
В помещениях, которые требуется одновременно охлаждать и увлажнять, адиабатное увлажнение кажется идеальным решением. Суть метода заключается в распылении воды в потоке воздуха. На испарение этой воды воздух будет тратить определенную энергию и тем самым охлаждаться. Параллельно с этим будет происходить его увлажнение.
Однако в машинных залах ЦОД установки адиабатного увлажнения массового применения не нашли ввиду опасности попадания влаги на вычислительное оборудование. Скорости воздуха в ЦОД достаточно велики, воздухообмен весьма интенсивен. Таким образом, не успевшая вовремя испариться капля воды быстро может оказаться в любой точке помещения, в том числе и на микросхемах дорогостоящего оборудования внутри серверных шкафов. Далее последует короткое замыкание и выход оборудования из строя.
Зато установки адиабатного увлажнения нашли применение в системах свободного охлаждения, о которых и пойдет речь ниже.
Косвенный фрикулинг с адиабатикой
Косвенный фрикулинг предусматривает охлаждение внутреннего воздуха непосредственно за счет наружного без промежуточного теплоносителя и без устройства парокомпрессионного холодильного цикла (более подробно об установках данного типа читайте статью «Режим свободного охлаждения в центрах обработки данных» в журнале «Мир климата» № 110, 2018 год). Такое охлаждение работает тем эффективнее, чем ниже температура потока наружного воздуха. И здесь приходит на помощь адиабатное увлажнение.
Итак, в поток наружного воздуха встраивается секция адиабатного увлажнения. Она представляет собой установленные внутри воздушного потока трубки с форсунками. В трубки под давлением подается вода, при помощи форсунок она распыляется. Поток воздуха поглощает капли воды, испаряет их, при этом охлаждаясь. Поскольку поток наружного воздуха внутрь ЦОД не попадает, ограничивать его влажность нет смысла. Чем сильнее увлажнится наружный воздух, тем более холодным он станет и тем эффективнее будет происходить охлаждение ЦОД.
Еще один вариант исполнения секции адиабатного увлажнения предполагает установку в потоке воздуха смачиваемой поверхности. Касаясь ее, воздух испаряет влагу, увлажняется и охлаждается. При этом на смачиваемый материал постоянно подается вода для поддержания его во влажном состоянии.
В последнее время на рынке появились гибридные или смешанные адиабатические увлажнители. Они объединяют в себе распылительное увлажнение и поверхностное испарение. Такие установки представляют собой установленные на некотором расстоянии секцию распыления и каплеуловитель. Причем задачей каплеуловителя является не отвод неиспарившейся воды в систему дренажа, а ее доиспарение в потоке воздуха. Для этого каплеуловители изготавливают из специальных материалов. Такие установки выпускает, например, компания Condair (рис. 2).
Кстати, у установок Condair есть еще одна интересная конструктивная особенность. Первые распылительные секции представляли собой жесткую конструкцию со статично установленными форсунками. Их регулировкой занимались на заводе, и клиенту поставлялся готовый вариант.
Современные форсунки устанавливаются на гибкой подводке на металлическую сетку с квадратными ячейками. В процессе наладки вентустановки они могут быть перемещены. Кроме того, форсунки могут изменять угол распыления по отношению к направлению движения воздуха. Измерение влажности на выходе из секции увлажнения покажет, какое расположение форсунок наиболее эффективно. Таким образом, появляется возможность отрегулировать увлажнитель для более эффективной работы.
Выбор производительности адиабатического увлажнения при фрикулинге
В установки косвенного фрикулинга могут быть встроены секции адиабатного увлажнения различной производительности. От производительности зависят габариты секции, количество форсунок, расход воды, диаметр подводящего трубопровода и типоразмеры арматуры, которую необходимо предусмотреть на трубопроводе. Таким образом, для проектирования и установки систем косвенного фрикулинга необходимо произвести расчет производительности секции адиабатического увлажнения.
Целью данного расчета является расход воды, который будет распыляться в поток воздуха, и этот расход зависит от того, как много влаги готов испарить наружный воздух. Как известно, относительная влажность воздуха не может превышать 100%, следовательно, при конкретной текущей температуре и влажности наружный воздух может впитать определенное количество влаги. Таким образом, первым шагом при расчете секции увлажнения является изучение климата рассматриваемого региона на предмет наиболее часто встречающихся значений температуры и влажности для последующего расчета количества влаги, которое сможет вобрать в себя наружный воздух.
Такой расчет рекомендуется производить на основе почасовых данных о погоде, анализируя и осредняя полученные результаты. В рамках данной статьи мы выполним лишь один расчет — для обеденного времени некоторого осредненного летнего дня в Москве. В конце концов, именно в обеденное время летом для увлажнения наружного воздуха требуется наибольший расход воды.
Итак, предположим, в разгар дня при температуре воздуха +26°C относительная влажность составляет 50%. Влагосодержание такого воздуха составляет 10,5 грамма на килограмм. Принимаем, что в секции адиабатного увлажнения возможно достижение относительной влажности 95%, то есть влагосодержания 13,2 грамма на килограмм. Требуемое изменение составляет 13,2–10,5 = 2,7 грамма на килограмм, или, учитывая плотность воздуха 1,2 килограмма на кубический метр, 2,7 × 1,2 = 3,24 грамма на кубический метр.
Допустим, расход наружного воздуха в установке косвенного фрикулинга равен 100 000 кубометров в час. Тогда требуемый расход воды составит 3,24 × 100 000 = 324 000 граммов, или 324 литра в час. С учетом запаса в 20% получим 390 литров в час. Именно на этот расход следует подбирать увлажнитель, трубопроводы и арматуру.
Попробуем также оценить выгоду от применения косвенного фрикулинга. Адиабатическое увлажнение понизило температуру наружного воздуха с +26 до +19°C, что, в свою очередь, обеспечило температуру подаваемого воздуха в машинный зал ЦОД +21°C и позволило отказаться от энергозатратного парокомпрессионного охлаждения.
По среднемесячным климатическим данным имеем, что в Москве температура воздуха не превышает +26°C в течение 8580 часов, или около 98% времени в году. Просто прямой фрикулинг работал бы до наружной температуры +21°C, то есть 8057 часов, или 92% времени в году. Следовательно, применение адиабатики позволило расширить время работы фрикулинга более чем на 500 часов в году. Более подробные технико-экономические выкладки представлены в разделе «Основы технико-экономического анализа фрикулинга» в статье «Режим свободного охлаждения в центрах обработки данных».
Заключение
На сегодняшний день системы увлажнения в ЦОД применяются не только для поддержания влажности в машинном зале, но и для увлажнения наружного воздуха в установках косвенного фрикулинга. В первом случае, как правило, речь идет о шкафных кондиционерах с пароувлажнителями. Во втором — о секциях адиабатического пароувлажнения в воздуховодах, перед тем как наружный воздух охладит внутренний.
Задача систем в обоих случаях одинакова — повысить относительную влажность воздуха. Но цель этого мероприятия различна. Контроль влажности внутри ЦОД необходим для поддержания оптимальных параметров микроклимата. А повышение влажности наружного воздуха применяется для увеличения эффективности установок свободного охлаждения, то есть для снижения энергопотребления ЦОД. Соответственно, различаются и методики расчета и подбора таких увлажнителей.
