Технико-экономическое обоснование применения фрикулинга в ЦОД

0
721

Для охлаждения того или иного объекта может быть применено несколько видов систем кондиционирования. На этапе концептуального проектирования рассматривается каждая из них. Помимо технических характеристик анализируются цены на оборудование, затраты на монтаж и эксплуатацию данной системы — ​так формируется стоимость владения объектом за определенный период. Исходя из полученных данных, делается выбор в пользу той или иной архитектуры системы кондиционирования. Данная процедура получила название технико-­экономическое обоснование.

Технико-­экономическое обоснование (ТЭО) следует проводить абсолютно для каждого строящегося или реконструируемого объекта. На практике же если встречается типовая конфигурация объекта, то решение о том, какая система кондиционирования будет применена, принимается на основе имеющегося опыта и ТЭО не проводится.

Вместе с тем, если речь идет о большом и сложном объекте или же о применении некой новой технологии, проведение ТЭО обязательно. В последние годы такая ситуация весьма часто возникает в области строительства центров обработки данных (ЦОД).

Дело в том, что тема ЦОД относительно молодая и при этом весьма динамичная. Появление новых веяний в вопросах охлаждения ЦОД, таких как применение прецизионных кондиционеров, повышение температуры в машинном зале, повышение температуры холодоносителя и прочих, требует детального предварительного анализа, прежде чем будет принято решение о внедрении той или иной новации.

Кроме того, за прошедшие годы сильно изменилось отношение к ЦОД с чисто строительной точки зрения. Ранее дата-центры размещали в существующих зданиях, и зачастую эффективные решения не могли быть внедрены ввиду естественных архитектурных ограничений — ​низкой высоты потолков, отсутствия технического этажа и по другим причинам. В последние годы все чаще под ЦОД строится новое здание. В этом случае уже на этапе проектирования можно учесть все необходимые архитектурные требования и выбрать соответствующую систему кондиционирования, исходя из результатов ТЭО.

Что такое технико-­экономическое обоснование и какова его цель

Технико-­экономическое обоснование в строительстве — ​это основной документ, посвященный анализу целесообразности, стоимости, сроков, затраченных ресурсов и других параметров для различных вариантов реализации проекта.

При проведении технико-­экономического обоснования для системы кондиционирования объекта анализируются разные варианты ее построения, подбирается оборудование, оценивается его закупочная стоимость, стоимость монтажа и эксплуатации в течение нескольких лет (в идеале в течение предполагаемого срока службы). На основе полученных цифр выбирается вариант, который наилучшим образом отвечает потребностям заказчика и при этом обходится дешевле других.

Как правило, технико-­экономическое обоснование занимает десятки страниц и содержит массу графиков, таблиц и схем. В данной статье приведен краткий вариант технико-­экономического обоснования для системы охлаждения центра обработки данных мощностью 700 киловатт. В рамках ТЭО рассмотрены две системы охлаждения — ​классическая система на базе чиллеров и косвенный фрикулинг с адиабатным увлажнением наружного потока воздуха.

Об устройстве этих систем и подходах к их проектированию рассказано в прошлых материалах рубрики «Кондиционирование ЦОД»: «Кондиционирование ЦОД среднего размера» (журнал «Мир климата, № 106, 2018 год) и «Режим свободного охлаждения в центрах обработки данных» (журнал «Мир климата, № 110, 2018 год).

Корни проблемы

Система охлаждения — ​наиболее энергоемкая инженерная система дата-центра. Ее мощность, как правило, составляет 30–50% мощности ИТ‑стоек. Такое положение дел, очевидно, не устраивает владельцев ЦОД.

Владельцы корпоративных ЦОД стремятся минимизировать регулярные расходы на их содержание, существенную часть которых составляет оплата счетов за электроэнергию, потребляемую системой охлаждения.

Владельцам коммерческих ЦОД снижение энергопотребления систем охлаждения позволило бы при той же подведенной мощности установить больше ИТ‑стоек для сдачи в аренду. Таким образом, в коммерческом дата-центре излишние затраты энергии на охлаждение — ​это недополученная прибыль от основного источника доходов.

Классическая система охлаждения крупного ЦОД представляет собой чиллерную систему, обычно двухконтурную. В наружном контуре роль холодоносителя играет водный раствор гликоля, во внутреннем контуре циркулирует чистая вода. Внутренние блоки — ​это водяные прецизионные кондиционеры.

Такая система весьма энергоемка, так как для ее реализации в чиллере используются мощные компрессоры. Кроме того, энергию потребляют насосы, обеспечивающие циркуляцию холодоносителя в наружном и внутреннем контурах. Наконец, для охлаждения ИТ‑стоек во внутренних блоках устанавливаются достаточно мощные вентиляторы. Общая потребляемая мощность чиллерной системы охлаждения обычно задает верхнюю планку указанного выше диапазона в 30–50% мощности ИТ‑стоек.

Высокая потребляемая мощность вынуждает искать менее энергозатратные решения и анализировать экономическую целесообразность их применения. Для этого и выполняется технико-­экономическое обоснование.

Порядок выполнения ТЭО

Подготовка технико-­экономического обоснования применения фрикулинга в ЦОД включает несколько этапов:

  • анализ данных о погоде и определение времени работы режима фрикулинга;
  • расчет потребляемой мощности чиллерной системы и фрикулинга;
  • подбор оборудования и расчет стоимости каждого из решений;
  • расчет эксплуатационных затрат;
  • расчет периода окупаемости;
  • оценка результатов ТЭО и выбор системы.

Анализ данных о погоде и определение времени работы режима фрикулинга

Первая ступень оптимизации классической чиллерной системы — ​применение чиллеров со встроенным режимом фрикулинга или же установка параллельно чиллерам сухих охладителей (драйкулеров), чтобы в зимнее время охлаждать холодоноситель за счет обдува наружным воздухом без задействования энергоемких компрессоров. Такой режим охлаждения называют энергосберегающим.

Для оценки эффекта применения энергосберегающего режима охлаждения следует знать максимальную температуру наружной среды, при которой он способен поддерживать функционирование ЦОД, и обратиться к статистике погоды для рассматриваемого региона.

Предположим, температура холодоносителя в наружном контуре составляет 7/12°C, и его охлаждение в драйкулерах возможно при температуре наружного воздуха до +2°C. На базе статистических сводок, например для Москвы, получим, что температура воздуха не превышает +2°C в течение 40% времени в году (http://www.aboutdc.ru/weather_analise). Таким образом, 40% времени в году будет работать энергосберегающий режим, а 60% — ​обычный режим охлаждения с использованием компрессоров.

Вторая ступень оптимизации — ​внедрение режима свободного охлаждения по принципу косвенного фрикулинга. Предположим, температура подаваемого в ЦОД воздуха должна составлять не менее 24°C. Это возможно при наружных температурах до 20—21°C. Такая температура наблюдается в Москве в течение 92% времени в году.

Наконец, еще одна ступень оптимизации — ​внедрение адиабатического увлажнения воздуха в установке косвенного фрикулинга. Здесь следует обратиться к ID‑диаграмме влажного воздуха (рис. 1). Предположим, адиабатическое увлажнение позволяет получить на выходе воздух с относительной влажностью 95%, а максимальная приемлемая температура составляет 21°C. Точка с такими параметрами характеризуется энтальпией 60 кДж/кг (красная линия на рис. 1). Наружный воздух с энтальпией выше этого значения, а также слишком сухой и горячий наружный воздух наблюдается в Москве в течение менее чем 2% времени в году. Таким образом, установка косвенного фрикулинга с адиабатическим увлажнением наружного воздуха будет работать 98% времени в году.

Расчет потребляемой мощности чиллерной системы и фрикулинга

Расчет потребляемой мощности чиллерной системы и фрикулинга выполняется путем суммирования всех потребителей энергии в системе охлаждения. Важно помнить, что система охлаждения подбирается на полные теплоизбытки дата-центра, включая теплопритоки от вентиляции, источников бесперебойного питания, электрощитовых, щитов автоматики и прочего оборудования.

Потребители энергии в чиллерной системе — ​это чиллеры, насосы наружного и внутреннего контуров, вентиляторы внутреннего блока. В период работы режима фрикулинга энергию потребляют вентиляторы наружного и внутреннего воздушного контуров, насос в системе адиабатического увлажнения. Если же режим свободного охлаждения не позволяет в достаточной степени охладить воздух, дополнительно подключаются резервные (обычно фреоновые) охлаждающие блоки. Потребляемая ими мощность суммируется с ранее найденной потребляемой мощностью установки свободного охлаждения.

Особенности расчета теплоизбытков в ЦОД и методики подбора кондиционеров были разобраны в прошлых статьях рубрики «Кондиционирование ЦОД»: «Кондиционеры для охлаждения ЦОД» (журнал «Мир климата, № 108, 2018 год), «Подбор кондиционеров для ЦОД» (журнал «Мир климата, № 109, 2018 год). Здесь мы приведем лишь итоговые цифры для ЦОД мощностью 700 киловатт (табл. 1).

Итак, осредненная потребляемая мощность чиллерной системы без фрикулинга составляет 394 кВт, чиллерной системы с фрикулингом — ​286 кВт, косвенного фрикулинга с адиабатикой — ​68 кВт. Чтобы наиболее наглядно оценить преимущества (или недостатки) фрикулинга, дальнейший расчет будем вести для двух видов системы охлаждения — ​чиллер без фрикулинга и косвенный фрикулинг с адиабатикой.

Подбор оборудования и расчет стоимости каждого из решений

Укрупненные позиции, которые подлежат подбору и определению стоимости закупки и монтажа, приведены в таблице 2. Как следует из таблицы, стоимость чиллерной системы составляет 54,6 млн руб­лей, а системы охлаждения на базе установки косвенного фрикулинга с адиабатикой — ​77 млн руб­лей.

Расчет эксплуатационных затрат

Расчет эксплуатационных затрат сводится к определению стоимости потребленной электроэнергии, потребленной воды и сервисного обслуживания климатического оборудования за один год функционирования системы обоих типов.

Легче всего определить стоимость сервисного обслуживания. Ее нужно просто запросить у поставщика климатического оборудования (табл. 3).

Стоимость электроэнергии рассчитать сложнее, поскольку она различается в зависимости от региона, подведенной мощности, напряжения и времени дня. В частности, на территории Москвы тарифы определяет АО «Мосэнергосбыт», и эти тарифы различны для предприятий с подведенной мощностью до 670 кВт, до 10 МВт и свыше 10 МВт — ​чем выше подведенная мощность, тем ниже стоимость электроэнергии. Пригодный для расчета диапазон определяется по расчету общей электрической нагрузки объекта, включая энергопотребление ИТ‑оборудования, системы охлаждения и прочих инженерных систем, а также вспомогательных помещений и обслуживающих их инженерных систем.

В зависимости от напряжения электросети тарифы делятся на 4 категории: до 1 кВ, до 20 кВ, 35 кВ и 110 кВ. Чем выше напряжение, тем ниже тариф. Однако подведение высокого напряжения требует капитальных затрат на устройство трансформаторных подстанций.

Кроме того, тарифы могут иметь две или три суточные зоны: соответственно ночную и дневную или ночную, полупиковую и пиковую. Также на стоимость влияет вид договора с поставщиком электроэнергии. Наконец, сами тарифы меняются ежемесячно, о чем публикуются соответствующие сведения на сайте АО «Мосэнергосбыт».

Для нашего расчета примем стоимость 1 кВт·ч электроэнергии равной 4 руб­лям. Стоимость электроэнергии за 1 год эксплуатации чиллерной системы без фрикулинга составила 13,8 млн руб­лей, а косвенного фрикулинга с адиабатикой — ​2,38 млн руб­лей (табл. 4).

Стоимость водоснабжения зависит от региона. В частности, в Москве она определяется АО «Мосводоканал» и может весьма ощутимо меняться в зависимости от района, особенно если речь идет о Новой Москве. В рамках данного расчета мы будем исходить из стоимости 1 кубометра воды, равной 42,16 руб­ля (тариф для Москвы с НДС).

Стоимость водоснабжения может быть рассчитана по формуле

где 31,5 — ​коэффициент, равный 3600 с/ч · 8760 ч/год ÷ 1000 г/кг; служит для приведения размерностей;

N — ​холодильная мощность установки, кВт;

с — ​теплоемкость воздуха, с = 1,005 кДж/(кг·°C);

Δt — ​разность температур входящего и исходящего потоков воздуха, °C;

Δd — ​разность влагосодержаний до и после адиабатного увлажнения воздуха, г/кг;

k — ​коэффициент, определяющий длительность работы увлажнителей в году, безразмерный;

cost — ​стоимость 1 м3 воды, руб.

Для рассматриваемого примера примем: N = 800 кВт, Δt = 15°C, Δd = 5 г/кг. Ранее при анализе погоды было выявлено, что фрикулинг без адиабатики будет работать 92% времени в году, следовательно, увлажнение должно происходить оставшиеся 8% времени. Таким образом, k = 0,08. Итого получим:

Данное значение заносим в таблицу 5.

Данные из таблиц 3, 4 и 5 сводятся в таблицу 6, откуда следует, что годовые затраты на эксплуатацию чиллерной системы без фрикулинга составят 16,5 млн руб­лей, а косвенного фрикулинга с адиабатикой — ​6,5 млн руб­лей. Разница для рассматриваемого объекта составляет примерно 10 млн руб­лей — ​это и есть та самая выгода, ради которой выбор делается в пользу фрикулинга.

Расчет периода окупаемости

После того как определены капитальные и эксплуатационные затраты, можно оценить стоимость владения объектом в течение некоторого срока. Стоимость владения за N лет определяется путем суммирования капитальных затрат на устройство системы и стоимости эксплуатационных затрат, умноженной на N. На период в 10 лет расчет представлен в таблице 7.

Из таблицы видно, что капитальные затраты для косвенного фрикулинга ощутимо выше, чем для чиллерной системы. Однако за счет меньшей величины эксплуатационных затрат совокупная стоимость владения для фрикулинга становится меньше, чем для чиллеров, уже по итогам третьего года эксплуатации. Таким образом, срок окупаемости инвестиций составляет менее 3 лет (около 2 лет и 1 месяца). По итогам 10 лет выгода составит почти 80 млн руб­лей.

Окупаемость инвестиций за 2–3 года — ​это очень хороший показатель. Окупаемость за 5–7 лет — ​приемлемый показатель. Окупаемость около 10 лет представляется достаточно долгой, и это повод еще раз взвесить все «за» и «против».

Оценка результатов ТЭО и выбор системы

В рассмотренном примере вывод очевиден — ​ввиду малого срока окупаемости инвестиций следует предпочесть установку косвенного фрикулинга с адиабатным увлажнением наружного воздуха.

Некоторые аспекты проведения ТЭО

Проводя технико-­экономический анализ, особенно если речь идет об устройстве дата-центра в существующем здании, следует убедиться, что устройство фрикулинга в принципе возможно. От приведенных теоретических выкладок не будет никакого толка, если габаритную установку косвенного фрикулинга физически негде разместить, если невозможно проложить воздуховоды, сечение которых измеряется квадратными метрами, если нет возможности сделать вертикальные шахты требуемого сечения.

Далее, результаты ТЭО сильно зависят от региона строительства, цен на электроэнергию, стоимости реализации каждой из подсистем, возможных скидок, которые дают поставщик оборудования и сервисная организация. Любой из этих параметров может кардинально изменить результаты ТЭО.

Еще один момент — ​вышеприведенный пример ТЭО охватывает только систему охлаждения ЦОД. Безусловно, для реального объекта следует проводить полноценное ТЭО для всего объекта в целом. Дело в том, что инженерные системы ЦОД взаимосвязаны. От того, какая будет принята система электроснабжения, зависят теплоизбытки, влияющие на выбор оборудования для охлаждения объекта, и результаты ТЭО могут скорректироваться.

Наконец, в начале статьи поднимался вопрос о том, что отношение к потребляемой мощности различно в корпоративных и коммерческих ЦОД.

Предположим, подведенная мощность к объекту составляет 1,2 мегаватта. Ее вполне достаточно для чиллерного охлаждения (700 кВт ИТ‑оборудования плюс примерно 100 кВт других энергопотребителей, включая потери энергии в источниках бесперебойного питания, плюс 394 кВт энергопотребления чиллерной системы, итого 1194 киловатта).

Однако высвобождение 394–68 = 326 кВт электроэнергии за счет перехода на косвенный фрикулинг означает возможность установки дополнительного количества ИТ‑стоек. Если для отвода 700 кВт тепла от ИТ‑стоек потребляемая мощность системы охлаждения составила 68 кВт, то для отвода 328 кВт потребляемая мощность системы охлаждения составит 32 кВт. Если мощность ИТ‑стойки принять равной 7 кВт, то оставшейся энергии (328–32 = 296 кВт) хватит на дополнительные 42 ИТ‑стойки.

При средней стоимости аренды стойки около 60 000 руб­лей в месяц получим дополнительную прибыль в размере 2,5 млн руб­лей в месяц или 30 млн руб­лей в год. Эту цифру нельзя в полном объеме добавить в качестве дополнительной прибыли за каждый год функционирования ЦОД с фрикулингом, поскольку заполнение ЦОД не будет мгновенным, и реализация этой прибыли растянется во времени. Для приведения ситуации в практическое русло применяют поправочный понижающий коэффициент.

Одновременно с этим устройство системы свободного охлаждения занимает много места ввиду массивности самих установок и воздуховодов. Значит, для реализации системы должны быть построены дополнительный этаж и шахты, выполнены иные архитектурные требования. Эти затраты также следует учесть при проведении ТЭО в масштабах всего объекта.

Заключение

Технико-­экономическое обоснование применения фрикулинга в ЦОД — ​процесс сложный и многогранный. Ответ, полученный при анализе одной только системы охлаждения, может быть запросто опровергнут при учете других факторов, не связанных напрямую с ней (например, установки дополнительных стоек благодаря высвобожденной электрической мощности). Таким образом, расчет должен проводиться для всего объекта с учетом региона строительства, цен на энергию, ценовой политики вендоров и других факторов. Основа такого расчета была приведена в данной статье.

Юрий Хомутский,
технический редактор журнала «Мир климата»

Предыдущая статьяНовая секция конгресса «Энергоэффективность. XXI век…»
Следующая статьяЛариков Николай Николаевич (1918–2001)

Решение года