Вестник УКЦ АПИК: Мифы и правда о фрикулинге

В эпоху энергосбережения технология свободного охлаждения, или фрикулинга, становится особенно актуальной. Основы терминологии, типовые схемы и варианты реализации свободного охлаждения были рассмотрены в материале «Режим свободного охлаждения — фрикулинг», напечатанном в «Мире климата» № 79. Акцент в статье, которую мы представляем вниманию читателей в этом номере, сделан на развенчании или подтверждении сложившихся представлений о данной технологии.

Следует подчеркнуть, что приведенные ниже высказывания в большей мере относятся к объектам, на которых требуется круглогодичное охлаждение, например, к центрам обработки данных, серверным помещениям, производственным площадкам, поскольку именно там чаще всего используется фрикулинг.

Кроме того, стоит заранее оговориться, что ниже речь пойдет только о воздушном свободном охлаждении, то есть только о технологиях косвенного и прямого фрикулинга. Фрикулинг, реализованный, как дополнительная функция в чиллерах и прецизионных кондиционерах, здесь не рассматривается.

Мнения, сформировавшиеся о технологии свободного охлаждения

Среди ряда сформировавшихся на климатическом рынке представлений, или, как они названы в заголовке, «мифов», выделим следующие:

• Фрикулинг полезен только в северных районах. В Москве и других городах с похожим климатом условия для использования свободного охлаждения не самые подходящие.
• Стоимость решений со свободным охлаждением выше, нежели без них.
• Технология свободного охлаждения слишком дорога, чтобы окупиться за счет сэкономленной электроэнергии.
• Прямой фрикулинг эффективнее косвенного.
• Системы свободного охлаждения характеризуются очень большими габаритами.

Рассмотрим каждый из мифов поподробнее.

Рассматриваемый объект

Убедиться или же опровергнуть данные суждения проще всего с помощью конкретного расчета для заданного объекта. В качестве примера возьмем дата-центр мощностью 1 МВт и рассмотрим четыре варианта его охлаждения:

• Косвенный фрикулинг без адиабатики (без адиабатного увлажнения внешнего контура воздуха); работает до наружной температуры +22 °C.
• Косвенный фрикулинг с адиабатикой (с адиабатным увлажнением внешнего контура воздуха); максимальная рабочая наружная температура зависит от влажности воздуха и лежит в диапазоне от 32 до 40 °C.
• Прямой фрикулинг; работает до наружной температуры +24 °C.
• Традиционная фреоновая система охлаждения.

Для большей уверенности рассмотрим разные города. В нашем примере это будут два крупнейших российских города — Москва и Санкт-Петербург, а также Уфа — как пример более континентального и резкого климата, и Краснодар — как пример южного морского климата.

Миф первый. Фрикулинг полезен только в северных районах

Для каждой из систем подсчитываем часы работы на фрикулинге в год. Подобные расчеты проведены с использованием интернет-ресурса www.AboutDC.ru (см. по ссылке http://www.aboutdc.ru/weather_analise/). Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Длительность работы фрикулинга для различных архитектур системы охлаждения в различных городах России (расчеты выполнены с использованием интернет-ресурса www.AboutDC.ru)

Как видно из таблицы, худший вариант для косвенного фрикулинга без адиабатики, что ожидаемо, получился в Краснодаре — всего 7365 часов в год, или 84 % времени работы в режиме свободного охлаждения. Наилучший вариант — в Санкт-Петербурге: 8410 часов 96 % времени в год.

В случае прямого фрикулинга худший вариант опять-таки выпадает на Краснодар: 88 % времени. Лучший — в Петербурге: почти 98 % времени в году.

Косвенный фрикулинг с адиабатикой имеет наиболее широкий диапазон работы. Как результат — в Москве такая система будет работать 99,9 % времени, в Петербурге все 100 % времени, 99,8 % в Уфе и 98,7 % в Краснодаре.

На рис. 1 все эти данные сведены в единую диаграмму. Чем выше столбец, тем дольше работает фрикулинг.

Рис. 1. Длительность работы фрикулинга для различных архитектур системы охлаждения в различных городах России

Как видно, для всех городов и всех систем высота столбцов достаточно высока, а это означает, что в разных регионах и при разных архитектурах системы охлаждения длительность работы системы свободного охлаждения высока. Таким образом, первый миф опровергнут.

Миф второй. Стоимость решений со свободным охлаждением выше, нежели без них

Следующий шаг — оценка капитальных затрат на построение самих систем охлаждения.

На основе имеющихся данных действительно можно утверждать, что стоимость решений с использованием технологии свободного охлаждения выше, нежели без них. Вообще говоря, на рынке ходит суждение, что при использовании фрикулинга в зимнее время приходится строить две системы охлаждения: фрикулинг — для зимы и традиционную фреоновую — на лето, таким образом, стоимость якобы возрастает вдвое.

Действительно, с формальной точки зрения это две различные системы охлаждения, однако стоимость их в совокупности превышает стоимость одной фреоновой системы, как правило, в 1,4–1,7 раза.

В нашем случае стоимость фреоновой системы охлаждения для ЦОД мощностью 1 МВт составила около 45 млн руб., а стоимость решений с фрикулингом колеблется от 60 до 80 млн руб. (табл. 2).

Таблица 2. Стоимость различных систем охлаждения для ЦОД мощностью 1 МВт, расположенных в различных городах России, млн руб.

Из таблицы явно следует, что стоимость решений с фрикулингом выше. Поэтому миф № 2 можно считать подтвержденным.

Миф третий. Технология свободного охлаждения слишком дорога, чтобы окупиться за счет сэкономленной электроэнергии

Приступим к сравнению и расчету окупаемости данных систем. Для начала рассчитывается среднегодовое энергопотребление каждой из систем. При этом получаем, что энергопотребление фреоновой системы составляет 350–380 кВт в зависимости от региона. Энергопотребление «фрикулинговых» систем составляет десятки киловатт (табл. 3).

Таблица 3. Среднегодовое энергопотребление систем охлаждения, кВт

Далее, исходя из стоимости электроэнергии, которую примем равной 3,8 руб. за 1 кВт×ч, рассчитываются годовые затраты на электроэнергию (табл. 4). Из таблицы видно, что данная статья расходов для фреоновой системы держится на уровне 11–12 млн руб., в то время как для систем свободного охлаждения не превышает 2 млн руб.

Таблица 4. Годовые затраты на электроэнергию на систему охлаждения, млн руб.

Наконец, оценим окупаемость фрикулинга. В нашем случае рассматриваются три системы для четырех городов, поэтому получаем 12 различных сроков окупаемости (табл. 5). Наибольший срок окупаемости, как следует из таблицы, соответствует случаю использования прямого фрикулинга в Краснодаре и составляет 33 месяца. Наименьший срок окупаемости (20 месяцев) — в Москве или Уфе при использовании косвенного фрикулинга с адиабатикой.

Таблица 5. Длительность окупаемости фрикулинга, месяцев

Таким образом, можно утверждать, что срок окупаемости той или иной технологии свободного охлаждения составляет 2–3 года, что совсем немного. Поэтому миф о неокупаемости фрикулинга так и остается мифом.

Миф четвертый. Прямой фрикулинг эффективнее косвенного

Появление данного мифа легко объяснить: прямой фрикулинг представляет собой одноконтурную систему, а косвенный — двухконтурную с воздухо-воздушным теплообменным аппаратом. Очевидно, что одноконтурная система более эффективна, так как нет потерь в теплообменнике.

По сути все верно, но на деле преимущество отсутствия потерь в теплообменнике нивелируется потребностью в более мощной системе увлажнения. При прямом свободном охлаждении возникает необходимость в регулировании влажности каждого вновь поступающего объема воздуха. Затраты на систему увлажнения при этом оказываются велики и превышают экономию.

Системы косвенного фрикулинга лишены подобного недостатка, так как в этом случае в машинный зал ЦОД не поступает воздух с улицы.

Эти рассуждения подтвердили и представленные выше расчеты сроков окупаемости. Из таблицы 5 следует, что в зависимости от региона срок окупаемости систем косвенного фрикулинга лежит в диапазоне от 20 до 29 месяцев, а для прямого фрикулинга — от 28 до 33 месяцев.

Таким образом, если производить комплексную оценку окупаемости систем, то косвенный фрикулинг окупается быстрее прямого.

Миф пятый. Системы свободного охлаждения характеризуются очень большими габаритами

Технология свободного охлаждения, рассматриваемая в контексте данной статьи, подразумевает использование наружного воздуха для охлаждения внутреннего без промежуточных теплопередающих сред, какими, например, являются вода или хладагент. При этом воздух имеет существенно более низкую плотность. Как результат — системы свободного охлаждения работают с большими объемами среды (воздуха), что и приводит к увеличению габаритов климатических установок. Это относится и непосредственно к агрегатам свободного охлаждения и к сети приточных и вытяжных воздуховодов.

Поэтому действительно габариты установок свободного охлаждения больше, чем у традиционных фреоновых систем. Кроме того, установки требовательны к архитектурным особенностям зданий: часто необходимы высокие потолки, отверстия большого сечения в перекрытиях и прочее.

Результаты изучения мифологии

Подведем итоги исследований. Для удобства вся информация собрана в табл. 6.

Таблица 6. Подтверждение и опровержение мнений о технологии свободного охлаждения

Юрий Хомутский, технический редактор журнала «МИР КЛИМАТА»