Системы охлаждения жидкости (чиллер) с «Free Cooling» — сухие градирни
В регионах с умеренным и холодным климатом наличие фрикулинга помогает существенно экономить электроэнергию в осенне-зимний период. В драйкулере от питания работают только осевые вентиляторы, в то время как в других типах холодильных агрегатов электричество требуется также для работы испарителя. При наличии системы свободного охлаждения компрессор – основной потребитель электроэнергии – работает значительно меньше, что становится дополнительным источником экономии.
Кроме того, большинство современных драйкулеров оснащены частотными преобразователями, которые позволяют регулировать скорость вращения лопастей вентилятора.
Чиллер с естественным охлаждением может использовать фрикулинг полностью или частично. В первом случае охлаждение воздуха происходить при полностью выключенном компрессоре за счет гликолевого контура, во втором – компрессор работает в половину нагрузки, а гликолевый контур используется параллельно для охлаждения воздуха в помещении и конденсатора.
Системы с «Free cooling» в зимний период дают возможность экономить до 80% электроэнергии, а в межсезонье – до 50%. Учитывая значительный рост цен на энергоносители, такая экономия является весьма существенной. Именно поэтому владельцы промышленных предприятий, имеющих постоянную потребность в охлаждении, предпочитают установку систем охлаждения жидкости с «Free cooling».
Наша компания предлагает охладители технических жидкостей с системой фрикулинг, а также занимается производством, поставкой и монтажом драйкулеров («сухих охладителей жидкости» или «сухих градирен»). «Ксирон-холод» занимается выпуском драйкулеров как под чиллеры собственного производства, так и для монтирования в другие системы охлаждения.
Мы предоставляем широкий выбор драйкулеров Guntner, изготовленных на основе качественных комплектующих от известных европейских производителей.
Энергосберегающие схемы охлаждения технических жидкостей
На сегодняшний день наибольшим спросом пользуется оборудование с системой естественного охлаждения «Фрикулинг», которое позволяет в зимний и осенне-весенний период использовать для охлаждения хладагента холодный наружный воздух, не включая компрессор. Поскольку основным потребителем электроэнергии считается именно компрессор, то применение фрикулинга позволяет существенно экономить электроэнергию.
Водоохлаждающая установка на базе воздушного конденсатора с сухой градирней
Принцип работы
При снижении температуры воздуха тосол при помощи трехходового клапана поступает предварительно в градирню, где он частично охлаждается и только после этого подается в холодильную установку. При стабильно низких наружных температурах основной отбор тепла будет происходить в градирне, в то время как компрессор будет отключен.
Преимущества
Когда температура воздуха понижается, и разница между температурой наружного воздуха и температурой воды достигает 5ºС, в работу включается гликолевый контур. Чем холоднее будет на улице, тем большую часть отводимого тепла будет брать на себя контур охлаждения тосолом.
Водоохлаждающая установка на базе жидкостного конденсатора с драйкулером
Принцип работы
В зимний период, когда температура наружного воздуха падает настолько, что градирня может взять на себя всю нагрузку по отбору тепла, охлажденный поток тосола из драйкулера поступает на пластинчатый теплообменник, а компрессор чиллера отключается.
Преимущества
Недостатки
Рассчитываем срок период окупаемости чиллера с системой «Free cooling»
Стоимость градирни вместе с другим дополнительным оборудованием (насосом для тосола, разборным теплообменником, трехходовым клапаном) – 11,5 тыс. евро.
Если считать, что холодильное оборудование будет работать круглосуточно при цене электроэнергии 3 руб за кВт/час, то годовая экономия достигнет – 227 тыс. рублей. Таким образом, можно сделать вывод, что приобретенное оборудование окупит себя немногим более чем за 2 года.
Фрикулинг в дата-центрах Selectel: как все устроено
Привет, Хабр! Пару недель назад выдался жаркий денек, который мы обсуждали в «курилке» рабочего чата. Буквально через несколько минут разговор о погоде перерос в беседу о системах охлаждения дата-центров. Для технарей, тем более сотрудников Selectel, в этом нет ничего удивительного, мы постоянно говорим на подобные темы.
В процессе обсуждения мы решили опубликовать статью о системах охлаждения в дата-центрах Selectel. Сегодняшняя статья — о фрикулинге, технологии, применяющейся в двух наших дата-центрах. Под катом — подробный рассказ о наших решениях и их особенностях. Техническими деталями поделились руководитель отдела сервисного обслуживания систем кондиционирования и вентиляции Леонид Лупандин и старший технический писатель Николай Рубанов.
Системы охлаждения в Selectel
Здесь коротко о том, какие системы охлаждения используем во всех своих объектах. К фрикулингу перейдем в следующем разделе. У нас несколько дата-центров в Москве, Санкт-Петербурге и Ленинградской области. Погодные условия в этих регионах разные, поэтому мы используем различные системы охлаждения. Кстати, в московском дата-центре часто поводом для шуток было то, что ответственные за охлаждение — специалисты с фамилиями Холодилин и Мороз. Так получилось случайно, но все же…
Вот список ДЦ с используемой системой охлаждения:
О фрикулинге
В двух дата-центрах, Дубровка 3 и Берзарина, мы установили системы фрикулинга, причем разные.
Система фрикулинга в ДЦ Берзарина
Основной принцип систем фрикулинга — отказ от теплообменников, так что охлаждение вычислительного оборудования происходит за счет обдува при помощи уличного воздуха. Он очищается при помощи фильтров, после чего поступает в машинный зал. Осенью и зимой холодный воздух нужно «разбавлять» теплым, чтобы температура воздуха, которым обдувается оборудование, не менялась. Летом в Москве и Санкт-Петербурге требуется доохлаждение.
Регулируемые воздушные заслонки
Почему фрикулинг? Да потому что это эффективная технология охлаждения оборудования. Системы фрикулинга в большинстве своем дешевле в эксплуатации, чем классические системы охлаждения с кондиционерами. Еще один плюс фрикулинга в том, что системы охлаждения оказывают не такое сильное негативное влияние на окружающую среду, как кондиционеры с фреоном.
Схема прямого фрикулинга с доохлаждением без фальшпола
Важный момент: фрикулинг используется в наших дата-центрах вместе с системами доохлаждения. Зимой проблем с забором внешнего холодного воздуха нет — за окном прохладно, иногда даже очень, поэтому дополнительные системы охлаждения не нужны. А вот летом температура воздуха повышается. Если бы мы использовали чистый фрикулинг, то температура внутри составляла бы около 27 °C. Напомним, что температурный стандарт у Selectel составляет 23°C.
В Ленинградской области многолетняя среднесуточная температура даже в июле находится у отметки 20°C. И все бы ничего, но в некоторые дни очень жарко. В 2010 году в области был зафиксирован температурный рекорд в +37.8°C. Учитывая это обстоятельство, полностью рассчитывать на фрикулинг нельзя — одного жаркого дня в году с лихвой хватит для выхода температуры за границы стандарта.
Поскольку Санкт-Петербург и Москва — мегаполисы с загрязненным воздухом, мы применяем тройную его очистку при заборе с улицы — фильтры стандартов G4, G5 и G7. Каждый последующий отсеивает пыль все более мелких фракций, так что на выходе у нас чистый атмосферный воздух.
Дубровка 3 и Берзарина — фрикулинг, но разный
По ряду причин мы используем разные системы фрикулинга в этих дата-центрах.
Дубровка 3
Первым ДЦ с фрикулингом была Дубровка 3. Здесь используется прямой фрикулинг, дополненный АБХМ, абсорбционной холодильной машиной, которая работает на природном газе. Машина применяется как доохлаждение на случай летней жары.
Охлаждение дата-центра по схеме фрикулинга с фальшполом
Такое гибридное решение позволило добиться PUE
Почему АБХМ? Это эффективная система, где вместо фреона используется вода. АБХМ оказывает минимальное воздействие на окружающую среду.
В качестве источника энергии АБХМ-машина использует природный газ, который подведен к ней трубопроводом. Зимой, когда машина не нужна, газ используется для отопления помещения АБХМ. Это дешевле, чем использовать электричество.
Идея использовать АБХМ в качестве системы доохлаждения принадлежит одному из наших сотрудников, инженеру, который увидел подобное решение и предложил применить в Selectel. Мы сделали модель, протестировали ее, получили отличный результат и решили его масштабировать.
Строилась машина около полутора лет, вместе с системой вентиляции и самим ЦОД. В 2013 году она была введена в эксплуатацию. Проблем с ней практически нет, но для работы нужно пройти дообучение. Одна из особенностей АБХМ в том, что машина поддерживает разность давлений внутри и снаружи помещения ДЦ. Это нужно для того, чтобы горячий воздух выходил через клапанную систему.
Из-за разности давлений пыли в воздухе практически нет, поскольку она просто вылетает наружу, даже если появляется. Избыточное давление выталкивает частицы.
Расходы на техническое обслуживание системы, возможно, чуть выше, чем в случае обычного охлаждения. Но АБХМ позволяет экономить за счет снижения расхода электричества на нагрев воздуха и его доохлаждение.
Берзарина
Схема движения воздушного потока внутри серверного помещения
Здесь используется фрикулинг с адиабатической системой доохлаждения. Она применяется летом, когда воздух становится слишком теплым, с температурой выше 23°C. В Москве это случается нередко. Принцип работы адиабатической системы — охлаждение воздуха при прохождении через фильтры с жидкостью. Представьте себе мокрую тряпку, с которой испаряется вода, охлаждая ткань и прилегающий слой воздуха. Примерно так и работает адиабатическая система охлаждения в дата-центре. На пути воздушного потока распыляются мельчайшие капли воды, что снижает температуру воздуха.
Принцип работы адиабатического охлаждения
Здесь фрикулинг решили использовать, потому что дата-центр расположен на последнем этаже здания. А значит, выбрасываемый наружу нагретый воздух сразу уходит вверх, а не подавляет другие системы, как это могло бы случиться, будь ДЦ размещен на нижних этажах. Благодаря этому показатель PUE
Когда этот этаж освободился, мы обрадовались, поскольку получили возможность проектировать все, что хотим. Главной задачей было создание ДЦ с эффективной и недорогой системой охлаждения.
Плюс адиабатического охлаждения в простоте самой системы. Она проще, чем системы с кондиционерами и еще проще, чем АБХМ, и позволяет экономить энергию, затраты которой минимальны. Тем не менее, ее необходимо тщательно контролировать, чтобы не получилось, как у Facebook в 2012 году. Тогда из-за проблем с настройкой параметров работы в дата-центре образовалось самое настоящее облако и пошел дождь. Это не шутка.
Система работает всего второй год, за это время мы выявили ряд небольших проблем, которые устраняем с проектировщиками. Но это не страшно, поскольку в наше время важно постоянно быть в поиске чего-то нового, не забывая проверять уже имеющиеся решения.
Мы постоянно ищем возможности применения новых технологий. Одно из них — оборудование, которое нормально работает при температуре выше 23°. Возможно, расскажем об этом в одной из будущих статей, когда проект выйдет на финальную стадию.
Если хотите узнать подробности о других системах охлаждения в наших ДЦ, то вот статья со всей информацией.
В комментариях задавайте вопросы, постараемся ответить на все, что сможем.
При охлаждении происходит обмен тепловой энергией: от объекта, который охлаждается, она переходит в окружающую среду. При этом сам процесс может идти как естественно, без участия каких-либо устройств, так и искусственным путем. Во втором случае тепло перераспределяется между объектом, который нагрет сильнее, к объекту с более низкой температурой. Чтобы достичь такого результата, требуется дополнительная энергия.
В парокомпрессионной машине она необходима для работы компрессора, задачей которого становится формирование в гидравлическом контуре охлаждающего устройства зон с разным давлением – более низким и более высоким. Это позволяет создать условия, при которых хладагент может перейти из жидкой фазы в газообразную и наоборот. При этом один из участков контура становится местом, где тепловая энергия поглощается, а другой – где она тратится на конденсацию хладагента.
В процессе естественного охлаждения тепловая энергия переносится без дополнительных затрат. Однако, чтобы это стало возможным, температурные параметры окружающего пространства должны быть ниже, чем объекта, подвергаемого охлаждению.
Когда при естественном теплообмене в охлаждающей системе используется холодный наружный воздух, процесс носит название фрикулинга, что в переводе с английского языка означает «свободное охлаждение» (от «Free Cooling»). Самой простой из таких систем является открытое окно или форточка.
Фрикулинг как система охлаждения является оптимальным для регионов с холодным климатом. Он позволяет существенно уменьшить период действия компрессора охлаждающей машины и снизить затраты электрической энергии. Именно из-за высокого коэффициента энергосбережения этот тип охлаждения является наиболее предпочтительным.
Различаются две разновидности фрикулинга: прямого и непрямого типов.
Прямым называется процесс, когда теплообмен происходит непосредственно от охлаждаемого объекта к наружному воздуху.
При непрямом в системе имеются промежуточные контуры. Это вид подразделяется на фрикулинг, где используется или не используется адибатика.
Прямой фрикулинг
Идея фрикулинга может по-разному применяться в системах разных типов.
В системах, оснащенных градирнями, конденсатор охлаждается с помощью воды. Чаще всего для этих целей используется конденсатор кожухо-трубного типа. Охлаждающий пар, проходящий снаружи труб, охлаждается и конденсируется с помощью воды, циркулирующей внутри труб. На данном этапе охлаждение воды осуществляется с помощью градирен. Это происходит, когда чиллер работает в условиях высоких температур окружающего воздуха. Однако, при понижении температуры окружающего воздуха ниже температуры воды, используемой в системах охлаждения, нет необходимости в эксплуатации оборудования охлаждающей группы. В этом случае, в системах прямого охлаждения, вода направляется из градирни в обход чиллера напрямую в систему охлаждения. Основным преимуществом данной системы при работе градирен в открытом цикле является то, что требуемая температура охлаждающей воды близка к температуре окружающего воздуха. При этом максимальная выгода может быть получена от использования технологии естественного охлаждения. Однако, серьезным недостатком является загрязнение контура холодной воды, вызванное сравнительно грязной водой конденсатора. Несмотря на попытки использовать различные технологии для ее очистки, такие как, например, фильтрование, применение данных систем в последнее время становится все более непопулярным. Данная проблема может быть устранена путем использования градирен, работающих в закрытом цикле, в составе системы непрямого охлаждения или драйкулеров (сухих градирен).
Применением режима прямого фрикулинга обеспечивается очень высокая энергоэффективность работы оборудования. Однако важно предусмотреть следующий момент: температура воздуха, который поступает в помещение напрямую, должна быть определенной. От также должен быть достаточно чистым. Это ведет к необходимости установки дополнительных устройств, очищающих воздух.
Фрикулинг в системах охлаждения с чиллерами
Сфера применения непрямого фрикулинга – системы с чиллерами. Когда оборудование работает как компрессор, охлаждение жидкости в потребляющем контуре происходит в испарителе, как показано на рисунке 3а. Однако в межсезонье и зимой можно охлаждать помещение, забирая воздух с улицы. Это требует дополнения в виде контура, оборудованного драйкулером (рисунок 3,б).
В системах, где используются чиллеры, применяются три основных варианта фрикулинга.
Фрикулинг с применением градирен замкнутого цикла
Применение градирен замкнутого цикла характерно для систем естественного охлаждения. Как было указано выше, это устраняет риск загрязнения в отличие от систем открытого цикла. В летнее время, когда эксплуатируется оборудование главной охлаждающей группы, конденсаторная вода, подаваемая из градирен, циркулирует в замкнутом цикле. В зимний период, когда работают только системы естественного охлаждения, вода, подаваемая из градирен, циркулирует в контуре холодной воды в замкнутом цикле.
На рисунке 2б показана схема системы естественного охлаждения замкнутого цикла с распределением нагрузки. В данной системе возвратная охлаждающая вода предварительно охлаждается перед подачей в испаритель. При этом снижается нагрузка на чиллер и повышается эффективность всей системы при работе в промежуточные сезоны.
В градирнях, в зависимости от конструкции, вода может охлаждаться до температуры на 3-6 оС выше температуры по влажному термометру. В градирнях замкнутого цикла температура воды обеспечивается на уровне 2-3 оС выше температуры, которая может быть достигнута в градирнях открытого цикла. В идеальных условиях может быть обеспечена температура воды практически равная температуре по влажному термометру путем увеличения размеров градирни, однако, в этом случае значительно увеличиваются капитальные затраты. Хотя, использование градирен привлекательно с точки зрения капитальных затрат, они могут вызывать проблемы с эксплуатацией оборудования. Это связано с тем, что вода из градирен напрямую подается в систему охлаждения, а это в свою очередь может вызывать загрязнение и известковый налет на поверхностях теплообменников. Более того, та, часть воды, которая испаряется в градирнях, должна постоянно восполняться. И, наконец, вода должна периодически очищаться или заменяться для того, чтобы избежать отложения осадков в емкости градирни. Вода в градирне может достигать очень высоких уровней жесткости. При этом при ее испарении образуется большое количество отложений на стенках емкости. При принятии решения об использовании данной системы необходимо учитывать проблемы, связанные с потерями и загрязнением воды.
Системы с использованием вспомогательных теплообменников.
В данных системах используются отдельные дополнительные теплообменники. Чаще всего при этом используются теплообменники пластинчатого типа. В зимнее время необходимая тепловая нагрузка в контуре холодной воды обеспечивается водой из градирен, подаваемой через вспомогательные теплообменники без применения чиллеров.
Системы фрикулинга с использованием газообразного хладагента
Данные системы используются крайне редко. В случаях, когда может быть достигнута температура конденсаторной воды ниже требуемой температуры холодной воды, чиллер работает как термосифон. Низкотемпературная конденсаторная вода конденсирует газообразный хладагент в конденсаторе. Затем он направляется в испаритель силой гравитации или с помощью вспомогательного насоса. Охлаждающая вода с высокой температурой вызывает испарение хладагента в испарителе. Перепад давления между испарителем и конденсатором обеспечивает возврат газа в конденсатор. В данной системе потоки между испарителем и конденсатором обеспечиваются через байпасные каналы. В данной системе нет необходимости в эксплуатации компрессора. Блоки с использованием охлаждающего газа могут применяться в составе не всех систем охлаждения. А в тех системах, в которых они применяются, мощность блоков естественного охлаждения ограничивается показателем 10-30 % от расчетной мощности чиллера. Мощность блоков естественного охлаждения зависит от расчетной мощности чиллера и разницы между требуемой температурой воды и температурой конденсаторной воды.
Принципиальную схему функционирования чиллера, работающего по типу фрикулинга, можно увидеть на рисунке 4. Летом, если наружный воздух теплее теплоносителя, он поступает в контур испарителя, не попадая в драйкулер, где и происходит охлаждение.
В межсезонье при понижении температуры воздуха снаружи помещения может применяться смешанный режим работы чиллера. Это позволяет уменьшить затраты электроэнергии на работу компрессора. Теплоноситель частично охлаждается в испарителе, остаток – в драйкулере, как показано на рисунке 5.
Зимой работа чиллера ведется в режиме фрикулинга. Теплоноситель охлаждается драйкулером (рисунок 6). Компрессор включать нет необходимости, благодаря чему экономится электричество.
Рисунок 6
В системах с фрикулингом теплоносителем являются водо-гликолевые смеси, которые не подвержены замерзанию. Когда в техзадании и проекте невозможно применение антифриза, в системе создается дополнительный контур, в который встраивается промежуточный теплообменник. Это показано на рисунке 7.
Рисунок 7
Такая схема фрикулинга летом, зимой и в межсезонье действует подобно схемам, которые рассматривались выше. Это означает, что летом охлаждение в основном контуре идет только в испарителе чиллера, а контур, где находится антифриз, не используется.
Зимой компрессор выключен, для охлаждения теплоносителя применяется пластинчатый теплообменник контура, где находится антифриз.
Если используется промежуточный контур, происходит небольшое
уменьшение энергоэффективности, но это дает существенные плюсы.
В чиллерах, где применяется воздушный конденсатор, может присутствовать встроенная система фрикулинга, однако она может и отсутствовать. По сути, любой из чиллеров на воздушном охлажденим может обладать контуром «свободного» охлаждения – сухой градирней (драйкулером). Однако целесообразнее выбирать в этом случае чиллер со встроенной системой фрикулинга: это дает возможность пользоваться заводской системой управления, регулирующей работу оборудования путем изменения мощности компрессора, запуска вентиляторов и изменения их скорости.
Свободное охлаждения используется и в чиллерах, где применяется водяной вариант охлаждения (рисунок 8).
Рисунок 8
Чиллера, имеющие водяное охлаждение, в теплое время года действуют при работающих компрессорах, задачей драйкулера становится снижение температуры конденсатора чиллера. В холодное время компрессоры выключены, происходит переключение драйкулера на контур, охлаждающий основной контур, чтобы снижать температуру теплоносителя, который идет от потребителя.
Фрикулинг в вентиляционных системах
Вентиляционные системы использует фрикулинг за счет воздухо-воздушного теплообменника, например, роторного рекуператора, как показано на рисунке 9. Ротора соприкасается с потоками воздуха разной температуры, идущими в разных направлениях, по очереди.
Рисунок 9
К достоинствам рекуператоров этого типа относят экономию электроэнергии (параметры эффективности достигают 75-85 процентов), а также возможность пользоваться ими весь год, ведь показатели температуры внутри помещения и снаружи могут быть почти одинаковыми.
Эффективность использования фрикулинга
Главной целью применения этой системы охлаждения становится снижение энергозатрат. С этой точки зрения максимально эффективен прямой фрикулинг, хотя он нуждается в затратах на очищение поступающего с улицы воздуха.
Непрямой фрикулинг эффективен, когда наружный воздух имеет температуру не менее 7◦С.
Чтобы рассчитать, насколько эффективным будет фрикулинг, применяется СНиП 23-01-99, согласно которому параметры среднесуточной температуры уличного воздуха ниже 7◦С должны сохраняться в течение определенного времени и не дольше. При расчетах стоит обратиться к статистическим данным по разным городам России за период последних пятнадцати лет.
Расчет окупаемости фрикулинга
Капитальные затраты на оборудование:
Таблица 1
| существующая система (чиллер + сухой охладитель) | ||
| охлаждение форм и масла | летний период, 4 месяца | 5.612,52 € |
| зимний период, 8 месяцев | 3.498,08 € | |
| ежегодное потребление | 9.110,60 € | |
| сценарий чиллер + чиллер (без сухого охладителя) | ||
| охлаждение форм и масла | летний период, 4 месяца | 10.761,14 € |
| зимний период, 8 месяцев | 14.348,19 € | |
| ежегодное потребление | 25.109,33 € | |
| экономическая выгода (евро в год) | 15.998,73 € | |
| экономическая выгода (%) | 63,72% | |
Окупаемость чиллеров приведена для регионов с разным климатом – Краснодара, Архангельска и Москвы. В соответствии со СНиП 23-01-99 подготовлена таблица 2 с примерной годовой длительностью промежутков показатели среднесуточной температуры были менее +7 °C, чтобы вычислить примерное время, которое оборудование может работать в режиме фрикулинга.
Таблица 2
Далее следует расчет, сколько чистого времени может работать фрикулинг. При этом время работы компрессора не принимается в расчет.
Таблица 3
Следующим шагом рассчитываются расходы на электроэнергию в течение года для чиллеров двух разных видов. При этом принимаются такие условия:
Результаты расчетов приведены в таблице 4.