Фрикулинг: как работает естественное охлаждение
В этой статье мы поговорим об охлаждении, вернее, об одной из популярных технологий, которая называется фрикулинг (free cooling).
Фрикулинг подразумевает свободное охлаждение без использования специализированных хладогенераторов, компрессоров и прочей «прожорливой» техники. Де-факто под фрикулингом чаще всего понимают естественное охлаждение ИТ-оборудования или целых помещений за счет более прохладного воздуха с улицы. Отсюда и проистекает главный недостаток метода: охлаждение становится возможным только при условии, что температура «за бортом» существенно ниже той, что необходимо получить в охлаждаемом помещении.
Подробнее о фрикулинге: сфера применения технологии
Для того, чтобы понять принцип работы фрикулинга, в первую очередь необходимо разобраться с тем, что такое парокомпрессионный холодильный цикл и как работают машины на его основе. Сердце системы — специальные трубки, в которые закачана жидкость с низкой температурой кипения. Благодаря этому становится возможным существенно снизить ресурсопотребление холодильной машины: кипящая жидкость за счет разности давлений «относит» тепло из помещения и производит теплообмен.
Как правило, «в одиночку» подобные устройства не работают. Когда температура воздуха на улице поднимается, в дело вступает эффективная система кондиционирования. А если за окном похолодает и нужда в ней отпадет, она автоматически отключится. Такой подход позволяет одновременно эффективно поддерживать требуемую температуру в помещении и экономить электроэнергию.
В дата-центрах #CloudMTS установлены прецизионные кондиционеры, позволяющие с точностью градуса наблюдать и корректировать температуру в машинных залах.
Казалось бы, необходимость в эффективном теплоотводе присутствует только в теплое время года. Однако в ряде случаев естественного рассеивания тепла может быть недостаточно из-за высокого объема так называемых теплоизбытков. Коммутационные помещения, комнаты с серверным оборудованием и прочие подобные объекты даже в холодную зиму способны отдавать больше тепла, чем в состоянии отвести «стены». Постоянно функционирующая система фрикулинга — это оптимальный вариант для поддержания температуры на нужном уровне. Если на улице -10, нет смысла включать энергозатратный кондиционер — достаточно открыть «форточку».
Принцип работы фрикулинга и его виды
Выделяют три основных группы фрикулинг-систем в зависимости от их принципа работы и внутреннего устройства: прямой, косвенный и на базе холодильной машины (чиллера). Разберем каждый из них поподробнее и выделим основные особенности каждого варианта.
Холодильная машина с функцией фрикулинга
Это специальные холодильные устройства, в которые встроен еще один, специальный теплообменник, который служит для охлаждения хладагента за счет разницы температур в помещении и на улице.
Общий принцип работы у подобных решений схож:
- Если температура окружающей среды ниже пороговой, установленной в чиллере, горячий воздух направляется прямиком в выделенный теплообменник, где его температура снижается за счет воздуха с улицы.
- В случае, когда воздух извне теплее необходимого, в дело вступает стандартная схема: хладагент охлаждается за счет встроенного холодильного контура. С точки зрения конструкции специальный чиллер для free cooling не имеет особых отличий от обычного, однако позволяет сочетать преимущества обоих подходов к охлаждению.
Подобную схему работы возможно организовать при помощи стандартного чиллера и т.н. сухой градирни (драйкулер). Эта конфигурация потенциально еще более надежна, так как позволяет при выходе чиллера из строя автоматически перенаправить холодоноситель в драйкулер: это позволит произвести оперативный ремонт и не допустить перегрева. Тем не менее, реализация этой системы более сложна с точки зрения проектирования и монтажа на конкретном объекте.
Прямой фрикулинг
Под прямым фрикулингом принято понимать систему, при которой охлаждение достигается путем рециркуляции воздуха с помощью специальной приточно-вытяжной установки. Воздух на входе проходит через сложную систему фильтров, что гарантирует чистоту поступающего в технические помещения уличного воздуха.
-
Прямой фрикулинг позволяет поддерживать в помещении стабильную температуру вне зависимости от условий окружающей среды, этому способствует рециркуляция.
Если «за бортом» температура совпадает с требуемой, рециркуляция не происходит. Чем сильнее опускается температура на улице, тем выше становится доля участия рециркуляции в процессе.
Поэтому в условиях, например, средней полосы России, такие системы не всегда могут справиться с задачей охлаждения воздуха. Для этого их оснащают классическими фреоновыми системами охлаждения. Тем не менее, большую часть года энергоемкие кондиционеры простаивают, и тем самым достигается существенная экономия. В зависимости от климата, срок окупаемости подобных систем достигает 4-8 лет.
Косвенный фрикулинг
Косвенный фрикулинг позволяет охлаждать воздух в помещении за счет воздухообмена потоков воздуха разной температуры. Для этой цели служат специальные теплообменники.
Наиболее эффективный обмен достигается при существенной разнице температур между внутренним и наружным воздухом. Однако при некоторой оптимизации возможно поддерживать пассивный фрикулинг даже при минимальных расхождениях в температуре.
Эта оптимизация заключается в применении дополнительной секции распылительного (адиабатного) увлажнения воздуха, который поступает в систему извне. Таким образом даже в условиях жаркого и засушливого климата применение пассивного фрикулинга становится более чем возможным.
Как правило, стандартный теплообменник выглядит как медленно крутящийся ротор с длинными лопастями, а его принцип действия схож с принципом работы рекуператора. Медленное вращение ротора обеспечивает сразу два процесса: находящиеся в верхнем положении лопасти попадают под поток горячего воздуха, а уже нагретые переходят в нижнее и остывают за счет температуры окружающей среды.
Подводим итоги
Системы фрикулинга — это давно и прочно зарекомендовавшая себя технология. С одной стороны, они обладает достаточной технической простотой для того, чтобы их можно было смонтировать и эффективно использовать в условиях практически любого проекта. С другой — позволяют бизнесу снизить эксплуатационные издержки за счет особенностей окружающей среды.
В дата-центре #CloudMTS «Авантаж» параметры микроклимата соответствуют стандарту ASHRAE, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. Система холодоснабжения спроектирована в соответствии с рекомендацией ASHRAE Thermal Guidelines for DATA Processing Environments. Температура воздуха на входе в IТ-стойки варьируется от +20°С до 24°С, относительная влажность воздуха составляет от 40 до 60%. Максимально допустимая температура воздуха на входе в IТ-стойки — +32°С.
Что такое "free cooling"
Сегодня уже наверное всем известно, как работают стандартные системы охлаждения. Упрощенно говоря, они охлаждают в одном месте, нагревая в другом. Нагретое охлаждается окружающей средой, для чего собственно и нужен внешний блок обычного кондиционера.
Это испытанный метод, но весьма дорогостоящий. Вероятно, вы не ощутите существенности этих затрат в своем домашнем бюджете, пользуясь домашним кондиционером, но при необходимости охлаждения серверных залов, это становится серьезной статьей расходов.
В этой схеме есть и еще один недостаток – работа подобного блока приводит к осушению воздуха. Ведь нагретый воздух проходит через охлаждающий блок, где из-за низкой температуры происходит концентрация паров воды в воздухе на поверхности охлаждающих элементов. В бытовых системах она просто удаляется из системы (вытекает), но это неизбежно сушит воздух. Сухость воздуха же очень вредна для различной электроники – она повышает способность электроники накапливать статический заряд, что приводит к запылению, а также – засыханию и растрескиваниям пластиковой изоляции проводов. Этот эффект также ведет к дополнительным расходам на системы вентиляции и охлаждения – поскольку нужно предусматривать специальные системы, обеспечивающие нужную влажность.
На помощь приходит метод «free cooling» — это охлаждение нагретого воздуха за счет обмена теплом с воздухом окружающей среды. В наших широтах температура воздуха на улице как правило существенно меньше, чем того воздуха, который удаляется из «горячих коридоров» серверных залов. И это дает возможность существенной экономии на системах охлаждения. Для успешной реализации этого метода необходимо обеспечить существенно больший поток воздуха в единицу времени, но даже это существенно экономичнее, чем работа охлаждающего блока по традиционной схеме.
Другим положительным моментом от систем free cooling является то, что не происходит обмена воздухом с внешней средой. Это позволяет поддерживать необходимую влажность воздуха.
Мы применяем именно такую схему в нашем дата-центре, и наша система вентиляции и охлаждения, работающая по методу free cooling, является одним из важнейших компонентов, снижающих нашу себестоимость, и позволяющую предлагать коммерчески привлекательные тарифы нашим клиентам.
Что такое фрикулинг
Даже системный блок обычного домашнего компьютера ощутимо нагревается в процессе работы. Легко представить, что происходит в дата-центрах. В процессе работы серверы выделяют массу тепла, и, если отсутствует охлаждение, могут выйти из строя от перегрева. Процессор может даже буквально загореться. Фрикулинг – это система свободного охлаждения, которая успешно справляется со своей задачей и при этом не разорит владельцев дата-центра.
Компрессор потребляет больше всего энергии в любой системе охлаждения. Даже незначительное сокращение времени работы компрессора, рабочей мощности или рабочих условий может существенно повлиять на энергопотребление системы.
Естественное охлаждение — это процесс использования внешней температуры окружающей среды для отвода тепла.
Принцип работы фрикулинга
Обычный метод компрессионного охлаждения заключается в использовании одного и того же воздуха. Холодный воздух доставляется к серверам, там он поглощает тепло, дальше отгоняется вентиляторами, охлаждается компрессорами, а затем снова возвращается на серверы.
Естественное охлаждение упрощает и удешевляет процесс. Как только воздух нагревается от серверов, он частично или полностью выбрасывается в окружающую среду, а вместо него подается новый, более холодный воздух снаружи. Если речь идёт не о жарких странах, то воздух снаружи чаще всего бывает холоднее, чем в работающем ЦОДе. Следовательно, охлаждать воздух компрессорами не приходится, что значительно удешевляет процесс. Кроме того, он не оказывает такого негативного влияния на окружающую среду, как искусственное охлаждение. Сегодня многие внедряют фрикулинг, как наиболее дешёвое и перспективное охлаждение.
А недостатки?
Экономия и меньший вред для природы звучат очень хорошо. Однако технология всё же не идеальна. В первую очередь для организации естественного охлаждения нужно тщательно спланировать помещение и расположение серверов, предусмотреть свободное место для оборудования на крыше здания. Поэтому обычно проще внедрять систему ещё на этапе строительства.
Также возникает проблема с температурой. Воздух, охлаждающий серверное оборудование в компрессорных системах охлаждения, обычно охлаждается примерно до 20-25 градусов Цельсия. Во многих странах круглый год поддерживать такую низкую температуру естественное охлаждение не может (в нашей полосе проблемы могут возникать летом). Поэтому зачастую фрикулинг используется только как вспомогательный метод. А значит, экономия бюджета будет не так уж велика.
Решением может стать повышение температуры охлаждения до 35 градусов. Как показала практика, этого тоже будет достаточно для эффективной работы серверной.
Кроме того, особенно в загрязнённых городах, для фрикулинга требуется система фильтрации.
Виды фрикулинга
Выделяют несколько видов систем свободного охлаждения:
Чиллер с фрикулингом
Это холодильные машины, имеющие теплообменник для охлаждения холодоносителя с помощью наружного воздуха.
Когда температура снаружи выше заданной температуры хладоносителя, тот охлаждается в испарителе холодильного контура. Когда температура снаружи ниже, хладоноситель направляется в дополнительный теплообменник, где охлаждается за счёт обдува воздухом извне.
Прямой фрикулинг
Это мощная приточно-вытяжная установка с рециркуляцией воздуха. Они имеют качественную систему фильтрации, благодаря которой поддерживается чистый воздух в помещении.
Подаваемый внутрь воздух всегда одной температуры, независимо от того, какая погода на улице. Это становится возможным благодаря рециркуляции. Когда температура снаружи совпадает с заданной, рециркуляция не выполняется. Если температура снаружи понижается, рециркуляция начинает плавно возрастать. В мороз она максимальна. Так как в тёплый период не получится поддерживать низкую температуру в помещении, необходимо дополнительно использовать фреоновые системы охлаждения.
Косвенный фрикулинг
В этом случае охлаждение внутреннего воздуха идёт за счёт наружного с помощью воздухо-воздушных теплообменниках.
Для работы косвенного фрикулинга нужна разница температур, поэтому он актуален только в том случае, когда внешняя температура отличается от внутренней хотя бы на несколько градусов.
Воздухо-воздушный теплообменник зачастую выглядит как медленно вращающийся ротор большого диаметра. В ходе его работы холод от воздуха извне передаётся внутреннему воздуху.
Перспективы
Естественное охлаждение — относительно новое явление в охлаждении центров обработки данных. Тем не менее, фрикулинг очень быстро завоевывает популярность и используется в крупнейших ЦОДах.
В будущем скорее всего появятся новые способы охлаждения. Уже сейчас разрабатываются специальные материалы, которые охлаждаются под действием солнечного света или меняют температуру под действием магнитных полей.
Что такое фрикулинг и когда он нужен
Free Cooling – это метод охлаждения, который использует наружный воздух для снижения температуры внутри помещений или систем охлаждения. В современном мире энергоэффективность становится все более важной темой. Одним из инновационных решений в области охлаждения является технология Free Cooling. В этой статье мы расскажем о видах и принципе работы фрикулинга, а также преимуществе применения.
Фрикулинг или free cooling — это прогрессивная техника охлаждения объектов за счёт свободного доступа холодного наружного воздуха без применения энергоёмкого компрессорного оборудования. Весомое превосходство технологии заключается в непревзойдённом коэффициенте энергосбережения. Самый простой пример free cooling — открытое для проветривания окно или форточка в доме. При использовании естественного охлаждения затраты на принудительный теплообмен исключаются.
Вариант целесообразен в случаях, когда температура природной охлаждающей среды ниже показателей, которые необходимо поддерживать в замкнутом внутреннем пространстве. Это лучший способ повысить энергоэффективность климатического оборудования и сократить потребление электроэнергии.
Где применяется фрикулинг
По закону термодинамики для отведения теплоты и охлаждения какого-либо объекта нужно использовать техническое устройство и затратить определённое количество энергии. Но при снижении температуры за окном потребность в охлаждении помещений с помощью кондиционеров стремительно идёт на спад. Однако существует множество предприятий, которые круглый год нуждаются в поддержании заданных температурных параметров. В их число попадают:
- фармацевтические фабрики, научно-исследовательские лаборатории;
- телекоммуникационные центры, аппаратные, операторы сотовой связи, ЦОД;
- аккумуляторные и серверные с высокими теплоизбытками;
- архивы, музеи, картинные галереи;
- производства микроэлектроники и хранилища продуктов.
Тепловыделение промышленной и компьютерной техники бывает настолько значительным, что без кондиционирования цехов и технических помещений обойтись невозможно. Именно в таких ситуациях, когда применение кондиционеров нерентабельно и хочется просто открыть окно, выручает климатическое оборудование со свободным охлаждением. Можно сказать, что фрикулинг — это энергосберегающая схема холодоснабжения, которая легко справляется с созданием комфортной температуры на ответственных объектах зимой и межсезонье. При этом существенно удешевляет поддержание нужного температурного показателя.
Виды фрикулинга и принципы работы
Практикой использования стандартных охлаждающих агрегатов доказано, что при отведении 100 кВт тепла из помещения, потребляемая мощность компрессора составляет около 35 кВт электроэнергии. За счёт снятия тепловых нагрузок фрикулингом можно снизить расход электричества на 40-60%. Экономия зависит от температурного режима на предприятии, энергоэффективности техники и способа организации free cooling. На сегодняшний день выделяют несколько разновидностей свободного охлаждения:
- чиллер с функцией фрикулинга;
- прямой и косвенный фрикулинг;
- свободное охлаждение в системах вентиляции.
Рассмотрим каждый вид подробно.
Чиллер с фрикулингом
Конструктивная особенность моноблочной автономной машины чиллер с функцией free cooling — наличие дополнительного воздушно-жидкостного теплообменника для хладоносителя, который охлаждается наружным воздухом. Агрегат предназначен для круглогодичного применения. Механизм действия регулирует автоматика с учётом разницы температур внутренней и внешней атмосферы.
Дополнительный контур для поступающей с улицы воздушной массы хорошо просматривается на схеме чиллера с фрикулингом. Такие устройства могут работать в трёх режимах:
- Механический. Охлаждение с помощью воды или смеси пропиленгликоля оптимально в летнее время, когда уличная атмосфера прогревается выше +18-20оС. В жаркий сезон весь поток хладоносителя проходит через испаритель, минуя секцию фрикулинга. В этом случае температура снижается только за счёт парокомпрессионного цикла.
- Смешанный или переходной. Принцип работы чиллера с фрикулингом, который функционирует в смешанном режиме, базируется на частичном охлаждении холодильного агента атмосферным воздухом в воздушно-жидкостном теплообменнике. Полное достижение заданных температурных параметров происходит за счёт доохлаждения в испарителе. Рабочие температуры находятся в диапазоне межсезонья от +7 до +18оС.
- Свободное охлаждение. Когда на улице фиксируется температура ниже +7-10°C, хладоноситель может полностью охлаждаться в секции free cooling. Поскольку охлаждение выполняется только атмосферным воздухом, парокомпрессионный цикл в чиллере выключается. Таким образом обеспечивается максимальная экономия электроэнергии.
Чиллеры с функцией free cooling содержат в себе все достоинства охладительных устройств с сухой градирней, но в условиях умеренного климата России демонстрируют большую экономическую выгоду. Причем, чем больше обрабатываемая площадь, тем значительнее экономия.
Прямой фрикулинг в моноблочных шкафных кондиционерах
В конструктивном исполнении прямой фрикулинг представляет собой приточно-вытяжное устройство с рециркуляцией воздуха и смесительной камерой. В процессе работы холодный воздушный поток поступает по воздуховодам, снимает теплоизбытки и удаляется в атмосферу. Фильтры тонкой очистки не допускают попадания пылевых частиц, дыма и вирусных бактерий во внутреннее пространство.
Алгоритм работы прямого фрикулинга в моноблочных прецизионных кондиционерах шкафного типа предполагает поддержание постоянной температуры в помещении независимо от погоды. При совпадении заданных температурных показателей с уличными, рециркуляция не включается. Но с приходом холодов рециркуляционный процесс плавно нарастает и достигает апогея в сильные морозы. На схеме с описанием принцип работы фрикулинга прямого типа выглядит следующим образом.
На рисунке слева показано, как охлаждает воздух холодильная шкафная конструкция с помощью компрессора. Воздушный клапан находится в закрытом положении. После включения режима free cooling компрессор автоматически отключается. На рисунке справа видно, что в этот момент открывается клапан и запускает воздушный поток непосредственно в помещение.
Здесь важно понимать, что свободное охлаждение в чистом виде не всегда справляется с поставленной задачей, поэтому установка, которую используют круглый год, оснащается фреоновым хладагентом. Такой гибридный фрикулинг бесперебойно поддерживает необходимый микроклимат при резких изменениях погодных условий. Кроме того, электронно-вычислительное оборудование чувствительно к статическому электричеству, а с приходом морозной погоды в помещение поступает сухой холодных воздух. По этой причине возникает необходимость дополнительного оснащения приточных установок секциями увлажнения.
Косвенный фрикулинг
Непрямое свободное охлаждение в основном применяют на объектах с круглогодичным поддержанием нужной температуры. Суть и принцип работы косвенного фрикулинга состоит в охлаждении внутренней атмосферы наружным воздухом. Обмен тепловой энергией между отработанным и холодным потоком происходит в воздушном теплообменнике, который еще называют «воздух-воздух».
Непрямой free cooling включается в работу только тогда, когда уличная воздушная масса на 5-7 градусов холоднее охлаждённого воздуха, который подаётся. Поэтому продолжительность теплообмена короче, чем при прямом фрикулинге. Работу установки непрямого охлаждения можно также ускорить путём внедрения секции распылительного увлажнения. Адиабатный увлажнитель будет одновременно повышать влажность воздухопотока и понижать температуру. Такая схема позволит расширить границы применения косвенного фрикулинга в южных регионах.
Синей стрелкой на схеме указано, как внешний поток поступает в фильтры, очищается, проходит через увлажнитель, насыщается влагой и становится холоднее. Затем подаётся на роторный теплообменник и охлаждает его лопасти.
Свободное охлаждение в системах вентиляции
Наиболее широкое распространение фрикулинг получил в промышленных системах вентиляции с роторными рекуператорами и воздушными теплообменниками. В основу принципа работы заложено попеременное соприкосновение лопастей ротора с противоположно поступающими потоками горячего отработанного и холодного приточного воздуха.
В зимнее время ротор приходит в движение и раскручивается входящим с улицы холодным плотным потоком. Но когда скорости притока для раскрутки лопастей не хватает, на помощь приходит электромотор.
Преимущества применения фрикулинга
Технология свободного охлаждения free cooling безукоризненно справляется с задачами, решение которых недоступно традиционным холодильным установкам. Несмотря на то, что внедрение секций фрикулинга требует вложения денежных средств, окупаемость применения в промышленных масштабах гарантируется в короткие сроки за счёт экономии электричества. Результативность использования чиллеров с фрикулингом, моноблочных шкафных кондиционеров для серверных и ЦОД доказана многолетней практиков. Эффективное поддержание постоянной температуры на производственных площадках способствует снижению износа и бесперебойной работе дорогостоящего оборудования.