Free-cooling w obiektach typu data center – układy pośrednie, bezpośrednie i adiabatyczne
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 13.04.2017

Przy temperaturze powietrza zewnętrznego wyższej od docelowej temperatury powietrza w pomieszczeniu konieczne jest wykorzystanie tradycyjnych źródeł chłodu do schłodzenia powietrza. Jednak w okresie występowania niskich temperatur wydajność systemów free-cooling jest wystarczająca do pełnego schłodzenia powietrza w pomieszczeniu klimatyzowanym do żądanej temperatury nawiewu. 

 

 

2017 03 42 1

 

 

Rozwój nowych technologii, możliwość przechowywania coraz większej liczby danych oferowanych przez różnych dostawców powoduje wzrost liczby obiektów typu „data center”. Obiekty tego typu generują konieczność odprowadzenia bardzo dużych ilości ciepła. Wysokie koszty związane z eksploatacją tego typu obiektów, choćby biorąc pod uwagę sam wzrost liczby takich obiektów oferowanych przez nawet pojedynczego dostawcę, skutkuje poszukiwaniem przez niego takich rozwiązań, które będą się cechowały najniższym kosztem eksploatacji.

 

W niniejszym artykule przedstawiono najczęściej obecnie stosowane rozwiązania systemów chłodzenia w obiektach typu data center, w zasadzie wszystkie oparte na ekologicznej i ekonomicznej technologii pozyskania chłodu zawartego w „zimnym” powietrzu zewnętrznym, tj. free-coolingu.

 

Prowizoryczne rozwiązania systemów chłodzenia, bo takimi należy je nazwać, w postaci klimatyzatorów typu split z możliwością chłodzenia w niskich temperaturach nie znajdą raczej już u świadomego inwestora zastosowania.

 

 

Tytułem wstępu

 

Analizując rynek można zauważyć pewne tendencje wśród producentów urządzeń elektronicznych pozwalające na stosowanie wyższych dopuszczalnych temperatur otoczenia. Skutkuje to wprowadzaniem nowych norm i zaleceń co do obliczeniowej temperatury powietrza w pomieszczeniach typu data center.

 

O ile kilkanaście lat temu temperatury dopuszczalne pokrywały się z tymi określonymi dla klimatyzacji komfortu tj. 20÷25°C (rekomendacja ASHRAE na rok 2004), o tyle obecnie są one dużo wyższe. W 2008 roku rekomendacja ASHRAE to już zakres temperaturowy od 18÷27°C, zaś dopuszczalne wartości dla serwerowni wg tej organizacji na rok 2011 to nawet zakres od 5÷40°C w zależności od klasy sprzętu IT (przy rekomendacji 18÷27°C). Wzrost dopuszczalnych temperatur przekłada się na niższe koszty pracy systemów chłodzenia oraz sprzyja zastosowaniu technologii wykorzystujących chłód zawarty w powietrzu zewnętrznym. Zwiększa się również liczba godzin pracy w sezonie, w których free-cooling można wykorzystać.

 

Podobnie zakres rekomendowanej przez ASHRAE wilgotności względnej uległ poszerzeniu. W 2004 r. zakres ten wynosił 40÷55%, w 2008 r. od 35÷60%, a w 2011 r. już od 20÷80%. Zmiany te również wpływają na większe możliwości wykorzystania free-coolingu.

 

Obiekty typu data center charakteryzują się w przybliżeniu stałym obciążeniem chłodniczym (80-100%) przez cały rok. Stałe i wysokie, oscylujące w pobliżu maksymalnego, obciążenie oraz coraz wyższe temperatury dopuszczalne otoczenia dla sprzętu IT, to podstawowe cechy charakteryzujące możliwość i konieczność zastosowania rozwiązań typu free-cooling. Brak tego typu rozwiązań dla nowoczesnych obiektów typu data center jest marnotrawstwem energii.

 

Producenci urządzeń klimatyzacyjnych dedykowanych do tego typu obiektów zdają sobie sprawę z konieczności zastosowania metod ograniczających ich koszty eksploatacyjne. Większość urządzeń jest wyposażona w różne rozwiązania free-cooling. Poniżej przedstawiono poszczególne metody w różnych konstrukcjach urządzeń.

 

 

Free-cooling bezpośredni (powietrzny)

 

To najprostsza metoda wykorzystania powietrza zewnętrznego do chłodzenia pomieszczenia. Gdy temperatura zewnętrzna jest niższa od tej panującej w pomieszczeniu, możliwy jest bezpośredni nawiew zimnego powietrza zewnętrznego do pomieszczenia powodując jego schłodzenie. Transport powietrza zewnętrznego do klimatyzowanego pomieszczenia możliwy jest z wykorzystaniem wentylatorów. Metoda ta cechuje się najwyższą sprawnością temperaturową spośród wszystkich rozwiązań free-cooling. Cechuje ją niestety też wiele wad. Powietrze zewnętrzne może być zanieczyszczone, co jest niekorzystne dla pracy serwerów. W niskich temperaturach powietrza zewnętrznego zawartość wilgoci jest bardzo zewnętrznym mała, co powoduje również osuszanie powietrza w pomieszczeniu i konieczność jego nawilżenia. Jest to kosztowny proces, biorąc pod uwagę najbardziej popularne nawilżacze parowe z elektrodami zanurzonymi. Co więcej, transport powietrza kanałami, z uwagi na pojemność cieplną powietrza, wymaga dużych przestrzeni na prowadzenie kanałów wentylacyjnych. Przy wyższych temperaturach zewnętrznych od temperatury pomieszczenia konieczne jest również zastosowanie alternatywnych metod schładzania powietrza.

 

 

2017 03 43 1

 Rys. 1. Free-cooling bezpośredni

 

 

Free-cooling pośredni jednostopniowy (powietrzny)

 

(...)

 

 

Free-cooling pośredni dwustopniowy

 


(...)

 

 

Free-cooling pośredni trójstopniowy

 


(...)

 

 

Zastosowanie dodatkowych źródeł chłodu wspomagających proces free-cooling

 

W okresie roku gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest wyższa od docelowej temperatury w pomieszczeniu nie jest możliwe korzystanie z funkcji free-cooling i konieczne jest wykorzystanie tradycyjnych źródeł chłodu do schłodzenia powietrza. Takim najbardziej popularnym rozwiązaniem jest sprężarkowy układ chłodniczy.

 

Jeśli wykorzystywany jest system powietrznego free-coolingu bezpośredniego i pośredniego jednostopniowego w centrali wbudowana jest chłodnica bezpośredniego odparowania (DX – direct expansion) lub chłodnica wodna. Źródłem chłodu jest odpowiednio agregat skraplający, bądź agregat wody lodowej (ziębniczej).

 

Tematyce tej autor poświęcił stosunkowo dużo uwagi w swoich poprzednich publikacjach zatem ten wątek zostanie pominięty.

 

Od stosunkowo niedawna w rozwiązaniach klimatyzacyjnych dedykowanych do obiektów typu data center coraz szerzej znajdują zastosowanie systemy zraszania. Producenci nazywają je adiabatycznymi, choć według autora jest to trochę sformułowanie na wyrost, gdyż jak wiadomo czy proces będzie adiabatycznym będzie to zależało od parametrów wody zraszającej i parametrów powietrza, które w tej wymianie ciepła i masy uczestniczy. W dalszym tekście autor podtrzyma nomenkalturę „adiabatyczny”, choć nie należy zapominać w jakich warunkach ten proces występuje.

 

 

Systemy zraszania adiabatycznego

 


(...)

 

 

Rodzaje systemów zraszania adiabatycznego

 


(...)

 

 

Wady i zalety systemów chłodzenia adiabatycznego

 

Z całą pewnością do zalet rozwiązań z chłodzeniem adiabatycznym zaliczyć możemy wzrost efektywności systemów free- coling oraz poszerzenie zakresu temperatur zewnętrznych, w których free-cooling będzie można wykorzystać. Rozwiązania te są szczególnie wtedy korzystne, gdy wilgotność bezwzględna powietrza zewnętrznego jest niska. Zastosowanie dry-coolerów z systemem zraszania adiabatycznego będzie się cechowało mniejszym zużyciem wody od wież chłodniczych, gdyż zastosowanie zraszania będzie konieczne tylko przy wysokiej temperaturze powietrza zewnętrznego.

 

Choć niewątpliwie wykorzystanie systemów schładzania adiabatycznego poszerza zakres pracy systemów free-cooling to jest to rozwiązanie cechujące się też wieloma wadami. Do takich można zaliczyć wymóg doprowadzenia i uzdatniania wody traconej na odparowanie i unoszenie, zagrożenie legionellą i konieczność monitorowania jej parametrów (stacje uzdatniania wody).

 

 

Podsumowanie

 

W artykule omówiono typowe rozwiązania free-coolingu wykorzystywanych w systemach chłodzenia dla obiektów typu data center. Rozwiązania wykorzystujące free-cooling są jednym z przyszłościowych tematów dla tego typu obiektów obok poszukiwań właściwej ich lokalizacji sprzyjających redukcji kosztów eksploatacji.

 

Pytanie, czy możliwe jest stworzenie jednego rozwiązania łączącego prawie wszystkie zalety wszystkich omówionych powyżej rozwiązań free-coolingu? Okazuje się, że można. Przykładem jest nowatorska konstrukcja urządzenia dedykowanego do tego typu obiektów, stanowiącego przedmiot zgłoszenia patentowego autora. Rozwiązanie to zostanie omówione w kolejnej publikacji poświęconej kontynuacji tytułowego zagadnienia.

 

 

 

Bartłomiej ADAMSKI
PZITS Kraków, Kliweko Sp. z o.o.

 

 

 

LITERATURA:

 

[1] B. ADAMSKI: Systemy free-cooling w obiektach typu data-center. Chłodnictwo & Klimatyzacja 09/2015.

[2] B. ADAMSKI: Nowoczesne urządzenia i systemy klimatyzacyjne. Cz.1. agregaty wody ziębniczej jako pośrednie źródło chłodu w systemie klimatyzacyjnym. DW Medium Warszawa 2014.

[3] Strony internetowe producentów: www.airedale.com, www.stulz.com, www.tecnairlv.it, www.vertivco.com

[4] www.youtube.com/watch?v=zb9Qz9Jgvb8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

  • Pompy ciepła 2011

 

 

  02 ss2  omii   kig 134x45 left  

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.