ВВЕДЕНИЕ
Центры обработки данных (ЦОД) давно вышли за рамки простых серверных комнат. На сегодняшний день это сложные сооружения, потребляющие колоссальные объемы энергии. Вычислительные мощности растут год от года, плотность стоек увеличивается, а вместе с ними растут и требования к проектным решениям, реализуемым на подобных объектах.
Самый болезненный вопрос любого ЦОДа – охлаждение. Оборудование выделяет все больше тепла, классические решения перестают справляться с новыми нагрузками, и инженеры вынуждены искать нестандартные подходы, чтобы обеспечивать безупречную надежность в любых условиях эксплуатации.
В этой статье мы рассмотрим нестандартную задачу, возникшую при подборе оборудования для отвода тепла на крупном ЦОДе. На объекте требовалось обеспечить 30 МВт охлаждения в широком диапазоне температур наружного воздуха, при этом уложившись в жёсткие ограничения по площади. Расскажем о принятых решениях, расчётах и неочевидных сложностях, с которыми пришлось столкнуться нашим специалистам.
Техническое задание как фундамент проекта
Основная суть задачи сводилась к максимизации мощности одного аппарата при минимизации занимаемой им площади. Первое, с чего начинается любая задача – анализ исходных данных. В ходе обсуждений исходные данные корректировались несколько раз, остановимся на итоговом варианте.
Исходные данные
Даже с учётом разбиения общей потребной мощности на 12 аппаратов, нагрузка на один агрегат оставалась существенной. Для таких запросов наиболее подходящими являются V-образные драйкулеры: два теплообменных блока, расположенных под углом друг к другу, позволяют получить компактное, но мощное решение с умеренным гидравлическим сопротивлением.
Второе существенное ограничение – температурный режим работы. В пиковые периоды температура наружного воздуха достигает 38 °C, тогда как теплоноситель на выходе из аппарата должен быть всего 32 °C. В таких условиях теплообмен невозможен и на помощь приходят адиабатические системы охлаждения.
Их подбор требует детальной информации о температурно-влажностном режиме региона установки. Для большей достоверности мы проанализировали климатические данные, собранные на ближайшей метеостанции за последние 10 лет, и отталкивались именно от них.
Когда все необходимые данные собраны, можно переходить к конкретным инженерным решениям. Инженеры компании «ТЕРМА» начинают проработку конфигурации и именно на этом этапе стандартное оборудование начинает превращаться в специальное, адаптированное под конкретные условия объекта.
Поиск оптимального инженерного решения
Исходя из требований по мощности и необходимости уложиться в минимально возможную площадь, занимаемую оборудованием, за основу было выбрано самое крупное изделие в линейке «ТЕРМЫ» – V-образный драйкулер с двумя рядами 900-х вентиляторов, суммарным количеством 22 штуки. Несмотря на внушительную длину в 12 метров, аппарат требовал увеличения площади теплообменной поверхности: для этого было решено увеличить высоту каждого теплообменного блока на 10 труб и применить минимальный шаг оребрения – 2 мм. Такой подход позволил нарастить площадь примерно на 25 % без увеличения занимаемой площади – аппарат вырос исключительно в высоту, всего на 1 метр.
При подборе системы адиабатического охлаждения мы ориентировались на снижение эксплуатационных расходов заказчика. Комбинированный способ охлаждения, совмещающий два типа — панельный и форсуночный, — позволяет использовать воду более рационально, чем любая из систем по отдельности. Панель увлажняет воздух до 65 %, а форсунки доводят влажность до 95 %. Такое решение хоть и усложняет конструкцию, но даёт ощутимую экономию на эксплуатации за счёт сокращения водопотребления.
Большой теплообменный блок требовал мощных вентиляторов для продува, а панели адиабатики создают дополнительное сопротивление, которое необходимо преодолевать. Кроме того, не каждый вентилятор имеет допуск к работе при -40 °C. В итоге были выбраны вентиляторы мощностью 5,5 кВт в исполнении У1 – они обеспечивают надежную работу в любой период года. Потребляемая мощность одного аппарата составила 121 кВт, суммарный расход воздуха – 740 000 м³/ч.
Все расчёты и подборы выполнялись на пиковую нагрузку. В остальное время года оборудование работает с частичной загрузкой, и для этого в комплекте с аппаратом поставляется шкаф управления с частотными преобразователями, позволяющими плавно регулировать производительность вентиляторов в зависимости от текущих потребностей.
Свободная конвекция и ее неочевидные риски
Когда речь заходит о драйкулерах, обычно рассматривается ситуация охлаждения рабочего вещества в тёплое время года. Но на практике аппараты установлены в системе круглый год, и зимой возникают не менее сложные задачи по эксплуатации.
Главная из них – свободная конвекция. Даже при выключенных вентиляторах воздух около труб имеет небольшое движение: ветер и естественная тяга от перепадов температур. Таким образом аппарат всё равно отводит тепло, пусть и не в тех объёмах.
Дополнительно инженерами ТЕРМА были проведены расчеты работы аппарата в зимний период в условиях естественной тяги. Результаты показали, что при температуре -37 °C и минимальной скорости воздушного потока 0,07 м/с (фактически стоячий воздух) теплообменник продолжает эффективно рассеивать тепло. Раствор этиленгликоля охлаждается от -20 до -29 °C, а аппарат вырабатывает при этом порядка 1 МВт тепла. Этого достаточно, чтобы при определённых режимах этиленгликоль в аппарате остыл до температуры кристаллизации.
Используемый в проекте 45 % этиленгликоль кристаллизуется примерно при -30 °C. Если жидкость в аппарате остынет ниже этой температуры, она загустеет, а затем и замёрзнет, что с высокой вероятностью приведёт к повреждению трубного пучка. То есть даже в выключенном состоянии аппарат способен самостоятельно переохладить систему до критических значений.
Таким образом мощный теплообменник – это не только преимущество в жару, но и потенциальная проблема в мороз, о которой стоит задуматься заранее. Наши специалисты могут просчитать работоспособность оборудования в различных режимах и дать рекомендации по эксплуатации. Самый простой способ – предусмотреть дополнительный мегаватт мощности, чтобы компенсировать потери, но это крайне нерационально с точки зрения эксплуатационных затрат. Альтернативный путь – изолировать аппарат от окружающей среды с помощью укрывных конструкций. Такой подход требует капитальных вложений на старте, но в долгосрочной перспективе потери можно сократить до 200–300 кВт, что куда менее затратно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Этот проект является хорошим примером того, как даже самая сложная задача может быть решена при правильном инженерном подходе. ЦОДы предъявляют всё более высокие требования к оборудованию, и типовые решения здесь далеко не всегда срабатывают.
В данном случае, специалистами «ТЕРМА» был не просто подобран аппарат под заданные параметры, а был проведен анализ всех режимов эксплуатации, включая те, о которых заказчик мог даже не задумываться. Расчёты естественной конвекции в зимний период показали неочевидные риски и позволили заранее продумать варианты защиты.
Ключевой вывод из этого опыта: любой запрос, каким бы нестандартным он ни был, можно превратить в работающее решение, если подходить к нему системно и не бояться выходить за рамки типовых сценариев. Мы в компании «ТЕРМА» всегда открыты к таким вызовам и готовы помогать заказчикам справляться с самыми разными задачами.
На рис. представлен драйкулер серии BVDA, 22 вентилятора, комбинированная система адиабатического охлаждения, увеличенный теплообменный блок, вентиляторы общепромышленного исполнения У1 мощностью 5,5 кВт каждый
Автор: Апицына О. С., инженер 1 категории ООО «Терма», к.т.н.