Охлаждение с помощью охлажденной воды или с прямым расширением: что лучше подходит для вашего центра обработки данных?

Охлажденная вода против охлаждения с прямым испарением: краткий ответ

Если отвечать кратко, то выбор между системами охлаждения с использованием охлаждённой воды и системами с прямым испарением зависит от масштаба и инфраструктуры. Системы с охлаждённой водой более эффективно охлаждают крупные объекты, тогда как установки с прямым испарением (DX) проще, дешевле в монтаже и удобнее в обслуживании в небольших или распределенных помещениях. Ни один из этих вариантов не является универсально лучшим; правильный выбор зависит от ваших охлаждающая нагрузка, ограничения, связанные со строительством, и то, на какой уровень риска вы готовы пойти.

Возьмем, к примеру, ИТ-нагрузку мощностью 500 кВт. В системе прямого охлаждения (DX) может потребоваться несколько блоков CRAC, каждый из которых оснащен собственным компрессором и конденсатором, что приводит к большему общему энергопотреблению и требует большей площади. В отличие от этого, система с охлажденной водой централизует тяжелое оборудование — чиллеры, насосы, градирни — так что внутренние блоки представляют собой просто воздухообрабатывающие агрегаты с теплообменниками и вентиляторами. Именно благодаря этой централизации система с охлажденной водой, как правило, выигрывает при крупных проектах, но при этом в игру вступают такие факторы, как очистка воды, прокладка трубопроводов и более сложные системы управления.

В чём заключаются различия в пути отвода тепла

В системе DX хладагент циркулирует напрямую от внутреннего испарителя к наружному конденсатору — как правило, это агрегат с воздушным охлаждением, установленный на крыше или рядом со зданием. Компрессор обеспечивает перенос тепла, а сам хладагент выступает в качестве переносящей среды. Каждая установка представляет собой единый автономный контур, поэтому систему DX иногда называют 'автономной'.

В системах с охлажденной водой функции распределены. Хладильная установка производит холодную воду — как правило, температурой 7–12 °C (44–54 °F) — и прокачивает её по изолированным трубам к вентиляционным установкам внутри центра обработки данных. Эти вентиляционные установки продувают воздух через водяные змеевики для охлаждения помещения. Хладагент остается внутри чиллера, поэтому на большие расстояния перемещается только вода. Это существенное преимущество, когда серверная находится на пятом этаже, а инженерная комната — в подвале.

На объекте мощностью 1 МВт установка охлажденной воды может использовать два чиллера по 500 кВт в конфигурации N+1, каждый с собственной градирней. Внутренние вентиляционно-кондиционирующие установки (ВКУ) можно разместить непосредственно рядом с «горячими» проходами, что позволит сократить энергопотребление вентиляторов и упростит локализацию тепла. При использовании системы прямого охлаждения (DX) потребуется, возможно, восемь блоков CRAC мощностью 60 кВт каждый, каждый из которых отводит тепло через собственный конденсатор. Это означает больше трубопроводов хладагента, проходящих по зданию, — и больше точек, где может произойти утечка.

Энергоэффективность и влияние показателя PUE

Когда инженеры сравнивают системы охлаждения с использованием охлажденной воды и системы с прямым испарением, первым делом они обычно обращают внимание на эффективность. Системы с охлажденной водой позволяют снизить показатель PUE благодаря использованию экономизации на стороне воды: когда температура наружного воздуха опускается ниже примерно 10 °C (50 °F), можно обойти чиллер и охлаждать воду напрямую с помощью градирни или сухого охладителя. Это дает огромную экономию в регионах с мягким климатом.

Системы DX, с другой стороны, предполагают круглогодичную работу компрессора, если только не установить экономайзеры на стороне хладагента, которые являются сложными и по-прежнему не столь эффективными, как естественное охлаждение на стороне воды. В таких городах, как Франкфурт или Чикаго, установка охлаждённой воды может работать с выключённым чиллером от 3 000 до 4 000 часов в год. Уже одно это позволяет сократить годовые затраты энергии на охлаждение на 30–40% по сравнению со стандартной системой DX.

Но не стоит полагать, что охлаждённая вода всегда более эффективна. При небольших нагрузках — скажем, менее 100 кВт — паразитные потери в насосах и неэффективность работы крупного чиллера при частичной нагрузке могут свести на нет все преимущества. Современные агрегаты прямого испарения (DX) с компрессорами с регулируемой скоростью и вентиляторами с электронным управлением (EC) демонстрируют удивительно высокую эффективность при частичной нагрузке, часто достигая коэффициента эффективности (EER) выше 3,5 при производительности 50%. Реальный ответ зависит от профиля вашей нагрузки, а не только от номинальных характеристик.

Техническое обслуживание, очистка воды и количество хладагента

Именно в вопросах технического обслуживания эти два подхода действительно расходятся. Система охлажденной воды требует регулярного контроля химического состава воды — проверки pH, проводимости и уровня биологического роста — для предотвращения образования накипи и коррозии в трубах и теплообменниках. Если пропустить эти меры, возникает риск загрязнения теплообменных змеевиков и снижения теплопередачи, что незаметно приводит к росту энергопотребления. Кроме того, в такой системе больше движущихся частей: насосы, клапаны и собственный контур хладагента чиллера.

Агрегаты DX упрощают работу водяного контура, но при этом в здании содержится больше хладагента. Типичный агрегат CRAC мощностью 60 кВт может содержать 10–15 кг R-410A или R-454B. Умножьте это на восемь агрегатов, и вы получите более 100 кг хладагента с высоким потенциалом глобального потепления (GWP). Утечки представляют собой не только экологическую проблему; они также приводят к потере производительности и могут вызвать отключение агрегата, если заправка снизится слишком сильно. Именно поэтому многие операторы сейчас отдают предпочтение системам с меньшей заправкой или на основе природных хладагентов, таких как R-290, хотя и они сопряжены со своими ограничениями в плане безопасности.

В установке по производству охлажденной воды хладагент находится исключительно в чиллере — часто это несколько сотен килограммов на агрегат мощностью 1 МВт, но он сосредоточен в одном месте. Это упрощает обнаружение утечек и утилизацию хладагента. Компромисс заключается в том, что теперь вам придётся внедрить программу водоподготовки. На практике это означает ежемесячные испытания, дозирование химикатов и периодическую очистку фильтров и теплообменных змеевиков. Если ваша команда не готова к этому, система прямого охлаждения (DX) может оказаться вариантом с меньшим риском.

Резервирование и риски: что происходит в случае сбоя?

Избыточность — это вопрос того, что может выйти из строя и как быстро вы сможете это устранить. В системе DX каждый блок CRAC работает автономно, поэтому отказ одного компрессора приводит к выходу из строя только зоны охлаждения этого блока — при условии, что у вас есть N+1 блоков и достаточная мощность для компенсации потери. Это явное преимущество для небольших помещений, где нельзя допустить полной остановки системы.

Системы охлаждённой воды приводят к централизации рисков. В случае выхода из строя холодильной установки весь центр обработки данных лишается охлаждения, если только у вас нет резервных чиллеров, насосов и контуров трубопроводов. Именно поэтому в проектах уровня Tier III и Tier IV часто используются две независимые контуры охлажденной воды, каждый из которых способен выдерживать полную нагрузку. Однако это удваивает количество трубопроводов и клапанов, что увеличивает стоимость и сложность системы. Для периферийного объекта мощностью 200 кВт такой уровень резервирования редко оправдан — часто более прагматичным решением является система прямого охлаждения (DX) с несколькими резервными агрегатами.

Кроме того, возникает вопрос о временных окнах для технического обслуживания. Установки DX можно обслуживать по одной за раз, не затрагивая остальные. Хладильный агрегат, возможно, придётся отключить для капитального ремонта компрессора, а это означает, что у оставшихся агрегатов должна быть достаточная мощность для покрытия нагрузки — либо же необходимо запланировать работы на период планового простоя. Это сложная задача с точки зрения планирования, но с ней можно справиться, если у вас есть хороший договор на техническое обслуживание и чёткое представление о вашей нагрузке.

Выбор с учётом размера объекта, климатических условий и возможностей обслуживания

Так как же выбрать? Начните с вашей ИТ-нагрузки. Для нагрузок менее 100 кВт система DX, как правило, является самым простым и экономичным решением. Достаточно установить пару блоков CRAC, подключить их к электросети — и дело сделано. При нагрузках свыше 500 кВт система охлажденной воды начинает выигрывать по эффективности и занимаемой площади, особенно если вы строите новый объект, где предусмотрено место для инженерного помещения.

Климат также играет важную роль. В жарких и влажных регионах, таких как Сингапур или Дубай, использование водяного контура приносит мало пользы, поэтому разница в эффективности сокращается. В таких случаях система прямого охлаждения (DX) может оказаться привлекательной, поскольку позволяет обойтись без очистки воды в условиях дефицита водных ресурсов. Напротив, в прохладном климате, например в странах Северной Европы или Канаде, система охлаждённой воды с естественным охлаждением позволяет достигать чрезвычайно низких показателей PUE — некоторые операторы сообщают о значениях 1,15 и ниже.

Не забывайте об услугах технического обслуживания. Если ваша команда обладает глубокими знаниями в области механики и водоподготовки, система с охлажденной водой вполне под силу. Если же вы полагаетесь на небольшой ИТ-персонал или стороннего подрядчика по системам ОВКВ, агрегаты прямого охлаждения (DX) проще в диагностике и ремонте. Та же логика применима и к существующей инфраструктуре: если в вашем здании уже есть контур охлажденной воды от системы ОВКВ, подключение к нему может оказаться дешевле, чем установка новых агрегатов DX. Но если вы модернизируете старое офисное помещение, прокладка новых трубопроводов для хладагента может оказаться проще, чем установка чиллера и трубопроводов.

Практический пример: провайдер услуг колокации в Далласе столкнулся с необходимостью охладить зал мощностью 1,2 МВт. Он остановил свой выбор на системе с охлажденной водой, состоящей из двух чиллеров мощностью 600 кВт и экономайзера с водяным контуром. В данных климатических условиях они получают около 2 500 часов естественного охлаждения в год, что позволяет сократить годовой расход энергии на охлаждение примерно на 25% по сравнению с базовым вариантом с прямым испарением (DX). Однако им также пришлось заложить в бюджет расходы на штатного инженера по эксплуатации объекта, который занимался бы обработкой воды и техническим обслуживанием чиллеров.

С другой стороны, небольшому предприятию, расположенному в пригородном офисном парке, требовалось обеспечить охлаждение серверного помещения мощностью 60 кВт. Они остановили свой выбор на двух установках DX CRAC мощностью 35 кВт каждая в конфигурации N+1. Общая стоимость установки составила примерно половину от стоимости системы с охлаждённой водой, а техническое обслуживание сводится лишь к ежегодной замене фильтров и проверке хладагента. Показатель PUE составляет около 1,5, но для предприятия такого размера это вполне приемлемо.

Заключительные мысли: речь идет о компромиссах, а не об абсолютах

Не существует единой 'лучшей' архитектуры системы охлаждения. Выбор между системами охлаждения с использованием охлаждённой воды и системами с прямым расширением представляет собой компромисс между эффективностью и простотой, между централизованными и распределёнными рисками, а также между долгосрочными эксплуатационными расходами и первоначальными капиталовложениями. Правильный ответ зависит от конкретной нагрузки, местоположения и состава вашей команды.

Если вы планируете построить новый центр обработки данных или модернизировать существующий, стоит провести сравнительный анализ с использованием реальных данных о нагрузке и климатических показателей вашего региона. Надежный партнер в области систем охлаждения поможет вам смоделировать оба варианта и определить, какой из них будет более выгодным в течение 10-летнего срока эксплуатации. Именно здесь на помощь приходит VERHI — мы уже помогли операторам на трех континентах принять именно такое решение и с удовольствием поделимся накопленным опытом.