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.

• Прямой фрикулинг не позволяет достичь в помещении температуры более низкой, чем на улице.

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.