Термодинамические процессы и схемы оборудования

Раздел посвящён термодинамическим принципам и схемам работы систем «свободного охлаждения» в центрах обработки данных. Рассмотрены прямые (DASE) и косвенные (IASE) схемы, а также интегральные решения с косвенным испарительным теплообменом (IEXC). Приведены режимы работы по температуре сухого и влажного термометров, принципы регулирования и критерии применимости в климатических условиях России.

Основные определения

Температура по сухому термометру (tс) — обычная температура воздуха, измеренная термометром.
Температура по влажному термометру (tв) — температура, которую воздух принимает при испарительном охлаждении; зависит от влажности.
Адиабатическое охлаждение (DEC) — испарительное охлаждение без участия компрессоров.
Воздух–воздух теплообменник (AHX) — устройство, передающее тепло между потоками без смешения влаги.
IEXC — интегральный косвенный испарительный теплообменник, совмещающий AHX и DEC в одном корпусе.

Основные зависимости

$$ Q = G \cdot c_p \cdot (t_г - t_х) $$

где: - $ Q $ — тепловая мощность (Вт); - $ G $ — расход воздуха (кг/с); - $ c_p $ — удельная теплоёмкость воздуха (≈ 1.0 кДж/кг·°С); - $ t_г $, $ t_х $ — температуры воздуха в горячем и холодном коридорах.

Эффективность испарительного охлаждения: $$ \varepsilon = \frac{t_{вх} - t_{вых}}{t_{вх} - t_{влажн}} $$ Типичные значения эффективности кассет DEC — 0,9–0,95.

Прямая схема (DASE)

Охлаждение наружным воздухом по температуре сухого термометра

Наружный воздух фильтруется, подаётся в машинный зал и удаляет тепло от оборудования. Режим «чистого свободного охлаждения» возможен, если наружная температура ниже расчётной температуры подачи в холодный коридор.

В тёплое время года, когда наружная температура превышает допустимую, система переходит на частичную рециркуляцию и включает механическое охлаждение. Необходимо учитывать загрязнение воздуха, рост затрат на фильтрацию и сложности контроля влажности.

Охлаждение с адиабатическим модулем (по температуре влажного термометра)

При наличии воды на площадке целесообразно включить модуль адиабатического охлаждения (DEC). Кассеты DEC позволяют снизить температуру приточного воздуха до значений, близких к температуре влажного термометра, увеличивая число часов в году без компрессоров.

Режимы регулирования:

уменьшение расхода воздуха для удержания температуры горячего коридора;
стабилизация расхода при допустимом увеличении перепада температур;
частичный байпас DEC для точной регулировки подачи.

Недостаток: в холодный сезон невозможно независимо регулировать влажность — воздух увлажняется в процессе испарения.

Схема работы DASE с адиабатическим охлаждением

flowchart TB classDef node font-size:12px,stroke-width:1.1px,padding:8px; OA["Наружный воздух"]:::node --> Filt["Фильтры грубой и тонкой очистки"]:::node --> Fan["Вентилятор подачи"]:::node Fan --> DEC{"Наличие модуля DEC"}:::node DEC -->|Да| DECblock["Испарительные кассеты + байпас"]:::node --> SA["Подача в холодный коридор"]:::node DEC -->|Нет| SA SA --> IT["ИТ-оборудование (стойки)"]:::node --> RA["Возврат из горячего коридора"]:::node RA --> Damp["Отсечные клапаны / выброс или рециркуляция"]:::node

Косвенная схема (IASE)

Наружный воздух не поступает в зал, а охлаждает рециркуляционный поток через теплообменник воздух–воздух. Это обеспечивает чистоту, стабильную влажность и снижает риск попадания загрязнений.

Этапы процесса:

1. Наружный воздух проходит фильтрацию.  
2. При необходимости охлаждается в кассетах DEC.  
3. Поток проходит через вентилятор и поступает в теплообменник (AHX).  
4. Через пластины теплообменника тепло удаляется из внутреннего потока.  
5. В рециркуляционном контуре воздух охлаждается и возвращается в холодный коридор.  
6. При экстремальной жаре включается резервное охлаждение (DX или чиллер).

Схема работы IASE с предохлаждением наружного воздуха

flowchart TB classDef node font-size:12px,stroke-width:1.1px,padding:8px; subgraph Наружный_контур OA["Наружный воздух"]:::node --> F1["Фильтр"]:::node --> DEC["Предохлаждение DEC"]:::node --> SFan["Вентилятор наружного воздуха"]:::node --> AHX1["Теплообменник (внешний контур)"]:::node --> EXH["Выброс воздуха"]:::node end subgraph Внутренний_контур RA["Возврат из горячего коридора"]:::node --> F2["Фильтр"]:::node --> AHX2["Теплообменник (внутренний контур)"]:::node --> SA["Подача в холодный коридор"]:::node --> IT["ИТ-оборудование"]:::node --> RA end AHX1 --- AHX2 SA -.-> DX["Дополнительное охлаждение (DX/чиллер)"]:::node

Эффективность теплообменников AHX — 0,65–0,75. Вертикальные теплообменники с тепловыми трубами автоматически предотвращают обратный поток теплоты при высокой температуре наружного воздуха.

Интегральный косвенный испарительный теплообменник (IEXC)

IEXC сочетает в себе функции испарителя и теплообменника: снаружи труб испаряется вода, охлаждая рециркуляционный воздух внутри. Влага не попадает в зал. Рабочая эффективность по температуре влажного термометра — 70–80 %.

Пример рабочего цикла:

Возврат из горячего коридора — около 35 °C.
Воздух проходит через IEXC, охлаждаясь до ~24 °C.
В тёплые периоды года доля компрессорного охлаждения составляет не более 20–30 %.

Преимущества IEXC:

Низкий годовой PUE (1.1–1.2 в умеренном климате).
Меньшая нагрузка на компрессоры.
Уменьшение температуры конденсации при работе DX-модулей.
Простая интеграция в модульные системы ЦОД.

Эксплуатационные особенности

Регулирование по уставкам температуры подачи и горячего коридора, управление байпасами DEC/AHX.
Защита от обмерзания и образования конденсата.
Применение воздушных дренажных ловушек (Air-Trap) вместо гидравлических (P-Trap).
Повышенные требования к фильтрации (MERV 13 и выше).
Контроль химического состава воды и продувки системы DEC.
Возможность газовой фильтрации при промышленном загрязнении воздуха.

Сравнение схем охлаждения

Параметр	DASE — Прямая схема	DASE + DEC — Прямая с испарительным охлаждением	IASE — Косвенная схема	IEXC — Интегральный косвенный испарительный теплообменник
Контакт с наружным воздухом	Есть	Есть	Нет	Нет
Контроль влажности	Ограничен	Сложен	Хороший	Хороший
Энергоэффективность	Средняя	Высокая	Средняя–высокая	Очень высокая
Капитальные затраты	Низкие	Средние	Средние	Средние
Пыле- и газозащита	Низкая	Низкая	Высокая	Высокая
Потребление воды	Нет	Есть	Нет	Есть
Наличие компрессоров	Почти всегда	Как резерв	Как резерв	Как резерв

Ключевые идеи

Использование наружного воздуха позволяет снизить энергопотребление и PUE.
DASE прост, но ограничен качеством наружного воздуха и влажностью.
IASE исключает попадание внешнего воздуха в зал, обеспечивая стабильность микроклимата.
IEXC сочетает теплообмен и испарительное охлаждение, показывая наилучшие показатели энергоэффективности.
Для большинства регионов России оптимальны схемы IASE и IEXC.
Резервное механическое охлаждение обязательно для всех вариантов.

Содержание