Как известно, для надёжной и безопасной работы центров обработки данных и серверных помещений необходимо поддержание не только температуры, но и относительной влажности воздуха. Это достигается путём применения отдельных увлажнителей и прецизионных кондиционеров со встроенными увлажнителями воздуха. Иначе обстоит дело в случае фрикулинга. Секция увлажнения в таких системах представляет собой один из элементов вентиляционной установки.

На что влияет влажность в ЦОД

Влияние влажности на функционирование ЦОД можно рассматривать с двух разных позиций – с позиции безопасности и с позиции энергоэффективности.

С позиции безопасности следует помнить, что низкая относительная влажность воздуха способствует накапливанию статического электричества на металлических поверхностях. В машинных залах дата-центров таковых предостаточно, поэтому поддержание влажности на уровне, как минимум, 20%, а лучше бы выше, является жизненно важной задачей.

Повышенная влажность в ЦОД ведёт к повышению точки росы и выпадению конденсата на относительно холодных поверхностях. Например, при температуре 27°С и влажности 70% конденсат может появиться даже на достаточно тёплых поверхностях – с температурой вплоть до 21°С. Выпадение конденсата представляет собой опасность для дорогостоящего вычислительного оборудования ЦОД. Ситуация усугубляется высокой мощностью оборудования в машинных залах ЦОД: в помещении площадью всего 250 квадратных метров мощность установленного оборудования запросто может превышать 1 мегаватт.

Таким образом, значения оптимальной влажности в ЦОД продиктованы в первую очередь сохранностью ИТ-оборудования в машинных залах.

Оптимальная влажность в ЦОД

Первоначальные стандарты регламентировали определённые диапазоны влажности в машинных залах ЦОД. Обычно речь шла о диапазоне 40-55%. В расчётах, как правило, принимали 45% при температуре +24°С. Эти цифры прописаны в стандарте TIA-942 «Телекоммуникационная инфраструктура центров обработки данных».

Позже Американская ассоциация инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха ASHRAE выработала рекомендации (см. статью «Развитие директивы ASHRAE о микроклимате центров обработки данных» в журнале «Мир Климата» №71, 2012 год), которые впоследствии были закреплены российским стандартом СТО НОСТРОЙ 2.15.177-2015 «Инженерные сети зданий и сооружений внутренние.  Устройство систем вентиляции и кондиционирования серверных помещений. Правила, контроль выполнения, требования к результатам работ».

Суть рекомендаций сводится к одновременному контролю трёх параметров микроклимата – температуры воздуха (18-27°С), относительной влажности воздуха (не более 60%) и точки росы (5,5-15°С). Наиболее часто встречающимися расчётными параметрами микроклимата в ЦОД стали температура 27°С и относительная влажность 40%.

О правильном выборе расчётных параметров

На самом деле от расчётных параметров микроклимата 24°С и 45% к параметрам 27°С и 40% случился неспроста. В первую очередь, такой переход был продиктован стремлением к повышению энергоэффективности систем охлаждения ЦОД. Очевидно, что на поддержание 24°С будет затрачено заметно больше энергии, чем на поддержание 27°С. Но дело здесь не только в температуре, но и во влажности.

Выбор более низкого показателя влажности способствует уменьшению времени работы увлажнителей, а также увеличению явной холодопроизводительности кондиционера. Действительно, поддержание при той же температуре более низкой относительной влажности влечёт за собой и более низкое влагосодержание воздуха внутри ЦОД. Точка росы такого воздуха ниже, чем более влажного. А это в свою очередь означает, что при взаимодействии с холодным испарителем кондиционера влага (конденсат) будет выделяться в гораздо меньших количествах. Именно за это снижение и борются инженеры, выбирая правильные расчётные параметры в ЦОД.

С научной точки зрения борьба идёт за повышение коэффициента явной холодопрозводительности SHR. Он равен отношению явной холодопрозводительности (идущей непосредственно на охлаждение воздуха) к полной холодопрозводительности (расходуемой как на охлаждение воздуха, так и на выпадение конденсата). При выборе расчётных параметров в машинных залах ЦОД следует выбирать такие, которые укладываются в нормы и при которых достигается наибольший SHR. Максимально возможное значение SHR равно 1,0.

Увлажнение и конденсат

Одной из основных причин неэффективного функционирования систем охлаждения центров обработки данных является усиленная работа увлажнителей при повышенном образовании конденсата на испарителях кондиционеров. Иными словами, работа увлажнителя нейтрализуется кондиционером.

Это тот случай, когда неправильно настроенная работа пароувлажнителей может свести на нет усилия инженеров по повышению SHR. На каждую 1000 ватт излишнего увлажнения кондиционер будет тратить около 350 ватт на образование конденсата. В общей сложности впустую будет потрачено 1,35 киловатта электроэнергии. На крупных объектах величина потерь может измеряться десятками киловатт.

В данном случае важна грамотная работа не только проектировщиков и наладчиков систем охлаждения, но и специалистов по эксплуатации. В конце концов, проектировщики и наладчики сделают свою работу и покинут объект, а отдел эксплуатации будет следить за работой систем в течение многих лет. И здесь на первое место выходит анализ работы системы, наблюдение за режимами работы увлажнителей и кондиционеров, анализ расхода воды и количества сливаемого конденсата.

Следует понимать, что увлажнитель делает свою работу эффективно только тогда, когда на испарителях кондиционеров в ЦОД практически не образуется конденсат.

С позиции энергоэффективности любая влажность хороша и энергию на её поддержание лучше бы не тратить вовсе. Действительно, увлажнение воздуха в ЦОД, как мы дальше убедимся, требует значительных энергозатрат. Осушение воздуха тоже энергозатратно. Поэтому любая обработка внутреннего воздуха с позиции достижения высокой энергоэффективности должна быть сведена к минимуму.

Несколько иначе дело обстоит в случае охлаждения ЦОД с использованием технологий свободного охлаждения, в первую очередь, косвенного фрикулинга с адиабатикой. Здесь адиабатное увлажнение воздуха помогает сэкономить на мощности, потребляемой системами охлаждения, о чем также будет рассказано ниже.

Прецизионные кондиционеры с пароувлажнителями

Одним из самых распространенных способов поддержания влажности в ЦОД считается применение прецизионных кондиционеров с пароувлажнителями, как правило, электродного типа. Обычно это шкафные кондиционеры (см. рисунок 1), впрочем, сегодня пароувлажнителями оснащают и внутрирядные блоки.

Рисунок 1. Пароувлажнитель (белый бак в нижней левой части рисунка) в составе шкафного прецизионного кондиционера

Электродный пароувлажнитель работает по принципу изотермического увлажнения. В ёмкость с водой опущены два электрода – анод и катод. Протекающий ток способствует испарению воды, а полученный пар подмешивается к потоку воздуха, который подаётся в помещение.

Оценим влияние пароувлажнителей на энергоёмкость системы охлаждения.

Мощность пароувлажнителя расходуется на нагрев воды и её испарение. Таким образом, если у производителя в явном виде не указана потребляемая мощность увлажнителя, она может быть рассчитана вручную. Обычно такие устройства на испарение одного литра воды в час расходуют около 800 Ватт. Следовательно, электродный пароувлажнитель производительностью 8 литров в час будет потреблять 6,4 киловатта.

Увлажнители такой производительности предусматриваются в кондиционерах холодильной мощностью 30-70 киловатт, потребляемая мощность которых лежит в диапазоне от 8 до 25 киловатт. Такой анализ позволяет оценить, какой вклад увлажнитель вносит в общее энергопотребление системы кондиционирования. Он ощутимо увеличивает потребляемую мощность кондиционера – на 25-75% в зависимости от типоразмера.

Справедливости ради отметим, что не каждый кондиционер в ЦОД оснащается увлажнителем. Обычно – каждый второй или третий кондиционер. Плюс в одном из блоков может быть предусмотрен резервный увлажнитель.

Допустим, в машинном зале установлено 8 кондиционеров (6 рабочих и 2 резервных), потребляемая мощность каждого из которых составляет 20 киловатт. Общее энергопотребление системы считается только по рабочим блокам и поэтому составляет 120 киловатт. Мощность одного пароувлажнителя – 6,4 киловатта. Всего в помещении потребуется 2 пароувлажнителя общей мощностью 12,8 киловатт. Следовательно, пароувлажнители повышают энергопотребление системы охлаждения в данном примере на величину до 10%, что, конечно, не мало.

Особенности подключения пароувлажнителей

Пароувлажнитель не только потребляет воду для выпаривания, но и периодически сливает её. Слив воды выполняется как из почти пустого бака, когда концентрация солей в остатках воды слишком велика. Кстати, отслеживание этой концентрации происходит путем измерения силы тока в силовой цепи электродов. В зависимости от концентрации солей в воде меняется сила тока, что и позволяет понять, пора ли сменить воду.

Кроме того, слив воды производится при промывке и очистке бака и электродов в пароувлажнителе. В этом случае подача и отвод воды происходят одновременно. Таким образом, к любому пароувлажнителю должен подходить не только подающий водопровод, но и дренаж.

На подающем трубопроводе необходимо предусматривать отсечной кран и фильтр. Рекомендуется устанавливать ещё один кран после фильтра для того, чтобы была возможность промывки и замены этого фильтра. Если на объекте вода низкого качества, перед увлажнителем необходимо предусмотреть узел водоподготовки.

Рекомендуемые показатели состава воды для пароувлажнителей кондиционеров, например, Schneider Electric Uniflair приведены в таблице 1. Эти данные приведены исключительно в справочных целях. В каждом конкретном проекте следует запросить аналогичные сведения у выбранного производителя кондиционеров.

Таблица 1. Рекомендуемые показатели состава воды для пароувлажнителей кондиционеров Schneider Electric Uniflair

Отвод дренажа обычно выполняется полипропиленовыми трубами с уклоном в сторону канализации не менее 1 сантиметра на 1 метр трубопровода. На выходе из кондиционера необходимо предусматривать сифон (гидрозатвор).

О правилах расчёта и подбора пароувлажнителей читайте статью «Вестник УКЦ АПИК: Системы увлажнения для центров обработки данных» в журнале «Мир Климата» №74 (2012 год).

Адиабатное увлажнение в ЦОД

В помещениях, которые требуется одновременно охлаждать и увлажнять, адиабатное увлажнение кажется идеальным решением. Суть метода заключается в распылении воды в потоке воздуха. На испарение этой воды воздух будет тратить определенную энергию и, тем самым, охлаждаться. Параллельно с этим будет происходить его увлажнение.

Однако в машинных залах ЦОД установки адиабатного увлажнения массового применения не нашли ввиду опасности попадания влаги на вычислительное оборудование. Скорости воздуха в ЦОД достаточно велики, воздухообмен весьма интенсивный. Таким образом, где-то не успевшая вовремя испариться капля воды весьма быстро может оказаться в любой точке помещения, в том числе и на микросхемах дорогостоящего оборудования внутри серверных шкафов. Далее последует короткое замыкание со всеми вытекающими последствиями.

Зато установки адиабатного увлажнения нашли применение в системах свободного охлаждения, о которых речь и пойдёт ниже.

Косвенный фрикулинг с адиабатикой

Косвенный фрикулинг предусматривает охлаждение внутреннего воздуха непосредственно за счёт наружного без промежуточного теплоносителя и без устройства парокомпрессионного холодильного цикла (более подробно об установках данного типа читайте статью «Режим свободного охлаждения в центрах обработки данных» в журнале «Мир Климата», №110, 2018 год). Такое охлаждение работает тем эффективнее, чем ниже температура наружного потока воздуха. И здесь приходит на помощь адиабатное увлажнение.

Итак, в поток наружного воздуха встраивается секция адиабатного увлажнения. Она представляет собой установленные внутри воздушного потока трубки с форсунками. В трубки под давлением подаётся вода, при помощи форсунок она распыляется. Поток воздуха поглощает капли воды, испаряет их, при этом охлаждаясь. Поскольку поток наружного воздуха внутрь ЦОД не попадает,  ограничивать его влажность смысла нет. Чем сильнее увлажнится наружный воздух, тем более холодным он станет, и тем эффективнее будет происходить охлаждение ЦОД.

Ещё один вариант исполнения секции адиабатного увлажнения основан на поверхностном увлажнении. В потоке воздуха устанавливается смачиваемая поверхность. Касаясь её, воздух испаряет влагу, увлажняется и охлаждается. При этом на смачиваемый материал постоянно подаётся вода для поддержания его во влажном состоянии.

В последнее время на рынке появились гибридные или смешанные адиабатические увлажнители. Они объединяют в себе распылительное увлажнение и поверхностное испарения. Такие установки представляют собой установленные на некотором расстоянии секцию распыления и каплеуловитель. Причем задачей каплеуловителя является не отвод неиспарившейся воды в систему дренажа, а её доиспарение в потоке воздуха. Для этого каплеуловители изготавливают из специальных материалов, улавливающих воду и способствующих её испарению. Такие установки выпускает, например, компания Condair (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Установки гибридного адиабатического увлажнения компании Condair на выставке «МИР КЛИМАТА – 2019».

Кстати, у установок Condair есть ещё одно интересное конструктивное преимущество. Первые распылительные секции представляли собой жесткую конструкцию со статично установленными форсунками. Их регулировкой занимались на заводе, и клиенту поставлялся готовый вариант. 

Современные форсунки устанавливаются на гибкой подводке на металлическую сетку с квадратными ячейками. В процессе наладки вентустановки они могут быть перемещены в другие ячейки. Кроме того, форсунки могут изменять угол, под которым вода распыляется по отношению к направлению движения воздуха. Измерение влажности на выходе из секции увлажнения покажет, какое расположение форсунок наиболее эффективно. Таким образом, на объекте появляется возможность отрегулировать увлажнитель для вывода увлажнителя на наиболее эффективный режим работы. 

Выбор производительности адиабатического увлажнения при фрикулинге 

В установки косвенного фрикулинга может быть встроена секция адиабатного увлажнения различной производительности. От производительности зависят габаритные размер секции, количество форсунок, расход подаваемой воды, диаметр подводящего трубопровода и типоразмеры арматуры, которую необходимо предусмотреть на этом трубопроводе. Таким образом, для проектирования и установки систем косвенного фрикулинга необходимо произвести расчёт производительности секции адиабатического увлажнения. 

Целью данного расчёта является расход воды, который будет распыляться в поток воздуха, и этот расход зависит от того, как много влаги готов испарить наружный воздух. Как известно, относительная влажность воздуха не может превышать 100%, следовательно, при конкретной текущей температуре и влажности наружный воздух может впитать в себя различное количество влаги. Таким образом, первым шагом при расчёте секции увлажнения является изучение климата рассматриваемого региона на предмет наиболее часто встречающихся значений температуры и влажности для последующего расчёта количества влаги, которое сможет вобрать в себя наружный воздух.

Такой расчёт рекомендуется производить на основе почасовых данных о погоде, анализируя и осредняя полученные результаты. В рамках данной статьи мы выполним лишь один расчёт – для обеденного времени некоторого осреднённого летнего дня в Москве. В конце концов, именно в обеденное время летом для увлажнения наружного воздуха требуется наибольший расход воды.

Итак, предположим, в разгар дня при температуре воздуха +26°С относительная влажность составляет 50%. Влагосодержание такого воздуха составляет 10,5г/кг. Принимаем, что в секции адиабатного увлажнения возможно достижение относительной влажности 95%, то есть до влагосодержания 13,2г/кг. Требуемое изменение влагосодержания составляет 13,2 – 10,5 = 2,7г/кг или, учитывая плотность воздуха 1,2кг/м3, получим 2,7·1,2 = 3,24г/м3.

Допустим, расход наружного воздуха в установке косвенного фрикулинга равен 100 000 кубометров в час. Тогда требуемый расход воды составит 3,24 · 100 000 = 324 000 грамм воды в час или, учитывая плотность воды 1г/мл, 324л/ч. С учётом запаса 20% получим 390л/ч. Именно на этот расход следует подбирать увлажнитель, трубопроводы и арматуру.

Попробуем также оценить выгоду от применения косвенного фрикулинга. Адиабатическое увлажнение позволило понизить температуру наружного воздуха с +26°С до +19°С, что в свою очередь обеспечило температуру подаваемого воздуха в машинный зал ЦОД +21°С и позволило отказаться от энергозатратного парокомпрессионного  охлаждения.

По данным программы анализа климата (http://www.aboutdc.ru/weather_analise) имеем, что в Москве температура воздуха не превышает 26°С в течение 8580 часов или около 98% времени в году. Просто прямой фрикулинг работал бы до наружной температуры +21°С, то есть 8057 часов или 92% времени в году. Следовательно, применение адиабатики позволило расширить время работы фрикулинга более чем на 500 часов в году. Более подробные технико-экономические выкладки представлены в разделе «Основы технико-экономического анализа фрикулинга» в статье «Режим свободного охлаждения в центрах обработки данных».

Заключение

На сегодняшний день системы увлажнения в ЦОД применяются не только для поддержания влажности в машинном зале ЦОД, но и для увлажнения наружного воздуха в установках косвенного фрикулинга. В первом случае, как правило, речь идёт о шкафных кондиционерах с пароувлажнителями. Во втором – о секциях адиабатического пароувлажнения в воздуховодах перед тем, как наружный воздух охладит внутренний. 

Задача систем в обоих случаях одинакова – повысить относительную влажность воздуха. Но цель этого мероприятия различна. Контроль влажности внутри ЦОД необходим для поддержания оптимальных параметров микроклимата. А повышение влажности наружного воздуха применятся для увеличения эффективности установок свободного охлаждения, то есть для снижения энергопотребления ЦОД. Соответственно, различаются и методики расчёта и подбора таких увлажнителей.