Для охлаждения того или иного объекта может быть применено несколько видов систем кондиционирования. На этапе концептуального проектирования рассматривается каждая из них. Помимо технических характеристик в ход идут цены на оборудование, стоимость монтажа, а также стоимость эксплуатации данной системы – так формируется стоимость владения объектом за определённый период времени. Исходя из полученной цифры делается выбор в пользу той или иной архитектуры системы кондиционирования. Данная процедура получила название технико-экономического обоснования.

Технико-экономическое обоснование (ТЭО) следует проводить абсолютно для каждого объекта, который планируется к постройке или реконструкции. На практике периодически встречается типовая конфигурация объекта, и решение о том, какую систему кондиционирования следует применить для его климатизации, принимается на основе предыдущего опыта. В таких случаях ТЭО не проводится.

Однако если речь идёт о большом и сложном объекте или же о применении некой новой технологии, проведение ТЭО является обязательным. В последние годы такая ситуация весьма часто возникает в области строительства центров обработки данных (ЦОД).

Дело в том, что отрасль ЦОД относительно молодая и притом быстроразвивающаяся. Появление новых веяний в вопросах охлаждения ЦОД, таких как применение прецизионных кондиционеров, повышение температуры в машинном зале, повышение температуры холодоносителя и других рекомендаций, требуют их детального анализа хотя бы на бумаге, прежде чем они будут внедрены.

Кроме того, за прошедшие годы сильно изменилось отношение к ЦОД с чисто строительной точки зрения. Ранее дата-центры размещали в существующих зданиях, и зачастую эффективные решения не могли быть внедрены ввиду естественных архитектурных ограничений – низкой высоты потолков, отсутствием технического этажа и по другим причинам.

В последние годы всё чаще под ЦОД строится новое здание. В процессе проектирования нового здания становится возможным учесть все необходимые архитектурные требования. А у разных систем кондиционирования, как известно, разные требования. Возникает вопрос, какие именно требования учитывать? Ответ – смотря какую систему кондиционирования использовать, а это, в свою очередь, зависит от результатов ТЭО. Таким образом, сегодня технико-экономическое обоснование играет важную роль в строительстве ЦОД и выполняется в первую очередь – до выполнения каких-либо проектных и уж тем более монтажных работ.

Что такое технико-экономическое обоснование и какова его цель

Технико-экономическое обоснование в строительстве – это основной документ, в котором проводится анализ различных вариантов реализации проекта с точки зрения их целесообразности, стоимости, сроков реализации, затраченных ресурсов и других параметров.

В более узком понимании  технико-экономическое обоснование относится к одной из подсистем объекта, в нашем случае – системы кондиционирования. В рамках ТЭО проводится анализ вариантов построения системы, подбор основного оборудования, оценка его закупочной стоимости, стоимости монтажа и эксплуатации в перспективе нескольких лет (в идеале – на период предполагаемого срока службы объекта). На основе полученных цифр делается вывод, какой вариант системы кондиционирования наилучшим образом и за наименьшие средства отвечает потребностям заказчика.

Как правило, технико-экономическое обоснование занимает десятки страниц и содержит массу графиков, таблиц и схем. В рамках данной статьи будет приведен краткий вариант технико-экономического обоснования, основной задачей которого является выбор системы охлаждения для центра обработки данных мощностью 700 киловатт. Будут рассмотрены две системы охлаждения – классическая система на базе чиллеров и косвенный фрикулинг с адиабатным увлажнением наружного потока воздуха.

Об устройстве этих систем и подходах к их проектированию рассказано в прошлых материалах рубрики «Кондиционирование ЦОД»: «Кондиционирование ЦОД среднего размера» (журнал «МИР КЛИМАТА, №106, 2018 год), «Режим свободного охлаждения в центрах обработки данных» (журнал «МИР КЛИМАТА, №110, 2018 год). Причём при описании фрикулинга говорилось о необходимости проведения технико-экономического обоснования его применения и были даны основы проведения такого обоснования. Здесь мы более внимательно сконцентрируемся на этом вопросе.

Корни проблемы

Система охлаждения ЦОД является наиболее энергоёмкой среди прочих инженерных систем дата-центра. Её мощность, как правило, составляет 30-50% от мощности ИТ-стоек. Такое положение дел, очевидно, не устраивает владельцев ЦОД.

Если ЦОД корпоративный, то затраты на его охлаждение – суть ежемесячные счета за электроэнергию, то есть регулярные расходы на его содержание, которые следует минимизировать.

Если же ЦОД коммерческий, то у владельца, как это часто бывает, есть определённый лимит по мощности. В его интересах снизить потребляемую мощность систем охлаждения, чтобы при той же подведённой мощности установить больше ИТ-стоек, которые впоследствии будут сданы в аренду. Таким образом, в коммерческом дата-центре излишние затраты энергии на охлаждение – это недополученная прибыль по основному источнику доходов.

Классическая система охлаждения крупного ЦОД представляет собой чиллерную систему, обычно двухконтурную. В наружном контуре роль холодоносителя играет водный раствор гликоля, во внутреннем контуре циркулирует чистая вода. Внутренние блоки – это водяные прецизионные кондиционеры.

Такая система является весьма энергоёмкой, так как для её реализации в чиллере установлены мощные компрессоры. Кроме того, для циркуляции холодоносителя в наружном и внутреннем контурах предусматриваются насосы. Наконец, для охлаждения ИТ-стоек во внутренних блоках устанавливаются достаточно мощные вентиляторы. Общая потребляемая мощность чиллерной системы охлаждения обычно задаёт верхнюю планку вышеуказанного диапазона в 30-50% от мощности ИТ-стоек.

Столь высокая потребляемая мощность делает необходимым поиск менее энергозатратных решений и анализ экономической правомерности их применения. Для этого и выполняется технико-экономическое обоснование.

Порядок выполнения ТЭО

Подготовка технико-экономического обоснования применения фрикулинга в ЦОД включает несколько этапов:

• Анализ погоды и длительности работы режима фрикулинга

• Расчёт потребляемой мощности чиллерной системы и фрикулинга

• Подбор оборудования и расчёт стоимости каждого из решений

• Расчёт эксплуатационных затрат

• Расчёт периода окупаемости

• Оценка результатов ТЭО и выбор системы

Анализ погоды и длительности работы режима фрикулинга

Первой ступенью оптимизации классической чиллерной системы является применение чиллеров со встроенным режимом фрикулинга или же установка драйкулеров параллельно чиллерам, чтобы в зимнее время охлаждать холодоноситель за счёт обдува наружным воздухом без задействования энергоёмких компрессоров. Такой режим охлаждения называют энергосберегающим.

Для оценки эффекта от применения энергосберегающего режима охлаждения следует знать максимальную температуру наружной среды, при которой он способен поддерживать функционирование ЦОД, и обратиться к статистике погоды для рассматриваемого региона.

Предположим, температура холодоносителя в наружном контуре составляет 7/12°С, и его охлаждение в драйкулерах возможно при температуре наружного воздуха до +2°С. На базе статистических сводок, например, для Москвы, получим, что  температура воздуха не превышает +2°С в течение 40% времени в году (http://www.aboutdc.ru/weather_analise). Таким образом, 40% времени в году будет работать энергосберегающий режим, а 60% - обычный режим охлаждения с использованием компрессоров.

Вторая ступень оптимизации – внедрение режима свободного охлаждения по принципу косвенного фрикулинга. Предположим, температура подаваемого в ЦОД воздуха должна составлять не менее 24°С. Это возможно при наружных температурах до 20-21°С. Такая температура наблюдается в Москве в течение 92% времени в году.

Наконец, ещё одна ступень оптимизации – внедрение адиабатического увлажнения воздуха в установке косвенного фрикулинга. Здесь следует обратиться к ID-диаграмме влажного воздуха (см. рисунок 1). Предположим, адиабатическое увлажнение позволяет получить на выходе воздух с относительной влажностью 95%, а максимальная приемлемая температура составляет 21°С. Точка с такими параметрами характеризуется энтальпией 60 кДж/кг (красная линия на рисунке 1). Наружный воздух с энтальпией выше этого значения, а также слишком сухой и горячий наружный воздух наблюдается в Москве менее чем в 2% случаев. Таким образом, установка косвенного фрикулинга с адиабатическим увлажнением наружного воздуха будет работать 98% времени в году.

Рисунок 1. Зона чистого фрикулинга и фрикулинга с фреоновыми доводчиками на ID-диаграмме (для наружного воздуха).

Расчёт потребляемой мощности чиллерной системы и фрикулинга

Расчёт потребляемой мощности чиллерной системы и фрикулинга выполняется путем суммирования всех потребителей энергии в системе охлаждения. Важно помнить, что система охлаждения подбирается на полные теплоизбытки дата-центра, включая теплопритоки от вентиляции, источников бесперебойного питания, электрощитовых, щитов автоматики и прочего оборудования.

В чиллерной системе потребителями энергии являются чиллеры, насосы наружного контура, насосы внутреннего контура, вентиляторы внутреннего блока. Во фрикулинге в период работы, собственно, фрикулинга – вентилятор наружного и внутреннего воздушного контуров, насос в системе адиабатического увлажнения. Если же режим свободного охлаждения не позволяет в достаточной степени охладить воздух, дополнительно подключаются резервные (обычно –фреоновые) охлаждающие блоки. Потребляемая ими мощность суммируется с ранее найденной потребляемой мощностью установки свободного охлаждения.

Особенности расчёта теплоизбытков в ЦОД и методики подбора кондиционеров были разобраны в прошлых статьях рубрики «Кондиционирование ЦОД»: «Кондиционеры для охлаждения ЦОД» (журнал «МИР КЛИМАТА, №108, 2018 год), «Подбор кондиционеров для ЦОД» (журнал «МИР КЛИМАТА, №109, 2018 год) и будут опущены в рамках данной статьи. Здесь мы приведём лишь итоговые цифры для  ЦОД мощностью 700 киловатт (см. таблицу 1).

Таблица 1. Сводная таблица энергопотребления различных систем охлаждения ЦОД в различных режимах.

Итак, осредненная потребляемая мощность чиллерной системы без фрикулинга составляет 394 кВт, чиллерной системы с фрикулингом – 286 кВт, косвенного фрикулинга с адиабатикой – 68 кВт. Чтобы наиболее наглядно оценить преимущества (или недостатки) фрикулинга, дальнейший расчёт будем вести для двух видом системы охлаждения – чиллер без фрикулинга и косвенный фрикулинг с адиабатикой.

Подбор оборудования и расчёт стоимости каждого из решений

Укрупненные позиции, которые подлежат подбору и определению стоимости закупки и монтажа, приведены в таблице 2. Как следует из таблицы, стоимость чиллерной системы составляет 54,6 млн. руб., а системы охлаждения на базе установки косвенного фрикулинга с адиабатикой – 77 млн. руб.

Таблица 2. Стоимость систем охлаждения на базе чиллера без фрикулинга и установки косвенного фрикулинга с адиабатикой.

Расчёт эксплуатационных затрат

Расчёт эксплуатационных затрат сводится к определению стоимости потреблённой электроэнергии, потреблённой воды и сервисного обслуживания климатического оборудования за один год функционирования системы обеих типов.

Проще всего определить величину последнего слагаемого – стоимость сервисного обслуживания климатического оборудования. Её нужно просто запросить у поставщика этого оборудования (см. таблицу 3).

Таблица 3. Стоимость годового сервисного обслуживания систем охлаждения на базе чиллера без фрикулинга и установки косвенного фрикулинга с адиабатикой.

Стоимость электроэнергии рассчитать сложнее, поскольку она различается в зависимости от региона, подведенной мощности, напряжения и времени дня. В частности, на территории Москвы тарифы определяет АО «Мосэнергосбыт», и эти тарифы различны для предприятий с подведенной мощностью до 670 кВт, до 10 МВт и свыше 10 МВт; чем выше подведённая мощность, тем ниже стоимость электроэнергии. Пригодный для расчёта диапазон определяется по расчёту общей электрической нагрузки объекта, включая энергопотребление ИТ-оборудования, системы охлаждения и прочих инженерных систем, а также вспомогательных помещений и обслуживающих их инженерных систем.

В зависимости от напряжения электросети тарифы делятся на 4 категории: до 1кВ, до 20 кВ, 35 кВ и 110 кВ. Чем выше напряжение, тем ниже тариф. Однако подключение высокого напряжения требует капитальных затрат на устройство трансформаторных подстанций.

В зависимости от времени суток тарифы делятся на тарифы с двумя и с тремя зонами суток, соответственно, ночная и дневная или ночная, полупиковая и пиковые зоны. Также на стоимость влияет вид договора с поставщиком электроэнергии. Наконец, все рассмотренные вариации тарифов меняются ежемесячно, о чём публикуются соответствующие сведения на сайте АО «Мосэнергосбыт».

Для нашего расчёта примем стоимость 1 кВт·ч электроэнергии в размере 4 рублей. Стоимость электроэнергии за 1 год эксплуатации чиллерной системы без фрикулинга составила 13,8 млн. руб., а косвенного фрикулинга с адиабатикой – 2,38 млн. руб (см. таблицу 4).

Таблица 4. Стоимость электроэнергии за 1 год эксплуатации систем охлаждения на базе чиллера без фрикулинга и установки косвенного фрикулинга с адиабатикой.

Стоимость водоснабжения зависит от региона. В частности, в Москве она определяется АО «Мосводоканал» и может весьма ощутимо меняться в зависимости от района, если речь идёт о Новой Москве. В рамках данного расчёта мы будем исходить из стоимости 1 м3 воды, равной 42,16 рублей (тариф для Москвы с НДС).

Стоимость водоснабжения может быть рассчитана по формуле:

, где:

• 31,5 – коэффициент, равный 3600 с/ч · 8760 с/год ÷ 1000 г/кг; служит для приведения размерностей;

• N – холодильная мощность установки, кВт;

• с – теплоёмкость воздуха, с=1,005 кДж/(кг·°С);

• Δt – разность температур входящего и исходящего потоков воздуха, °С;

• Δd – разность влагосодержаний до и после адиабатного увлажнения воздуха, г/кг;

• k – коэффициент, определяющий длительность работы увлажнителей в году, безразмерный;

• cost – стоимость 1 м3 воды, руб.

Для рассматриваемого примера примем: N = 800 кВт, Δt = 15°C, Δd = 5 г/кг. Ранее при анализе погоды было выявлено, что фрикулинг без адиабатики будет работать 92% времени в году, следовательно увлажнение должно происходить оставшиеся 8% времени в году. Таким образом, k=0,08. Итого получим:

Данное значение заносим в таблицу 5.

Таблица 5. Стоимость водоснабжения за 1 год эксплуатации систем охлаждения на базе чиллера без фрикулинга и установки косвенного фрикулинга с адиабатикой.

Данные из таблиц 3, 4 и 5 сводятся в таблицу 6, откуда следует, что годовые затраты на эксплуатацию чиллерной системы без фрикулинга составят 16,5 млн. руб., а косвенного фрикулинга с адиабатикой – 6,8 млн. руб. Разница для рассматриваемого объекта составляет порядка 10 млн. руб. – это и есть та самая выгода, ради которой выбор делается в пользу фрикулинга.

Таблица 6. Годовые затраты на эксплуатацию систем охлаждения на базе чиллера без фрикулинга и установки косвенного фрикулинга с адиабатикой.

Расчёт периода окупаемости

После того, как определены капитальные и эксплуатационные затраты, становится возможным оценить стоимость владения объектом в течение некоторого срока. Стоимость владения за N лет определяется путём суммирования капитальных затрат на устройство системы и стоимости эксплуатационных затрат, умноженной на N. На период в 10 лет расчёт представлен в таблице 7.

Таблица 7. Расчёт совокупной стоимости владения объектом на период до 10 лет.

Из таблицы видно, что капитальные затраты на косвенный фрикулинг ощутимо выше, нежели на чиллерную систему. Однако за счёт меньшей величины эксплуатационных затрат совокупная стоимость владения при фрикулинге становится меньше, чем при чиллерах, уже по итогам третьего года эксплуатации. Таким образом, срок окупаемости инвестиций составляет менее 3 лет (около 2 лет и 1 месяца). По итогам 10 лет выгода составит почти 80 млн. руб.

Окупаемость инвестиций за 2-3 года – это очень хороший показатель. Окупаемость за 5-7 лет –приемлемый показатель. Окупаемость около 10 лет представляется достаточно большой, и, как результат, это повод дополнительно взвесить все «за» и «против».

Оценка результатов ТЭО и выбор системы

В рассмотренном примере вывод очевиден – ввиду малого срока окупаемости инвестиций на устройство энергоэфффективной системы охлаждения классической чиллерной системе следует предпочесть установку косвенного фрикулинга с адиабатным увлажнением наружного воздуха.

Некоторые аспекты проведения ТЭО

Проводя технико-экономический анализ, особенно если речь идёт об устройстве дата-центра в существующем здании, следует убедиться, что устройство фрикулинга в принципе возможно. От приведённых теоретических выкладок не будет никакого толка, если габаритную установку косвенного фрикулинга физически негде разместить, если невозможно проложить воздуховоды, сечение которых измеряется квадратными метрами, если нет возможности сделать вертикальные шахты требуемого сечения.

Далее, результаты ТЭО сильно зависят от региона строительства, цен на электроэнергию, стоимости реализации каждой из подсистем, возможных скидок, которые даёт поставщик оборудования и сервисная организация. Любой из этих параметров может кардинально изменить результаты ТЭО.

Ещё один момент – вышеприведённый пример ТЭО охватывает только систему охлаждения ЦОД. Безусловно, для реального объекта следует проводить полноценный ТЭО для всего объекта в целом. Дело в том, что инженерные системы ЦОД взаимосвязаны. От того, какая будет принята система электроснабжения, зависят теплоизбытки, влияющие на выбор оборудования для охлаждения объекта, и результаты ТЭО могут скорректироваться.

Наконец, в начале статьи поднимался вопрос о том, что отношение к потребляемой мощности различно в корпоративных и коммерческих ЦОД.

Предположим, подведенная мощность к объекту составляет 1,2 мегаватта. Её вполне достаточно для чиллерного охлаждения (700 кВт ИТ-оборудования плюс примерно 100 кВт других энергопотребителей, включая потери энергии в источниках бесперебойного питания, плюс  394 кВт энергопотребление чиллерной системы, итого 1194 киловатт).

Однако высвобождение 394 – 68 = 328 кВт электроэнергии за счёт перехода на косвенный фрикулинга означает возможность их использования для установки дополнительного количества ИТ-стоек. Если для отвода 700 кВт тепла от ИТ-стоек потребляемая мощность системы охлаждения составила 68 кВт, то для отвода 328 кВт потребляемая мощность системы охлаждения составит 32 кВт. Если мощность ИТ-стойки принять равной 7 кВт, то оставшейся энергии (328 – 32 = 298 кВт) хватит на дополнительные 42 ИТ-стойки.

При средней стоимости аренды стойки около 60 000 рублей в месяц получим дополнительную прибыль в размере 2,5 млн. руб. в месяц или 30 млн. руб. в год. Эту цифру нельзя в полном объёме добавить в качестве дополнительной прибыли за каждый год функционирования ЦОД с фрикулингом, поскольку заполнение ЦОД не будет мгновенным, и реализация этой прибыли растянется во времени. Для приведения ситуации в практическое русло применяют поправочный понижающий коэффициент.

Одновременно с этим устройство системы свободного охлаждения занимает много места ввиду массивности самих установок и воздуховодов. Значит, для реализации системы должен быть построен дополнительный этаж и шахты, выполнены иные архитектурные требования. Эти затраты также следует учесть при проведении ТЭО в масштабах всего объекта.

Заключение

Технико-экономическое обоснование применения фрикулинга в ЦОД – процесс сложный и многогранный. Ответ, полученный при анализе одной только системы охлаждения, может быть запросто опровергнут при учёте других факторов, не связанных напрямую с ней (например, установке дополнительных стоек благодаря высвобожденной электрической мощности). Таким образом, расчёт должен проводиться для всего объекта с учётом региона строительства, цен а энергию, ценовой политики вендоров и других факторов. Основа такого расчёта была приведена в данной статье.