Свободное охлаждение для бизнес-центров и центров обработки данных: когда оно действительно работает

Свободное охлаждение часто представляют как почти бесплатный источник холода: «открылся наружному воздуху — и компрессоры можно выключать». На практике всё сложнее. Эффект сильно зависит от климата, схемы системы охлаждения, требований к температуре и влажности, а также от качества автоматизации. В холодных и умеренных климатических зонах доля времени, когда наружный воздух или наружная вода могут полностью или частично заменить работу холодильных машин, достигает значительных значений, что позволяет существенно снизить энергопотребление крупных офисных зданий и центров обработки данных.

В этой статье разберём, в каких климатах свободное охлаждение действительно выгодно, какие схемы применяются в бизнес-центрах и центрах обработки данных, какие риски нужно учитывать и как подходить к выбору решений на стадии проекта или модернизации.

Что такое свободное охлаждение простыми словами

Под свободным охлаждением понимают режим работы системы охлаждения, при котором холод наружного воздуха или низкая температура наружной воды используются для охлаждения теплоносителя (обычно воды или раствора гликоля) без или с минимальной работой холодильных машин. Иначе говоря, мы «перекладываем» часть работы с компрессоров на окружающую среду.

Основная идея:

• если наружная температура ниже температуры обратной воды, возвращающейся из системы кондиционирования или технического охлаждения, то можно охладить эту воду в наружном теплообменнике (сухой охладитель, градирня, теплообменник в приточной установке) и уменьшить или полностью отключить работу холодильной машины;
• в ряде случаев используется прямое свободное охлаждение: часть или весь приточный воздух для помещения берётся с улицы, проходя через фильтрацию и регулирующие устройства.

В крупных центрах обработки данных традиционное охлаждение может потреблять до сорока процентов всей электроэнергии объекта. Поэтому каждая часовая доля работы в режиме свободного охлаждения даёт прямую экономию и уменьшает углеродный след.

Основные схемы свободного охлаждения

Воздушное свободное охлаждение

Это решения, при которых наружный воздух непосредственно участвует в охлаждении помещения или рециркуляционного воздуха.

Варианты:

Прямое воздушное свободное охлаждение.
Наружный воздух после фильтрации подаётся в охлаждаемое помещение (офисные этажи или залы с оборудованием), а тёплый удаляется вытяжкой. Такая схема даёт максимальную энергоэффективность, но предъявляет жёсткие требования к:

• качеству наружного воздуха;
• допустимому диапазону температуры и влажности в помещении;
• системе фильтрации и увлажнения.

Косвенное воздушное свободное охлаждение.
Наружный воздух не попадает в помещения, а охлаждает рециркуляционный воздух или воду через теплообменник. Это снижает риск загрязнения воздуха в зале, но требует дополнительных теплообменников и вентиляторов.

Водяное свободное охлаждение

В водяных схемах свободное охлаждение реализуется через наружные теплообменники для воды или раствора гликоля:

• сухие охладители, устанавливаемые на кровле или рядом с зданием;
• открытые или закрытые градирни;
• внешние теплообменники, интегрированные с системой охлаждённой воды.

Когда наружная температура ниже температуры обратной воды, наружный теплообменник способен частично или полностью взять на себя функцию охлаждения, а холодильная машина либо работает с пониженной нагрузкой, либо полностью отключается.

Для центров обработки данных переход на наружное охлаждение охлаждающей воды способен снизить годовое энергопотребление системы охлаждения на 30–40 % при подходящем климате.

Свободное охлаждение с использованием грунта и скважин

Для офисных зданий и комбинации с системами отопления иногда применяют грунтовые или скважинные контуры, позволяющие использовать относительно стабильную температуру грунта для охлаждения воды в переходные сезоны. Такие решения ближе к системам геотермального охлаждения и требуют серьёзных геологических изысканий, но дают высокую энергоэффективность при правильной реализации.

Климатические условия: когда свободное охлаждение выгодно

Ключевые климатические параметры

Целесообразность свободного охлаждения оценивается по статистике погодных условий:

• распределение времени по наружной температуре по часам в течение года;
• параметры влажности и энтальпии воздуха, если планируется прямое или косвенное воздушное охлаждение;
• запылённость, наличие промышленных выбросов, морской соляной аэрозоль и другие факторы, влияющие на загрязнение фильтров и коррозию.

Для оценки потенциала чаще всего строят температурные диаграммы: сколько часов в году наружная температура находится в каждом интервале (например, от −10 до 0 °C, от 0 до +5 °C, от +5 до +10 °C и т. д.). Это позволяет понять, сколько часов в году возможно:

• полное свободное охлаждение (только наружный теплообменник);
• частичное свободное охлаждение (наружный контур в помощь холодильной машине);
• только механическое охлаждение.

Если сравнить климатические данные с допустимой температурой воды в контуре охлаждения и допустимыми параметрами воздуха в помещениях, можно достаточно точно оценить ожидаемую долю времени работы в режимах свободного охлаждения и экономию электрической энергии.

Холодные и умеренные климатические зоны

Для стран с холодным и умеренным климатом, включая значительную часть России и северных стран Европы, климатические условия особенно благоприятны. В этих регионах наружная температура в течение значительной части года ниже требуемой температуры охлаждающей воды и допустимого диапазона для приточного воздуха центров обработки данных, что позволяет использовать свободное охлаждение очень большую долю времени.

Тёплый и жаркий климат

В тёплом и жарком климате свободное охлаждение возможно либо в ночные и зимние часы, либо в косвенных схемах с более низкой температурой воды, но доля времени будет меньше, а экономический эффект — скромнее. Для центров обработки данных в таких условиях часто применяют испарительные и адиабатические решения, совмещая их с частичным свободным охлаждением.

Свободное охлаждение в бизнес-центрах

Цели и особенности офисных зданий

В бизнес-центрах система охлаждения решает две задачи:

• обеспечение комфортной температуры и влажности для людей;
• компенсация теплопритоков от оборудования, остекления, освещения.

Комфортный диапазон температур в офисах допускает умеренные колебания, а в нерабочее время уставки можно расширять. Это делает свободное охлаждение особенно привлекательным: можно использовать ночное охлаждение конструкций здания прохладным воздухом, снижая потребность в работе холодильных машин днём.

Воздушные схемы для бизнес-центров

Через системы вентиляции бизнес-центра можно реализовать:

• ночное продувание: в прохладное ночное время увеличивают приток наружного воздуха, охлаждая строительные конструкции и снижая температуру помещений к началу рабочего дня;
• сезонный режим максимального использования наружного воздуха в переходный и холодный период при соблюдении ограничений по влажности и качеству воздуха.

При этом необходимо тщательно рассчитывать шум, скорости воздушных потоков, предотвращать сквозняки и учитывать требования арендаторов к температурным режимам.

Водяные схемы в офисных комплексах

В офисных комплексах с центральной системой охлаждённой воды свободное охлаждение часто реализуется через сухие охладители или градирни, подключённые к обратной магистрали системы. При достаточно низкой наружной температуре вода напрямую охлаждается наружным контуром, а холодильная машина отключается или работает с минимальной нагрузкой.

Для зданий с большой установленной холодопроизводительностью это даёт значительные сезонные сбережения. В таких проектах важно правильно подобрать поверхность теплообменников и режимы управления, обеспечить устойчивую работу при частичной нагрузке.

Свободное охлаждение в центрах обработки данных

Специфика центров обработки данных

Центр обработки данных отличается от обычного офиса:

• тепловая нагрузка высока и действует круглогодично;
• вычислительное оборудование чувствительно к перегреву и резким колебаниям условий;
• требования к надёжности и отказоустойчивости крайне жёсткие.

Поскольку охлаждение может потреблять до сорока процентов всей энергии объекта, свободное охлаждение стало одной из ключевых стратегий повышения энергоэффективности центров обработки данных.

Прямое воздушное свободное охлаждение

Прямое воздушное свободное охлаждение в центрах обработки данных реализуется через приточные установки, которые подают наружный воздух в зал с оборудованием при подходящих условиях по температуре и влажности.

Преимущества:

• простота схемы;
• минимальное количество промежуточных теплообменников;
• максимальная возможная экономия.

Ограничения:

• необходимость сложной фильтрации и защиты от пыли, промышленных выбросов и коррозионно-активных веществ;
• жёсткие требования к контролю влажности, чтобы не вызвать конденсацию или накопление статического электричества;
• повышенные требования к системе автоматизации и резервированию.

Косвенное воздушное свободное охлаждение

При косвенном воздушном свободном охлаждении наружный воздух не попадает в зал с оборудованием. Он используется для охлаждения рециркуляционного воздуха или воды через пластинчатые, роторные или жидкостные теплообменники, иногда с адиабатическим увлажнением.

Преимущества:

• внутренняя среда зала лучше защищена от загрязнений и коррозионных факторов;
• проще поддерживать стабильную влажность.

Недостаток — дополнительные теплопередачи и оборудование, что немного снижает теоретическую экономию по сравнению с прямым вариантом, но на практике часто окупается повышенной надёжностью.

Водяные экономайзеры в центрах обработки данных

Во многих центрах обработки данных применяется схема с охлаждённой водой и водяным экономайзером:

• в холодный период вода охлаждается через градирню или сухой охладитель, а холодильные машины отключаются;
• в переходный период часть мощности берётся от наружного контура, остальное обеспечивает холодильная машина.

Такая схема хорошо масштабируется для крупных объектов и позволяет плавно переходить между режимами в зависимости от погоды и нагрузки.

Сравнение схем: энергоэффективность, расход воды, сложность

Энергосбережение

В центрах обработки данных с грамотно реализованным свободным охлаждением снижение потребления электрической энергии на охлаждение может достигать 30–40 % в холодном и умеренном климате. В отдельных случаях при благоприятных условиях и высоких температурах охлаждаемой воды сообщается о снижении потребления на десятки процентов вплоть до 90 % в отдельные часы.

Для бизнес-центров эффект обычно меньше, но в зданиях с большим объёмом охлаждённой воды и развитой системой автоматики экономия также может быть очень ощутимой.

Расход воды

Схемы с открытыми градирнями и испарительным охлаждением требуют воды для охлаждения и долива. Это создаёт дополнительную нагрузку на систему водоснабжения, требует водоподготовки и контроля за санитарной безопасностью. В регионах с ограниченными ресурсами воды или высокими тарифами на водоснабжение водяные схемы нужно оценивать особенно осторожно.

Сухие охладители и косвенные воздушные схемы практически не потребляют воду, однако имеют более высокую потребность в электрической энергии на работу вентиляторов и нуждаются в большей площади установки.

Сложность и стоимость

Свободное охлаждение в любом исполнении требует:

• дополнительных теплообменников и арматуры;
• развитой системы автоматизации с несколькими режимами работы;
• тщательно продуманной схемы резервирования.

Поэтому при выборе концепции необходимо оценивать не только экономию энергии, но и капитальные затраты, а также возможные риски для надёжности. На стадии проектирования полезно привлекать компании, которые комплексно занимаются системами охлаждения и вентиляции для коммерческих зданий и центров обработки данных, например специалистов компании «ЕвроКлимат».

Риски применения свободного охлаждения и способы их снижения

Климатические и погодные риски

Даже в холодных регионах бывают аномально тёплые зимы и многодневные периоды, когда свободное охлаждение работает не в полную силу. Если в расчётах завысить ожидаемую долю времени свободного режима, окупаемость может оказаться хуже ожидаемой.

Низкие температуры также несут свои риски: возможно обледенение наружных теплообменников, градирен, ламелей сухих охладителей. Это требует применения специальных алгоритмов управления, оттаивания и резервирования.

Риски для надёжности центров обработки данных

Для центров обработки данных любой отказ системы охлаждения может привести к серьёзным последствиям. Поэтому:

• системы со свободным охлаждением должны иметь продуманную и отработанную логику переключения между режимами;
• необходимо резервирование по мощности и по схемам охлаждения, чтобы выход из строя одного контура не приводил к остановке всего объекта;
• требуется регулярное тестирование автоматики и аварийных сценариев.

Санитарные и коррозионные риски

Использование наружного воздуха и воды создаёт дополнительные задачи:

• рост микроорганизмов в градирнях и на увлажняющих элементах требует регулярной обработки и контроля;
• загрязнённый наружный воздух при прямом воздушном свободном охлаждении может привести к коррозии элементов оборудования и стоек с электроникой, если фильтрация и контроль состава воздуха подобраны неправильно.

Проектные и эксплуатационные ошибки

Типичные ошибки:

• выбор схемы без полноценного анализа климата и режимов эксплуатации;
• отсутствие достаточного резервирования и обходных линий;
• экономия на системе автоматизации и датчиках;
• нерегулярное обслуживание фильтров, градирен, сухих охладителей и теплообменников, из-за чего реальная энергоэффективность падает.

Как понять, имеет ли смысл свободное охлаждение на вашем объекте

Алгоритм предварительной оценки

1. Собрать климатические данные по месту строительства или эксплуатации: температурные и влажностные распределения по часам за несколько лет.
2. Определить требования к параметрам воздуха и воды в здании или центре обработки данных: диапазоны температур и влажности, ограничения по качеству воздуха.
3. Подобрать кандидатные схемы: воздушное прямое, воздушное косвенное, водяное, комбинированные варианты.
4. Выполнить энергетический расчёт: оценить долю времени, когда каждая схема сможет работать в режиме полного или частичного свободного охлаждения, и сравнить потребление энергии с базовым вариантом.
5. Оценить капитальные затраты, расход воды и стоимость обслуживания для каждой схемы.
6. Проанализировать риски и требования по надёжности, в том числе сценарии отказов, возможность резервирования, требования к автоматизации.

Где свободное охлаждение особенно эффективно

Наиболее выгодно свободное охлаждение в:

• крупных бизнес-центрах и центрах обработки данных в холодных и умеренных климатах;
• объектах с круглогодичной стабильной нагрузкой по холоду;
• зданиях с современной автоматизированной системой управления инженерными системами.

Когда свободное охлаждение может не оправдаться

Менее целесообразно внедрение свободного охлаждения, если:

• объект расположен в жарком и влажном климате, где число часов подходящих условий невелико;
• нагрузки по холоду небольшие, а капитальные затраты на дополнительное оборудование высоки;
• отсутствует готовность инвестировать в качественную автоматику и сервис.

Свободное охлаждение не является универсальной панацеей, но в правильном климате и при грамотном проектировании превращается в мощный инструмент снижения эксплуатационных затрат и повышения экологической эффективности бизнес-центров и центров обработки данных.

Ключевые выводы:

• основной потенциал сосредоточен в холодных и умеренных климатических зонах, где значительную часть года наружная среда способна обеспечивать полный или частичный холод;
• выбор между воздушными, водяными и комбинированными схемами должен основываться на анализе климата, требований к параметрам воздуха и воды, а также на требованиях к надёжности;
• система свободного охлаждения обязательно должна сопровождаться развитой автоматикой, продуманным резервированием и регулярным профилактическим обслуживанием;
• экономическую выгоду необходимо подтверждать расчётами по конкретному объекту, а не ориентироваться только на общие цифры из рекламных материалов.