問題の条件は次のとおりです
建物のタイプ。 NORD-4はすぐに多階建てになるように計画されていました。データセンターの1階にはエネルギーセンターがあり、2番目と3番目に2016ラックシート用の8部屋があります。
冷却能力。 9000 kWのIT機器および関連するエンジニアリングインフラストラクチャから熱を除去するには、少なくとも10,000 kWの冷却能力が必要でした。
部屋の温度 。 機械室の冷たい廊下では、温度は23〜27°の間でなければなりません。 このような状況では、機器は安定して動作し、寒い廊下のエンジニアは風邪をひきません。
路上の気候条件。 プロジェクトの屋外温度は、建築基準（SNiP）から取得されます。 冬のモスクワ地方では、気温が–42°に下がり、暖かい季節には+37°に達します。
認証 データセンターは、Uptime Institute Tier IIIの基準（設計、完成した建物、運用プロセス）に従って認定される予定でした。 標準によれば、Tier IIIレベルのデータセンターでは、システムコンポーネントを中断せずにメンテナンスのためにオフにすることができます。 これは、各要素に少なくともN + 1のマージンがあることを意味します。
起動スケジュール。 データセンターは段階的な立ち上げを念頭に置いてすぐに構築されたため、すべてのシステムは、新しい容量の設置と試運転が既存の機械室に干渉しないように設計する必要がありました。
IT機器のタイプ。 NORD-4は商業データセンターです。徐々に、さまざまなラックで満たされます。 これは、エンジンルーム内のラックのレイアウトを厳密に修正できず、高温または低温の廊下を事前に隔離できないことを意味します。
冷却スキームの選択
実装されたチラー回路について説明する前に、いくつかの選択肢を検討しました。
直接膨張式エアコン（DX）。 この構成は、多くの場合、単にフレオンと呼ばれます。 機械室には、蒸発器、コンプレッサー、およびサーモスタットバルブを備えたキャビネットフロンエアコンがあります。 屋根の上またはデータセンターの建物の隣-コンデンサー付きの外部ユニット。 エアコンと外部ユニットは、銅フレオンコンジットで相互接続されています。
このスキームでは、エアコンは中間クーラント（水、空気）なしでエンジンルーム内の空気を直接冷却します。
フロン冷却回路の動作原理。
このシステムは5つのデータセンターで機能するため、使い慣れています。 チラースキームと比較して、多くの利点があります。設備投資の点で安価で、インストールが簡単で高速です。 すべてのエアコンは自律型であるため、システムをバックアップするには、適切な量の余分なエアコンを追加するだけで十分です。
これらの利点にもかかわらず、次の制限のためにNORD-4プロジェクトには適合しませんでした。
- フロンパイプラインの長さ：効果的な冷却のために、高さの差がある場合は水平方向に50メートルを超えないようにします。 複数階建てのデータセンターでは、これらの制限を満たすことは困難でした。
- 低エネルギー効率：長期的には、フレオン回路は同じチラーよりも収益性が低くなります。 フロン空調コンプレッサーには、オンとオフの2つの状態しかありません。 このようなスキームでは、コンプレッサーを実行せずに冷却する可能性はありません。つまり、屋外で寒いときでも冷却のための電力が消費されます。
京都冷却。 これは、自然空冷（自由冷却）を備えたデュアル回路回路です。 データセンターの空気は内部回路を循環し、街路の空気は外部回路に供給されます。 回転式熱交換器-復熱装置、または「ホイール」では、IT機器からの熱気が街路空気によって冷却されます。 京都の冷却では、街路温度が低い場合にコンプレッサー（自然冷却と同じ）を使用しません。
京都冷却の動作原理。
このオプションは、そのエネルギー効率で賄われています。フリークーリングモードでは、電気はファンモーターのドライブでのみ消費されます。 このスキームを使用するデータセンターは、最も低いPUEの1つである1.09〜1.13を誇ります。 チラースキームとは異なり、京都冷却は水なしで動作するため、漏れのリスクはありません。
同時に、京都の冷却システムは特定の建物計画要件を提示しました。
- すべての換気室を備えた熱交換器「ホイール」は多くのスペースを占有します。 実際には、別の技術室が必要であり、完成した建築プロジェクトに合わせるのは困難です。
- 空気の熱容量は小さく、大量の熱を伝達するには大きな空気ダクトが必要です。 ダクトの機能は廊下で実行できますが、これも建物の設計段階で提供する必要があります。
- 熱い廊下は機械室の中で断熱する必要があります。 これは、ラックのサイズがさまざまであり、ホールが徐々に満杯になると困難です。
- フィルターの追加費用。 ホイールに到達する街路空気はろ過する必要があります。そうしないと、ほこりがエンジンルームに落ちます。
横軸のある「ホイール」。
費用はかかりますが、システムは高価でした。 京都の冷却が街路の空気による冷却のみに対処するためには、街路は25°を超えてはいけません。 夏期には、「ホイール」に加えて、フル装備の冷凍機を購入する必要があります。 さらに、ソリューションは新しく、テストされていないため、このような大規模な施設で実験したくありませんでした。
チラーファンコイル。 別の代替案は、エチレングリコールと水に基づいた二重回路チラースキームでした。 非凍結エチレングリコール溶液を使用した外部回路は、チラーと熱交換器を接続します。 水を含む内部回路は、熱交換器からキャビネットのエアコンに行きます。 したがって、エンジンルーム内の空気は、水とエチレングリコール溶液である冷却剤を使用して冷却されます。
最初のデータセンターOST-1でも同様のスキームを使用しました。 寒い季節の自然冷却の可能性は、このスキームの主な利点です。 凍結すると、ファンとポンプのみが電力を消費します。 システムの最も「食いしん坊な」要素であるコンプレッサーはオフになっています。
チラー回路はNORD-4プロジェクトに最適なオプションのように見えました。 フロン回路のような制限にとらわれず、長期的にはエネルギー効率が向上しました。 京都冷却とは異なり、建物のレイアウトに特別なソリューションは必要ありませんでしたが、同時に自由冷却モードもサポートしていました。
機器の選択
チラー。 同様の技術的パラメーターを備えた機器のエネルギー効率と経済効率を分析しました：機器のコストと年間の推定エネルギー消費量から、最も安価なモデルと比較した価格差が省エネのためにどのくらい早く解消されるかを計算しました。 実際、CAPEXとOPEXを比較しました。 原則として、自動車の価格が高ければ高いほど、フリークーリングモードでの作業時間が長くなり、年間の消費電力が少なくなることがわかりました。 この比較のおかげで、高価なモデルの回収期間は安価なモデルに匹敵することがわかりました。
エマーソン、ユニフレア、シュトゥルツ、クリマベンタ、ハイレフ、アエルメック、クリマコア、クリヴェット、ヒテマ、クリント、フェロリなど、10社以上のベンダーの機器を見ました。 調査結果によると、公称冷却能力950 kWのStulz CyberCool-2チラーが、私たちの目的に最も適していることが判明しました。 チラーは「温かい」クーラントで作動します。チラーの出口でのエチレングリコールの温度は16°C、入口で-22°Cです。 通常、エチレングリコールの温度は+7および+12°Cです。
クーラントの温度が高いため、街路の空気による自然冷却が長くなります。 エチレングリコールが外気よりも暖かい場合、冷却システムはコンプレッサーをオンにせずに熱を除去します。
Stulz CyberCool-2チラーのエネルギー効率分析。
チラーは、路上で+6°よりも低温になると完全なフリークーリングモードに入り、温度が+6〜+19°の部分モードになります。 完全なフリークーリングでは、コンプレッサーがオフになり、ファンとポンプのみが電力を消費します。
チラーの冷却能力は、4速スクリューコンプレッサーのおかげで調整されています。 これらは4つのモードで動作し、パフォーマンスを変化させることができます：0、25、50、100％。 電力は、電子的に切り替えられるファンによっても調整されます。
チラーコントローラーは内蔵UPSから電力を供給されるため、データセンターの電源を切り替えても動作し続け、再起動に時間を浪費しません。
Chillers Stulz CyberCool-2。
エアコン。 チラーの場合と同様に、エアコンのより高価なモデルはよりエネルギー効率が高いことが判明しました。 その結果、Stulz ASD1000CWで発生しました。 計算によると、Stulzエアコンの高コストは、電子スイッチ付きのファンを使用することで1年以内に補償されます。
エアコンの入口の水温は18°C、出口の水温は24°Cです。 システム内のクーラントは高温であるため、エアコンは露点より上で動作するため、結露とそれに続く空気加湿に余分なエネルギーが費やされることはありません。
エアコンStulz ASD1000CW。
各エアコンは、2方向バルブで冷却能力を調整し、水の流量を変化させます（可変流量線図）。 より一般的な定流量方式では、エアコンは3方向バルブを使用して空気の温度を調整し、水の一部を熱交換器に、一部をバイパスに通します。 エアコンの出口で、流れが混合されます。 私たちのスキームでは、これは起こらず、戻り水の高温を維持することが判明しました。
可変流量では、ポンプはエアコンの入口で一定の圧力を維持します。 これに自動制御システムが続きます。
一定および可変の水流によるスキームの比較。
最終実装
各エンジンルームには14台、エネルギーセンターには4台のエアコンがあります。 冗長性スキームN + 1。
データセンターの屋上には14個のチラーがあります。 チラーグループは、機械室の立ち上げに応じて、4 + 3 + 4 + 3の4段階で取り付けられます。 各段階で、少なくともN + 1の予備力が維持されます：3 + 1、6 + 1、9 + 2、12 + 2。 これまでに、7つのチラー（6 + 1）がインストールされました。
システムの他のすべての要素を、エンジンルームの上の4階の技術センターの冷凍センターに配置しました。 ポンプ、貯蔵タンク、メインのシャットオフバルブと制御バルブ、中間熱交換器、冷却システムの水とグリコール回路の配管があります。 そのため、バルブの管理を簡素化し、機械室で床を降ろし、IT機器の近くの大規模な漏れから身を守りました。 技術フロアは防水され、24の緊急漏斗排水システムが装備されています。 事故が発生した場合、こぼれた液体はすべて、特別な貯蔵タンク内の地下室へのパイプを介して技術フロアから除去されます。 各エアコンには漏れセンサーが含まれており、独立した監視システムセンサーのネットワークもあります。
テクニカルフロア。
エチレングリコールの溶液を含む外部回路は、冷却器と熱交換器を接続します。温度が22°Cの温かいグリコールは冷却器に入り、16°Cに冷却されて熱交換器に入ります。 ポンプ、配管、熱交換器を備えた各チラーは、独立した冷却ユニットを形成します。 いずれかの要素に障害が発生すると、ノード全体が動作しなくなります。
チラー回路内の外部回路と内部回路の相互作用。
技術フロア全体を占める内部水回路は、熱交換器とエアコンを接続します：温度18°Cの水がエアコンに流れ、24°Cの水がエアコンから熱交換器に戻ります。
内部の輪郭には、合計46立方メートルの貯蔵タンクが用意されています。 m。チラーの運転中の休憩中（たとえば、 都市からディーゼルエンジンに切り替える場合 ）、これらのタンクは最大8分間システムの自律運転をサポートします。 それは一種の「途切れない冷却」であることが判明しました。
チラーと技術的な床のある屋根。
NORD-4のいずれかのフロアの内部回路のパイプライン。
結論
結果として生じる冷凍システムの主な利点は、その高いエネルギー効率です。 これは、次のソリューションのおかげで達成されました。
- 熱媒体の温度上昇-エチレングリコールと水。
- 内部水回路内のクーラントの可変流量。 このスキームにより、冷水と温水の混合がなくなります。 その結果、温水と冷水の温度差が大きくなり、自由冷却時間が長くなりました。
- キャビネットエアコンおよびチラーの電子スイッチ付きファン。
計算によると、データセンターの設計負荷がフルの場合、平均的な年間機械的PUE（「寒冷時」）は1.21以下になります。