В современную глобальную цифровую эпоху центры обработки данных — часто называемые «сердцем» информационного общества — неуклонно растут как в масштабах, так и в потреблении энергии. При этом системы охлаждения могут составлять от 30 до 40 процентов и даже более всего энергопотребления центра обработки данных. Как можно существенно снизить расходы на охлаждение и эксплуатационные затраты, одновременно обеспечив безопасную и стабильную работу оборудования? Пластинчатые теплообменники — эффективная и энергосберегающая технология охлаждения — всё чаще становятся незаменимым ключевым элементом современных решений по охлаждению центров обработки данных.

I. Воздушный охладитель: принцип действия и ключевые преимущества

Поверхностный охладитель, официально именуемый «воздухоохладителем поверхностного типа» или «воздушным теплообменником», работает на принципе циркуляции хладагента — как правило, охлаждённой воды либо водно‑этиленгликолевой смеси — по внутренним металлическим трубкам, обычно из меди или алюминия. Большая площадь теплоотдачи, обеспечиваемая стенками трубок и тесно прикреплёнными высокоэффективными оребрениями — часто выполненными из алюминия — позволяет осуществлять косвенный, чрезвычайно эффективный обмен sensible‑теплом с горячим воздухом, подлежащим охлаждению в серверном помещении центра обработки данных. По сравнению с традиционными системами охлаждения прямого расширения, такими как прецизионные кондиционеры, использующие хладагенты, поверхностные охладители обладают явными преимуществами в условиях применения в дата‑центрах.

1. Энергоэффективный и высокоэффективный: мощный инструмент для оптимизации PUE:

«Свободное охлаждение» обладает огромным потенциалом: в соответствующие сезоны или в регионах с благоприятным климатом, когда температура наружного влажного термометра опускается ниже заданного значения, охлаждающая вода низкой температуры, подаваемая из градирен или сухих охладителей — без включения чиллера — может циркулировать через воздушный теплообменник, обеспечивая охлаждение внутреннего воздуха дата‑центра. Таким образом достигается «свободное охлаждение» при практически нулевом потреблении энергии компрессорами, что существенно снижает годовое энергопотребление на охлаждение и заметно улучшает ключевой показатель энергоэффективности дата‑центра — PUE.

Высокоэффективный обмен sensible‑теплом: ориентированный на утилизацию «sensible‑тепла», выделяемого серверами — тепла, повышающего температуру, — этот подход позволяет избежать энергетических потерь, присущих традиционным системам кондиционирования, которые чрезмерно охлаждают для осушения воздуха и затем снова нагревают его, что обеспечивает более высокую энергоэффективность.

2. Повысить надёжность и стабильность системы:

Упрощение оборудования в серверной: воздушный теплообменник имеет относительно простую конструкцию, не содержит сложных движущихся частей — таких как компрессоры или дросселирующие устройства — и требует лишь небольшого количества хладагента; он устанавливается непосредственно на конечном узле системы кондиционирования помещения. Основные сложные компоненты холодильного цикла — чиллеры, градирни, насосы и т. п. — могут быть размещены централизованно за пределами серверной либо в отдельном техническом помещении, что позволяет сократить число потенциальных точек отказа и минимизировать риск утечек внутри помещения.

Удобство обслуживания: Ключевые операции технического обслуживания — такие как сервисное обслуживание чиллеров, очистка градирен и обработка воды — сосредоточены в наружном оборудовании, что минимизирует перебои в работе центра обработки данных и повышает уровень безопасности. При этом очистка самого воздушного теплообменника также относительно проста.

3. Повышение эффективности использования пространства и гибкости развертывания:

Катушка охлаждённой воды (например, в составе AHU или FCU) отличается компактной конструкцией, что позволяет устанавливать её непосредственно рядом с серверным шкафом — например, вблизи горячего коридора — либо интегрировать в верхнюю или боковую часть шкафа — например, для потолочного охлаждения. Это эффективно сокращает путь подачи холодного воздуха, минимизирует потери холодопроизводительности и освобождает ценное пространство на полу центра обработки данных. Модульная архитектура обеспечивает гибкое масштабирование в ответ на рост фактической тепловой нагрузки.

4. Хороший контроль влажности:

Воздушный теплообменник обеспечивает снижение температуры преимущественно за счёт физического теплообмена. В сочетании с системой точного управления параметрами окружающей среды он позволяет добиться более стабильного и точного регулирования влажности в центре обработки данных, предотвращая чрезмерное осушение или увлажнение и лучше соответствуя строгим экологическим требованиям современных серверов (в соответствии с рекомендуемыми диапазонами ASHRAE).

II. Основные сценарии применения чиллеров воздушного охлаждения в центрах обработки данных

1. Система охлаждённой воды:

Это наиболее распространённый режим эксплуатации. Чиллер производит охлаждённую воду — как правило, с температурой подачи 7 °C и возврата 12 °C, — которая насосом подаётся к испарительным змеевикам, установленным в машинном помещении.

Охлаждающие змеевики обычно встраиваются в компактные воздухообрабатывающие установки (ВОУ) или фанкойлы. Внутри ВОУ/фанкойла вентилятор заставляет тёплый воздух обтекать оребрённые трубки охлаждающего змеевика; тепло отводится охлаждённой водой, циркулирующей по змеевику, а охлаждённый воздух затем подаётся в кондиционируемое помещение.

Преимущества: отлаженная технология, высокая холодопроизводительность и высокая энергоэффективность — особенно в сочетании с частотными преобразователями для чиллеров и высокоэффективной технологией магнитной левитации — что делает её подходящей для центров обработки данных типа C среднего и крупного масштаба.

2. Система естественного охлаждения на основе этиленгликоля (энергосберегающая система с гликолем/система сухого охладителя):

В данной системе вместо градирни используется сухой охладитель (воздушный теплообменник). Раствор этиленгликоля с водой циркулирует между сухим охладителем и поверхностным охладителем, установленным в помещении оборудования.

Когда температура наружного воздуха достаточно низкая, осушитель‑охладитель использует холодный окружающий воздух для охлаждения раствора этиленгликоля; затем охлаждённый раствор напрямую подаётся в поверхностный охладитель для кондиционирования воздуха в дата‑центре, полностью обходя чиллерную установку (режим свободного охлаждения).

Когда наружная температура повышается и не способна полностью удовлетворить общую потребность в охлаждении, включается чиллер для обеспечения дополнительного охлаждения раствора этиленгликоля (режим смешанной работы).

Преимущества: исключает необходимость в воде для градирен, системах водоподготовки и проблемах с белым туманом, что делает его идеальным для регионов с дефицитом воды или объектов, предъявляющих строгие требования к качеству воды. Кроме того, он обеспечивает длительные периоды использования бесплатного охлаждения.

3. Экономайзер градирни:

Охлаждающая вода низкой температуры производится непосредственно с использованием градирни открытого типа. Когда температура воды на выходе из градирни достаточно низка — близка к температуре мокрого термометра — охлаждённая вода может подаваться либо напрямую, либо опосредованно через пластинчатый теплообменник в поверхностный охладитель для осуществления бесплатного охлаждения.

Когда температура воды на выходе из градирни повышается и перестаёт соответствовать требуемым параметрам, система переключается на чиллер для производства охлаждённой воды.

Преимущества: Свободное охлаждение обеспечивает наивысшую эффективность (поскольку температуры мокрого термометра обычно значительно ниже температур сухого термометра) и наибольший потенциал энергосбережения.

Примечание: Следует уделять внимание управлению качеством воды, профилактике и контролю риска легионеллёза, защите от зимнего промерзания, а также возможному появлению белого тумана.

4. Верхнее охлаждение (верхнее охлаждение/внутристойковые охладители):

Установите охладительный блок, включающий змеевик с охлаждённой водой, непосредственно над серверным шкафом или по обеим сторонам горячего коридора.

Рядом горячий воздух, отводимый из шкафов, забирается, охлаждается в поверхностном охладителе и затем непосредственно подаётся в холодный коридор или на сторону забора воздуха шкафа.

Преимущества: обеспечивает точное охлаждение в непосредственной близости от источника тепла, существенно сокращает пути движения воздуха, исключает смешение горячего и холодного воздуха и повышает эффективность охлаждения — особенно хорошо подходит для серверных шкафов высокой плотности.

III. Основные соображения при выборе и эксплуатации ребристых трубчатых теплообменников

Плотность теплового потока: Чёткое определение тепловой нагрузки (кВт) в оборудовательной комнате или зоне является основой для выбора оборудования.

Воздушный поток и перепад давления: выбирайте охладительную катушку, соответствующую производительности вентилятора, чтобы обеспечить достаточный воздушный поток и при этом удерживать перепад давления в допустимых пределах.

Температура воды и расход: определите проектную температуру подачи воды, температурный напор и требуемый расход на основе выбранной системы (охлаждённая вода/гликоль).

Параметры воздуха: чётко указать требования к сухому и влажному температурным показателям приточного воздуха, а также заданную температуру приточного воздуха.

Материалы и защита от коррозии: исходя из качества воды — особенно в системах с открытой циркуляцией — выбирайте коррозиестойкие материалы для трубопроводов (например, медные трубы) и покрытия оребрения (например, гидрофильную алюминиевую фольгу с антикоррозионной обработкой).

Удобство обслуживания: учитывайте возможность очистки теплообменной катушки (например, шаг оребрения не должен быть слишком мал) и конструкцию сливных отверстий, а также другие факторы. Управление качеством охлаждающей воды: даже в системах с замкнутым циклом требуется обработка воды для предотвращения коррозии, накипеобразования и роста микроорганизмов, что обеспечивает защиту трубопроводов и испарителей.

Контроль риска конденсации: необходимо точно регулировать температуру подачи охлаждённой воды (как правило, не ниже точки росы в помещении ЦОД) и расход воздуха, чтобы предотвратить образование конденсата на поверхности змеевика и его стекание. При необходимости устанавливают поддон для сбора конденсата и систему отвода стоков.

IV. Будущие тенденции и перспективы

По мере того как центры обработки данных развиваются в направлении повышения плотности, снижения PUE и усиления устойчивого развития, технологии воздушного охлаждения продолжают совершенствоваться:

Конструкции теплообменных поверхностей с более высоким КПД — такие как более сложные рёбра с гофрированием, рёбра с окнами и нанопокрытия — повышают теплоотдачу на единицу объёма.

Интеллектуальное управление: глубоко интегрировано с системой управления зданием (BMS) и на основе алгоритмов искусственного интеллекта динамически оптимизирует температуру воды, расход теплоносителя и воздушный поток в зависимости от текущей нагрузки и погодных условий, раскрывая дополнительный потенциал энергосбережения.

Синергетическое применение с жидкостным охлаждением: в гибридной системе охлаждения воздушные теплообменники обеспечивают отвод тепловых нагрузок в условиях центров обработки данных и в зонах с низкой плотностью тепловыделения, тогда как серверы повышенной плотности охлаждаются жидкостным методом, что позволяет достичь оптимального решения.

Применение новых экологически чистых рабочих жидкостей: изучение использования более экологически безопасных хладагентов в системах естественного охлаждения.

Заключение

Благодаря выдающимся показателям энергосбережения — в частности, возможности использования свободного охлаждения — высокой надёжности, гибкости развертывания и превосходному контролю влажности, поверхностный охладитель превратился в ключевой элемент современных архитектур систем охлаждения центров обработки данных. От крупных облачных ЦОД до серверных помещений корпоративного уровня, а также в рамках систем с холодной водой, различных стратегий естественного охлаждения и размещения непосредственно у источника тепла — сверху или в межрядном пространстве — поверхностные охладители играют решающую роль в обеспечении стабильной работы ИТ‑оборудования и существенном снижении углеродного следа центров обработки данных. По мере дальнейшего развития технологий и углубления детализированного управления поверхностные охладители несомненно останутся важнейшим элементом формирования более экологичного, интеллектуального и эффективного будущего центров обработки данных. Для операторов ЦОД, стремящихся оптимизировать эксплуатационные расходы и повысить энергоэффективность, глубокое понимание и эффективное внедрение технологий поверхностных охладителей — это обязательный путь к устойчивому развитию.