Максимизируйте эффективность с помощью сухих градирен как систем естественного охлаждения

Максимизируйте эффективность с помощью сухих градирен как систем естественного охлаждения

Резюме

Температура охлаждающей жидкости относительно высока, а климатические условия благоприятны, что позволяет комплексно применять сухие градирни в качестве естественной системы охлаждения.

Максимизируйте эффективность с помощью сухих градирен как систем естественного охлаждения

При относительно высокой температуре охлаждающей жидкости и благоприятных климатических условиях сухие градирни в полной мере используются как естественная система охлаждения.

Сухая градирня V-типа
1. V-образная конструкция для простоты установки и экономии места.
2. Эффективный отвод тепла для предотвращения перегрева оборудования.
3. Специально разработан для промышленных систем охлаждения в центрах обработки данных.
4. Надежная и прочная конструкция для длительной эксплуатации.

Фон

В центрах обработки данных с жидкостным охлаждением, если температура охлаждающей жидкости относительно высока (например, при проектной температуре подачи 35–45 °C) и местные климатические условия благоприятны (например, низкая среднегодовая температура, значительные колебания температуры днем и ночью или сухой воздух), сухие градирни могут полностью заменить традиционные механические системы охлаждения, обеспечивая круглогодичное 100%-ное фрикулинг. Это решение обеспечивает значительные преимущества в плане энергосбережения, экономии воды и снижения затрат. Однако его осуществимость зависит от точного соответствия конструкции системы условиям окружающей среды. Ниже представлен подробный анализ и практическая стратегия внедрения.
детали охлаждающего змеевика

Логика адаптации высокой температуры воды и естественного охлаждения

Основное преимущество систем жидкостного охлаждения заключается в их способности работать при более высоких температурах охлаждающей жидкости (по сравнению с температурой подаваемой воды 7–12 °C в традиционных чиллерах), что значительно повышает эффективность использования свободного охлаждения. Например:
1. Конструкция высокотемпературного жидкостного охлаждения:
Установите температуру охлаждающей жидкости на подаче 40 °C, а на возврате — 45 °C. В этом случае сухой охладитель должен будет только охладить жидкость с 45 °C до 40 °C для повторного использования.
2. Порог температуры окружающей среды был расширен:
Если предположить, что минимальная эффективная разница температур (между хладагентом и воздухом) сухой градирни составляет 5°C, то она может работать при температуре воздуха ≤40°C. Эффективный отвод тепла достигается при температуре воздуха ≤35°C. По сравнению с традиционными чиллерами, диапазон рабочих температур сухой градирни расширен более чем на 20°C.
3. Случай:
В центре обработки данных в Норвегии используется система жидкостного охлаждения с температурой подачи 45 °C. В сочетании со среднегодовой температурой в этом районе 7 °C, сухой охладитель обеспечивает коэффициент использования естественного охлаждения 98% круглый год, что обеспечивает сверхнизкий коэффициент энергоэффективности (PUE) 1,08.

Ключевые аспекты оценки климатических условий

Система естественного охлаждения, полностью основанная на сухих градирнях, должна соответствовать следующим климатическим характеристикам:
1. Низкая температура сохраняется в течение длительного времени:
Ежегодное совокупное время с температурами ниже проектного верхнего предела сухой градирни (например, 35 °C) составляет более 95 % от общего времени.
2. Сухость воздуха:
В регионах с низкой относительной влажностью воздуха (например, <60%) сухие градирни демонстрируют более высокую эффективность теплообмена; в регионах с высокой влажностью их необходимо комбинировать с влажными прокладками или системами распыления.
3. Качество воздуха отличное:
Концентрация PM2,5 должна поддерживаться на уровне ниже 50 мкг/м³, чтобы предотвратить загрязнение ребер, что может привести к увеличению теплового сопротивления.
4. Типичные регионы применения:
4.1 Умеренно-континентальный климат: такой как в Северном Китае и районе Великих озер Северной Америки, где зимы холодные, а лето мягкое.
4.2 Альпийский климат: например, климат нагорья Юньнань-Гуйчжоу и Швейцарских Альп, где суточные колебания температур велики, а воздух чистый.
4.3 Засушливый пустынный климат: в таких регионах, как Ближний Восток и Северная Африка, несмотря на высокие дневные температуры, ночной радиационный охлаждающий эффект значителен, что делает их подходящими для интеграции с системами фазового перехода холодового хранения.

Стратегии оптимизации проектирования систем

1. Выбор и компоновка сухих градирен:
Увеличьте площадь теплообмена: используйте конструкцию из многорядных оребренных трубок (4–6 рядов), чтобы компенсировать уменьшение разницы температур, вызванное высокой температурой воды.
1.1 Управление вентилятором с переменной частотой: регулирует скорость вращения вентилятора в зависимости от нагрузки и температуры в режиме реального времени, что позволяет снизить потребление энергии в условиях частичной нагрузки.
1.2 Распределенное развертывание: Распределите модули сухого охладителя по периферии центра обработки данных, чтобы улучшить конвекцию за счет использования естественного ветра.
2. Оптимизация параметров систем жидкостного охлаждения:
2.1 Увеличьте температуру охлаждающей жидкости: в пределах допустимого диапазона температуры микросхемы (например, максимальная температура перехода процессора Intel составляет 100 °C) увеличьте температуру охлаждающей жидкости до 40–50 °C, чтобы расширить окно естественного охлаждения.
2.2 Регулировка динамики потока: интеллектуальный клапан управляет потоком охлаждающей жидкости в соответствии с колебаниями нагрузки ИТ, предотвращая чрезмерное рассеивание тепла.
3. Повышение устойчивости к изменению климата:
3.1 Компенсация холодового хранения в ночное время: в течение ночей с низкими температурами избыточное рассеивание тепла от сухой градирни используется для хранения энергии в холодильных резервуарах (например, в хранилищах льда или материалах с изменяемым фазовым состоянием), которые затем высвобождают охлаждающую способность в течение дня, чтобы справиться с кратковременными высокими температурами.
3.2 Гибридный режим «Сухой-влажный»: В периоды экстремально высоких температур летом можно на короткое время включить мокрую завесу или систему распыления, чтобы снизить температуру воздуха на входе на 3–5 °C, обеспечив непрерывную работу сухого охладителя.

Экономические выгоды и контроль рисков

1. Анализ затрат и выгод:
1.1 Экономия энергии: После отказа от компрессоров и градирен потребление энергии холодильной системой сокращается на 70–90%.
1.2 Экономия воды: При сохранении WUE на нулевом уровне годовая экономия воды на один шкаф может достигать 50 тонн по сравнению с традиционными системами водяного охлаждения.
1.3 Срок окупаемости инвестиций: Первоначальные инвестиции увеличиваются на 15–20 % (для расширения мощности сухих охладителей), но эксплуатационные расходы снижаются на 40–60 %, что обычно позволяет окупить дополнительные затраты в течение 3–5 лет.
2. Меры по снижению риска:
Проектирование избыточности: резервируйте 10–15 % мощности охладителя, чтобы справиться с экстремальными погодными условиями или внезапными скачками нагрузки.
2.1 Связь с метеорологическими данными: интеграция с локальной системой прогнозирования погоды для прогнозирования рисков высоких температур за 72 часа, запуская накопление льда или резервное копирование с помощью мокрой завесы.
2.2 Регулярное техническое обслуживание: очищайте ребра и меняйте фильтр каждый квартал, чтобы предотвратить накопление пыли и коррозию.

Практический пример: центр обработки данных с нулевым потреблением воды в Цинхае, Китай

Проект одного из суперкомпьютерных центров в Цинхае, расположенного в бассейне реки Цайдам (со средней годовой температурой 4°C и годовым количеством осадков <100 мм), включает в себя следующие особенности:
1. Система жидкостного охлаждения: температура подаваемой жидкости 50°C, с холодными пластинами, непосредственно контактирующими с графическим процессором для отвода тепла.
2. Конфигурация сухой градирни: 8 комплектов модулей из ребристых труб с общей мощностью рассеивания тепла 2 МВт, соединенных с фазовым переходом охлаждающего бака (заряжается ночью).
3. Эксплуатационные результаты таковы: 100% естественное охлаждение в течение года, PUE=1,05, WUE=0, при этом экономия воды эквивалентна защите экосистемы озера площадью 50 000 квадратных метров в год.

Будущая тенденция: выбор местоположения центра обработки данных с учетом климата

С развитием технологий сухих охладителей выбор местоположения центров обработки данных смещается от «ближе к пользователям» к «ближе к естественным источникам охлаждения». Например:
1. Центры обработки данных за Полярным кругом: используя экстремально холодный воздух -30 °C, сухие охладители могут обеспечить естественное конвективное рассеивание тепла без необходимости использования вентиляторов.
2. Подводный центр обработки данных: проект Natick компании Microsoft подтвердил возможность объединения подводных модулей с охлаждением морской водой, в то время как сухие охладители могли бы в дальнейшем заменить системы перекачки морской воды.

Заключение

Когда температура охлаждающей жидкости и климатические условия образуют синергетический эффект «высоких и низких температур», сухие градирни могут полностью удовлетворить потребности центров обработки данных с жидкостным охлаждением в естественном охлаждении, достигая конечной цели по рассеиванию тепла: нулевого потребления воды и практически нулевых выбросов углерода. Этот путь основан не только на технологических инновациях, но и требует интеграции климатических данных, характеристик нагрузки и устойчивости системы на этапе планирования, тем самым переопределяя границы устойчивого развития центров обработки данных в эпоху «двойного углерода».