Основное преимущество гибридного решения, сочетающего сухую градирню и градирню замкнутого цикла

доля

Издатели: Sam Chang

Время выпуска: 2025/7/11

Резюме

В условиях высокого энергопотребления серверов, таких как майнинговые фермы и центры обработки данных с жидкостным охлаждением для ИИ, эффективность и стабильность систем охлаждения напрямую влияют на безопасность эксплуатации оборудования и эксплуатационные расходы. Несмотря на широкое использование традиционных градирен замкнутого и открытого цикла, их проблемы, связанные с высоким потреблением воды, склонностью к образованию накипи и сложностью обслуживания, становятся всё более заметными. Для решения этих задач мы провели обширные теоретические и практические исследования и разработали гибридное решение, сочетающее сухие градирни с градирнями замкнутого цикла. Ниже мы подробно проанализируем его основные преимущества, охватывая такие аспекты, как эффективность водосбережения, эффективность рассеивания тепла, экономические выгоды, экологическая адаптивность и гибкость системы. Интегрируя инженерные практики с термодинамическими принципами, мы демонстрируем его всестороннюю ценность для систем охлаждения в горнодобывающей промышленности.

Эффективность водосбережения: преодоление проблем с водными ресурсами

1. Логика ступенчатого охлаждения, обеспечивающая экономию воды: гибридное решение использует многоуровневую стратегию «предварительное охлаждение с помощью сухих охладителей + глубокое охлаждение с помощью градирен замкнутого цикла» для максимального использования преимуществ обоих методов охлаждения:

1.1 Сухой охладитель: Используя воздух в качестве единственной охлаждающей среды, с нулевым потреблением воды, он обрабатывает 60%-70% основной нагрузки по рассеиванию тепла, предварительно охлаждая циркулирующую среду (например, раствор гликоля) с высокой температуры (например, 45°C) до умеренной температуры (35°C-38°C).

1.2 Градирня замкнутого цикла: должна обрабатывать только оставшиеся 30–40 % высокотемпературной нагрузки и дополнительно охлаждать среду до целевой температуры (например, 28–30 °C) посредством испарения распыляемой воды (косвенный теплообмен).

Эффект экономии воды: Расход воды в закрытой градирне пропорционален нагрузке. Предварительное охлаждение в сухой градирне позволяет снизить потери воды от испарения в закрытой градирне на 60–70%. Например, при рассеиваемой мощности 1000 кВт:

Традиционная закрытая градирня: суточное потребление воды 12-15 м³ (испарение при полной нагрузке).

Гибридное решение: ежедневное потребление воды сокращается до 3–5 м³, что позволяет достичь уровня экономии воды 75–80%.

2. Адаптируемость к условиям регионов с высокими температурами и дефицитом воды: в крайне засушливых регионах (например, пустынях на Ближнем Востоке) гибридное решение дополнительно оптимизирует водосбережение за счет следующей конструкции:

2.1 Боковое распыление сухого охладителя: На воздухозаборнике сухого охладителя установлены распылительные форсунки высокого давления, которые используют небольшое количество воды (0,5–1 м³/день) для поглощения тепла за счет испарения, что снижает температуру воздуха на 5–8 °C и повышает эффективность сухого охладителя на 20–30 %.

2.2 Повторное использование оборотной воды в градирне замкнутого цикла: Оросительная вода из градирни замкнутого цикла повторно используется после осаждения и фильтрации для уменьшения объема подпиточной воды.

2.3 Данные случая: После внедрения гибридного решения на горнодобывающем объекте в Саудовской Аравии среднесуточное потребление воды сократилось с 18 м³ (традиционная градирня замкнутого цикла) до 4,2 м³, при этом температура щепы на горнодобывающей установке поддерживалась ниже 65 °C.

Эффективность рассеивания тепла: стабильная производительность в условиях высоких температур

1. Термодинамический синергетический эффект:

1.1 Сухой охладитель предварительно охлаждает воздух для снижения температуры на входе в градирню замкнутого цикла:

При температуре окружающей среды 45 °C сухой охладитель предварительно охлаждает циркулирующую среду с 45 °C до 35 °C. При этом разница температур теплопередачи (ΔT) закрытой градирни увеличивается с 10 °C (вход традиционной закрытой градирни 45 °C → заданное значение 35 °C) до 15 °C (вход 35 °C → заданное значение 20 °C), что приводит к повышению эффективности теплопередачи на 50 % (согласно формуле теплопередачи Q = U * A * ΔT).

1.2 Высокоэффективная компенсация испарительного охлаждения в градирнях замкнутого цикла:

Закрытая градирня, работающая на основе предварительного охлаждения сухим охладителем, обеспечивает дальнейшее снижение температуры за счёт испарения распыляемой воды (поглощения скрытой теплоты). Например, при температуре окружающего воздуха 45°C гибридное решение позволяет поддерживать температуру среды на выходе в диапазоне 28–30°C, тогда как автономный сухой охладитель может поддерживать её только в диапазоне 38–40°C.

2. Сравнение стойкости к высоким температурам: как показано на рисунке слева.

Вывод: Гибридное решение позволяет достичь 90% эффективности рассеивания тепла градирни замкнутого цикла, одновременно снижая потребление воды на 75%, и значительно превосходит независимую сухую градирню.

Экономия: преимущество в стоимости жизненного цикла

1. Баланс между первоначальными инвестициями и эксплуатационными расходами:

1.1 Первоначальные инвестиции: Гибридное решение требует конфигурации сухих охладителей, закрытых градирен и интеллектуальной системы управления, что приводит к затратам на 40–50 % выше, чем для одной закрытой градирни (например: инвестиции в систему мощностью 1000 кВт составят 280 000 долл. США против 200 000 долл. США для закрытой градирни).

1.2 Долгосрочная доходность:

Экономия воды: в регионах с высокими ценами на воду (например, на Ближнем Востоке, где стоимость воды > 5 долл. США/м³ ) гибридное решение может сэкономить 30 000–50 000 долл. США годовых расходов на воду.

Преимущества энергосбережения: сухой охладитель не потребляет энергию водяного насоса, а закрытая градирня снижает потребление энергии вентилятором и водяным насосом на 30–40 % за счет меньшей нагрузки, что обеспечивает ежегодную экономию затрат на электроэнергию в размере 15 000–20 000 долларов США.

Расходы на техническое обслуживание: сухие охладители не имеют проблем с образованием накипи, а башни замкнутого цикла сокращают частоту очистки на 50% из-за снижения нагрузки.

2. Расчет срока окупаемости инвестиций (на примере горнодобывающего предприятия на Ближнем Востоке):

Как показано на рисунке справа.

Вывод: гибридное решение может окупить дополнительные инвестиции за счет экономии воды и электроэнергии в течение пяти лет, при этом долгосрочные затраты будут значительно ниже, чем у градирни замкнутого цикла.

Адаптация к окружающей среде: надежная работа в экстремальных условиях

1. Динамическая адаптация температуры и влажности:

1.1 В условиях высокой температуры и низкой влажности (например, в пустынях):

Система распыления сухого охладителя полностью использует высокий потенциал испарения сухого воздуха, увеличивая эффективность охлаждения воздуха на 30%; градирня замкнутого цикла дополнительно снижает температуру за счет предварительного охлаждения, избегая узких мест при рассеивании тепла, вызванных высокими температурами.

1.2 В условиях высокой влажности (например, Юго-Восточная Азия):

Градирни замкнутого цикла по-прежнему могут рассеивать тепло посредством явного теплообмена (без использования испарения). Гибридное решение интеллектуально распределяет нагрузку, отключает систему орошения и отдаёт приоритет использованию градирен замкнутого цикла.

2. Устойчив к резким колебаниям температур:

2.1 Высокая дневная температура: Активируйте режим глубокого охлаждения закрытой градирни, чтобы гарантировать соответствие средней температуры стандарту.

2.2 Низкая температура ночью: используйте только сухую градирню и выключите градирню замкнутого цикла для экономии энергии и воды.

2.3 Пример из практики: На австралийском руднике было внедрено гибридное решение, в котором система автоматически переключает режимы в условиях суточного колебания температуры 25 °C (45 °C днем → 20 °C ночью), что позволяет сократить среднесуточное потребление воды на 70 %.

Гибкость системы: модульность и интеллектуальное управление

1. Возможность модульного расширения:

Стандартизированная конструкция контейнера с жидкостным охлаждением и группы градирен, обеспечивающая гибкое расширение в соответствии с масштабом горнодобывающей техники: один контейнер (500 кВт) стандартно оснащён одним сухим охладителем и одной градирней замкнутого цикла. Для каждого дополнительного контейнера требуется только один дополнительный модуль градирни, что снижает предельные затраты на расширение на 20%.

Пример из практики: Горнодобывающий объект во Внутренней Монголии был построен в три этапа с расширением мощности с 2000 кВт до 6000 кВт, при этом затраты на систему охлаждения увеличились всего на 45% (по сравнению со 100% дополнительными инвестициями, требуемыми при использовании традиционных решений).

2. Интеллектуальное распределение нагрузки: Динамическое управление алгоритмами:

Автоматически регулируйте соотношение нагрузки между сухими охладителями и градирнями замкнутого цикла на основе данных о температуре окружающей среды, влажности и нагрузке майнера в режиме реального времени.

Например:

При температуре ниже 30°С закрытая градирня отключается, и работает только сухая градирня.

При температуре выше 35°С включается закрытая градирня, которая работает с нагрузкой 40–50%.

Резервирование неисправностей:

В случае выхода из строя градирни замкнутого цикла сухая градирня может временно взять на себя 80% нагрузки (при этом часть охлаждающей мощности будет потеряна), что позволит не допустить остановки майнинговых установок.

Резюме: Основные преимущества гибридного решения

1. Максимальная экономия воды: потребление воды составляет всего 20–25 % от потребления градирни замкнутого цикла, что делает ее пригодной для пустынь и засушливых районов горнодобывающей промышленности.

2. Эффективное рассеивание тепла: двухступенчатое охлаждение обеспечивает среднюю температуру на выходе 28–30 °C в условиях высоких температур, что соответствует строгим требованиям к рассеиванию тепла чипов майнинговых машин.

3. Экономическая устойчивость: затраты на 25–30 % ниже, чем у градирен замкнутого цикла в течение 10-летнего цикла, а срок окупаемости инвестиций составляет менее 5 лет.

4. Адаптация к любым климатическим условиям: стабильная работа от пустынь до тропических лесов с интеллектуальной адаптацией к колебаниям температуры и влажности.

5. Эластичная архитектура: модульная конструкция поддерживает быстрое расширение, а интеллектуальное управление позволяет распределять ресурсы по требованию.

Приоритет сценария применения:

Предпочтительный выбор: средние и крупные майнинговые фермы с температурой окружающей среды >35 °C, стоимостью водных ресурсов >3 долл. США/м³ и плотностью мощности майнинга >15 кВт/шкаф.

Рекомендуемая конфигурация: объедините 1–2 контейнера с жидкостным охлаждением с 1 комплектом сухого охладителя + градирней замкнутого цикла, чтобы сбалансировать первоначальные инвестиции и долгосрочную окупаемость.

Заключение

Благодаря гибридному решению с использованием сухих охладителей и градирен замкнутого цикла майнинговые фермы и центры обработки данных с жидкостным охлаждением на базе ИИ могут достичь оптимального баланса между эффективностью рассеивания тепла и потреблением ресурсов в экстремальных условиях, обеспечивая надежную поддержку сценариев высокопроизводительных вычислений, таких как майнинг биткоинов и работа центров обработки данных.