Что такое фрикулинг

И как это работает

При проектировании, а порой и при эксплуатации систем кондиционирования для помещений, требующих круглогодичного охлаждения – электрощитовых, помещений с источниками бесперебойного питания и аккумуляторными батареями, небольших серверных и крупных центров обработки данных, промышленных площадок и производственных цехов с высоким уровнем теплоизбытков – неминуемо встает вопрос: нельзя ли в зимнее время года использовать для их охлаждения наружный холодный воздух? Именно такую возможность и открывает технология свободного охлаждения – фрикулинга (от англ. «Freecooling» – «свободное охлаждение»).  
В сети существует достаточно большое количество интересных статей посвящённых фрикулингу. Но вот практических рекомендаций, с привязкой к климатическим условиям конкретного региона, а тем более готовых решений для них, очень мало. Попробуем восполнить этот пробел.
Существует два основных вида фрикулинга – прямой и косвенный, их принцип действия отличается друг от друга и каждый имеет свои достоинства и недостатки.

Прямой фрикулинг

Схема прямого фрикулинга реализуется по принципу приточно-вытяжной установки. Холодный воздух забирается из внешней среды, фильтруется и подается в серверное помещение.
С первого взгляда к несомненным достоинствам подобного метода можно отнести относительно низкую стоимость реализации и простоту конструкции, поскольку часто вся схема представляет собой сборку из вентиляторов, фильтров, клапанов, заслонок с электроприводом и воздуховодов. Энергопотребление вентиляторов в таком случае будет на порядок ниже по сравнению с традиционными компрессорными фреоновыми кондиционерами.
Однако присутствует ряд существенных недостатков:
1. При использовании прямого фрикулинга при уличных температурах ниже + 10 град.С, необходимо предусматривать дополнительные меры по увлажнению воздуха до предусмотренных ASHRAE значений, а при отрицательных температурах, принять меры по защите от конденсата.
2. Стоимость системы фильтрации может оказаться очень высокой. Более эффективные фильтры (то есть задерживающие загрязняющие частицы меньшего размера), требуют применения более мощных вентиляторов, для обеспечения необходимой кратности воздухообмена.
3. Это увеличивает стоимость и повышает энергопотребление, за снижение которого и идет борьба.
Так как теплоёмкость воздуха относительно небольшая, требуется пробивка в наружных ограждающих конструкциях отверстий и прокладка приточно-вытяжных воздуховодов достаточно большого сечения.

Чиллер с фрикулингом

является, пожалуй, самой распространенных реализаций системы свободного охлаждения.
Достоинства:
– В зимний период и межсезонье позволяет практически полностью отказаться от использования компрессора.
– Система полностью автоматизирована, легко регулируется
– Система имеет достаточно компактные размеры.
Недостатки:
– Относительно высокая стоимость
– Возможность только комплексного монтажа оборудования. Все узлы монтируются еще на этапе строительства объекта и не могут быть дополнены после запуска системы охлаждения
– Возникшая неисправность какого-либо узла приводит к остановке всей системы
– Промежуточный теплообменник снижает КПД
– За редким исключением, расчётная температура теплоносителя чиллера составляет + 7 град.С, а значит, чиллер работает без включения компрессора при уличных температурах только от +3 град.С и ниже.
– Требует регулярного высококвалифицированного обслуживания и грамотной эксплуатации.

Использование воздушного рекуператора

Достоинства:
– Довольно высокий КПД, особенно на мощных ЦОД.
– Система способна эффективно работать при достаточно высоких температурах наружного воздуха.
Недостатки:
– Огромные размеры установок.
– Значительные капитальные вложения. Рентабельны на мощных ЦОД.
– В районах с очень низкими температурами возможно обмерзание рекуператора.
– Требуется пробивка в наружных ограждающих конструкциях отверстий и прокладка приточно-вытяжных воздуховодов достаточно большого сечения.
– Часть влаги в зимнее время выбрасывается на улицу, что требует постоянной работы увлажнителей.
– В тёплый период требует наличия компрессорного охлаждения.

Использование промежуточного теплоносителя
(вода, раствор этиленгликоля, пропиленгликоля и т.д.)

Система косвенного фрикулинга «ЭкоХолод»

с промежуточным теплоносителем

Анализ преимуществ и недостатков существующих систем охлаждения, опыта их эксплуатации в климатических зонах Зауралья, Сибири и северных регионах нашей страны, показал, что наиболее актуальными для данных климатических зон являются системы фрикулинга с промежуточным теплоносителем (заменяют компрессорное оборудование до 80% времени в году). Дополнение системы прямым фрикулингом, позволяет либо вообще исключить работу кондиционеров, либо сократить время их работы до 5% в год (в условиях Новосибирска). При этом срок окупаемости, только на одной экономии электроэнергии, составляет от 1,5 до 3-х лет, не говоря о сохранении ресурса фреонового оборудования и экономии на его обслуживании.

Система фрикулинга, получившая название “ЭкоХолод”, дополняет любую существующую, либо проектируемую фреоновую систему, мощностью от 7 до 120 кВт. по холоду. При необходимости удаления больших теплоизбытков, система легко масштабируется.

Применяя эту технику, в качестве охлаждающего агента используем совершенно бесплатный наружный воздух, а электроэнергию потребляют только вентиляторы и насос, что составляет от 3,5кВт. (при – 15С и ниже) до 22 кВт. (при + 22С) электроэнергии, на 100 кВт. холода. В результате, энергозатраты на производство холода составляют 5-30% от потребляемых холодильными агрегатами.

В упрощенном виде состав системы выглядит так: два теплообменника с вентиляторами, насосная установка и шкаф управления. Один из теплообменников установлен на улице, другой – в помещении серверной. Теплообменники соединены между собой трубами, по которым, с помощью насоса, циркулирует незамерзающий теплоноситель. Шкаф управления поддерживает заданную пользователем температуру, независимо от изменений нагрузки на серверную и изменений уличной температуры от – 60°С до + 10С – + 15°С. При дополнении системы блоком прямого фрикулинга, работающего от + 10С до +22С уличной температуры, диапазон расширяется от – 60С до + 22С.

К аналогичному решению пришли специалисты фирмы «Emerson», в одной из своих последних разработок.

В результате оптимально подобранных режимов, исключено выпадение конденсата на теплообменниках и пересушивание воздуха. Это даёт возможность холоду работать по своему прямому назначению – понижать температуру оборудования, а не осушать воздух. Соответственно сокращаются энергозатраты на работу пароувлажнителей, вплоть до их полного отключения.

Главные функции и возможности системы “ЭкоХолод”

Автоматизация

Автоматический выбор наиболее энергоэффективного режима работы:
1. Фрикулинг;
2. Фрикулинг и кондиционер;
3. Кондиционер.
Ротация для равномерного выработки их ресурса с задаваемым циклом ротации.(опционально)
Отключение при пожаре по сигналу с системы ОПС.

Удаленное управление

Полная настройка режимов работы фрикулинга.
Включение / отключение кондиционеров.
Диагностика работоспособности кондиционеров с автоматическим переключением на исправный кондиционер.(опционально)
Удаленное управление через интернет.

Мониторинг

Оперативный контроль состояния микроклимата в помещении.
Отображение параметров в виде графиков.
Сохранение данных мониторинга на компьютере.
Отображение аварийных состояний и неполадок.
Подсчёт времени наработки кондиционеров. (опционально)

Надежность

Система фрикулинга не имеет компрессора, проста, а значит очень надёжна.
Не имеет общих узлов со штатной системой (в отличии от чиллера с функцией фрикулинга), а значит обеспечивает 100% резервирование.
Высокое процентное содержание этиленгликоля позволяет без проблем запустить систему даже в – 60 С⁰.
Значительно увеличивается срок службы кондиционеров

Экономия

Окупаемость только на экономии электроэнергии – три года.
+ экономия ресурса фреонового оборудования
+ экономия на обслуживании
+ экономия на отсутствии необходимости увлажнения воздуха