Zur Klimatisierung von Rechenzentren werden am häufigsten zentrale Mehrzonensysteme mit Wasserkühlmaschinen (Chiller) installiert. Sie sind effizienter als Freon-Klimaanlagen, da das zwischen Außen- und Innengerät zirkulierende Kühlmittel nicht in einen gasförmigen Zustand übergeht und die Kompressor-Kondensator-Einheit des Kühlers erst dann in Betrieb geht, wenn die Temperatur auf ein bestimmtes Niveau ansteigt. Eine der grundlegendsten Fragen beim Entwurf eines Kühlsystems lautet: Welches Kühlmittel eignet sich am besten? Dies kann Wasser oder eine wässrige Lösung mehrwertiger Alkohole sein – Propylenglykol oder Ethylenglykol. Versuchen wir, die Vor- und Nachteile jeder Option zu verstehen.
Physik und Chemie
Aus Sicht der physikalischen Eigenschaften (Wärmekapazität, Dichte, kinematische Viskosität) gilt Wasser als optimales Kühlmittel. Darüber hinaus kann es bedenkenlos auf den Boden oder in die Kanalisation geschüttet werden. Leider wird Wasser in unseren Breitengraden nur in Innenräumen verwendet, da es bei 0 °C gefriert. Gleichzeitig nimmt die Dichte des Kühlmittels ab und das von ihm eingenommene Volumen nimmt zu. Der Prozess ist ungleichmäßig und kann nicht durch ein Ausdehnungsgefäß ausgeglichen werden. Die Gefrierbereiche werden isoliert, der statische Druck auf die Rohrwände erhöht sich und schließlich kommt es zum Bruch. Wässrige Lösungen mehrwertiger Alkohole weisen diese Nachteile nicht auf. Sie gefrieren bei viel niedrigeren Temperaturen, ohne lokale Herde zu bilden. Ihre Dichte nimmt bei der Kristallisation deutlich weniger ab als bei der Umwandlung von Wasser in Eis, was bedeutet, dass das Volumen nicht so stark zunimmt – selbst gefrorene wässrige Lösungen von Glykolen zerstören die Rohre nicht.
Sehr oft entscheiden sich Kunden für Propylenglykol, weil es ungiftig ist. Tatsächlich handelt es sich um einen zugelassenen Lebensmittelzusatzstoff E1520, der in Backwaren und anderen Lebensmitteln als feuchtigkeitsspeicherndes Mittel verwendet wird. Es wird in Kosmetika und vielen anderen Dingen verwendet. Wenn das System mit einer wässrigen Lösung von Propylenglykol gefüllt ist, sind keine besonderen Vorkehrungen erforderlich, der Kunde benötigt lediglich einen zusätzlichen Behälter zum Ausgleich von Leckagen. Schwieriger ist die Arbeit mit Ethylenglykol – dieser Stoff wird als mäßig giftig (Gefahrenklasse drei) eingestuft. Seine maximal zulässige Konzentration in der Luft beträgt 5 mg/m3, aufgrund seiner geringen Flüchtigkeit bei normalen Temperaturen können die Dämpfe dieses mehrwertigen Alkohols jedoch nur bei längerem Einatmen zu Vergiftungen führen.
Am schlimmsten ist die Situation beim Abwasser: Wasser und Propylenglykol müssen nicht entsorgt werden, aber die Konzentration von Ethylenglykol in öffentlichen Wassernutzungsanlagen sollte 1 mg/l nicht überschreiten. Aus diesem Grund müssen Besitzer von Rechenzentren in den Kostenvoranschlag spezielle Entwässerungssysteme, isolierte Behälter und/oder ein System zur Verdünnung des abgelassenen Kühlmittels mit Wasser einbeziehen: Sie können es nicht einfach in den Abfluss spülen. Die Wassermengen zur Verdünnung sind hundertmal größer als die Mengen des Kühlmittels, und ein Verschütten auf den Boden oder Boden ist äußerst unerwünscht – giftiger mehrwertiger Alkohol muss mit großen Mengen Wasser abgewaschen werden. Allerdings ist der Einsatz von Ethylenglykol in modernen Klimaanlagen für Rechenzentren auch durchaus sicher, wenn alle notwendigen Vorkehrungen getroffen werden.
Wirtschaft
Wasser kann im Vergleich zu den Kosten für Kühlmittel auf Basis mehrwertiger Alkohole als praktisch kostenlos angesehen werden. Eine wässrige Propylenglykollösung für ein Chiller-Fan-Coil-System ist ziemlich teuer – sie kostet etwa 80 Rubel pro Liter. Unter Berücksichtigung der Notwendigkeit, das Kühlmittel regelmäßig auszutauschen, ergeben sich beeindruckende Mengen. Der Preis einer wässrigen Lösung von Ethylenglykol ist fast halb so hoch, muss aber auch in die Schätzung der Entsorgungskosten eingerechnet werden, die allerdings ebenfalls relativ gering sind. Es gibt Nuancen im Zusammenhang mit der Viskosität und der Wärmekapazität: Kühlmittel auf Propylenglykolbasis erfordert einen höheren Druck, der von der Umwälzpumpe erzeugt wird. Im Allgemeinen sind die Kosten für den Betrieb einer Anlage mit Ethylenglykol deutlich geringer, weshalb trotz einer gewissen Toxizität des Kühlmittels häufig diese Option gewählt wird. Eine weitere Möglichkeit zur Kostensenkung ist der Einsatz eines Zweikreissystems mit Wärmetauscher, bei dem in Innenräumen normales Wasser mit positiver Temperatur zirkuliert und eine nicht gefrierende Glykollösung die Wärme nach außen überträgt. Der Wirkungsgrad eines solchen Systems ist zwar etwas geringer, die Mengen an teurem Kühlmittel werden jedoch deutlich reduziert.
Ergebnisse
Tatsächlich haben alle aufgeführten Optionen für Kühlsysteme (mit Ausnahme der reinen Wasserkühlung, die in unseren Breitengraden nicht möglich ist) eine Daseinsberechtigung. Die Wahl hängt von den Gesamtbetriebskosten ab, die im Einzelfall bereits in der Entwurfsphase berechnet werden müssen. Das Einzige, was Sie niemals tun sollten, ist, das Konzept zu ändern, wenn das Projekt fast fertig ist. Darüber hinaus ist ein Kühlmittelwechsel nicht möglich, wenn bereits mit der Installation der technischen Systeme des zukünftigen Rechenzentrums begonnen wird. Werfen und Qualen verursachen erhebliche Kosten, daher sollten Sie sich ein für alle Mal für eine Wahl entscheiden.
Source: habr.com