Вода или электричество: размен, о котором не знают заказчики систем охлаждения

Градирня меняет электричество на воду: испаряя воду, она снижает температуру конденсации и потребление компрессоров. На дата-центре 5000 кВт схема с мокрой градирней тратит на 0,87 млн кВт·ч в год меньше сухих моноблоков с фрикулингом и берёт 63 тыс. м³ воды. При тарифе 10 ₽/кВт·ч размен выгоден, пока кубометр дешевле 138 ₽.

У нас заказчики по большей части не знают, что электроэнергию можно поменять на воду. Берут привычное, а потом удивляются счёту за электричество и отказу в мощности. На Западе этот выбор делают осознанно: посчитали и решили, какой ресурс дешевле.

Ниже — не техника градирни и драйкулера, а экономика размена для собственника: сколько киловатт-часов покупает кубометр, где точка равновесия, почему пик мощности весит больше годового счёта и как посчитать всё это для своего объекта.

Что такое размен воды на электричество?

Размен воды на электричество — это выбор способа отвода тепла: испарением воды в градирне или нагревом воздуха в сухом аппарате. Градирня тратит воду и экономит электричество. Драйкулер (сухой охладитель) и чиллер с воздушным конденсатором воду не тратят, но берут больше электричества.

Физика простая. Испарение килограмма воды уносит около 2,4 МДж тепла, поэтому градирня охлаждает воду до температуры мокрого термометра. Сухой аппарат упирается в сухой термометр, а в жаркий день средней полосы между ними 7–10 °C. Каждый градус температуры конденсации добавляет 1,8–4,0 % к потреблению компрессора.

Чем отличаются сами аппараты, я разобрал в статье градирня или драйкулер, а из чего складывается расход воды — в статье сколько воды расходует градирня. Здесь считаем деньги.

Сколько электричества и воды тратят разные схемы охлаждения?

Схемы с испарительным теплоотводом тратят меньше электричества, но берут десятки тысяч кубометров воды в год. Мы посчитали один объект: дата-центр с ИТ-нагрузкой 5000 кВт, средняя загрузка 70 %, Москва, работа круглый год.

Схема охлаждения	Электричество на охлаждение, млн кВт·ч в год	Вода, тыс. м³ в год	Пик электричества, кВт
Чиллеры без фрикулинга	10,22	0	1667
Моноблоки с фрикулингом, сухой теплоотвод	5,57	0	1667
Центробежный чиллер и мокрая градирня	4,70	63	1015–1130
Прямое охлаждение чипа, закрытая градирня	1,30	40	360–410

Честная пара для сравнения — моноблоки с фрикулингом и чиллер с мокрой градирней: обе схемы зимой охлаждают без компрессора. Разница между ними — 0,87 млн кВт·ч в год, это 16 % электричества сухой схемы. В эту разницу входит не только теплоотвод, но и тип компрессора: в мокрой схеме стоит безмасляный центробежный.

Схема без фрикулинга в России смысла не имеет, мы её не рассматриваем и даём только как базу. Прямое охлаждение чипа — отдельный случай: холодильной машины там нет совсем, а воды нужно меньше, потому что 3–5 месяцев в году закрытая градирня работает сухой.

Сколько стоит кубометр воды против киловатт-часа?

На дата-центре 5000 кВт каждый кубометр воды, испарённый мокрой градирней, экономит около 13,8 кВт·ч электричества по сравнению с сухими моноблоками с фрикулингом: 0,87 млн кВт·ч в год делим на 63 тыс. м³. Отсюда точка равновесия: размен выгоден, пока полная цена кубометра ниже тарифа, умноженного на 13,8.

Тариф на электричество, ₽/кВт·ч	Кубометр воды окупается, если стоит дешевле, ₽
5	69
7,5	104
10	138

В нашем расчёте вода вместе с реагентами стоит 70 ₽/м³, и это 4,4 млн ₽ в год. При тарифе 10 ₽/кВт·ч мокрая градирня экономит 8,7 млн ₽ электричества, чистый выигрыш — 4,3 млн ₽ в год. При воде 30 ₽/м³ выигрыш растёт до 6,8 млн ₽, при 150 ₽/м³ градирня проигрывает сухой схеме 0,75 млн ₽ в год.

В полную цену кубометра входят сама вода, водоотведение продувки и реагенты. Тариф на водоотведение отличается по регионам, его уточняют до расчёта. С учётом сервиса стоимость владения двух схем выходит 59,2 млн ₽ в год у моноблоков и 55,5 млн ₽ у чиллера с градирней: годовой счёт почти равный.

Почему пик мощности важнее годового счёта?

Пик мощности важнее, потому что за годовые киловатт-часы платят каждый месяц понемногу, а за пиковые киловатты — сразу, техприсоединением, и только если сеть их вообще даёт. Годовое потребление мокрая схема снижает на 16 %, а пик — на 32–39 %: с 1667 до 1015–1130 кВт.

Фрикулинг пик не снижает. Летом сухие моноблоки работают на компрессорах при сухом термометре, и присоединение считается по этому пику. Градирня летом работает по мокрому термометру, и пик ниже.

Разница в 537–652 кВт при техприсоединении 47 000 ₽ за киловатт — это 25–31 млн ₽ разово. Столько стоит вода мокрой схемы за 6–7 лет. В некоторых регионах киловатт присоединения стоит до 100 000 ₽, и тогда разница вдвое больше.

В Москве вопрос часто не в цене, а в наличии мощности. Дата-центры сегодня забирают около 1 ГВт, к 2028 году им нужно 3,1 ГВт, резерв мощности в 2026 году прогнозируют ниже 5 %. Здесь градирня иногда решает судьбу подключения объекта к сети. Почему рост ИИ упирается именно в мощность и отвод тепла, я разобрал в статье искусственный интеллект упирается в холод.

Почему Microsoft отказывается от испарения, а в России это не всегда правильно?

Microsoft отказывается от испарения, потому что на её площадках дефицитна вода, а в Москве и Петербурге в дефиците почти всегда киловатты. С августа 2024 года Microsoft проектирует новые дата-центры с замкнутым контуром без испарения. По её расчёту это экономит больше 125 млн литров воды в год на один объект, пилоты в Фениксе и Маунт-Плезанте — в 2026 году, ввод площадок — к концу 2027-го.

В заголовках об этом не пишут, но в том же сообщении Microsoft прямо признаёт: замена испарительного охлаждения механическим повысит PUE (отношение всей энергии ЦОД к энергии ИТ-оборудования). Дата-центр будет тратить больше электричества на те же вычисления.

Это не недостаток технологии, а размен. Отказались от испарения — выбрасываете то же тепло сухой поверхностью в горячий летний воздух. Выше температура конденсации, тяжелее компрессор, больше счёт.

Копировать мировой тренд стоит только после того, как подставили в формулу свои цифры: свой тариф, свой климат и свою температуру обратной воды. Для Аризоны вода — вопрос существования площадки. Для Москвы таким вопросом чаще становится мощность сети.

Когда выгоднее сухая схема без воды?

Сухая схема выгоднее, когда вода дорога или недоступна, объект небольшой или на площадке некому вести водоподготовку. Ниже 1000 кВт холода мокрая градирня экономически не оправдана: обвязка, подвод воды и служба эксплуатации не окупаются. Для такого объекта честнее и дешевле обычный чиллер.

Вторая причина — скрытая стоимость воды. Испарительной градирне нужны водоподготовка и биоконтроль против легионеллы. Установка водоподготовки стоит порядка 400 тыс. ₽, химия на ЦОД в 5 МВт — порядка 70 тыс. ₽ в год.

Это не те цифры, которые поражают воображение, но без них размен не работает: 0,3 мм биоплёнки на конденсаторе чиллера 1000 кВт стоят около 1 млн ₽ в год перерасхода электричества.

Между крайностями есть промежуточные решения. Адиабатический драйкулер распыляет воду только в жаркие часы: на 1300 кВт в Москве он берёт около 1,2 м³/ч и не больше 106 м³ в год, а испарительная градирня той же мощности — до 2,0 м³/ч тысячи часов в году. Закрытая градирня с оребрённым змеевиком летом работает мокрой, а в холод уходит в сухой режим и не берёт подпитку.

Мне, по большому счёту, всё равно, что выберет заказчик: мы делаем открытые и закрытые градирни, драйкулеры и чиллеры с фрикулингом. Наша номенклатура работает от Воркуты до Бангладеш, где на АЭС Руппур стоят наши закрытые градирни с оребрённым теплообменником. Поэтому могу прямо сказать: правильный ответ даёт расчёт, а не привычка.

Как посчитать размен воды на электричество для своего объекта?

Размен считают в две строки: годовую — электричество против воды, и разовую — пиковая мощность против цены техприсоединения. Порядок такой.

1. Посчитайте годовое электричество на охлаждение для сухой схемы и для схемы с градирней по сезонной эффективности, а не по паспортной точке.

2. Посчитайте годовой расход воды по профилю нагрузки и климату. Расчёт по летнему максимуму завышает годовую подпитку почти вдвое.

3. Соберите полную цену кубометра: вода, водоотведение продувки, реагенты.

4. Разделите сэкономленные киловатт-часы на кубометры и умножьте на тариф. Если цена кубометра ниже, градирня выгоднее в год.

5. Отдельно посчитайте разницу пиков, умножьте на цену киловатта присоединения и проверьте, даёт ли сеть эту мощность вообще.

Перед расчётом задайте проектировщику три вопроса. Что у вас в дефиците: киловатты или кубометры? Сколько часов в году площадка работает в тяжёлом режиме? Какую температуру воды терпит ваше оборудование?

Наш климат — недооценённое преимущество: большую часть года наружный воздух делает работу сам, и проблема живёт в тридцати жарких днях, а не в годовом балансе.

Другие способы снизить счёт за холод собраны в разделе «Энергоэффективность», а сравнение пяти схем для ЦОД с капитальными затратами — в статье охлаждение ЦОД: пять схем на 5000 кВт.

Что в итоге

1. Градирня меняет воду на электричество. На ЦОД 5000 кВт мокрая схема экономит 0,87 млн кВт·ч в год против сухих моноблоков с фрикулингом и тратит 63 тыс. м³ воды.

2. Кубометр испарённой воды на таком объекте экономит около 13,8 кВт·ч. При тарифе 10 ₽/кВт·ч градирня выгоднее в год, пока кубометр с водоотведением и реагентами дешевле 138 ₽.

3. Годовое потребление градирня снижает на 16 %, а пик мощности — на 32–39 %. Разница пиков стоит 25–31 млн ₽ техприсоединения разово.

4. Отказ от испарения, как у Microsoft, — осознанный размен воды на электричество. В Москве и Петербурге в дефиците чаще киловатты, чем кубометры.

Частые вопросы

Что выгоднее по деньгам: градирня или драйкулер?

Зависит от тарифа, цены воды и пика мощности. На ЦОД 5000 кВт при тарифе 10 ₽/кВт·ч мокрая градирня выгоднее, если кубометр воды дешевле 138 ₽, и дополнительно снижает пик на 537–652 кВт. На объектах меньше 1000 кВт холода выгоднее сухая схема.

Сколько воды тратит градирня дата-центра?

На ЦОД с ИТ-нагрузкой 5000 кВт схема с центробежным чиллером и мокрой градирней берёт около 63 тыс. м³ воды в год, схема прямого охлаждения чипа с закрытой градирней — около 40 тыс. м³. Сухие моноблоки с фрикулингом воды не берут.

Почему фрикулинг не снижает пиковую мощность?

Пик холодильного центра приходится на самые жаркие часы, когда фрикулинг не работает и вся нагрузка ложится на компрессоры. Поэтому у моноблоков с фрикулингом пик остаётся 1667 кВт, как у чиллеров без него, а техприсоединение считается по пику.

Можно ли получить экономию градирни без большого расхода воды?

Частично да. Закрытая градирня с оребрённым змеевиком в холод работает сухой, адиабатический драйкулер тратит воду только в жаркие часы. Это компромисс: воды меньше, электричества больше, чем у открытой градирни.

Источники

• Microsoft, Sustainable by design: Next-generation datacenters consume zero water for cooling, 9 декабря 2024 г.

• ASHRAE Handbook — HVAC Systems and Equipment, глава 40 «Cooling Towers».

• СанПиН 3.3686-21, глава XLII «Профилактика легионеллёза».

• Опыт и расчёты «Энергии холода»: дата-центр с ИТ-нагрузкой 5000 кВт, Москва, тариф 10 ₽/кВт·ч, вода с реагентами 70 ₽/м³.

Подобрать схему охлаждения под ваш объект — получить консультацию