Nowoczesne chłodzenie serwerowni i data center

Free cooling to technologia, która wykorzystuje do chłodzenia powietrze zewnętrzne o odpowiednio niskiej temperaturze, zamiast je schładzać za pomocą systemu sprężarkowego z czynnikiem chłodniczym.

Free cooling nie jest zupełnie „darmowym” chłodzeniem, ponieważ wymaga pracy wentylatorów.

W przypadku systemów chłodzenia z czynnikiem pośredniczącym pracują także pompy obiegowe. Niemniej zastosowanie free coolingu obniża zużycie energii elektrycznej i pozwala na spore oszczędności kosztów.

Najważniejszą kwestią dla projektanta jest rozstrzygnięcie poziomu temperatury wlotu powietrza. Żeby móc pracować na free coolingu przez jak najdłuższy czas w ciągu roku, powinna być ona jak najwyższa.

Z drugiej jednak strony delikatne elementy serwerów mają własne wymagania termiczne.

20 lat temu temperatura nawiewu dla CRAC‑ów (z ang. Computer Room Air Conditioner) wynosiła ok. 12°C, ale w elektronice stosuje się coraz nowsze elementy, bardziej odporne na wyższe temperatury, i obecnie mogą one pracować w przedziale od 18 aż do 27°C – taka jest rekomendacja ASHRAE TC9.9.

Teoretycznie free cooling bezpośredni jest bardziej efektywny od pośredniego, ale nie należy zapominać o kontroli temperatury i wilgotności powietrza. Powietrze dopływające do data center powinno być przefiltrowane, a jeśli jego temperatura jest za niska – zmieszane z powietrzem serwerowni. Powinien to zapewnić odpowiedni system sterowania. Sporym wyzwaniem jest też wilgotność powietrza. Konieczny jest dodatkowy system nawilżania i osuszania powietrza. Rozwiązania służące odpowiednio nawilżeniu lub osuszeniu mogą być kosztowne w eksploatacji.

Pośredni free cooling może być jedno- lub dwustopniowy.

Pierwszy z nich wymaga zastosowania wymiennika ciepła – przeciwprądowego lub obrotowego. Powietrze jest cyrkulowane wewnątrz data center, bez dopływu świeżego z zewnątrz. Zalety tego rozwiązania to wysoka efektywność i niezależność od jakości powietrza zewnętrznego, tzn. wilgotności oraz zanieczyszczeń.

Dodatkowo jednak trzeba system wyposażyć w elementy nawilżające i osuszające. Konieczne jest także zapewnienie układu mechanicznego chłodzenia na 100-proc. obciążenie.

Dwustopniowy pośredni free cooling złożony jest z dwóch wymienników.

Ciepło z serwerów odbierane jest przez wymiennik powietrze-glikol. Drugim stopniem jest oddanie ciepła na zewnątrz w drugim wymienniku i schłodzenie glikolu.

Dostępnym na rynku rozwiązaniem jest np. CRAC z dry coolerem lub wieżą chłodniczą.

Pierwsze rozwiązanie składa się z dodatkowego wymiennika free coolingu, a CRAC jest zlokalizowany w data center.

Zimą, przy niskiej temperaturze, dry coolery dostarczają do urządzeń CRAC zimną wodę bez wykorzystania układu sprężarkowego.

Gdy zrobi się cieplej, załączona zostaje sprężarka, działając równocześnie z free coolingiem.

Latem działa jedynie chłodzenie mechaniczne.

Dopóki dry cooler schładza wodę do temperatury niższej o ok. 5°C od temperatury powrotu wody w data center, system może tak funkcjonować. Zaletami tego typu dwustopniowego pośredniego free coolingu są wysoka efektywność chłodzenia, niezależność od warunków zewnętrznych i zapewnienie stałego wsparcia w postaci chłodzenia mechanicznego.

Chłodzenie ewaporacyjne

Innym rozwiązaniem pozwalającym na oszczędną eksploatację systemu klimatyzacji serwerowni jest chłodzenie ewaporacyjne.

Urządzenia zbudowane są z chłodzących paneli celulozowych, po których spływa woda.

Powietrze o wysokiej temperaturze i niskiej wilgotności jest zasysane przez panele, a tam poprzez kontakt z wodą schładzane. W zależności od modelu wydajność pracy może być regulowana poprzez zmianę prędkości obrotowej silnika.

Ważną cechą chłodzenia ewaporacyjnego jest to, że jego wydajność w dużej mierze zależy od wilgotności zasysanego powietrza. Im jest ona niższa, tym efektywniej można schłodzić powietrze – suche powietrze przyjmuje więcej wilgoci, a zatem można bardziej obniżyć jego temperaturę. Przykładowo przy względnej wilgotności powietrza 30% i temperaturze 25°C powietrze można chłodzić do 17°C.

Ponieważ nowoczesne systemy i urządzenia elektroniczne stosowane w data center są mniej wrażliwe na temperaturę i wilgotność, klimatyzacja ewaporacyjna może być z powodzeniem w takich miejscach stosowana.

Rozwiązanie w serwerowni polega na tym, że powietrze zasysane jest z zewnątrz pod podłogę serwerowni. Jeśli temperatura powietrza na zewnątrz jest niższa niż 18°C, miesza się je z powietrzem z serwerowni.

Powyżej 21°C uruchamiane jest chłodzenie ewaporacyjne, tak aby temperatura nawiewana do serwerów nie była wyższa niż 22°C. Zużyte powietrze wyrzucane jest na zewnątrz. W tym rozwiązaniu chłodzenie ewaporacyjne jest realizowane jedynie w ciepłych okresach, poza nimi nawiewane jest powietrze świeże z zewnątrz.

Dużą zaletą chłodzenia ewaporacyjnego są znaczące oszczędności na etapie eksploatacji.

Na całkowite koszty składa się zasilanie wentylatora oraz zużyta woda. Na 10 000 m³ strumienia powietrza i dla 430 h pracy w sezonie urządzenia z wentylatorem o mocy 680 W, przy średnim schłodzeniu o 7°C i średniej odczuwalnej mocy chłodniczej 25 kW, koszt eksploatacji nie przekracza 1 zł/h.

Średni koszt wytworzenia 1 kWh odczuwalnej energii chłodniczej jest przynajmniej pięciokrotnie niższy niż dla urządzeń sprężarkowych.

Ze względu na osiągane parametry dodatkowy system chłodzenia nie jest konieczny.

Jeden klimatyzator ewaporacyjny może schładzać serwerownie o mocy do 35 kW, jednakże zależy to także od wyposażenia i konstrukcji serwerowni.

Możliwość zabudowy modułowej pozwala osiągnąć wyższe wydajności chłodnicze.

Przy doborze systemu chłodzenia ewaporacyjnego serwerowni należy przede wszystkim uwzględnić takie czynniki, jak możliwe do osiągnięcia parametry – temperatura oraz wilgotność.

O ile w nowych serwerowniach chłodzenie ewaporacyjne może działać z powodzeniem, o tyle starsze urządzenia elektroniczne mają bardziej energochłonne wymagania. Jeżeli zaś chodzi o kurz, który jest sporym problemem w branży IT, specjalne filtry zapewniają odpowiedni poziom filtracji.

Serwerownie Google

Firma Google to międzynarodowy gigant w branży IT, który codziennie musi zapewnić odpowiednie warunki w swoich potężnych serwerowniach. Z serwerów Google korzystają dziennie miliony ludzi, więc system chłodzenia musi być przede wszystkim niezawodny.

Koszty utrzymania tak dużego data center są spore, dlatego inżynierowie firmy sięgnęli po rozwiązanie, które zapewni zarówno stabilność pracy serwerów, jak i możliwie tanią eksploatację systemu chłodzenia.

Google do klimatyzacji serwerowni zamiast wody wodociągowej stosuje ścieki. System korzysta w 30% z miejskich ścieków, które po oczyszczeniu trafiają do serwerowni.

W następnej kolejności ścieki kierowane są do oczyszczalni.

Dla jeszcze większego zmniejszenia zużycia energii do chłodzenia Google ma specjalny system, który na podstawie danych archiwalnych „uczy się” i dostosowuje działanie układu do aktualnych potrzeb, tak aby nie wystąpiły straty energii. Tym sposobem oszczędza 40% zużycia energii na chłodzenie serwerów.

Podsumowanie

Systemy chłodzenia centrów danych wymagają dużych nakładów energetycznych. Żeby je obniżać, wykorzystuje się rozwiązania korzystające z chłodzenia metodami możliwie naturalnymi, bez użycia sprężarki, np. free cooling lub chłodzenie ewaporacyjne.

Inni, korzystając ze sporego zaplecza specjalistów, wyznaczają trendy, wykorzystując do chłodzenia odpady, takie jak ścieki, czy systemy „uczące się”, czyli przewidujące zmiany zapotrzebowania na moc chłodniczą. Jest to droga, którą coraz więcej producentów – mających na to środki finansowe – zacznie podążać.

Literatura

1. Joniec W., Chłodzenie bez instalacji, czynników chłodniczych i sprężarek, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2016.
2. www.deepmind.com.
3. google.com.
4. gadzetomania.pl.
5. Materiały producentów szaf klimatyzacyjnych.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!