Nadrzędnym celem każdego projektu zasilania i chłodzenia centrów danych jest zapewnienie maksymalnej niezawodności – wymagana jest nawet 99,99-proc. dostępność. A to wymaga systemów chłodzenia przygotowanych na różne temperatury powietrza zewnętrznego i gotowych na ewentualną rozbudowę. To energochłonność decyduje o kosztach eksploatacyjnych i są one bardzo wysokie.
Postęp techniczny w budowie procesorów sprawił, że mogą one pracować bardzo wydajnie w wyższych niż wcześniej temperaturach. Obecne zalecenia dla centrów danych dopuszczają temperatury powietrza nawiewanego w szerokim przedziale od 18 do 27°C i zakresie wilgotności od 30 do 70%. Serwery mogą pracować wydajnie w wyższych temperaturach, a powietrze powrotne może mieć temperaturę od powyżej 27 do nawet 40°C. Daje to szerokie pole do zastosowania różnych rozwiązań, jak np. free cooling i pośrednie chłodzenie wyparne wykorzystujące funkcje adiabatyczne, wodne systemy chłodnicze, chłodzenie mechaniczne i sprężarkowe oraz wysokosprawne systemy wykorzystujące wodę lodową.
Najmniej energii pochłania technologia chłodzenia bezpośredniego powietrzem zewnętrznym. Energia jest potrzebna na doprowadzenie powietrza do pomieszczenia, a to zadanie realizują wentylatory. Powietrze wstępne wymaga jednak uzdatnienia na filtrach i zapewniania odpowiedniej wilgotności, a czasami nawet podniesienia temperatury, co jest też energochłonne. Więcej energii zużyją pośrednie technologie chłodzenia powietrzem zewnętrznym. W rozwiązaniach tych układy wymagają również energii koniecznej do pracy pomp obiegowych w układzie wodnym, który odbiera ciepło z serwerowni i schładza ciecz w wymienniku owiewanym powietrzem zewnętrznym.
Free cooling ma jednak pewne ograniczenia – może być wykorzystywany w określonym przedziale temperatur zewnętrznych. Z tych powodów oferowane na rynku urządzenia do chłodzenia data center mają możliwość korzystania z różnych technologii, np. te z wodą lodową o temperaturze ok. 15°C są jednymi z najbardziej efektywnych we współpracy z free coolingiem. Dostępne są też urządzenia na wodę lodową o bardzo wysokich mocach chłodniczych, jednostki „dual cooling” z dwiema chłodnicami różnych typów zapewniające zwiększoną efektywność chłodzenia. Z kolei jednostki przeznaczone do współpracy z dry-coolerami zawierają jednocześnie układ bezpośredniego odparowania ze skraplaczem chłodzonym cieczą oraz rozwiniętą chłodnicą wodną, a to umożliwia pracę w trybach: chłodzenie z wykorzystaniem sprężarek, tryb mieszany free cooling + praca sprężarek oraz wyłącznie free cooling.
Kolejnym trendem na rynku jest modułowa konstrukcja systemów wykonawczych i sterowania. To bardzo ważne, gdyż centra danych są modernizowane i rozbudowywane. Zapewnienie inwestorom możliwości rozbudowy umożliwia przesunięcie w czasie nakładów inwestycyjnych i ich ponoszenie w miarę rosnących potrzeb. Ma to znaczenie także dla inwestorów potrzebujących rozwiązań do małych i dużych centrów danych. Efektywność chłodzenia zwiększa się również dzięki różnym rozwiązaniom nawiewu w szafach – np. nawiew rzędowy lub od dołu – oraz dzięki odpowiedniej architekturze ustawienia samych szaf w celu umożliwienia chłodzenia adiabatycznego.
Innym aspektem energetycznym chłodzenia centrów danych jest wykorzystanie energii odnawialnej – jeśli umożliwiają to lokalne warunki, można korzystać z wody z jezior i rzek oraz wody z odwadnianej kopalni, a także z wiatru. Spore możliwości daje również energia elektryczna z lokalnych instalacji PV (bezemisyjna i dostępna w ciągu dnia).
Przykład realizacji – Kao Data w Harlow
Uruchomione w 2018 roku centrum danych Kao Data w Harlow zlokalizowane jest w tzw. korytarzu innowacji między Londynem a Cambridge. Obsługuje głównie klientów pracujących w chmurze oraz sztuczną inteligencję, a także globalne przedsiębiorstwa informatyczne. Cały kampus ma powierzchnię 6 hektarów, 150 tys. m2 pomieszczeń technicznych i zapotrzebowanie na energię 40 MW w całości pokrywane z OZE. Obiekt ten gwarantuje 100-proc. dyspozycyjność i zdobył pierwsze miejsce w konkursie ASHRAE Technology Award 2020. Kampus danych Kao wykorzystuje pośrednie chłodzenie wyparne i powstał zgodnie z wiodącymi wytycznymi i standardami branżowymi, w tym ASHRAE TC9.9 i OCP „Ready” Facility, ma BREEAM Excellent oraz certyfikaty ISO 27001, 9001, 45001 i 14001. Paul Finch, dyrektor operacyjny w Kao Data, podkreśla, że rosnącemu zapotrzebowaniu konsumentów na centra danych pomagają wytyczne ASHRAE i możliwości free coolingu. Obiekt ten osiągnął bardzo niski współczynnik PUE (Power Usage Effectiveness), o wartości poniżej 1,2 nawet przy częściowym obciążeniu.
Przy wyborze technologii chłodzenia brano pod uwagę warunki lokalne – angielski klimat z umiarkowanymi temperaturami powietrza zewnętrznego. Zastosowanie free colingu nie było oczywiste, bo gdy inwestycja była planowana, nie było jeszcze wielu przykładów realizacji obiektów wykorzystujących tylko tę technologię. Wymagało to dużego zaufania inwestora do zespołu projektowego. W efekcie powstał system, który zapewnia elastyczność w kontrolowanym środowisku przestrzeni technicznej w centrum danych o mocy 8,8 MW na poziomie w pełni spełniającym wymagania gwarancyjne producenta serwerów.
Czytaj też: Instalacje klimatyzacji – wentylacji sal operacyjnych szpitali >>
W grę wchodziły nie tylko bardzo wysokie wymagania bezpieczeństwa i niezawodności centrum danych, ale również wymagania środowiskowe i dotyczące energii odnawialnej, a także kosztów eksploatacyjnych. Zasilanie jest w przypadku centrum danych największym kosztem operacyjnym, a systemy chłodzenia mają w tym wysoki udział, często większy niż energia zużywana do zasilania serwerów i innego sprzętu IT.
Z tych względów zdecydowano się na wyparne agregaty chłodnicze, które nie zużywają tyle energii co układy oparte na instalacjach chłodniczych sprężarkowych. Chłodzenie adiabatyczne połączono z dużymi płytowymi wymiennikami ciepła. W celu zapewnienia bezpieczeństwa i konserwacji data center zaprojektowano w pierwszym obiekcie układ z 13 jednostkami AHU Adia-DENCO. Konfiguracja taka umożliwia równoczesną konserwację, a także zapewnia wymaganą wysoką zdolność tworzenia kopii zapasowych w przypadku (mało prawdopodobnym) awarii jednostki. 13 AHU zapewnia wydajność chłodzenia netto 2,2 MW i przepływ powietrza 13,5 m3/s na jednostkę w centrum danych. Infrastruktura chłodnicza została zaprojektowana na różnicę temperatur 12 K.
Żeby zmaksymalizować przestrzeń wewnętrzną dla sprzętu IT, systemy chłodzenia montowane są na zewnątrz budynku. System instalowany jest wraz z amortyzatorami, osłonami i daszkiem chroniącym sprzęt przed warunkami atmosferycznymi. Przez instalację w ścianach zewnętrznych do urządzenia przedostaje się powietrze, które jest zawracane także przez ściany. Chłodzące wpływa od spodu urządzenia i przepływa do góry przez płytowy wymiennik ciepła. Powietrze powracające wchodzi do górnej części urządzenia i jest zasysane w dół przez płytowy wymiennik ciepła o przepływie krzyżowym. Jednostki wykorzystują wodę z odwróconej osmozy, co umożliwia kilkukrotne wykorzystanie tej samej wody do chłodzenia adiabatycznego. Redukuje to cykle spłukiwania i nie liczy się ich w godzinach, ale dobach – wystarczy raz na tydzień.
Literatura
- Materiały techniczne firm: Fast Group, FläktGroup, Schneider Electric.
- https://kaodata.com/about (dostęp: 5.10.2020).
- https://www.flaktgroup.com/en/references/kao-data-center/ (dostęp: 5.10.2020).
- https://tc0909.ashraetcs.org/documents/ASHRAE_TC0909_Power_White_Paper_22_June_2016_REVISED.pdf (dostęp: 5.10.2020).
- Thermal Guidelines for Data Processing Environments (Wytyczne cieplne dla środowisk przetwarzania danych), American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ed. 4, 2015.
| Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter! |
[bazy danych, centra danych, chłodzenie centrów danych, energia na chłodzenie, free cooling, systemy chłodzenia]
