Szafy klimatyzacji precyzyjnej w nowoczesnych centrach danych

Dynamiczny rozwój branży IT, elektroniki, technologii oraz telekomunikacji, który można zaobserwować w ciągu ostatnich lat, stał się motorem napędowym dla rozwoju specjalistycznych urządzeń wentylacyjno-klimatyzacyjnych. Konieczność zapewnienia wyśrubowanych parametrów powietrza np. w serwerowniach wymusza zastosowanie szaf klimatyzacyjnych. Poza pomieszczeniami przeznaczonymi stricte dla branży IT, klimatyzację precyzyjną stosuje się niekiedy także w laboratoriach, archiwach lub szpitalach, gdzie odpowiednia jakość powietrza jest szczególnie ważna.

CRAC czy CRAH?

W serwerowniach stosuje się podłogę podniesioną oraz urządzenia typu CRAC (ang. Computer Room Air Conditioner) lub CRAH (ang. Computer Room Air Handler). Zadaniem tych urządzeń jest wdmuchiwanie chłodnego powietrza spod przestrzeni podłogi do przestrzeni serwerów. Ogrzane powietrze po odbiorze ciepła z serwerów kierowane jest z powrotem do jednostek CRAC lub CRAH i tam zostaje ponownie schłodzone. Trudnością w przypadku tych rozwiązań jest niska wydajność energetyczna oraz mniejsza kontrola nad temperaturą powietrza. Sprawdzają się one tam, gdzie natężenie serwerów na metr kwadratowy powierzchni podłogi jest relatywnie niewielkie. Sposobem na zwiększenie wydajności chłodzenia jest wyizolowanie strumieni powietrza – gorącego i zimnego, tak aby nie ogrzewać dodatkowo powietrza w pomieszczeniu.

CRAC nie różni się znacząco od zwykłego klimatyzatora wyposażonego w sprężarkę. Powietrze jest wtłaczane na wymiennik, który wypełniony jest czynnikiem chłodniczym. Ten sposób pozwala schłodzić powietrze nawiewane później do przestrzeni, w której znajdują się serwery, ale nie pozwala precyzyjnie sterować jego temperaturą. Niemniej na rynku są dostępne także modele sprężarek wyposażone w mikroprocesorowy sterownik, dzięki czemu możliwa jest dokładniejsza regulacja parametrów powietrza.

Z kolei jednostki CRAH współpracują z wytwornicami wody lodowej (chillerami), które odpowiadają za produkcję wody lodowej zasilającej wymienniki w CRAH-ach. Sam proces schładzania powietrza odbywa się na podobnej zasadzie jak w przypadku urządzeń typu CRAC, nie posiadają one jednak sprężarki, dzięki czemu są bardziej energooszczędne.

Optymalizacja za każdą cenę

Zgodnie z rekomendacją ASHRAE, temperatura powietrza nawiewanego na serwery powinna zawierać się w przedziale 18–27°C, przy zachowaniu wilgotności względnej w zakresie od 20 do 80%. To dość znaczna rozpiętość, ale zaleca się nie przekraczać 25°C, gdyż może to mieć istotny wpływ na spadek wydajności pracy data center. Duże firmy, które zajmują się gromadzeniem potężnej ilości danych, utrzymują temperaturę na poziomie zbliżonym do 27°C. Dzieje się tak, ponieważ działają w oparciu o model uwzględniający kontrolowane awarie serwerów. Mają zapewnione backupy, dzięki czemu mogą stale zapewniać wysoką jakość swoich usług użytkownikom internetu na całym świecie. Firmie Google bardziej opłaca się wymienić jeden z zepsutych serwerów na nowy, niż płacić za kosztowne chłodzenie ogromnych serwerowni i utrzymywanie możliwie najniższej temperatury. W przypadku mniejszych organizacji taka strategia działania zupełnie by się nie sprawdziła. Poza tym wyspecjalizowane, duże firmy technologiczne do poprawy wydajności i efektywności energetycznej systemu chłodzenia wykorzystują obecnie sztuczną inteligencję. Umożliwia to monitorowanie zapotrzebowania na chłód w czasie rzeczywistym i dostosowywanie do niego mocy chłodniczej. Można dzięki temu sporo zaoszczędzić w okresach, w których serwerownie nie wymagają tak intensywnej klimatyzacji lub można wykorzystać free cooling.

Najczęściej stosowane technologie

• CVC – skalibrowane chłodzenie wektorowe (ang. calibrated vectored cooling) – znajduje zastosowanie w centrach danych o dużej gęstości urządzeń elektronicznych i serwerów. Technologia została zaprojektowana przez IBM na potrzeby serwerów firmy. Przepływ zimnego powietrza jest na tyle zoptymalizowany, by schładzać te partie urządzeń, które generują największe zyski ciepła. Taki układ umożliwia efektywną wymianę ciepła oraz użycie mniejszej liczby wentylatorów.
• Woda lodowa i jednostki CRAH – rozwiązanie wykorzystywane w średnich i dużych serwerowniach (200 kW i więcej). Może być szczególnie energooszczędne w krajach, gdzie średnia roczna temperatura jest relatywnie niska. Sporą zaletą jest stosunkowo niska cena i mniejsza liczba urządzeń wchodzących w skład systemu, co generuje oszczędności związane z okresowym serwisowaniem. Poza tym instalacja wody lodowej może zasilać także inne urządzenia klimatyzacyjne w budynku oraz obsługiwać wiele pomieszczeń IT z tego samego chillera. Pewną wątpliwość może budzić jednak wprowadzanie wody lodowej do przestrzeni z dużym nagromadzeniem elektroniki i kwestię tę należy omawiać indywidualnie z inwestorem.
   
• Zastosowanie w szafach klimatyzacyjnych (RAC) naprzemiennie tzw. „zimnych i gorących korytarzy”. Zimny wlot powietrza jest ulokowany z przodu szafy, a gorące przejścia składają się z wylotów zużytego gorącego powietrza z tyłu szafy. Rolą „gorących korytarzy” jest odprowadzenie gorącego powietrza do wlotów klimatyzacji, aby je potem schłodzić. Nieużywane sloty korytarzy szafy zaślepia się, aby zapobiec przegrzaniu lub marnowaniu zimnego powietrza.
• CRAC i chłodzenie z czynnikiem chłodniczym – jedno z popularniejszych rozwiązań, najlepiej sprawdza się w mniejszych serwerowniach, od 7 do 200 kW. W trakcie eksploatacji efektywność energetyczna może być niższa niż przy wodzie lodowej, ale w przypadku małych data center ogólne koszty eksploatacji są relatywnie niskie. Problemem może być jedynie fakt, że instalacja freonowa dla prawidłowej pracy powinna być możliwie najkrótsza. CRAC, podobnie jak klimatyzator typu split, składa się z jednostki zewnętrznej umiejscowionej na zewnątrz oraz jednostki wewnętrznej – parownika, sprężarki i zaworu rozprężnego w jednym urządzeniu.
• CRAC i glikol – zamiast freonu czynnikiem pośredniczącym jest glikol (mieszanina wody i glikolu etylowego). CRAC stanowi tutaj jednostkę wewnętrzną, a zewnętrzną jest dry cooler. Orurowanie z glikolem może być stosowane szerzej niż z freonem. Jeden dry cooler może zasilać kilka jednostek wewnętrznych. W Polskich warunkach temperaturowych późną jesienią i zimą szansą na obniżenie kosztów zużycia energii potrzebnej do chłodzenia jest free cooling. Polega on na zastosowaniu dodatkowego wymiennika – ekonomizera, który zimą chłodzony jest powietrzem zewnętrznym. System może funkcjonować w ten sposób, dopóki osiągnięta temperatura zasilania jest niższa o min. 5°C od temperatury powrotu glikolu z wymiennika powietrze-glikol w CRAC-u stojącym w data center. Rozwiązanie to stosuje się w serwerowniach o mocy 30–1000 kW. W przypadku glikolu, podobnie jak w systemach wodnych, kwestią sporną jest wprowadzanie wody do pomieszczenia z ruchem elektrycznym.
• Chłodzenie powietrzem – układ składa się z kanału nawiewnego oraz wywiewnego wyrzucającego ogrzane powietrze poza pomieszczenie. Nawiewane powietrze musi być doprowadzane indywidualne, nie powinno być zasysane z pomieszczenia serwerowni, by nie wytworzyć podciśnienia. Rozwiązanie poza data center może zostać z powodzeniem zastosowane w laboratoriach. Szafa powinna być wyposażona w dwustopniową filtrację powietrza – klasy F7 oraz F9. Energooszczędne urządzenia mają także dwa wymienniki ciepła, np. glikolowy oraz rewersyjną pompę ciepła. Taki układ odzysku ciepła pozwala zminimalizować zużycie energii, a zintegrowany system automatyki umożliwia bieżącą kontrolę parametrów dostarczanego powietrza oraz stanu filtrów. Rozwiązanie sprawdzi się w niewielkich serwerowniach ze względu na ulokowanie jednostki chłodzącej poza pomieszczeniem, a także możliwą do uzyskania moc chłodniczą.

Podsumowanie

Systemy klimatyzacji dla data center będą się rozwijać na przestrzeni kolejnych lat. Z drugiej strony nowe procesory mogą pracować efektywnie przy wyższych temperaturach. Branża musi przede wszystkim sprostać konieczności obniżania kosztów energii do chłodzenia, jakie generuje eksploatacja takich systemów. Rozwój sztucznej inteligencji czy specjalistycznych rozwiązań w samej budowie szaf, zapewniających prawidłowy i zoptymalizowany przepływ zimnego powietrza, zmierza do zwiększenia efektywności energetycznej urządzeń klimatyzacji precyzyjnej. W dobie dynamicznie rozwijającej się branży IT koniecznością staje się poszukiwanie sposobów na ograniczenie energochłonnego procesu chłodzenia. Coraz większą popularność zyskują systemy wodne, choć wymagają częstej kontroli, gdyż skutki wycieku mogą się okazać kosztowne. Ale o oszczędności każdego rozwiązania decyduje przede wszystkim prawidłowa eksploatacja.

Literatura

1. Materiały producentów szaf klimatyzacji precyzyjnej.
2. www.vxchnge.com/data-center-cooling-technology.
3. Rybka Katarzyna, Nowoczesne chłodzenie serwerowni i data center, „Rynek Instalacyjny” 10/2016, rynekinstalacyjny.pl

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!