Klimatyzacja precyzyjna

Obecnie w większości biur, obiektów użyteczności publicznej, sklepów, szpitali czy uczelni oraz akademików wydzielane jest odrębne pomieszczenie, w którym umieszcza się serwery, a także wszelkie urządzenia służące do przetwarzania danych. Urządzenia elektroniczne są niezwykle wrażliwe zarówno na zbyt wysoką, jak i za niską temperaturę oraz na jej dynamiczne zmiany.

Małe serwerownie

Klimatyzatory są niezbędne do zapewnienia właściwych parametrów środowiskowych, takich jak temperatura, wilgotność, czystość powietrza, wymaganych przez pracujący sprzęt komputerowy. W pomieszczeniu serwerowni powinna być utrzymywana stała temperatura w granicach 18–22°C, która gwarantuje prawidłową pracę wszystkich urządzeń teleinformatycznych.

W niewielkich serwerowniach, gdzie moc cieplna generowana przez serwery jest nieduża, można się spotkać czasem z zastosowaniem jedynie klimatyzatorów typu split. Jest to jednak zawodne rozwiązanie, ponieważ klimatyzator chłodzi całe pomieszczenie, a nie precyzyjnie tam, gdzie znajdują się wrażliwe elementy elektroniczne. Dlatego łatwo mogą wystąpić duże wahania temperatury wywołane choćby wejściem pracownika do serwerowni.

System chłodzenia i klimatyzacji w pomieszczeniu serwerowni musi być dostosowany do warunków pomieszczenia i mocy cieplnej wydzielanej przez zainstalowane urządzenia. Przy obliczeniach zapotrzebowania na moc do chłodzenia nie należy zapominać o słonecznych zyskach ciepła, jeśli w serwerowni jest okno.

Chłodzenie pojedynczej szafy może być wspomagane poprzez wykorzystanie systemu wentylatorów umieszczonych w szafie. Powietrze chłodzące sprzęt informatyczny jest najczęściej zasysane z przodu szafy.

Jeśli w serwerowni jest zbyt wysoka temperatura, może dojść do przegrzania się urządzeń i w konsekwencji ich awarii. Dlatego istotne jest wydzielenie stref chłodnego i gorącego powietrza dla poszczególnych szaf i niedopuszczenie do ich mieszania. W takim przypadku warto zastanowić się nad rozwiązaniami klimatyzacji precyzyjnej [2].

Szczegółowe wytyczne dotyczące parametrów powietrza otaczającego sprzęt komputerowy powinny być podane przez jego producenta. Jeśli nie ma szczególnych zaleceń, można przyjąć, że optymalna temperatura powietrza w serwerowni wynosi maks. 22°C, natomiast wilgotność względna nie przekracza 60%. Niezwykle istotne jest, żeby niezależnie od pory roku temperatura powietrza w serwerowni była stała i nie ulegała wahaniom. Odpowiednia temperatura dla pomieszczeń z zasilaczami UPS jest warunkiem gwarantowanego przez producenta okresu trwałości baterii [2].

Z uwagi na to, że zyski ciepła od urządzeń elektronicznych są z reguły bardzo duże, utrzymanie odpowiedniej temperatury jedynie za pomocą pojedynczej szafy klimatyzacyjnej w dużej serwerowni może być trudne.

Zimą z kolei trzeba serwerownię ogrzać. Same zyski ciepła od urządzeń nie zawsze są wystarczające, aby osiągnąć minimalną temperaturę w pomieszczeniu powyżej punktu rosy. Źródło ogrzewania pomieszczenia powinno być wyposażone w regulator (np. zawór termostatyczny) pozwalający na dostosowanie mocy grzewczej do bieżących potrzeb.

Należy pamiętać, że nie wszystkie urządzenia klimatyzacyjne mogą chłodzić przy ujemnych temperaturach zewnętrznych. Ponadto sprawność sprężarki wbudowanej w jednostce zewnętrznej spada wraz ze spadkiem temperatury zewnętrznej, w niektórych rozwiązaniach możliwe jest wykorzystanie free coolingu.

W pomieszczeniach serwerowni mamy do czynienia z dwiema podstawowymi grupami zysków ciepła: od sprzętu komputerowego i elektrycznego (np. oświetlenia) oraz od nasłonecznienia i osób z obsługi.

Dokładne wartości zysków ciepła emitowanego przez urządzenia komputerowe powinny być podane przez producenta urządzeń. Projektant rzadko dysponuje takimi danymi, dlatego w uproszczeniu należy przyjmować zyski ciepła na poziomie min. 90% mocy elektrycznej pobieranej przez komputery, serwery, monitory, drukarki oraz inne urządzenia telekomunikacyjne. Natomiast dla zasilaczy UPS przyjmuje się ok. 15% mocy elektrycznej tych urządzeń [1, 2].

Ponieważ bardzo często pomieszczenia serwerowni nie mają okien zewnętrznych oraz na stałe nie przebywa w nich personel, zyski ciepła od nasłonecznienia i ludzi mają z reguły niewielki wpływ na ogólny bilans cieplny pomieszczenia. Nie można ich jednak zupełnie pominąć, gdyż w przypadku klimatyzacji serwerowni pewne przewymiarowanie mocy chłodniczej jest nawet wskazane.

Przy projektowaniu serwerowni nie należy także zapominać o sporych wymiarach urządzeń i ich masie. Są takie szafy, które mogą mieć masę ponad 500 kg, co trzeba uwzględnić przy wyborze pomieszczenia na serwerownię ze względu na nosność podłogi.

Chłodzenie szaf sterowniczych

Obok negatywnych wpływów zewnętrznych, jak powietrze zawierające zanieczyszczenia i wilgoć oraz pył, wrogiem numer jeden dzisiejszej elektroniki i komponentów elektronicznych w szafie sterowniczej jest przede wszystkim ciepło.

W odniesieniu do każdego pojedynczego komponentu straty mocy podzespołów elektronicznych stały się w ostatnich latach wyraźnie mniejsze. Jednocześnie jednak w szafach sterowniczych znacznie wzrosła gęstość upakowania komponentów, co doprowadziło do 50–60% wzrostu zysków ciepła. Wraz z pojawieniem się mikroelektroniki i nowych komponentów elektronicznych zmieniły się wymagania dotyczące profesjonalnego budowania szaf sterowniczych, a przez to także wymagania odnośnie do odprowadzania ciepła z szaf i obudów elektroniki [1].

Nowoczesna klimatyzacja szaf sterowniczych musi w pełni odpowiadać nowym warunkom w odniesieniu do najlepszych rozwiązań technicznych i z uwzględnieniem efektywności energetycznej. Główną winę za to, że w szafie sterowniczej dochodzi do awarii podzespołów elektronicznych, ponosi ciepło. Po podwyższeniu temperatury o 10 K powyżej maksymalnej dopuszczalnej temperatury pracy żywotność tych podzespołów spada o połowę, a awaryjność podwaja się, jak wynika z równania Arrheniusa [3].

W celu polepszenia konwekcji przy ścianach szafy sterowniczej od wewnątrz na zewnątrz stosuje się tzw. wentylatory recyrkulacji powietrza. Wentylatory te przetłaczają powietrze wewnątrz szafy sterowniczej, co powoduje lepszy rozkład ciepła w samej szafie i przy jej ścianach [2].

Jeżeli szafa sterownicza musi mieć stopień ochrony IP54, a różnica temperatur między powietrzem otoczenia a wnętrzem szafy jest dodatnia (Twew > Tzew), można zastosować wymienniki ciepła powietrze/powietrze. Im większa jest różnica temperatury wewnętrznej i zewnętrznej, tym większą moc traconą można odprowadzić na zewnątrz szafy sterowniczej.

W przypadku obudów małogabarytowych z wymaganym stopniem ochrony IP54 bardzo często właściwym i optymalnym technicznie rozwiązaniem jest chłodzenie metodą Peltiera [2].

Obok klimatyzatorów szaf sterowniczych, największy rozwój nastąpił w zastosowaniach do odprowadzania ciepła z szaf sterowniczych i obudów elektroniki za pomocą wymienników ciepła powietrze/woda. Rozwój ten spowodowany jest między innymi tym, że pod względem technicznym i termicznym wymienniki ciepła powietrze/woda umożliwiają osiągnięcie najwyższej mocy chłodniczej w najmniejszej przestrzeni [2].

Funkcje szaf

Nowoczesne szafy klimatyzacyjne mają szereg funkcji, które pozwalają nie tylko na ich sterowanie, ale także kontrolę pracy. Jest to bardzo ważne szczególnie dla dużych serwerowni, gdzie temperatura urządzeń elektronicznych musi być na bieżąco monitoro- wana.

Szafy klimatyzacji precyzyjnej wyposaża się w programowalny mikroprocesor oraz kartę szeregową dla protokołów komunikacyjnych, np. ModBus czy LonWorks, a także połączenie sieci LAN, aby móc je połączyć z systemem zarządzania budynkiem BMS. Możliwa jest także opcja komunikacji SMS – system wysyła informację o awarii, która może nastąpić w każdej chwili, także w nocy.

W przypadku urządzeń elektronicznych ważna jest filtracja powietrza, dlatego wyposaża się je w filtry w klasie od F4 do F9, a także G4. Dodatkowo niektóre z szaf mają wbudowane czujniki dymu i/lub wody pod urządzeniem, co służy ochronie urządzeń elektronicznych. Szafy mają także bogate wyposażenie dodatkowe, które umożliwia takie skonfigurowanie urządzenia chłodniczego, aby było jak najlepiej dopasowane do potrzeb. Mogą być to nagrzewnice, nawilżacze parowe, pompki skroplin, a także moduły umożliwiające zdalne sterowanie.

Na rynku dostępne są szafy, które będą odpowiednie zarówno dla niewielkich serwerowni, o zapotrzebowaniu na moc chłodniczą ok. 10 kW, jak i dużo bardziej wymagających, o zapotrzebowaniu do 350 kW. Jak wspomniano, ważnym elementem jest stabilizacja temperatury i wilgotności względnej. Dostępne urządzenia pozwalają utrzymywać temperaturę ze stabilizacją ok. 1–1,5°C, a wilgotnoś? mo?e si? waha? o?ć może się wahać o ±5%.

Podsumowanie

Dobór urządzeń klimatyzacyjnych najlepiej powierzyć wykwalifikowanej osobie, gdyż gwarantuje to wieloletnią i bezawaryjną pracę. Ważne, aby klimatyzacja serwerowni była przemyślana nie tylko pod względem warunków mikroklimatu, ale także jej lokalizacji i rozmieszczenia urządzeń.

Żeby zapewnić odpowiedni poziom działania systemu chłodzenia i klimatyzacji, a tym samym całej serwerowni, konieczne jest przeprowadzanie zabiegów konserwacyjnych.

Agregaty zewnętrzne w wyniku codziennej eksploatacji mogą ulegać zabrudzeniu, a ich sprawność w związku z tym znacznie spada, w wyniku czego obniża się wydajność chłodzenia. Powierzchnia skraplacza może zaś pokrywać się pyłem, przez co powietrze jest coraz słabiej schładzane.

Należy pamiętać także o okresowym czyszczeniu i wymianie filtrów, które ulegają stopniowemu zabrudzeniu, zmniejszając przepływ powietrza, w konsekwencji mniej efektywnie odprowadzając ciepło od urządzeń [1].

Zaleca się również okresowo sprawdzać szczelność instalacji, gdyż zbyt mała ilość czynnika chłodniczego ograniczy stopień chłodzenia. Okresowa kontrola stanu i oczyszczanie instalacji odprowadzania skroplin gwarantują funkcjonowanie urządzeń zgodnie z oczekiwaniami.

Literatura

1.  Igras S., Systemy chłodzenia dla serwerowni i centrów danych, www.computerworld.pl.
2. Materiały firmy: Karbon, APC by Schneider Electric, Emerson, Mitsubishi Electric, Nabilaton, Rittal, VenaClima.
3. Kuczyński K., Rybka K., Zasady doboru klimatyzacji dla pomieszczeń biurowych i małych serwerowni, „elektro.info” nr 9/2015.