Trendy w chłodzeniu centrów danych
Chłodzenie w centrach danych
Fot. pixabay.com
Coraz większa moc obliczeniowa i coraz wyższa efektywność energetyczna – przed takimi wyzwaniami stoją współczesne centra danych, a wśród nich systemy klimatyzacji, odpowiedzialne za blisko połowę energii zużywanej przez serwerownie.
Zobacz także
ECO Comfort Klimatyzacja kanałowa do domu: zastosowania, rodzaje, tryby pracy
Zadaniem klimatyzacji jest przede wszystkim obniżenie zbyt wysokiej temperatury w budynku i dostosowanie jej do parametrów, które będą zapewniały komfortowe warunki pracy lub odpoczynku. Gorące lata i...
Zadaniem klimatyzacji jest przede wszystkim obniżenie zbyt wysokiej temperatury w budynku i dostosowanie jej do parametrów, które będą zapewniały komfortowe warunki pracy lub odpoczynku. Gorące lata i okresy długotrwałych upałów są silnie odczuwalne nawet w nowoczesnych, dobrze izolowanych budynkach wyposażonych w rolety zewnętrzne lub wewnętrzne, dlatego nowoczesne systemy klimatyzacji są coraz chętniej wybierane przez inwestorów, którzy budują lub modernizują swoje domy.
Panasonic Marketing Europe GmbH Sp. z o.o. Energooszczędny i inteligentny system klimatyzacji w ratuszu Warszawa-Ursynów
Efektem rozbudowy i modernizacji ursynowskiego ratusza jest montaż nowoczesnego i efektywnego energetycznie systemu klimatyzacji, który zapewnia komfortową i cichą pracę. Zastosowany system VRF firmy Panasonic...
Efektem rozbudowy i modernizacji ursynowskiego ratusza jest montaż nowoczesnego i efektywnego energetycznie systemu klimatyzacji, który zapewnia komfortową i cichą pracę. Zastosowany system VRF firmy Panasonic spełnił wszystkie wymagania inwestora dotyczące energooszczędności, wysokiej wydajności, elastyczności działania i efektywności. Składająca się z 250 pomieszczeń siedziba Urzędu Dzielnicy Warszawa-Ursynów to obecnie największy budynek w Polsce, w którym zainstalowano nowoczesny system VRF.
FLOWAIR Sprawdź, jak prześcigniesz konkurencję dzięki SYSTEMOWI FLOWAIR
Jeżeli na co dzień zarządzasz zespołem, z pewnością wiesz, że warunki panujące w pomieszczeniach bezpośrednio przekładają się na jakość i wydajność pracy. To samo dotyczy logistyki i zarządzania towarami...
Jeżeli na co dzień zarządzasz zespołem, z pewnością wiesz, że warunki panujące w pomieszczeniach bezpośrednio przekładają się na jakość i wydajność pracy. To samo dotyczy logistyki i zarządzania towarami – musisz o nie zadbać, aby podczas składowania nie straciły swoich właściwości.
Serwerownie – budynki mieszczące serwery, które z roku na rok przetwarzają coraz większe ilości danych, cechują się coraz większą gęstością mocy – wymagają odpowiednich systemów klimatyzacji, które będą utrzymywały niską temperaturę urządzeń niezależnie od zysków ciepła generowanych przez urządzenia czy temperatury zewnętrznej. Skuteczny odbiór zysków ciepła oznacza znaczne nakłady energii, dlatego producenci systemów klimatyzacji i projektanci centrów danych dążą do tego, by system klimatyzacji nie miał zbyt dużego udziału w zużyciu energii w serwerowni.
Systemy chłodzenia centrów danych >>
O efektywności energetycznej centrów danych mówi wskaźnik PUE (Power Usage Effectiveness). Jest to całkowita energia obiektu odniesiona do energii zużywanej przez urządzenia IT. Na świecie można spotkać centra z PUE równym 1,07 (np. centrum danych Facebooka), a w Polsce już z PUE 1,1. Istnieje także wskaźnik informujący wyłącznie o efektywności systemów chłodzenia. Jest to pPUE (partial Power Usage Effectiveness), odnoszące się wyłącznie do energii elektrycznej zużytej na chłodzenie. pPUE jest zwykle wyższe (wynosi od 1,1 do 1,2).
Uzyskanie niskich wskaźników zarówno PUE, jak i pPUE możliwe jest tylko przy połączeniu odpowiednich rozwiązań technicznych i projektowych. Zadanie energooszczędności musi być także realizowane bez szkody dla niezawodności urządzeń oraz zgodnie z obowiązującym prawem (np. co do stosowania syntetycznych czynników chłodniczych). Energochłonność serwerowni można obniżać poprzez:
- podwyższanie dopuszczalnej temperatury w serwerowni i większą tolerancję zmienności parametrów – jest to możliwe dzięki odpowiednim rozwiązaniom serwerów (szaf serwerowych);
- wykorzystanie barier fizycznych i zabudowy do uszczelnienia tzw. zimnych korytarzy (brak mieszania powietrza zimnego i ciepłego);
- optymalizację układu chłodzenia – stosowanie systemów chłodzenia adiabatycznego, zaprojektowanie i wykorzystanie tzw. ekonomizerów, wykorzystanie zjawiska free coolingu dzięki zastosowaniu odpowiednich urządzeń i rozwiązań projektowych;
- stosowanie nowoczesnych, efektywnych urządzeń chłodniczych;
- stosowanie źródeł odnawialnych;
- wykorzystanie ciepła odpadowego na potrzeby powierzchni „nietechnicznej” obiektów serwerowni (ogrzewanie powierzchni biurowej, przygotowanie c.w.u).
Obecnie uwaga projektantów skierowana jest na szukanie oszczędności u źródła (tj. stosowanie wyższej temperatury w serwerowni) i optymalne wykorzystanie taniego, niskoenergetycznego i powszechnie dostępnego chłodu, jakim może być powietrze zewnętrzne do free coolingu i w coraz większym stopniu także odnawialne źródła energii. Stosowane rozwiązania muszą spełniać wymagania deklarowanego dla konkretnego centrum poziomu niezawodności (np. dla centrum danych Tier III i Tier IV wg standardów instytutu Uptime konstrukcja musi zapewniać 99,99% dostępności), co często wiąże się z zastosowaniem systemów redundantnych (urządzenia muszą mieć swoje odpowiedniki, które w razie awarii mogą w krótkim czasie przejąć ich zadania).
Mniejsze wymagania serwera
Klimatyzacja centrów danych nie może być rozpatrywana w oderwaniu od pracujących tam urządzeń – serwerów. Producenci, dostosowując je do coraz większej mocy obliczeniowej, rozwijają serwery także pod kątem temperatury operacyjnej. Mogą one nie tylko pracować w wyższej temperaturze, ale też cechują się większą tolerancją na zmienność temperatury czy wilgotności. Organizacja ASHRAE w najnowszym wydaniu swoich wytycznych rekomenduje dla centrów danych wyraźnie wyższą niż wcześniej temperaturę dopuszczalną i zalecaną. Temperatura powietrza nawiewanego może wynosić 18–27°C (przy wilgotności nawet 30–70%).
W większości centrów danych temperatura nie musi być niższa niż 24–25°C. Dla porównania jeszcze 20 lat temu zalecana temperatura nawiewu wynosiła ok. 12°C – wynikało to m.in. z faktu, że parametrem sterującym pracą klimatyzacji była temperatura powrotu z serwerów, którą określono na 22–24°C (dziś ta sama wartość może wynosić 25–40°C). Podniesienie nastawy z 7–10 do 18–20°C umożliwia mniejsze zużycie energii na chłodzenie wody lodowej, a w efekcie – większe nawet o 40% oszczędności eksploatacyjne.
Większa efektywność chłodzenia
Przy zastosowaniu szaf klimatyzacji precyzyjnej z agregatami wody lodowej można zastosować dwa rozwiązania technologiczne: klimatyzację in-row (rzędową) lub klimatyzację z nadmuchem pod podłogę.W rozwiązaniu in-row szafy ustawione są w rzędach z szafami serwerowymi, tworząc tzw. zimne i ciepłe korytarze, które muszą być wyraźnie rozdzielone. Wymaga to od inżynierów projektujących serwerownie zastosowania odpowiednich układów architektonicznych z barierami fizycznymi, by powietrze z „przeciwnych” korytarzy nie mieszało się. Coraz popularniejszym rozwiązaniem jest chłodzenie adiabatyczne z wykorzystaniem odparowania i konwekcji. W takim układzie szafy serwerowe ustawione są przodem do siebie, co ułatwia wymuszony przepływ ciepłego powietrza, kierowanego do rooftopa z wymiennikiem krzyżowym.
W wymienniku powietrze chłodzi się dzięki parowaniu i konwekcji i może wrócić do serwerowni. Takie rozwiązanie jest zatem tym bardziej efektywne, im wyższa jest temperatura zewnętrzna. Chłodne powietrze kierowane jest od góry do komory mieszania, gdzie miesza się z powietrzem podgrzanym przez serwery. Po takim przygotowaniu i przefiltrowaniu trafia do nadmuchu podłogowego w pomieszczeniu z serwerami.
W rozwiązaniu z nadmuchem przez podłogę techniczną (podwyższoną) zimne powietrze doprowadzane jest bezpośrednio do każdej szafy serwerowej, a „gorąca” przestrzeń między nimi stanowi pewien bufor na wypadek awarii.
Dzięki takiemu rozwiązaniu rozkład ciepła w obszarze serwera jest równomierny, co dobrze wpływa na jego żywotność. Ważne, by stosować tu kratki podłogowe zapewniające równomierne rozprowadzanie powietrza o właściwej temperaturze – np. o zmiennej wydajności powietrza lub rozwiązania modułowe, które wydajnie obsługują mikrostrefę serwerowni, a w przypadku zmiany rozkładu pomieszczenia mogą zostać łatwo przeniesione w nowe miejsce.
Free cooling
Free cooling to wykorzystanie powietrza zewnętrznego do chłodzenia serwerowni, dzięki czemu układy klimatyzacyjne zużywają mniej energii na sprężarkowe procesy chłodnicze. Określenie „free” (darmowy, swobodny) jest umowne – free cooling wymaga energii. Powietrze zewnętrzne albo musi zostać doprowadzone do pomieszczenia (poprzez wentylatory lub przepustnice), albo trzeba zapewnić wymianę ciepła między powietrzem zewnętrznym a czynnikiem pośredniczącym (pompy obiegowe). Konieczne może się też okazać wstępne przygotowanie powietrza zewnętrznego, nie mówiąc już o kosztach inwestycyjnych – zakupu lub dostosowania zastosowanych rozwiązań, by „umiały” wykorzystać dostępne powietrze zewnętrzne.
Free cooling może występować jako bezpośredni, polegający na wykorzystaniu powietrza zewnętrznego bezpośrednio do chłodzenia serwerowni (bez udziału układów sprężarkowych czy wody lodowej), lub jako pośredni, kiedy powietrze zewnętrzne schładza nie samo wnętrze serwerowni, ale wspomaga typowy proces klimatyzacyjny. Free cooling bezpośredni – doprowadzenie powietrza zewnętrznego do pomieszczenia serwerów – kojarzony jest głównie z tzw. okresami przejściowymi (upraszczając: w klimacie umiarkowanym przypadają one na wiosnę i jesień). Ruch powietrza wymuszany jest przez wentylatory osiowe lub promieniowe o wydajności regulowanej płynnie temperaturą w pomieszczeniu.
Nowoczesne chłodzenie serwerowni i data center >>
Free cooling działa, gdy temperatura zewnętrzna jest umiarkowana – do bezpośredniego chłodzenia pomieszczeń nie będzie nadawało się ani powietrze zbyt ciepłe, ani zbyt zimne (choćby ze względu na za niską wilgotność). Trend podwyższania temperatury w serwerowni sprzyja zatem szerszemu wykorzystaniu free coolingu – do „darmowego” chłodzenia nadaje się powietrze o stosunkowo wysokiej temperaturze, a więc free cooling może być uruchamiany częściej (przez więcej dni w roku). Mimo walorów ekonomicznych free coolingu bezpośredniego wymiana ciepła między powietrzem zewnętrznym a serwerownią powinna się jednak odbywać w sposób pośredni – zapobiega to dostarczeniu do pomieszczeń serwerowni zanieczyszczeń i nadmiarowej wilgoci.
Free cooling pośredni wymaga pracy pomp obiegowych. W nowoczesnych rozwiązaniach szaf klimatyzacji precyzyjnej free cooling może być zintegrowany z urządzeniem – wówczas istotnym parametrem projektowym staje się temperatura wlotowa, na podstawie której projektowany jest system sterowania free coolingiem (filtracja, regulacja wilgotności i regulacja zbyt niskiej temperatury). Podgrzana po odebraniu ciepła z serwerowni woda lodowa kierowana jest do specjalnego wymiennika (free coolera) umieszczonego w agregacie sprężarkowym.
Jest w nim schładzana dzięki wymianie ciepła z powietrzem zewnętrznym. Podłączenie chłodnicy suchej (dry coolera) do układu z chłodnicą wodną, w którym agregat sprężarkowy nie jest wyposażony w funkcję free coolingu, umożliwia chłodzenie wody lodowej na wymienniku dry coolera zamiast przygotowania jej w agregacie sprężarkowym. Powietrze w pomieszczeniu może być chłodzone w sposób pośredni – medium pośredniczącym jest roztwór glikolu, który krąży między agregatem bezpośredniego odparowania a drycoolerem. Jest to rozwiązanie występujące w szafach z chłodnicą ewaporacyjną i skraplaczem chłodzonym cieczą.
Jak wskazuje Schneider Electric, średniej wielkości centrum danych w Europie może obniżyć koszty rocznego zużycia energii o średnio 30%, jeśli free cooling jest zintegrowany z szafą klimatyzacji precyzyjnej.
OZE i źródła nietypowe
Na pustyni w Oregonie mieści się rozpoznawalne zarówno przez branżę HVACR, jak i IT centrum danych, w którym zapotrzebowanie na energię elektryczną jest w 100% pokrywane z odnawialnych źródeł energii. To serwerownia Facebooka, oparta na powietrzu świeżym (100%) z wykorzystaniem systemu chłodzenia i nawilżania ewaporacyjnego.
Odnawialne źródła energii na dużą skalę stosowane są przede wszystkim przez największe firmy. Wśród szczególnie ciekawych przykładów są energia wodospadu Niagara (centrum Yahoo w Kalifornii), woda dla centrum danych pływającego na barce (centrum Nautilius) oraz energia z fal oceanicznych (Google). Na drugim biegunie znajdują się lokalizacje, w których warunki zewnętrzne zdecydowanie sprzyjają stosowaniu odnawialnych źródeł energii – klasycznym przykładem jest Islandia, gdzie jako OZE wykorzystywane są gejzery, a do chłodzenia – energia wiatru. Centra danych lokalizuje się też w nietypowych miejscach, zapewniających naturalnie niskie temperatury otoczenia, jak np. kopalnia w Norwegii (Lefdal-Mine Datacenter, powstałe przy współudziale IBM i Rittal), zdemilitaryzowane bunkry przeciwatomowe 30 m pod ziemią w Szwecji i Holandii, jaskinia wapienna w Pensylwanii, podziemia helsińskiej katedry, w czasie wojny pełniące funkcję schronu, a obecnie przekazujące zyski ciepła do miejskiej sieci ciepłowniczej (Academica Data Center).
Biorąc pod uwagę rosnące wymagania dotyczące energooszczędności centrów danych oraz coraz większe możliwości techniczne i ekonomiczne wykorzystania dostępnej energii otoczenia (np. w Polsce coraz bardziej opłacalne staje się stosowanie paneli fotowoltaicznych), można oczekiwać, że trend OZE będzie wciąż zyskiwał na znaczeniu także w projektowaniu centrów danych.
Bezpieczeństwo a prawo
Rozporządzenie unijne 517/2014 i polska ustawa o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych dyktują stopniowe wycofywanie z centrów danych dobrze znanych, wydajnych i sprawdzonych syntetycznych czynników chłodniczych z grupy F-gazów, takich jak R134a i R410A. Oznacza to wyzwania dla projektantów oraz producentów czynników chłodniczych i sprzętu chłodniczego. Typowane na następców hydrofluoroolefiny (HFO), głównie R32 i R1234ze, cechują się tzw. lekką palnością (nowa klasa palności A2L), co oznacza większe ryzyko pożaru w sytuacji awaryjnej (np. wycieku czynnika). Skutkuje to nowym podejściem do systemów, które będą wykorzystywały te czynniki – albo pojawią się wyższe wymagania z zakresu bezpieczeństwa, albo „wyprowadzenie” czynnika poza serwerownię przez zastosowanie systemów centralnych pracujących poza nią.
Literatura
- Materiały firm: Atman, Beyond.pl, Qmak.
- Materiały techniczne firm: Fast Group, FläktGroup, Klima-Therm, Rittal, Schneider Electric, Stulz, Vertiv.
- Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (WE) 517/2014 z dnia 16 kwietnia 2014 r. w sprawie fluorowanych gazów cieplarnianych i uchylenia rozporządzenia (WE) nr 842/2006.
- Thermal Guidelines for Data Processing Environments (Wytyczne cieplne dla środowisk przetwarzania danych), American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, wydanie 4, 2015.
- Ustawa z dnia 15 maja 2015 r. o substancjach zubożających warstwę ozonową oraz o niektórych fluorowanych gazach cieplarnianych (ost. zm. w czerwcu 2017 r., DzU 2017, poz. 1567).
