Ожидаемые улучшения в работе охлаждающих систем ЦОДа

28 января 2015 г. | МакФарлейн Роберт | Категория: Обсуждаем статью

Температура воздуха, поступающего в ЦОДа, может быть выше привычных уровней, при этом усилия, направленные на снижение энергозатрат, могут угрожать производительности кондиционеров CRAH и других систем охлаждения.

Повышение температуры воздуха, поступающего на сервер, — это всего лишь начало в длительном процессе снижения энергозатрат в дата-центре. Следующий рубеж – это повышение температуры воды в чиллере.

Американская Ассоциация инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) разработала рекомендуемые значения температур поступающего на сервер воздуха, которые позволяют добиться эффективного охлаждения ЦОДа. Температура воздуха 27° С устраняет необходимость избточного охлаждения и открывает возможности для использования фрикулинга без существенного ухудшения статистики отказа оборудования. Даже средние температуры входящего воздуха от 23,9° С до 25,6° С помогают экономить значительные суммы по сравнению с традиционно принятым диапазоном 15,5° С – 18,3° С.

Однако есть еще одна составляющая системы охлаждения, особенно в новых зданиях, о которой большинство IT-специалистов не догадываются. Более высокая температура воды в чиллере уменьшает расход энергии, и при этом переконфигурирует охлаждение всего ЦОДа.

Охлаждение большинства крупных ЦОДов, а вместе с ними и многих средних, происходит с помощью охлажденной воды, будь то воздушные кондиционеры серверного зала (CRAH), внутрирядные кондиционеры, кулеры на задней дверце, насосы для хладагента или даже непосредственное охлаждение на процессоре. Установка чиллеров, — как правило, это большая холодильная система, – производит охлажденную воду, которая циркулирует через холодильное оборудование ЦОДа. В спецификациях большинства охлаждающих систем указывается температура воды 7,22° С в качестве оптимальной для достижения максимальной мощности охлаждения, в дополнение к расходу воды, температуре воздуха и уровню влажности в здании.

Холодильный агрегат – CRAH, внутрирядный или иной – переносит тепло от вычислительного оборудования на циркулирующую воду, которая возвращается в чиллер для повторного охлаждения. Удаление тепла требует большого количества энергии, и энергопотребление растет в зависимости от того, до какой температуры вы хотите эту воду охлаждать.

Многие новые здания включают такие конструкционные элементы, как охлаждаемые балки, основанные на более высокой температуре воды. Если проектировщики используют повышенную температуру воды в здании для уменьшения энергозатрат, они, вероятно, будут делать то же самое и в дата-центре, даже если объект работает на независимой холодильной установке.

Комбинация более высокой температуры воды в чиллерах ЦОДа и более высокой температуры входящего воздуха радикально снижает энергопотребление. В большинстве климатических регионов вода охлаждается до 15,5° С, с помощью теплообменников, после того как проходит через градирни. Этот подход может комбинироваться с современными чиллерами для охлаждения воды в теплый сезон, а также для умеренных климатических зон, и даже в этом случае он более энергетически целесообразен нежели охлаждение исключительно механическими средствами.

Охлаждающие установки большинства ЦОДов по существу не спроектированы для более теплой воды, поступающей от охлаждающей установки. С повышением температуры воздуха, поступающего на сервер, температура воздуха, возвращающегося в CRAH (и, следовательно, температура воды, возвращающейся в чиллер), будет повышаться, требуя еще больше электричества для остывания до традиционных температур.

Проблема заключается в том, что оборудование, спроектированное для использования холодной воды, показывает меньшую холодопроизводительность при более высокой температуре воды, проходящей через него (см. таблицу 1).

Таблица 1 показывает соотношение между температурой воды чиллера ЦОДа и скоростью потока воды в системе охлаждения.

В каждом примере температура воздуха, возвращающегося в кондиционер, составляет 27° С. Влажность рассчитана не как относительная влажность, а как влажность при точке росы 11,1° С.

Таблица 1. Температуры по Фаренгейту и Цельсию (прибл.), скорость потока воды в галлонах в минуту и в литрах в секунду.

Существуют три ситуации, при которых повышается температура воды в чиллере, как показано в колонках 1, 2 и 3.

Столбец 1: холодопроизводительность уменьшается, когда расход воды остается постоянным при прохождении через обычные прецизионные кондиционеры серверного зала (CRAC) и внутрирядные кондиционеры. Холодопроизводительность падает до уровня 57-60% от заявленной, если температура воды повышается на 8,4° С. Если не будет альтернативного замещения, то дата-центру потребуется охлаждающая система почти в два раза большая, нежели когда он работал бы на более холодной воде. Эта система заняла бы много места в зале и значительно повысила бы капитальные затраты, ставя под вопрос коэффициент рентабельности инвестиций ROI в долгосрочной перспективе для такого проекта. Дата-центу потребуются более мощные насосы и в два раза больше вентиляторов, — а все они расходуют электричество.

Столбец 2: скорость потока воды увеличивается для компенсации потерь холодопроизводительности. Однако производительность увеличивается лишь на 3% - вряд ли это стоит затрат на дополнительную энергию насоса для увеличения скорости потока.

Столбец 3: скорость потока воды регулируется таким образом, чтобы температура воды, поступающей на оборудование, повышалась одинаково на каждом входе. В результате мы получаем еще большее снижение холодопроизводительности, однако также значительное снижение расхода воды, что ведет к снижению дополнительного потребления энергии насосами.

Чиллеры ЦОДа: насосная циркуляция хладагента

Другая форма охлаждения ЦОДа основана на насосной циркуляции хладагента там, где установка распределения холода использует охлажденную воду для рассеивания тепла, собираемого хладагентом. Хотя эти системы весьма эффективны, повышение температуры воды снижает их производительность (см. таблицу 2).

Таблица 2.

Таблица 2 показывает, что системы охлаждения дата-центра, использующие насосную циркуляцию хладагента, также не обладают иммунитетом от потерь производительности в случае использования более теплой воды.

Охлаждающая производительность систем насосной рециркуляции хладагента падает до 68% от своего максимального уровня, если температура воды поднимается на 8,4° С. Это намного лучше, нежели традиционные охлаждающие установки (см. таблицу 1), но потери все еще существенны. Увеличение расхода воды или поддержание равномерного повышения температуры не дает преимуществ, как и с другими системами.

Если вы хотите воспользоваться преимуществами повышения температуры воды в чиллерах дата-центра, то иногда (не всегда) вам понадобятся дополнительные охлаждающие установки для восполнения потерянной производительности.

Один из способов – это выбрать охлаждающие установки, специально предназначенные для более теплой воды. Блоки их теплообменников могут работать с различными температурами и расходами воды. Экономия на электричестве быстро окупает повышенные первоначальные затраты на специальные установки. Теплообменники на задней дверце (RDhX) иллюстрируют более эффективную работу этих специальных водяных чиллерных систем (см. таблицу 3). Работая в тех же условиях, что и традиционные системы, RDhX теряет 24% охлаждающей производительности — до 76% от максимального значения при постоянном расходе воды — и держится на уровне 70% в случае равномерного повышения температуры. Падение производительности может быть компенсировано лишь умеренным увеличением скорости потока. 

Таблица 3.

Таблица 3 показывает пример использования RDhX с дизайном блоков теплообменника, способных работать с водой повышенной температуры без существенного снижения холодопроизводительности.

Технологии использования в чиллерах воды повышенных температур внедрены и успешно применяются на многих объектах. Но при выборе таких систем необходимо учитывать их отличительные особенности, изучать спецификации и требования по обслуживанию этого оборудования при более теплой воде в чиллере.

Примечание автора: данные для составления вышеуказанных таблиц, независимых от конкретного производителя, предоставили компании Emerson Liebert, Schneider APC. и CoolCentric.

Об авторе:

Роберт МакФарлейн – руководитель, отвечающий за проектирование дата-центра в Shen Milsom and Wilke LLC, с более чем 35-летним опытом. Он является специалистом в энергоснабжении и охлаждении, участником разработки передовых технологий прокладки кабеля и членом-корреспондентом ASHRAE TC9.9. Также г-н МакФарлейн читает курс по специализации «Дата-центры» в институте колледжа Marist (Marist College's Institute).

Теги: охлаждение, Чиллер, Температура воздуха