Rambler's Top100
 
 
Статьи ИКС № 12 2010
Евгений Петрович ВИШНЕВСКИЙ  Тимур ТОЛОКОННИКОВ  08 декабря 2010

Резервирование и оптимизация систем холодоснабжения ЦОДов

Надежность и резервирование жизненно необходимы для ЦОДов, сбои в работе которых обходятся чрезвычайно дорого. Для систем холодоснабжения, поддерживающих микроклимат в дата-центре, резервирование не только уменьшает риск отказа системы, но и позволяет оптимизировать потребление энергии.

 Евгений ВИШНЕВСКИЙ, технический директор United Elements, канд. техн. наук  Тимур ТОЛОКОННИКОВ, ведущий инженер отдела исследований и развития United Elements
В процессе эксплуатации ЦОДа в нем необходимо постоянно поддерживать микроклиматические параметры, в частности температуру и влажность воздуха в кондиционируемых помещениях. Стандарт США для ЦОДов ANSI/EIA/TIA-942 рекомендует поддерживать температуру воздуха в пределах 20–25°С при относительной влажности 40–50%. Выход за пределы рекомендованного диапазона параметров микроклимата отрицательно влияет на работу оборудования центра и его надежность, может привести к потерям данных и остановке или отказу системы. К примеру, это может вызвать температурные деформации чувствительных компонентов серверов, что приведет к выходу их из строя или сбоям в работе. При пониженной относительной влажности существует угроза самопроизвольного электростатического разряда, который может повредить электронные компоненты или обрабатываемые данные и программное обеспечение. С другой стороны, высокая относительная влажность вызывает конденсацию влаги с сопутствующими короткими замыканиями, коррозией и повышенным износом оборудования. Для повышения надежности системы микроклимата предусматривается ее резервирование.

Схемы резервирования в ЦОДах

 В соответствии со стандартом США ANSI/EIA/TIA-942 ЦОДы делятся на четыре класса (табл. 1). Каждый класс характеризуется минимальным коэффициентом эксплуатационной готовности: этот показатель определяет вероятность безотказной работы оборудования ЦОДа в заданный период времени. Для обеспечения необходимого коэффициента эксплуатационной готовности с целью повышения надежности системы в каждом классе ЦОДов предусмотрены определенные схемы резервирования оборудования.  

В ЦОДах класса Tier 1 реализуется схема с N элементами, т.е. резервирование как таковое отсутствует. В данном случае надежность системы зависит от надежности каждого элемента и общего количества элементов, обеспечивающих работоспособность системы.

 Для ЦОДов класса Tier 2 и Tier 3 предусмотрена схема резервирования N+1. В данной схеме N элементов обеспечивают работоспособность системы при максимальной производительности и один элемент выступает в качестве резервного. Подключение элементов осуществляется таким образом, чтобы при выходе из строя одного из них суммарная нагрузка равномерно распределялась между оставшимися.  

ЦОДы класса Tier 4 имеют схемы резервирования 2(N+1) или S+S. Схемы 2(N+1) или 2N означают организацию параллельного резервирования. В обозначении схемы параллельного резервирования символ S (systems) может иметь, в частности, значение (N+1).

 Регулирование производительности чиллеров  

Перечисленные выше схемы резервирования применяются и для климатического оборудования, в том числе систем холодоснабжения. В этой связи возникает вопрос распределения мощностей чиллеров как наиболее энергоемких элементов системы холодоснабжения.

Поскольку большинство ЦОДов требуют крупных холодильных мощностей, в них, как правило, применяются чиллеры на базе винтовых компрессоров. Чтобы обеспечить необходимую производительность, в большинстве таких компрессоров используется конструкция, состоящая из осевого подвижного элемента (золотника) и уплотняющего компонента ротора компрессора. Золотник, поступательно перемещаясь вдоль оси ротора, приоткрывает отверстие байпаса, тем самым регулируя производительность. В большинстве одновинтовых чиллеров с двумя золотниками производительность регулируется одновременным (симметричным) перемещением обоих золотников вдоль ротора компрессора (рис. 1).

В асимметричном одновинтовом компрессоре нужная производительность создается за счет полной разгрузки одной стороны ротора компрессора, в то время как другая сторона остается полностью загруженной. Благодаря специальной конструкции одновинтового компрессора обеспечивается эффективный процесс разгрузки. На разгруженной стороне отсутствует ком-прессия и фактически нет потерь.

При параметрах нагрузки от 12 до 50% одна сторона винтового компрессора остается в полностью разгруженном состоянии, в то время как золотник на второй стороне перемещается в положение, соответствующее требованиям нагрузки. Для нагрузок в пределах 62–100% верхняя часть полностью загружена, а нижняя часть отрегулирована таким образом, чтобы обес-печивать точное соответствие параметрам загрузки.  

В результате эффективность одновинтового компрессора с ассиметричным регулированием производительности в режиме частичной нагрузки будет выше, чем при стандартном регулировании (с симметричным перемещением золотников). Как видно из рис. 2, при ассиметричном регулировании с уменьшением нагрузки коэффициент энергетической эффективности (COP) компрессора увеличивается по сравнению с симметричным регулированием, и наибольшее значение достигается при 50%-ной загрузке компрессора. Этот режим соответствует поло-жению золотников компрессора, когда один золотник полностью разгружен, а второй полностью нагружен.

Таким образом, работа при частичной нагрузке в диапазоне от 50 до 25% представляет интерес с точки зрения оптимизации работы чиллеров при различных схемах резервирования.

Оптимизация энергопотребления

В процессе эксплуатации ЦОДа нагрузка на систему холодоснабжения изменяется в течение года и зависит от различных параметров: температуры наружного воздуха, внутреннего тепловыделения и т.п. Резервирование этой системы позволяет включить в работу резервные агрегаты, снизив нагрузку на основные и тем самым повысив эффективность работы.

Рассмотрим систему холодоснабжения ЦОДа, расположенного в Московском регионе, холодильной мощностью 3600 кВт. Для расчета энергопотребления чиллеров в течение года были использованы климатические данные для Москвы, полученные с помощью системы компьютерного моделирования EnergyPlus в формате IWEC (International Weather Year for Energy Calculations – Международный климатический год для энергетических расчетов). Данные отражают почасовой ход параметров воздуха в течение так называемого справочного года, рассчитываемого по данным 30-летних метеорологических наблюдений.

В расчете также учитывалось неравномерное распределение нагрузок на холодильное оборудование от потребителей в течение суток (основная доля приходится на нагрузки от работающих вычислительных средств).  

В итоге было определено, что система работает с полной нагрузкой (>90%) только 9% времени. Основной же период времени (75%) система работает с 75%-ной нагрузкой и еще 16% времени – с 50%-ной нагрузкой.

 Рассматривалось резервирование чиллеров по трем схемам: N (без резервирования), N+1 и 2N при N = 2. Алгоритм работы схемы с двумя чиллерами по 1800 кВт каждый состоит в следующем. При максимальной нагрузке работают оба чиллера при 100%-ной мощности. При снижении нагрузки до 75% один чиллер продолжает работать на 100%, а второй снижает про-изводительность до 50%. При снижении общей нагрузки до 50% в работе задействованы оба чиллера с 50%-ной нагрузкой каждый (вместо работы одного чиллера на 100%).  

Алгоритм работы по схеме резервирования N+1 и 2N аналогичен предыдущей схеме с тем отличием, что нагрузка распределяется с учетом резервных чиллеров.

Данные о годовом энергопотреблении системы при схемах резервирования N, N+1 и 2N представлены в табл. 2. В результате применения резервных чиллеров (так называемое нагруженное резервирование) удалось снизить потребление электроэнергии. В случае применения одного резервного чиллера (схема N+1) потреб-ление электроэнергии снизилось на 1 031 227 кВт•ч, что составляет 15% от энергопотребления по схеме без резервирования. При двойном резервировании (схема 2N) экономия составит 1 517 145 кВт•ч в год, или 22,5% относительно схемы без резервирования.

Резервирование системы холодоснабжения способствует повышению надежности,  ремонтопригодности, гибкости и общей энергоэффективности ЦОДа. Существуют различные способы повышения степени резервирования системы. Однако каждый из них следует оценить с позиции способности системы противостоять отказам.

Во всех случаях предпочтительно применение в системах холодоснабжения чиллеров с ассиметричным регулированием производительности. Это позволяет в ходе эксплуатации системы задействовать резервное оборудование для уменьшения нагрузки на основное, реализуя при этом режим горячего резервирования и повышая общую энергоэффективность системы. За счет такого подхода удается наиболее существенно сократить энергопотребление системы холодоснабжения в системах резервирования с относительно небольшим количеством единиц используемого оборудования.

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!