Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 03 2012
Джон БИН  Джон НИМАНН  Виктор АВЕЛАР  13 марта 2012

Экономичные режимы работы систем охлаждения ЦОДов. Часть 3.

Часть 3. Максимум времени – в экономичном режиме.  Продолжаем сравнительный анализ экономичных режимов. Как добиться, чтобы система охлаждения как можно дольше работала в экономичном режиме и меньше – в неэкономичном? (Окончание. Начало см. «ИКС» №12’2011, с. 76; №1-2’2012, с. 80).

Сравнение количественных характеристик

Напомним, что во 2-й части статьи мы выбрали из 15 возможных типов экономичных режимов те, для которых выполняются два условия: возможна работа в смешанном режиме, с пониженной нагрузкой на компрессор, и поддерживается испарительное охлаждение. Для шести выбранных режимов мы провели сравнительный анализ с учетом качественных характеристик. Теперь сравним те же режимы по ряду количественных характеристик (табл. 2); лучший по каждому показателю режим выделен цветным фоном.

Годовое потребление воды

Использование градирни предполагает значительный расход воды на испарение, происходящее круглогодично, в любой сезон (около 150 л воды на 1000 т холодопроизводительности1). В случае экономичных режимов, не использующих градирни, потребление воды значительно меньше, так как испарительное охлаждение применяется только при жаркой погоде.

Капитальные затраты на систему охлаждения

В эти затраты включаются расходы на проектирование, стоимость всех материалов и работ по установке, все накладные расходы по проекту, связанные с системой охлаждения в целом, исчисляемые в долларах на ватт ИТ-нагрузки. Например, для режима обхода чиллера на базе теплообменника учитывается стоимость чиллера. Этот вариант характеризуется наивысшими среди всех рассматриваемых капитальными затратами – из-за стоимости градирни, трубопроводов, насосов и разрабатываемой на заказ системы управления. Проектирование и реализация системы управления влекут за собой существенные затраты, поскольку большинство компонентов (если не все) приобретаются у разных производителей, а значит, для надежного функционирования системы и получения ожидаемой экономии потребуются разработка заказного ПО, его тестирование, верификация и настройка. Затраты на настройку такой системы обычно распределяются на год или более продолжительный срок. В настоящем анализе эти затраты отнесены к капитальным, но можно рассматривать их и как эксплуатационные.

Система охлаждения с режимом обхода моноблочного чиллера на базе орошаемого теплообменника обходится примерно на 23% дешевле благодаря тому, что в подсистему обмена теплом с окружающей средой входит не так много компонентов и меньше потребность в настройке. С другой стороны, для такой системы характерен более высокий показатель PUE ЦОДа (меньшая эффективность).

Годовые затраты на обслуживание системы охлаждения

Система из чиллера и градирни широко применяется в ЦОДах и хорошо подходит на роль эталона для сравнительного анализа эксплуатационных расходов. В табл. 2 годовые расходы на эксплуатацию приведены в процентах по отношению к такой системе. В расчет годовых эксплуатационных расходов включаются все компоненты системы охлаждения во всех режимах работы, в том числе в экономичных. Например, для режима обхода чиллера на базе теплообменника в расчетах учитывается чиллер. Системы охлаждения с экономичными режимами, в которых применяется воздух, характеризуются меньшими эксплуатационными расходами, но большим числом компонентов и повышенным уровнем сложности.

Полные затраты энергии на охлаждение

Эта характеристика представляет собой годовое потребление энергии всей системой охлаждения. Хуже других по данному показателю выглядит экономичный режим с обходом компрессора фреонового кондиционера с использованием второго змеевика в корпусе периметрального кондиционера. Основная причина этого – в низкой энергоэффективности распределенных систем охлаждения. А наилучший показатель – у режима обхода кондиционера на базе воздушного теплообменника; второе место с минимальным отрывом занимает режим с обходом кондиционера на базе вращающегося теплообменника. 

Полезно также сравнить энергопотребление в экономичном режиме с традиционной системой из чиллера и градирни, используемой в большинстве ЦОДов мощностью от 1 МВт. Эта базовая система предполагает применение периметрального охлаждения без разделения разнотемпературных воздушных потоков и без экономичных режимов, с температурой чиллерной воды 7,2°C2 и вентиляторами постоянной производительности в фанкойлах. Сравнение различных экономичных режимов с этим базовым уровнем по коэффициенту эффективности энергопотребления системы охлаждения (CLF)3 проводилось для 11 городов (рис. 8), где имеется значительное количество ЦОДов. CLF представляет собой составляющую PUE, относящуюся к системе охлаждения ЦОДа.

Если не брать нетипичные климатические условия, такие как в Сингапуре, любой из рассматриваемых режимов обеспечивает экономию энергии в сравнении с базовой системой. Режим с обходом кондиционера на базе воздушного теплообменника характеризуется наименьшим расходом энергии на охлаждение практически во всех рассматриваемых климатических зонах: 381 385 кВт∙ч в среднем в год. Это соответствует экономии в 79% в сравнении с базовой системой, в среднем расходующей 1 834 403 кВт∙ч в год. Хорошие результаты показывает и режим с обходом кондиционера на базе вращающегося теплообменника.

Общее время работы в экономичном режиме

Этот показатель говорит о том, сколько часов в год в среднем система охлаждения работает в полностью экономичном режиме. Напомним, что в статье анализ базируется на характеристиках ЦОДа, расположенного в Сент-Луисе (шт. Миссури, США), – данный показатель сильно зависит от географического положения. Режим обхода кондиционера с непосредственным использованием наружного воздуха характеризуется наименьшим общим временем работы в экономичном режиме – из-за ограничений по влажности в помещениях ЦОДа. В рассматриваемом примере он может работать без вспомогательного охлаждения в течение 7074 ч в год.

Общее время работы в смешанном режиме

Когда погодные условия недостаточно благоприятны и экономичный режим не обеспечивает нужной температуры в ЦОДе, приходится прибегать к дополнительному компрессорному охлаждению. Это очень важный элемент, поскольку в мире не так уж много климатических зон, где возможна круглогодичная работа систем охлаждения в экономичном режиме. Очень часто система работает в смешанном режиме гораздо дольше, чем в экономичном, что позволяет добиться заметно более существенной экономии от смешанного режима. Режим обхода кондиционера с непосредственным использованием наружного воздуха характеризуется наименьшим общим временем работы в смешанном режиме – из-за ограничений по влажности в помещениях ЦОДа.

Оценка среднегодового значения PUE

Показатель эффективности использования энергии (Power Usage Effectiveness, PUE) рассчитывается как отношение общего энергопотребления ЦОДа к энергопотреблению ИТ-оборудования (предполагается типовая инфраструктура электропитания). Режим обхода компрессора периметрального кондиционера, ус-тановленного в ЦОДе, с использованием второго змеевика внутри корпуса кондиционера дает наивысшее (т.е. наихудшее) среднегодовое значение PUE – 1,39. Самое же низкое значение PUE, 1,25, – у режима обхода кондиционера на базе воздушного теплообменника, что соответствует примерно 26%-ной экономии на счетах за электроэнергию в сравнении с базовой системой (PUE 1,68).

От чего зависит время работы в экономичном режиме

Сколько часов в год система охлаждения сможет работать в том или ином экономичном режиме, зависит от ряда факторов. Наиболее важный из них – географическое положение ЦОДа. Весьма существенно также влияют конструкция системы охлаждения и ее уставки. 

Географическое положение

Допустимость работы в экономичном режиме полностью зависит от географического положения ЦОДа. В определенные сезоны погодные условия могут делать ее вообще невозможной. Информацию об общем времени работы в экономичном режиме публикуют ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and AirConditioning Engineers – Американское общество инженеров по системам отопления, охлаждения и кондиционирования воздуха), NREL (National Renewal Energy Lab – Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии), NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration – Национальное управление по изучению и освоению океана и атмосферы) и ряд других организаций. Эти показатели рассчитываются по данным метеонаблюдений для конкретной местности.

Уставки системы охлаждения

Существует два основных способа увеличения общего времени работы в экономичном режиме: 1) выбор места с более благоприятными климатическими условиями и 2) повышение температуры на воздухозаборниках серверов. Очевидно, что для действующих ЦОДов первый способ нереален. Зато второй вполне реален и в настоящее время применяется и в новых, и в существующих дата-центрах. В версии ASHRAE Standard TC9.9 от 2008 г. максимально допустимая температура на воздухозаборнике сервера (по показаниям сухого термометра) была повышена с прежних 25 до 27°C. Однако уставка температуры кондиционированного воздуха зависит не только от этой величины, но и от качества разделения горячих и холодных воздушных потоков.

Разделение воздушных потоков

В типичном ЦОДе горячий и холодный воздух в значительной мере смешиваются – из-за неоптимального размещения шкафов с оборудованием и плохого управления воздушными потоками. В таком сценарии при уставке температуры кондиционированного воздуха 27°C температура на воздухозаборнике сервера может доходить до 32°C. Это означает, что данную уставку приходится значительно снижать.

Чтобы повысить уставку температуры кондиционированного воздуха и, как следствие, общее время работы в экономичном режиме, необходимо разделить горячие и холодные воздушные потоки. Здесь возможны два варианта: с изоляцией «горячих» либо «холодных» коридоров. В новом строительстве всегда используется первый, поскольку он обеспечивает значительно большее общее время работы в экономичном режиме. Разделение разнотемпературных воздушных потоков позволяет получить значительную прибавку в эффективности в любом ЦОДе, использующем экономичный режим. В целом считается, что нет смысла вкладывать средства во внедрение экономичного режима, пока ЦОД не оснащен той или иной системой разделения разнотемпературных воздушных потоков.

Как уменьшить использование неэкономичных режимов

До недавнего времени экономичные режимы работы системы охлаждения рассматривались как вспомогательные, дополняющие основную систему. В большинстве ЦОДов охлаждение проектировалось таким образом, чтобы проектная холодопроизводительность достигалась в базовом режиме, при отключенном экономайзере. Однако по мере оптимизации ЦОДов с точки зрения энергоэффективности экономичные режимы становятся основными, в результате чего открывается ряд новых возможностей повышения экономической эффективности дата-центра.

1. Если конструкция рассчитана на работу в смешанном режиме даже в самых неблагоприятных условиях, так что на компрессорную систему охлаждения никогда не возлагается полная нагрузка ЦОДа, можно установить компрессорную систему меньшей мощности – с соответствующим сокращением капитальных затрат и повышением эффективности.

2. Если конструкция рассчитана на работу только в экономичном режиме даже в самых неблагоприятных условиях, можно вообще отказаться от компрессорного охлаждения.

3. Если конструкция рассчитана на работу в экономичном режиме почти в любых условиях, кроме самых неблагоприятных, можно отказаться от компрессорного охлаждения, внедрив систему управления потребляемой мощностью ИТ-систем или перераспределения ИТ-нагрузки между несколькими ЦОДами.

Внедрение конструктивных решений, позволяющих сократить либо исключить использование компрессорного охлаждения, сделает возможным создание высокоэффективных систем охлаждения ЦОДов. Этот новый подход к построению системы охлаждения позволяет снизить ее энергопотребление примерно наполовину в сравнении с традиционными подходами и в то же время повышает масштабируемость и готовность, упрощает техническое обслуживание.

Подведем итоги

В прошлом экономичные режимы работы систем охлаждения в большинстве дата-центров всерьез даже не рассматривались. С тех пор многое переменилось: значительно выросли энерготарифы, необходимая температура охлаждающего воздуха повысилась, появились требования ограничить углеродные выбросы. Новые стандарты и нормативы, такие как ANSI/ASHRAE Standard 90.1-2010 и UK Carbon Reduction Commitment, заставляют руководителей ЦОДов задумываться над снижением энергопотребления. Ряд экономичных режимов работы систем охлаждения применим в широком диапазоне климатических условий. А во многих местностях такие режимы могут выступать в качестве основных – с переводом компрессорных систем охлаждения на роль дополнительных или резервных.

В определенных климатических зонах экономичные режимы позволяют экономить более 70% расходов на годовое энергопотребление системы охлаждения, что соответствует снижению среднегодового показателя PUE ЦОДа более чем на 15%. Однако экономичных режимов, существует по крайней мере 15 типов, и для них нет четких определений. поэтому прежде всего необходимо выработать единую терминологию, без которой невозможно сравнение, выбор или составление спецификаций систем охлаждения с экономичными режимами. Предлагаемые в настоящей статье терминология и определения, наряду со сравнением экономичных режимов по количественным и качественным характеристикам, призваны помочь проектировщикам ЦОДов принимать правильные решения.  

 ______________________________

1 Arthur A. Bell, Jr., HVAC Equations, Data, and Rules of Thumb. New York: McGraw-Hill, 2000, с. 243.

2 В системе на чиллерной воде экономичный режим позволяет повысить рабочую температуру. А повышение температуры чиллерной воды до 10–15°C значительно увеличивает общее время работы в экономичном режиме.

3 Коэффициент CLF определяется как отношение общего энергопотребления системы охлаждения к энергопотреблению ИТ-нагрузки (последнее в рассматриваемом примере равно 500 кВт × 8760 ч/год).

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