Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 04 2012
Рэмзи НЭЙМЕК  Эрик ФУРНЬЕ  10 апреля 2012

Как снизить энергопотребление ЦОДа за счет выбора параметров работы чиллера

Ослабление требований к температурным параметрам, в расчете на которые традиционно проектируются и эксплуатируются ЦОДы, в сочетании с оптимизацией устройства коридоров между рядами серверных стоек позволяет существенно снизить мощность, потребляемую чиллерной установкой, и следовательно, сэкономить энергоресурсы.

В помещениях, где размещается компьютерная техника, важнейшая задача – недопущение перегрева и выхода из строя микропроцессорных чипов. Для этого к серверам подается поток холодного воздуха. Однако не следует, стремясь добиться комфортных по охлаждению условий, ставить перед собой цель подавать воздух с температурой 55°F (12,8°С). Это приведет к завышению мощности холодильных установок и к излишнему расходу электроэнергии. И руководящие указания ASHRAE TC9.9, и публикации Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли* (*High Performance Data Centers, LBNL and Pacific Gas and Electric Study, 2006.)  допускают, чтобы на серверы поступал воздух с температурой до 27°С. Исследования, проведенные фирмами – производителями серверов, показали, что их оборудование способно безотказно работать при более высоких температурах входного охлаждающего воздуха. Поскольку львиная доля нагрузки по охлаждению в ЦОДе приходится на отвод явного тепла, а тепловые нагрузки, обусловленные скрытой теплотой, весьма незначительны, то повышение температуры охлаждающей воды является гарантированным способом снижения энергопотребления холодильной установки. Достигается это благодаря уменьшению разности давления хладагента в конденсаторе и в испарителе чиллера и благодаря тому, что в процессе отвода явного тепла удается избежать ненужного осушения воздуха.

Проектировщики приняли во внимание рекомендации ASHRAE, и в результате был разработан вариант размещения охлаждаемого оборудования в ЦОДе по схеме «горячий коридор» (HAC) – «холодный коридор» (CAC). Эта схема размещения способствует подаче требуемого количества холодного воздуха к фронтальным панелям серверов и минимизирует вредное перемешивание потоков горячего и холодного воздуха в проходах, что является шагом в правильном направлении.

К сожалению, проектировщики и службы эксплуатации не спешат с внедрением двух мероприятий, направленных на экономию электроэнергии. Первое сводится к повышению температуры охлаждающей воды на выходе из чиллера (Leaving Chilled Water Temperature – LCHWT) и температуры охлаждающего воздуха, подаваемого в помещение ЦОДа. Второе состоит в увеличении разности между входной (Entering Chilled Water Temperature – ECHWT) и выходной LCHWT температурами охлаждающей воды (∆T), которая в традиционной практике находится в диапазоне от 5,6 до 6,7°С.

Повышение LCHWT

Переход на более высокие температуры охлаждающей воды и воздуха в ЦОДе имеет целый ряд полезных следствий для экономии энергоресурсов. Работа на воде с более высокой температурой на выходе холодильной установки (LCHWT) – один из способов уменьшить разность давлений хладагента холодильной машины. В практике охлаждения промышленных объектов с целью обеспечения комфортных условий упор делается на понижение перепада давления путем изменения температуры воды в конденсаторе в зависимости от температуры окружающей среды при поддержании постоянной температуры воды в испарителе. В результате давление на стороне конденсатора понижается. В ЦОДе охлажденная вода, поступающая из холодильной установки, может иметь более высокую температуру (LCHWT), что позволяет понизить перепад давлений со стороны испарителя, повысив давление хладагента в испарителе, и добиться того же самого эффекта уменьшения перепада давлений хладагента холодильной установки в целом. Переход на более высокое значение LCHWT в данном случае оказывается возможным благодаря тому, что, как говорилось выше, охлаждение в ЦОДе осуществляется путем отвода в основном явного тепла.

О других положительных эффектах повышения температуры охлаждающей воды и воздуха можно сказать следующее. Переход на более высокие температуры воздуха приводит к уменьшению потребности в охлаждении потоков воздуха, а это означает, что снижается энергопотребление вентиляторов. Повышение температуры как воздуха, так и воды увеличивает продолжительность эксплуатационного периода, когда можно включать экономайзеры на стороне воды или на стороне воздуха. Компрессор либо стоит, либо работает на неполной нагрузке на протяжении всего или существенной части периода работы в режиме естественного охлаждения (фрикулинга), что также означает сокращение энергопотребления. Кроме того, уменьшение расхода электроэнергии на чиллер позволяет использовать для удовлетворения потребностей ЦОДа электрогенератор меньшей мощности. Если говорить в современных терминах, то все вышеперечисленное сводится к повышению эффективности использования энергии в ЦОДе и к уменьшению вредных экологических последствий его функционирования.

В качестве примера рассмотрим центробежный чиллер производительностью 1000 тонн холода США* (*1 тонна холода США – это количество энергии, которое необходимо отобрать, чтобы 1 т воды при температуре 0°С за 24 ч превратить в лед при температуре 0°С. – прим. ред.) (3513 кВт), у которого параметр LCHWT варьируется в диапазоне от 5,6 до 15,6°С с шагом 0,55°С. Температурный дифференциал испарителя поддерживается постоянным на уровне 7,8°С; аналогично температурный дифференциал конденсатора сохраняется равным 6,7°С при температуре воды 36,1°С на входе и 29,4°С на выходе. Эксперимент с указанным изменением температуры воды на выходе чиллера LCHWT проводился на машине семейства Trane. Полученные результаты вполне предсказуемы. При повышении температуры охлаждающей воды с 5,6 до 15,6°С потребляемая мощность чиллера уменьшилась примерно на 115 кВт, т.е. на 29% (рис. 1). Исходя из того, что большинство холодильных установок работают (при постоянном значении ∆T) на LCHWT в диапазоне 5,6–7,8°С, перевод LCHWT в окрестности 12,8°С позволяет сократить расход электроэнергии на 14–18%. А если пойти на более «агрессивный» вариант и повысить LCHWT до 15,6°С, то можно добиться еще более существенного снижения энергопотребления – до 25–32%. При правильном размещении оборудования по схеме CAC/HAC и хорошем автоматическом регулировании чиллера повышение температуры охлаждающей воды и соответствующее повышение температуры воздуха, подаваемого в ЦОД, не только допустимо, но и дает значительный экономический эффект в виде экономии потребляемой электроэнергии.

Увеличение разности температур воды на входе и выходе чиллера

Еще один способ экономии электроэнергии при работе чиллеров – увеличение разности температуры воды на входе и выходе чиллера (∆T = ECHWT – LCHWT). Расход воды и параметр ∆T связаны между собой обратной зависимостью в соответствии с формулой:

Массовый расход = Тепловая нагрузка / Удельная теплоемкость × ∆T

При постоянной тепловой нагрузке холодильной установки с ростом ∆T расход воды уменьшается линейно (1:1). Однако мощность насоса (HP) связана с массовым расходом кубической зависимостью (GPM – расход в г/мин):

HP1 / HP2 = (GPM1 / GPM2)3 .

С уменьшением расхода требуемая мощность насоса соответствующим образом уменьшается. Это приводит к значительному сокращению энергопотребления всей установки в целом. Далее, уменьшение расхода и возможность использования насосов меньших габаритов позволяют устанавливать менее мощные частотно-регулируемые приводные электродвигатели и применять на объекте трубопроводы меньших диаметров.

В качестве примера рассмотрим холодильную установку производительностью 4000 тонн холода США (14 052 кВт), функционирующую в ЦОДе площадью примерно 9300 м2 с тепловыделением порядка 1,6 кВт/м2 (реальная установка находится в Вашингтоне, округ Колумбия). Объект обслуживается четырьмя 1000-тонными центробежными чиллерами, четырьмя 1000-тонными башенными градирнями и насосной системой переменной производительности. Параметр LCHWT изменялся в диапазоне от 5,6 до 13,3°С с шагом 1,1°С.

Было проведено компьютерное моделирование с двумя значениями параметра ∆Т, что позволило получить данные для достаточно точной интерполяции в пределах диапазона изменения LCHWT. В базовом варианте (табл. 1) моделирование проводилось для значения ∆Т = 5,6°С. В альтернативном варианте было взято значение ∆Т = 8,9°С (табл. 2). В обоих случаях параметр ∆Т для воды на стороне конденсатора был принят равным 6,7°С, при этом температура воды на выходе конденсатора была равна 29,4°С. Стоимость электроэнергии принята равной $0,08 за 1 кВт (т.е. цене, по которой электроэнергия отпускается на коммунальные нужды).

Прежде чем анализировать данные о суммарной экономии электроэнергии для обоих значений параметра ∆Т, обратим внимание на один важный момент. Температура возвратного воздуха на блоках вентиляционного агрегата компьютерного зала (CRAH) увеличивается пропорционально росту LCHWT (рис. 2). Температура возвратного воздуха может служить мерой средней температуры воздуха в помещении, и нужно подчеркнуть прямую корреляцию этой величины с параметром LCHWT, что может оказывать отрицательное влияние на температурный режим в ЦОДе. На практике это означает, что надлежащее размещение рядов стоек по схеме HAC/CAC с тем, чтобы направлять горячий воздух обратно на блоки CRAH, является обязательным. Если этого не сделать, то потребуется установить большее число этих блоков, чтобы компенсировать более высокую температуру возвратного воздуха. В результате электродвигатели вентиляторов блоков CRAH будут потреблять электроэнергии больше, чем чиллеры и насосы. Наша компьютерная модель схему размещения оборудования в ЦОДе учитывала, поэтому температура возвращаемого воздуха менялась с изменением LCHWT, но это не потребовало повышения мощности вентиляторов блоков CRAH.

А вот зависимость мощности насоса охлаждающей воды от параметра ∆Т обратная: при повышении ∆Т от 5,6°С до 8,9°С мощность снизилась на 57% (рис. 3). Как будет показано ниже, такое уменьшение мощности значительно снижает энергопотребление объекта в целом.

Суммарное потребление электроэнергии в ЦОДе при повышении температуры воды на выходе чиллера снижается на 13% при обоих вариантах значения параметра ∆T (рис. 4). Однако при переходе от базового (∆T = 5,6°С) к альтернативному варианту (∆Т = 8,9°С) энергопотребление сокращается еще на 6–8%.

Большинство существующих чиллерных установок рассчитаны на работу в режиме, который можно назвать базовым: LCHWT = 6,7–7,2°С, ∆T = 5,6°С. Поэтому у пользователей может появиться естественное желание посмотреть, какую экономию электроэнергии можно получить, если при любом допустимом значении LCHWT перейти на ∆T = 8,9°С. Экономия может составить от 6 до 18% (рис. 5). Зону, где LCHWT находится в диапазоне 10–12,8°С, а экономия электроэнергии – 10–14%, назовем «выгодной областью». Такой термин используется потому, что переход на соответствующий температурный режим по LCHWT довольно легко реализовать без отрицательных последствий для качества автоматического регулирования работы чиллера и без существенного ухудшения теплового режима в помещении ЦОДа. Дальнейшее повышение LCHWT от 12,8 до 15,6°С «с хвостиком» обеспечивает еще большую экономию электроэнергии – между 15 и 18%. На практике это достижимо, но только при условии тесного взаимодействия с фирмой – изготовителем чиллера, поскольку необходимо предотвратить риски, связанные с работой в режиме малой разности давления хладагента в конденсаторе и в испарителе.

На рис. 5 показаны также линии, отвечающие двум еще более низким значениям параметра ∆T. Моделирование соответствующих вариантов не проводилось. Эти линии нанесены на график только для того, чтобы показать, где будут находиться промежуточные значения процента экономии электроэнергии и что соответствующие графики можно получить методом интерполяции.

Инженеры-проектировщики и службы эксплуатации могут добиться существенной экономии электроэнергии и, соответственно, денежных средств выбором оптимальных значений температуры воды на выходе из чиллера и разности температур охлаждающей воды на входе в чиллер и выходе из него. Идеальными «кандидатами» на работу в режиме с LCHWT в диапазоне 10–12,8°С при более высоком, нежели традиционно, значении ∆T являются ЦОДы. Переход на такие значения указанных параметров в «умеренном» варианте может дать экономию энергоресурсов на 10–14%, а в «агрессивном» – 15–18%.  икс 

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