| Рубрикатор |  |
 |
| Статьи |  |
ИКС № 12 2010 | |
|
| Евгений 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.
 |
 |
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.
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 чиллеровПеречисленные 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.
Адрес: 105082, Россия, г. Москва, 2-й Ирининский пер, д. 3