Elementy składowe efektywnego i bezpiecznego systemu klimatyzacji precyzyjnej centrum przetwarzania danych Ostatnia rewizja wytycznych ASHRAE w zakresie dopuszczalnych poziomów temperatury i wilgotności w centrach przetwarzania danych stworzyła możliwości podniesienia efektywności energetycznej systemów klimatyzacji precyzyjnej na niespotykane wcześniej poziomy. Wiąże się to jednak z określonym ryzykiem, dlatego przy projektowaniu naprawdę bezpiecznych i efektywnych systemów chłodzących wymagana jesto od Projektatnów wysoka świadomość i zwrócenie uwagi na kilka istotnych aspektów. Wytyczne ASHRAE z 2004 r. rekomendowały temperatury powietrza wlotowego na serwery w zakresie 20 25 C oraz wilgotność względną RH w zakresie 40 55%. Ostatnia rewizja tych wytycznych rozszerzyła rekomendowaną kopertę temperatury do 18 27 C, a minimalna wilgotność została określona jako 5,5 C temperatury termometru mokrego, wilgotność maksymalna to 60% lub 15 C temperatury termometru mokrego. Maksymalny zakres temperatury został określony na 32 lub 40 C w zależności od rodzaju serwerów lub sprzętu telekomunikacyjnego. Tak szeroka koperta temperatury i wilgotności powietrza umożliwia wykorzystanie efektu freecoolingu praktycznie na całym teryterium Europy (nawet w gorących, południowych klimatach), a w warunkach klimatycznych naszego kraju pozwala na ograniczanie czasu pracy układów sprężarkowych przez ponad 95% roku. Czy oznacza to koniec systemów klimatyzacji precyzyjnej jakie znamy i od dziś wystarczy już, że będziemy po prostu wentylować pomieszczenia serwerowni? Bynajmniej okazuje się, że rola dobrego doboru systemu chłodzącego jeszcze bardziej rośnie, bowiem może się okazać, że w pogoni za ekstremalnymi poziomami efektywności systemów klimatyzacji spowodujemy de facto zwiększenie całkowitego zużycia energii elektrycznej centrum przetwarzania danych. Jak to możliwe? Na podstawie badań przeprowadzonych przez ASHRAE na ponad 1000 różnych dostępnych na rynku sprzętów IT (serwery różnych generacji, switche itp.) okazuje się, że przyrost temperatury powietrza wlotowego na serwery powoduje zwiększenie przepływu powietrza, a przez to poboru mocy elektrycznej przez wentylatory serwerów. Zmiana temperatury wlotowej w zakresie 15 25 C powoduje zwiększenie przepływu powietrza o 5 35%, co przekłada się na wzrost zużycia energii serwerów w zakresie 2 3% (wartość pomijalna). Natomiast zmiana temperatury w zakresie 15 35 C oznacza przyrost przepływu powietrza w zakresie 20 150%, co oznacza wzrost zużycia energii o 7 20%! (rys. 1). Efektywność energetyczna systemów klimatyzacji precyzyjnej określana jest współczynnikiem PUEm (ang. mechanical power usage efectiveness).
RYS1. Zależność przepływu powietrza i poboru mocy elektrycznej przez wentylatory serwerów od temperatury wlotowej Współczynnik ten jest ilorazem całkowitego poboru mocy elektrycznej serwerów i systemu klimatyzacji precyzyjnej przez pobór mocy elektrycznej serwerów. Współczynnik ten jest zawsze większy od jedności, a dziesiąta (lub setna) część określa procentowy udział zużycia energii systemów klimatyzacyjnych w całkowitym bilanse energii. Zwiększenie zużycia energii serwerów poprzez podniesienie temperatury powietrza wlotowego powyżej +24 C powoduje zwiększenie mianownika współczynnika PUE i paradoksalnie, osiągając wspaniałe poziomy efektywności (na rynku spotykane są już wartości na poziomie 1,04 1,09), możemy spowodować znaczące zwiększenie rachunków za energię elektryczną użytkownika końcowego. Dlatego właśnie tak istotna jest świadomość Projektanta tych systemów, bowiem ślepe porównywanie współczynników efektywności, bez zagłębienia się w szczegóły ich kalkulacji, może skutkować efektem dokładnie odwrotnym od zamierzonego. Pierwszym warunkiem naprawdę oszczędnego systemu klimatyzacji precyzyjnej jest zatem utrzymanie temperatury powietrza wlotowego na serwery w zakresie max. 22 24 C. Rys. 2. Przykładowa zabudowa systemu Liebert Smart Aisle z zamknięciem strefy zimnej oraz zaślepieniem niewykorzystanych miejsc w szafach rack dla zapewnienia prawidłowego obiegu powietrza Kolejnym krokiem jest precyzyjne wydzielenie strefy gorącej i zimnej (przez precyzyjne wydzielenie mam na myśli nie tylko zabudowę korytarzy zimnych lub gorących, ale również zaślepienie wszystkich miejsc w szafach rack, które nie są wypełnione serwerami, uszczelnienie przejść kablowych w podłodze technicznej itp.). Cel, który chcemy osiągnąć, to umożliwienie odpływu zimnego powietrza z zamkniętego korytarza jedynie przez serwery (uniknięcie fałszywego obiegu powietrza ze strefy zimnej do gorącej i vice versa). Rysunek 2. przedstwia prawidłowe wykonanie zabudowy korytarza zimnego. Okazuje się jednak, że fizyczne zabudowanie strefy zimnej, bez kontroli ilości powietrza
nawiewanego, tylko połowicznie rozwiązuje problem efektywności. Pozytywnym efektem wykonania zabudowy jest możliwość podniesienia temperatury powietrza powrotnego do szaf klimatyzacji precyzyjnej (do około 28 30 C), jednak brak regulacji ilości nawiewanego powietrza w funkcji rzeczywistego zapotrzebowania serwerów może powodować powstawanie znacznego nadciśnienia w strefie zamkniętego korytarza, co niekorzystnie wpływa na ich żywotność (zgodnie z wytycznymi dostawców serwerów powinny one pracować przy ciśnieniu atmosferycznym). Trzecim krokiem efektywnego systemu klimatyzacji serwerowni jest zatem precyzyjne zbilansowanie ilości nawiewanego powietrza do bieżącego zapotrzebowania sprzętu IT. Element ten nie może być bagatelizowany bowiem w erze wirtualizacji i Cloud Computingu obciążenie serwerów oraz ich zapotrzebowanie na powietrze może się znacząco zmieniać w czasie rzeczywistym. Dopasowanie ilości nawiewanego powietrza został osiągnięty przez odwrócenie logiki sterowania szaf klimatyzacji precyzyjnej i umieszczenie czujnika temperatury w zimnym korytarzu (rys. 3.). Żądana temperatura do utrzymania w strefie zimnej (np. 22 24 C) ustawiona jest właśnie na tym czujniku, dzięki czemu ilość powietrza nawiewanego przez szafę klimatyzacyjną jest kontrolowana w czasie rzeczywistym w zależności od ilości powietrza pobieranego przez serwery. Rys. 3. Czujnik temperatury powietrza nawiewanego w zimnym korytarzu opatentowana przez Emerson Network Power logika sterowania Liebert Smart Aisle Jeżeli system szaf klimatyzacyjnych nawiewa więcej powietrza niż w danym momencie pobierają serwery, część zimnego powietrza ucieka przez otwór rewizyjny zamkniętego korytarza, powodując ochładzanie czujnika i obniżenie obrotów wentylatorów. Jeżeli natomiast obsługa serwerowni dołoży nowe serwery do korytarza lub istniejące serwery zaczną pracować ze zwiększoną wydajnością (pobierając więcej powietrza), powietrze zasysane ze strefy gorącej podgrzewa czujnik i powoduje natychmiastowe zwiększenie ilości nawiewanego powietrza. Taka logika sterowania powoduje znaczne obniżenie nadciśnienia w strefie podłogi technicznej i zimnego korytarza (waha się ono w granicach 0 4 Pa), a dopasowanie ilości nawiewanego powietrza do ilości powietrza pobieranego przez serwery powoduje, że pracują one przy optymalnym przyroście temperatury (10 25 K w zależności od typu zastosowanego serwera, temperatura w strefie gorącej staje się temperaturą wynikową, zmienną w czasie). Dodatkowym, pozytywnym efektem jest brak konieczności stosowania przepustnic regulacyjnych na kratkach nawiewnych w korytarzu zimnym, bowiem to serwer jest teraz elementem decydującym o ilości powietrza, która wpływa do danego korytarza. System działa sprawnie nawet w sytuacji, gdy obsługuje w jednym pomieszczeniu kilka zabudowanych korytarzy IT o zróżnicowanym obciążeniu cieplnym.
Rys. 4. Schemat rozkładu temperatury w serwerowni przy zamkniętym korytarzu zimnym i kontroli systemu klimatyzacji w funkcji temperatury w zimnej strefie Zastosowanie opisanej powyżej logiki sterowania przekłada się na uzyskanie bardzo wysokiej temperatury powietrza wlotowego na szafę klimatyzacji precyzyjnej (rys. 4. w zależności od zastosowanego typu serwerów temperatura w strefie gorącej może wynosić 34 49 C), dzięki czemu możliwe było znaczące podniesienie temperatury wody chłodzącej. Dostępne obecnie chillery Liebert HPC G ze zintegrowanymi wymiennikami freecooling umożliwiają pracę z maksymalnym reżimem wodnym 20/26 C, co oznacza bardzo wysoką efektywność w trybie sprężarkowym (EER>4,0), szybkie przejście do pracy w trybie freecoolingu mieszanego (FC+DX) oraz do pracy w trybie pełnego freecoolingu (full FC). Jako przykład zoptymalizowanego energetycznie systemu klimatyzacji precyzyjnej przeprowadzono obliczenia dla dużego centrum przetwarzania danych (moc IT/obciążenie chłodnicze ~4,55 MW), wymagany poziom redundancji systemów 2N (należy zapewnić dwa niezależne systemy mogące zapewnić odprowadzenie 100% nominalnego obciążenia chłodniczego na wypadek awarii jednego z systemów). Temperatura utrzymywana w strefie zimnej to +24 C, co oznacza że nie występuje wzrost zużycia energii systemów IT. W komorze IT pracują szafy klimatyzacji precyzyjnej Liebert PCW w oparciu o logikę sterowania Liebert Smart Aisle. Oba systemy po stronie agregatów chłodzących pracują na parametrach 18/26 C, zatem system zaczyna pracę w trybie freecoolingu przy temperaturze powietrza zewnętrznego na poziomie +25 C (zgodnie ze statystycznym profilem temperatury Warszawy czas pracy w pełnym trybie sprężarkowym to zaledwie 226,9 h w ciągu roku, tj. 2,5%). Średnioroczna efektywność energetyczna opisanego wyżej systemu w warunkach temperaturowych Warszawy to PUEm=1,071. Roczne zużycie energii elektrycznej tego systemu wynosi 2 844 462 kwh, przy zużyciu energii systemów IT na poziomie 39 858 000kWh. Dla porównania system klimatyzacyjny o efektywności na poziomie PUEm=1,30 (co jeszcze do niedawna było rynkowym standardem) zużywałby przy tych samych założeniach brzegowych 11 957 400 kwh/rok, zatem zastosowanie najnowszych rozwiązań klimatyzacyjnych umożlwia obniżenie zużycia energii elektrycznej o blisko 80%, przy zachowaniu całkowitego bezpieczeństwa systemu i zastosowaniu najnowszej generacji rozwiązań sprawdzonych w wielotetniej praktyce.
Rys. 5. Analiza energetyczna systemu klimatyzacji precyzyjnej centrum przetwarzania danych o zapotrzebowaniu mocy 4,55 MW Dla pełnego obrazu projektowego należy wspomnieć jeszcze o dwóch niezwykle istotnych komponentach systemu klimatyzacji precyzyjnej: wentylacja oraz systemy pompowe. Wentylacja komory IT (dostarczanie powietrza świeżego) i związana z nią regulacja wilgotności rozwiązania klimatyzacji precyzyjnej z wysokim reżimem wodnym pracują przy SHR=1, co oznacza, że 100% wydajności chłodniczej dostarczanej przez szafy to wydajność jawna (w warunkach ustalonych system pracuje bez wykraplania wilgoci). Wentylacja mechaniczna jest głównym elementem powodującym zaburzenie poziomu wilgotności w komorze w okresach letnich może dostarczać powietrze o wysokiej zawartości wilgoci, natomiast zimą powietrze suche. Nawilżanie powietrza może odbywać się na poziomie szaf klimatyzacyjnych (dostępne są zróżnicowane rozwiązania nawilżania: parowe, ultradźwiękowe, infrared (lampy kwarcowe)), natomiast na obowiązkowym wyposażeniu central wentylacyjnych musi znaleźć się system umożliwiający odwilżanie powietrza świeżego. W przypadku, kiedy praca układów sprężarkowych na potrzeby produkcji chłodu została zminimalizowana do aktualnych poziomów może się okazać, że niewłaściwie zaprojektowany system pompowy może mieć wyższe roczne zużycie energii elektrycznej niż chiller. Projektanci systemów hydraulicznych powinni zatem zwrócić baczną uwagę na ten element i zastosować rozwiązania pozwalające na optymalizację również tego elementu składowego (zmiennoprzepływowe obiegi wtórne, pompy obiegowe z przetwornicami częstotliwości, optymalizacja oporów instalacji i wysokości podnoszenia pomp). Na podstawie powyższej analizy można wyróżnić następujące elementy składowe efektywnego systemu klimatyzacji precyzyjnej: precyzyjne wydzielenie stref gorących i zimnych, utrzymywanie w strefie zimnej temperatury powietrza na poziomie 22 24 C, precyzyjna regulacja wydajności szaf klimatyzacji precyzyjnej w funkcji aktualnego zapotrzebowania na powietrze przez serwery, maksymalizacja reżimu wodnego układu chłodzącego (ograniczenie czasu pracy układów sprężarkowych, podniesienie efektywności tych układów w warunkach nominalnych), kontrola wilgotności na poziomie wentylacji mechanicznej (możliwość odwilżania), optymalizacja układów pompowych. Podsumowanie Najważniejszą cechą systemów insfrastruktury w aplikacjach o ciągłości krytycznej dla
funkcjonowania biznesu (ang. Business Critical Continuity) jest ich bezpieczeństwo. Jest to element bezsprzecznie priorytetowy, dlatego nie wolno akceptować kompromisów, które w imię zwiększania efektywności wprowadzają istotne zagrożenia dla bezpieczeństwa sprzętu IT. Rozwiązania przedstawione w niniejszym opracowaniu gwarantują bardzo wysoki poziom efektywności energetycznej przy zachowaniu najwyższych standardów w zakresie ciągłości funkcjonowania i bezpieczeństwa obiektu. Autor: Piotr KOWALSKI - Dyrektor Działu Inżynierskiego Emerson Network Power Sp. z o.o. Źródło: Ch&K 6/2013 KONTAKT Emerson Network Power E-mail: biuro@emersonnetworkpower.pl WWW: www.emersonnetworkpower.com Tel: +48 22 607 25 17 Adres: Szturmowa 2A 02-678 Warszawa