Вестник УКЦ АПИК: Энергетически эффективные центры обработки данных (ЦОД). Техническое решение с совмещенными рядами

Наиболее распространенным способом охлаждения центров обработки данных (ЦОД) является подача воздуха через перфорированные панели фальшпола или непосредственно в объем помещения.

Источником обработанного воздуха при этом могут быть как кондиционеры, расположенные по периметру ЦОД (Computer Room Air Handler, CRAH) (рис. 1), так и системы централизованного кондиционирования (Central Air Handling Units, CAHU) (рис. 2). Так обеспечивается необходимое охлаждение чувствительного к тепловым нагрузкам оборудования при небольшой плотности энергопотребления — от 1 до 5 кВт на стойку.

Рис. 1(слева) Расположение кондиционеров по периметру ЦОД (CRAH)
Рис.2 (справа) Центральнаый потолочный кондиционер (CAHU)
Рис.3. Система охлаждения, непосредственно встаиваемая в ряды стоек электронного оборудования. Как видно из рисунка, система предусматривает свободную раздачу воздуха без трубопровода теплового и холодного воздушного потока

При дальнейшем возрастании энергопотребления подобные схемы воздухораспределения становятся недостаточно эффективными. Основной проблемой является большая протяженность воздушных путей. Значительное расстояние между кондиционерами и источниками тепловыделений затрудняет ассимиляцию тепла из-за смешения удаляемого и приточного воздуха.

Создание требуемого напора в камерах статического давления, а также преодоление сопротивления воздухораспределительной сети требует дополнительной мощности вентиляторов. Кроме того, из-за эффекта смешения фактический расход воздуха в традиционных схемах охлаждения существенно превышает действительно необходимый для обслуживания оборудования.

Избежать всех этих проблем позволяет использование систем охлаждения, встраиваемых непосредственно в стойки электронного оборудования (рис. 3).

Такое размещение кондиционеров не просто обеспечивает необходимый теплосъем и требуемое распределение охлажденного воздуха, но и дает определенные преимущества в части энергетической эффективности. Близость кондиционеров к источникам тепла позволяет использовать вентиляторы меньшей мощности, чем в традиционных схемах. При этом более значимой становится организация удаления теплого воздуха, а не обеспечение притока охлажденного.

Кроме того, в таких схемах возможно снижение расхода воздуха при сокращении тепловой нагрузки. При этом эффективность работы системы возрастает (рис. 4).

Способствует повышению энергетической эффективности и отсутствие эффекта смешения: поскольку нет необходимости его компенсировать, то воздух можно не переохлаждать, а поступление на охлаждающий теплообменник воздуха с более высокой температурой обеспечивает более интенсивный теплосъем.

Сравнительный анализ эффективности различных архитектур системы охлаждения ЦОД

Сравним три архитектуры систем охлаждения помещений, используемых для обработки информации. Ключевым параметром, по которому следует проводить подобное сравнение, должно быть потребление энергии, используемой системой охлаждения, на единицу энергии, выделяемой IT оборудованием.


Чем меньше значение параметра

«Эффективностьметрика» в полученном соотношении, тем более энергоэффективна рассматриваемая архитектура.

Используемые символы и константы

Cp•Air = удельная теплоемкость воздуха, 1,022 кДж/кг•0С

Cp•Water = удельная теплоемкость воды, 4,188 кДж/кг•0С

ρAir = плотность воздуха, 1,173 кг/м3

ρWater = плотность воды, 999,7 кг/м3

η = эффективность вентилятора или насоса

ηPump= эффективность насоса, 0,65

= объемный расход, м3/с

H = потеря напора, м

g = ускорение силы тяжести, 9, 81 м/с3

= холодопроизводительность кондиционера (по явному теплу), кДж/с

= нагрузка на систему охлаждения, характерная для рассматриваемой архитектуры, кВm•ч

= отношение энергии, потребляемой чиллером, к холодильной нагрузке

= временной график температуры воды конденсатора

PowerShaft = мощность на валу

LAT= температура на выходе (Leaving Air Temperature)

EAT= температура на входе (Entering Air Temperature)

PowerChiller= потребляемая чиллером мощность.

Используемые уравнения

(для вентиляторов и насосов)(2)

Общее обсуждение и сравнение

Рассматриваемые архитектуры включают в себя системы центрального кондиционирования (CAHU), кондиционеры, располагаемые по периметру помещения (СRAH), а также системы охлаждения, непосредственно встраиваемые в ряды стоек с электронным оборудованием, (In-Row Air Handler, IRAH).

Рис.4 Потребление электрической энергии вентилятором, имеющим переменную скорость вращения

В настоящем исследовании не рассматриваются вопросы, связанные с осушением или увлажнением воздуха. Однако надо заметить, что для поддержания необходимых параметров влажности и CAHU, и CRAH требуют дополнительного расхода энергии.

Рассмотрим центр обработки данных, суммарная мощность электронного оборудования и системы освещения которого составляет 0,75 МВт. Жидкостное охлаждение осуществляется с помощью парокомпрессионного чиллера, оборудованного винтовым компрессором с инверторным приводом, обеспечивающего подачу воды с постоянной температурой 7°С.?Удаление тепла от чиллера производится с использованием градирен жидкостного типа. Температура воды на выходе из градирни определяется по характеристической кривой при стопроцентном проектном значении расхода с границей температурного диапазона –12 0 С [1]. Сочетание инверторного привода компрессора с пониженным значением температуры воды в конденсаторе обеспечивает значительное увеличение эффективности работы чиллера при неполной нагрузке.

Несмотря на то, что многие схемы работы конденсаторов предусматривают возможность изменения расхода воды в зависимости от фактической нагрузки, в настоящем исследовании предполагается поддержание максимального расхода для обеспечения повышенной эффективности чиллера.

Цикл работы вентиляторов градирни регулируется в соответствии с нагрузкой на чиллер.

В таблице 2 приведено отношение энергии, потребляемой чиллером (кВт ч), к холодильной нагрузке (кВт ч). Значения для температуры воды конденсатора выше 29°C определены экстраполяцией.

j Часы,
29,5-32,2 1 194
26,7-29,4 2 916
23,9-26,6 3 1353
21,2-23,8 4 894
18,4-21,1 5 1041
15,6-18,3 6 932
12,8-15,5 7 1234
12,7 8 2196
Всего 8760
Таблица 1. Временной график температуры воды конденсатора
j
29,5-32,2 1 0,18
26,7-29,4 2 0,16
23,9-26,6 3 0,14
21,2-23,8 4 0,12
18,4-21,1 5 0,11
15,6-18,3 6 0,09
12,8-15,5 7 0,08
12,7 8 0,07
Таблица 2. Характеристика работы чиллера в зависимости от температуры воды конденсатора
Элементы энергетического баланса IRAH CRAH CAHU Единицы измерения
Мощность вентилятора AHU 30,6 88,0 83,2 кВт
Мощность насосов охлажденной воды 10,2 11,0 11,1 кВт
Мощность потребляемая чиллером, (в соответствии с уравнением 4) 83,9 94,7 94,2 кВт
Мощность насоса конденсатора 18,5 18,5 18,5 кВт
Мощность градирни 16,2 18,3 18,2 кВт
Суммарная потребляемая мощность системы охлаждения 159,4 230,5 225,2 кВт
Эффективность Метрика (в соответсвии с уравнением 1) 0,21 0,31 0,30
Годовые затраты на охлаждение 139.572 201.878 197.211 $ USD
Таблица 3. Энергопотребление системы охлаждения

Потеря напора во внешнем гидравлическом контуре принимается равной 12 м, будучи обусловлена характеристиками трубопровода и чиллера, что суммируется с потерями напора в кондиционере для каждого из рассматриваемых вариантов архитектуры. Расход охлажденной воды определяется потребностями соответствующей системы охлаждения.

Примечание: Энергосбережение за счет изменения расхода воздуха реализуемо не всеми системами охлаждения, непосредственно встраиваемыми в ряды стоек электронного оборудования. Данное свойство является специфичным для систем, работающих под управлением алгоритма, регулирующего скорость вращения вентиляторов.

Система охлаждения, непосредственно встраиваемая в ряды стоек электронного оборудования (IRAH)

Специализированные кондиционеры, встраиваемые в ряды стоек электронного оборудования, работают под управлением алгоритмов, обеспечивающих стабильность поддерживаемых температурных режимов. Обычно эти кондиционеры имеют небольшие размеры. Как уже говорилось, такая архитектура сводит к минимуму перемешивание воздуха и позволяет значительно увеличить теплосъем.

Спецификации агрегатов IRAH [2]

Расход воздуха: 1369 л/с при отсутствии потерь внешнего напора.

Холодопроизводительность по явному теплу: 25,2 кВт при температуре воздуха 35°C по сухому и 20 °С WB — по мокрому термометру.

SHR: 1,0.

Расход воды в чиллере: 1,13 л/с при напоре 8 м.

Температура воздуха на выходе: 19,70 С (в соответствии с уравнением (3).

Мощность вентилятора AHU: 1 кВт (официальные данные производителя, все потери включены).

Мощность насоса охлажденной воды: 0,34 кВт (в соответствии с уравнением (2).

Для оснащения теоретически рассматриваемого ЦОД суммарной мощностью 0,75 МВт потребуется 30 агрегатов IRAH.?При этом будет ассимилировано не только тепло, выделяемое электроникой и системой освещения, но и 30,6 кВт тепла от вентиляторов, и 10,2 кВт тепла от насосов. Общая нагрузка на чиллер, таким образом, составит 791 кВт.

CRAH

Установка по периметру ЦОД кондиционеров максимально доступной на современном рынке холодопроизводительности в настоящее время стала общепринятой практикой. Но использование агрегатов большой производительности ограничивает возможность адекватного подбора оборудования из имеющегося ряда типоразмеров.

Кроме того, при недостаточном размере проходного сечения в пространство под фальш-полом, наблюдается эффект запирания системы на выходе вентилятора [3], что приводит к значительной потере напора на притоке. Этот эффект часто не учитывается, вследствие чего фактический расход воздуха оказывается существенно ниже ожидаемого.

Кондиционер, спецификация которого приведена ниже, имеет холодопроизводительность равную 102 кВт, в то время как оборудование и система освещения выделяют 750 кВт тепла. Фактически рассматриваемая нагрузка требует установки восьми кондиционеров с соответствующим коэффициентом запаса 1,09 по отношению к номинально действующему значению.

Спецификации агрегатов CRAH

Расход воздуха: 8070 л/с при напоре 75 Па.

Холодопроизводительность по явному теплу: 118 кВт при 24°С по сухому и 16°С по мокрому термометру.

SHR: 0,95

Расход воды в чиллере: 5 л/с при напоре 6 м.

Вентиляторы (три)PowerShaft =3,2 кВтч каждый (в соответствии с уравнением (2))

  • Площадь нагнетания = 0,25 м x 0,47 м = 0,12 м 2
  • Площадь выходного сечения вентилятора = 0,40 м x 0,47 м = 0,19 м2
  • BA/OA = 0,61
  • Статическая эффективность: 0,59
  • Скорость воздуха на выходе вентилятора: 14 м/с
  • Потери напора на притоке: 149 Па
  • Потери напора на всасывании: 75 Па
  • Потери напора на фильтре: 187 Па
  • Потери напора на теплообменнике: 162 Па
  • Потери напора в корпусе: 125 Па.

Мощность электродвигателя вентилятора: 11 кВт (КПД=0,92; потери на приводе 1,05).

Результирующая холодопроизводительность по явному теплу: 102 кВт.

Температура воздуха на выходе: 13 °С (в соответствии с уравнением (3).

Мощность насоса охлажденной воды: 1,4 кВт (в соответствии с уравнением (2).

Восемь таких агрегатов обеспечивают ассимиляцию 750 кВт тепла, выделяемого электроникой и системой освещения, 88 кВт тепла, выделяемого вентиляторами, и 11,0 кВт тепла от насосов. Общая нагрузка на чиллер составляет 893 кВт при SHR=0,95.

CAHU

Системы центрального кондиционирования в большинстве случаев проектируются или специфицируются для каждого проекта отдельно. Используемые здесь данные предназначены только для анализа и могут рассматриваться как правдоподобные оценки соответствующих номинальных величин.

В примере не учитывается эффект запирания системы на выходе вентилятора. К сожалению, в большинстве случаев выгоды, обусловленные исключением или ослаблением эффекта запирания, нивелируются и перекрываются увеличением потерь напора в системе транспортировки воздуха на притоке за счет аэродинамического сопротивления воздуховодов, поворотов и диффузоров.

Для оснащения теоретически рассматриваемого ЦОД суммарной мощностью 0,75 МВт потребуется четыре центральных кондиционера, имеющих нижеприведенную спецификацию.

Спецификации агрегатов CAHU

Расход воздуха: 16045 л/с при напоре 249 Па.

Холодопроизводительность по явному теплу: 220 кВт при 24 °С по сухому и 16 °С по мокрому термометру.

SHR: 0,95

Расход воды в чиллере: 10 л/с при напоре 6 м.

Вентиляторы (два)PowerShaft =9,1 кВтч каждый (в соответствии с уравнением (2))

  • Скорость воздуха на выходе вентилятора: 9 м/с
  • Статическая эффективность: 0,66
  • Потери напора на всасывании: 75 Па
  • Потери напора на фильтре: 187 Па
  • Потери напора на теплообменнике: 149 Па
  • Потери напора в корпусе: 87 Па
  • Потери напора на притоке: 249 Па.

Мощность электродвигателя вентилятора: 20,8 кВт (КПД = 0,92; Потери на приводе 1,05).

Результирующая холодопроизводительность по явному теплу: 200 кВт.

Температура воздуха на выходе: 14 °С (в соответствии с уравнением (3)).

Мощность насоса охлажденной воды: 2,8 кВт (в соответствии с уравнением (2)).

Четыре таких агрегата обеспечивают ассимиляцию 750 кВт тепла от электронного оборудования и системы освещения, 83,2 кВт тепла от вентиляторов, и 11,1 кВт тепла, выделяемого насосами охлажденной воды. Общая нагрузка на чиллер составляет 888 кВт при SHR=0,95.

Заключение

Годовые затраты на электроэнергию, расходуемую при использовании рассмотренных трех архитектур системы охлаждения (IRAH, CRAH и CAHU), составляют, соответственно, 139.572, 201.878 и 197.211 долларов США (при тарифе 0,10 доллара/кВт ч). Безусловно, величина достигаемой экономии может меняться в зависимости от эффективности чиллера, стоимости эксплуатационных расходов, а также степени загрузки основного оборудования и освещения. Архитектура системы охлаждения с использованием агрегатов, непосредственно встраиваемых в ряды стоек электронного оборудования, позволяет сократить мощность вентиляторов на 2/3 по сравнению с двумя другими схемами. По всем остальным элементам энергетического баланса значения мощности тоже уменьшаются.

Но, несмотря на то, что такая архитектура обладает неоспоримыми преимуществами, ее использование не является решением, однозначно подходящим для любого случая. Более всего оно подходит для вновь строящихся или капитально реконструируемых центров обработки данных. В уже существующих ЦОД разумнее всего применять комбинацию разных систем охлаждения.


Литература:

1992 ASHRAE Handbook — HVAC System & Equipment, Cooling Towers.

American Power Conversion. “InRow RC Technical Data Manual 990–285 A-001”.

Air Movement and Control Association International. 2007. AMCA Publication 201–02 (R2007), Fans and Sys-tems.

John Bean, член ASHRAE, директор по внедрению электронных стоек и систем охлаждения American Power Conversion (г. О’Фаллон, штат Миссури США),

Kevin Dunlap, генеральный управляющий по проблемам охлаждения American Power Conversion.

Редакция журнала «МИР КЛИМАТА» выражает благодарность за помощь в адаптации и переводе статьи на русский язык

к. т. н. М. М.Короткевичу (Ventrade)

и к. т. н. Е. П.Вишневскому



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест