Инженерная инфраструктура центров обработки данных (ЦОД)

При проектировании крупного центра обработки данных и при дальнейшем выборе технического решения большое внимание уделяют его надежности и энергетической эффективности. Во время работы IT-оборудование вырабатывает большое количество теплоты, которую от него необходимо отводить. Специально для этих целей разрабатывается система кондиционирования помещений с технологическим оборудованием.

     Для различного IT-оборудования требуется, соответственно, различная плотность охлаждения. Обычно энергопотребление каждой стойки лежит в пределах от 2,5 до 20 кВт. В отдельных случаях тепловыделения от стойки могут возрастать как до 40 кВт (например, при использовании blade серверов) так и до 80 кВт (например, в суперкомпьютерах). При проектировании системы кондиционирования необходимо обязательно учитывать все особенности определенного дата-центра. В целом можно выделить три основных способа кондиционирования дата-центра:

• Всё оборудование для кондиционирования или его значительная часть располагается снаружи и не занимает полезного пространства внутри помещения центра обработки данных (кондиционирование с помощью вентиляционных установок);
• Значительная часть оборудования для кондиционирования располагается в помещении ЦОД или в непосредственной близости, кондиционеры забирают теплый воздух, охлаждают его и раздают («дисплейсмент», стоечные охладители и другие способы);
• Значительная часть оборудования для кондиционирования располагается в помещении ЦОД или в непосредственной близости, для раздачи охлажденного воздуха используют фальшпол.

     Последний из перечисленных способов имеет следующие плюсы:

• возможность подвода охлажденного воздуха непосредственно к стойкам;
• удобное размещение коммуникаций для работы IT-оборудования и других систем ЦОД под плитами фальшпола;
• гибкое решение, имеющее множество различных вариантов комплектации;
• возможно распределение весовой нагрузки по всей площади дата-центра;
• возможно большое расстояние между оборудованием, располагаемым в ЦОД и снаружи.

     Наиболее распространенной системой кондиционирования для такого решения является прецизионный кондиционер шкафного типа. Рассмотрим потери, возникающие в подобной системе:

где Q_вент=Q_дв – потери ввиду теплопритока от двигателя вентилятора прецизионного кондиционера;

Q_тр– теплоприток ввиду трения воздуха о другие поверхности.

     Слагаемым Q_тр в данном случае можем пренебречь, так как Q_вент=Q_дв>>Q_тр.

     В свою очередь мощность, потребляемая двигателем, непосредственно связана с расходом воздуха и напорной характеристикой вентилятора и высчитывается по формуле:

где

L – расход воздуха, м³/с;

H – напор вентилятора, Па;

η_вент – КПД вентилятора;

η_пер – КПД передаточного механизма (0б999≈1 – прямоприводной вентилятор, 0,96 – клиноременная передача);

η_дв – КПД двигателя (зависит от производителя и условий работы, обычно от 0,86 до 0,94);

     После анализа данного выражения попытаемся найти пути уменьшения потребления электроэнергии:

1. С уменьшением расхода воздуха будет уменьшаться потребление электрической энергии двигателем вентилятора. Тем не менее, этот параметр в любой системе может быть неоднозначным. Связано это со сложной зависимостью кол-ва холода, снимаемого с теплообменника, расходом воздуха, температурой рабочего вещества (фреона, воды или её растворов) и коэффициента эффективности теплообмена(SHR), равному отношению явной холодопроизводительности к полной. Как показывает опыт расчетов данных систем, наиболее эффективно и стабильно ведет себя система с постоянным расходом воздуха и переменной температурой рабочего вещества.

   

Рис.1 Стандартная конструкция прецизионного кондиционера шкафного типа

2. КПД вентилятора, передаточного механизма и КПД двигателя определим в один пункт. Наибольшее распространение начинают получать вентиляторы с электронно-коммутируемым двигателем и прямым приводом. Основной особенностью этих вентиляторов является максимальная эффективность не только в рабочей точке, но и при частичных нагрузках за счёт встроенного регулирования производительности с минимальной потерей эффективности, что особенно актуально в центрах обработки данных.
3. Общий напор вентилятора, необходимый для корректной работы системы, складывается из двух основных составляющих: необходимый напор на сеть и потери напора внутри прецизионного кондиционера. При правильном подходе к проектированию и эксплуатации системы кондиционирования ЦОД, объективное влияние мы можем оказать только на вторую составляющую – потери напора в шкафу прецизионного кондиционирования. Один из путей оптимизации – это принципиальное изменение конструкции прецизионного кондиционера. Структура основных потерь напора в прецизионном кондиционере выглядит следующим образом:

где

ΔР_вх – потери напора на входе в кондиционер;

ΔР_ф – потери напора на фильтре кондиционера;

ΔР_то – потери напора на теплообменнике;

ΔР_вых – потери напора на выходе из теплообменника.

Рис. 2 Конструкция кондиционера после модернизации

     Уменьшить сопротивление мы можем с помощью изменения конструкции теплообменника и изменения способа раздачи воздуха, так как существенно повлиять на потери напора на входе в кондиционер и на фильтре не представляется возможным.

     Первое, что стоит сделать – это вынести вентилятор за пределы прецизионного шкафа (под фальшпол). Таким образом, будет обеспечена раздача воздуха во все стороны без потери мощности, что особо актуально для крупных ЦОД. Вместе с этим мы освобождаем пространство внутри кондиционера. За счёт освободившегося пространства внутри шкафа, установим V – образный теплообменник. Несмотря на то, что производительность теплообменника будет расти, потери напора на теплообменнике значительно уменьшаться ввиду уменьшения скорости прохождения воздуха между ламелями.

     Такая оптимизация конструкции прецизионного кондиционера обеспечивает уменьшение потребления вентилятором электроэнергии от 15% в режимах при частичной загрузке и от 25% при полной нагрузке кондиционера (данные получены на базе программы расчёта HiRef S.p.A., в обоих случаях использовались EC-вентиляторы одного производителя), а также обеспечит оптимальную раздачу охлажденного воздуха под фальшпол. В случаях, если раздача нужна не во все стороны, а в определенных направлениях, можно поставить заслонки на ненужные направления – это незначительно увеличит сопротивление на выходе.

Рис. 3 Распределение воздушного потока под фальшполом

Статья подготовлена старшим инженером

отдела технической поддержки

Компании «ТРЕЙД ГРУПП» (ГК «ТЕРМОКУЛ»)

Александром Силаевым