Инженерная инфраструктура центров обработки данных (ЦОД)

Я нашел интересную статью, которая может натолкнуть проектировщиков ЦОД и тех, кто занимается эксплуатацией, на размышления по поводу эффективности использования центров обработки данных за счет оптимизации статического давления. Tomas Vysokos выполнил перевод этой статьи.

В исследовательских лабораториях статическое давление обычно выше, чем в офисных и торговых центрах. Это объясняется более строгими требованиями к объему воздушного потока, системе вытяжки и устройствам управления, особыми требованиям к фильтрации воздуха и не только. Стандартные процедуры эксплуатации и конструкции систем вентиляции в лабораториях приводят к завышению контрольных точек статического давления, что и без того увеличивает уровень энергопотребления по сравнению с обычной коммерческой недвижимостью.

      В статье речь пойдет об оптимизации статического давления на примере исследовательской лаборатории Research Triangle Park (RTP). Конечно, требования к воздушному потоку в центрах обработки данных и лабораториях отличаются из-за более строгих требований лабораторий к фильтрации воздуха, как на входе, так и на выходе (в отличие от центров обработки данных, в лабораториях применяются не только HEPA, но ULPA и SULPA-фильтры).

Технические детали оптимизации статистического давления

Технический аспект оптимизации статического давления состоит из 5 шагов:

• Шаг 1 — Пересмотрите текущие контрольные точки статического давления и оцените общий потенциал оптимизации.
• Шаг 2 — Измерьте текущее статическое давление и потоки воздуха. Протестируйте систему вентиляции и определите текущие контрольные точки статического давления для систем забора и вытяжки воздуха, обеспечивающие воздушный поток необходимого объема в моменты пиковой и минимальной загрузки.
• Шаг 3 — Определите оптимальный уровень статического давления, постепенно понижая контрольные точки статического давления. При этом в автоматизированной системе управления зданием (building automation system, BAS) необходимо собирать такие данные: изменения в работе частотно-регулируемых приводов (variable frequency drives, VFD) вентиляторов; уровни статического давления в системе; положения регуляторов блоков системы вытяжки с переменным объемом воздуха (variable volume exhaust, VVE); объем, регистрируемый датчиками потока VVE; положения регуляторов блоков системы подачи воздуха (variable air volume,VAV) и объем, регистрируемый датчиками потока VAV. Каждый набор данных необходимо собирать, симулируя в каждой контрольной точке работу системы вентиляции с нагрузкой от минимальной и до максимальной.
• Шаг 4 — Просчитайте варианты понижения контрольной точки статического давления. Например, можно соответствовать требованиям к вытяжке в боксах биологической безопасности (BSC) при более низком статическом давлении в системе вентиляции или оборудовать каждый биобокс отдельным вентилятором без необходимости регулировать общие требования к уровню статичного давления в системе вытяжки.
• Шаг 5 — Подготовьте руководства по эксплуатации для технического персонала, чтобы они поддерживали оптимальный уровень статического давления.

Оптимизация лаборатории RTP

Научно-исследовательский комплекс RTP состоит из нескольких лабораторных модулей, каждый из которых оборудован собственной системой блоков кондиционирования. Оптимизация статического давления выполнялась на каждом модуле последовательно. Мы будем рассматривать оптимизацию на примере лабораторного модуля «D», описанного ниже. Площадь лабораторий в этом модуле составляет 12 743 м², а также атриум площадью 2790 м² и пентхауз площадью 2549 м². Там установлено 6 блоков кондиционирования с общей мощностью в 1140 м³/с.

Тестирование контрольных точек статического давления

Были проведены тесты режимов работы системы (System Operating Mode Tests, SOMT) во всех лабораториях при полной загрузке и без нагрузки с разными значениями контрольных точек статического давления в системе.

      Система BAS собирала данные с шести блоков кондиционирования, пяти вытяжных вентиляторов, двух датчиков статического давления в системе вентиляции, двух датчиков статического давления в каналах подачи воздуха и всех отдельных блоках VAV и блоках системы вытяжки VVE. Объем подаваемого воздуха измерялся при нагрузке и без нее и сравнивался с общим объемом потока, о котором сообщала система BAS.

     Записывались также объемы воздушного потока на каждом блоке управления VAV и VVE, а также положения регуляторов воздушного потока для разных режимов работы и значений статического давления в системе. В таблице 1 указаны контрольные точки статического давления для каждого теста SOMT.

 Таблица 1. Сводка контрольных точек статического давления в лабораторном модуле «D».

Измерения входящего воздушного потока во время тестирования показали, что общий объем входящего воздуха равнялся 389 м³/с, если все лаборатории были свободны, и 502 м³/с, если все лаборатории были заняты.

     Разница между входящим воздушным потоком для занятых и незанятых лабораторий составляет около 113 м³/с. Общая сумма потоков, которая регистрировалась в системе BAS на основании данных с каждого распределительного блока подачи воздуха, практически соответствовала результатам замеров.

     Так в системе BAS общий объем входящего воздуха равнялся 405 м³/с, если все лаборатории были свободны, и 521 м³/с, если все лаборатории были заняты. Видно, что разница между измеренным объемом воздушного потока и данными системы BAS меньше 5%.

Определение оптимальных контрольных точек статического давления

Как уже говорилось ранее, система BAS фиксировала положения регуляторов и объем потока для каждого распределительного блока VAV и VVE. Данные были собраны, отсортированы и проанализированы, чтобы определить диапазон положений регуляторов и разницу в процентах между измеренными потоками и контрольными точками для каждого блока в каждой контрольной точке статического давления в системе.

      На рисунке 1 показано количество блоков подачи воздуха, регуляторы которых открыты на определенное количество процентов в выбранных контрольных точках статического давления. На рисунке 2 изображены те же показатели для блоков системы вытяжки. Как ожидалось, на рисунках видно, что при понижении статического давления, количество блоков, где регуляторы открыты шире растет. Для оптимизации статического давления в системе необходимо, чтобы столбцы на графике не смещались вправо или влево.

Рис 1. Частотное распределение положений регуляторов для блоков подачи воздуха в разных контрольных точках.

Рис 2. Частотное распределение положений регуляторов для блоков системы вытяжки в разных контрольных точках.

Анализ данных позволил увидеть блоки, определяющие минимально допустимое статическое давление в системе, и показал, что контрольные точки статического давления для систем подачи воздуха и вытяжки как минимум на 25% выше точек, необходимых для обеспечения необходимого потока. Оптимальные контрольные точки статического давления и их влияние на работу частотно-регулируемых электроприводов и энергопотребление показаны в статье 2.

Таблица 2. Эксплуатационные параметры вентиляторов в исходной и оптимизированной контрольных точках статического давления в лабораторном модуле D.

Примечание. Приведены сводные данные для 3 вентиляторов, обслуживающих здание.

В ходе тестирования и анализа данных удалось выяснить несколько интересных фактов, которые легли в основу рекомендаций:

1. Некоторая часть блоков VAV и VVE требует дополнительного техобслуживания и/или проверки блока.
2. В одной из лабораторий биобокс не позволял понизить минимальное статическое давление. После повторной сертификации, в этом биобоксе придется сделать отдельную вытяжку, чтобы появилась возможность понизить статическое давление в общем блоке кондиционирования.
3. Систему BAS необходимо запрограммировать на автоматическую генерацию отчетов о тенденциях воздушных потоков и положениях регуляторов в блоках VVE и VAV.
4. Необходимо разработать методику диагностического тестирования производительности, которая бы давала нагрузку на систему как процедуры SOMT. Можно применять стандартные способы эксплуатации, чтобы улучшить программу превентивного техобслуживания и обеспечить надлежащее функционирование системы в будущем.

Оптимизация оборотов вентиляторов

На основании данных этого проекта EPA начнет работу над дальнейшим сокращением энергопотребления в системе вентиляции, оптимизируя скорость вращения вентилятора. Будет проведена серия тестов, чтобы определить оптимальную скорость вращения вентилятора системы вытяжки и блока кондиционирования.

     Сейчас в RTP определенное количество вентиляторов систем вытяжки и блоков кондиционирования работают на полную мощность, а в каждой системе работает один блок с переменной мощностью, чтобы поддерживать статическое давление на уровне контрольной точки.

     Будут внедрены рекомендованные стратегии альтернативного управления, регламентирующие скорость вращения вентиляторов, при которой обеспечивалось бы соответствие требованиям к статическому давлению в системе, а энергопотребление было меньше.

      Тестирования будут проводиться в разных условиях эксплуатации и на разных скоростях вентиляторов, моделируя полное отсутствие нагрузки и абсолютную загрузку. Поле оценки способности поддерживать новое статическое давление и общего уровня энергопотребления будет выбрана оптимальная скорость вращения вентиляторов.

Подход к внедрению и ресурсы  

Человеческие ресурсы

В этом проекте участвовала целая команда специалистов.

1. В первую очередь, поставщик услуг техобслуживания (Exposure Control Technologies) был обязан разработать и провести процедуру тестирования.
2. Подрядчики по эксплуатации и обслуживанию (CHI) управляли автоматизированной системой управления зданием и помогали в проведении тестирования.
3. Персонал, обслуживающий инженерные коммуникации объекта, обеспечивал мониторинг нагрузки на коммуникации.
4. Менеджеры энергоэффективности объекта координировали действия CHI и персонала, обслуживающего инженерные коммуникации.
5. Инспектор по охране труда (EHS) проверил все результаты тестирований.
6. Менеджером проекта был назначен менеджер по энергоффективности EPA.

Сроки реализации проекта

Реализация проекта заняла 6 недель. Фактическое тестирование объекта и оптимизация каждого модуля выполнялись за выходные. Работы начинались в пятницу и выполнялись на протяжении воскресенья. Исследователей заранее уведомляли о работах, но это не влияло на график исследований, поскольку процедура тестирования предусматривала исследовательскую деятельность во время тестирования, что позволило минимизировать задержки в работе ученых.

Инвестиции и окупаемость  

В рамках проекта была выполнена оптимизация статического давления в нескольких лабораторных модулях. В таблице 1 приводится сводка затрат и экономии для среднестатистического модуля.

     С точки зрения экономии одной только электроэнергии у этого проекта высокий показатель окупаемости. Но оптимизация статического давления помимо экономии электроэнергии также дает улучшенный поток воздуха и контроль температуры.

      Инспектор по охране труда горячо поддержал этот проект, поскольку он предусматривает регулярную проверку воздушных потоков, что схоже регулярной сертификации (прим.: все боксы биологической безопасности должны проходить регулярную проверку контрольных точек систем подачи воздуха и вытяжки на соответствие уровню биологической безопасности).

Таблица 1. Работы, расходы и экономия для модуля «D» на объекте RTP

Эти результаты справедливы только для модуля «D». Результаты оптимизации статического давления в нескольких модулях показывают 15% экономию электроэнергии со сроком окупаемости в 2 года.

Послесловие

Система вентиляции в исследовательском центре более сложная, чем система вентиляции в дата-центре, поскольку каждый биобокс, в зависимости от класса биологической безопасности, оснащается отдельной системой вытяжки с фильтрацией на выходе (иногда воздух после фильтрации сжигается).

     Однако общие принципы, изложенные в этой статье, в целом применимы к дата-центрам и должны дать положительный эффект – экономию средств в ЦОД.

Оригинал статьи Вы можете скачать по адресу http://www.labs21century.gov/pdf/bulletin_pressure_508.pdf