Rambler's Top100
 
Статьи
Виктор ПРОКОФЬЕВ  13 июля 2020

Выше температура – ниже PUE

Повышение температуры в серверных залах – один из наиболее простых способов снижения операционных расходов ЦОДов. По данным агентства US General Services Administration, увеличение рабочей температуры ИТ-оборудования на один градус сокращает энергопотребление на 4%.

В течение многих лет идеальным для ИТ-оборудования считался диапазон температур 20–22°C (рис. 1). В 2004 г. Американское общество инженеров по отоплению, холодильному оборудованию и кондиционированию воздуха (ASHRAE), основываясь на своих исследованиях и рекомендациях производителей оборудования, рекомендовало диапазон рабочих температур от 20 до 25°C. Видя преимущество в снижении энергопотребления, проектировщики и операторы ЦОДов подняли температуру ближе к верхнему пределу 25°C. 

В 2008 г. ASHRAE пересмотрело свои рекомендации и в приложении Environmental Guidelines for Datacom Equipment расширило рекомендуемый диапазон рабочих температур до 18–27°C. Инженеры ASHRAE указывают, что повышение рабочей температуры ИТ-оборудования мало влияет на рабочую температуру компонентов, но должно обеспечить значительную экономию энергии.
Рис. 1. Эволюция допустимой внутренней температуры в ЦОДах

В 2008 г. Intel провела десятимесячный тест с использованием 900 серверов: 450 находились в традиционной кондиционируемой среде, а 450 охлаждались за счет наружного воздуха, без тонкой очистки и контроля влажности. Единственное условие заключалось в том, чтобы температура воздуха оставалась в пределах от 17,7 до 33,3°C. Несмотря на пыль, неконтролируемую влажность и большие перепады температуры, частота отказов серверов при отсутствии механического охлаждения оказалась всего на 2% выше, а экономия энергии достигла 67%!

В 2012 г. по результатам исследовательского проекта в Университете Торонто была опубликована статья Temperature Management in Data Centers: Why Some (Might) Like It Hot («Управление температурой в центрах обработки данных: почему некоторым (возможно) нравится погорячее»). Исследовательская группа изучила данные о надежности компонентов десятков ЦОДов. «Собранные нами данные говорят о том, что с учетом всех обстоятельств влияние температуры на надежность оборудования значительно меньше, чем принято считать, – отмечается в документе. – Повышение температуры ЦОДа создает потенциал для значительной экономии энергии и сокращения выбросов углекислого газа».

По результатам вышеупомянутых исследований и собственных экспериментов (попыток улучшения PUE) владельцам и операторам ЦОДов стало ясно, что в их интересах повысить рабочие температуры ИТ-оборудования.

Новая холодильная машина для современных ЦОДов

Расширенный рабочий диапазон

Для удовлетворения современных требований к системам ИТ-охлаждения, прежде всего – снижения энергопотребления и повышения надежности всей системы, компанией Mitsubishi Electric (MEHITS) была разработана новая холодильная машина (ХМ) с воздушным охлаждением конденсатора и функцией естественного охлаждения – NR-FC-Z. Данная ХМ способна работать при экстремальных климатических условиях: ее рабочий диапазон – от −30°С (−40° с опцией) до +50°С, конденсатор оснащен высокопрочным покрытием, машина способна выдерживать даже самые суровые промышленные или морские условия. NR-FC-Z имеет диапазон холодопроизводительности от 364 до 978 кВт: выпускаются 14 типоразмеров, доступных в двух вариантах эффективности и двух акустических исполнениях.

Рис. 2. Допустимый рабочий диапазон температур хладоносителя

Увеличенные температурный перепад (ΔT) и температура хладоносителя (х/н)

Современное ИТ-оборудование готово для работы при температурах, превышающих традиционно принятые для серверных залов, что позволяет повысить эффективность системы охлаждения и снизить PUE ЦОДа. Охлаждающее оборудование развивается вместе с ИТ-инфраструктурой, поэтому машина NR-FC-Z была оптимизирована для работы с температурами 28°/20°C, обеспечивая более высокий КПД (EER до 4,1) и сводя к минимуму энергопотребление насоса благодаря специальной конструкции теплообменника, которая допускает пониженный расход х/н (ΔT до 11°C). ХМ NR-FC-Z уже сейчас способна работать при температуре выходящего х/н до 24°C (рис. 2).

Естественное охлаждение

Чем выше температурный график х/н, тем выше потенциал использования естественного охлаждения. Когда температура наружного воздуха падает ниже температуры обратного х/н, можно задействовать такое охлаждение. Холодильные машины NR-FC-Z работают в трех режимах:
  • Механическое охлаждение. Общая холодопроизводительность обеспечивается компрессорами.
  • Гибридное охлаждение. Температура наружного воздуха ниже температуры обратного х/н, режим «фрикулинга» включен, за счет него снимается часть нагрузки, остальная покрывается механическим охлаждением. Контроллер ХМ выбирает наиболее энергоэффективное сочетание работы обоих источников холода.
  • Полное естественное охлаждение. Температура наружного воздуха достаточно низкая, чтобы полностью обеспечить поглощение теплоты в ЦОДе, компрессоры выключены. Данный режим обеспечивает максимальную экономию электроэнергии.
Рис. 3. Сравнение эффективности NR-FC-Z с функцией «фрикулинга» и традиционной ХМ

Благодаря увеличенным теплообменникам естественного охлаждения (драйкулерам) ХМ обеспечивает полную холодопроизводительность уже при температуре наружного воздуха 11°C при уставке по прямому х/н 20°С. Это означает, что значительную часть времени ХМ может удовлетворить потребности в охлаждении без использования компрессоров, т.е. работать с максимально возможной эффективностью (рис. 3).

В ЦОДе, расположенном в Лондоне, NR-FC-Z с рабочей температурой х/н 28/20°C может полностью удовлетворить потребность в охлаждении в течение 50% времени, используя только естественное охлаждение, и в течение 49% времени компрессоры работают при частичной нагрузке. Это означает, что 99% времени NR-FC-Z функционирует в режиме «фрикулинга» и крайне редко – как обычная ХМ (рис. 4).

Рис. 4. Использование режима «фрикулинга»

Оборудование для критически важных систем

Прерывание процесса охлаждения в ЦОДе может поставить под угрозу работу ИТ-оборудования и привести к серьезным экономическим последствиям. NR-FC-Z включает в себя полный спектр устройств и функций, которые обеспечивают максимальное время безотказной работы в чрезвычайных ситуациях. При сбое питания функция «Быстрый перезапуск» восстанавливает требуемую мощность охлаждения в кратчайшие сроки: ХМ мощностью 900 кВт достигает своей номинальной холодопроизводительности уже через 72 с. Кроме того, наличие АВР позволяет подключить устройство к двум отдельным линиям электропитания и автоматически переключаться в случае сбоя электроснабжения, что повышает уровень резервирования, надежность системы и дает возможность выполнять требования Tier III и Tier IV Uptime Institute.

Управление группой холодильных машин через ЛВС

Встроенные интеллектуальные функции управления группой ХМ NR-FC-Z повышают эффективность и надежность системы и в значительной степени облегчают работу службы эксплуатации. В группу может быть подключено до 16 ХМ. Основные функции системы управления:
  • «Динамический мастер» (Dynamic Master) с приоритетом назначения. Когда главная ХМ отключается, контроллер назначает другую ХМ в качестве главной, позволяя системе холодоснабжения продолжать функционировать. Инженер службы эксплуатации может заранее выбрать «кандидата в мастера» (рис. 5).
Рис. 5. «Динамический мастер» с приоритетом назначения
  • Распределение нагрузки между всеми ХМ в системе и последовательная загрузка машин.
  • Управление приоритетом ресурсов в режиме гибридного охлаждения. Если в ЦОДе имеется несколько типов ХМ с разными технологиями, данная функция определяет приоритет использования каждой машины, соответственно распределяя нагрузку. Режим «фрикулинга», когда он доступен, всегда имеет приоритет перед включением любых компрессоров.
  • Управление резервной ХМ.
  • Быстрый перезапуск группы чиллеров.
  • Адаптивная уставка. Контроллер координирует работу ХМ и внутренних потребителей, чтобы оптимизировать работу системы при частичной нагрузке. Каждая группа потребителей (до 20 групп) передает информацию о своей загрузке в режиме реального времени. Интеллектуальный алгоритм анализирует сигналы всех внутренних групп и при необходимости меняет уставки холодильной машины (рис. 6).
Рис. 6. Сетевое соединение для управления адаптивной уставкой

При полной нагрузке система работает с параметрами х/н 28/20°С, и внутренние блоки получают расчетный номинальный расход х/н. В традиционной системе с постоянным расходом при частичной нагрузке трехходовой клапан регулирует расход х/н через внутренний блок (и через байпас). С функцией адаптивной уставки трехходовой клапан прикрывает байпас, а контроллер ХМ повышает уставку (т.е. температуру выходящего х/н), в результате чего существенно снижается энергопотребление всей системы холодоснабжения (рис. 7). Благодаря этим функциям можно подключить более 300 установок (16 ХМ + 20 групп потребителей по 16 терминалов в каждой) без какого-либо внешнего оборудования и без дополнительных капзатрат.

Рис. 7. Принцип работы адаптивной уставки при частичной загрузке

Мобильный интуитивный интерфейс

Инновационная система KIPlink, использующая Wi-Fi, позволяет управлять ХМ со смартфона или планшета. Пользователь может включать и выключать устройство, регулировать различные параметры, настраивать функции локальной сети, отслеживать основные рабочие переменные, а также получать и сбрасывать аварийные сигналы. Кроме того, KIPlink может быть подсоединена к внутренней сети объекта по кабелю Ethernet, что позволяет инженерам обращаться к интерфейсу с использованием IP-адреса с любого устройства, подключенного к сети. С локальным мониторингом легче получить доступ к функциям управления без каких-либо ограничений с точки зрения безопасности. Для повышения уровня защиты KIPlink снабжена многоуровневой системой паролей.

Развитие высокотемпературных ЦОДов

Влияние повышения температуры ИТ-оборудования в ЦОДах на энергопотребление может значительно различаться в зависимости от архитектуры (топологии) системы охлаждения, климата, скорости вентиляторов и загрузки ИТ-оборудования. Необходимо четко понимать сложные взаимозависимости в структуре ЦОДов, а также анализировать и прогнозировать возможные риски и выгоды до того, как будут произведены изменения в проектировании и функционировании ЦОДов.

В ИТ-отрасли постоянно предпринимаются попытки повышения рабочей температуры в ЦОДах, а эксперты ASHRAE рекомендуют снижать их энергопотребление за счет увеличения количества часов функционирования режима естественного охлаждения. Но несмотря на усилия передовых инженеров, многие ЦОДы все еще работают при температуре не выше 21°C. 

Хотя в проектировании ЦОДов существует консервативный подход (делать так, «как работает»), разработчики все чаще задаются вопросом, почему в новых проектах не всегда реализуется возможность повышения температуры приточного воздуха. При доказанной значительной экономии можно предположить, что число проектов, использующих повышенную температуру внутреннего воздуха, серьезно увеличится уже в ближайшее время.

Виктор Прокофьев, технический эксперт, ООО «Мицубиси Электрик (РУС)» 
          http://Melcohit.ru
Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!