Hlađenje data centara

Postoji 13 metoda hlađenja IT opreme i transporta neželjene toplote u okolinu. Ovaj rad opisuje te tehnologije upotrebom osnovnih termina i dijagrama. 11 metoda zasniva se na freonskom ciklusu kao primarnom sredstvu rashlade. Freonski sistemi pružaju izolaciju između primarnog sistema uklanjanja toplote i IT opreme. Metode direktnog i indirektnog vazduha oslanjaju se na spoljašnje uslove kao primarnom sredstvu hlađenja čineći ih efikasnijim za umerene klime. Informacije iz ovog rada omogućavaju IT profesionalcima da se više uključe u određivanje preciznih rešenja rashlade koji više odgovaraju IT ciljevima.

Uklanjanje toplote iz data centara je jedna od najkritičnijih, ali i slabo shvaćenih stavki u IT okruženju. Nova računarska oprema je sve manja ali koristi isto ili čak i više struje nego oprema koja se zamenjuje, pa se u data centrima stvara više toplote. Precizna rashladna oprema i oprema za izbacivanje toplote se koristi za sakupljanje, transport i izbacivanje ove neželjene toplote u spoljašnju atmosferu.

Slika 1 uprošćava 13 metoda uklanjanja toplote ilustrujući dve glavne tačke “kretanja” toplote ulaznu i izlaznu. “Transportni fluid” između ulazne i izlazne tačke predstavlja fluid (tečnost ili gas) koji nosi tu toplotnu energiju između ove dve tačke. Može postojati više od jedne tačke razmene toplote unutra, kao u slučaju glikolom hlađenog CRAC (i.e. Computer Room Air Conditioner), ili napolju, kao u slučaju čilera. Takođe svaki sistem može se konfigurisati da radi i u ekonomiziranom (štednom) režimu. Sledeći delovi teksta daju detaljan uvid u sisteme koji ove metode inkorporiraju i opisuje prenos toplotne energije.

Prvi red na slici 1 opisuje computer room air handler-CRAH (uređaj za obradu vazduha u kompjuterskoj sobi) koji je spojen sa čilerom. Ova kombinacija je opšte poznata kao vodom hlađeni sistem, u kome su komponente freonskog ciklusa relocirane iz sobe sa kompjuterima i erkondišn sistemom u uređaj koji se zove vodeni čiler (water chiller). Funkcija čilera je da proizvodi hladnu vodu (8-15°C [46-59°F]). Hladna voda se pumpa u cevi iz čilera do CRAH jedinica koje su smeštene u IT okruženju. Uređaji za obradu vazduha u kompjuter sobi su slični po izgledu erkondišnima u kompjuter sobi ali rade na drugačiji način. Oni vazduh hlade (uklanjaju toplotu) izvlačeći vruć vazduh iz IT sobe preko izmenjivača hlađenih vodom. Toplota iz IT okruženja ide napolje sa sada toplijom vodom u CRAH-u i vraća se u čiler. Čiler zatim uklanja toplotu iz toplije vode i prenosi je u drugu struju vode koja cirkuliše i koja se zove kondenzatorska voda koja teče kroz uređaj poznat kao rashladni toranj.

Rashladni toranj izbacuje toplotu iz IT sobe napolje tako što prska toplu vodu na sunđerasti materijal (called fill) na vrhu tornja. Voda se širi, deo nje isparava, a deo curi na dno rashladnog tornja (za ubrzavanje isparavanja koristi se ventilator koji provlači vazduh kroz fill material). Na isti način na koji se telo hladi isparavanjem znoja, mala količina isparene vode iz tornja služi da obara temperaturu ostatka vode. Hladna voda sa dna tornja se sakuplja i šalje nazad u kondenzatorsku vodenu petlju preko pumpnog sistema.

Kondenzatorska vodena petlja i rashladni toranj se obično ne instaliraju sami za svrhu vodenog hlađenja IT soba kondicioniranjem vazduha, nego su obično deo većeg sistema pa se mogu koristiti i za hlađenje soba sa ljudima.

Postoje tri vrste čilera koji se razlikuju po načinu na koji koriste vodu ili vazduh da bi izbacili toplotu.

Sa vodom hlađenim čilerima, toplota uklonjena sa povratno ohlađene vode se izbacuje sa kondenzatorskom vodenom petljom napolje. Kondenzatorska voda se onda hladi u rashladnom tornju, što je završni korak u izbacivanju toplote. Ovi čileri su obično unutar objekta.

Glikol hlađeni čiler izgledaju isto kao vodom hlađeni. Uklonjena toplota sa povratne vode iz čilera se izbacuje u glikol petlju da bi otišla napolje. Glikol teče kroz cevi na spoljnu napravu zvanu dry cooler ili fluid cooler. Toplota se napolje izbacuje pošto ventilator tera spoljni vazduh kroz izmenjivač koga je glikol zagrejao u suvom hladnjaku. I oni su unutra.

Sa vazduhom hlađenim čilerima, toplota uklonjena vodom iz čilera se izbacuje preko naprave zvane vazdušni kondenzator, koji je obično integrisan sa čilerom. To je kompaktni čiler (packaged chiller). Vazduhom hlađeni čileri su napolju.

Prednosti:

 Vodom hlađenje CRAH jedinice su generalno jeftinije, sa manje delova, i većim kapacitetom za uklanjanje toplote od CRAC jedinica istog uticaja na okruženje;

  • Efikasnost sistema hlađenih vodom se znatno popravlja kako raste kapacitet data centra;
  • Sa cevima kroz koje teče voda lako se premošćavaju veće razdaljine i opslužuje mnogo IT prostora (ili cela zgrada) sa jedne lokacije čilera;
  • Vodom hlađeni sistemi su ekstremno pouzdani kada se izvedu kako treba;
  • Mogu se kombinovati sa štednim režimom rada u cilju povećanja efikasnosti. Projektovanje ovog sistema za rad sa višim temperaturama vode 12-15°C [54-59°F]) povećava broj sati rada u štednom režimu.

Nedostaci:

 Vodom hlađeni sistemi su generalno najskuplje instalacije ispod 100 kW elektro IT tereta;

  • Uvodi se dodatni izvor tečnosti u IT okruženje.

Obično se koriste:

 U data centrima 200 kW i više, sa zahtevima za umerenom do visokom raspoloživošću. Sistemi hlađeni vodenim čilerima se često koriste za hlađenje celih zgrada u kojima data centar može da bude samo mali deo zgrade.

Ova kombinacija je opšte poznata kao sistem sa pumpanjem freona za vodom hlađene sisteme. Brige po pitanju rasspoloživosti i pogona ka većim gustinama vode do uvođenja sistema sa pumpanim freonom unutar it okruženja.

Kod ovih sistema obično su izmenjivač i pumpa ti koji izoluju rashladni medijum u data centru od hladne vode. Slično vredi i za glikol. Obično se levo koristi freon kao (R-134A) koji se pumpa kroz sistem bez kompresora. Figure 5 je primer ovog sistema. Rashlađena voda se pumpa kroz cevi iz čilera u izmenjivač gde se prenosi toplota iz freona. Hladniji freon vraća se u rashladnu jedinicu (cooling unit) da apsorbuje još toplote pa nazad u izmenjivač.

 

 

 

 

 

Prednosti:

 Drži vodu van okruženja IT opreme u primenama vodenog hlađenja;

  • Freoni bez ulja i ne provodni fluidi eliminišu rizike oštećenja servera u slučaju curenja;
  • Efikasnost sistema hlađenja zbog blizine servera.

Nedostaci:

 Viša investicija kao rezultat dodavanja dodatnih pumpi i izmenjivača toplote u sistem rashlade.

Obično se koriste

 Ovi sistemi se obično koriste za hlađenje sistema koji su blizu spregnuti sa IT opremom za primene kao gusta oprema u rekovima ili redovima.

  • ajeftino hlađenje gde se kulant vodi direktno do servera.

Ova kombinacija je opšte poznata kao vazduhom hlađen sistem CRAC DX system. “DX” znači direktna ekspanzija pa iako se termin obično tiče sistema hlađenih vazduhom, u stvari svaki sistem koji koristi freon i isparivač može se nazvati DX sistemom.

Vazduhom hlađene CRAC jedinice široko se koriste u IT okruženjima svih veličina i ustoličili su se kao “staple” za male i srednje prostore. Pola opreme je u CRAC, a ostatak napolju u vazduhom hlađenom kondenzatoru. Freon ide između spoljnih i unutrašnjih komponenti cevima koje se zovu rashladne linije (refrigerant lines). Toplota od IT opreme se “pumpa” napolje strujanjem freona. Kompresor je u CRAC delu opreme. Međutim, kompresor može biti i napolju sa kondenzatorom, pa se onda taj deo zove kondenzatorska jedinica (condensing unit), a ceo sistem se zove split system.

Prednosti:

  • Najniži ukupni troškovi
  • Najlakši za rukovanje

Nedostaci:

  • Freonski cevovod mora biti instaliran napolju. Samo pažljivo projektovan sistem cevi po pitanju dužina i padova daće pouzdane performanse.
  • Freonske cevi ne mogu se voditi na velike dužine pouzdano i ekonomično.
  • Više sobnih erkondišnova ne može se vezati na jedan kondenzator hlađen vazduhom.

Obično se koriste:

  • Kod bliskih kompjuterskih soba 7-200kW sa umerenim zahtevima dobvljivosti.

Ova se kombinacija zove glikol hlađenim sistemom. U njemu su sve freonske komponente u jednom kućištu a glomazna kondenzatorski izmenjivač zamenjen je sa mnogo manjim izmenjivačem toplote, slika 8, koji koristi glikol (smeša vode i etilen-glikola, slično antifrizu) za skupljanje toplote i njen transport van IT okruženja. Izmenjivači toplote i cevi sa glikolom su uvek manje nego kondenzatorski namoti koji se nalaze u dvocevnom sistemu hlađenim vazduhom jer glikolna smeša ima sposobnost da sakupi i prenese mnogo više toplote nego vazduh. Glikol teče kroz cevi ka suvom hladnjaku gde se toplota izbacuje u atmosferu. Pumpni deo (pumpa, motor, i zaštitno kućište) se koristi za cirkulaciju glikola u svojoj petlji i iz glikolom hlađenog CRAC-a i suvog izmenjivača. Po izgledu ovaj sistem jako liči na opremu sa slike 7.

Prednosti:
 

  • Kompletan freonski ciklus je fabrički smešten i testiran u kućištu CRAC jedinice kako bi se obezbedila najviša pouzdanost za istu veličinu prostora i zahteve kao sistemi iz dva dela.
  • Glikol cevi mogu se voditi na mnogo veće dužine nego freonske (u vazduhom hlađenim sistemima) i mogu opsluživati više CRAC jedinica iz jednog suvog hladnjaka i jednog pumpnog sistema.
  • Na hladnim lokacijama, glikol se može više hladiti (ispod 10°C [50°F]) pa se može preskočiti izmenjivač toplote u CRAC jedinici i tok usmeriti direktno u posebno instaliranu ekonomizer jedinicu. Pod ovim uslovima, freonski ciklus se gasi a vazduh koji struji kroz ekonomizer, sada punjen sa hladnim glikolom koji teče, hladi IT okruženje. Ekonomizer režim, poznat i kao “free cooling”, daje odlična smanjenja radnih troškova kada se koristi.

Nedostaci:

  • Dodatno potrebne komponente (pumpa sa fitinzima, ventili) povećava investiciju i troškove instalisanja kada se poredi sa vazduhom hlađenim DX sistemima;
  • Traži se održavanje zapremina glikola i kvaliteta sistema;
  • Uvodi se dodatni izvor tečnosti u IT okruženje.

Obično se koristi:
 

  • U kompjuter sobama 30-1,000 kW sa umerenim zahtevima dobavljivosti rashlade.

Ova kombinacija se zove vodom hlađeni sistem. Oni su slični glikolom hlađenim sistemima jer su sve komponente rashladnog ciklusa smeštene unutar CRAC. Međutim, postoje dve bitne razlike sistema sa glikolom i sa vodom:

  • Vodena (condenser water) petlja se koristi umesto glikola za sakupljanje i prenos toplote napolje;
  • Toplota se izbacuje preko rashladnog tornja a ne suvog kulera kao na slici 9.

 

Prednosti:

  • Sve freonske komponente su unutar IT sobe u erkondišn jedinicama fabrički zaptivene i testirane-visoka pouzdanost;
  • Kondenzatorske cevi sa vodom lako se vode na velike dužine i skoro uvek se opslužuje više IT soba sa erkondišn jedinicama iz jednog rashladnog tornja.
  • U IT lizing prostorima upotreba hladne vode iz zgrade je generalno skuplja nego hlađena voda, što je objašnjeno u sledećem delu teksta.

Nedostaci:
 

  • Visoka investicija zbog rashladnog tornja, pumpe i cevovoda.
  • Visoki troškovi održavanja zbog čestog čišćenja i zahteva za tretmanom voda.
  • Unosi se dodatni izvor tečnosti u IT okruženje.
  • Jedan toranj koji hladi cel u zgradu (non-dedicated) može biti manje pouzdan od tornja (dedicated) koji je namenjen za kondicioniranje jedino data centra.

Obično se koriste:

  • U vezi sa drugim sistemima zgrade u data centrima 30kW i većim sa umerenim do visokim zahtevima rashlade.

Ova kombinacija je opšte poznata kao vazduhom hlađen selfcontained sistem. Autonomni sistemi imaju sve komponente freonskog kruga u jednom kućištu koji je obično u IT okruženju.  Toplota koja postoji u autonomnom sistemu je struja toplog vazduha (oko 49°C [120°F]) koja se zove izduvni vazduh. Ova struja toplog vazduha mora se odvesti van IT sobe napolje ili u nekondicionirani prostor da bi se obezbedilo pravilno funkcionisanje računarske opreme, slika 10. Ako se montira iznad spuštenom plafona i ako se ne koristi ulaz kondenzacionog vazduha ili izlazni kanali, vruć vazduh na ispustu iz kondenzatora može se izbacti direktno u tu zonu iznad spuštenog plafona. Zbog toga sistem kondicioniranja zgade mora imati dodatnu sposobnost hlađenja. Vazduh koji se provlači kroz kondenzator i postaju izduvni vazduh treba dovesti iz prostora van IT sobe. Na taj način se izbegava stvaranje vakuuma u sobi koji bi uvlačio topliji i nekondicionirani vazduh. Autonomni unutrašnji sistemi su ograničenog kapaciteta (do 15kW) jer je potreban dodatni prostor za smeštaj svih freonskih komponenti i velikih kanala za vazduh koji se izbacuje. Autonomni sistemi montirani napolju na krovu mogu biti mnogo većeg kapaciteta ali se ne koriste često u preciznim primenama.

Prednosti:
 

  • Ovi sistemi su najjeftiniji. Napolju ili krovu se ništa ne instalira osim cevi izlaznog vazduha.
  • Sve freonske komponente su fabrički smeštene i ispitane u jednom kućištu-veća pouzdanost.

Nedostaci:
 

  • Po jedinici je manji kapacitet uklanjanja toplote u poređenju sa drugim konfiguracjama.
  • Uvođenje i izvođenje vazduha u IT okruženje zahteva kanale i/ili spušteni plafon.
  • Neko sistemi se za odvod toplote oslanjaju na HVAC sistem zgrade. Mogu se pojaviti problemi kada se HVAC sistem gasi-uveče ili vikendom.

Obično se koristi u:
 

  • Malim prostorima, laboratorijama i sobama sa računarima sa umerenim zahtevima.
  • Ponekad da se srede vrele tačke u data centrima.

Ova kombinacija se često zove sistem hlađenja sa direktnim svežim vazduhom za isparavanje, ili direktan vazduh. Ekonomizirani sistem sa direktnim svežim vazduhom koristi ventilatore i klapne da uvuče određenu nkoličinu hladnog spoljnog vazduha kroz filtere i onda direktno u data centar i to kada je spoljni vazduh unutar zadatih karakteristika. Klapne i žaluzine takođe kontrolišu količinu toplog vazduha koji se napolje izbacuje i meša za povrat u data centar da bi se održale postavljene vrednosti. Primarni zadatak je ekonomiziranje ili “free cooling” rad i većina njih koristi autonomni vazduhom hlađeni DX sistem kao back-up. Iako se napojni vazduh filtrira, ne eliminišu se fine čestice kao dim ili hemijski gasovi koji ulaze u data centre.

Ovaj način uklanjanja toplote se obično koristi sa evaporativnim hlađenjem u kome spoljni vazduh prolazi kroz mrežasti vlažan materijal bre ulaska u data centar (see side bar). Na ovaj način se podiže vlažnost u data centru jer vazduh ide ka tački zasićenja čime se smanjuje efikasnost ove metode za primenu u data centrima. Isparavanje je najprimenjivije u suvim klimama. U vlažnijim klimama, kao Singapure, evaporacija treba da se proceni u odnosu na povrat investicije (ROI-return on investment).

Prednosti:
 

  • Komplet rashladna oprema smeštena je van data centra, čime se sav prostor oslobađa za IT opremu.
  • U suvim klimanma se štedi znatna količina energije (npr. 75%) u poređenju sa sistemima bez ekonomizer režima.

Nedostaci:
 

  • Može biti težak sistem za retrofit u postoječi data centar.
  • Na mestima sa lošim kvalitetom vazduha potrebna je česta izmena filtera.
  • Evaporativno hlađenje povećava vlagu u data centru.

Obično se koristi:
 

  • U data centrima kapaciteta 1,000kW i većim sa velikom gustinom optrećenja.

Ova kombinacija je IEH koja koristi spoljni vazduh za indirektno hlađenje data centra kada je temperatura spoljnog vazduha niža od zadate tačke ulazne temperature u IT što vodi velikim uštedama. Free cooling je ovde primarni režim rada a koristi se sa vazdušnim DX sistemom hlađenja kao podrškom. Vantilatori prevlače cspoljašnji hladan vazduh kroz izmenjivač toplote tipa vazduh-vazduh koji dalje hladi vazduh data centra sa druge strane tog izmenjivača, i na taj način potpuno izoluje vazduh data centra od spoljašjeg vazduha. Izmenivači toplote mogu biti pločasti ili obrtni. Kao i kod indirektnog vazduha, ova metoda uklanjanja toplote obično koristi evaporativno hlađenje kao pomoć gde se spoljni izmenjivač vazduh-vazduh prska vodom koja dalje obara temperaturu spoljnog vazduha i zatim i data centra. Sistemi indirektnog evaporativnog hlađenja omogućavaju kapacitete do oko 1,000kW. Većina jedinica je veličine kontejnera ili veća. Montiraju se ili na krov ili u okolini zgrade. Neki od njih imaju i integrisane freonske cikluse koji rade u sadejstvu sa ekonomizer režimom.

Prednosti:

  • Sva rashladna oprema smeštena je van data centra, dajući prostor za smeštaj više IT opreme.
  • U većini klima se štedi znatna energija (npr. 75%) u poređenju sa sistemima bez ekonomizer režima.

Nedostaci:
 

  • U postojećim data centrima retrofit može biti problematičan.

Obično se koristi:
 

  • U data centrima 1,000kW i većim sa velikom gustinom optrećenja.

Ova kombinacija se obično zove krovna jedinica (Roof-Top Unit-RTU). Ovi sistemi nisu tipičan izbor kod novih data centara. RTU su u osnovi isti kao vazduhom hlađeni autonomni sistemi već opisani osim što se montiraju vani, obično na krovu, i mnogo su veći od unutrašnjih sistema. RTU se mogu projektovati sa režimom direktnog ekonomiziranja svežeg vazduha.

Prednosti:
 

  • Sva rashladna oprema je van data centra, što znači više mesta za IT opremu.
  • U blagim klimama se štedi znatna količina energije i bez ekonomizer režima.

Nedostaci:
 

  • Retrofit može biti problematičan.

Obično se koriste:
 

  • U data centrima koji su deo zgade sa više korisnika.