Optymalizacja zużycia energii systemu klimatyzacji precyzyjnej

0

Uwolnienie rynku energii dla przedsiębiorstw i związany z tym gwałtowny wzrost cen energii elektrycznej spowodował, że inwestorzy i eksploatujący centra przetwarzania danych zwrócili uwagę na technologie służące do optymalizacji kosztów eksploatacyjnych.

60% całkowitego kosztu posiadania data center wiąże się właśnie ze zużyciem energii elektrycznej, dlatego inwestycja w zakresie energooszczędnych technologii może mieć kluczowe znaczenie dla rentowności tego typu obiektów.

Pomiary zużycia energii pracujących obiektów, przeprowadzone w ramach opracowywania strategii optymalizacji energochłonności centrów przetwarzania danych (Energy Logic), wskazują, że systemy związane z odprowadzeniem ciepła z serwerowni zużywają ok. 40% całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczną obiektu. Obciążenie chłodnicze w tego typu aplikacjach podlega tylko niewielkim zmianom dobowym i rocznym (duże miejscowe zyski ciepła pochodzące od urządzeń oraz niewielki wpływ parametrów zewnętrznych na bilans ciepła serwerowni), a systemy klimatyzacyjne powinny pracować w systemie ciągłym (8760 h/rok).

Dodatkowa trudność wiąże się z gwałtownym wzrostem obciążeń cieplnych generowanych przez serwery, wynikającym z wprowadzenia architektury wysokiej gęstości (serwery blade). Granica architektury niskiej i wysokiej gęstości to 5 kW ciepła na jedną szafę serwerową, przy czym w Europie Zachodniej pracują już serwerownie o obciążeniu sięgającym 70 kW na jedną szafę. Do odprowadzenia ciepła o tak dużym natężeniu służą systemy klimatyzacji precyzyjnej wysokiej gęstości (Extreme Density – XD).

W przypadku instalacji klimatyzacji precyzyjnej istotny jest wybór technologii odprowadzania ciepła. Najczęściej spotykanymi rozwiązaniami są klimatyzatory freonowe (oparte na sprężarkowym obiegu chłodniczym) lub wymienniki wodne. Zaletą klimatyzatorów freonowych jest brak wody w pomieszczeniu serwerowni, co znacząco wpływa na bezpieczeństwo systemu. Chłód w takiej instalacji pochodzi jednak z całorocznej pracy układu sprężarkowego, nie dając możliwości ograniczenia zużycia energii elektrycznej.

Z kolei zaletą układów wody lodowej jest możliwość optymalizacji energochłonności źródła chłodu poprzez wykorzystanie sprzyjających warunków atmosferycznych. Wprowadzenie wody lodowej w pobliże sprzętu IT wiąże się jednak z niebezpieczeństwem uszkodzenia serwerów na skutek wycieku z instalacji (lub wykraplania wilgoci na powierzchni wymienników), dlatego rozwiązanie to nie jest preferowane przez właścicieli data center.

Złotym środkiem w tej sytuacji wydają się systemy hybrydowe, które do produkcji chłodu wykorzystują agregaty wody lodowej, natomiast dzięki zastosowaniu modułów pośredniczących nie wymagają wprowadzenia wody do pomieszczenia serwerowni – wewnętrzne jednostki klimatyzacyjne zasilane są skroplonym freonem R134a, zapewniając maksymalny poziom bezpieczeństwa dla sprzętu IT.

Zastosowanie agregatów wody lodowej jako źródła chłodu instalacji klimatyzacji precyzyjnej wysokiej gęstości umożliwia optymalizację zużycia energii układu, dzięki zastosowaniu zjawiska freecoolingu, skojarzonej gospodarki produkcji chłodu i ciepła (freeheating) oraz komunikacji online z wewnętrznymi jednostkami klimatyzacyjnymi (strategia sterowania).

Freecooling
Agregaty zewnętrzne chłodzone powietrzem dzięki zastosowaniu dodatkowych wymienników typu powietrze/woda wykorzystują sprzyjające temperatury powietrza zewnętrznego do schładzania wody lodowej bez użycia obiegu sprężarkowego.

Schemat wymiennika FC-PK-07

Schemat obiegu wody lodowej z wykorzystaniem dodatkowego wymiennika (freecooling)

Gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest przynajmniej o 1ºC niższa od temperatury wody powracającej z instalacji, uruchamiany jest wymiennik freecoolingowy w celu wstępnego przechłodzenia wody. Jeżeli temperatura wody po wyjściu z tego wymiennika jest wyższa od zadanej temperatury zasilania instalacji klimatyzacji, uruchamiany jest sprężarkowy obieg chłodniczy w celu obniżenia temperatury wody do zadanej wartości (freecooling mieszany). Rozwiązanie takie zapewnia znaczne skrócenie czasu pracy sprężarek w ciągu roku, co korzystnie wpływa na ich żywotność oraz efektywność energetyczną.

Jeżeli temperatura wody opuszczającej wymiennik freecoolingowy osiągnęła zadaną temperaturę wody zasilającej instalację, sprężarkowy obieg chłodniczy nie jest w ogóle uruchamiany. Istotny jest tutaj parametr ZET (Zero Energy Temperature), czyli temperatura powietrza zewnętrznego, dla której moc chłodnicza uzyskana z wymiennika freecoolingowego równa się nominalnej mocy chłodniczej agregatu. W przypadku opisanego rozwiązania parametr ten wynosi ok. 0ºC. Oznacza to, że dla przykładowej temperatury wody lodowej 10/15ºC w zakresie temperatur powietrza zewnętrznego 0-14ºC agregat pracuje w trybie chłodzenia mieszanego (freecooling + chłodzenie sprężarkowe), a poniżej 0ºC pełna moc chłodnicza agregatu uzyskiwana jest z pracy wymiennika powietrze/woda.

Średnie obliczone oszczędności w zużyciu energii elektrycznej dla profilu temperaturowego Warszawy wynikające z zastosowania opisanego wyżej systemu sięgają 36% rocznie. Obliczenia te wskazują również, że w okresie, w którym możliwa jest praca freecoolingu mieszanego, oszczędza się do 54% całkowitej rocznej ilości energii możliwej do zaoszczędzenia w trybie freecoolingu (w zależności od temperatury wody lodowej).

Freeheating
W przypadku zastosowania jako źródło chłodu agregatów wewnętrznych chłodzonych cieczą (w polskich warunkach temperaturowych do zabezpieczenia chłodnic wentylatorowych przed zamrożeniem w okresie zimowym stosuje się najczęściej 35% mieszaninę glikolu etylowego), sprężarki agregatu pracują przez cały rok, dając możliwość wykorzystania w okresie zimowym ciepła skraplania czynnika chłodniczego do ogrzewania budynku.

Dzięki zastosowaniu dodatkowego wymiennika ciepła włączonego szeregowo w układ freonowy agregatu wody lodowej możliwe jest odzyskanie 20-130% wydajności chłodniczej urządzenia w postaci ciepła (w zależności od wybranego typu wymiennika – całkowity lub częściowy odzysk ciepła). Wymiennik ten może podgrzewać wodę do temperatury nawet 55ºC, co czyni go doskonałym źródłem ciepła dla nisko- lub średniotemperaturowego ogrzewania obiektu.

Szeregowy układ wymienników umożliwia zaprojektowanie wysokosprawnego układu odprowadzenia ciepła ze skraplacza w okresie letnim np. z wykorzystaniem wież chłodniczych (EER ok. 4,5), natomiast w okresie zimowym ciepło przekazywane jest do układu odzysku. Jeżeli ogrzewanie obiektu nie jest w stanie przejąć całości ciepła odpadowego, pozostała część tego ciepła odprowadzana jest przez układ chłodzenia skraplacza. Cały proces kontrolowany jest przez mikroprocesor agregatu, co zdecydowanie zwiększa sprawność i niezawodność takiego rozwiązania w porównaniu z odzyskiem ciepła z obiegu drycoolerów. Zastosowanie skojarzonych systemów produkcji chłodu i ciepła w aplikacjach serwerowych bardzo korzystnie wpływa na bilans energetyczny obiektu i prowadzi do znaczącego ograniczenia kosztów eksploatacyjnych.

Strategia sterowania – siła synergii
Synergia to zgodnie z definicją współdziałanie różnych czynników, którego efekt jest większy od sumy poszczególnych oddzielnych działań. Oszczędność energii elektrycznej wynikająca z połączenia systemowego szaf klimatyzacji precyzyjnej i źródła chłodu – agregatów wody lodowej jest większa niż w przypadku, gdy oba urządzenia pracują osobno i nie komunikują się ze sobą.

Zastosowanie tego samego typu sterownika mikroprocesorowego dla agregatów i jednostek wewnętrznych zapewnia wzajemną komunikację tych urządzeń przez sieć Ethernet bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń czy zmiany algorytmów sterowania, które mogłyby negatywnie wpłynąć na działanie i niezawodność systemu.

Oszczędność kosztów eksploatacyjnych wynikająca z komunikacji między elementami systemu klimatyzacji może sięgać nawet 15% rocznie – logika sterowania zapewnia zoptymalizowanie średniego sezonowego współczynnika sprawności całego systemu klimatyzacji serwerowni (SEER) poprzez pracę w różnych trybach, w zależności od sytuacji, np.:

  • podwyższenie temperatury wody przy mniejszym zapotrzebowaniu na chłód wewnętrznych jednostek klimatyzacyjnych (oszczędność energii elektrycznej),
  • obniżenie temperatury wody w celu pracy w trybie odwilżania (zwiększenie wydajności),
  • praca nocna (oszczędność energii i obniżenie poziomu mocy akustycznej),
  • obniżenie temperatury wody w przypadku awarii jednej z wewnętrznych jednostek klimatyzacyjnych (utrzymanie wydajności chłodniczej w sytuacji awaryjnej).

Przedstawione rozwiązania mogą być stosowane indywidualnie bądź łącznie. Logika sterowania odnosi się do wszystkich typów jednostek odprowadzających ciepło z serwerowni. Freecooling i freeheating mogą być stosowane zamiennie lub jako system łączony (szczególnie polecany do dużych obiektów serwerowych). Celem tych rozwiązań jest maksymalizacja sprawności energetycznej układu klimatyzacji precyzyjnej wysokiej gęstości.

Piotr Kowalski, kierownik sprzedaży agregatów wody lodowej, Emerson Network Power

PODZIEL SIĘ

BRAK KOMENTARZY

ZOSTAW ODPOWIEDŹ