Chłodzenie i zasilanie w małych serwerowniach

Planowanie, projektowanie oraz instalowanie systemów chłodzenia i zasilania dla małych, rozproszonych środowisk IT wymaga specyficznego podejścia, innego niż w przypadku dużych obiektów takich jak centra przetwarzania danych.

Systemy chłodzenia i zasilania zarówno dla dużych serwerowni jak i tych mniejszych muszą być dostosowane do mocy zainstalowanych urządzeń oraz warunków lokalizacji i wymiarów samego pomieszczenia. Planowanie, projektowanie oraz instalowanie systemów chłodzenia i zasilania dla małych, rozproszonych środowisk IT ze względu na warunki i zwykle ograniczony budżet wymaga jednak dość specyficznego podejścia w części innego niż w przypadku dużych obiektów takich jak centra przetwarzania danych. Należy pamiętać, iż praktycznie w całości (średnio, aż 99,9997 %) każdy kilowat energii elektrycznej pobierany przez urządzenia teleinformatyczne ulega zamianie w ciepło, którego usunięcie jest kłopotliwe i w dodatku kosztowne. Należy w tym miejscu zaznaczyć, iż wydzielana energia cieplna nie ogranicza się tylko do sprzętu teleinformatycznego, ale dotyczy również innych urządzeń takich jak np. zasilacze UPS, oświetlenie, systemy kontroli dostępu i inne.

Zalecane poziomy temperatur

Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Technik Grzewczych i Klimatyzacji (ASHRAE ang. American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineers) opublikowało w 2011 r. zalecenia TC 9.9 - „Thermal Guidelines for Data Processing Environments” (Wytyczne termiczne dla środowisk przetwarzania danych), w których określone są zarówno rekomendowane jak i dopuszczalne temperatury środowiska serwerowni. Głównym celem tej publikacji było spopularyzowanie wśród użytkowników stosowania jak najlepszych praktyk, które zapewnią wysoką niezawodność i wydajność urządzeń IT przy jednoczesnej minimalizacji zapotrzebowania na energię przez systemy chłodzenia.

Zobacz również:

Rodzaj Zakres temperatury

Rekomendowana 18-27°C

Dopuszczalna 15-32°C

Zaleca się, aby temperatura w pomieszczeniu, w którym znajdują się urządzenia teleinformatyczne nie przekraczała 25° C. Jeśli jednak utrzymanie takiego poziomu temperatury jest zbyt trudne i kosztowne do osiągnięcia, co jest sytuacją dość często występującą w przypadku pomieszczeń o niedużych powierzchniach, dopuszcza się poziom temperatury wynoszący 30 ° C. Do występowania temperatur o wyższych wartościach nie należy dopuszczać, gdyż zwiększa się wtedy w sposób znaczący ryzyko wystąpienia awarii sprzętu. Oprócz zapewnienia odpowiedniej temperatury w pomieszczeniu serwerowni niezmiernie ważne jest utrzymanie właściwego poziomu wilgotności, ponieważ jej zbyt niski poziom może być przyczyną powstawania we wnętrzu urządzeń wyładowań elektrostatycznych, które w konsekwencji mogą doprowadzić do ich trwałych uszkodzeń. W przypadku wykorzystywania do chłodzenia typowej klimatyzacji dedykowanej dla obiektów biurowych tzw. komfortu ze względu na jej wpływ na obniżanie się poziomu wilgotności w chłodzonym pomieszczeniu może być to poważny problem.

Chłodzenie niewielkich serwerowni

Ciepło wydzielane przez poszczególne elementy systemu teleinformatycznego - czyli sprzęt IT oraz infrastrukturę fizyczną w skład której wchodzą: zasilacze UPS, urządzenia dystrybucji zasilania, systemy chłodzenia oraz oświetlenie - można wstępnie oszacować przy pomocy dość prostych zasad. Straty energii (ciepło) generowane przez zasilacze UPS jak i układy dystrybucji zasilania można podzielić na część stałą (niezależną od stopnia obciążenia) oraz część proporcjonalną do poziomu aktualnego obciążenia. Sprawność w ramach poszczególnych topologii UPS jest podobna dla większości modeli różnych producentów, można więc przyjąć przybliżoną wartość strat niezależnie od posiadanej marki zasilacza, nie popełniając zbyt dużego błędu. Stosując znormalizowane wartości można w dość prosty sposób oszacować ilość ciepła wydzielanego przez oświetlenie jak i personel obsługi przebywający na stałe w danym pomieszczeniu typu biurowego. Po zsumowaniu mocy wszystkich urządzeń otrzymujemy wartość całkowitego obciążenia cieplnego. W zależności od otrzymanego wyniku można określić optymalną metodę chłodzenia. Takie przybliżone określenie całkowitej wartości ciepła wydzielanego przez serwerownie może być również podstawą do wstępnego wymiarowania systemu klimatyzacji. Większość urządzeń wydziela do najbliższego środowiska tyle ciepła ile pobiera w formie energii elektrycznej należy jednak pamiętać, że są także takie urządzenia jak np. przełączniki sieciowe, które oddają bezpośrednio do najbliższego otoczenia zwykle jedynie około połowy pobieranej energii, reszta ciepła jest przenoszona za pośrednictwem okablowania do różnych urządzeń takich jak bezprzewodowe punkty dostępowe, telefony IP czy kamery systemu kontroli dostępu. Ciepło może być odprowadzane z małego pomieszczenia lub biura w zależności od zainstalowanej mocy urządzeń w różny sposób tj.:

• Przewodzenie cieplne obiektu - ciepło jest odprowadzone poprzez ściany budynku do zewnętrznego otoczenia

• Wentylacja grawitacyjna - ciepło jest odprowadzane na zewnątrz przez kanały wentylacyjne, bez udziału wentylatora

• Wentylacja wymuszona - ciepła jest odprowadzane na zewnątrz przez kanały wentylacyjne przy udziale wentylatorów

• Schładzanie poprzez tzw. klimatyzację „komfortu” budynku

• Schładzanie poprzez tzw. klimatyzację dedykowaną do systemu teleinformatycznego tzw. CRAC ( ang. Computer Room Air Conditioning).

Wymienione powyżej metody oddawania ciepła różnią się od siebie pod względem wydajności, ograniczeń i generowanych kosztów. Optymalne rozwiązanie chłodzenia zależą od lokalizacji sprzętu IT i jak już wcześniej powiedziano od poziomu obciążenia co przekłada się na ilość generowanego ciepła. Aby dokonać wyboru właściwej metody chłodzenia trzeba więc wziąć pod uwagę takie kryteria jak:

• Wartość mocy sprzętu zainstalowanego w pomieszczeniu – uwzględniająca wszystkie źródła ciepła (np. oświetlenie, systemy grzewcze)

• Umiejscowienie pomieszczenia pod kątem występowania zewnętrznych źródeł ciepła (np. lokalizacja od strony południowej i duży wpływ energii słonecznej na wysokość temperatury)

• Wielkość pomieszczenia (wartość powierzchni w metrach kwadratowych).

Najważniejszym kryterium branym pod uwagę przy wyborze metody schładzania dla niewielkich systemów zlokalizowanych w danym pomieszczeniu jest moc urządzeń. Zwykle przyjmuje się, iż w przypadku gdy moc zainstalowanych urządzeń jest mniejsza od 400 W, stosowanie dodatkowych systemów chłodzenia nie jest wymagane gdyż wystarczające jest oddawanie ciepła poprzez przewodzenie cieplne ścian budynku. Jeśli wartość mocy zainstalowanych urządzeń zawiera się w przedziale pomiędzy 400 a 700 W, pasywna wentylacja może okazać się wystarczająca w sytuacji gdy możliwe jest zastosowanie nawiewów w pomieszczeniu. Dla wartości mocy urządzeń powyżej 700 W, zwykle konieczne staje stosowanie wentylatorów, które będą wymuszać cyrkulacje chłodnego powietrza. Przy obciążeniach o wartości powyżej 2 kW, zaleca się stosowanie systemu klimatyzacji najlepiej typu CRAC. Do określenia wielkości potrzebnego systemu chłodzenia należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

• wielkość mocy cieplnej wydzielanej przez zainstalowany sprzęt (w tym urządzeń zasilających)

• wielkość mocy cieplnej wydzielanej przez pozostałe urządzenia i instalacje budynku

• zapas wielkości mocy na uwzględnienie efektu nawilżania

• zapas wielkości mocy mająca zapewnić założony pozom nadmiarowości

• zapas wielkości mocy w związku z planowaną rozbudową

Systemy chłodzenia

W przypadku niedużych pomieszczeń często stosuje się system chłodzenia typu „split”. Składa się on z dwóch zasadniczych części, "panelu chłodzenia” (jednostki wewnętrznej) zawierającego parownik wraz z wentylatorem, który zazwyczaj jest zawieszony na ścianie pomieszczenia i "agregatu" (jednostki zewnętrznej) w skład którego wchodzi skraplacz wraz ze sprężarką, który jest zwykle zamontowany na dachu lub na zewnętrznej ścianie budynku. Taki system klimatyzacji wymaga prowadzenia specjalistycznej instalacji chłodniczej pomiędzy elementami gdyż jednostki muszą być połączone przewodami freonowymi (gazowym i cieczowym). W związku z tym występują pewne ograniczenia stosowania tego rozwiązania, związane głównie z odległością pomiędzy komponentami. W większości przypadków, taki system zapewnia jednak dość dobre efekty przy stosunkowo niewielkich kosztach.

Rozwiązania „mini split” mogą skutecznie schładzać obciążenia o mocach od 10 kW co stanowi korzystne rozwiązanie dla małych pomieszczeń. Istnieją przypadki np. w niewielkich oddziałach terenowych kiedy jedyną możliwością jest instalowanie sprzętu teleinformatycznego w przestrzeni typowo biurowej. W tych przypadkach zalecanym rozwiązaniem jest zainstalowanie sprzętu IT w specjalnej bezpiecznej obudowie wyposażonej w zintegrowaną wentylację i odpowiednie wyciszenie. Stosując tego typu obudowy rackowe można chłodzić sprzęt nawet o mocy do 4 kW. Jeśli w budynku jest stosowana instalacja wody lodowej to korzystne jest podłączenie do niego również systemu klimatyzacji dedykowanej dla urządzeń teleinformatycznych. Warto nadmienić, iż zarówno projektowanie jak i montaż systemów chłodzenia powinno być wykonane przez osoby posiadające odpowiednie kompetencje i doświadczenie.

Zapewnienie odpowiedniej wydajności chłodzenia

Zapewnienie odpowiedniego i efektywnego systemu chłodzenia w przypadku gdy urządzenia teleinformatyczne instalowane są w niewielkich pomieszczeniach wymaga specyficznego podejścia do wyboru właściwego rozwiązania. W sytuacji gdy wartość zainstalowanej mocy jest nieduża to sama wentylacja (pasywna lub aktywna) okazuje się wystarczająca. Dla aplikacji o wyższych mocach, a szczególnie w przypadku stosowania układów wysokiej gęstości wymagane jest jednak stosowanie specjalistycznych układów klimatyzacji. Aby poprawić wydajność chłodzenia, warto instalować urządzenia IT w pomieszczeniach budynku zapewniających uzyskanie jak najlepszych warunków chłodzenia. Należy pamiętać, iż typowy układ klimatyzacji na odprowadzenie ciepła z pomieszczenia zużywa nawet około 40 % całej ilości energii wykorzystywanej przez system teleinformatyczny, tak więc prawidłowy wybór pomieszczenia i rozmieszczenia urządzeń pozwala na zaoszczędzenie przyszłych wydatków za energię elektryczną. Moc systemu chłodzenia powinna być dostosowana do potrzeb zainstalowanych odbiorników z pewnym zapasem uwzględniającym przyszłe potrzeby. Należy jednak pamiętać, iż nadmierna moc układu chłodzenia skutkuje pogorszeniem się jego sprawności energetycznej i zwiększeniem liczby cykli pracy. W pomieszczeniach okablowania gdzie większość zainstalowanych przełączników umożliwia dostarczanie zasilania przez sieć Ethernet, zużywane są większe ilości energii, więc wymagania w zakresie chłodzenia ulegają znacznemu zwiększeniu.

Zasilanie małych serwerowni

Dla prawidłowego funkcjonowania systemu informatycznego niezwykle ważne jest zapewnienie wysokiej dostępności do energii elektrycznej pobieranej przez urządzenia sieciowe takie jak przełączniki, routery, serwery oraz stacje robocze. Instalacje elektryczne zasilające systemy teleinformatyczne powinny, być tak zaprojektowane i wykonane, aby zapewnić najwyższą niezawodność, gdyż koszty przestoju systemu teleinformatycznego są bardzo wysokie.

Zasady projektowania, budowy oraz eksploatacji instalacji elektrycznej są określone w polskich edycjach międzynarodowych norm IEC (International Electrical Commision). Pierwszym krokiem do określenia wstępnych wymagań dla budowy instalacji elektrycznej jest przygotowanie listy planowanych do montażu urządzeń (systemów) z wyszczególnieniem ich mocy znamionowej, parametrów napięcia z uwzględnieniem czy są to urządzenia jednofazowe czy trójfazowe.

Wszystkie aparaty zabudowane w głównej szafie rozdzielczej budynku takie jak: wyłączniki, łączniki, przełączniki obejścia serwisowego tzw. „bypass”, przewody doprowadzenia zasilania w głównym przyłączu elektrycznym jak i poszczególne podziały na obwody prądowe, powinny być czytelnie i precyzyjnie oznakowane wraz z określeniem poszczególnych faz zgodnie z dokumentacją. Należy pamiętać o pozostawieniu pewnej rezerwy w tablicy rozdzielczej, tak aby zapewnić możliwość rozbudowy w przypadku konieczności wykonania dodatkowych obwodów.

Warto zaznaczyć, iż w myśl przepisów zarówno projektowanie jak i montaż instalacji elektrycznej powinno być wykonane przez osoby posiadające odpowiednie kompetencje i uprawnienia budowlane. Przy projektowaniu i budowie należy oczywiście uwzględnić fakt, iż system teleinformatyczny może podlegać częstym zmianom w trakcie użytkowania serwerowni. Obwody zasilające urządzenia teleinformatyczne powinny być wydzielone z pozostałej części instalacji elektrycznej budynku, a stosowane gniazda powinny posiadać konstrukcję zabezpieczającą przed podłączeniem innych urządzeń niż teleinformatyczne. Najbardziej newralgicznym miejscem, z punktu widzenia zapewnienia wysokiej dostępności systemy IT są obwody zasilające szafy ze sprzętem teleinformatycznym. Coraz częściej, więc instalację zasilającą szaf realizuje się przy wykorzystaniu dwóch niezależnych obwodów (głównego i pomocniczego), które są zarządzane przy użyciu przełączników. Przełączniki o mocy większej niż 10 kVA są zwykle zabudowane w rozdzielniach elektrycznych i połączone na stałe z instalacją elektryczną budynku, a przełączniki o mocach poniżej 10 kVA w szafach teleinformatycznych.

Zasilacze UPS

W niedużych serwerowniach zasilacze napięcia gwarantowanego są zwykle instalowane w tym samym pomieszczeniu co sprzęt IT. W tego typu aplikacjach najczęściej stosuje się UPS-y wykonane zazwyczaj w technologii line interactive dla mocy do 5 kVA lub true on-line (podwójnej konwersji) dla obciążeń o mocy powyżej 5 kVA oraz systemów dystrybucji energii. Tego typu zasilacze są najczęściej wyposażone w wewnętrzne baterie akumulatorów będące zasobnikami energii wykorzystywanymi w przypadku awarii sieci elektroenergetycznej. Są więc one krytycznym elementem systemu UPS, który jest szczególnie wrażliwy na zbyt wysoką wartość temperatury pracy, szczególnie w aspekcie skrócenia okresu żywotności. Tzw. „czas życia” typowych akumulatorów wynoszący około 5 lat - w sytuacji gdy temperatura przekracza 25° C ulega drastycznemu zmniejszeniu (np. dla temp. 40° C do około półtorej roku a w niektórych przypadkach nawet krótszych okresów).

Jeśli zakładamy, iż zasilacz UPS będzie jednak pracował w warunkach podwyższonej temperatury warto rozważyć zastosowanie innych rodzajów zasobników energii takich jak np. superkondensatory. Charakteryzują się one w przeciwieństwie do ogniw elektrochemicznych możliwością pracy w znacznie szerszym zakresie temperaturowym. Inną ważną ich zaletą jest długa żywotność przekraczająca 10 lat oraz wysoka liczba dopuszczalnych cykli (ok. 500 000) ładowania/rozładowania, nie bez znaczenia jest również fakt, że ich utylizacja jest znacznie bardziej przyjazna dla środowiska niż typowych akumulatorów. Barierą w ich stosowaniu w dalszym ciągu pozostają wyższe koszty oraz ograniczona pojemność.

Wartość strat zależy zarówno od zastosowanej technologii np. zasilacze line-interactive odznaczającej się z reguły wyższą sprawnością (niższym poziomem strat) niż zasilacze on-line jak i poziomu obciążenia w stosunku do mocy znamionowej UPS (im mniejszy jej poziom to sprawność ulega obniżeniu).


TOP 200