Dobry klimat dla serwerowni

W obliczu ciągłej tendencji zwiększania gęstości upakowania urządzeń coraz bardziej podnosi się ilość ciepła generowanego w pomieszczeniu serwerowni, a z nią ryzyko przekroczenia dopuszczalnej temperatury i wystąpienia awarii. Efektywne systemy chłodzenia i klimatyzacji warunkują zachowanie wysokiego poziomu dostępności całego systemu teleinformatycznego.

Obecnie największym problemem związanym z chłodzeniem centrum danych jest zapewnienie właściwych parametrów strumienia powietrza chłodzącego pomiędzy szafami, tak żeby nie doszło do niebezpiecznego wzrostu temperatury w ich wnętrzu. W zdecydowanej większości temperatura w pomieszczeniu serwerowni jest utrzymywana na poziomie od 19 do 21 stopni Celsjusza. Rośnie jednak liczba administratorów, którzy decydują się na jej podniesienie do poziomu nawet 27 stopni (który już obecnie jest zgodny z obowiązującymi standardami), ponieważ jest to bardzo prosty sposób na wygenerowanie poważnych oszczędności.

Klimatyzacja „średnich gęstości”

W klasycznych rozwiązaniach systemy chłodzenia, które są stosowane w serwerowniach o niskiej lub średniej gęstości upakowania, zasysają powietrze z górnej części pomieszczenia i po schłodzeniu oraz przefiltrowaniu tłoczą je w przestrzeń podłogi technicznej. W tego typu przypadkach dużym problemem jest zapewnienie odpowiedniego poziomu dopływu chłodnego powietrza do urządzeń komputerowych. Postępujący wzrost zagęszczenia urządzeń teleinformatycznych prowadzący do większej ilości wydzielanego ciepła w przypadku stosowania typowych systemów chłodzących wymusza konieczność przewymiarowania ich mocy.

Zobacz również:

Dodatkowym problemem jest to, iż urządzenia, które wydzielają znaczące ilości ciepła są zwykle nierównomiernie rozłożone w całym pomieszczeniu, powodując powstawanie miejsc, w których gęstość mocy może wzrastać nawet do kilku tysięcy watów na metr kwadratowy. Typowe układy klimatyzacyjne tzw. komfortu (czyli te stosowane powszechnie w biurach i mieszkaniach) nie są w stanie obsłużyć obciążenia cieplnego o takim poziomie. Co więcej, nie zapewniają utrzymania nie tylko temperatury, ale również wilgotności na poziomach zgodnych z zaleceniami producenta sprzętu teleinformatycznego, a warto pamiętać, że zbyt niski poziom wilgotności może być przyczyną powstawania mikrowyładowań elektrostatycznych, które mogą doprowadzić do trwałych uszkodzeń urządzeń teleinformatycznych. Dlatego coraz częściej w centrach przetwarzania danych stosuje się rozwiązania chłodzące przeznaczone do systemów teleinformatycznych CRAC (ang. computer room air conditioner), które są wydajniejsze i zapewniają właściwy poziom wilgotności.

Współczesne środowiska teleinformatyczne cechują się ponadto dużymi wahaniami obciążenia będącego efektem takich czynników jak wirtualizacja, zarządzanie zasilaniem, czy chociażby dobudowa nowych jednostek sprzętu. Systemy chłodzenia CRAC zapewniają także możliwość sterowania przepływem chłodnego powietrza do poszczególnych szaf. Nie zawsze jednak inwestycja w systemy CRAC, szczególnie w przypadku niedużych serwerowni, jest konieczna i ekonomicznie uzasadniona, gdyż przyzwoite warunki chłodzenia może zapewnić typowa klimatyzacja. W razie jej zastosowania należy jednak uwzględnić wspomniany nadmiar mocy chłodniczej (rzędu nawet kilkudziesięciu procent w stosunku do zainstalowanej mocy odbiorników). Wiąże się to z możliwością pojawienia się obszarów o podwyższonej temperaturze oraz koniecznością zapewnienia wymaganej nadmiarowości. Dla wielu istniejących instalacji korzystne jest doposażenie układu klimatyzacji komfortu w dodatkowy system wentylacji, który będzie zapewniał lepszą cyrkulację powietrza chłodzącego. Przy stosowaniu tego typu rozwiązania należy zagwarantować również możliwość monitorowania wilgotności, gdyż ten typ systemów klimatyzacji ma tendencje do obniżania poziomu wilgotności.

Instalacje „wody lodowej”

W obiektach o dużej gęstości mocy i stałym w ciągu roku obciążeniu cieplnym, do których niewątpliwie zalicza się centra przetwarzania danych, często stosuje się instalacje „wody lodowej”. Chłodzenie w tym systemie może być realizowane bezpośrednio wodą – przystosowane urządzenia teleinformatyczne, możliwe jest także chłodzenie powietrzem poprzez wymienniki ciepła zabudowane w szafie. Takie rozwiązanie jest uzasadnione dla szaf, w których moc obciążenia przekracza 10 kW dla pojedynczej szafy. W systemie chłodzenia wykorzystującym jako czynnik chłodzenia tzw. wodę lodową można wyróżnić trzy wzajemnie współpracujące ze sobą elementy: agregat chłodniczy (wytwornica wody lodowej), zespół przygotowujący i dostarczający wodę chłodniczą oraz zespół dystrybuujący.

Przygotowana w centrali „woda lodowa” zasila poszczególne urządzenia klimatyzacyjne obsługujące pomieszczenia technologiczne i biurowe. W obiektach o wymaganej dużej niezawodności i niedużej liczby urządzeń klimatyzacyjnych zaleca się stosowanie urządzeń autonomicznych z układem freonowym typu compact (wewnętrzny lub zewnętrzny), oraz typu split (jednostka wewnętrzna zlokalizowana bezpośrednio w pomieszczeniu, a skraplacz – agregat sprężarkowo-skraplający na ścianie zewnętrznej, dachu lub w terenie). W obiektach, w których instalacja skraplaczy na elewacji budynku jest niemożliwa lub bardzo trudna w realizacji, istnieje możliwość wyposażenia w urządzenia posiadające skraplacz w formie wymiennika płytowego freon-woda. Chłodzenie skraplacza zapewnia układ „wody lodowej” stanowiący odrębną instalację budynku z tzw. dry coolerami, umieszczonymi np. na dachu. Systemy chłodzenia z wodą lodową cechują się dużą wydajnością, pozwalają również na wykorzystanie w procesie chłodzenia niskiej temperatury otoczenia, czyli tzw. free-coolingu.

Chłodzenie w środowiskach wysokiej gęstości mocy

Chłodzenie pojedynczej szafy wyposażonej w urządzenia wysokiej gęstości np. serwery typu blade powinno być wspomagane poprzez wykorzystanie systemu wentylatorów zabudowanych w szafie. Ogrzane powietrze wyprowadzane jest do przestrzeni podwójnej podłogi. Bezpośrednie chłodzenie szaf poprzez klimatyzatory montowane bezpośrednio na szafie umożliwia usuwanie ciepła u źródła z wydajnością sięgającą nawet do 40 kW. Urządzenia tego typu są oparte najczęściej na wymiennikach ciepła powietrze/ciecz lub mniej wydajnych powietrze/powietrze. Systemy te mogą znacznie ograniczyć obszary o podwyższonej temp (tzw. hot-spot) i ograniczyć potrzebną moc chłodniczą. Początkowe nakłady zakupu i instalacji tego typu rozwiązań są zwykle wyższe niż tradycyjnych, ale koszty utrzymania są zwykle dużo niższe, więc może się okazać, że już po kilku latach użytkowania rozwiązania z klimatyzatorami zabudowanymi bezpośrednio na szafach są tańsze. W przypadku stosowania bezpośredniego chłodzenia szaf należy liczyć się z obecnością w serwerowni instalacji wody lodowej, co jednak nie powinno budzić obaw, gdyż jej niezawodność jest wysoka, a szczelność jest zwykle monitorowana.

Free-cooling

Technologia ta umożliwia wykorzystanie niskich temperatur powietrza zewnętrznego do chłodzenia z możliwością częściowego wykorzystania sprężarek lub bez ich udziału. Zasadność stosowania free-coolingu jest ściśle związana z czasem występowania temperatur zewnętrznych pozwalających na realizację procesu wymiany ciepła pomiędzy otoczeniem a czynnikiem chłodzącym. Opisując sposób działania tego systemu należy wyodrębnić trzy stany pracy. Pierwszy stan występuje wtedy, kiedy temperatura otoczenia jest wyższa od zadanej temperatury medium chodzącego (najczęściej „wody lodowej”). Regulator kieruje procesem działania urządzenia tak, że produkcja „wody lodowej” odbywa się jedynie w obiegu chłodniczym (sprężarka, skraplacz, element dławiący, parowacz), a zawór trójdrożny jest zamknięty, powodując przepływ wody tylko przez parowacz.

Drugi stan występuje w sytuacji, w której temperatura otoczenia znajduje się na poziomie wyjściowej temperatury „wody lodowej”. Spadek temperatury otoczenia o 1 stopień Celsjusza poniżej temperatury zadanej powoduje otwarcie zaworu trójdrożnego. W ten sposób czynnik chłodzący najpierw przechodzi przez system free-cooling, gdzie jest wstępnie schładzany, a następnie, jeżeli istnieje taka potrzeba, jest kierowany do parowacza, w którym proces ochładzania jest kontynuowany. Przypadek trzeci występuje wtedy, gdy niska temperatura otoczenia w stosunku do temperatury wody pozwala na całkowite wychłodzenie. „Woda lodowa” przechodzi w tym stanie również przez parownik, ale pełne schłodzenie odbywa się w chłodnicy sytemu free-cooling. Temperatura wyjściowa musi być również kontrolowana, aby uniknąć zbyt niskiej temperatury wody wynikającą z za małej temperatury otoczenia. Jeżeli obciążenie spada, to zamiast bypassować część wody, automatyka agregatu zmienia parametry „wody lodowej” do momentu znalezienia właściwego punktu pracy. Niższe roczne zużycie energii wynikające ze stosowania free-coolingu można już osiągnąć przy różnicy temperatur większej lub równej 1º C.

Free-cooling – analiza kosztów

Włoski producent systemów klimatyzacyjnych, Montair, już w ostatniej dekadzie ubiegłego wieku przeprowadził kompleksowe badania, analizując pracę agregatu chłodniczego o mocy 100 kW, pracującego całą dobę i produkującego „wodę lodową” o temperaturze pomiędzy 7 a 12° C. Przyjmując współczynnik wydajności chłodniczej, tj. ilości energii produkowanej do zużywanej o wartości 2,9, zaoszczędzono ok. 100 tys. kWh energii elektrycznej, co przy koszcie 0,168 euro za 1 kWh we Włoszech, dało oszczędności w skali roku na poziomie ok. 17 tys. euro. Gdyby zastosować tę samą metodę obliczeń, podstawiając średnie wartości danych temperatury występujące w naszej strefie klimatycznej, zaoszczędzono by znacznie więcej, bo ponad 170 tys. kWh energii elektrycznej. Przy średnim koszcie 0,56 zł za 1 kWh w Polsce oszczędności w skali roku wyniosłyby ok. 100 tys. zł. Warto dodać, iż oprócz redukcji kosztów technologia ta wpływa również na przedłużenie żywotności samych sprężarek (krótszy czas pracy) i ich wyższą niezawodność.

Optymalizacja układów chłodzenia

W przypadku wielu serwerowni występuje zjawisko mieszania się chłodnego powietrza (doprowadzanego do poszczególnych urządzeń) z gorącym powietrzem odprowadzanym z pomieszczenia serwerowni. System chłodzenia pracuje wtedy wyjątkowo nieefektywnie, co przekłada się oczywiście na większy pobór mocy potrzebnej do utrzymania odpowiedniej temperatury w samym pomieszczeniu, jak i wewnątrz urządzeń. Zgodnie z raportem Gartner Research „How to Save a Million Kilowatt Hours in Your Data Center”, wdrożenie ekologicznych rozwiązań w centrach danych na całym świecie pozwoliłoby zaoszczędzić nawet milion kilowatogodzin energii rocznie. Tradycyjne centra danych zużywają bowiem ponad połowę energii więcej na zasilanie oraz chłodzenie. Podstawowym sposobem oszczędzania energii jest rozważne inwestowanie w sprzęt w zależności od aktualnych potrzeb danej firmy. Obecnie większość instalacji w serwerowniach jest przewymiarowana, i na przykład kilka serwerów wykonuje zadania, z którymi z powodzeniem poradziłoby sobie jedno urządzenie. I choć nadmiarowość jest koniecznością ze względu na zabezpieczenie się przed przestojami, to jednak bardzo często jest ona nieuzasadniona. Energia ciągle drożeje, więc nie dziwi, że administratorzy i właściciele serwerowni szukają różnych sposobów, aby zmniejszyć rachunki.

Dziesięć przykazań oszczędnego administratora

Poszukiwanie oszczędności we własnym data center warto przeprowadzić zgodnie z dziesięciopunktowym planem:

1. Przegląd podłogi technicznej, w celu zidentyfikowania niepotrzebnych wylotów powietrza, które następnie należy uszczelnić albo je zaślepić.

2. Instalacja specjalnych paneli maskujących w szafach zapełnionych tylko w części sprzętem, dzięki czemu tłoczone do szafy powietrze nie powinno ulegać zjawisku recyrkulacji.

3. W pomieszczeniach serwerowni z tzw. podłogą techniczną należy usunąć niepotrzebne elementy, w celu zapewnienia swobodnego przepływu powietrza.

4. Szafy ze sprzętem należy tak ustawiać, aby nie dochodziło do mieszania się powietrza chłodnego z gorącym.

5. Należy rozważyć instalację dodatkowych czujników temperatury, tak aby zapewnić pełny monitoring temperatury.

6. Gdy system chłodzący centrum danych wykorzystuje przejścia i kanały do przesyłania oddzielnie gorącego i zimnego powietrza, należy je dokładnie skontrolować i w razie potrzeby tak zmodyfikować, aby te dwa obiegi były od siebie całkowicie odseparowane.

7. Zaleca się instalowanie wentylatorów i pomp o regulowanej szybkości obrotów, gdyż zmniejszenie obrotów wentylatora o 10% powoduje, że pobiera on aż około 25% mocy mniej.

8. W centrum danych zlokalizowanym w kraju o takim klimacie jak Polska zaleca się wykorzystanie sytemu wspomagającego chłodzenie – korzystając z niskich temperatur otoczenia (free-cooling), rezygnując w tym czasie z aktywnego systemu chłodzenia pracującego jedynie w miesiącach letnich.

9. Należy sprawdzić, czy w centrum danych nie jest możliwe ustawienie wyższej temperatury pomieszczenia, bez szkody dla pracy sytemu teleinformatycznego. Wyższa dopuszczalna temperatura zwiększa również możliwość wykorzystania chłodzenia powietrzem zewnętrznym tzw. free-coolingu.

10. W przypadku budowy centrum danych od podstaw zaleca się stosowanie modułowego systemu chłodzenia, który cechuje się adaptacyjnością do określonych potrzeb.

Systemy monitoringu i nadzoru układu chłodzenia

Aby poprawić wydajność energetyczną centrów przetwarzania danych, warto wyposażyć je w systemy monitorujące temperaturę i kierujące strumienie chłodnego powietrza tam, gdzie w danym momencie jest najwyższa temperatura. Warto podkreślić, iż kontrola stanu technicznego poszczególnych aktywnych elementów systemu chłodzenia pozwala zwiększyć bezpieczną eksploatację i bezawaryjną pracę całej serwerowni. Systemy monitoringu oraz nadzoru klimatyzacji i chłodzenia powinny obrazować w sposób graficzny pracę urządzeń, a także umożliwiać wyświetlanie opisów stanów alarmowych, wskazań stanu pracy i zapewniać sygnalizację akustyczną. Układ monitoringu i nadzoru klimatyzacji powinien współpracować z innymi systemami obiektu, takimi jak Systemy Automatyki i Zarządzania budynkami BAS/BMS (ang. Building Automation Systems, Building Managment Systems) oraz umożliwiać zdalny nadzór jednostek klimatyzacyjnych. Obecnie funkcjonujące systemy monitorowania i zarządzania umożliwiają odwzorowanie stanów oraz parametrów urządzeń i środowiska, a także ich rejestrowanie i raportowanie. W niedalekiej przyszłości systemy monitorowania i zarządzania infrastrukturą fizyczną, oprócz ww. realizowanych dziś funkcji, będą najprawdopodobniej także umożliwiały wspomaganie projektowania i sugerowały zabiegi optymalizujące pracę centrum przetwarzania danych.

Podsumowanie

System chłodzenia i klimatyzacji powinien być dostosowany do rozmiarów i usytuowania pomieszczenia oraz mocy cieplnej wydzielanej przez zainstalowane w nim urządzenia. Niezmiernie ważną kwestią jest również takie rozmieszczenie urządzeń IT w pomieszczeniu serwerowni, aby zminimalizować możliwość tworzenia się obszarów o znacznie wyższej niż średnia temperaturze. Aby zapobiec temu niebezpiecznemu zjawisku, systemy chłodzenia centrów przetwarzania danych powinny umożliwiać sterowanie przepływem chłodnego powietrza do poszczególnych szaf.

Wzrastające koszty utrzymania skuteczniejszego chłodzenia centrów danych – coraz bardziej wydajnych, lecz w związku z tym wymagających – wymuszają działania pozwalające na ograniczenie poboru energii, tym bardziej że prognozy mówią o dalszym wzroście jej cen. Należy pamiętać, iż właściwie cała energia dostarczona do urządzeń teleinformatycznych zostaje zamieniona w ciepło, którego odprowadzenie słono kosztuje, warto więc wyłączać niewykorzystywane systemy. Z tego powodu warto również inwestować w efektywne energetycznie systemy zasilania oraz urządzenia teleinformatyczne.

Możliwość zwiększania wydajności chłodzenia w ramach posiadanych możliwości instalacyjnych jest jednym z ważnych cech systemu, które powinny być uwzględniane już na etapie wyboru rozwiązania. Niestety zwiększenie wydajności chłodzenia w działającym centrum przetwarzania danych lub serwerowni może być bardzo trudne, a co za tym idzie – kosztowne. Z punktu widzenia efektywności i niezawodności najlepszym wyborem pozostaje infrastruktura chłodzenia CRAC wyposażona w sprężarki Digital Scroll oraz wentylatory o zmiennych prędkościach obrotowych, co umożliwia utrzymanie wysokich wydajności także przy niepełnym obciążeniu.

Zwiększanie upakowania i kompaktowości systemów infrastruktury fizycznej będzie najprawdopodobniej jednym z ważniejszych trendów branży w najbliższych latach, aż do momentu, gdy gęstość mocy serwerów osiągnie ponad 40 kW na szafę, co na dzisiaj wydaje się być barierą ekonomiczną, po przekroczeniu której dalsze zwiększanie gęstości stanie się nieopłacalne ze względu na problemy z zapewnieniem zasilania i chłodzenia takich środowisk. Czołowi producenci systemów chłodzenia dążą do maksymalnego uproszczenia obsługi sprzętu, która coraz częściej odbywać się będzie bezpośrednio z urządzeń IT – np. poprzez funkcję plug-and-play – kosztem obsługi czysto technicznej.


TOP 200