Podczas projektowania modułowych centrów danych, inżynierowie powinni skupić się na takich parametrach jak wydajność systemu i jego charakterystyka operacyjna.
Podstawowym parametrem, będącym punktem wyjścia przy pracy nad systemami zasilania i chłodzenia dla centrów danych, jest obciążenie bazowe. Definiuje on minimalną wydajność tych systemów. Gdy wartość taka zostanie ustalona, pozostaje zdecydować, jaką dodatkową pojemność/obciążalność systemów można lub warto zainstalować. Całkowita wydajność systemu powinna brać pod uwagę przyszłą rozbudowę centrów, a także dysponować pewnymi rezerwami na wypadek awarii (często, rezerwy są wliczone w bazowe obciążenie). Projekt modułowy komplikuje się nieco, jeżeli inżynierowie chcą zastosować redundancję dla każdego z modułów.
W artykule przyjrzymy się różnym parametrom, które mają wpływ na obciążenie bazowe, dodatkową pojemność oraz redundancję systemów zasilania
i chłodzenia. Niniejszy artykuł koncentruje się na układzie chłodzenia modułowego centrum danych, ale analogiczne zasady mają również zastosowanie do systemów zasilania i dystrybucji energii. Zalecane podejście to jednoczesna analiza obydwu systemów – zarówno chłodzenia jak i energetycznego – co pozwala uzyskać lepszą synergię wyników.
Co to jest system modułowy?
Podczas planowania obiektu modułowego, takiego jak na przykład centrum danych, trzeba rozważyć i odpowiedzieć na trzy główne pytania:
• Jakie jest bazowe obciążenie użyte do wyznaczenia zapotrzebowania na moc oraz wydajności urządzeń chłodniczych (wyrażone odpowiednio w kilowoltoamperach – kVA i tonach)? W początkowej fazie budowy, gdy wykorzystywany jest tylko jeden moduł zasilający i chłodzący, a wydajność modułu jest równa obciążeniu bazowemu, system taki określa się jako „system N”.
• Ile wynosi N dla obciążenia bazowego? Na przykład, jeżeli bazowe obciążenie systemu chłodzenia wynosi 500 ton i wykorzystywane są dwie jednostki chłodzące bez redundancji, to N wynosi 250 ton. Jeżeli wymagany jest większy poziom bezpieczeństwa, można użyć konfiguracji „N+1”. W takim przypadku N nadal będzie wynosić 250 ton, ale układ będzie składał się z trzech jednostek chłodzących, a nadwyżka ponad bazowa wydajność będzie wynosić 250 ton.
• Jaki jest plan rozbudowy o kolejne moduły? Jeżeli przewiduje się przyszłą rozbudowę systemów zasilania i chłodzenia oraz zakłada się liniowe zwiększanie mocy (co jest raczej rzadkością), to w takiej sytuacji moduł startowy będzie po prostu replikowany. Jednak jeżeli rozwój systemu jest trudny do przewidzenia, lub jeżeli bazowy moduł musi zostać przeprojektowany z powodu zmian obciążenia lub wymogów bezpieczeństwa, powinna zostać przygotowana strategia działania na taką okoliczność. W takiej sytuacji można wykorzystać podejście nazywane konfiguracją „moduł w module”.
Moduł w module
W takim podejściu, każdy moduł będzie się składał z wielu jednostek zasilających i chłodzących o różnej mocy i konfiguracji, które w minimalnym stopniu pokrywają startowe zapotrzebowanie. Moduł może pracować bez rezerwy, ponieważ rozbudowa systemu do 2N, 2(N+1), 2(N+2) zwiększa jego bezpieczeństwo, tym samym wpływając bezpośrednio na konfigurację modułu. Na przykład, jeżeli każdy moduł obsługuje tylko pewien wycinek całej infrastruktury i nie posiada połączeń z innymi modułami, taki system będzie „czystym” systemem modułowym, gdzie każdy segment będzie miał takie same parametry. Taki układ jest prosty i przejrzysty, jednak nie wykorzystuje w pełni potencjalnych korzyści – współdzielenia rezerwy, przy jednoczesnym utrzymaniu pożądanego poziomu niezawodności.
Jeżeli długoterminowa strategia zakłada zwiększanie ilości połączeń miedzy modułami wraz z rozbudową infrastruktury, da to możliwość zmniejszenia kosztów, zarówno inwestycyjnych jak i operacyjnych, związanych ze zużyciem energii
i kosztami utrzymania ruchu. Strategia tworzenia połączeń pomiędzy modułami powoduje, że system bardziej przypomina tradycyjny, scentralizowany model, niż koncepcję modułową. Jest to prawda, jednak dzięki takiemu fizycznemu oddzieleniu, pozostałe moduły mogą przejąć obciążenie, w przypadku, gdy w jednym z nich zdarzy się awaria całkowicie go wyłączająca z użytkowania (na przykład pożar). To główna przewaga systemu modułowego tego typu.
Wykorzystanie wzajemnych połączeń może zredukować ilość energii elektrycznej jak również liczbę niezbędnych urządzeń chłodzących. Efekt jest tym silniejszy, im więcej jest zainstalowanych modułów o wydajności N (Wykres 1.). Instalacja modułów o standardowej wydajności oraz wbudowanej rezerwie, skutkuje większym zużyciem energii takiej infrastruktury.
Jeżeli nie ma pewności, co do przyszłego obciążenia układu chłodzenia, oczywiście i tak trzeba się zdecydować na konkretną konfigurację startową, jednak prezentowane podejście różni się w założeniach od typowego projektu modułowego dla centrów danych. Daje ono solidną swego rodzaju poduszkę bezpieczeństwa, przy jednoczesnym utrzymaniu racjonalnych kosztów i bez znacznego obciążania sprzętu.
Wielkość i wydajność urządzeń
W trakcie analizowania zasadności implementacji rozwiązania modułowego, ważne, by dobrze zrozumieć, czym jest parametr N i jaki ma on długofalowy wpływ na koszty i elastyczność systemu. Aby to dobrze zilustrować, rozważmy układ o bazowym obciążeniu równym 1000 ton i jednocześnie przyjmijmy to jako N modułu. Takie podejście pozostawia małe rezerwy, ale pozwala utrzymać odpowiednio mały przedział temperatur i wilgotności w środowisku pracy sprzętu IT. W tej konfiguracji parametru N, awaria któregokolwiek z głównych elementów systemu chłodzenia spowoduje, że cały układ nie będzie funkcjonował (dopóki nie zostanie uruchomiony sprzęt zastępczy).
Rozważmy teraz system złożony z wielu mniejszych urządzeń. Takie podejście ma oczywiście zalety układu modułowego, ale ma to swoją cenę – każde urządzenie trzeba zainstalować, podłączyć zasilanie (co wiąże się też z koniecznością implementacji wielu elementów dodatkowych, typu włączniki itp.), przetestować, odebrać i konserwować. Dlatego tak ważne jest, by znaleźć zloty środek – osiągnąć wymagany poziom bezpieczeństwa i niezawodności, przy jednoczesnej optymalizacji kosztów i zużycia energii.
Moduły budowane w fabryce lub w miejscu przeznaczenia
Podczas decydowania się na sposób budowy modułu, można wybrać spośród kilku opcji: zabudowy na miejscu docelowym, zestawu złożonego fabrycznie, rozwiązań hybrydowych. Rozważmy różne aspekty:
• Lokalizacja obiektu ma duży wpływ na sposób jego konstrukcji. Na przykład, jeśli system będzie zlokalizowany w zakładzie, gdzie trudno o ekspertów od hydrauliki, elektryki czy budownictwa, lepiej wykorzystać moduł złożony fabrycznie, już przetestowany i odebrany, który na miejscu trzeba tylko ewentualnie poskładać z kilku sekcji i podłączyć. Taki system jest bardziej złożony, ale w tym przypadku ma on sens.
• Często obiekty muszą być zbudowane w lokalizacjach na tyle oddalonych od centrów przemysłowych, że producent nie jest w stanie zaoferować wsparcia przy ich uruchomieniu, odbiorze i późniejszej konserwacji sprzętu. Wymagałoby to długich podróży techników przy każdej anomalii operacyjnej lub awarii,
a to nie jest pożądane. Jeżeli nie ma możliwości zmiany lokalizacji, należy odpowiednio wcześniej zidentyfikować i wpisać do specyfikacji sprzętu specjalne wymagania, co pozwoli z góry zabezpieczyć się przed określonymi problemami. Wprawdzie podnosi to koszt zakupu instalacji, jednak dzięki umiejętnemu przewidywaniu zdarzeń i wcześniejszemu zakupowi części zamiennych, można zmniejszyć negatywne skutki awarii sprzętu.
• Harmonogram budowy centrów danych i ich najważniejszych systemów zwykle zależy od potrzeb klienta, a te często są z kolei zależne od czynników ekonomicznych lub usługobiorców tego klienta (instytucje publiczne, przedsiębiorstwa, biznes, instytucje rządowe), którzy chcą korzystać z baz danych możliwie jak najszybciej. Gdy rozważamy najlepsze podejście do kwestii budowy całego systemu, to okazuje się, że najlepiej, by moduł chłodzący został zbudowany u jego producenta, podczas gdy w tym samym czasie w lokalizacji docelowej można prowadzić prace związane na przykład z doprowadzeniem mediów. Co ważne, moduł można przetransportować do miejsca przeznaczenia i zainstalować, nawet gdy reszta obiektu nie jest jeszcze gotowa. Ponieważ wszystkie instalacje, zarówno hydrauliczne jak i elektryczne, wewnątrz modułu są przetestowane i odebrane, całkowity czas budowy obiektu może ulec skróceniu. Sam proces odbioru także przebiega sprawniej, gdy jest on przeprowadzany u producenta w obecności osób, które pracowały nad modułem i można szybko wprowadzić ewentualne poprawki.
• Poza dwoma głównymi sposobami budowy modułów jest jeszcze podejście hybrydowe. Jak wskazuje nazwa, jest to kombinacja elementów w zabudowie OEM i konstrukcji w miejscu przeznaczenia. Nie ma uniwersalnych wytycznych, jaka część pracy powinna być wykonana u producenta, a jaka w lokalizacji docelowej – stosunek ten jest inny dla każdego projektu. Dobrym przykładem skorzystania z tego rozwiązania jest sytuacja, gdy mogą wystąpić trudności w transporcie dużych elementów zasilających lub chłodniczych, które mają być zainstalowane w module, jednak wciąż część pracy przy instalacjach elektrycznej i hydraulicznej jest wykonywana w fabryce, by skrócić czas całkowity czas budowy. Dalsza rozbudowa może być prowadzona w podobny sposób, poprzez zabudowę w lokalizacji docelowej podzespołów częściowo złożonych u producenta.
Porównanie wydajności
Główną zaletą korzystania z konstrukcji modułowej jest większa elastyczność i łatwość konserwacji, jaka wynika z posiadania większej ilości, ale mniejszych chillerów, pomp, wentylatorów, itd. W przypadku zaimplementowania redundancji sprzętu, procedury serwisowe mają mniejszy wpływ na pracę całego systemu, ponieważ naprawa lub wymiana urządzeń może odbywać się bez wyłączania całej instalacji.
W przypadku centrów danych, redundancja jest jednym z podstawowych i najważniejszych elementów projektu, więc nie jest to nic nowego dla konstruktorów, właścicieli i użytkowników tego typu systemów. Przedkładanie zasad dotyczących budowy modułowej ponad wytyczne co do redundancji wymaga jednak długofalowego planowania, by być w stanie określić, jaki wpływ będzie miał projekt modułowy na cały cykl życia systemu.
Aby to zilustrować rozważmy obiekt, który może zostać uruchomiony z redundancją N+2, gdzie N to parametr określający bazowe obciążenie. Do porównania krzywych chłodzenia, w zależności od liczby klimatyzatorów kompresorowych, używa się algorytmu wykorzystującego równanie czwartego stopnia. Krzywe te dobrze pokazują różnice pomiędzy obciążeniem, a zużyciem energii przez kompresory.
W takiej analizie, każde urządzenie chłodzące jest obciążone w takim samym stopniu, więc wraz z rosnącą liczbą klimatyzatorów, dla każdego z nich spada obciążenie wyrażone w procentach. Ogólnie rzecz biorąc, tego typu urządzenia chłodnicze nie są w stanie uzyskać liniowego spadku zużycia energii wraz ze spadkiem obciążenia. Dlatego optymalizacja zużycia energii i jednoczesne zwiększenie możliwości i niezawodności systemu jest zawsze dużym wzywaniem dla konstruktorów. W analizie wykorzystano następujące parametry:
Nazwa krzywej: CentH2OVSD-EIR-fPLR&dT
[Jest to skrócony zapis modelowania zużycia energii dla odśrodkowego klimatyzatora chłodzonego wodą ze zmienną prędkością kompresora, na co wskazuje pierwszy człon. EIR (energy input ratio) to ilość dostarczanej energii, który to parametr jest wynikiem równania. fPLR&dT wskazuje, że EIR jest funkcją współczynnika obciążenia klimatyzatora (PLR – part load ratio) i wzrostu temperatury wody względem temperatury wody z kondensatora.]
Typ krzywej: Równanie czwartego stopnia w funkcji dT
Równanie: f(r1,dT) = c1 + c2*r1 + c3*r12 + c4*dT + c5*dT2 + c6*r1*dT
Współczynniki:
• c1 = 0.27969646
• c2 = 0.57375735
• c3 = 0.25690463
• c4 = -0.00580717
• c5 = 0.00014649
• c6 = -0.00353007
Każdy ze scenariuszy (Wykresy od 1 do 4) został opracowany w oparciu o powyższe równanie, a wyniki pokazują, jak maleje wydajność klimatyzatorów wraz ze spadkiem całkowitego obciążenia.
Podsumowanie:
• System typu N+2 (3 klimatyzatory) wykazuje najmniejszy spadek wydajności energetycznej, gdy całkowite obciążanie obiektu spada ze 100% do 25%. Wynika to z faktu, że jednostkowe obciążenie każdego z klimatyzatorów jest niskie, nawet przy całkowitym obciążeniu na poziomie 100%, więc duże wahania tej wartości mają mały wpływ na wydajność systemu.
• System typu N (jeden klimatyzator) wykazuje największą wrażliwość na zmiany obciążenia systemu chłodzenia. Klimatyzator pracuje na największej wydajności w szczytowym obciążeniu, jednak maleje ona szybko wraz odciążeniem systemu.
• System N+1 (2 klimatyzatory) sytuuje się pomiędzy dwoma wcześniejszymi rozwiązaniami, jeśli chodzi o wydajność energetyczną w funkcji obciążenia.
W praktyce, takie lub podobne konfiguracje często znajdują zastosowanie w projektach centrów danych. Analizy i modelowanie pozwalają nakreślić strategię optymalizacji i podjąć odpowiednie decyzje natury technicznej i finansowej. Bardzo wiele różnych czynników i parametrów ma wpływ na końcowy projekt, dlatego najważniejsze są dobre planowanie i odpowiednia metodologia pracy.
Bill Kosik jest inżynierem specjalizującym się systemach zasilających dla centrów danych. Jest członkiem panelu ekspertów w Consulting-Specifying Engineer.
