Coraz szybsze i bardziej wydajne serwery, macierze o większych możliwościach sprawiają, że niemal tak szybko jak rozwój technologii rośnie zapotrzebowanie na energię elektryczną, niezbędną do zasilania sprzętu komputerowego. Dlatego też data center to potężny odbiornik energii elektrycznej.
Energia potrzebna do funkcjonowania naszych komputerów i innych urządzeń, do właściwego celu wykorzystywana jest jednak w sposób mało wydajny. Taka już natura odbiorników elektrycznych, że sporo energii przez nie pobieranej wydziela się w postaci „niechcianego” ciepła.
Wszyscy wiemy, że nasze komputery, notebooki mocno się rozgrzewają. Często irytuje nas niemiły dźwięk wydawany przez wirujące wewnątrz tych urządzeń wentylatory. Nie zdajemy sobie jednak sprawy z tego, jakim problemem jest utrzymanie stałej, pokojowej temperatury w pomieszczeniu, w którym pracują setki czy tysiące wieloprocesorowych serwerów.
Jedna szafa o wymiarach 80x80x200 cm (w slangu informatycznym zwana z angielskiego „rack”), mieszcząca 30 serwerów, może mieć moc cieplną pieca pracującego w saunie. Szaf takich w sercu DC – pomieszczeniu serwerowni – mamy co najmniej kilkadziesiąt, a temperatura powinna oscylować w okolicy 24ºC. W dodatku dla wrażliwych urządzeń elektronicznych stała wilgotność powietrza jest równie ważna. Względna wilgotność powinna wynosić około 50%, zbyt wysoka to groźba kondensacji pary wodnej mogącej powodować zwarcia, zbyt niska to z kolei ryzyko za silnych oddziaływań elektrostatycznych – wiemy jak „kopią” drzwi naszego samochodu, gdy powietrze jest suche.
Aby spełnić takie wysokie wymagania, konieczne jest zastosowanie tzw. klimatyzacji precyzyjnej, która istotnie różni się od tej znanej nam z codziennego życia, a zwanej klimatyzacją komfortu.
Zasadnicza różnica polega oczywiście na jej wydajności. Typowa moc cieplna jednej szafy serwerowej w funkcjonujących obecnie serwerowniach z „klasycznymi” serwerami to ok. 5 kW. Stosowane obecnie serwery kasetowe (ang. „blade server”), dzięki którym radykalnie rośnie gęstość upakowania mocy obliczeniowych, zwiększają tę moc do 10 kW i więcej. Warto dla porównania wskazać, że tyle ciepła wydziela około 100 osób, siedzących w dużej sali konferencyjnej. Cieplne obciążenie metra kwadratowego serwerowni jest z grubsza o dwa rzędy wielkości większe niż to, z którym radzi sobie klimatyzacja komfortu.
Kolejna sprawa to niezawodność klimatyzacji precyzyjnej. Pamiętajmy, iż klimatyzacja komfortu działa zwykle tylko w okresie letnim, po kilka godzin dziennie, podczas gdy klimatyzacja w DC funkcjonuje cały rok, przez 24 godziny na dobę. Oznacza to, że musi ona pracować z taką samą wydajnością niezależnie od temperatury zewnętrznej, która waha się w ciągu roku od -25°C do +35°C. Naturalną konsekwencją takich wymagań jest modułowa budowa oraz wysoki stopień automatyzacji sterowania i monitoringu całego systemu klimatyzacji.
Ocenia się, że moc obliczeniowa komputerów na świecie podwaja się średnio w ciągu półtora roku. Gdyby nie malała objętość zajmowana przez te urządzenia, inwestycje budowlane przeznaczone na ich pomieszczenie musiałyby stale rosnąć. Zastosowanie nowych rozwiązań – takich właśnie jak serwery blade – pozwala w tym samym pomieszczeniu wielokrotnie zwiększyć moc obliczeniową, jedynie poprzez wymianę komputerów – co i tak, przy postępie w tej dziedzinie, jest relatywnie często wymagane.
Klimatyzacja wysokiej gęstości (ang. High Density)
Większa moc obliczeniowa przy tej samej objętości urządzeń, to oczywiście także większe lokalne zużycie energii elektrycznej i tym samym, pomimo optymalizacji sprawności, rosnąca ilość miejscowo wydzielanego ciepła. Technologia chłodzenia musi nadążać, a nawet wyprzedzać postęp „miniaturyzacji” urządzeń komputerowych. Obecnie, najbardziej wydajne systemy – klimatyzacji wysokiej gęstości, są w stanie sprostać chłodzeniu szaf serwerowych o mocy cieplnej do 40 kW. Podstawową zasadą klimatyzacji wysokiej gęstości jest maksymalne ograniczenie rozchodzenia się wydzielanego ciepła – jest ono lokalnie wytwarzane i lokalnie odbierane.
Poniższy rysunek pokazuje typową instalację klimatyzacji precyzyjnej. W zewnętrznym agregacie chłodzącym z freecoolingiem i charakteryzującym się wyjątkowo wysokim poziomem niezawodności, przygotowywana jest tzw. woda lodowa – ciecz chłodnicza o temperaturze ok. 10°C. Należy nadmienić, że powinniśmy dążyć do podwyższania parametrów wody w celu maksymalizacji wykorzystania „taniej energii” z pośrednictwem wymiennika freecoolingu.
Woda lodowa to zwykle 35-cio % roztwór glikolu etylenowego (zwykła woda w zimie mogłaby zamarznąć). Wewnętrznym czynnikiem chłodzącym jest ciecz chłodząca typu freon. To bardzo istotne, w komorach serwerowych nie możemy generować ryzyka zalania. W razie jakiejkolwiek nieszczelności freon, czy jego pochodne natychmiast odparowują, nie generując żadnego niebezpieczeństwa. Freon chłodzony jest wodą lodową w wymienniku ciepła i pompowany do instalacji wewnętrznej.
Rys. 1 Schemat działania systemu klimatyzacji precyzyjnej
Pokazana tu instalacja wewnątrz serwerowni to system bardzo wysokiej gęstości oparty o jednostki instalowane nad szafami lub podsufitowo. Są to montowane kombinacyjnie moduły klimatyzacyjne o różnej wydajności chłodniczej. W przypadku takich jednostek chłodzących, przeznaczonych dla serwerowni, wydajność cieplną definiuje się jako moc cieplną szafy serwerowej, która może odebrać taka pojedyncza jednostka we współpracy z tradycyjnymi szafami klimatyzacyjnymi. Typowo takie moduły klimatyzacyjne mają wydajność od kilku do kilkunastu kW. Coraz częściej spotyka się również jednostki charakteryzujące się największą mocą chłodniczą (ponad 20 kW), mające jednak pewną wadę – ich instalacja, pomiędzy szafami serwerowymi, zajmuje cenną powierzchnię oraz dociąża i tak mocno obciążoną podłogę serwerowni. Jednostki wewnętrzne montuje się w układach zimnych i ciepłych korytarzy powietrznych – wdmuchuje się powietrze schłodzone, a zasysa ciepłe do układów chłodzących, wymuszając w ten sposób pożądaną cyrkulację – schematycznie pokazane to jest poniżej. Zastosowanie kilku typów układów pozwala na schłodzenie szaf serwerowych o mocy cieplnej do 40 kW.
Rys. 2 Rodzaje jednostek klimatyzacyjnych
Jak widać komplikacja tego typu układów jest bardzo wysoka. Klimatyzacja w data center to też jeden z ważnych odbiorników energii. Poniekąd to paradoks – potrzebujemy kolejnej dawki energii, aby pozbyć się ciepła, które powstało w wyniku strat w wykorzystaniu energii elektrycznej. Warto więc jeszcze raz podkreślić, że układy klimatyzacji precyzyjnej, wykorzystujące zewnętrzne agregaty na wodę lodową, mogą – w takich warunkach klimatycznych jakie panują w Polsce – być bardzo ekonomiczne i ekologiczne. Dzięki zastosowaniu odpowiednich dodatkowych wymienników ciepła, przy niskiej temperaturze otoczenia (nawet tylko 1ºC niższa od temperatury chłodziwa), powietrze na zewnątrz może być wykorzystane do chłodzenia wody lodowej, poprzez najpierw częściowe ograniczenie pracy sprężarki, a wraz z obniżeniem temperatury, do całkowitego korzystania z wymiennika freecoolingu. Z kolei ciepło odebrane z komory serwerowej, znów przez układ wymienników, może skutecznie służyć do podgrzewania budynku – ten mechanizm nazywa się „freeheating”. Tematyka ta, to oczywiście temat na osobne opracowanie, ale warto wiedzieć, że takie systemy już działają.
Klimatyzatory rzędowe
Idealnym rozwiązaniem dla chłodzenia serwerowni i centrum danych o powierzchni od 10 do 100 m² i wysokiej gęstości są klimatyzatory instalowane w rzędach szaf serwerowych. Urządzenia tego typu dostosowują swoje działanie, a w konsekwencji zużycie energii, do rzeczywistych potrzeb infrastruktury.
Urządzenia te, instalowane między szafami, nie wymagają od użytkownika specjalistycznej wiedzy na temat chłodzenia i pasują do każdej konfiguracji serwerowni wymaganej przez administratorów systemów.
Tego typu klimatyzator instalowany w rzędach szaf serwerowych w konfiguracji „strefa gorąca – strefa zimna”, pobiera powietrze ze strefy gorącej, filtruje, schładza a następnie dostarcza je do strefy zimnej, znajdującej się z przodu szaf serwerowych lub innych urządzeń teleinformatycznych. Schłodzone powietrze, za pośrednictwem wbudowanych regulowanych dyfuzorów, może być kierowane ku lewej, prawej lub obu stronom urządzenia – zależnie od potrzeb.
Rys. 3 klimatyzator CRV
Kontroli wilgotności jest istotnym elementem systemu klimatyzacji precyzyjnej. Zatem klimatyzatory rzędowe powinny mieć możliwość wyposażenia w nawilżacz powietrza, podległy systemowi sterowania klimatyzacją precyzyjną.
Co ciekawe, klimatyzatory tego typu mogą być stosowane również w większych centrach danych, jako urządzenia służące do eliminacji gorących stref, powstających w przypadku wdrożenia rozwiązań o wysokiej gęstości.
Istotną cechą klimatyzatorów rzędowych jest ich możliwość dostosowania się do obciążenia cieplnego – moc chłodzenia, a także zużycie energii są zawsze adekwatne do faktycznego zapotrzebowania serwerów. Za pomocą zintegrowanego oprogramowania i czujników temperatury zainstalowanych w szafach serwerowych, klimatyzatory te monitorują obciążenie cieplne generowane przez sprzęt IT i automatycznie dostosowują swoje działanie do warunków panujących w serwerowni, zapewniając wymaganą moc chłodzenia.
Klimatyzatory montowane w rzędach pozwalają uzyskać znaczny wzrost efektywności energetycznej i ograniczyć koszt działania środowisk IT. Zastosowane rozwiązania pozwalają modulować natężenie przepływu powietrza i moc sprężarki odpowiednio do faktycznego zapotrzebowania, przyczyniając się do jeszcze wyższych oszczędności.
Powyższe klimatyzatory, w przypadku wersji freonowych, mogą występować jako modele o mocy od 23 do 37 kW oraz do 40 kW – w wersji z wodą lodową.
System urządzeń klimatyzacyjnych, w wersji na wodę lodową, można budować w oparciu o klimatyzatory z nawilżaczami i nagrzewnicą – o szerokości 600 mm i klimatyzatory tylko chłodzące – o szerokości 300 mm (moc takich jednostek to ok. 30 kW). Klimatyzatory zajmujące tak małą powierzchnię, mogą stanowić również istotne uzupełnie dla potrzeb redundancji.
Oszczędność w zużyciu energii powoduje, że konieczne inwestycje zwracają się po dwóch, trzech latach, nie wspominając już o redukcji kosztów niemierzalnych, ponoszonych przez środowisko naturalne. Starajmy się zawsze dbać o nasze otoczenie, okazuje się, że może się to także dosłownie opłacać.
Tomasz Sajdyk
Z-ca Dyrektora Sprzedaży
w Pionie Technologii Inteligentnego Budynku
Qumak-Sekom SA
W artykule wykorzystano materiały firmy Emerson Network Power
