Free Cooling dla obiektów Data Center

Od pewnego czasu na naszym rynku pojawia się kwestia używania systemów chłodzących powietrze. Przeglądając różne artykuły natrafiliśmy na bardzo przydatne opracowanie firmy STULZ w tym zakresie. Poniżej przybliżamy kilka spostrzeżeń związanych z tym zagadnieniem. Warto jest wiedzieć co jest sensowne a co nie w tym zakresie.

Czym jest Free Cooling? Czy Free Cooling naprawdę jest bezpłatny jak się sugeruje?

Free Cooling dla serwerowni jak i Centrów Przetwarzania Danych na ogół odnosi się do kwestii usuwania ciepła stworzonego przez sprzęt IT za pomocą zimnego powietrza z zewnątrz, a zatem bez wykorzystania sprężarek chłodniczych. W każdym przypadku Free Cooling powietrze musi się poruszać, aby usunąć ciepło a to oznacza że wentylatory muszą być włączone a energia zużywana.

Indirect cooling pośrednie systemy chłodzenia muszą do swojej pracy używać jeszcze więcej bo wentylatorów jak i pomp, ale nie wykorzystują energochłonnych sprężarek chłodniczych. Free Cooling w tym wypadku oznacza usunięcie ciepła z Data Center przy zużyciu minimalnej ilości energii wymaganej do pracy wentylatorów i pomp. Określona ilość energii jest potrzebna do chłodzenia (lub do odprowadzania ciepła) , ale jest znacznie niższa w porównaniu z systemami bez Free Cooling gdzie sprężarki chłodnicze są wymagane.

Możemy rozpoznać 2 rodzaje Free Coolingu:

  • Direct Free Cooling
  • Indirect Free Cooling

Direct Free Cooling

Direct Free Cooling na najbardziej podstawowym poziomie możemy opisać w następujący sposób: należy otworzyć okno, zassać zimne powietrze z zewnątrz przez Data Center, odebrać ciepło, przetransportować z powrotem na zewnątrz. Jest to bardzo ogólnie rzecz biorąc dokładnie to, co się dzieje. Jednakże, proces wymuszonego ruchu powietrza wymaga energii. Niestety, w prawdziwym życiu nie jest to takie proste. Powietrze zewnętrzne nie zawsze jest w stanie obsłużyć sprzęt IT. Czasem jest gorąco, a czasem zimno, czasami jest to bardzo wilgotne, a czasem bardzo sucho. Co więcej, powietrze na zewnątrz nie zawsze jest czyste. Powietrze zewnętrzne jest często pełne cząstek, które mogą być bardzo niebezpieczne do nowoczesnego sprzętu IT. A więc wynika z tego, że bezpośrednie chłodzenie swobodne powinno być stosowane tylko wówczas, gdy powietrze zewnętrzne i jego właściwości mogą być kontrolowane w odpowiednich reżimach finansowych. Przed dostaniem się powietrza do Data Center musi być przefiltrowane. Taki proces może być bardzo kosztowny. Jeśli powietrze zewnętrzne jest zbyt zimne, pewna część ciepłego powietrza z Data Center musi być mieszana z zimnym powietrzem, dostarczając kontrolowane warunki dla sprzętu IT. Koncepcja przepływu powietrza oraz system kontroli środowiska musi być tak zaprojektowana, aby zapewnić warunki dla sprzętu IT. Jeśli powietrze zewnętrzne jest zbyt ciepłe, dodatkowe chłodzenie mechaniczne jest wymagane. Dlatego w miejscach o bardzo wysokich temperaturach rocznych, Direct free cooling nie może być realną opcją.

Wilgotność powietrza jest kolejnym wyzwaniem. Należy pamiętać, że sprzęt IT nie powinien być obsługiwany zbyt suchym lub zbyt wilgotnym powietrzem. Metody nawilżania lub osuszania mogą być bardzo kosztowne i skomplikowane.

Ważna jest także kwestia ilości mocy chłodniczej jaka może być przenoszona przez powietrze. Tutaj należy pamiętać, że wartość mocy chłodniczej jest znacznie mniejsza niż transportowany przez tradycyjną metodę z wykorzystaniem schłodzonej wody lub inne go czynnika poprzez system rur. To oznacza, że do tego rodzaju systemu chłodzenia wymagane są duże systemy przewodów wentylacyjnych wraz z dużymi otworami w ścianach budynku w celu przeniesienia dużej ilości powietrza zewnętrznego oraz równie duży system kanałów wraz z otworami do wyprowadzenia powietrza wywiewanego. Otwory i dukty wentylacyjne bezpośrednio wychodzące do obiektu tworzą zagrożenia dla bezpieczeństwa centrum przetwarzania danych, które należy uwzględnić.

fc1

Jak widać głównymi wytycznymi do tego rodzaju systemu jest analiza finansowa opłacalności wykonania. Jeśli wymagane są drogie dodatkowe środki ze względu na warunki środowiskowe w danym miejscu należy rozważyć inne formy chłodzenia.

InDirect Free Cooling

InDirect Cooling w analogii do wcześniejszego porównania oznacza, że nasze okno pozostaje zamknięte. Powietrze zewnętrzne, ze wszystkimi jego zanieczyszczającymi cząstkami nie dostaje się do Data Center pozostaje na zewnątrz. Wszelkie wady opisane przy Direct Cooling o których wspomniano powyżej nie mają zastosowania dla InDirect Cooling. Niestety, pośrednie chłodzenie (InDirect Cooling) teoretycznie jest mniej efektywne niż bezpośrednie chłodzenie (Direct Cooling), jest to związane z faktem, że w systemie InDriect musi być użyty minimum jeden wymiennik czy to powietrze/powietrze lub woda powietrze a to oznacza straty.

 

W systemie InDirect Cooling możemy rozpoznać kilka rodzajów free coolingu i dla niniejszego artykułu podzielimy je na dwa rodzaje:

  • jednostopniowy Indirect Cooling System
  • dwustopniowy Indirect Cooling System

Jednostopniowy Indirect Cooling System

Jednostopniowy Indirect Cooling System to system wymiany powietrza który posiada wymiennik powietrze/powietrze. Generalnie całość składa się z wymiennika który wykorzystuje powietrze zewnętrzne do chłodzenia w wymienniku bez bezpośredniego kontaktu lub mieszania z powietrzem zewnętrznym. Również powietrze zewnętrzne wchodzące do sekcji powietrznej wymiennika jest odprowadzane i następnie przesyłane z powrotem na zewnątrz Data Center.

fc2

Wymienniki ciepła powietrze / powietrze może być albo sześciennych w kształcie pudełka. Zazwyczaj jest to wymiennik płytowy ze stałymi pozycjami lub duże, powoli obracające się koło cieplne jako element wymiennika ciepła.

fc3

Dwustopniowy Indirect Cooling System

Dwustopniowe systemy Indirect Cooling mają znacznie mniejszą wielkość niż ich odpowiedniki jednostopniowe, ale są nieco mniej wydajne, ze względu na używane podwójne wymienniki ciepła. W pierwszym wymienniku ciepło z powietrza w komorze IT w Data Center jest przesyłane do cieczy zwykle wody z glikolem. Po odbiorze ciepła czynnik jest pompowany na zewnątrz budynku w stosunkowo małych rurach gdzie ciepło z Data Center jest ponownie oddawana za pośrednictwem drugiego wymiennika ciepła. Przez podowójną wymianę ponownie tracimy sprawność dzięki wymianie ciepła. W tym systemie mechaniczna klimatyzacja jest integralną częścią systemu i jest używana do uzupełniania Free Coolingu przy wysokich temperaturach zewnętrznych. Jeśli powietrze zewnętrzne jest bardzo gorące, całość systemu działa na mechanicznym chłodzeniu z wykorzystaniem sprężarek.  Istnieją zasadniczo dwa różne dwustopniowe pośrednie systemy chłodzenia swobodnego. Pierwszy składa się z szafy klimatyzacji CRAC (packaged Computer Room Air Conditioner) i suchej chłodnicy lub wieży chódniczej, druga składająca się z szafy klimatyzacji CRAH (chilled water Computer Room Air Handler) i agregatu wody lodowej Chillera.

Dwustopniowy Indirect Cooling System: CRAC wraz z dry coolerem

W tego typu systemie, urządzeniu CRAC znajduje się w komorze IT Data Center i jest wyposażony w dodatkowy wymiennik Free Cooling. Do urządzenia CRAC są połączone z rurami wodnymi wymiennik DryCooler, który znajduje się na zewnątrz budynku. Podczas zimnych okresów, wymiennik DryCooler dostarcza zimną wodę do CRAC. W tym czasie działa w trybie Free Cooling z wyłączeniem sprężarki. Gdy temperatura powietrza na zewnątrz jest wysoka, temperatura wody zasilania z suchej chłodnicy nie jest wystarczająco zimna do swobodnego chłodzenia a CRAC musi używać chłodzenie mechaniczne w celu nadrobienia różnicy. W międzyczasie, w umiarkowanych temperaturach powietrza na zewnątrz, system pracuje w trybie mieszanym; oprócz Free Cooling występuje chłodzenie mechaniczne w celu wspomagania chłodzenia w razie potrzeby. Przewaga tego systemu nad innymi jest to , że posiada tryb mieszany który rozpoczyna się już przy stosunkowo wysokich temperaturach zewnętrznych.

fc4

Tak długo jak wymiennik Dry Cooler może wytwarzać wodę o temperaturze poniżej temperatury powrotu temperatury powietrza w DataCenter, tryb mieszany może działac i czas działania sprężarki jest ograniczany. W zależności od rozmiaru wymiennika tryb mieszany odbywa się gdy temperatura powietrza na zewnątrz wynosi około 5°C niższa od temperatury powietrza obiegowego w DataCenter. Pełen free cooling może wtedy zaczynać się stosunkowo podczas wysokiej temperatury powietrza zewnętrznego. Wtedy to wymiennik może wytworzyć temperaturę wody, która jest wystarczająca do prawidłowej pracy CRAC w pełnym trybie free cooling. Nowoczesne systemy dwustopniowego InDirect Cooling pracują z dynamiczną zmianą temperatury wody pomiędzy CRAC i wymiennikiem Dry Cooler. Prowadzi to do dynamicznej adaptacji chłodzenia i wzrost godzin Free Coolingu podczas częściowego obciążenia w Data Center. Działa to następująco, że mniejsze obciążenie pozawala na wyższą temperaturę wody, tym więcej zostanie osiągnięte godzin Gree Coolingu. Woda chłodząca zazwyczaj jest mieszana z roztworem glikolu który działa jako środe przeciw zamarzaniu do ochrony wymiennika Dry Cooler-a, gdy temperatura zewnętrzna schodzi poniżej zera.

Dwustopniowy Indirect Cooling System: CRAH wraz z chillerem

Drugim typowym rozwiązaniem jest dwustopniowy Indirect Cooling System: CRAH wraz z chillerem. Może to być chłodzony powietrzem agregat chłodniczy ze zintegrowanym wbudowany wymiennikiem freecooling lub agregat chłodniczy z zewnętrznym wymiennikiem Free Cooling lub typowa wieża chłodnicza. Temperatura wody lodowej z agregatu chłodniczego do szaf klimatyzacyjnych CRAH jest stosunkowo niska, ale gdy temperatura zewnętrzna jest niższa od temperatury chłodziwa agregat chłodniczy może aktywować tryb mieszany chłodzenia swobodnego i zmniejszyć czas pracy sprężarki urządzenia. Gdy temperatura powietrza na zewnątrz jest znacznie niższa niż temperatura czynnika możliwe jest osiągniecie 100% Free Cooling-u.

fc5

Ze względu na stosunkowo niskie temperatury wody lodowej z tego typu pośrednim układem chłodzenia może być mniej wydajny niż w układzie szafy chłodniczej CRAC z wymiennikiem drycooler. Jednakże najnowsze trendy pozwalają podwyższyć temperatury czynnika chłodniczego do powyżej 18stC co w takim wypadku jest znacznie oszczędniejsze niż poprzedni układ. Przy temperaturze 3stC niżej niż temperatura wody zasilającej można już osiągnąć  100% Free Cooling-u. W tym układzie zazwyczaj czynnik chłodniczy składa się z wody i procentowego roztworu glikolu. Mieszanka służy jako środek przeciw zamarzaniu w celu ochrony wymiennika freecoolingu, gdy na zewnątrz temperatura powietrza spadnie poniżej zera. System taki jest bardzo popularny w dużych systemach chłodniczych z dużą ilością szaf klimatyzacyjnych CRAH podłączony do układu zasilania w wodę lodową. Zazwyczaj są to układy znacznie powyżej 500kW  mocy chłodniczej.

Do powyższych systemów w celu zwiększenia efektywności chłodniczej stosuje się dodatkowe systemy chłodzenia adiabatycznego. Pozwala on w specyficznych warunkach osiągnąć zwiększenie efektywności systemu i wydłużenie działania Free Cooling-u.

Zapraszamy do zapoznania się z pełnym zaprezentowanym dokumentem przez STULZ w którym są także określone zalety i wady tych rozwiązań.

W artykule wykorzystano w pełni opracowanie formy STULZ tłumacząc części dokumentu. W linku poniżej można znaleźć link do oryginalnego dokumentu.

https://www.stulz.de/en/newsroom/blog/news/free-cooling-direct-and-indirect/

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *