Modul 7 Volné chlazení (Free cooling ) a rekuperace odpadního tepla

1. Modul 7Volné chlazení (Free cooling)a rekuperace odpadního tepla Verze 1.022. září 2011

2. IT rozvaděče Volné chlazení, volné chlazení vzduchem, volné chlazení kapalinou Free cooling a geografická poloha

3. Volné chlazení • “Volné chlazení (FC)” je způsob chlazení, který ke chlazení využívá (oproti požadovaným podmínkám v datovém sále) nižší teplotní hladinu venkovního vzduchu nebo vody; • Čím nižší je průměrná roční teplota venkovního prostředí, tím větší je příležitost využívat free cooling a zlepšit celkovou účinnost chlazení datového centra; • Strategie free coolingu nabízí v zásadě dvě možnosti, které nevyžadují chladicí zařízení: • chlazení vzduchem z okolního prostředí • chlazení kapalinou (glycol, voda) při teplotě prostředí.

4. Volné chlazení vzduchem • Potenciál „volného chlazení vzduchem“ mnozí autoři nadhodnocují, protože vzduch je k dispozici bez omezení množství a protože neberou v úvahu vyšší teploty; • Jiní autoři však konstatují, že by se „volné chlazení vzduchem“ mělo používat s určitou opatrností; • Nedoporučuje se používat standardní spořiče bez provedení analýzy místních klimatických podmínek (kolísání teploty a vlhkosti) a možného znečištění ve vzduchu; • Použití kapalinových tepelných výměníků (voda/vzduch) se ale všeobecně doporučuje, a to pro klimata, kdy teplota mokrého teploměru je pod 13 °C alespoň cca 3000 hodin ročně.

5. Volné chlazení kapalinou (glycol, voda) • Volné chlazení vodou obsahuje systém s tepelným výměníkem; • Kompresor je ochlazován přes vodní okruh s tepelným výměníkem umístěným ve venkovním prostředí; • Další tepelný výměník je připojen k výparníku, který je také připojen k vodnímu okruhu; • Jednotka může pracovat buď jako standardní chladicí systém nebo s free coolingem při nízkých teplotách okolního prostředí; • Kombinované chlazení se současným využitím free coolingu a kompresoru je možné.

6. Geografická poloha a použitelnost FC Mapa pro volné chlazení vodou Odhad provozních hodin při nasazení výměníku voda vzduch (2009,TGG) Počet hodin, kdy je teplota mokrého teploměru <10°C Zdroj: http://cooling.thegreengrid.org/europe/WEB_APP/calc_index_EU.html

7. Geografická poloha a použitelnost FC Mapa pro volné chlazení vzduchem Odhad provozních hodin při přímém použití venkovního vzduchu (2009,TGG) Počet hodin, kdy je teplota suchého teploměru <=27°C a rosný bod <=15°C Zdroj: http://cooling.thegreengrid.org/europe/WEB_APP/calc_index_EU.html

8. Volné chlazení vzduchem • Přímé použití čerstvého vzduchu je-li venkovní teplota pod definovanou maximální úrovní; • Pro míchání venkovního vzduchu se používá vzduchotechnický cirkulační systém, který zajišťuje získání požadovaných parametrů přiváděného vzduchu; • Venkovní vzduch se musí analyzovat a upravit (např. filtrovat), jelikož znečištění (prach), vlhkost a případná kondenzace by mohly způsobit problémy v IT zařízení. HP: Volné přímé chlazení datového centra vzduchem Zdroj: www.datacenterknowledge.com

9. Volné chlazení vzduchem Ventilátory / filtry na výdechu Vstupní filtry / ventilátory Vzduch na výdechu do venkovního prostředí Vzduch z venkovního prostředí IT rozvaděče Požadavky na datový sál: V budově vestavěný systém pro cirkulaci vzduchu HP volné chlazení vzduchem, zdroj:Strategie chlazení pro IT zařízení - HP

10. Volné chlazení vzduchemKoncentrace nečistot Prachové částice (2008) založené na denních průměrech s pokrytím >=75% v mikrogramech/m3 • Obrázek ukazuje mapu Evropy s koncentracemi polétavých nečistot v roce 2008; • Koncentrace znečištění je v některých lokalitách považována za překážku pro použití volného chlazení vzduchem: používání a údržba filtrů je často nevyhnutelná či povinná; <=20 20-31 31-40 >40

11. Volné chlazení vodou (přímé použití vody) Nepřímé chlazení s přímým použitím spořiče na vodním okruhu Návratový vzduch Chladicí věž nebo suchý chladič Tepelný výměník FC Vodní okruh kondenzátoru Okruh chladicí vody Tepelný výměník Mechanické chlazení (VYP) Vzduch dodávaný pro chlazení Zdroj. ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

12. Volné chlazení vodou (přímé použití vody) • Přímé chlazení vodou používá venkovní vzduch pro přímé ochlazení chladicích kapalin; • V tomto konceptu se jako hlavní systém typicky používají chladicí věže; • Přídavný tepelný výměník / suchý chladič je připojen přímo nebo nepřímo; • Přístup často zahrnuje přímé chlazení komponent nebo IT rozvaděčů. Vyšší povolená teplota pro kapaliny a malý teplotní gradient (delta T) umožňují vysoké úspory a téměř ve všech případech se vyhnou použití chillerů; • V přímém systému voda kondenzátoru obíhá přímo skrz tepelný výměník. Nejběžnější systémy s přímým vodním spořičem používají uvnitř sálové chladicí jednotky nezávislé tepelné výměníky tak, aby byl možný provoz s jedním nebo druhým zdrojem chladu (FCnebo přímý výpar (DX)).

13. Volné chlazení vodou (nepřímé použití vody) Nepřímé volné chlazení s nepřímým použitím spořiče na vodním okruhu při použití tepelného výměníku Návratový vzduch Tepelný výměník Chladicí věž nebo suchý chladič Tepelný výměník FC Vzduch dodávaný pro chlazení Vodní okruh Okruh chladicí vody Mechanické chlazení (VYP) Zdroj. ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

14. Volné chlazení vodou (nepřímé použití vody) • V nepřímém systému je přidán tepelný výměník, aby oddělil vodní okruh kondenzátoru a vodní okruh chladicí vody; • Tento systém se běžně používá ve spojení s vodou chlazenými chillery; • Pro čerpání vody přes tepelný výměník se spotřebovává energie navíc.

15. Rekuperace odpadního tepla

16. Rekuperace odpadního tepla • I když odpadní teplo z datového centra má ve srovnání s průmyslovými procesy nízkou teplotní hladinu (vzduch maximálně 40-45 °C), pro maximální účinnost celého systému je možné nasadit rekuperační systém; • V závislosti na instalovaném chladicím výkonu lze použít teplo generované z vodního chladicího systému pro předehřev jiných médií (voda pro systém topení v kancelářích nabo sanitární voda, voda pro systém tepelného čerpadla); • Pokud pro teplo není k dispozici žádné externí uplatnění, teplem aktivovaný systém lze nasadit i pro samotné datové centrum, přičemž se kombinuje ztrátové teplo chillerů s absorpčním chillerem.

17. Rekuperace odpadního tepla Návratová voda Pokročilý systém rekuperace tepla (Zdroj: Intel) Návratový vzduch z DC Chladicí voda Tepelný výměník Deskový tepelný výměník Ventilátor Chladicí vzduch do DC Rekuperace tepla výparník chileru Sálová chladicí jednotka Rekuperace tepla kondenzátor chilleru Teplo z datového centra uvolněné do atmosféry Rekuperační chiller Návrat ohřáté vody Horká voda pro tepelné výměníky ve VZT objektu (variabilní průtok vzduchu), předehřev vody Chladicí věž Upravený tepelný výměník Dodávka chladné vody Vzduch z okolního prostředí

18. Modulární systém pro chlazení IT zařízení Technologie vodního chlazení pro instalace serverů s vysokou výkonovou hustotou Zdroj HP Modulární systém chlazení Zadní strana Přední strana Moduly s ventilátory Moduly s ventilátory Moduly tepelných výměníků Rozhraní pro připojení napájení a komunikační interface Sestava regulačních prvků pro skupinu Voda vstup Řídicí blok pro skupinu vodních jednotek AC převod Voda výstup

19. Modulární systém pro chlazení IT zařízení • Poslední vývoj modulárních chladicích systémů pro IT zařízení a napájení ukazuje, že tato modulární řešení jsou často používána při renovaci datových center; • V existujících datových centrech modulární chlazení kombinuje dva způsoby chlazení (na úrovni rozvaděče a vzduchu v sále); • Modulární systém: • zabraňuje vzniku horkých míst (rozvaděče mají stejný teplotní gradient); • umožňuje výkonové hustoty až 35kW / rozvaděč– s malým půdorysem; • přísně respektuje požadované podmínky prostředí (přesné chlazení). • Technologii je možné použít pro odstranění potřeby přídavných chladicích systémů při renovaci datových center a umožňuje vyšší nominální zátěž IT zařízení (kW) v rozvaděči.

20. Použití zásobníku chladu • Zásobník chladu je systém, který může být začleněn do chladicího systému pro ošetření specifických podmínek (špičky, přerušení), snížení spotřeby energie a eliminaci potřeby přídavných blokových chladicích jednotek (chillerů). Dodávka chladicí vody (55°F) Voda teče do chladicích jednotek serverů a UPS. Chiller Řídicí ventil zásobníku chladu Čerpadlo chladicí vody Voda se vrací od chladicích jednotek serverů a UPS. Zásobník chladu – nádrž 1; 42°F 42°F předchlazená voda teče do nádrží 42°F předchlazená voda teče z nádrží Zásobník chladu – nádrž 2; 42°F Hlavní potrubí Větev potrubí F stupně Fahrenheita Zdroj: Intel

21. Použití zásobníku chladu • Zásobník chladu umožňuje eliminovat přídavné zdroje chladu. Typicky se dimenzuje na pokrytí špičkových period zátěže, což umožňuje chilleru pracovat s vyšším koeficientem výkonu (COP) při nižších venkovních teplotách teplotách po určitou omezenou dobu, například při poruše systému; • Koncepce dovoluje snížit spotřebu energie a zvýšit redundanci a spolehlivost systému. Obvykle se jako chladicí médium používá voda. Někdy se používají i systémy s fázovou změnou (změna skupenství), zahrující led nebo jiná chladiva s se změnou skupenství při nižších nebo vyšších teplotách; • Zásobníkové systémy vyžadují vyšší investiční náklady a zabírají prostor, avšak umožňují provoz s nižšími provozními náklady . Řešení se zásobníky chladu se v datových centrech dá rovněž použít jako zásobník pro rekuperaci ztrátového tepla (pro topení nebo přívod do tepelného čerpadla).

22. Ukázky nejlepší praxe a zkušenosti Video o free coolingu v datovém centru společnosti Intel

23. Video o free coolingu v DC Intel • Video o volném chlazení v datovém centru Intel (5 minut) • http://www.youtube.com/watch?v=SRn_xW7VtWc

24. Snížení provozních nákladů v datovém centru vzduchovým spořičem Klima-jednotka Tradičně klimatizací chlazený oddíl Horký vzduch je ochlazován a recirkulován Serverové rozvaděče Oddíl používající spořič Horký vzduch odváděn ven a venkovní vzduch je přiváděn dovnitř Serverové rozvaděče Spořič Čidlo teploty a vlhkosti Horký vzduch Studený vzduch (Zdroj: Intel) Při použití klimatizace v obou oddílech byla celková spotřeba energie kontejneru cca 500 kW. Při nasazení vzduchového spořiče se tepelná zátěž chlazená DX systémem v části se spořičem snížila ze 111,78 kWna 28,6 kW, což představuje snížení spotřeby energie o 74% .

25. Snížení provozních nákladů v datovém centru vzduchovým spořičem Kolísání teploty a vlhkosti v části se vzduchovým spořičem od ledna do května 2008 Teplota Vlhkost Teplota ve stupních Fahrenheita (°F) Procenta relativní vlhkosti únor duben květen březen leden (Zdroj: Intel)

26. Diskuze Otázky související s modulem

27. Otázky / diskuze související s modulem • Myslíte si, že ve vašem městě je „free cooling” dobrým řešením pro úsporu energie, které by se mělo vzít v potaz? • Jaké by mělo vypadat adekvátní řešení z vašeho pohledu? Přímé chlazení vzduchem nebo nepřímé chlazení vodou? • Proč nepřímý způsob chlazení znamená vyšší provozní náklady?

28. Další návrhy na čtení Bílé knihy Publikace on-line atd.

29. Další návrhy na čtení • Rekuperace tepla pomáhá Intelu vytvořit zelené datové centrum • www.intel.com/it/pdf/Data-Center-Heat-Recovery.pdf • Evropský nástroj pro free cooling (The Green Grid) • http://www.thegreengrid.org/en/Global/Content/Tools/EuropeanFreeCoolingTool • Snížení provozních nákladů DC za pomoci vzduchového spořiče • http://www.intel.com/content/www/us/en/data-center-efficiency/data-center-efficiency-xeon-reducing-data-center-cost-with-air-economizer-brief.html • Řešení volného chlazení datového centra se spořičem • http://www.42u.com/cooling/economizers/economizers.htm