Modul 6 Návrh energeticky účinných chladicích systémů

1. Modul 6Návrh energeticky účinných chladicích systémů Verze 1.022. září 2011

2. Obecné problémy a možnosti centralizovaného chlazení pro IT zařízení

3. Trend tepelných výkonů IT systémů Telekomunikace – extrémní výkony 1U Servery, Blade servery a zákaznická řešení Telekomunikace – vysoká hustota Výpočetní servery 2U a větší Servery datových úložišť Pracovní stanice (standalone) Tepelná zátěž zařízení přepočtená na půdorys (Watty / m2 zařízení Páskové systémy (datová úložiště) Rok uvedení produktu na trh Nominální ztrátové teplo IT zařízení. Zdroj: ASHRAE 2005

4. Návrh vhodného systému chlazení • Výběr vhodného systému chlazení pro potřeby konkrétní instalace je ovlivněn zejména • stávající infrastrukturou v místě instalace; • celkovou energetickou bilancí daného objektu; • zeměpisnou polohou; • fyzickými omezeními souvisejícími s objektem (tvar budovy, velikost sálu, orientace, přístup atd.)

5. Návrh vhodného systému chlazení • Typické možnosti pro návrh chladicího systému jsou přímo odvozeny z klasických systémů pro chlazení prostoru, přestože chladicí zařízení jsou ve většině případů konkrétně navržena pro datová centra a IT. • Zařízení pro chlazení datových center se navrhuje běžným způsobem, ale pro specifické zadání: • Tepelná zátěž vznikající v datovém centru je typicky citelné teplo, které potřebuje k uchlazení snížení teploty suchého teploměru, zatímco pro kanceláří – tj . u komfortní klimatizace - je potřeba snížit citelné i latentní teplo (je potřeba snížit vlhkost kvůli přítomnosti lidí).

6. Kategorizace datových center • Parametry: • Podlahová plocha sálu; • Instalovaná IT zařízení (počet IT rozvaděčů nebo serverů); • Celkový příkon IT zařízení; • Infrastruktura instalovaná pro chlazení.

7. Kategorizace podle velikostiV závislosti na počtu IT rozvaděčů a celkovém instalovaném výkonu Zdroj: APC Bílá kniha č. 59, 2004)

8. Kategorizace podle velikostiPlocha, infrastruktura a vlastnosti systému

9. Správné chladicí zařízení • Vyhodnocení požadavků na chlazení • Tepelná zátěž IT zařízení odpovídá spotřebovanému množství elektrické energie: správné dimenzování IT hardwaru pro dané datové centrum je prvním krokem k uspokojivé účinnosti • Co se týče UPS, potřeba chlazení se mění v rozsahu od běhu naprázdno až po maximální zátěž • Co se týče osvětlení a přítomnosti osob, lze použít standardní referenční hodnoty ​ • Množství a velikost požadovaných chladicích systémů se také přísně váže na kategorizaci datového centra do určitého TIERu.

10. Prvky chladicího systému • Prvky chladicího systému: • Tepelný výměník pro vypuštění tepla (vnější jednotka); • Chladicí zařízení; • Tepelný výměník pro odebrání tepla ze zařízení (vnitřní jednotka); • Tepelná zátěž (IT zařízení, služby, operátoři). teplo Odběr tepla koncovým zařízením Vypouštění tepla Mechanické chladicí zařízení Tepelná zátěž chlad Zdroj: ASHRAE: Řada prezentací Ušetři energii teď, 2009

11. Prvky chladicího systému důležité pro výběr chladicího zařízení • Chladicí zařízení pracuje v režimu 24 x7 a obvykle pracuje při poloviční zátěži, než na kterou je dimenzováno, což není energeticky efektivní; • Pro dosažení obhajitelnosti řešení je kritickým krokem výběr energeticky účinných zařízení: • sálové klimatizační/chladicí jednotky (CRAC, CRAH); • ventilátory a další ventilační zařízení; • čerpadla; • blokové chladicí jednotky (chillery, chladivem nebo vodou chlazené); • chladicí věže, suché chladiče a vzduchem chlazené kondenzátory; • zvlhčovače.

12. Vnitřní jednotka, mechanický systéma venkovní jednotka Tradiční vnitřní zařízení chladicích systémů v datových centrech jsou buď stropní nebo podlahové vnitřní jednotky. Jiné typy, například nástěnné, jsou koncepčně podobné stropním jednotkám. IT prostředí Venkovní prostředí Tepelná energie Ventilátor Expanzní ventil Ventilátor Tok chladiva Výparník Kondenzátor Kompresor Zdroj: APC Bílá kniha č.59

13. Typické sestavy vnitřní, mechanickéa vnější části chladicího systému * Computer room air handling (CRAH) ** Computer room air conditioning (CRAC) Zdroj: ASHRAE: Řada prezentací Ušetři energii teď, 2009

14. Velikost datového centra a možná volba chladicího systému a uspořádání

15. Klasifikace prostředí ASHRAE * • Třída A1 (Class A1): prostory datových center s přísně řízenými parametry prostředí (rosný bod, teplota a relativní vlhkost) a zcela kritickým provozem. Mezi zařízení navržená pro provoz v tomto typu prostředí patří například korporátní servery a datová úložiště. • Třída A2: prostory datových center, kancelářské nebo laboratorní prostředí, kde jsou řízeny některé parametry prostředí (rosný bod, teplota a relativní vlhkost). Mezi zařízení navržená pro provoz v tomto typu prostředí patří například malé servery, datová úložiště, osobní počítače a pracovní stanice. • ……Třída A3/A4, Třída B, Třída C • Třída A1 a A2 jsou prostředí, která jsou primárně navržena pro umístění centrálních IT zařízení. *) American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers; (Americká profesní organizace inženýrů pro topení, chlazení a klimatizace)

16. Klasifikace ASHRAE:parametry vzduchu na vstupu do IT zařízení

17. Klasifikace ASHRAE:parametry vzduchu na vstupu do IT zařízení PSYCHROMETRICKÝ GRAF Metrické jednotky SI, barometrický tlak na úrovni moře = 101,3 kPa Relativní vlhkost Obsah vody, g/kg suchého vzduchu Vlhkostní poměr, kg/kg suchého vzduchu = obsah vody / 1000 Teplota mokrého teploměru neboli saturace, ve stupních Celsia Doporučená obálka Teplota suchého teploměru, ve stupních Celsia

18. EU Code of Conduct on Data Centre: * parametry prostředí Absolutní vlhkost vzduchu [g/m3] Teplota vzduchu [°C] Normální parametry Výjimečné parametry Relativní vlhkost vzduchu [%] Hodnoty mimo toto pole mají pravděpodobnost výskytu menší než 10% (viz IEC 60721-3-0). Výjimečné klimatické limity. Normální klimatické limity: Hodnoty mimo tyto limity mají pravděpodobnost výskytu menší než 1%. *) Kodex komise EU o datových centrech

19. Energeticky účinná řešeníchladicích systémů pro datová centra

20. Možnosti zlepšení pro malé IT systémyExistující serverovny

21. Možnosti zlepšení pro malé IT systémyNové serverovny

22. Sálové klimatizační jednotky –Typy, účinnosti a cena split systémů • Split systémyse skládají z: • kondenzační venkovní jednotky; • a vnitřní klimatizační jednotky. • Mobilní splitové klimatizace mají: • přenosnou vnitřní jednotku s kompresorem, což vede k nižší účinnosti. • Malé přenosné jednotky jsou často instalovány ve větších serverových sálech, aby zabránily vzniku horkých míst (hot spotů), nebo v kabelážních komorách, aby doplnily klimatizační systém budovy; • Tyto malé přenosné jednotky nejsou účinné! A obvykle mají na výdechu výfuk, který bodově ohřívá jedno místo!

23. Nákup energeticky účinného zařízení Podle požadovaného chladicího výkonu: < 12 kW: energetický štítek EU > 12 kW: certifikační schéma Eurovent www.eurovent-certification.com

24. Existující a navrhovaný energetický štítek EU pro malé klimatizační jednotky (<12 kW) Jelikož účinnost je počítána odlišně, nelze přímo porovnávat hodnoty EER (staré schéma) a SEER (nové schéma). Velmi přibližně platí: SEER ≈ EER + 3,0

25. Hodnoty účinnosti chladicího systému • EER– poměr celkové chladicí kapacity k efektivní hodnotě příkonu jednotky, vyjádřené ve Watt/Watt; • SEER (Seasonal energy efficiency ratio): sezónní EER definované a používané v Evropě; • IPLV*(Seasonal energy efficiency ratio): sezónní EER definované a používané v Severní Americe; • HodnotyIPLVa SEERse získávají použitím vážené střední hodnoty účinnosti (EER) chillerů při různých úrovních nominální zátěže (25%, 50%, 75% a 100%). *)Integrated Part-Load Values (hodnocení zařízení chladicích vodu pro chlazení vzduchem)

26. Split systémy s invertorem Technologie split systémů byla v několika ohledech zlepšena. Je možné přizpůsobit vodní systémy nebo kombinovat různé teploty prostředí pro několik klimatizačních jednotek napojených na stejný kondenzátor. Použití invertoru v motorech a inteligentního řízení silně navýšilo účinnost chlazení. (1) Systém plynule řízený invertorem Invertor EER / EER nominální (2) Systém řízený cyklicky zapnuto/vypnuto Zátěž

27. Dedikované chlazení pro rozvaděče v malých serverovnách • S přijmutím možností volného chlazení (free coolingu)pro malé IT systémy a serverovny souvisí celá řada omezení; • Omezení je hlavně technického rázu: • malé serverovny nebo komory jsou často umístěny v části budovy, kde přístup k venkovnímu vzduchu je obtížný; • pro serverovny v nových budovách je použitelnost volného chlazení možná pouze za předpokladu, že je zvážena v (architektonickém) návrhu budovy a místnosti. • Umístění místnosti, možnosti pro VZT trasy / potrubí a v důsledku toho vzniklé investiční náklady jsou hlavními faktory majícími vliv na použití volného chlazení. • Při renovaci stávajících systémů jsou obtíže a náklady typicky vysoké, vyžaduje se proto nejdříve udělat analýzu nákladů a přínosů.

28. Problémy a možnosti datových center a větších systémů

29. Výběr chilleru a účinnost Vodou chlazené chillery jsou lepší volbou než vzduchem chlazené a přímý výpar (DX): mají vyšší termodynamickou účinnost Chladná voda pro tepelný výměník (z chladicí věže) Chladnější vzduch z okolního prostředí Ohřátá chladicí voda Chladná chladicí voda Vodou chlazený chiller Ohřátá chladicí voda Chladná chladicí voda Vzduchem chlazený chiller Ohřátá voda z tepelného výměníku (do chladicí věže) Teplejší vzduch do okolního prostředí Zdroj: ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

30. Typické uspořádání ve střednícha velkých datových centrech IT rozvaděče (chlazená tepelná zátěž) Čerpadlo vnitřního okruhu Chladicí věž Sálová jednotka Tepelný výměník Čerpadlo vnějšího okruhu Zdroj: Strategie chlazení pro IT - HP

31. Chlazení vzduchem: proudění vzduchu, uspořádání horká/studená ulička, zdvojená podlaha / návrat vzduchu v podhledu Ve větších datových centrech se IT zařízení umísťují do řad, přičemž nasávání vzduchu je situováno čelem do studené uličky. Chladný vzduch je dopravován do studené uličky, prochází skrz IT zařízení a je vyfukován do horké uličky. Uspořádání horká/studená ulička vpředu vzadu vzadu vpředu vpředu vpředu vzadu vzadu Horká ulička Studená ulička Horká ulička Horká ulička Studená ulička IT rozvaděč IT rozvaděč IT rozvaděč IT rozvaděč Zdroj: ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

32. Chlazení vzduchem: proudění vzduchu, uspořádání horká/studená ulička, zdvojená podlaha / návrat vzduchu v podhledu Typ průtoku vzduchu je důležitou vlastností, kterou musíme brát v úvahu. Doporučené směry průtoku vzduchu jsou zpředu dozadu (F-R), zpředu nahoru(F-T) nebo zpředu nahoru+dozadu (F-T/R). Směry proudění vzduchu v rozvaděčích při uspořádání horká/studená ulička Zpředu dozadu a nahoru Zpředu dozadu Zpředu nahoru Zdroj: ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

33. Distribuce chladicího vzduchu podlahou Aby bylo možné dodávat klimatizovaný vzduch, mají datové sály zpravidla zdvojenou podlahu. Toto uspořádání je v datových centrech jedním z nejběžnějších, chladicí vzduch je dopravován prostorem pod zvýšenou podlahou, do kterého je zaveden výdech sálových klimatizačních jednotek. Horký vzduch přirozeně stoupá nahoru ke stropu, odkud si jej nasávají sálové jednotky. Toto typicky vede k sub-optimálnímu teplotnímu gradientu v IT rozvaděčích, které mají k dispozici chladnější vzduch pro spodní pozice a více ohřátý vzduch pro horní pozice. Strop Strop Přívod kapaliny Přívod kapaliny Zdvojená podlaha Zdvojená podlaha Podlaha Podlaha Zdroj: ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

34. Distribuce chladicího vzduchu shora Za použití vzduchotechnické trasy umístěné pod stropem je chladný vzduch dopravován do studené uličky (k nasávání IT zařízení) shora, ohřátý vzduch se vrací přirozeně bez VZT trasy do chladicího systému. Uspořádání nevyužívá zdvojenou podlahu a má jednotný teplotní gradient uvnitř IT rozvaděčů. Přívod a odtah vzduchu v budově Přívod a odtah vzduchu v budově Podlaha Podlaha Zdroj: ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

35. Lokální stropní chladicí jednotky v systému se zdvojenou podlahou • Typicky se používají jako přídavné chlazení pro zabránění vzniku hotspotů v prostředí s rozvaděči s vysokou výkonovou hustotou, a dále, není-li možné dosáhnout dostatečný průtok vzduchu skrz IT rozvaděče nebo vyskytují-li se sále zátěže s vysokou hustotou; • Lokální stropní chladicí jednotky mohou být umístěny nad studenými uličkaminebo se mohou použít tepelné výměníky namontované přímo na IT rozvaděč pro chlazení vzduchu na výdechu či jeho předchlazení na sání. Strop Strop Přívod kapaliny Přívod kapaliny Zdvojená podlaha Zdvojená podlaha Podlaha Podlaha Zdroj: ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

36. Zvýšení účinnosti při uspořádání horká/studená ulička Použijte podhled jako vzduchotechnický prostor a vybavte nasávání chladicích jednotek VZT potrubím Umístěte zdroje vzduchu (perforované podlahové panely nebo rošty) pouze ve studených uličkách; Oddělte prostor studeného a horkého vzduchu Zdroj: ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

37. Zvýšení účinnosti při uspořádání horká/studená ulička Návratový prostor Fyzické oddělení Instalujte zábrany proti míchání studeného a ohřátého vzduchu, jako například systémy pro uzavření studené uličky Horká ulička Horká ulička Studená ulička Studená ulička Zdvojená podlaha Boční pohled Používejte důsledně záslepky pro všechny volné U pozice v IT rozvaděčích

38. Optimalizace kabelážních systémů

39. Zvýšení účinnosti při uspořádání horká/studená ulička • Umístění sálových klimatizačních jednotek: • optimální umístění sálových jednotek je v čelech horké uličky, kolmo na horké uličky: to zkracuje trasu horkého vzduchu a snižuje přímé ztráty chladu způsobené sáním studeného vzduchu ze studených uliček Stu-de- ná ulička Horká ulička Studená ulička Horká ulička Studená ulička

40. (Zdroj: HP) Řízení a monitoring chladicích systémů – problémy s řízením vzduchu

41. Problémy s řízením vzduchu • Teplota vzduchu na nasávání IT zařízení a rychlost proudění vzduchu silně ovlivňují účinnost systému a měly by být trvale monitorovány; • Hot spoty a neefektivnosti v existujících datových centrech lze relativně snadno objevit za pomoci termografické analýzy nebo instalací bezdrátové sítě senzorů. Infračervený snímek, zdroj: http://www.datacentir.com/

42. Problémy s řízením vzduchu • Návrh a optimalizaci chladicích procesů mohou podpořit specializované simulační programy CFD (Computational Fluid Dynamics), pomocí kterých lze předvídat termické a objemové fyzikální jevy související s chladicím médiem (vzduchem) v datovém centru; • Fyzikální měření a testování v terénu nejsou pouze náročné na čas a práci, ale někdy jsou neproveditelné. Ukázka CFD, zdroj:http://emersonnetworkpower.com

43. Nastavení teploty a vlhkosti ve středně velkých datových centrech Setpoint a chladicí výkon split systému (Zdroj: P. Rivierea kol., Přípravná studie o výkonu domácích komfortních klimatizačních zařízení) Chladicí výkon [W] nominální pracovní bod Teplota v sále [°C] • Vyšší teplota chladicího vzduchu má zpravidla za následek delší dobu provozu se spořičem energie a účinnější mechanické chlazení, to vše ale s menším „bezpečnostním faktorem“ pro parametry vzduchu na vstupu IT; • Pro DX systémy a systémy s chladicí vodou nastavení na „teplejší provoz“ zpravidla zvedne chladicí výkon i účinnost chladicích systémů.

44. Řešení pro odstranění prostorové a časové nesourodosti prostředí • Prostorové nehomogenity: • Rozptylte IT zátěže v sále a v důsledku toho i tepelné zátěže tím, že kapacitu IT rozvaděčů využijete pouze částečně. • Časové nehomogenity: • Použijte zásobníky pro předchlazenou vodu; • Pro datová centra s vysokou výkonovou hustotou (např. více než 15 kW / rozvaděč): • Nové chladicí systémy lze integrovat přímo na rozvaděče a provozovat nezávisle (dedikované přídavné chladicí systémy pro rozvaděče).

45. Dedikované chlazení pro rozvaděče • Dedikované chlazení pro rozvaděč je schopno odvést okolo 20kW tepla aje utěsněné, aby se zajistil souvislý oběh proudu chladného vzduchu. Tento typ chlazení se často připojuje na zdroj chladné vody slouží pro vysoké výkonové hustoty. Rozložený pohled na aktivní zadní dveře dedikovaného chladicího systému (pro jednotlivý IT rozvaděč) Zdroj: highdensityrackcooling.com

46. Chlazení řadovými chladicími jednotkami Datové úložiště Sálová distribuce Pásková knihovna Samostatně stojící zařízení chlazená řadovými jednotkami HORKÁ ULIČKA HORKÁ ULIČKA HORKÁ ULIČKA HORKÁ ULIČKA Řadové chladicí jednotky (modře) Půdorys datového centra s řadovými chladicími jednotkami Zdroj: APC při Schneider Electric, 2010; Bílá kniha č. 139, revize 0

47. Řadové chlazení při částečné zátěži Chlazení v řadě Chlazení celé místnosti Účinnost chlazení % IT zátěže Zdroj: APC Bílá kniha č.126, revize1.

48. Systém s vodním chlazením • Účinnost vodního chlazení je 14 krát vyšší než chlazení vzduchem Tepelný výměník integrovaný do zadních dveří Distribuční jednotka chladiva Chladicí voda Primární okruh Sekundární okruh Zdroj: S. Novotny, Návrh datového centra na zelené louce –vodní chlazení pro maximální účinnost

49. Schéma systému s kapalným chladivem Budova Vnitřní vodní okruh Sál s IT zařízeními Distribuční jednotka chladiva Chladicí věž Chladicí okruh uvnitř IT rozvaděče Zátěž Chladicí okruh sálových chladicích zařízení Venkovní vodní okruh Zdroj: ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

50. Chlazení kapalinou na úrovni IT rozvaděče, s centrálním tepelným výměníkem IT rozvaděč Modulární chladicí jednotka pracující s kapalným chladivem Chlazené zařízení Chladná kapalina do chladiče elektroniky Ohřátá kapalina z chladiče elektroniky Tepelný výměník voda/kapalina Čerpadlo Dodávka chladné vody a návrat ohřáté vody Zdroj: ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009