Jak działa data center

Jak działa klimatyzacja data center

EOLIOS jest ekspertem odprowadzania ciepła w centrach danych.

Wraz ze wzrostem ilości informacji i stopnia informatyzacji procesów pracy coraz ostrzej stawiane jest pytanie o bezpieczeństwo tych informacji przy nieprzerwanej pracy serwerów. Awaria w tym obszarze może zatrzymać całą działalność firmy i spowodować poważne straty. Jednym z podstawowych warunków stabilnej pracy serwerów jest utrzymanie optymalnej temperatury powietrza w objętości serwerowni, co zapewniają układy oparte na klimatyzację precyzyjną.

Eksploatacja centrum danych jest energochłonna: układ chłodzenia zużywa często tyle samo energii co komputery, a nawet więcej które obsługuje.

W tym artykule omawiamy najczęściej stosowane technologie chłodzenia centrów danych oraz nowe podejścia do symulacja CFD.

Projektowanie korytarza zimnego i ciepłego

To układ szaf w centrum danych, w którym stosuje się naprzemienne rzędy typu „korytarz zimny” i „korytarz ciepły”.

Przed szafami rozmieszczone są nawiewy zimnego powietrza (zwykle przez kratki), aby serwery mogły je zasysać; korytarze ciepłe odprowadzają ciepło z tyłu serwerów. Kanały wentylacyjne są zwykle połączone z sufitem podwieszanym, który odbiera ciepłe powietrze z korytarzy ciepłych do ochłodzenia, a następnie ochłodzone powietrze wraca do korytarzy zimnych przez podłogę podniesioną albo kanały.

Puste szafy serwerowe należy wypełnić panelami zaślepiającymi, aby uniknąć przegrzania i zmniejszyć ilość zimnego powietrza traconego bez potrzeby. Pustka po brakujących serwerach powoduje bowiem pasożytnicze przepływy powietrza wynikające z różnicy ciśnień między strefą ciepłą i zimną; taki przepływ to energia stracona.

Układ wody lodowej

Ta technologia jest najczęściej stosowana w centrach danych średnich i dużych.

Powietrze w centrum danych podają układy uzdatniania powietrza, znane jako jednostki uzdatniania powietrza serwerowni (CRAH), a woda lodowa (dostarczana przez zewnętrzny układ chłodzenia) służy do obniżenia temperatury powietrza.

Jaka jest różnica między jednostkami CRAC i CRAH?

Jednostki CRAC

Jednostki CRAC działają jak klimatyzatory domowe. Mają układ bezpośredniego odparowania i sprężarki wbudowane wprost w urządzenie. Chłodzą, przetłaczając powietrze przez wymiennik wypełniony czynnikiem chłodniczym; czynnik utrzymuje niską temperaturę dzięki wewnętrznej sprężarce, a nadmiar ciepła jest usuwany przez mieszaninę glikolu, wodę albo powietrze. Większość jednostek CRAC pracuje przy stałym strumieniu (praca w trybie włącz i wyłącz), ale rozwijane są nowe modele pozwalające zmieniać strumień powietrza.

Jednostki CRAC można rozmieszczać na różne sposoby, ale zwykle instaluje się je przeciwlegle do korytarzy ciepłych centrum danych. Tam podają ochłodzone powietrze przez perforacje podłogi podniesionej (kratki albo perforowane płyty), chłodząc serwery.

Jednostki CRAH

Jednostki CRAH działają jak centrale wentylacyjne na wodę lodową instalowane w większości budynków biurowych. Chłodzą, przetłaczając powietrze przez wymiennik wypełniony wodą lodową. Wodę lodową dostarczają zwykle agregaty wody lodowej, nazywane też stacją wody lodowej. Jednostki CRAH mogą regulować prędkość wentylatora aby utrzymać zadane ciśnienie statyczne, co zapewnia stabilną wilgotność i temperaturę.

Wodę lodową można wytwarzać w układzie sprężarkowym albo przez dry-coolery z chłodzeniem adiabatycznym, znacznie oszczędniejsze energetycznie.

Jaka jest optymalna temperatura w data center?

W serwerowniach występuje mieszanina powietrza ciepłego i zimnego: wentylatory serwerów wyrzucają ciepłe powietrze podczas pracy, a klimatyzacja podaje świeże powietrze, aby zrównoważyć ciepły wyrzut. Utrzymanie właściwej równowagi między powietrzem ciepłym i zimnym zawsze było kluczowe dla dostępności centrów danych. Gdy w obiekcie staje się zbyt ciepło, sprzęt jest narażony na większe ryzyko awarii , co oznacza przestoje, utratę danych i utratę przychodów.

W latach 2000 zalecany zakres temperatury wynosił 20 do 24 °C: to zakres wskazywany przez ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) jako optymalny dla maksymalnej dostępności i żywotności sprzętu, z wystarczającym zapasem na wypadek awarii klimatyzacji.

Od 2005 roku pojawiły się nowe normy i lepszy sprzęt, o większych tolerancjach dla wyższych zakresów: ASHRAE zaleca dziś dopuszczalny zakres pracy 18 do 27 °C.

Podniesienie temperatury na wejściu serwerów czyni też stosowanie free coolingu albo free chillingu (wykorzystanie powietrza zewnętrznego do nawiewu chłodnego powietrza do serwerowni albo do chłodzenia wody, zamiast agregatu wody lodowej) znacznie korzystniejszym, zwłaszcza w regionach o klimacie umiarkowanym, jak Polska. Przy nastawie 25 °C w serwerowni zamiast 15 °C okresy, w których free cooling działa bez uruchamiania klimatyzacji, znacznie się wydłużają , co daje znaczne oszczędności energii i poprawia PUE (Power Usage Effectiveness). Podobnie jest z free chillingiem, który można częściej wykorzystywać do chłodzenia obiegów wodnych (nastawa 15 °C zamiast 7 °C).

Problemy zbyt wysokiej nastawy temperatury

Niestety wyższe temperatury pracy mogą skrócić czas reakcji przy szybkim wzroście temperatury spowodowanym awarią jednostki chłodniczej. Obiekt, którego serwery pracują w wyższych temperaturach, jest narażony na natychmiastowe jednoczesne awarie sprzętu. Najnowsze wytyczne ASHRAE podkreślają znaczenie wyprzedzającego monitorowania temperatury wewnątrz serwerowni.

Co się dzieje, gdy jest zbyt ciepło?

Gdy temperatura w obiekcie wzrośnie zbyt wysoko, sprzęt może się łatwo przegrzać, co może uszkodzić serwery. Dane mogą zostać utracone, co powoduje poważne problemy firm korzystających z usług centrum danych. Dlatego każdy obiekt musi mieć układy chłodzenia pozwalające przejść przez okres kryzysu albo prac serwisowych.

Co się dzieje przy awarii układów klimatyzacji?

W zależności od zainstalowanej gęstości mocy wzrost temperatury powietrza w serwerowni może być bardzo szybki. W symulacjach awarii typu zanik zasilania obserwujemy zwykle wzrost rzędu 1 °C na minutę. Wynika z tego poważne ryzyko uszkodzenia sprzętu i utraty danych jeśli układy redundancji i zabezpieczeń nie są właściwie dobrane. Ponadto czas ponownego rozruchu i dojścia sprężarek do pełnej mocy jest wyzwaniem w najbardziej wymagających halach. Aby opóźnić skutki, stosuje się układy bezwładnościowe pozwalające zmagazynować energię cieplną na kilka minut i wygładzić krzywą wzrostu temperatury.

Dlaczego wykonać symulację CFD data center?

Symulacja CFD dostarcza informacji o zależności między pracą układów mechanicznych a zmianami obciążenia cieplnego sprzętu informatycznego. Dzięki nim zespoły IT i zespoły obiektu mogą zoptymalizować skuteczność przepływu powietrza i zmaksymalizować dostępną moc chłodniczą.