Free cooling, chłód w zgodzie z naturą

Data Center
infrastruktura IT
serwerownia
Krzysztof Surgut
27.08.2016 Krzysztof Surgut

DataCenter to miejsce przystosowane do instalacji systemów informatycznych, serwerów, macierzy czy innych aktywnych urządzeń. Każde z tych systemów wymaga zasilania energią elektryczną. Ubocznym efektem pracy systemów informatycznych jest wydzielanie olbrzymich ilości ciepła.

Im więcej systemów o dużej gęstości upakowania miniaturowych układów scalonych, tym większa emisja cieplna urządzenia informatycznego. Jednocześnie należy pamiętać, że wysoka temperatura jest zabójcza dla półprzewodników (następuje lawinowa emisja elektronów, które prowadzą do przegrzania elementu, a nawet spalenia). W zaawansowanych układach scalonych (np. procesorach), wbudowano specjalny mechanizm obronny, którego zadaniem jest wyłączenie układu scalonego, w celu ochrony przed przepaleniem.

Powyższe właściwości elektroniki sprawiają, że systemy chłodzenia w profesjonalnych DataCenter stają się kluczowe dla zapewnienia ciągłości pracy systemów informatycznych.


Bezpieczeństwo vs. koszty


Tak duża wrażliwość półprzewodników na wzrost temperatury sprawia, że systemy chłodu stają się nie mniej istotne jak systemy gwarantujące ciągłość zasilania w energię elektryczną. W przypadku małych instalacji serwerów wystarczą wiatraki wymuszające przepływ powietrza wewnątrz szafy teleinformatycznej. Jednak w DataCenter ilość szaf jest na tyle duża, że zwykły „przedmuch” powietrzem nie wystarcza. Powietrze, po przejściu przez wnętrze szafy musi trafić do miejsca, w którym jego temperatura zostanie obniżona.

W praktyce stosowane są systemy klimatyzacji precyzyjnej, której zadaniem jest pełne i automatycznie kontrolowanie warunków klimatycznych na danym obszarze serwerowni oraz szybkie reagowanie na każdy wzrost temperatury w monitorowanej przestrzeni.

System klimatyzacji precyzyjnej musi się składać co najmniej z 3 elementów: elementu wymiany ciepła w pomieszczeniu lub szafach (np. DataCenter lub serwerownia) oraz elementu odbioru ciepła, który zagwarantuje emisję odebranego ciepła (zlokalizowany na zewnątrz budynku). Oba elementy spaja „nośnik”, którym jest woda lodowa lub glikol (jest jeszcze cały zespół sterowania i przepompowywania „nośnika”).

Całości problemu niech dopełnia fakt, iż system klimatyzacji precyzyjnej wymaga pracy ciągłej 24/7. Tym samym należy tak zaprojektować system chłodu, aby awaria poszczególnych elementów nie spowodowała przerwania pracy całego systemu. W praktyce wymaga to zdublowania wielu elementów, których awaria ma wpływ na poprawną pracę systemu klimatyzacji precyzyjnej.

Koszt zakupu takiego systemu chłodu liczony jest setkach tysięcy złotych (zależy od wielkości serwerowni), a nawet milionach złotych (jeżeli jest to DataCenter). Jednak to nie koniec wydatków. Istotnym składnikiem jest comiesięczny koszt energii elektrycznej, niezbędnej do poprawnej pracy całego systemu zapewniającego chłód. Przykładowo w przypadku naszego DataCenter, każdego roku, sam system chłodzenia zużywa dziesiątki MWh (megawatogodziny).

To największy składnik kosztów utrzymania profesjonalnego DataCenter. Dlatego też każda innowacja obniżająca koszt działania takiego systemu chłodu przekłada się na realne oszczędności ekonomiczne. W naszym przypadku wykorzystujemy…


Free cooling


W klasycznej instalacji gwarancji chłodu, do obniżenia temperatury „nośnika” wykorzystuje się urządzenia nazywane chillerami. W wielkim skrócie można takie urządzenia nazwać lodówkami, ponieważ ich głównym zadaniem jest odebranie ciepła, na zasadach podobnych do domowej lodówki. Jednocześnie działanie takich chillerów wymaga sporej mocy elektrycznej. Do tego, z uwagi na zapewnienie ciągłości, musimy posiadać co najmniej 2 takie urządzenia (jedno działa, a drugi jest przygotowane do uruchomienia na wypadek awarii tego pierwszego).

Dosyć szybko stwierdzono, że najlepiej byłoby wykorzystać powietrze naszej atmosfery, którego temperatura jest niższa niż temperatura „nośnika” (na przykład zimą). Wystarczy w takim razie zapewnić odpowiednio duży przepływ powietrza, aby schłodzić „nośnik”.

Aby przekonać się o tym zjawisku wystarczy wystawić przez okno rękę w jadącym samochodzie. Nawet latem ręka mocno nam się schłodzi. Ten sam efekt wykorzystano przy technice Free cooling. Polska ma bardzo dobre warunki klimatyczne do stosowania tego typu rozwiązania, ponieważ producenci systemu free cooling deklarują, że jest w stanie on wydajnie działać przy temperaturze otoczenie nie przekraczającej 16oC (a nawet 18oC). Poniżej tabela średniomiesięcznych temperatur dla Polski w poszczególnych miesiącach.

free_cooling_temperatura_Polsce
Średniomiesięczna temperatura w Polsce

Ze zgromadzonych danych meteorologicznych wynika, że w Polsce tylko przez 2 miesiące w roku potrzebne jest zapewnienie pracy „lodówki”, resztę chłodu można uzyskać stosując urządzenia free cooling.

W naszym DataCenter przy projektowaniu obiektu założono wykorzystanie technologii free cooling. Zarówno ze względu na ekonomię eksploatacji, jak również ze względu na jak najmniejszy wypływ na środowisko naturalne. Tym samym dołączyliśmy do niewielkiego grona nowoczesnych DataCenter, które zaprzęgły nowoczesną technologię i siły natury do pracy, ograniczając znacząco poziom zużywanej energii elektrycznej.


Gdzie jest oszczędność?


Chiller, jako urządzenie chłodzące, wymaga sporej ilości energii elektrycznej do zapewnienia poprawnej pracy agregatu chłodniczego. Free cooling wymaga jedynie zapewnienie przepływu powietrza przez specjalną instalację. Tempo przepływu tego powietrza uzależnione jest od temperatury powietrza. Im wyższa temperatura powietrza, tym większy przepływ należy zapewnić.

W naszym wypadku w ramach free cooling, wykorzystujemy urządzenia nazywane dry-cooler’em. To rodzaj wiatraka o specjalnej konstrukcji, który zapewnia przepływ powietrza na odpowiednim poziomie. Urządzenie dry-cooler wpięte jest w instalację chłodu naszego DataCenter i sterowane przez specjalny system zarządzania.

Jeżeli temperatura powietrza jest odpowiednio niska, wówczas działa wyłącznie dry-cooler. W momencie, gdy temperatura powietrza wzrasta, automatycznie uruchamiany jest chiller (agregat chłodniczy). Poziom zużycia prądu w dry-cooler’ze jest wielokrotnie niższy niż w przypadku agregatu chłodu. W końcu w technologii free cooling zasilać wystarczy odpowiednio duży wiatrak, a nie skomplikowany system wymiany cieplnej jaki jest wbudowany w chillery.

Oszczędności szczególnie odczuwalne są zimową porą, gdy temperatura powietrza na zewnątrz spada poniżej zera, wówczas nie ma potrzeby zapewnienia bardzo dużego przepływu powietrza, a tym samym obroty wiatraka są minimalne. Tym samym zużycie energii bardzo mocno spada.

Ze spadku zużycia prądu nie są zadowolone zakłady energetyczne, jednak nam pozwala to znacząco obniżyć koszty utrzymania DataCenter, a jednocześnie aktywnie włączyć się w proces ochrony środowiska. Przyjemne – z pożytecznym!

Krzysztof Surgut
Krzysztof Surgut krzysztof.surgut@dataspace.pl Przez ostatnie 15 lat współrealizował zaawansowane, ogólnopolskie projekty telekomunikacyjne i informatyczne (m.in. w Dialog, HAWE). Ekspert z zakresu systemów transmisji danych, VoIP, IPTV, systemów bezpieczeństwa oraz systemów radiowych. Współtwórca pierwszego w Polsce Scrubbing Center.
Bezpieczeństwo IT
Ataki DDoS a "Beztroskie dzieciństwo..."
Bezpieczeństwo IT
Ataki DDoS z WordPressa