Centra danych umiejscawiane są w budynkach różnej wielkości, od małych centrów obsługujących biura danej firmy, aż po dedykowane hale przeznaczone do kolokacji, służące z reguły do przechowywania danych o charakterze krytycznym. Projektowanie takich obiektów musi odbywać się z uwzględnieniem precyzyjnej kontroli przepływu powietrza przez rozdzielone kubatury pomieszczenia, które mogą zapewnia nie tylko transport, ale i magazynowanie powietrza chłodzącego, oraz powietrza ogrzanego. Kierowanie przepływem medium chłodzącego ma kluczowy wpływ na efektywność energetyczną centrum danych oraz niezawodność użytkowanego w nim sprzętu, co z kolei ma znaczenie kluczowe w zasadzie we wszystkich cywilno-militarnych zastosowaniach.

Zarządzanie przepływem powietrza w centrach danych pociąga za sobą wszystkie detale projektu i konfiguracji planowanego obiektu. W nowoczesnych centrach danych ciepło produkowane jest nierównomiernie. Powszechnymi błędami i problemami z jakimi borykają się właściciele to tzw.: gorące punkty, nieszczelności, mieszanie się powietrza zimnego z ciepłym, recyrkulacja, przeszkody w plenum, czy też odwrócone przepływy powietrza. Tzw. gorące punkty (ang. hot spots) to miejsca, gdzie dostarczana jest niewystarczająca ilość powietrza, co w konsekwencji prowadzi do tego, że wentylatory urządzeń zainstalowanych w dolnej części szafy zasysają taką ilość doprowadzonego zimnego powietrza, że urządzenia ulokowane w wyższych partiach szafy zasysają głownie powietrze spoza bezpośredniego obiegu chłodzącego, wypełniające główną przestrzeń pomieszczenia. Powodem zbyt małej ilości docierającego zimnego powietrza może być zarówno niedostateczna moc jednostek CRAC, jak również przeszkody, na które chłodne powietrze napotyka przepływając do miejsca przeznaczenia, np. niekorzystnie poprowadzone instalacje podpodłogowe czy konstrukcja samego plenum. Osobnym tematem rozważań może być złe rozstawienie urządzeń oraz nieszczelności, które są spowodowane różnego rodzaju otworami przepustowymi (przykładem mogą być otwory na kable lub niedopasowania elementów konstrukcyjnych pomieszczenia). Nieszczelności mogą prowadzić do mieszania się zimnego powietrza z powietrzem ogrzanym. Powoduje to obniżenie temperatury powietrza powracającego do urządzeń chłodniczych, a co za tym idzie pogarsza ich sprawność energetyczną. Do mieszania się powietrza dochodzi również w przypadku, gdy do szaf przemysłowych doprowadza się większą objętość powietrza chłodzącego, niż może być zassane przez wentylatory sprzętu informatycznego. Wtedy pod wpływem zbyt dużego ciśnienia, zimne powietrze rozpływa się po pomieszczeniu, i miesza z gorącym, wydmuchiwanym przez sprzęt. Nieszczelności może powodować brak paneli zaślepiających nieobsadzone sprzętem przestrzenie szaf przemysłowych, przez które zimne powietrze swobodnie przepływa. Takie nieszczelności mogą powodować także sytuację odwrotną, a więc zasysanie ciepłego powietrza i jego przepływ w kierunku odwrotnym od zamierzonego. Podobny efekt odwrócenia przepływu może powstawać przy złej organizacji okablowania oraz źle zaprojektowanych perforacjach obudów, powodujących zawirowania i powrót powietrza.

lpod_rys1_10_2015

Rys. 1. Rozkład procentowy miesięcznych kosztów utrzymania centrum danych.

Zjawisko mieszania się powietrza zimnego dostarczanego w celu chłodzenia urządzeń, z wydmuchiwanym przez urządzenia powietrzem gorącym (tzw. powietrzem odpadowym) jest niepożądane. Faktem jest, że odpowiednio zaprojektowany system zarządzania przepływem powietrza może mieć znaczący wpływ na obniżenie kosztów utrzymaniowych, kosztów zakupu, a nawet zwiększyć maksymalną możliwą gęstość wyposażenia centrum danych, czy też zredukować prawdopodobieństwo wystąpienia przestojów i awarii mających związek z obciążeniem cieplnym pomieszczenia.

Energia jaką pobiera średniej wielkości centrum danych wynosi obecnie ok. kilkanaście MW. Należy do tej liczby doliczyć około 30% energii potrzebnej na zasilenie systemów chłodzących. Rozkład poboru energii na poszczególne elementy składowe centrum danych został zaprezentowany na rys. 1. Według, w 2006 roku centra danych spożytkowały około 61 miliardów kWh energii elektrycznej, której koszt szacuje się na około 4,5 miliarda dolarów. W raporcie przygotowanym przez Natural Resources Defense Council stwierdzono, że w 2013 roku centra danych znajdujące się na terenie USA zużyły 91 miliardów kWh. Prognozuje się, że do 2020 roku wartość ta ma wzrosnąć do 140 miliardów kWh. Przytoczone liczby można uznać za wyznacznik i motywator do tego, aby starać się w jak największym stopniu zwiększyć efektywność pracy posiadanych w centrum danych urządzeń klimatyzacyjnych, gdyż prowadzi to do oszczędności. Dodatkowo, jak pokazuje rys. 2, zaoszczędzenie 1 W energii w układzie przetwarzającym dane, poprzez efekt kaskadowy oszczędności w pozostałych podsystemach infrastruktury centrum danych, prowadzi do sumarycznej oszczędności nawet 2,84 W.

lpod_rys2_10_2015

Rys. 2. Przykład efektu kaskadowego.

Przykład ten dotyczy zagospodarowania energią w podzespole elektronicznym, jednak korzystne efekty można uzyskać przy odpowiednim zarządzaniu przepływem powietrza. To dowodzi, jak ważnym jest odpowiednie podejście do problemu, jakim jest zarządzanie przepływem ciepła w centrach danych. Szeroko przyjętym wskaźnikiem efektywności energetycznej centów danych jest PUE (ang. Power Usage Effectiveness), który definiowany jest jako stosunek całkowitej energii dostarczonej do centrum danych, do energii zużytej przez sam tylko sprzęt IT.

(1)

Stosowanie wskaźnika PUE wymaga doprecyzowania punktów pomiaru wielkości energii. Według autorów [14] za średnią dla obecnie działających centrów danych można uznać wartość PUE=1,7. Biorąc pod uwagę wyniki osiągane przez Google, Facebook, Microsoft, Yahoo!, raportowane jako PUE na poziomie 1,1-1,2 cytowana wartość średnia oznaczałaby, że wiele obiektów na świecie uzyskuje wartość wskaźnika PUE przekraczającą 2,0. Praca ze wskaźnikiem PUE przekraczającym 2.0 uznawana jest za nieefektywną i drogą. Badania pokazują, że optymalizacja efektywności centrum danych z PUE=2,4 do PUE=1,5 przy inwestycji na poziomie 25.000 dolarów, pozwala uzyskać 67.000 dolarów oszczędności rocznie. Inny przykład pokazuje, że inwestycja na poziomie 6.000€ może zwrócić się w 9 miesięcy, a wartość PUE zmniejszyć się z 2,0 do 1,4. Przytoczone przypadki wykazują, że możliwe jest przy relatywnie niskim nakładzie znaczne zmniejszenie zużycia energii elektrycznej.

PODZIĘKOWANIA

LogoUE

Niniejsza praca badawcza powstała jako rezultat projektu: „Opracowanie aktywnego systemu zarządzania przepływem ciepła w centrach danych” (Projekt: POIG.01.04.00-22-063/13 współfinansowanego z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Priorytet I – „Badania i rozwój nowoczesnych technologii”, Działanie 1.4 – Wsparcie projektów celowych.

Autorzy pracy pragną podziękować Narodowemu Centrum Badań i Rozwoju za udzielone wsparcie finansowe.