Modernizacja systemu chłodzenia serwerowni o dużej mocy obliczeniowej – studium przypadku

• Autorzy: Rusowicz A. , Grzebielec A. , Laskowski R.

Warianty tytułu

EN

Modification in cooling systems for high-performance data centers - a case study

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Jednym z głównych problemów podczas pracy serwerowni jest odpowiednie chłodzenie modułów elektronicznych w celu uniknięcia ich przegrzania co w konsekwencji prowadzi do uszkodzenia. Ze względu na wymagane duże moce chłodnicze stosuje się tzw. klimatyzację precyzyjną, która jest specjalnie zaprojektowana i przeznaczona do chłodzenia pomieszczeń serwerowni, pomieszczeń technicznych, szaf serwerowych, itp. Działanie tych urządzeń wymaga bardzo dużych nakładów energetycznych. W pracy przedstawiono propozycję unowocześnienia systemu chłodzenia trzech serwerowni. W serwerowniach zainstalowane są urządzenia chłodnicze o mocy chłodniczej 1,873 MW. Średnie rzeczywiste zapotrzebowanie na moc chłodniczą wynosi 890 kW. Część jednostek pełni funkcję rezerwową. W serwerowni zainstalowanych jest 38 szaf klimatyzacyjnych z bezpośrednim odparowaniem. Zamontowane urządzenia pracują od czternastu lat, w związku z tym istnieje potrzeba wymiany urządzeń chłodniczych na nowocześniejsze jednostki. W pierwszym wariancie zaproponowano zastąpienie jednostek na jednostki o podobnej mocy wykonane w nowszej technologii. Druga propozycja obejmuje wprowadzenie zabudowanych korytarzy szaf rakowych, a trzecia to rozszerzenie wariantu I o moduły EconoPhase. Nie analizowano wykorzystania „free coolingu” z powodu braku możliwości zamontowania dodatkowych wymienników (brak miejsca i ograniczona nośność dachu). W pracy przedstawiono koszty inwestycyjne i eksploatacyjne prezentowanych rozwiązań. W przypadku zastosowania nowoczesnych jednostek z wymianą skraplaczy zaobserwowano obniżenie zapotrzebowania na energię elektryczną na poziomie 16%. Przyjęte rozwiązanie posiada prosty czas zwrotu kapitału SPBT na poziomie 18,7 lat. Drugie rozwiązanie polegające na zabudowie korytarzy szaf rakowych prowadzi do oszczędności energii o 37,8%, przy SPBT wynoszącym 8,38 lat. Wariant trzeci zawierający wykorzystanie nowoczesnych jednostek z dodatkowymi modułami EconoPhase zapewnia oszczędność energii na poziomie 48,3%, ale wymaga znacznych nakładów finansowych, w związku z tym SPBT wynosi 12,1 lat.

EN

One of main issues concerning server room operation is appropriate cooling of electronic modules to prevent excessive heat generation resulting in their damage. Since high cooling powers are required, precision air conditioning systems are used that are specially designed for cooling server and equipment rooms, server cabinets, etc. These devices require very large energy supplies. The paper proposes an upgrade of a cooling system for three server rooms in which refrigeration equipment with a cooling power of 1.873 MW is installed. The average actual cooling power demand is 890 kW, and some units work as a standby. Thirty-eight direct-evaporation air-conditioning cabinets are installed. The devices have been operated for 14 years; therefore, the refrigeration equipment should be replaced with modern units. The paper compares three approaches: replacing the units with similar ones based on newer technology, introducing contained aisle configurations of rack cabinets and units based on newer technology with additional EconoPhase modules. The application of free cooling was not analyzed since mounting additional heat exchangers was impossible (due to the lack of space and limited roof loading capacity). The paper provides capital and operating costs of the solutions. The introduction of up-to-date units and replacing condensers resulted in lowering the electric power demand by 16%. The simple payback time (SPBT) of this solution is 18.7 years. The energy savings achieved through the second solution (contained aisle configurations of rack cabinets) amount to 37.8%, with SPBT equal to 8.3 years. Variant III, consisting in using modern units with additional EconoPhase modules, significantly improves energy savings (48.3%) but it requires large capital expenditure, with simple payback time of 12.1 years.

Słowa kluczowe

PL

klimatyzacja precyzyjna; serwerownia; efektywność energetyczna

EN

precision air conditioning; cooling system; energy efficiency

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2017
• Tom: Nr 1
• Strony: 67--72
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., tab.

Twórcy

autor

Rusowicz A.

• Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej

autor

Grzebielec A.

• Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej

autor

Laskowski R.

• Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej

Bibliografia

• [1] Fakhim B.; Behnia M.; Armfield S.W.; Srinarayana N. 2011Cooling solutions in an operational data centre: A case study. Applied Thermal Engineering 31, 2279-2290, doi:10.1016/j.applthermaleng.2011.03.025
• [2] Flucker S.; Tozer R. 2012. Data centre energy efficiency analysis to minimize total cost of ownership. Building Serv. Eng. Res. Technol. 34(1) 103–117, doi: 10.1177/0143624412467196
• [3] Jaworski M. 2012. Thermal performance of heat spreader for electronics cooling with incorporated phase change material. Applied Thermal Engineering 35, 0, 212–219. http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.10.036
• [4] LIEBERT® ECONOPHASE™ Pumped Refrigerant Economizer. 2016 Vertiv Headquarters, 1050 Dearborn Drive, Columbus, OH, 43085, USA. Internet: www.vertivco.com/globalassets/products/thermal-management/room-cooling/liebert-econophase-data-sheet.pdf
• [5] Nada S.A; Elfeky K.E.; Ali M.A. Attia. 2016. Experimental investigations of air conditioning solutions in high power density data centers using a scaled physical model, International Journal of Refrigeration 63:87–99. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.10.027
• [6] Rusowicz A. 2008 The analysis of the use of „free-cooling” at the air-conditioning in the data processing centre, in Renewable Energy, Innovative Technologies and New Ideas, Warsaw, 326-330.
• [7] Rusowicz A., Baranowski P., Leszczyński M. (2014): Chłodzenie mikroelektroniki z wykorzystaniem mikrostrumieni. Aparatura Badawcza i Dydaktyczna 19 (2014) 135-139.
• [8] Rusowicz A.; Grzebielec A.; Baranowski P. 2013. Data security improvement with electronics cooling, Rynek Energii 5(108), 112-116.
• [9] Rusowicz A.; Grzebielec A.; Ruciński A. 2014. Energy conservation in buildings using refrigeration units, in 9th International Conference. Environmental Engineering, 22–23 May 2014, Vilnius, Lithuania http://dx.doi.org/10.3846/enviro.2014.281
• [10] Rusowicz, A., Leszczyński, M., Grzebielec, A.,Laskowski, R. 2015. Experimental investigation of single-phase microjet cooling of microelectronics. Archives of Thermodynamics 36, 3, 139–147. http://doi.org/10.1515/aoter-2015-0026
• [11] Sosnowski, R. and Rusowicz, A. 2012. Analiza systemu chłodzenia w małej serwerowni. Chłodnictwo 47, 4, 14–19.
• [12] Srinarayana N.; Fakhim B.; Behnia M.; Armfield S.W. 2014. Thermal Performance of an Air-Cooled Data Center With Raised-Floor and Non-Raised-Floor Configurations. Heat Transfer Engineering, 35(4), 384–397 doi: 10.1080/01457632.2013.828559
• [13] Todorovic M.S.; Kim J.T. 2014. Data center’s energy efficiency optimization and greening – Case study methodology and R&D needs. Energy and Buildings 85, 564-578, doi: 10.1016/j.enbuild.2014.09.001
• [14] Więcław-Solny L., Wilk A., Chwoła T., Krótki A., Tatarczuk A., Zdeb J. (2016): Catalytic carbon dioxide hydrogenation as a prospective method for energy storage and utilization of captured CO2. Journal of Power Technologies 96 (4) (2016) 213-218.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).