Νέα

Tech news | Αύξηση αποδοτικότητας με ελάχιστους περιορισμούς στην εγκατάσταση

05/07/2016

Αύξηση αποδοτικότητας με ελάχιστους περιορισμούς στην εγκατάσταση

Η εφαρμογή της αρχιτεκτονικής containment στα κέντρα δεδομένων αυξάνει την αποδοτικότητα της ψύξης εμποδίζοντας την ανάμειξη του ψυχρού με το θερμό αέρα του IT εξοπλισμού. Οι διαθέσιμες αρχιτεκτονικές περιλαμβάνουν καμπίνες με κάθετο σύστημα απαγωγής του θερμού αέρα, καθώς και κλείσιμο των ψυχρών (CAC) ή θερμών (HAC) διαδρόμων.
Τα υφιστάμενα Κέντρα δεδομένων παρουσιάζουν δυσκολίες στην ανάπτυξη containments λόγω των περιορισμών που προκύπτουν από τον διαφορετικό τύπο καμπινών και διαστάσεων αυτών.
Δυσκολίες ανάπτυξης λύσης containment συναντούνται επίσης και σε νέα Κέντρα Δεδομένων, όπου οι ικριωσειρές δεν είναι σε πλήρη ανάπτυξη αλλά συμπληρώνονται σταδιακά σύμφωνα με την επιχειρησιακή δραστηριότητα και ανάγκη της εκάστοτε αγοράς.
Στην προσπάθεια επίλυσης των ανωτέρω θεμάτων, η Panduit παρουσίασε το Universal Aisle Containment System (UAC) το οποίο παρέχει ευελιξία στην εγκατάσταση και εφαρμογή του, σε κάθε κέντρο δεδομένων ανεξάρτητα από τον τύπο των καμπινών που ήδη έχουν εγκατασταθεί ή πρόκειται να εγκατασταθεί στο μέλλον, διασφαλίζοντας το χαμηλό κόστος και την αδιάλειπτη λειτουργία του κέντρου.
Η λύση UAC περιλαμβάνει ανάπτυξη containment αρχιτεκτονικής ψυχρού και ζεστού διαδρόμου ανεξάρτητα από τη μέθοδο ψύξης που ακολουθείται, τις διαστάσεις και τους κατασκευαστές καμπινών, καθώς και το πλήθος των καμπινών που θα χρησιμοποιηθούν στη αρχική φάση ή σε μελλοντικές επεκτάσεις.
Τα πλεονεκτήματα της ευελιξίας του UAC συστήματος δε θα είχε ιδιαίτερη σημασία αν δεν παρείχε μια υψηλή θερμική απόδοση. Η απόδοση αυτή έχει μετρηθεί και αξιολογηθεί από το τμήμα R&D της Panduit σε ειδικό Data Center Thermal Lab.

Απόδοση Containment
Έλεγχος Θερμικής απόδοσης
Η θερμική απόδοση της αρχιτεκτονική containment, UAC, ελέγχθηκε και συγκρίθηκε με τοπολογία αποτελούμενη από δύο ικριωσειρές σε διάταξη ζεστού (CA) και ψυχρού διαδρόμου (HA), και δύο ικριωσειρές κλειστού ψυχρού (CAC) και ζεστού (HAC) διαδρόμου. Εφαρμόστηκε προσομοίωση συνεχούς παροχής θερμού αέρα με βάση τα χαρακτηριστικά τριών διαφορετικών φορτίων ΙΤ.
Ο σχεδιασμός μηχανογραφικών κέντρων που υιοθετεί την αρχιτεκτονικής συγκράτησης αέρα (containments), έχει πολύ καλύτερη θερμική συμπεριφορά σε μεγάλες ψυκτικές εναλλαγές και απαιτήσεις βάση εξοπλισμού ΙΤ
Για την εξομάλυνση των συνθηκών λειτουργίας των ανοιχτών και κλειστών διαδρόμων χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος Critical Air Ratio (CAR). Μια αναλογία αέρα μεγαλύτερη από ένα (CAR> 1) δείχνει ότι η παροχή του αέρα, υπερβαίνει το ποσό που απαιτείται από τον εξοπλισμό IT, ενώ μια αναλογία αέρα μικρότερη από ένα (CAR<1) δείχνει ότι o αέρας είναι ανεπαρκής σε ψυκτική ικανότητα για τις απαιτήσεις εξοπλισμού.
Για τις ανάγκες του ελέγχου, το CAR καθορίστηκε στις παρακάτω τιμές:

1. Θερμοκρασία εισόδου για όλες τις καμπίνες ίση ή χαμηλότερη από τη μέγιστη θερμοκρασία εισόδου που προτείνεται από την ASHRAE , 80.6°F (27°C).
2. Θερμοκρασία ίση με 1 , ώστε να επιβεβαιωθεί ότι η ελεγχόμενη διάταξη του containment λαμβάνει τουλάχιστον το ψυχρό αέρα που απαιτεί ο εξοπλισμός ΙΤ.
3. Για διατάξεις CAC , η ελάχιστη αναλογία αέρα που απαιτείται για να διατηρηθεί μια θετική διαφορά πίεσης 0,002 "Η2Ο (0,50 Pa) στο κρύο διάδρομο, σε σχέση με το χώρο δωμάτιο. Αυτό διασφαλίζει ότι οποιαδήποτε διαρροή στο σύστημα συγκράτησης θα οφείλετε στο κρύο αέρα που διαφεύγει από το περιορισμένο χώρο αντί διαρροής του θερμού αέρα προς ψυχρό διάδρομο (επανακυκλοφορίας αέρα). Με τον τρόπο αυτό ελαχιστοποιούνται οι διακυμάνσεις θερμοκρασίας στην πρόσοψη των ικριωμάτων λόγω επανακυκλοφορία του αέρα.

Όλες οι διατάξεις ελέγχθηκαν χρησιμοποιώντας τη τιμή CAR για τον ογκομετρικό καθορισμό του αέρα τροφοδοσίας.
Για την προσομοίωση χρησιμοποιηθήκαν δύο ικριωσειρές με πέντε καμπίνες η κάθε μία και διάτρητες πλάκες (56% διάτρηση) στο υπερυψωμένο δάπεδο τοποθετημένες στο μπροστινό μέρος των καμπινών. Οι καμπίνες ήταν διαστάσεων 45U 600x1200, εφοδιασμένες με αισθητήρες θερμοκρασίας, τρεις στην μπροστά πόρτα και έναν στη πίσω πόρτα, και με προσομοιωτές θερμικού φορτίου (load banks)
Στην εν λόγω διάταξη ανοιχτού θερμού/ψυχρού διαδρόμου, εφαρμόστηκαν πάνελ οροφής και συρόμενες πόρτες για την επίτευξη αρχιτεκτονικής containment CAC.

Σχήμα 1. HA/CA


Σχήμα 2. CAC


Για την προσομοίωση και δοκιμή αρχιτεκτονικής containment CAC/UAC εφαρμόστηκαν δύο επιπλέον διατάξεις για τις εργαστηριακές ανάγκες του συγκεκριμένου ελέγχου. Η πρώτη με εφαρμογή Containment σε μήκος αντίστοιχο με εκείνο των καμπινών 3m και η δεύτερη σε μήκος 4.8m περιλαμβάνοντας το απαιτούμενο επιπλέον εξοπλισμό για την σφράγιση των κενών θέσεων ικριωμάτων, οι οποίες επιτρέπουν την εύκολη μελλοντική επέκταση που θα μπορούσε να απαιτηθεί.


Σχήμα 3. UAC CAC 3m 3,000mm


Σχήμα 4. UAC CAC 4.8m 4,800mm


Η σύνθεση των ικριωσειρών ακολούθησε τiς βασικές αρχές σχεδιασμού μηχανογραφικών κέντρων (best practices). Τα κενά των καμπινών καλύφθηκαν με blacking pales και ‘’κουρτίνες’’ καθώς επίσης και οι οπές του υπερυψωμένου δαπέδου, από όπου διέρχονται τα καλώδια, με cool boots. Η θερμοκρασία του χώρου καθορίστηκε στους 75°F (23.9°C) και η ένταση του παρεχόμενου αέρα ρυθμίζονταν ελέγχοντας την ταχύτητα των ανεμιστήρων.

Η κάθε διάταξη ελέγχθηκε σε τρία επίπεδα ΙΤ φορτίου

• 4.5 kW και 600 CFM (17.0 m3/min) ανά καμπίνα 
• 15 kW και 1,800 CFM (51.0 m3/min) ανά καμπίνα 
• 25 kW και 3,000 CFM (85.0 m3/min) ανά καμπίνα 

Η ακόλουθη διαδικασία εφαρμόστηκε για κάθε ένα σενάριο φορτίου:

1. Εκκίνηση του συστήματος ψύξης παροχής αέρα με set point 75°F (23.9°C) και παροχής ογκομετρικής ροής αέρα ίσης με την απαίτηση του ΙΤ φορτίου για το σενάριο ελέγχου . 
2. 2. Εφαρμογή θερμικών φορτίων και ροή αέρα στις καμπίνες στα επίπεδα που έχουν οριστεί για την προσομοίωση.
3. Παρακολούθηση της θερμοκρασίας εισόδου στην πρόσοψη των καμπινών, καθώς το περιβάλλον και το σύστημα ψύξης πλησιάζουν τις συνθήκες για κάθε επίπεδο δοκιμής. 
4. Ρύθμιση της ογκομετρικής ροής αέρα για να επιτύχουμε το CAR (θερμοκρασία εισόδου ίση ή χαμηλότερη των 80.6°F (27°C) και σχετική πίεση CAC ίση ή μεγαλύτερη του 0.002” H2O (0.50 Pa). 
5. Μέτρηση και καταγραφή θερμοκρασίας στη διάρκεια μίας ώρας σε σταθερή κατάσταση CAR. 

Αποτελέσματα Ελέγχου
Θερμοκρασία εισόδου στην πρόσοψη των καμπινών
Εξεταστήκαν οι θερμοκρασίες του αέρα εισόδου ώστε να προσδιοριστεί η απόδοση ψύξης για το κάθε σενάριο. Η βέλτιστη απόδοση του containment επιτυγχάνεται όταν οι τιμές θερμοκρασίες στην πρόσοψη όλων των καμπινών ισούται με τη θερμοκρασία του τροφοδοτούμενου αέρα
Ωστόσο, σε πραγματικές συνθήκες μέρος του θερμού αέρα από τον εξοπλισμό IT θα εισέλθει στην πλευρά εισόδου, είτε μέσω διαρροών αέρος ή αγωγιμότητα. Η θερμοκρασία εισόδου επομένως τείνει να είναι υψηλότερη από τη θερμοκρασία του αέρα τροφοδοσίας. Η μέτρηση της κατανομής των θερμοκρασιών εισόδου μπορεί να δώσει μια κάπως καλύτερη ένδειξη της αποτελεσματικότητας της ψύξης.
Στο σχήμα 5 φαίνονται οι κατανομές της θερμοκρασίας εισόδου για τις τέσσερις διατάξεις που δοκιμάστηκαν σε θερμικό φορτίο 4,5 kW ανά καμπίνα. Οι στήλες που εμφανίζονται σε αυτό το διάγραμμα απεικονίζουν το εύρος των θερμοκρασιών που μετρήθηκαν, σε κάθε διάταξη /αρχιτεκτονική, από τους εγκατεστημένους αισθητήρες θερμοκρασίας στην πρόσοψη των καμπινών. Οι οριζόντιες γραμμές μέσα στα πλαίσια απεικονίζουν τη μέση τιμή που μετρήθηκε.
Τα 4,5 kW ανά καμπίνα ήταν το μόνο φορτίο στο οποίο η διάταξη χωρίς containment ΗΑ / CA λειτούργησε με επίτευξη του CAR. Παρόλα αυτά, μερικές μετρήσεις θερμοκρασίας εισόδου υπερέβησαν το μέγιστο αποδεκτό επίπεδο F (27 ° C) 80.6 °.

Σχήμα 5. Φορτίο ΙΤ ανά καμπίνα 4,5kW


Η θερμοκρασία εισόδου στην πρόσοψη των καμπινών, για όλους τους συνδυασμούς διατάξεων των Containments είναι 2.9°F (1.6°C), ή και περισσότερο, χαμηλότερη από τη μέγιστη, με μία μικρή διακύμανση τιμών της τάξεως των 2.6°F (1.4°C) μεταξύ των χαμηλότερων και υψηλότερων τιμών για κάθε διάταξη. Οι πραγματικές μετρήσιμες θερμοκρασίες του αέρα τροφοδοσίας ήταν κοντά στο set point των 75°F (23.9°C)
Στα σχήματα 6 και 7 απεικονίζεται η διακύμανση της θερμοκρασίας των τριών διατάξεων CAC για ΙΤ φορτίο 15KW και 20KW ανά καμπίνα αντίστοιχα. Και οι τρεις διατάξεις είχα παρόμοια συμπεριφορά, χωρίς καμία θερμοκρασία εισόδου να ξεπερνάει τη μέγιστη τιμή και με μικρή διασπορά θερμοκρασιών.

Σχήμα 6. Φορτίο ΙΤ ανά καμπίνα 15kW


Σχήμα 7. Φορτίο ΙΤ ανά καμπίνα 25kW


Τα αποτελέσματα των θερμικών μετρήσεων δείχνουν ότι οι διατάξεις των containment UAC έχουν θερμική απόδοση σχεδόν ταυτόσημη με τη διάταξη του CAC. Καμία διάταξη δε παρουσίασε θερμοκρασία μεγαλύτερη από τη μέγιστη προτεινόμενη τιμή. Η θερμοκρασία εισόδου για όλες τις διατάξεις ήταν ίσες ή μικρότερες των 1.4°F (0.8°C), με εύρος διακύμανσης 3.8°F (2.1°C) μεταξύ της υψηλότερης και χαμηλότερης τιμής για κάθε διάταξη.
Για άλλη μια φορά, οι πραγματικές μετρήσιμες θερμοκρασίες του αέρα τροφοδοσίας ήταν κοντά στο set point των 75°F (23.9°C)

Critical Air Ratio (Κρίσιμη Αναλογία Αέρα)
Το CAR όπως ορίζεται για τη συγκεκριμένη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε ως σημείο αναφοράς για την ομαλοποίηση των συνθηκών κάτω από τις οποίες αξιολογήθηκαν όλες οι διατάξεων. Το CAR επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένας δείκτης αποτελεσματικότητας της τροφοδοσίας ψυχρού αέρα στις διατάξεις.
‘Όταν ο όγκος του απαιτούμενου κρύου αέρα στο containment ξεπεράσει τη ροή αέρα του ΙΤ εξοπλισμού συμβαίνουν τα ακόλουθα:

• Παράκαμψη κρύου αέρα. Αυτή είναι η διαδικασία κατά την οποία ο παρεχόμενος κρύος αέρας δεν φτάνει στον εξοπλισμό πληροφορικής πριν επιστρέψει στη ψυκτική μονάδα.
• Επανακυκλοφορία ζεστού αέρα. Αυτή είναι η διαδικασία κατά την οποία ο παραγόμενος θερμός αέρας του εξοπλισμό ΙΤ βρίσκει διόδους προς τη πρόσοψη/ προσαγωγή του εξοπλισμού ΙΤ. 

Επιπλέον παροχή αέρα απαιτείται για την αντιστάθμισή των ανωτέρων φαινόμενών .
Οι λύσεις συγκράτησης του αέρα (containments) συμβάλει στην ελαχιστοποίηση αυτών των ανεπαρκειών. Το σχήμα 8 δείχνει τα CAR που δημιουργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση των δοκιμών

Σχήμα 8


Ο συντελεστής CAR, των διατάξεων ζεστού και κρύου διαδρόμου HA/CA χωρίς containment, ήταν από 6% εως 8% υψηλότερος από κάθε άλλη διάταξη CAC που ελέγχθηκε. Αυτό καταδεικνύει σαφώς ότι η αποδοτικότητα της ψύξης βελτιστοποιήθηκε με τη χρήση λύσεων containment. H σύγκριση του συντελεστή CAR μεταξύ των τριών διατάξεων containment, δίνει παρόμοιες τιμές επιβεβαιώνοντας ότι οι διατάξεις UAC παρέχουν την ίδια απόδοση με το CAC.

Ισοδύναμη απόδοση του UAC για εφαρμογή σε ζεστό HAC και κρύο CAC διάδρομο
Στο παραπάνω παράδειγμα ελέγθηκε μόνο η διάταξη UAC με εφαρμογή σε τοπολογία ψυχρού διαδρόμου και συγκρίθηκε με διατάξεις ζεστού και ψυχρού διαδρόμου, καθώς και με CAC containment ψυχρού διαδρόμου.

Συμπέρασμα
Η μελέτη αυτή πιστοποιεί ότι η λύση UAC είναι αποτελεσματική για το διαχωρισμό ροής του ψυχρού και ζεστού αέρα, με την ίδια απόδοση που έχει ένα CAC. Αυτό ισχύει είτε οι ικριωσειρές είναι πλήρεις από καμπίνες είτε σε μερική ανάπτυξη, χρησιμοποιώντας Blanking panels για κάλυψη των καινών θέσεως και χρήση τους μελλοντικά
Η αποτελεσματικότητα αποδείχθηκε με ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασιών στην πρόσοψη των καμπινών, στα ίδια επίπεδα με την θερμοκρασία και τον τροφοδοτούμενο όγκο αέρα για την καλύψει των αναγκών ροής αέρα του εξοπλισμού ΙΤ
Η διάταξη CAC βελτιώνει εντυπωσιακά την ψύξη σε σύγκριση με τον ανοιχτό ψυχρό και ζεστό διάδρομο.
Το UAC και το CAC έχουν σχεδόν παρόμοια απόδοση ψύχοντας εύκολα ακόμη και το υψηλότερο φορτίο των 25kW ανά καμπίνα.
Η εξοικονόμηση κόστους ενέργειας ψύξης που μπορεί να επιτευχθεί από την ανάπτυξη μιας λύσης containment προέρχεται από τη μείωση του απαιτούμενου όγκο ψυχρού αέρα και από την πιο αποδοτική ψύξη λόγω της μικρότερης ανάμειξη του ζεστού και κρύου αέρα. Εξοικονόμηση από την ανάπτυξη UAC-CAC αναμένεται να είναι ισοδύναμη με εκείνη του CAC - δηλ 30%. Η λύση UAC μπορεί να εφαρμοστεί σε υφιστάμενα Data Centers , όπου δεν υπάρχει ομοιομορφία καμπινών δίνοντας ευέλικτες λύσεις με άμεσα αποτελέσματα στην εξοικονόμηση ενέργειας.