Energy-efficient air conditioning system of a data processing center

Anton A. Zharov; Жаров Антон Андреевич; Darya A. Venevceva; Веневцева Дарья Андреевна; Guriy I.  Mikita; Микита Гурий Иштванович; Vladimir A. Voronov; Воронов Владимир Андреевич; Konstantin  A. Apsit; Апсит Константин Александрович

doi:10.17816/RF322838

Energy-efficient air conditioning system of a data processing center

Authors: Zharov A.A.¹, Venevceva D.A.¹, Mikita G.I.¹, Voronov V.A.¹, Apsit K.A.¹
Affiliations:
1. Bauman Moscow State Technical University
Issue: Vol 110, No 2 (2021)
Pages: 113-121
Section: Original Study Articles
URL: https://freezetech.ru/0023-124X/article/view/322838
DOI: https://doi.org/10.17816/RF322838
ID: 322838

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

BACKGROUND: Currently, because of the rapid development of digital technologies, an increasing amount of computer computing power is required where data processing centers are built, which sometimes require power consumption in the megawatt range. For stable year-round operation of data centers, reliable engineering is required, which includes air conditioning systems (ACS) for year-round use with a given level of reliability. Several traditional methods of data center cooling are available, namely, precision air conditioners based on vapor compression refrigeration machines (PCRMs) and systems with intermediate coolant (so-called chiller–fancoil systems). However, in modern settings, when the required capacity of data centers increases every year and the framework for environmental friendliness and energy efficiency of installations becomes stricter, new, more energy-efficient, and environmentally friendly solutions for data center cooling is needed.

AIM: This study aims to compare the proposed energy-efficient ACS with combined vapor compres-sion and indirect-evaporative cycle with the most commonly used ACSs in data centers and to deter-mine the boundaries of transition between the operating modes of the proposed ACS in a data center operating in Moscow as an example.

METHODS: This study employs the following methods: analysis of existing data center cooling sys-tems, determination of a typical design set of outdoor air parameters in the region under consideration, and calculation by comparative analysis of the energy consumption of the proposed and traditional ACSs for data centers.

RESULTS: From our study, the different ACSs currently used for data centers, namely, precision air conditioners and chiller–fancoil systems are highlighted. The main components of each system, the advantages and disadvantages observed in the design, installation, and commissioning processes, and the operation of the systems are described. An alternative ACS that combines PCRM and indirect-evaporative cooling is proposed. The comparative analysis of the proposed scheme and traditional so-lutions demonstrates that the combined ACS allows significant reduction in the energy consumption for data-center cooling. Therefore, under the conditions in Moscow, the proposed system for a particu-lar year will consume energy that is two times less than a chiller–fancoil system with free cooling and 2.5 times less than a system with precision air conditioners that operate on the traditional vapor-compression cycles.

CONCLUSION: The comparative analysis of the proposed energy-efficient ACS with combined vapor compression and indirect-evaporative cycle with the most commonly used ACS in data centers con-firms its high energy efficiency and provides greater environmental safety. The boundaries of the tran-sition between the operating modes of the proposed ACS are determined in a data center that operates in Moscow as an example, which exhibits high energy efficiency and reliable operation.

Keywords

data processing center, data processing center air conditioning system, combined vapor compression and indirect-evaporative cooling, free cooling, energy-efficient and environmentally safe air conditioning system

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Усовершенствование пакетов вычислительных программ для расчётов и моделирования технологических процессов, используемых в конструкторско-технологических бюро, влечет за собой переход на мощные вычислительные машины, требующие собственных центров обработки данных.

Вот уже несколько десятилетий операторы ЦОД и поставщики оборудования для дата-центров обсуждают перспективу резкого роста плотности размещения аппаратного обеспечения в стойках внутри машинных залов. Достижение более высокой плотности размещения комплектующих повышает эффективность ЦОД при одновременном сокращении счетов за электроэнергию. Но одновременно с этим также возникает риск отказа системы охлаждения или перебоев в ее работе. По мере роста плотности серверов в стойках проектировщики дата-центров и производители оборудования для них вынуждены создавать все более эффективные и, что не менее важно, надежные решения для охлаждения серверов [1-5].

В современных условиях, когда требуемые от ЦОД мощности с каждым годом увеличиваются, а рамки по экологичности и энергоэффективности установок с каждым годом становятся жестче, возникает потребность в поиске новых более энергоэффективных и в тоже время экологически безопасных решений для охлаждения ЦОД.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Провести сравнение предлагаемой энергоэффективной СКВ с наиболее часто используемыми в центрах обработки данных. Выбрать наиболее энергоэффективную систему кондиционирования для ЦОД. Определить границы перехода предлагаемой СКВ между режимами работы.

ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЦОД

Прецизионные кондиционеры с непосредственным охлаждением

В современных системах такого типа обычно используются хладагенты R410A и R407C.

Принцип работы такого кондиционера следующий.

Хладагент сжимается в компрессоре 4 (рис. 1), после поступает в конденсатор 3, где переходит в жидкое состояние. Проходит через терморегулирующий вентиль 2 (ТРВ), и там понижается его температура. Попадая в испаритель 1, хладагент испаряется в процессе охлаждения воздуха ЦОД и снова поступает в компрессор. От конденсатора теплота отводится к воздуху окружающей среды.

Рис. 1. Прецизионные кондиционеры с непосредственным охлаждением

Fig. 1. Direct expansion type close control units

Эта система обладает несколькими преимуществами, включая длительный срок службы и высокую надежность. Благодаря широкому выбору мировых производителей, она доступна по разумной цене и не требует значительных финансовых затрат. Кроме того, проектировщики, монтажники и службы эксплуатации хорошо знакомы с такими системами [3-5].

Минусами данной системы являются: трудности при экстремально низких и высоких температурах окружающей среды. При очень низких температурах требуется искусственно повышать давление конденсации, которое без этого станет ниже давления в испарителе. При высоких температурах существенно повышаются затраты мощности в компрессоре и может возникать ситуация превышения максимально-допустимого давления конденсации, что чревато отключением системы охлаждения ЦОД, именно тогда, когда она наиболее важна. Наиболее существенным минусом являются высокие эксплуатационные затраты, связанные с большим расходом электроэнергии, вследствие чего необходимо увеличивать мощность источников бесперебойного питания ЦОД.

Система чиллер-фанкойлы

Принцип работы данной системы следующий [3–5]. От единого источника «холода» (чиллера), с помощью гидравлического модуля, холодоноситель подается к нескольким конечным охладителям воздуха (фанкойлам). В качестве хладагента в чиллерах применяют фреоны R407C и R134а. Хладоносителем является вода, либо антифриз (смесь воды с этиленгликолем или пропиленгликолем). Реже используется в качестве добавки хлорид натрия (поваренная соль) и хлорид кальция. В зависимости от их концентрации изменяется температура замерзания смеси.

Основным преимуществом такой системы чиллер-фанкойлы является высокая гибкость построения, т.к. удаленность фанкойлов ограничена только возможностями насосов 8 (рис. 2). Эта система наиболее распространена как система охлаждения ЦОД. Самым важным преимуществом является наличие функции свободного охлаждения (когда при низких температурах наружного воздуха ПКХМ не включается, а хладоноситель охлаждается в теплообменнике 10 напрямую наружным воздухом), за счёт чего существенно снижаются затраты на электроэнергию.

Рис. 2. Система чиллер-фанкойлы.

Fig. 2. Chiller systems.

Такие системы достаточно гибкие в эксплуатации. Благодаря использованию свободного охлаждения, насосных групп с переменным расходом холодоносителя и других технологий в этих кондиционерах, можно достичь уменьшения годового энергопотребления в два раза по сравнению с прецизионными кондиционерами, работающими на фреоне.

При этом системы чиллер-фанкойлы требуют тщательного процесса проектирования, трудоемкость монтажа высокая, следовательно, цена выше на 30-40 процессов, относительно кондиционеров с непосредственным охлаждением, таких как прецизионные кондиционеры.

В настоящее время установка таких кондиционеров достаточно актуальна, несмотря на свою цену. Решение продолжает развиваться и будет сохранять свою актуальность в ближайшем будущем.

Предлагаемая комбинированная система

Предлагаемая система объединяет в себе косвенно-испарительное охлаждение [6–14] и охлаждение в традиционной парокомпрессионной холодильной машине. Данная идея рассмотрена авторами в предыдущих работах [15–17]. Предлагаемая система функционирует следующим образом.

При низкой температуре окружающего воздуха установка работает в режиме свободного охлаждения. Теплообмен между вспомогательным потоком (воздух забирается с улицы) и циркулирующим потоком (воздух забирается из помещения ЦОД) происходит в рекуперативном косвенно-испарительном теплообменнике (КИТО) 7, но без использования воды в этом режиме (рис. 3).

Рис. 3. Предлагаемая комбинированная СКВ.

Fig. 3. The proposed combined air conditioning system (ACS).

Если температура наружного воздуха слишком низкая и есть вероятность обмерзания каналов КИТО по циркулирующему потоку, то установка переходит в режим с включением байпасной линии 9, которая повышает температуру вспомогательного потока перед вентилятором вспомогательного потока 1 и КИТО 7 и исключает выпадение инея в каналах циркулирующего потока.

При повышении температуры наружного воздуха в работу включается увлажнитель наружного воздуха 2 и происходит орошение каналов вспомогательного потока косвенно-испарительного теплообменного аппарата 7. Циркулирующий поток в этом случае охлаждается только в КИТО 7.

На характер работы в этом режиме оказывает влияние влажность наружного воздуха, поскольку эффективность испарения напрямую зависит от способности наружного воздуха поглощать влагу.

При повышении влажности и температуры наружного воздуха КИТО продолжает работать, хотя и не справляется полностью с требуемым охлаждением, а доохлаждение циркулирующего воздуха осуществляется в ПКХМ, состоящей из компрессора 3, конденсатора 6, терморегулирующего вентиля 5 и испарителя 8.

Важно отметить, что в последнем режиме конденсатор 6 обдувается вспомогательным потоком, выходящим из КИТО, и имеющим температуру меньше, чем воздух окружающей среды, что снижает давление конденсации и дополнительно снижает потребляемую мощность парокомпрессионного блока.

Данная система обеспечивает существенное снижение расходов и экономию с точки зрения электрической инфраструктуры и оборудования. Поскольку весь воздухоохлаждающий модуль устанавливается снаружи ЦОД, что увеличивает доступное свободное пространство внутри ЦОД. От модуля в ЦОД тянутся только воздуховоды для циркулирующего воздуха.

Свободное и косвенно-испарительное охлаждение без промежуточного хладоносителя, а также более выгодная работа конденсатора ПКХМ позволят ощутимо снизить энергозатраты на охлаждение ЦОД по сравнению с традиционными системами.

В результате значительно чего снижается совокупная стоимость ЦОД.

МЕТОДЫ

Исходные данные для проектирования:

расположение ЦОД: Москва;
тепловая нагрузка (тепловыделения цифровых стоек ЦОД): 100 кВт;
параметры наружного воздуха: по СП131.13330.2012, при этом расчетная максимальная температура воздуха в теплый период года должна быть принята равной абсолютно максимальной в данном регионе;
параметры воздуха, входящего в цифровые стойки ЦОД (использовать метод воздухораспределения типа «холодные коридоры»): температура: 22±2°С; относительная влажность: 45±15%;
температура воздуха, выходящего из цифровых стоек ЦОД: 35±2°С;
в ПКХМ использован хладагент R410A.

Для сравнения круглогодичного энергопотребления вышеописанных СКВ, был проведен сбор информации о погодных условиях в г. Москва. Для наглядности, изменение температуры и относительной влажности представлены на рис. 4 и 5.

Рис. 4. График изменения температуры воздуха в г. Москва за год.

Fig. 4. Chart of the all-year air temperature changes in Moscow.

Рис. 5. График изменения относительной влажности воздуха в г. Москва за год.

Fig. 5. Chart of the all-year relative humidity changes in Moscow.

Предлагаемая комбинированная СКВ имеет четыре режима работы: свободное охлаждение при очень низких температурах окружающей среды, свободное охлаждение, косвенно-испарительное и комбинированное косвенно-испарительное и парокомпрессионное охлаждение. При этом необходимо определить границы переходов между режимами, чтобы более точно рассчитать энергопотребление СКВ.

Переход с режима свободного охлаждения с байпасом на режим свободного охлаждения.

Забор воздуха из окружающей среды осуществляется с помощью вентилятора. Для предотвращения неисправностей и поломок вентилятора, не рекомендуется пропускать через воздух с температурой ниже -20°С. Также при температуре приточного воздуха ниже -20°С возможно обмерзание каналов циркулирующего воздуха. Следовательно, если температура на входе ниже -20°С, в работу подключают байпасную линию.

Переход с режима свободного охлаждения на косвенно-испарительное охлаждение.

В режиме косвенно-испарительного охлаждения на поверхность теплообменного аппарата разбрызгивается вода. Чтобы предотвратить возможное обмерзание теплообменного аппарата, необходимо подавать приточный воздух с температурой ниже 0°С. Следовательно, переход на режим косвенно-испарительного охлаждения может быть осуществлен при положительной температуре воздуха, принимаем, что выше +1°С.

Переход с режима косвенно-испарительное охлаждения на режим комбинирования косвенно-испарительного охлаждения и ПКХМ

Для определения границ режимов работы, проведен итерационный перебор параметров наружного воздуха. Для этого, по данным СНиП 23-01-99 (среднемесячная температура и среднее месячное парциальное давление пара) на i-d диаграмме строим кривую, которая будет характеризовать изменение параметров наружного воздуха. Рассматриваем месяцы с января по июль, так как после июля среднемесячная температура уменьшается.

Проведя расчёты, получаем следующие параметры наружного воздуха, при которых установка переходит в различные режимы работы. Для определения границы принимали, что разница между температурами в точках 7 и 10 должно составлять Δt = 5°С (недорекуперация в теплообменном аппарате).

При достижении на улице температуры t = 20°C и влажности φ = 77% установка переходит из режима косвенно-испарительного охлаждения в режим, когда включается в работу ПКХМ.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенных расчётов получены графики потребляемой мощности сравниваемых СКВ в течение года (см. рис. 6–8).

Рис. 6. Система чиллер-фанкойлы с свободным охлаждением.

Fig. 6. Chiller with free cooling system.

Рис. 7. Система с прецизионным кондиционером.

Fig. 7. Close control unit.

Рис. 8. Предлагаемая комбинированная СКВ.

Fig. 8. Proposed combined ACS.

Наглядно видно, что наиболее эффективной является предлагаемая комбинированная СКВ. Для нее площадь под графиком потребляемой мощности в течение года, которая соответствует годовому энергопотреблению, ощутимо меньше, чем у традиционных систем.

В системе чиллер-фанкойлы наибольшее количество энергии потребляется в летний период года. Зимой охлаждение ЦОД происходит с помощью свободного охлаждения. А летом в работу включается компрессор, который и является основным потребителем электроэнергии.

В системе с прецизионным кондиционером в зимний период потребление электроэнергии больше, чем в летний. Обусловлено это тем, что из-за большой разницы температур в помещении и на улице в зимний период года, нам необходимо поддерживать давление конденсации, что привод к увеличению потребления энергии.

В предлагаемой системе кондиционирования воздуха, большую часть времени года потребляют электроэнергию только вентиляторы и насос. И только в дни с высокой температурой приточного воздуха подключается ПКХМ. Комбинирование свободного охлаждения, косвенно-испарительного охлаждения и ПКХМ позволяет существенно снизить затраты на электроэнергию.

В результате, после проведения расчетов, было получено, что в сравнении с предлагаемой комбинированной СКВ, система с прецизионным кондиционером потребляет в 2,5 раза больше электроэнергии, а чиллер-фанкоил со свободным охлаждением в 2 раз больше.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы были освещены различные системы кондиционирования воздуха, применяемые в настоящее время для охлаждения ЦОД: прецизионные кондиционеры и системы чиллер-фанкойлы. Были описаны основные составляющие каждой системы, достоинства и недостатки наблюдающиеся в процессе проектирования, монтажа, при пуско-наладочных работах, а также при дальнейшей эксплуатации таких систем.

Предложена альтернативная комбинированная система кондиционирования воздуха, объединяющая ПКХМ и косвенно-испарительное охлаждение.

Сравнительный анализ предложенной схемы и традиционных решений показал, что комбинированная система кондиционирования воздуха позволяет значительно сократить энергопотребление на кондиционирование ЦОД. Так в условиях московского региона предложенная система в течение года потребит энергии в 2 раз меньше, чем система чиллер-фанкойлы со свободным охлаждением и в 2,5 раз меньше, чем система с прецизионными кондиционерами, работающими на традиционных парокомпрессионных циклах.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. Все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с подготовкой и публикацией статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования и подготовке публикации.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contributions. All authors made a substantial contribution to the conceptual development and preparation of this article and read and approved the final version before publication.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by external sources of funding.