CC BY
26УДК 62
И.В. Касаткин, М.Р. Верещак
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ
ЦЕНТРОВ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
В статье рассматриваются различные способы повышения энергоэффективности систем кондиционирования зданий центров обработки данных. Предложены и оценены несколько вариантов по минимизации затрат на электроэнергию и возможность реализации теплоты от 1Т-оборудования сторонним потребителям и на собственные нужды.
Ключевые слова: центр обработки данных, отопление, теплоснабжение, кондиционирование, энергоэффективность.
Растущее число, размер, сложность и плотность мощностей центров обработки данных из-за растущего спроса на системы хранения, сети и вычисления создают значительную энергетическую проблему. В настоящее время изучается ряд мер по повышению энергоэффективности, чтобы не только обеспечить приемлемый рост отрасли, но и снизить эксплуатационные расходы. Потребление энергии для систем кондиционирования составляет большую часть общего потребления центров обработки данных, которое может составлять до 40% в случае неэффективности системы охлаждения.
Годовые затраты на электроэнергию
Высокого снижения потребления энергии можно добиться путем использования выделяемого оборудованием тепла для систем отопления и теплоснабжения самого ЦОДа, так его же реализации сторонним потребителям. Рассмотрим годовые затраты на электроэнергии при различных вариантах охлаждения гипотетического ЦОДа мощностью 1 МВт.
Для расчета возьмем средние по России тарифы на тепловую и электрическую энергию
Электричество - 3,1 руб./(кВт^ч)
Тепло - 1,4 руб./(кВт^ч)
Вариант 1 - Охлаждение с помощью холодильной установки с опцией фрикуллинга.
Перспективным вариантом для экономии энергии является система естественного кондиционирования - фрикуллинг, с помощью которой помещение охлаждается за счет наружного холодного воздуха. Россия как страна с холодным климатом представляет отличное место для внедрения этой технологии.
Рис. 1. Устройство системы free cooling
В данном случае расход электрической энергии для охлаждения основного оборудования будет складываться из расхода на обеспечение вентиляции серверного оборудования (приблизительно 70 кВт) и на работу холодильной установки (в режиме машинного охлаждения - приблизительно 300 кВт, в режиме фрикуллинга - 30 кВт). При температуре хладогента 10/15°С режим фрикуллинга можно использовать в
© Касаткин И.В, Верещак М.Р.,2020.
течение приблизительно 4450 ч в год. Таким образом, годовое потребление электроэнергии N для охлаждения основного серверного оборудования может быть рассчитано с достаточной точностью по формуле:
N = Тг(Ыв + Ыхм) + Т2 (Ыв + Ыфк),
где Т1 - время охлаждения в машинном режиме в течение года;
Т2 - время охлаждения в режиме фрикуллинга;
Ne - потребляемая мощность вентиляторов прецизионных кондиционеров;
Nхм - потребляемая мощность холодильной машины в режиме машинного охлаждения;
Nфк - потребляемая мощность холодильной машины в режиме фрикуллинга.
N = 4310(70 + 300) + 4450(70 + 30) = 2 026 200 кВт^ч.
Затраты на электрическую энергию для охлаждения оборудования за год составят:
Р1 = 3,1 ^2026200 = 6 483 840 руб.
Вариант 2 - Охлаждение вентиляционной установкой.
В этом случае электрическая энергия будет расходоваться на работу вентиляторов и даже в случае отсутствия дополнительной обработки воздуха (осушение, увлажнение, рекуперация и т. д.) будет не менее 250 кВт, т.е. годовые затраты составят:
N = TNв,
где Т - время работы за год;
Ne - потребляемая мощность вентиляционной установки,
N = 8760х250 = 2 167 500 кВт^ч.
Затраты на электрическую энергию для системы охлаждения достигнут
Р2 = 3,1х2 167 500 = 6 936 000 руб.
Вариант 3 - Охлаждение холодильной установкой с рекуперацией тепла и реализацией этого тепла сторонним потребителям.
Такие системы требуют много места что влечет за собой увеличение объема помещений венткамер, что не всегда экономически приемлемо, однако представляют огромный потенциал реализации выделяемой оборудованием теплоты.
Пользуясь нормативом потребления тепловой энергии для отопления жилых помещений (100Вт/кВ.м) теплотой ЦОДа мощностью в 1 мВт можно подогревать до 25 куб.м/ч воды от температуры плюс 10 °С до плюс 50 °С или отапливать до 10000 м.кв жилой площади.
Рис. 2. Схема реализации отводимого тепла
В этом случае потребляемую мощность на охлаждение основного серверного оборудования можно представить как сумму расхода электрической мощности на обеспечение вентиляции основного серверного оборудования (70 кВт) и потребляемой мощности холодильной установки (360 кВт):
N = Т(Ме + Ым),
N = 8760(70 + 360) = 3 766 800 кВт^ч. Рз = 3,1 х3 766 800 = 12 053 760 руб. Количество выделяемой теплоты от оборудования: д = г(Ыс + Ыхм + ы), где Т - время работы;
N - потребляемая мощность серверного оборудования, д = 8760(1000 + 360 + 70) = 12 526 800 кВт^ч. При заданном тарифе на тепловую энергию выручка составит: Р' = 1,4х12 526 800 = 16 284 840 руб.
Рис. 3. Схема холодильной машины с рекуперацией тепла
Произведенные расчеты являются ориентировочными и для каждого конкретного объекта должны уточняться и проверяться для выбора наиболее оптимального варианта охлаждения.
Оценка энергоэффективности
Для оценки энергоэффективности используется коэффициент энергоэффективности ЦОДа (PUE), чем он меньше тем эффективней используется энергия, для различных вариантов охлаждения, в стоимостном выражении может быть рассчитан по следующей формуле:
PUE = (Росн + РУРоси,
где Росн - затраты на электроэнергию для основного серверного оборудования за год,
Р - затраты на электроэнергию для охлаждения основного серверного оборудования за год.
Росн = 3,2 х8760х1000 = 28 032 000 руб.
В таблице 1 представлены итоги расчета.
Таблица 1
Итоги расчета_
Вариант Росн, руб. р, руб. PUE
1 28 032 000 6 483 840 1,23
2 28 032 000 5 606 400 1,21
3 28 032 000 -4 231 080 0,85
Вывод. Использование установок с рекуперацией теплоты, а также реализация этой теплоты сторонним потребителям и на нужды самого ЦОДа является наиболее эффективным решением которое позволит возместить часть затрат на электроэнергию. Однако оно требует больших затрат и увеличение объема помещений в которых находится оборудование систем ОВК.
КАСАТКИН ИВАН ВЛАДИМИРОВИЧ - магистрант, Тюменский индустриальный университет, Россия.
ВЕРЕЩАК МАКСИМ РОМАНОВИЧ - магистрант, Тюменский индустриальный университет, Россия.
