CC BY
8УДК 628.8
Чичьянц А.Е.
студент-магистр, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, факультет инженерной экологии и городского хозяйства.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (Россия, г. Санкт-Петербург)
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ЦЕНТРОВ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Аннотация: В статье рассмотрены различные методы повышения энергоэффективности систем кондиционирования в зданиях центров обработки данных. Предложены и оценены несколько вариантов для снижения затрат на электроэнергию и возможность продажи тепла от ^-оборудования сторонним потребителям и использования его для собственных нужд.
Ключевые слова: центр обработки данных, отопление, теплоснабжение, кондиционирование, энергоэффективность.
Из-за увеличения спроса на системы хранения, сети и вычисления, число, размер, сложность и плотность мощностей центров обработки данных растут, что создает значительную проблему с энергопотреблением. Сейчас исследуются различные способы повышения энергоэффективности для обеспечения устойчивого роста отрасли и снижения эксплуатационных расходов. Системы кондиционирования потребляют большую часть энергии в центрах обработки данных, до 40% в случае неэффективного охлаждения.
Годовые затраты на электроэнергию
Высокое снижение потребления энергии можно достичь, используя тепло, выделяемое оборудованием, для отопления и теплоснабжения самого ЦОДа или продавая его сторонним потребителям. Рассмотрим годовые затраты на электроэнергию для гипотетического ЦОДа мощностью 1 МВт с различными вариантами охлаждения.
Для расчета возьмем средние по России тарифы на тепловую и электрическую энергию
Электричество - 5,7 руб./(кВт-ч)
Тепло - 1,8 руб./(кВт-ч)
Вариант 1 - Охлаждение с помощью холодильной установки с опцией фрикуллинга.
Фрикуллинг — это система естественного кондиционирования, которая охлаждает помещение за счет наружного холодного воздуха и является перспективным способом экономии энергии. Россия, как страна с холодным климатом, является отличным местом для применения этой технологии.
Рис. 1. Устройство системы free cooling
В этом случае расход электроэнергии для охлаждения основного оборудования будет состоять из расхода на вентиляцию серверного оборудования (около 70 кВт) и работы холодильной установки (в режиме машинного охлаждения - около 300 кВт, в режиме фрикуллинга - 30 кВт). При температуре хладогента 10/15°С режим фрикуллинга можно использовать около 4450 часов в год. Таким образом, годовое потребление электроэнергии N для охлаждения основного серверного оборудования может быть рассчитано по формуле:
где Т1 - время охлаждения в машинном режиме в течение года;
Т2 - время охлаждения в режиме фрикуллинга;
Ыв - потребляемая мощность вентиляторов прецизионных кондиционеров;
Ыхм - потребляемая мощность холодильной машины в режиме машинного охлаждения;
^фк - 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 = 5,7 -2 026 200 = 11 549 340 руб.
Вариант 2 - Охлаждение вентиляционной установкой.
В этом случае электроэнергия будет расходоваться на работу вентиляторов и даже без дополнительной обработки воздуха (осушение, увлажнение, рекуперация и т. д.) будет не менее 250 кВт, т.е. годовые затраты составят:
N = Щ,
где Т - время работы за год;
- потребляемая мощность вентиляционной установки,
N = 8760-250 = 2 167 500 кВт-ч
Затраты на электрическую энергию для системы охлаждения достигнут
Р2 = 5,7 - 2 167 500 = 12 354 750 руб.
Вариант 3 - Охлаждение холодильной установкой с рекуперацией тепла и реализацией этого тепла сторонним потребителям.
Такие системы требуют много места и увеличения объема помещений венткамер, что не всегда экономически выгодно, но представляют огромный потенциал для реализации тепла, выделяемого оборудованием.
Используя норматив потребления тепловой энергии для отопления жилых помещений (100Вт/кВ.м), теплотой ЦОДа мощностью 1 мВт можно подогревать до 25 куб.м/ч воды от 10 °С до 50 °С или отапливать до 10000 м.кв жилой площади.
Рис. 2. Схема реализации отводимого тепла
В этом случае потребляемая мощность на охлаждение основного серверного оборудования будет состоять из расхода на вентиляцию серверного оборудования (70 кВт) и работы холодильной установки (360 кВт): N = Т(ЫВ + Ыхм),
N = 8760(70 + 360) = 3 766 800 кВт-ч, Р3 = 5,7 • 3 766 800 = 21 470 760 руб. Количество выделяемой теплоты от оборудования: Q = Т(ЫС + Ыхм + Ыв), где Т - время работы;
Ыс - потребляемая мощность серверного оборудования, Q = 8760(1000 + 360 + 70) = 12 526 800 кВт-ч. При заданном тарифе на тепловую энергию выручка составит: Р' = 1,8 • 12 526 800 = 22 548 240 руб.
Рис. 3. Схема холодильной машины с рекуперацией тепла
Произведенные расчеты являются ориентировочными и для каждого конкретного объекта должны быть уточнены и проверены для выбора наиболее оптимального варианта охлаждения.
Оценка энергоэффективности
Для оценки энергоэффективности используется коэффициент энергоэффективности ЦОДа (PUE), чем он меньше, тем эффективнее используется энергияя, для различных вариантов охлаждения, в стоимостном выражении может быть рассчитан по следующей формуле:
PUE = (Росн + Р)/Роси,
где Росн - затраты на электроэнергию для основного серверного оборудования за год,
Р - затраты на электроэнергию для охлаждения основного серверного оборудования за год.
Росн = 3,2-8760-1000 = 49 932 000 руб. В таблице 1 представлены итоги расчета. Таблица 1 - Итоги расчета
Вариант Росн, руб. Р, руб PUE
1 49 932 000 11 549 340 1,23
2 49 932 000 12 354 750 1,25
3 49 932 000 -1 077 480 0,98
Вывод: Использование вентиляционной установки является наиболее эффективным решением, которое позволит возместить часть затрат на электроэнергию.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Чернов А.Н., Агапитов Е.Б. Методика размещения кондиционеров в центрах обработки данных для обеспечения эффективного охлаждения ИТ оборудования. // Журнал Естественные и технические науки. Строительство и архитектура. - 2011. - No6. - С.611-613
2. Основы расчета тепловоздушного режима производственных помещений с механической вентиляцией : автореферат дис. ... доктора технических наук : 05.23.03 / Позин Гари Моисеевич. - СПб., 1991. - 52 c.
3. ASHRAE TC 9.9. 2011. Thermal Guidelines for Data Processing Environments - Expanded Data Center Classes and Usage Guidance. - American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2011. - 45 p.
4. TIA-942. Телекоммуникационная инфраструктура ЦОД. — Введ. 2005-0201. — США: Ассоциация изготовителей оборудования для передачи данных, 2005. — 151 с.
5. СТО НОСТРОЙ 2.15.177-2015. Инженерные сети зданий и сооружений внутренние. Устройство систем вентиляции и кондиционирования серверных помещений. Правила, контроль выполнения, требования к результатам работ. -Издание официальное. - М.: Издательство «БСТ», 2017. - 53 с.
Chichyants A.E.
St. Petersburg State Architectural and Construction University
(Russia, St. Petersburg)
IMPROVING ENERGY EFFICIENCY OF DATA CENTER AIR CONDITIONING SYSTEMS
Abstract: the article discusses various methods of improving the energy efficiency of air conditioning systems in data center buildings. Several options have been proposed and evaluated to reduce electricity costs and the possibility of selling heat from IT equipment to third-party consumers and using it for their own needs.
Keywords: data center, heating, heat supply, air conditioning, energy efficiency.
