Стратегии отвода тепла из коммутационных узлов и небольших помещений Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА

CD

зз:

азе

КАЧЕСТВО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ

Стратегии отвода тепла из коммутационных узлов

Нил РАСМУССЕН (Neil Rasmussen) , вице-президент по инновациям компании Schneider Electric

Брайан СТЭНДЛИ (Brian Standley), менеджер по линейке продуктов в области малых систем охлаждения компании American Power Conversion

Отвод тепла из коммутационных узлов планируется редко и обычно реализуется только после сбоев или случаев перегрева. Исторически сложилось так, что не существует четкого стандарта определения охлаждения, достаточного для предсказуемой работы оборудования внутри коммутационного узла. Соответствующая спецификация по охлаждению коммутационных узлов должна обеспечивать их совместимость с ожидаемыми нагрузками, содержать однозначные указания по проектированию и установке систем охлаждения, позволять избежать чрезмерного увеличения резервных мощностей, обеспечивать максимальную энергоэффективность и быть достаточно гибкой для узлов различных размеров. В первой части статьи приведены теоретические и практические аспекты усовершенствованного метода подготовки спецификаций по охлаждению коммутационных узлов.

Проектирование центров обработки данных (ЦОД) и больших машинных залов всегда предусматривает разработку системы охлаждения. Однако многие ИТ-устройства располагаются распределенно, за пределами машинного зала, в узлах, офисах филиалов и других местах, которые могут быть спроектированы без учета нормативов по охлаждению ИТ-оборудования. Со временем удельная мощность распределенного ИТ-оборудования растет, и в результате маршрутизаторы VoIP, коммутаторы и серверы часто перегреваются или преждевременно выходят из строя из-за недостаточного охлаждения.

Все больше и больше пользователей требуют упреждающих действий для обеспечения доступности распределенного ИТ-оборудования. Цель этой статьи - рассмотреть основные принципы охлаждения небольших, распределенных ИТ-сред, и предоставить руководство по созданию спецификаций и проектированию систем охлаждения.

Диапазон рабочих температур коммутационных узлов

Для создания спецификации решения для охлаждения коммутационного узла необходимо сначала определить его рабочую температуру. Производители ИТ-оборудования обычно указывают максимальную температуру, при которой могут работать их устройства. Для активного ИТ-оборудования, помещаемого обычно в коммутационный узел, максимальная температура, при которой производитель гарантирует производительность и надежность работы в указанный гарантийный период, составляет 40°C. Важно понимать, что эксплуатация оборудования при максимальной температуре, как

правило, снижает его доступность и срок службы, по сравнению с эксплуатацией при более низких температурах. По этой причине некоторые производители публикуют также рекомендуемые рабочие температуры для своего оборудования. Типичный температурный диапазон для ИТ-оборудования составляет 21-24°C.

Кроме того, Американское общество инженеров по нагреву, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) TC 9.9 публикует рекомендуемые и допустимые температуры эксплуатации ИТ-оборудования: 20-25°C и 15-32°C соответственно.

Конечной целью всегда должно быть поддержание температур не выше 25°C. Если это невозможно, то температура для менее важных узлов должна быть ниже максимально допустимой - 32°C. Температур выше 32°C следует избегать для уменьшения риска сбоев оборудования. Это также максимальная температура, которую Управление по охране труда и безопасности на производстве (OSHA) и Международная организация по стандартизации (ISO) считают допустимой для небольших рабочих нагрузок.

К рабочим средам узлов, где размещены ИБП, требуется более внимательный подход. Увеличение температуры оказывает гораздо большее влияние на срок службы аккумуляторов, чем на другие виды ИТ-оборудования. Ожидаемый срок работы обычной батареи ИБП при 40°C составляет не более 1,5 лет по сравнению с обычными 3-5 годами в нормальных условиях эксплуатации. Рабочая температура ниже 25°C считается обязательной. В противном случае следует предусмотреть централизованную защиту всех коммутацион-

/ пп

КАЧЕСТВО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА

ч □□

ч

ных узлов с помощью ИБП, расположенных за пределами узлов в месте с достаточным охлаждением.

Основной принцип отвода тепла

Каждый киловатт энергии, используемой ИТ-оборудованием, создает киловатт тепловой энергии, которую нужно отвести. Тепло можно рассматривать как субстанцию, текущую «вниз». Оно передается от объекта с более высокой температурой к объекту или среде с более низкой температурой. Для того чтобы его отвести, ему нужно создать русло для течения в более холодное место. Во многих существующих средах такая возможность отсутствует. Тепло может покинуть небольшое ограниченное пространство пятью различными путями.

1. Теплопроводность: тепло может проходить через стены.

2. Пассивная вентиляция: тепло может уходить через отверстие или решетку вентиляции без устройства для движения воздуха.

3. Вентиляция с помощью вентиляторов: отверстие или решетка вентиляции оснащаются устройством для движения воздуха.

4. Офисное кондиционирование воздуха: тепло может удаляться системой кондиционирования здания.

5. Выделенное охлаждение: тепло может удаляться специально выделенным для этого кондиционером.

Перечисленные способы различаются по производительности, имеющимся ограничениям и стоимости. Пользователь должен понимать, какой метод используется или предлагается для данного места установки оборудования, какой метод является наиболее подходящим с учетом ограничений и предпочтений, как сформулировать требования к проекту. Рис. 1 иллюстрирует стратегию охлаждения на основе потребляемой помещением мощности и целевой температуры помещения. Эти пределы не должны рассматриваться как абсолютные, поскольку стратегии перекрываются и окончательный проект должен принимать во внимание все переменные, влияющие на охлаждение. Офисное кондиционирование не включено в эту диаграмму, поскольку оно слишком изменчиво и непредсказуемо.

Для упрощения выбора наиболее подходящего способа с учетом множества переменных на рис. 2 приведена блок-схема принятия решений (офисное кондиционирование не рассматривается).

110 - ¡Г Г- юо -2. 1 -с 1 \//ф^

* »0 - 77 ^ 25°с

• с о ^ 70- ! ВЫДЕЛЕННОЕ / • ОХЛАЖДЕНИЕ / :

1 / 1 1 1 1 1 0 500 /1000 1500 7000 2500 1000 3600 4000 4600 5000

Примвр / Нагрузка ИТ-оборудовамии (Вт)

1500 Вт по попадают ■ ддаряяааамы« при 25 *С (77 Т). I диапазон «с помощью аомтипитора»

Рис. 1 Руководство по методам охлаждения на

основе мощности нагрузки и целевой температу -

ры в помещении

Пять способов охлаждения коммутационных узлов

Рассмотрим каждый из методов охлаждения узлов, чтобы понять их производительность и ограничения.

Рис. 2. Выбор способа охлаждения для поддержания рекомендуемого ЛБИРЛЕ диапазона температур 20-25°С

-л ''

за *

АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА 333 КАЧЕСТВО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ

за .♦**

Рис. 3. Температура в узле в зависимости от нагрузки ИТ-оборудования: эффективность

теплопроводности

Рис. 4. Влияние размеров узла на эффективность охлаждения за счет теплопроводности

Теплопроводность

Если узел практически герметичен, как многие из аппаратных помещений, то теплопроводность через стены - это единственный путь для отвода тепла. Чтобы этот способ работал, температура воздуха в узле должна превышать температуру по другую сторону стен. На практике это означает, что узел всегда будет горячее окружающего воздуха в здании, и степень роста температуры будет повышаться с увеличением мощности ИТ-оборудования. Пример соотношения между средней температурой в узле с хорошим перемешиванием воздуха и ИТ-нагрузкой приведен на рис. 3.

Вышеприведенное соотношение подразумевает практически герметичное помещение 3x3x3 м с утечкой воздуха лишь 23,6 литра в секунду, покрытие всех четырех стен панелями из гипсокартона и их расположение напротив хорошо охлаждаемых помещений с температурой 20°С. Такой типичный узел может поддерживать до 400 Вт ИТ-нагрузки при температуре ниже 25°С и до 1000 Вт при температуре до 32°С. Однако узлы различны по размеру, конструкционным материалам и подвержены действию разных факторов, влияющих на это соотношение, что в конечном итоге ограничивает использование данного метода (см. таблицу).

Наиболее очевидным фактором является размер помещения. Чем больше помещение, тем выше его способность рассеивать тепло, так как больше площадь поверхности стен, потолка и пола, борот (рис. 4).

Материал, используемый для стен, потолка и пола, также дает похожее отклонение соотношения между температурой и нагрузкой, поскольку способность разных материалов передавать тепло различна. Если заменить стены из гипсокартона и потолок из звукопоглощающих плит в вышеприведенном при-

мере на стены и потолок по 10 см из бетонных блоков, то эффективность охлаждения повысится (рис. 5). Нередко на эффективность охлаждения за счет теплопроводности влияет увеличение температуры в здании из-за изменения режима охлаждения в выходные дни. В нашем примере, когда кондиционирование в здании в выходные дни устанавливается на 29°С вместо 20°С, можно ожидать такого же увеличения на 9°С в узле. Это означает, что узел, где требуется температура не выше 25°С, не сможет поддерживать какую-либо нагрузку, а узел, в котором допускается температура не выше 32°С, сможет поддерживать только 250 Вт.

Другое ограничение этого метода охлаждения возникает в случае, когда одна из стен узла является внешней стеной здания. Тогда температура в узле будет зависеть от наружной температуры, на которую влияют как температура окружающей среды снаружи, так и нагрев солнечными лучами. Для нашего типичного узла размером 3x3x3 м можно ожидать роста температуры на 4-7°С, если внешняя температура равна 38°С и солнечное освещение составляет 1000 Вт/м2. Герметичные помещения могут отличаться по эффективности охлаждения за счет теплопроводности из-за размера, конструкции и прилегающей среды. В общем случае теплопроводность как единственный путь охлаждения рекомендуется использовать для ответственных узлов при нагрузке внутри

узла менее 400 Вт, учитывая другие упомянутые факторы, влияющие на эффективность. Аналогично для менее отводящих тепло, и нао- важных узлов теплопроводность следует использовать

Факторы, влияющие на температуру узла, в зависимости от нагрузки и ожидаемых последствий

Фактор Ожидаемое влияние на температуру узла

Размера помещения Температура растет с уменьшением размеров помещения

Материал стен, потолка, пола Температура растет с увеличением теплового сопротивления материала

Отключение кондиционеров по ночам или выходным Рост температуры кондиционированного воздуха в здании на один градус повышает температуру в узле на ту же величину

Одна из стен выходит на солнечную сторону или наружу Температура растет с увеличением площади стены, подвергающейся воздействию наружной температуры и солнечного света

/ пп

КАЧЕСТВО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА

ч □□

ч

только при нагрузке в узле менее 1000 Вт. Это ограничивает применение метода теплопроводности, пригодного только для маломощных ИТ-устройств (например, небольших наращиваемых сетевых коммутаторов). Кроме того, добавление другого источника тепла (например, лампочки) дает значимую прибавку к такому уровню мощности. Вот почему освещение узла должно быть маломощным, энергоэффективным, автоматически отключаться при закрытой двери или отсутствовать вообще.

Пассивная вентиляция и вентиляция с помощью вентиляторов

Вентиляция с отводом воздуха в окружающую здание среду может быть пассивной, с использованием соответствующим образом размещенных отверстий, или принудительной, с применением вентилятора. Основной принцип состоит в том, чтобы не дать температуре воздуха в узле стать значительно выше температуры окружающей среды здания. Рост температуры вентилируемого узла как функция мощности ИТ-нагрузки приведена на рис. 6. Кривая пассивной вентиляции основана на добавлении дополнительных отверстий.

Вентиляция с применением вентилятора обеспечивает более медленный рост температуры, чем пассивная вентиляция. Кривая вентиляции с использованием вентилятора предполагает воздушный поток 226,5 литров в секунду. Рост температуры будет уменьшаться с увеличением воздушного потока (достигаемого с помощью системы вентиляторов большей емкости или добавлением дополнительных систем вентиляторов). При уровнях мощности до 700 Вт пассивная вентиляция эффективна для ответственных узлов. При уровнях мощности от 700 до 2000 Вт для ответственных узлов пригодна вентиляция с помощью вентилятора. Поддержка более высоких уровней мощности достигается за счет использования более емких вентиляторов или блоков из нескольких вентиляторов. Аналогично для менее важных узлов пассивная вентиляция эффективна до 1750 Вт, а вентиляция с помощью вентилятора эффективна при мощностях от 1750 до 4500 Вт.

Офисное кондиционирование воздуха

Многие здания имеют системы кондиционирования воздуха или комбинированные системы кондиционирования и отопления для создания комфортных условий для работников. Обычно они оснащены системой воздуховодов. Представляется привлекательной возможность использовать эту систему путем установки дополнительных каналов к коммутационным узлам. Однако простое добавление каналов редко решает проблему охлаждения узлов, а зачастую усугубляет ее.

Офисные системы кондиционирования периодически включаются и выключаются. Обычный механизм управления - термостат, расположенный вне узла. Для небольшого пространства, такого как телекомуникаци-онный узел с ИТ-устройствами, это означает, что температура будет уменьшаться, когда система включена, и расти - когда выключена. Это приводит к значительным колебаниям температуры, которые оказывают большую нагрузку на ИТ-оборудование, чем условия с более высокой постоянной температурой.

Более того, при офисном кондиционировании часто практикуется подъем заданной температуры по ночам в течение рабочей недели и в выходные с целью экономии электроэнергии. Некоторые кондиционеры отключаются полностью. Если коммутационный узел является частью большей зоны, то средняя температура в нем будет возрастать на величину подъема задаваемой температуры. При простом добавлении каналов приходится выбирать между потерями электроэнергии по ночам и в выходные или еще большим увеличением колебаний температуры в коммутационном узле.

Чтобы система кондиционирования здания могла охлаждать коммутационный узел, его нужно сделать выделенной зоной со своими впускными и выпускными каналами, оконечными устройствами (например, фанкойлами и системой с переменным расходом воздуха УДУ) и элементами управления (термостатами), а это непрактично.

Имеются следующие сложности при добавлении вы-

Рис. 5. Влияние конструкционных материалов неэффективность охлаждения за счет теплопроводности

Рис. 6. Зависимость температуры в узле от ИТ-нагрузки - пассивная вентиляция и вентиляция с помощью вентиляторов

-л ''

S3 »

АСПЕКТЫ КАЧЕСТВА ВВЕ КАЧЕСТВО ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ

за

^ достижение нужной величины и постоянства статического давления во входном канале, обслуживающем VAV-модуль, особенно в жаркие дни, когда система кондиционирования здания работает с наибольшей нагрузкой;

^ низкая плотность мощности - большинство офисных систем кондиционирования рассчитаны на отвод 4354 Вт/м2 тепла, что соответствует 150 Вт на стойку; ^ отсутствие масштабируемости;

^ высокая стоимость реализации.

В дополнение к этому центральная система кондиционирования также является частью основной или вспомогательной системы отопления. В таких ситуациях воздуховод, установленный для охлаждения узла, будет подводить тепло в пространство узла в зимние месяцы, что всегда нежелательно. Подключение к системе кондиционирования воздуха в здании для охлаждения ИТ-узлов в общем случае неуместно. Если воздуховоды уже имеются, то их нужно убрать или закрыть, а затем заменить или дополнить систему другими подходами.

Выделенное охлаждение

Выделенная система кондиционирования воздуха - наиболее эффективный способ управления температурой в узле, однако он намного дороже и сложнее пассивной вентиляции или вентиляции с помощью вентиляторов. Выделенное оборудование кондиционирования рекомендуется, когда мощность в узле превышает 2000 Вт для ответственных узлов или 4500 Вт для менее важныхузлов. При определении мощности важно обратить внимание на подробные спецификации ИТ-производителя и установить мощность конкретной конфигурации ИТ-оборудования.

Обычно реальное потребление энергии конкретным оборудованием намного ниже «табличной» мощности, указанной на задней панели, и правильное ее определение может значительно снизить затраты и сложность решения для охлаждения. Например, настраиваемые маршрутизаторы с заявленной на задней панели мощностью 5-6 кВт потребляют только 1-2 кВт в обычных пользовательских конфигурациях. В данном случае при правильном определении мощности необходимость установки кондиционера отпадет.

Существуют случаи, когда выделенный кондиционер уместен, даже если вентиляция выглядит технически приемлемой

альтернативой. Примерами могут служить следующие случаи:

^ воздух в вентиляции вне узла содержит значительное количество пыли или других загрязнений;

^ температура воздуха в вентиляции вне помещения подвержена сильным колебаниям;

^ практические ограничения, например, аренда или требования к внешнему виду, не позволяющие добавлять вентиляционные каналы.

В таких случаях вентиляция, использующая воздух из окружающей среды здания, не является доступной альтернативой, и единственный практический подход - применение оборудования для выделенного кондиционирования. Существует несколько вариантов оборудования для кондиционирования воздуха в коммутационном узле или небольшом помещении. Выбор подходящего типа выделенного кондиционера для данной установки узла в основном определяется ограничениями здания и может быть осуществлен с помощью простой блок-схемы (рис. 7). ■

По материалам компании Schneider Electric

НЕТ приточная в

---- с достаточной мощностью

системы

НЕТ

Имеется ли

НЕТ

■ пределах 30 и (100 футов) от помещения?

ДА

ДА

и удаленным конденсором А ^ (с установкой на потолок. J ■ ряду с too« или на полу)

Охлаждение гликолем (с установкой на потолок, ■ ряду стоек или на полу) с и насосом в

•ем I

Кондиционер, устанавливаемый Кондиционер.

устанавливаемый в ряд стоек

Рис. 7. Выбор выделенного кондиционера