Wiele systemów komputerowych zwalnia pracę, gdy temperatura w pomieszczeniu wzrasta, a zbyt wysoka temperatura grozi nawet utratą danych.
Centra przetwarzania danych – wprowadzenie
Centra przetwarzania danych (ang. data center, DC) to oddzielne budynki lub pomieszczenia informatyczne w budynkach. Znajdujące się w nich serwery są sprzętem komputerowym wykorzystywanym do obliczeń, przetwarzania danych i przesyłania ich w obrębie sieci. Centra przetwarzania danych odpowiadają za sterowanie wieloma aspektami codziennego życia – począwszy od energii, oświetlenia i telekomunikacji, a skończywszy na transporcie, służbie zdrowia i systemach bezpieczeństwa.
Obecnie centra przetwarzania danych szybko ewoluują, aby nadążyć za coraz większymi wymaganiami, co skutkuje wzrostem liczby serwerów.
Ogólnoświatowe dążenie do energooszczędności sprawia, że konieczne staje się wdrażanie takich strategii dla centrów przetwarzania danych, które umożliwiają zmniejszenie zużycia energii bez negatywnego wpływu na ich funkcjonowanie. Przerwy w działaniu centrów przetwarzania danych mogłyby bowiem mieć bardzo poważne konsekwencje.
Fot. 1 Serwerownia w banku Intesa Sanpaolo w Parmie
Aby centrum przetwarzania danych mogło dobrze funkcjonować, wymaga stabilnego i wydajnego zasilania oraz specjalistycznego chłodzenia w celu zniwelowania obciążenia cieplnego związanego z procesami obliczeniowymi. Miejscowe przegrzewanie i niewystarczające chłodzenie mogą skutkować kosztownymi przerwami w pracy. Zasilanie i chłodzenie to bardzo ważne aspekty infrastruktury centrów przetwarzania danych.
W porównaniu z innymi obiektami komercyjnymi, takimi jak centra handlowe czy budynki biurowe, centrom przetwarzania danych stawiane są wyższe wymagania dotyczące zarządzania ciepłem, przepływem powietrza oraz sterowania jego parametrami – wilgotnością czy temperaturą. W celu zapewnienia poprawnej pracy urządzeń serwerowych należy stosować niezawodne, wydajne i sprawne systemy wentylacji i klimatyzacji.
O znaczącej roli chłodzenia w centrach przetwarzania danych świadczy m.in. to, że:
– systemy chłodzenia odpowiadają za około 30% czasu przestoju centrów przetwarzania danych1;
– chłodzenie w konwencjonalnych centrach przetwarzania danych odpowiada za zużycie od 35 aż do 50% energii2.
Fot. 2 Kontroler automatyki budynku
Coraz większe wymagania w zakresie sieciowych aplikacji biznesowych, przetwarzania w chmurze, Internetu i przechowywania danych sprawiają, że liczba serwerów w rozbudowywanych i nowo budowanych centrach danych rośnie. Obciążenie cieplne w pomieszczeniach z serwerami obecnie jest wysokie, toteż kluczowym wymaganiem jest zapewnienie wystarczającej mocy chłodniczej i odpowiednie zarządzanie temperaturą pomieszczenia.
Z badań wynika, że ogromne zużycie energii, wymagane w celu obsługi i chłodzenia centrów przetwarzania danych, odpowiada obecnie za niemal jedną czwartą globalnej emisji dwutlenku węgla w sektorze technologii informacyjnych i telekomunikacyjnych3.
Wymagania w zakresie centrów przetwarzania danych
Każde centrum przetwarzania danych jest tworzone w celu zaspokojenia określonych potrzeb. Infrastruktura wspomagająca również musi zostać zaprojektowana z myślą o potrzebach operacyjnych danego centrum (zapotrzebowaniu na moc chłodniczą oraz odpowiednią ilość powietrza, aby odebrać ciepło z serwerów).
W przeciwieństwie do systemów klimatyzacji w budynkach biurowych miejscowe przegrzewanie i niewystarczające chłodzenie w centrach przetwarzania danych mogą skutkować awariami serwerów, które z kolei spowodują kosztowne przerwy w pracy. Z tego względu niezawodność systemów chłodzenia w środowisku centrum przetwarzania danych jest bardzo ważna.
Zapewnienie tej niezawodności należy rozpocząć od dostarczenia wysokiej jakości elementów systemu chłodzenia i zaprojektowania całego systemu, wentylacji i klimatyzacji. Następnie trzeba się zająć zapewnieniem stałej sprawności operacyjnej. Podstawowe elementy infrastruktury chłodzenia centrum przetwarzania danych to agregaty chłodnicze, urządzenia odpowiadające za klimatyzację pomieszczeń oraz nawilżacze powietrza. Szczelność serwerowni decyduje o tym, jakie jest całkowite obciążenie cieplne, a także o potrzebie instalacji nawilżacza powietrza.
Fot. 3 System chłodzenia adiabatycznego TraneCare™ zainstalowany na agregatach chłodniczych chłodzonych powietrzem
Technologie serwerowe rozwijają się w bardzo szybkim tempie. Przeciętny okres życia serwera wynosi obecnie od trzech do pięciu lat. Z kolei przewidywany okres życia infrastruktury nieinformatycznej wynosi co najmniej 15–20 lat.
Aby zapewnić prawidłowe funkcjonowanie serwerów, temperatura powietrza wewnątrz pomieszczenia powinna utrzymywać się na poziomie 22–24°C. W tym celu temperatura wody lodowej w agregacie chłodniczym musi wynosić około 10–12°C. Badania przeprowadzone przez organizację American Society of Heating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) dowodzą, że obecnie większość serwerów jest odporna na temperaturę otoczenia do 30°C.
Biorąc pod uwagę, że nowe serwery mogą funkcjonować przy temperaturze otoczenia wynoszącej 26°C, temperatura wody w agregacie chłodniczym może wynosić nawet 15°C. Wraz z zastępowaniem starych serwerów nowymi i zwykle bardziej wydajnymi serwerami w większości centrów przetwarzania danych zazwyczaj nie zmienia się ustawień systemu chłodzenia w celu dostosowania do nowej infrastruktury serwerowej. Przez podwyższenie temperatury powietrza z 22°C do 26°C, a tym samym temperatury wody o 3–5°C, można obniżyć zużycie energii przez agregaty chłodnicze co najmniej o 5% bez wpływu na wydajność urządzeń odpowiadających za klimatyzację.
Zapewnianie dostępności centrum przetwarzania danych
W przypadku wielu centrów przetwarzania danych chłodzenie odpowiada średnio za 40–45% całkowitych kosztów operacyjnych.
Zasadnicze znaczenie ma wybór sprzętu, za pomocą którego odbierane jest ciepło od serwerów (agregaty wody lodowej wraz z niezbędną armaturą kontrolno-pomiarową, jak i centrale wentylacyjne wraz z osprzętem). Sprzęt ten powinien mieć największą efektywność energetyczną – zwykle bowiem centra danych działają bez przerwy (24 godziny na dobę, 365 dni w roku).
Stosowanie chłodzenia mechanicznego (sprężarek) można zminimalizować poprzez konstrukcję systemu pozwalającą maksymalnie wykorzystać free-cooling, gdy temperatura na zewnątrz na to pozwala. Najlepiej sprawdza się w tej roli system wentylacji i klimatyzacji, który wykorzystuje suche chłodnice wentylatorowe (dry cooler) w obrębie systemu agregatów chłodniczych.
Fot. 4 System zarządzania maszynownią chłodu
Free-cooling sprawdza się, gdy temperatura na zewnątrz jest niższa od temperatury wody powrotnej z układu chłodzenia, co często ma miejsce, ponieważ centra przetwarzania danych działają przez cały rok. W zależności od lokalizacji geograficznej centrum przetwarzania danych wysoce wydajny system chłodzenia swobodnego (free-cooling) może poprawić efektywność energetyczną nawet o 50–60% w skali roku.
W centrach przetwarzania danych mogą być też stosowane systemy oparte na agregatach chłodniczych i centralach wentylacyjnych. W tego typu systemach wykorzystywany jest ekonomizer, który pozwala zminimalizować użycie chłodzenia mechanicznego. Specjalne sterowanie minimalizuje użycie świeżego powietrza, gdy temperatura na zewnątrz jest wysoka, a wykorzystuje odpowiednie ilości powietrza z zewnątrz, gdy temperatura na zewnątrz jest niska. Taki system pozwala zwiększyć efektywność chłodzenia nawet o 60–70%.
Warto dodać, że cząstki pyłu, które znajdują się w doprowadzanym z zewnątrz powietrzu, mogą powodować poważne problemy w centrum przetwarzania danych, więc między systemem prowadzącym powietrze powrotne a doprowadzającym powietrze zewnętrzne można zastosować krzyżowy lub obrotowy wymiennik ciepła. Dzięki temu cząstki pyłu nie będą przedostawać się do środka, a energia nadal będzie odzyskiwana (w stopniu zależnym od temperatury powietrza).
Zwiększenie sprawności operacyjnej
Kolejną ważną czynnością, która pozwala natychmiast zwiększyć sprawność energetyczną i operacyjną infrastruktury, jest zaprojektowanie systemu chłodzenia z wykorzystaniem zaawansowanych technologii sterowania. System sterowania agregatami chłodniczymi umożliwia zaplanowanie ich działania, a także pozwala osobom zarządzającym centrum przetwarzania danych w proaktywny sposób dostosować system zaopatrzenia w wodę lodową niezbędną w procesie chłodzenia do obciążenia centrum.
Kolejnym krokiem powinno być wprowadzenie systemu zarządzania budynkiem (BMS) w celu zarządzania wieloma obiektami i ich infrastrukturą z jednego miejsca. Centra przetwarzania danych mierzą efektywność energetyczną infrastruktury za pomocą takich mierników, jak efektywność zużycia energii (PUE) oraz efektywność systemów, wentylacji i klimatyzacji. Dzięki systemowi BMS właściciele i operatorzy centrów przetwarzania danych mogą dokonywać pomiarów i zarządzać obiektami z wykorzystaniem uznanych w branży mierników wydajności.
Ze względu na skomplikowane aplikacje programowe zarządzające systemami produkcji wody lodowej oraz wentylacji zaleca się korzystanie z usług jednego dostawcy, który dobrze zna konstrukcję i działanie systemu BMS oraz poszczególnych elementów wykonawczych systemu (centrale i agregaty wody lodowej).
Podczas gdy efektywne rozwiązania konstrukcyjne i niezawodne systemy chłodzenia zapewniają sprawne działanie serwerów, skuteczne strategie zarządzania systemem pozwalają minimalizować czas niezaplanowanych przestojów, a tym samym stale poprawiać wydajność, aby osiągnąć optymalną efektywność energetyczną i zidentyfikować potencjalne oszczędności.
Badanie przeprowadzone przez Ponemon Institute pokazało, że systemy chłodzenia odpowiadają za około 30% czasu przestoju w centrach danych (awarie związane z niewydolnym chłodzeniem)4. Właściwa konserwacja, uwzględniająca monitorowanie obiektu, oraz planowane przeglądy inspekcyjne i serwisowe pozwalają zmniejszyć współczynnik awaryjności systemu. Plany obsługi technicznej systemów wentylacji i klimatyzacji oraz systemów chłodzenia uwzględniają regularną konserwację i systematyczne sposoby przedłużania cyklu życia sprzętu. Strategie monitorowania obiektu przez ekspertów technicznych pomagają monitorować stan sprzętu, zarządzać krytycznymi alarmami i awariami. Proaktywne zarządzanie obejmuje: identyfikowanie alarmów, łagodzenie skutków zdarzeń oraz działania naprawcze mające na celu wyeliminowanie czasu przestoju.
Seetha Sasikala
Zdjęcia: Trane
1Źródło: Ponemon Institute – National Survey on Data Center Outages, 30 września 2010: http://img.en25.com/Web/LiebertCorporation/national_survey_on_data_center_outages.pdf
2Źródło: Gartner Inc., http://www.gartner.com/newsroom/id/799812
3Źródło: Gartner Inc., http://news.cnet.com/Gartner-urges-action-on-data-center-emissions/2100-1022_3-6212965.html
4Źródło: Ponemon Institute – National Survey on Data Center Outages, 30 września 2010: http://img.en25.com/Web/LiebertCorporation/national_survey_on_data_center_outages.pdf
