دانلود رایگان مقاله حالات صرفه جویی سیستم های خنک سازی مرکز داده

خلاصه اجرایی

       در اقلیم های خاص، برخی سیستم های خنک کننده با فعالیت در حالت صرفه جویی می توانند بیش از 70 درصد در هزینه های سالانه انرژی صرفه جویی کنند، که برابر با بیش از 15 درصد کاهش در PUE سالانه است. اما، حداقل 17 نوع متفاوت حالت صرفه جویی با تعاریف صنعتی غیردقیق وجود دارند که مقایسه، انتخاب یا تعیین آنها را سخت می کند. این مقاله، اصطلاحات و تعاریفی برای انواع مختلف حالات صرفه جویی فراهم می کند و عملکرد آنها را در برابر ویژگی های مرکز داده اصلی مقایسه می کند. 

مقدمه 

        افزایش هزینه های انرژی و انگیزه سبز بودن، تقاضای بیشتری برای حفظ انرژی ایجاد کرده است. ظرفیت صرفه جویی در انرژی در حالت صرفه جویی در اقلیم های خاص، استفاده از آن را در محیط های IT جذاب کرده است. فعالیت در حالت صرفه جویی، با استفاده از هوای بیرون طی ماه های سردتر سال باعث صرفه جویی در انرژی میشود که به اجزای خنک سازی مبتنی بر مبرد، مانند چیلر و کمپرسور اجازه می¬دهد خاموش شوند یا با ظرفیت کمتر کار کنند. تا این اواخر، فعالیت در حالت صرفه جویی، گزینه یا حالت دوم عملیات درنظر گرفته می شد، ولی اکنون تبدیل به الزامی شده است که باید اهداف کارآمدی تعیین شده توسط اپراتورهای مرکز داده و یا استانداردهایی مانند ANSI/ASHAE Standard 90.1-2010، استاندارد انرژی برای ساختمان ها به جز ساختمان های مسکونی کم ارتفاع، را محقق کند. اپراتورهای مرکز داده در برخی اقلیم ها متوجه شدند که سیستم های خنک سازی می توانند از ابتدا در حالت صرفه جویی کار کنند که به حالات مبتنی بر مبرد (یعنی خنک سازی مکانیکی) اجازه می دهند به عنوان حالت دوم عملیات یا پشتیبانی کار کنند. 

        اگرچه مفهوم صرفه جویی در کل صنعت مرکز داده مشخص است، ولی کار کمی برای استانداردسازی اصطلاحات و تعاریف انجام شده است که باعث سردرگمی می شود. منبع اصلی سردرگمی در استفاده از عبارت صرفه جویی برای توصیف جزئی در سیستم خنک سازی یا یک زیرمجموعه از سیستم خنک سازی است. صرفه جویی، یک شیء نیست، بلکه حالت عملیات است. 

        در بالاترین سطح، سیستم خنک سازی می تواند از هوا، آب یا خنک کننده برای انتقال انرژی گرمایی از درون مرکز داده به بیرون استفاده کند. عبارت صرفه جویی هوایی و صرفه جویی آبی، اغلب برای توصیف سیستم های خنک سازی با حالت صرفه جویی یکپارچه به کار می روند. به دلیل نبود تعاریف استاندارد دیگر، این مقاله اصطلاحات . تعاریفی برای انواع مختلف حالات صرفه جویی پیشنهاد می کند که از آب یا هوا برای انتقال انرژی گرمایی به بیرون استفاده می کند. عملیات هر نوع حالت صرفه جویی توصیف می شود، و شش نوع به عنوان مفیدترین موارد برای مراکز داده تعیین می شوند. سپس این شش نوع حالات صرفه جویی در ویژگی های مختلف مقایسه می شوند. 

        این مقاله فرض می کند خواننده دانش کلی درباره انواع مختلف سیستم های رد گرمایی دارد. برای درک بهتر اجزای خنک سازی انواع مختلف سیستم های رد گرمایی، مقاله 59، انواع متفاوت تجهیزات تهویه هوای برای محیط های IT، را ببینید. 

هدف و کارکرد حالات صرفه جویی 

         دستگاه ها و فناوری های خنک سازی بسیاری وجود دارد که برای خنک سازی مراکز داده به کار می روند. اما، همه این سیستم ها از برخی یا همه چهار جزء اصلی زیر استفاده می کنند: 

- انتقال گرما: پنکه ها یا پمپ ها، سیال متحرک (مانند هوا یا آب)، که انرژی گرمایی را از مرکز داده به محیط بیرون حرکت می دهد. 

- تبادل گرما: کویل ها یا دریچه ها که انرژی گرمایی را از یک جریان گرمایی به جریان بعدی جابه جا می‌کنند. در همه موارد، تبادل گرمایی نهایی با محیط بیرون وجود دارد. 

- کمپرسور: سیستمی که از خنک کننده کم فشار و پرفشار برای وارد کردن انرژی گرمایی به جریان سربالایی از منطقه سرد (مرکز داده) به منطقه گرم (فضای بیرون در تابستان) استفاده می کند. خنک کننده پرفشار فشرده شده، در دمایی بسیار بالاتر از دمای بیرون است. این افزایش دما به گرمای درون مرکز داده اجازه می دهد به محیط بیرون حرکت کند. 

- کمک تبخیری: برج های خنک کننده، فیلترهای مرطوب یا اسپری هایی که آب را تبخیر می کنند تا انتقال گرما به محیط بیرون تسهیل شود. 

         مرکز داده خنک شده با آب، از همه این اجزا برای خنک سازی مرکز داده استفاده می کند. انتقال گرما و کمپرسور، در فراهم کردن هوای خنک، انرژی الکتریکی مصرف می کنند و کمک تبخیری، آب مصرف می‌کند. 

خنک سازی رایگان 

         حالات صرفه جویی گاهی خنک سازی رایگان نامیده می شود. اگرچه این عبارت برای توصیف هدف کلی حالات صرفه جویی مفید است، ولی باید به این نکته اشاره کرد. حالت صرفه جویی، کمپرسور در دستگاه خنک سازی را به صورت ناقص یا کامل، متوقف می کند. بیشتر سیستم هایی که از حالات صرفه جویی استفاده می‌کنند، بیشتر وقت خود را در حالت توقف ناقص صرف می کنند، بنابراین بخشی از انرژی خنک سازی ذخیره می شود، ولی خنک سازی رایگان نیست. به علاوه، حتی وقتی حالت صرفه جویی در توقف کامل کمپرسور کار می کند، هنوز انرژی بسیاری در انتقال گرما با پنکه ها یا پمپ ها، و احتمالا در سایر کارکردها مانند ایجاد رطوبت*، به کار می رود. حتی در این حالت صرفه جویی کامل، خنک سازی رایگان نیست. 

* در حداقل یک طراحی، انتقال گرمای Yahoo chicken coop، با استفاده از طراحی ساختمان خاص، همرفت طبیعی را به کار می برد تا نیاز به پنکه های انتقال گرما را کاهش دهد یا از بین ببرد.

         سیستم خنک سازی باید برای کار در بدترین شرایط، یعنی بار کامل مرکز داده و دمای بیرونی زیاد، طراحی شود. در بارهای کمتر مرکز داده و دمای بیرونی کم، سیستم باید کار کمتری برای خنک سازی مرکز داده انجام دهد. متاسفانه، دستگاه های مختلف در مجموعه خنک سازی، کمتر از ظرفیت خود به کار می روند. در این شرایط بازده عملیاتی ندارند. برای افزایش بازده تحت این شرایط، دستگاه های خنک سازی بهبود یافته اند تا محرک های سرعت مختلف، مرحله بندی و سایر کارکردها را دربربگیرند. با این حال، هنوز توان بسیاری لازم دارند. برای کمک به کاهش توان به کار رفته در طی شرایط مطلوب بار کم مرکز داده و دمای بیرونی کمتر، حالات صرفه جویی ایجاد شده اند. 

        در حالت صرفه جویی، کارکرد کمپرسور، به صورت کامل یا ناقص، متوقف می شود که مصرف انرژی آن را حذف می کند یا کاهش می دهد. وقتی دمای بیرونی بیشتر از دمای مرکز داده است، کمپرسور برای حرکت دادن انرژی در مرکز داده به محیط بیرون استفاده می شود. اما وقتی دما بیرون کمتر از دمای مرکز داده است، گرما بدون نیاز به افزایش دمای فراهم شده توسط کمپرسور، به بیرون حرکت می کند، بنابراین کارکرد آن غیرضروری است. بنابراین، تحت شرایط مطلوب، می توان کمپرسور را متوقف کرد، که انرژی بسیاری ذخیره می کند. به علاوه، برای سیستم هایی که از کمک تبخیری استفاده می کنند، اگر شرایط مطلوب باشند، می توان این کارکرد را خاموش یا متوقف کرد، که در آب صرفه جویی می کند. 

 Executive summary

         In certain climates, some cooling systems can save over 70% in annual cooling energy costs by operating in economizer mode, corresponding to over 15% reduction in annualized PUE. However, there are at least 17 different types of economizer modes with imprecise industry definitions making it difficult to compare, select, or specify them. This paper provides terminology and definitions for the various types of economizer modes and compares their performance against key data center attributes.

Introduction

         The rising costs of energy and the drive to be green are resulting in greater demand to conserve energy. The energy savings potential of operating in economizer mode in certain climates makes it attractive for use in IT environments. Operating in economizer mode saves energy by utilizing outdoor air during colder months of the year allowing refrigerant-based cooling components like chillers and compressors to be shut off or operated at a reduced capacity. Up until recently, operating in economizer mode was considered an option or a secondary mode of operation but is now becoming a requirement to meet efficiency targets set by data center operators and / or standards such as ANSI/ASHRAE Standard 90.1-2010, Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings. Data center operators in some climates are finding that cooling systems can operate primarily in economizer mode allowing the refrigerant-based modes (i.e. mechanical cooling) to serve as the secondary mode of operation or backup.

         Although the concept of economizer mode is recognized throughout the data center industry, little has been done to standardize the terminology and its definitions leading to confusion. A significant source of confusion lies in the use of the term “economizer” to describe a component within a cooling system or a subset of a cooling system. An “economizer” is NOT an object; it IS a mode of operation.

        At the highest level, a cooling system can use air, water, or refrigerant to transport heat energy from inside the data center to the outdoors. The terms “air-side economizer” and “water-side economizer” are often used to describe cooling systems with an integrated economizer mode. Lacking other standard definitions, this paper proposes terminology and definitions for the various types of economizer modes that use air or water to transport heat energy to the outdoors. The operation of each type of economizer mode is described, with six types identified as the most beneficial for data centers. These six types of economizer modes are then compared across multiple attributes.

        This paper assumes the reader has a basic knowledge of the various types of heat rejection systems. For a better understanding of cooling components of various types of heat rejection systems see White Paper 59, The Different Types of Air Conditioning Equipment for IT Environments. 

Purpose and function of economizer modes

         There are many different devices and cooling technologies used to cool data centers. However, all of these systems use some or all of the following four basic elements:

• Heat transport: fans and / or pumps, moving fluid (such as air or water), that moves heat energy from the data center to the outdoor environment.

• Heat exchange: coils or vents that “hand-off” heat energy from one heat stream to the next. In all cases, there is a final heat exchange to the outdoor environment.

• Compressor: system that uses high and low pressure refrigerant, to force heat energy to flow “uphill” from a cold area (data center) to a hot area (outdoors in summer). The compressed high-pressure refrigerant is at a temperature much higher than the outdoor temperature. This “temperature boost” is what allows heat in the data center to flow to the outdoor environment.

• Evaporative assist: cooling towers, wetted filters, or sprays that evaporate water to facilitate the transfer of heat to the outdoor environment.

         A typical water-cooled data center uses ALL of the above elements to cool the data center. The heat transport and compressor consume electrical energy in providing the cooling, and the evaporative assist consumes water.

Free cooling

        Economizer modes are sometimes referred to as “free cooling”. While the term is useful to describe the general subject of economizer modes, it’s important to note the following. An economizer mode partially or fully bypasses a compressor in a cooling plant. Most systems using economizer modes spend most of the time in a partial bypass mode, so part of the cooling energy is saved, but the cooling is not “free”. Furthermore, even when an economizer mode operates in full bypass of the compressor, there is still significant energy used in transport of the heat via fans or pumps, and possibly in other functions such as humidification.* Even in this full economizer mode, the cooling is not “free.

In at least one design, the socalled “Yahoo chicken coop”, heat transport takes advantage of natural convection using a special building design, in order to reduce or eliminate the need for heat transport fans. 

         The cooling system must be designed to work under the worst case conditions of full data center load and high outdoor temperature. At lower data center loads and cool outside temperatures, the system must do less work to cool the data center. Unfortunately, the various devices in the cooling plant are underutilized and not operating efficiently under these conditions. To increase efficiencies under these conditions, cooling devices have been improved to include variable speed drives, staging, and other functions. Nevertheless, they still require significant power. To help reduce the power used during the favorable conditions of light data center load and cool outdoor temperatures, economizer modes have been developed.

       In an economizer mode, the compressor function is fully or partially bypassed, eliminating or reducing its energy use. The compressor is used to move heat from within the data center to the outdoor environment when the outdoor temperature is greater than the data center temperature. However, when the outdoor temperature is sufficiently below the data center temperature, the heat will naturally flow to the outside without the need of the “temperature boost” provided by the compressor, so its function is unnecessary. Therefore, under favorable conditions, the compressor can be bypassed, saving significant energy. Furthermore, for systems using evaporative assist, that function can also be shut down or bypassed if conditions are favorable, saving water.

مقدمه 

هدف و کارکرد حالات صرفه جویی 

انواع حالات صرفه جویی 

مقایسه حالات متفاوت صرفه جویی 

عواملی که بر فعالیت حالت صرفه جویی تاثیر دارند. 

حذف یا کاهش حالات بدون صرفه جویی در سیستم های خنک سازی

نتیجه گیری 

منابع

Introduction 

Purpose and function of economizer modes 

Types of economizer modes

Comparison of the different economizer modes

Factors that impact economizer mode operation 

Eliminating or reducing noneconomizer modes in cooling systems 

Conclusion 

Resources