دانلود رایگان مقاله سیستم انرژی بهره ور سرمایش آزاد برای مراکز داده

چکیده

         یک مرکز داده  مکانی جهت نگهداری تجهیزات کامپیوتری است. تخمین زده می‌شود که هر دو سال نرخ حرارت تولید شده در مرکز داده دو برابر شده و در کنار آن ناتوانی در سرد کردن سیستم رو به افزایش است. در همین حال مصرف انرژی مرکز داده رو به رشد است و هزینه بالایی برای مصرف انرژی در سیستم سرمایش در مقایسه با تامین تجهیزات می‌گردد. در نتیجه تمایل به صرفه‌جویی انرژی در بخش سرمایش رو به فزونی است. در این مقاله، به سراغ دو سیستم اولیه سرمایش آزاد  به نام‌های صرفه‌جوی هوایی  و صرفه‌جوی آبی  رفتیم. یک سیستم سرمایش آزاد در زمانی که شرایط جوی متناسب با مقررات سرمایشی ASHRE باشد، هوای بیرون را که با زور وارد مرکز شده است مورد مصرف قرار می‌دهد. علاوه بر آن، با استفاده از ابزار تحلیل‌گر تجهیزات سرمایشی تریس بررسی و شبیه‌سازی تخمینی صورت گرفت. در این مطالعه، مصرف انرژی در یک مرکز داده با سیستم سرمایشی متداول مورد مقایسه با صرفه‌جوی هوایی و صرفه‌جوی آبی در سه منطقه مختلف شیکاگو ، آتلانتا  و فونیکس  قرار گرفت. با توجه به این مسئله که در هر سه منطقه هوای بیرون در بیشتر سال خنک می‌باشد. نتایج حاصل نشان داده است که استفاده از هر دو سیستم صرفه‌جوی کاهش مصرف انرژی و هزینه نسبت به سیستم‌ متداول را در پی دارد. استفاده از سیستم صرفه‌جو اجازه می‌دهد تا تحت شرایط مطلوب جوی، خنک‌کننده خاموش شده و یا مصرف انرژی آن کاهش یابد. نتایج نشان می‌دهند که صرفه‌جوی آبی همواره عملکرد بهتری نسبت به صرفه‌جوی هوایی دارد که باعث بهبود چشمگیر بازدهی و هزینه‌ها در مرکز داده می‌شود. نسبت کارایی  سیستم‌های متداول، صرفه‌جوی هوایی و صرفه‌جوی آبی به ترتیب 50%، 76% و 79% است که نشان می‌دهد سیستم‌های صرفه‌جو نسبت به سیستم متداول از لحاظ اقتصادی به صرفه‌تر هستند.

1. مقدمه

         یک مرکز داده مکانی جهت نگهداری از تجهیزات مربوط به کامپیوتر نظیر سرور، ابزارهای ذخیره‌سازی و ابزارهای شبکه، تجهیزات پشتیبانی نیرو و کنترل‌کننده‌های محیطی همچون تهویه هوا، ضد حریق و ابزارهای امنیتی است. روز به روز مصرف انرژی یک مرکز داده در حال افزایش و هزینه برق مصرفی بیش از تامین تجهیزات است. در آزمایشگاه ملی لورنس برکلی  مطالعاتی روی نحوه مصرف انرژی چندین مرکز داده صورت گرفته است [1]. تخمین زده شده که تنها 30% از انرژی توسط تجهیزات IT، 40% انرژی صرف سیستم سرمایش و 30% دیگر در برق اضطراری و روشنایی است. هدف اولیه مدیریت انرژی در مرکز داده به حداقل رساندن مصرف انرژی و به حداکثر رساندن کارایی تجهیزات فعال است. بر اساس پیشنهاد سازمان مهندسی گرما، سرما و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE)[2] دمای یک اتاق مرکز داده باید در محدوده (C˚16 الی C˚24) و یا (F˚61 الی F˚75) و رطوبت نسبی در محدوده (40% الی 60%) باشد. ایجاد چنین محیطی با قرار دادن هر یک از تجهیزات در معرض هوای خنک قابل دستیابی است. از اینرو دمای هیچ یک از تجهیزات مرکز داده هرگز به بالای حداکثر دمای مجاز آن‌ها نخواهد رسید، در حالی که دمای اتاق و سطح رطوبت آن در محدوده ASHRAE قرار دارد.

         در سیستم سرمایش سنتی [3] سرورها روی سطح بلندی با کاشی‌های سوراخ‌دار قرار می‌گیرند. قفسه‌ها به صورت ردیف‌های متوالی قرار گرفته که به دالان شکل گرفته بین دو ردیف مجاور راهرو می‌گویند. مسیر عبور هوای سرد، راهروی سرد و مسیر عبور هوای گرم، راهروی گرم نامیده می‌شوند. شکل 1 مقطعی از راهروهای سرد و گرم را به نمایش می‌گذارد. در این سیستم، هوا وارد بخش بالایی واحد CRAC (تهویه هوای اتاق کامپیوتر) شده و از روی پیچه‌های خنک‌کننده که به وسیله ادوات سرمایش سرد شده‌اند عبور می‌کند و هوای سرد به زیر محفظه‌ی هوا فرستاده می‌شود. فن‌های درون سرور هوای سرد را از میان کاشی‌های سوراخ‌دار به بالا کشیده و سپس هوای سرد توسط ردیف جلویی سرور جذب شده و هوای گرم حاصل از تجهیزات را به پشت این ردیف‌ها می‌فرستد. هوای گرم جدا شده بالا می‌رود و به ورودی واحد CRAC می‌رسد. این روش تنها در مراکز داده سطح پایین تا متوسط عملکرد مناسبی دارد و کارایی خوبی در مراکز سطح بالا نشان نمی‌دهد. علاوه بر این مخلوط شدن هوای سرد و گرم در بالا و اطراف قفسه‌ها به علت سرریز سیستم سرمایش باعث اتلاف انرژی می‌گردد.

        در این مقاله پیشنهاد می‌شود تا با استفاده از سیستم‌های سرمایش صرفه‌جوی آزاد در کنار سیستم‌های سنتی مصرف انرژی را کاهش داد. یک سیستم سرمایش صرفه‌جوی آزاد در زمانی که شرایط جوی متناسب با مقررات سرمایشی ASHRE باشد، هوای بیرون را که با زور وارد مرکز شده است مورد استفاده قرار می‌دهد. وقتی که سیستم صرفه‌جوی شروع به کار کند، بار وارد بر سردکن  که بیشترین سهم مصرف انرژی را در سیستم تهویه‌ی هوا دارد، کاهش داده و یا به کلی حذف می‌کند.

        علاوه بر این، بر اساس نتایج ابزار تحلیل‌گر تجهیزات سرمایشی تریس تخمین و شبیه‌سازی انجام گرفت. هدف از این مطالعه مقایسه بین صرفه‌جویی انرژی در یک مرکز داده با استفاده از سیستم سرمایشی متداول با سیستم صرفه‌جوی هوایی و سیستم صرفه‌جوی آبی برای سه منطقه مختلف شیکاگو، آتلانتا و فونیکس بوده است، با توجه به این نکته که در هر سه محل هوای بیرون در بیشتر سال نسبتاً خنک بوده و سیستم‌های صرفه‌جوی می‌توانند به شکل موثری برای بیشترین ساعات ممکن مورد استفاده قرار گیرند. در چنین مناطق جغرافیایی، صرفه‌جوی‌ها می‌توانند نیازهای سرمایشی بخش زیادی از مراکز داده را در فصل زمستان پاسخگو باشند. صرفه‌جویی حاصل از صرفه‌جوی‌ها به شرایط آب و هوایی منطقه بستگی دارد، زیرا که در هوای سردتر ساعات کار سیستم صرفه‌جو نیز افزایش می‌یابد.

         نتایج نشان می‌دهند که سیستم صرفه‌جوی بیشترین صرفه‌جویی را در فونیکس و کمترین صرفه‌جویی را در شیکاگو به همراه داشته است. صرفه‌جوی آبی مصرف سالانه انرژی در آتلانتا و فونیکس را به حداقل رسانده است.

        ادامه مقاله به این ترتیب خواهد بود: بخش 2 مطعوف به کارهای مرتبط که بر روی سیستم‌های سرمایش آزاد کارآمد تمرکز داشته‌اند است. بخش 3 به تحقیق پیرامون دو شیوه اولیه سیستم‌های سرمایشی و ارزیابی قوانین اختصاص دارد. بخش 4 طرح آزمایشی، الزامات سیستم و تحلیل نتایج آزمایشی را بیان می‌دارد. بخش 5 به نتایج می‌پردازد.

2. کارهای مرتبط

        مطالعات نشان می‌دهند که در مسائل مدیریت حرارتی همچون بهبود نرخ جریان هوا، افزودن فن‌های بیشتر نمی‌تواند از عهده نیروهای حرارتی زیاد برآمده و علاوه بر ایجاد سر و صدای بسیار[4] گران بوده و در نهایت باید روش‌های جایگزینی نظیر سیستم سرمایشی ردیف محور به کار گرفته شوند.

        به منظور کاهش مصرف انرژی در مرکز داده عموماً از سرمایش با مایع استفاده شده است. سیستم‌هایی با مبادل حرارتی هوا-به-مایع روی قفسه‌ها جاسازی می‌شوند تا هوای گرم را سرد نموده و یک حلقه خودکفای خنک‌کننده تشکیل دهند [5]. در این سیستم‌ها فاصله‌ای که هوای گرم خروجی برای رسیدن به واحدهای CRAC باید طی کند کاهش یافته که این امر تاثیر منفی گردش مجدد هوای گرم را به حداقل می‌رساند. جاسازی مبادل حرارتی درون قفسه‌ها به منظور حذف حرارت از سرورها، متکی بر هوا به عنوان واسطه تبادل حرارتی است. عملکرد چنین سیستم‌هایی به دلیل ضریب انتقال حرارتی هوای اطراف محدود می‌شود.

        با استفاده از مفهوم مقاومت حرارتی، معیارهای عملکرد حرارتی در سیستم‌های سرمایشی ابزارهای الکترونیکی برای مراکز داده فرمول‌بندی شده و به اجرا در آمده است [6]. در این معیارها، به منظور شناسایی طرح‌های ضعیفی که منجر به شکل‌گیری نقاط محلی داغ می‌شوند، عملکرد حرارتی از منظر یکنواختی محیطی مورد توجه قرار گرفته است. در سیستم دیگری [7]، صرفه‌جوی کنار آبی  از آب چگالنده  مصرف شده به منظور پس زدن حرارت از سردکن توسط برج‌های خنک‌کننده جدا گشته بود.

Abstract 

        A data center is a facility used to keep computer related equipments. It is estimated that heat production rate of the data center is doubled in every two years and hence the inevitability of the cooling system gets increased. In due course power consumption of a data center is augmented and more cost is spent on the power usage of the cooling system rather than the equipment purchase. As a result power savings for the cooling system is strongly desired. In this paper we conferred two primary free cooling systems namely air economizer and water economizer. A free cooling economizer system uses the outside air which is forced to the data center when outside climate is suitable to meet the ASHRE’s cooling requirements. We have also conducted a survey and simulation based estimation using TRACE[TM] Chiller Plant Analyzer Tool. In this study, the energy consumption in a data center using conventional cooling system is compared with Air Economizer and Water Economizer for three different Zones namely Chicago, Atlanta and Phoenix in view of the fact that the outside air is relatively cool most of the year. From the projected result it is observed that both economizers reduce energy and cost when compared with conventional system and the usage of Economizer permits the chiller to shut down or reduce chiller energy load under suitable weather conditions. The results show that Water economizers are shown to consistently outperform air economizer which provides significant improvement in cooling system efficiency and cost at data center. The performance ratio of the conventional, air economizer and the water economizers are 50%, 76% and 79% respectively that shows economizers provide more savings relative to the conventional system.

I. INTRODUCTION

         A data center is a facility used to keep computer associated equipments like server, storage devices, networking devices, backup power supplies, and environmental controls such as air conditioning, fire suppression and security tools. Day - by - day the power consumption of a data center is increased and more cost is spent on its electricity usage rather than the equipment purchase. Lawrence Berkeley National Laboratory has studied the trends of power consumption for a number of data centers [1]. It is estimated that only 30% of the energy is consumed by IT equipments 40% of the energy is by the cooling system and the remaining 30% is used for UPS and lighting. The primary goal of Energy management in the data center is minimizing the energy consumption and maximizing the performance of the active equipment. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) recommends [2] a Data Center room temperature should be in the range of (16°C – 24° C) or (61° F – 75° F) and Humidity range of (40% – 60% RH). This environment can be achieved only by conveying cold air to every piece of equipment. Hence the temperature of all the equipments in the data center never raise beyond its maximum allowable temperature and the room temperature and Humidity level can be maintained in the ASHRE’s level.

         In the traditional cooling system [3] the servers are mounted on the raised floor with perforated tiles. The racks are lined up as sequential rows forming corridor between the two rows called aisle. The cold air passageway is called cold aisle and the hot air passage way is called hot aisle. Figure 1 depicts the cross section of such hot / cold aisles. In this system air enters at the top of the CRAC(Computer Room Air Conditioning) unit, passes over the cooling coils which is cooled by the chiller plant and the cold air is ejected to the under floor plenum. Fans inside the server draw the cold air upward through the perforated tiles and then absorbs the cold air in front row of server and pushes the equipment generated hot air behind these rows. The departed hot air rises and moves to the intake of a CRAC unit. This approach works well only in low to medium level data center application and does not offer good performance in high level applications. Moreover the mixing of hot and cold air over and around the top of the rack also wastes energy due to overrun of the cooling system.

        In this paper we propose free cooling economizer systems that are used in associated with traditional cooling system to reduce energy consumption. A free cooling economizer system uses the outside air which is forced in to the data center when the outside climate is suitable to meet the ASHRE’s cooling requirements. When the economizer system starts functioning, reduces or eliminates the working of chiller which consumes the greater part of energy in the air conditioning system.

        We have also carried out estimation and simulation based assessment using TRACE[TM] Chiller Plant Analyzer Tool. The purpose of this study is to compare the energy saving in a data center using conventional cooling system with Air Economizer and Water Economizer system for three different Zones namely Chicago, Atlanta and Phoenix in view of the fact that the outside air is relatively cool most of the years and the economizers can be effectively used for maximum possible hours. In these geographical locations, economizers can satisfy a large portion of data center’s cooling requirements during winter season. The savings from the economizer depends on the local climate and at the same time as the cold weather increases the number of hours that the economizer is operating is increased.

       The results show that Economizer system provides greatest savings in Phoenix and the least savings in Chicago. Water Economizer consumes lowest total Annual power at Atlanta and Phoenix.

       The rest of this paper is organized as follows: Section II denotes the related work focusing on energy efficient free cooling system. Section III explores the two primary methods of cooling systems and evaluation principle. Section IV presents the experimental setup, system requirements and experimented result analysis. Section V gives conclusion.

II. RELATED WORK

        Studies have revealed that the thermal management practices like increasing air flow rate, attaching extra fans will be incapable for handling the high thermal load and would also become soundly [4] expensive and alternative methods such as row-based cooling systems have to be implemented.

        Liquid cooling was mostly used to reduce power consumption in the data center. Systems with air-to- liquid heat exchangers mounted on the rack to cool the hot air to form a self-contained cooling loop[5] reduces the distance the hot exhaust air must travel before reaching the CRAC units, which minimizes the adverse effects of hot air recirculation. Moving the heat exchanger to the rack relies on air as the heat transfer medium for heat removal from the servers and performance of such systems are limited by airside heat transfer coefficient.

       Thermal performance metrics for systems level electronics cooling based on the concept of thermal resistance were formulated and applied to data centers [6]. The metrics considered the spatial uniformity of thermal performance to characterize poor designs causing local hot spots. In another system [7], the wet side economizer was decoupled from the condenser water used to reject chiller heat to cooling towers.

چکیده

1. مقدمه

2. کارهای مرتبط

3. سیستم سرمایش صرفه‌جوی آزاد

الف. صرفه‌جوی هوایی

ب. مطالعه قوانین

4. جزئیات طرح

الف. محیط آزمایش

ب. نتایج آزمایش و بحث

5. نتیجه‌گیری

منابع

Abstract

1. INTRODUCTION

2. RELATED WORK

3. FREE COOLING ECONOMIZER SYSTEM

A. Air Economizer

B. Evaluation Principle

4. IMPLEMENTATION DETAILS

A. Experimental Environment

B. Experimental Result and Discussion

5. CONCLUSION

REFERENCES