Obliczanie ciepła wydzielanego przez cały system

Jak obliczać
chłodzenie
wymagane w
centrach danych
Neil Rasmussen
White Paper 25
Wersja 1
Streszczenie
W niniejszym dokumencie opisano metodę obliczania ciepła wydzielanego przez sprzęt
komputerowy oraz inne urządzenia w centrach danych, takie jak zasilacze UPS w celu doboru
systemów chłodzenia odpowiedniej wielkości. W dokumencie zawarto także kilka najczęściej
używanych współczynników służących do przeliczania jednostek ciepła oraz wskazówki dotyczące
wartości stosowanych przy projektowaniu systemów chłodzenia.
2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być używana, powielana, kopiowana,
przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemie udostępniania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Wer. 2003-1
2
Wstęp
Każde urządzenie elektryczne wytwarza ciepło, które należy odprowadzić, aby wzrost temperatury urządzenia nie
przekroczył dopuszczalnego poziomu. Większość sprzętu komputerowego i innego sprzętu znajdującego się w
centrach danych lub w pomieszczeniach z urządzeniami sieciowymi jest chłodzona powietrzem. Dobór systemu
chłodzenia odpowiedniej wielkości wymaga wyznaczenia ilości ciepła wytwarzanej przez sprzęt znajdujący się w
zamkniętym pomieszczeniu oraz ilości ciepła wytwarzanej przez inne typowe źródła ciepła.
Pomiar wydzielanego ciepła
Ciepło jest rodzajem energii i dlatego jest zazwyczaj mierzone w dżulach, jednostkach BTU, tonach lub kaloriach.
Wydzielane ciepło mierzy się zazwyczaj w jednostkach BTU na godzinę, tonach na dzień i dżulach na sekundę (jeden
dżul na sekundę jest równy jednemu watowi). Nie istnieje żaden poważny powód, który by wyjaśniał, dlaczego te
różne jednostki miary stosuje się w celu wyrażenia tych samych cech, jednakże moc lub chłodzenie danego
urządzenia można określać za pomocą każdej z tych jednostek. Stosowanie tak wielu jednostek miary powoduje
olbrzymie, niepotrzebne zamieszanie wśród użytkowników i osób odpowiedzialnych za specyfikacje sprzętu. Na
szczęście zgodnie z obecną światową tendencją wśród organizacji normalizacyjnych wszystkie jednostki mocy i
chłodzenia są zastępowane przez jednostkę wat, która jest znormalizowaną jednostką mocy. Tak archaiczne jednostki
miary jak BTU i tony zostaną stopniowo wycofane z użytku1. Z tego powodu w tym dokumencie wielkości dotyczące
mocy i chłodzenia będą podawane w watach. Stosowanie wata jako powszechnej znormalizowanej jednostki jest
nieprzypadkowe, ponieważ, jak można będzie zobaczyć w dalszej części dokumentu, ułatwia to prace związane z
projektowaniem centrów danych.
W Ameryce Północnej specyfikacje dotyczące mocy i chłodzenia są często podawane w starszych jednostkach, tj. w
BTU i tonach. Dlatego też poniżej zamieszczono współczynniki mogące być przydatne podczas przeliczania
wspomnianych jednostek:
Jednostka
wejściowa
Mnożnik
Jednostka
wyjściowa
BTU na godzinę
wat
tona
wat
0,293
3,41
3,530
0,000283
wat
BTU na godzinę
wat
tona
1
Pojęcie „tona” odnosi się do zdolności chłodzenia lodu i jest pozostałością z lat 1870–1930, kiedy to urządzenia
chłodzące i wentylacyjne działały w oparciu o codzienne dostawy bloków lodu.
2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być używana, powielana, kopiowana,
przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemie udostępniania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Wer. 2003-1
3
Rząd mocy, którą sprzęt komputerowy i inny sprzęt informatyczny przekazują przez kable transmisji danych, jest
pomijalny. Z tego powodu moc pobierana z gniazda zasilania jest zasadniczo w całości zamieniana na ciepło. Dzięki
temu wartość ciepła wydzielanego przez urządzenia IT w watach jest równa wartości poboru mocy w watach.
Stosowanie jednostek BTU na godzinę, podawanych czasami w arkuszach danych do określania ciepła wydzielanego
przez sprzęt, nie jest konieczne. Wydzielane ciepło jest po prostu równe poborowi mocy2.
Obliczanie ciepła wydzielanego przez cały system
Całkowite ciepło wydzielane przez system jest sumą ciepła wydzielanego przez wszystkie jego elementy. Cały system
składa się ze sprzętu informatycznego oraz innych elementów, takich jak zasilacze UPS, urządzenia dystrybucji
zasilania, urządzenia chłodzące, oświetlenie oraz personel. Na szczęście ciepło wydzielane przez te elementy można
łatwo obliczyć przy pomocy prostych i znormalizowanych zasad.
Ciepło wydzielane przez systemy dystrybucji zasilania i zasilaczy UPS składa się ze stałej straty oraz straty
proporcjonalnej do mocy roboczej. Te straty są stosunkowo niezależne od marki i modelu sprzętu, tak więc można je
w przybliżeniu obliczyć bez popełnienia poważnego błędu. Stosując znormalizowane wartości można też łatwo
określić ilość ciepła wydzielanego przez oświetlenie i personel. Aby określić wymagania dotyczące chłodzenia dla
danego systemu potrzebnych jest jedynie kilka łatwo dostępnych danych, takich jak powierzchnia pomieszczenia w
stopach kwadratowych oraz znamionowa moc zasilania systemu.
Urządzenia chłodzące wydzielają znaczącą ilość ciepła z wentylatorów i kompresorów. Ciepło to jest usuwane na
zewnątrz i nie wytwarza obciążenia cieplnego wewnątrz centrum danych. Z drugiej strony, ciepło to zmniejsza
wydajność systemu chłodzenia i jest zazwyczaj uwzględniane podczas obliczania wielkości klimatyzatora.
Możliwa jest szczegółowa analiza termiczna przy zastosowaniu danych dotyczących ciepła wydzielanego przez każdy
element w centrum danych, lecz szybka szacunkowa ocena przeprowadzona na podstawie prostych zasad daje
wynik, który mieści się w granicach błędu bardziej szczegółowej analizy. Szybka szacunkowa ocena ma także tą
zaletę, że może ją wykonać osoba bez specjalistycznej wiedzy lub wyszkolenia.
Tabela 1 zawiera arkusz kalkulacyjny, który umożliwia szybkie wyliczenia obciążenia cieplnego. Stosując ten arkusz,
można szybko i rzetelnie określić całkowitą wartość ciepła wydzielanego przez centrum danych. Sposób korzystania z
arkusza kalkulacyjnego został opisany w procedurze znajdującej się poniżej Tabeli 1.
2
Uwaga: jedynym wyjątkiem od tej zasady są routery Voice Over IP (VOIP); w przypadku tych urządzeń do
30% poboru mocy może być przesyłane do zdalnych terminali, a w wyniku tego wartość ciepła wydzielanego przez
takie routery może być niższa od wartości poboru mocy. W niniejszym artykule przyjęto założenie, że całkowita
wartość pobieranego zasilania zostaje rozproszona na miejscu, w efekcie czego podawane w tej pracy ciepło
wydzielane przez routery VOIP będzie wyższe niż w rzeczywistości, co w większości przypadków stanowi
nieistotny błąd.
2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być używana, powielana, kopiowana,
przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemie udostępniania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Wer. 2003-1
4
Tabela 1 — Arkusz obliczania ciepła wydzielanego przez centrum danych lub pomieszczenie z
urządzeniami sieciowymi
Element
Wymagane dane
Sprzęt IT
Całkowita moc obciążenia
sprzętu IT w watach
Zasilacz UPS z
akumulatorem
Moc znamionowa systemu
zasilania w watach
Dystrybucja
zasilania
Moc znamionowa systemu
zasilania w watach
Oświetlenie
Powierzchnia pomieszczenia w
stopach kwadratowych lub
Powierzchnia pomieszczenia w
metrach kwadratowych
Ludzie
Suma
Maksymalna liczba personelu w
centrum danych
Powyższe sumy częściowe
Obliczenie
wydzielanego ciepła
Równa całkowitej mocy
obciążenia sprzętu IT w
watach
(0,04 x znamionowa moc
systemu) + (0,06 x całkowita
moc obciążenia sprzętu IT)
(0,02 x znamionowa moc
systemu) + (0,02 x całkowita
moc obciążenia sprzętu IT)
2,0 x powierzchnia
pomieszczenia (stopy
kwadratowe) lub
21,53 x powierzchnia
pomieszczenia
(metry kwadratowe)
100 x maksymalna liczba
personelu
Suma sum częściowych
wydzielanego ciepła
Suma częściowa
wydzielanego
ciepła
_____________ watów
_____________ watów
_____________ watów
_____________ watów
_____________ watów
_____________ watów
Procedura
Uzyskaj informacje, które są potrzebne do uzupełnienia kolumny „Wymagane dane”. W przypadku jakichkolwiek
pytań zapoznaj się z definicjami danych znajdującymi się poniżej. Oblicz wartości ciepła wydzielanego przez elementy
i wpisz wyniki w kolumnę sumy częściowej. Dodaj do siebie sumy częściowe, aby otrzymać całkowite wydzielane
ciepło.
Definicje danych
Całkowita moc obciążenie sprzętu IT w watach — suma mocy wejściowej wszystkich urządzeń IT.
Moc znamionowa systemu zasilania w watach — moc znamionowa systemu zasilaczy UPS. Jeśli stosowany jest
system nadmiarowy, nie należy uwzględniać mocy znamionowej nadmiarowego zasilacza UPS.
2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być używana, powielana, kopiowana,
przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemie udostępniania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Wer. 2003-1
5
Przykładowy system
Poniżej określono wartość ciepła wydzielanego przez typowe centrum danych. Jako przykład wykorzystano centrum
danych o powierzchni 5 000 stóp2 (465 m2) i mocy znamionowej 250 kW z 150 szafami i maksymalnie 20 osobami
personelu. W przykładzie przyjęto założenie, że centrum danych jest obciążone w 30% mocy, co stanowi typową
wartość. Omówienie typowego wykorzystania znajduje się w dokumencie White Paper 37 firmy APC „Jak uniknąć
kosztów związanych z nadmierną wielkością instalacji w centrum przetwarzania danych”. Całkowite obciążenie
centrum danych wyniosłoby w tym przypadku 30% z 250 kW, czyli 75 kW. W tych warunkach całkowite ciepło
wydzielane przez centrum danych wynosi 108 kW, to jest około 50% więcej niż obciążenie sprzętu IT.
Rysunek 1 przedstawia względny udział różnych typów elementów centrum danych w całkowitej wartości
wydzielanego ciepła dla przykładowego centrum danych.
Rysunek 1 — Względne udziały w całkowitej wartości wydzielanego ciepła dla typowego centrum danych
Dystrybucja
zasilania
6%
Oświetlenie
9%
Personel
2%
Zasilacze UPS
13%
Moc sprzętu IT
70%
Należy pamiętać, że względny udział ciepła wydzielanego przez zasilacze UPS i jednostki dystrybucji zasilania jest tak
duży, gdyż system działa, wykorzystując jedynie 30% mocy. Gdyby system działał, wykorzystując 100% mocy, to
wydajność systemów zasilania zwiększyłaby się, zaś ich względny udział w ilości ciepła wydzielanego przez system
byłby mniejszy. Znacząca utrata wydajności to rzeczywisty koszt nadmiernej wielkości systemu.
2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być używana, powielana, kopiowana,
przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemie udostępniania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Wer. 2003-1
6
Inne źródła ciepła
Powyższa analiza nie bierze pod uwagę źródeł ciepła pochodzących z otoczenia, takich jak światło słoneczne
przenikające przez okna i ciepło przewodzone z zewnętrznych ścian. Wiele małych centrów danych oraz pomieszczeń
z urządzeniami sieciowymi nie posiada zewnętrznych ścian lub okien, więc w tych przypadkach przyjęte założenie nie
powoduje powstania błędu. Jednakże w przypadku dużych centrów danych mających ściany lub dach wystawione na
działanie czynników zewnętrznych, system chłodzenia musi odprowadzić dodatkowe ciepło, które przenika do takiego
centrum.
Jeśli pomieszczenie przetwarzania danych znajduje się wewnątrz obiektu wyposażonego w system chłodzenia, inne
źródła ciepła można pominąć. Jeśli ściany lub dach danego centrum danych są w znaczącym stopniu wystawione na
działanie czynników zewnętrznych, to konsultant do spraw ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji będzie musiał
oszacować maksymalne obciążenie cieplne, które należy dodać do wymagań cieplnych całego systemu
wyznaczonych w poprzedniej części tego artykułu.
Nawilżanie
System klimatyzatora centrum danych ma za zadanie nie tylko odprowadzać ciepło, lecz także kontrolować wilgotność
powietrza. W warunkach idealnych po uzyskaniu odpowiedniej wilgotności system mógłby działać przy stałej
zawartości wody w powietrzu, co z kolei nie wymagałoby nawilżania powietrza. Niestety w większości systemów
chłodzenia funkcja chłodzenia powietrza powoduje powstanie znaczącej kondensacji pary wodnej, a w konsekwencji
utratę wilgotności. Z tego powodu wymagane jest nawilżanie uzupełniające w celu utrzymania pożądanego poziomu
wilgotności powietrza.
Nawilżanie uzupełniające wytwarza dodatkowe obciążenie cieplne na urządzeniu CRAC, efektywnie zmniejszając
chłodzenie jednostki, co z kolei wymaga jej nadmiernej wielkości.
W przypadku małych pomieszczeń przetwarzania danych lub dużych pomieszczeń okablowania system chłodzenia,
który oddziela objętość odprowadzanego powietrza od objętości powietrza pobieranego przez zastosowanie
przewodów, może spowodować, że będzie występować zjawisko kondensacji, co z kolei wyeliminuje konieczność
stosowania nawilżania uzupełniającego. Dzięki temu można wykorzystać 100% znamionowej mocy chłodzącej,
co umożliwia uzyskanie maksymalnej wydajności.
W przypadku dużych centrów danych, gdzie mieszają się duże ilości powietrza, urządzenie CRAC musi dostarczać
powietrza o niskiej temperaturze, tak aby uniknąć efektu recyrkulacji odprowadzanego z urządzeń powietrza o wyższej
temperaturze. To z kolei powoduje znaczące obniżenie wilgotności powietrza i konieczność stosowania nawilżania
uzupełniającego. W efekcie wydajność systemu wentylacji ulega znacznemu zmniejszeniu. Aby temu zapobiec,
urządzenie CRAC musi być większy nawet o 30%.
2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być używana, powielana, kopiowana,
przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemie udostępniania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Wer. 2003-1
7
Wymagana nadwymiarowość urządzenia CRAC zawiera się więc w przedziale od 0% dla małych systemów z
przewodowym odprowadzaniem powietrza do 30% dla systemów o dużym poziomie wymieszania powietrza w
pomieszczeniu. Więcej informacji o nawilżaniu znajduje się w dokumencie White Paper 58 firmy APC „Humidification
Strategies for Data Centers and Network Rooms” (dostępny tylko w języku angielskim).
Dobieranie chłodzenia odpowiedniej wielkości
Po określeniu wymagań dotyczących chłodzenia można określić wielkość potrzebnego systemu chłodzenia. Należy
wziąć pod uwagę następujące czynniki, wcześniej opisane w tym artykule:
Wielkość obciążenia chłodzenia sprzętu (w tym urządzenia zasilające)
Wielkość obciążenia chłodzenia budynku
Nadmierna wielkość mająca uwzględnić efekt nawilżania
Nadmierna wielkość mająca zapewnić nadmiarowość
Nadmierna wielkość w celu zaspokojenia przyszłych wymagań
Wartości obciążeń tych wszystkich czynników podane w watach należy zsumować, aby otrzymać wartość całkowitego
obciążenia cieplnego.
Wnioski
Obliczanie wymagań dotyczących chłodzenia systemów IT można ograniczyć do prostego procesu, który może
przeprowadzić osoba bez specjalistycznego wyszkolenia. Podawanie wszystkich wartości mocy i chłodzenia w watach
upraszcza obliczenia. Ogólna zasada mówi, że wydajność znamionowa urządzenia CRAC musi być 1,3 raza większa
od przewidywanego znamionowego obciążenia sprzętu IT; należy także uwzględnić dodatkową wydajność dla
zapewnienia nadmiarowości. Takie podejście przynosi znakomity efekt w przypadku pomieszczeń z urządzeniami
sieciowymi o powierzchni poniżej 4000 stóp2 (372 m2).
W przypadku większych centrów danych same wymagania dotyczące chłodzenia nie są zazwyczaj wystarczającą
podstawą dla wybrania odpowiedniego klimatyzatora. Zazwyczaj duże znaczenie ma wpływ innych źródeł ciepła,
takich jak ściany i dach; wpływ tych źródeł ciepła i recyrkulacji na daną instalację należy zbadać i ocenić.
Konstrukcja sieci przewodów powietrza oraz podłogi podniesionej ma znaczący wpływ na całkowitą wydajność
systemu, a także w dużym stopniu wpływa na jednorodność temperatury w centrum danych. Zastosowanie prostej,
znormalizowanej, modularnej architektury systemów dystrybucji powietrza w połączeniu z opisaną prostą metodą
szacunkowej oceny obciążenia cieplnego mogłoby znacząco ograniczyć wymagania konstrukcyjne przy projektowaniu
centrów danych.
2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być używana, powielana, kopiowana,
przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemie udostępniania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Wer. 2003-1
8
Informacje o autorze:
Neil Rasmussen jest założycielem i głównym dyrektorem technicznym firmy American Power Conversion. W firmie
APC zarządza on największym na świecie budżetem przeznaczonym na badania i rozwój w zakresie infrastruktury
zasilania, chłodzenia i szaf dla sieci o znaczeniu krytycznym; główne centra tworzenia produktów znajdują się w
Massachusetts, Missouri, Rhode Island, na Tajwanie, w Danii oraz Irlandii. Obecnie Neil kieruje w firmie APC pracami,
które mają na celu utworzenie modularnych, skalowalnych rozwiązań dla centrów danych.
Przed założeniem firmy APC w 1981 r. Neil Rasmussen uzyskał tytuł licencjata i magistra o specjalności
elektrotechnika w Massachusetts Institute of Technology (MIT), gdzie napisał pracę analizującą źródło zasilania o
mocy 200 MW dla reaktora Tokamak Fusion. W latach 1979–1981 pracował w MIT Lincoln Laboratories nad
systemami magazynowania energii koła zamachowego oraz nad systemami energii słonecznej.
2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część tej publikacji nie może być używana, powielana, kopiowana,
przesyłana ani przechowywana w jakiegokolwiek rodzaju systemie udostępniania informacji bez pisemnej zgody właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Wer. 2003-1
9