Összesített hűtési igény számítása adatközpontok esetében Írta: Neil Rasmussen 25. tanulmány 1. revízió
Vezetői összefoglaló Tanulmányunkban ismertetjük, hogy a légkondicionáló készülékek méretezése céljából hogyan lehet megbecsülni az adatközpontokban elhelyezett számítástechnikai berendezések például szünetmentes tápegységek hőkibocsátását. Számos elterjedt átszámítási együtthatót és tervezési alapértéket is ismertetünk. 2
Bevezetés Minden elektromos készülék termel hőt, amit el kell vonni, ezzel előzve meg a hőmérséklet túlzott megemelkedését. Az adatközpontokban és hálózati készülékszobákban elhelyezett informatikai berendezések túlnyomó része léghűtéssel üzemel. A hűtőrendszer méretezéséhez ismerni kell a zárt térben elhelyezett készülékek által termelt hő mennyiségét, továbbá figyelembe kell venni az egyéb jellemző eszközök hőkibocsátását is. A hőkibocsátás mérése A hő egyfajta energia, mértékegysége lehet joule, BTU, tonna vagy kalória. A készülékek hőkibocsátását sokszor BTU/óra, tonna/nap vagy joule/másodperc mértékegységgel adják meg. (A joule/másodperc egyenlő a wattal.) Nem tudjuk, hogy miért terjedt el ilyen sok különböző mértékegység ugyanazon mennyiségek kifejezésére, de bármelyik alkalmas energia- és hűtési kapacitás kifejezésére. A mértékegységek vegyes használata ugyanakkor a felhasználók és a tervezők részéről egyaránt rengeteg félreértést okoz. Szerencsére elindult egy világméretű irányzat, amely szerint az összes szabványügyi szervezet azonos mértékegységben, wattban adja meg az energiával és hűtéssel kapcsolatos mennyiségeket. A BTU és a tonna kifejezések idővel el fognak tűnni 1. Ezt figyelembe véve tanulmányunk is wattban kifejezve tartalmazza a hűtési és energiakapacitásokat. A watt általános szabványként való használata roppant szerencsés választás, így ugyanis mint később még visszatérünk rá leegyszerűsödnek az adatközpontok tervezésével kapcsolatos munkák. Észak-Amerikában az energia- és hűtési kapacitásokat továbbra is gyakran a hagyományos BTU-ban vagy tonnában mérve adják meg. Ezek kezelését az alábbi táblázattal szeretnénk megkönnyíteni: Megadott mértékegység Szorzó BTU/óra 0,293 Watt Watt 3,41 BTU/óra Tonna 3530 Watt Watt 0,000283 Tonna Kapott mértékegység 1 A tonna kifejezés a jéghűtési kapacitásra utal, és még az 1870-1930 közötti időkből maradt fenn, amikor a hűtőgépek és légkondicionálók teljesítményét a naponta előállított jégkockák mennyiségével fejezték ki. 3
A számítástechnikai berendezések által az adatvonalakon átvitt energia lényegében figyelmen kívül hagyható. Ellenben az elektromos vezetékekből felvett energia gyakorlatilag teljes egészében hővé alakul. Ennek a ténynek köszönhetően a számítástechnikai berendezések wattban kifejezett hőkibocsátását gyakorlatilag egyenlőnek vehetjük wattban mért áramfogyasztásukkal. Az adatlapokon szereplő BTU/óra értékre a készülékek hőkibocsátásának meghatározásához nincs szükség. A hőkibocsátás egyszerűen a bemenő elektromos energia nagyságával egyezik meg. 2 Teljes rendszer hőkibocsátásának meghatározása Egy rendszer összesített hőkibocsátása az összetevők hőkibocsátásának összege. A teljes rendszer a számítástechnikai készülékeken túl a szünetmentes tápegységeket, az energiaelosztó rendszert, a légkondicionáló egységeket, a világítást és az embereket is magába foglalja. Szerencsére ezeknek a rendszerelemeknek a hőkibocsátása egyszerű és szabványos módszerekkel meghatározható. A szünetmentes tápegységek és az energiaelosztó rendszerek hőkibocsátása egy állandó veszteségből és egy az üzemi áramerősséggel arányos veszteségből tevődik össze. Ezek a veszteségek gyakorlatilag minden gyártó minden termékénél azonosak, így jelentősebb hiba nélkül közelíthetők. A világítás és az emberek hőkibocsátása szintén szabványos értékekkel becsülhető. A teljes rendszer hűtésigényének meghatározásához mindössze néhány könnyen meghatározható értékre, így a helyiség alapterületére és az elektromos rendszer névleges teljesítményére van szükség. Ventilátorai és kompresszora miatt minden légkondicionáló berendezés jelentős hőt termel. Ez a hő azonban a külvilág felé távozik, és az adatközpont hőkibocsátásához nem járul hozzá. Csökkenti viszont a légkondicionáló rendszer hatékonyságát, ezért annak méretezésekor figyelembe kell venni. Lehetőség van arra is, hogy a hőkibocsátási adatok alapján részleges termikus elemzést végezzünk az adatközpont minden elemére, ám az egyszerű elvek szerint végzett gyors becsléssel is nagyon hasonló eredményeket kapunk, mint az összetett elemzésekkel. A gyors becslésnek megvan az az előnye is, hogy bárki elvégezheti, különleges szaktudást nem igényel. 2 Megjegyzés: Az egyetlen kivétel az IP feletti hangtovábbítást (Voice Over IP, VOIP) végző forgalomirányítóké, ezek a felvett energia akár 30 százalékát is továbbíthatják a távoli terminálok felé, így hőkibocsátásuk általában kisebb a felvett elektromos energiánál. Ha ahogy tanulmányunkban is feltételezzük, hogy a teljes elektromos energia helyileg disszipálódik, akkor a VOIP forgalomirányítók hőkibocsátását némileg felülbecsüljük, ám ez csak elhanyagolható hibát okoz. 4
A hőterhelés gyors kiszámításához az 1. táblázatban adtunk meg egy munkalapot. A munkalap alapján rövid idő alatt és megbízhatóan meg lehet becsülni egy adatközpont összesített hőkibocsátását. A munkalap használatát lejjebb ismertetjük. 1. táblázat: Munkalap adatközpont vagy hálózati helyiség hőkibocsátásának becsléséhez Rendszerelem Szükséges adat Hőkibocsátás Részösszeg Számítástechnikai berendezések Szünetmentes tápegység akkumulátorral Energiaellátás Világítás Emberek Számítástechnikai berendezések teljes áramfelvétele wattban mérve Az elektromos rendszer névleges teljesítménye wattban mérve Az elektromos rendszer névleges teljesítménye wattban mérve Alapterület négyzetlábban mérve vagy Alapterület négyzetméterben mérve Az adatközpontban tartózkodó személyek maximális száma Azonos a wattban mért elektromosenergiafogyasztással (0,04 x névleges teljesítmény) + (0,06 x számítástechnikai berendezések teljes áramfelvétele) (0,02 x névleges teljesítmény) + (0,02 x számítástechnikai berendezések teljes áramfelvétele) 2,0 x alapterület (négyzetláb) vagy 21,53 x alapterület (négyzetméter) 100 x személyek maximális száma Összesen Fentiek részösszege A hőkibocsátási részösszegek összege A követendő eljárás Szerezzük be a Szükséges adat oszlopban szereplő értékeket. Szükség esetén tekintsük át az alábbi definíciókat. Végezzük el a hőkibocsátási számításokat, majd írjuk be az eredményeket a részösszeg oszlopba. A részösszegek összeadásával megkapjuk a teljes hőkibocsátást. Definíciók Számítástechnikai berendezések teljes áramfogyasztása wattban mérve Az egyes számítástechnikai készülékek elektromosenergia-felvételének összege. Elektromos rendszer névleges teljesítménye A szünetmentes táprendszer névleges teljesítménye. Redundáns rendszernél a redundáns egység kapacitását nem kell figyelembe venni. 5
Példa egy átlagos rendszerre A továbbiakban egy átlagos rendszer hőkibocsátását vizsgáljuk meg. Példaként egy 465 m 2 alapterületű, 250 kw névleges áramfogyasztású, 150 állványt tartalmazó adatközpontot veszünk, legfeljebb húszfős személyzettel. Feltételezzük, hogy az adatközpont 30 százalékos kihasználtságú, ami átlagos értéknek számít. A jellemző kihasználtságot az APC 37-es számú, Az adatközpont és hálózati terem infrastruktúra túlméretezéséből eredő többletköltségek elkerülése című tanulmánya tárgyalja. Ebben az esetben az adatközpont teljes számítástechnikai jellegű terhelése a 250 kw 30 százaléka, vagyis 75 kw. Ekkor az adatközpont teljes hőkibocsátása 108 kw, vagyis nagyjából 50 százalékkal több a számítástechnikai berendezések terhelésénél. Azt, hogy átlagos kiépítésnél az adatközpont különféle elemei mekkora hányadban járulnak hozzá a hőkibocsátáshoz, az 1. ábra szemlélteti. 1. ábra: Átlagos adatközpont hőkibocsátásának összetétele Áramellátás 6 % Személyzet 2 % Világítás 9 % Szünetmentes tápegységek 13 % Számítástechnikai berendezések 70 % Megjegyezzük, hogy a szünetmentes tápegységek és az áramellátó rendszer részesedésének viszonylagos növekedését okozza az a tény, hogy a rendszer teljes kapacitásának csak 30 százalékán üzemel. Ha a központ teljes kihasználtsággal üzemelne, akkor az áramellátó rendszer hatékonysága nőne, a teljes hőkibocsátáshoz való viszonylagos hozzájárulása pedig mérséklődne. A jelentős hatékonyságromlás a rendszer túlméretezésének következménye. 6
További hőforrások Az előbbi elemzés figyelmen kívül hagyja a környezeti hőforrásokat, mint például az ablakokon bejutó napfény és a külső falak által bevezetett hő. Sok kisebb adatközpontnak és hálózati helyiségnek nincs külső fala vagy ablaka, így ezeket a tényezőket valóban figyelmen kívül lehet hagyni. A nagyméretű, külső falakkal vagy tetővel rendelkező adatközpontokba viszont további hő juthat be, amelyet a légkondicionáló rendszernek el kell vonnia. Ha az adatközpont egy légkondicionált létesítményen belül helyezkedik el, akkor az egyéb hőforrásokat figyelmen kívül lehet hagyni. Ha az adatközpontnak nagyobb felületű a külvilággal érintkező fala vagy teteje van, akkor szakemberre kell bízni az ebből fakadó maximális hőterhelés felmérését, majd a vizsgálat eredményét hozzá kell adni az előző részben kapott értékhez. Páratartalom A légkondicionáló rendszernek nemcsak a hő elvonása, de a páratartalom szabályozása is feladata. Ideális esetben a kívánt páratartalom elérése után a rendszernek állandó páratartalommal kellene üzemelnie, és folyamatos párásításra nem lenne szükség. Sajnos a legtöbb légkondicionáló rendszer hűtőjén kicsapódik a vízpára, ami a páratartalom csökkenéséhez vezet. A kívánt páratartalom fenntartásához tehát kiegészítő párásításra van szükség. A kiegészítő párásítás miatt növekedik a légkondicionáló berendezés terhelése, vagyis csökken hatékonysága, ami miatt túlméretezésre van szükség. A kisebb adatközpontokban és a nagyméretű huzalozási központokban a hűtött és a visszatérő levegőt megfelelő csövezéssel elválasztó légkondicionáló rendszert alkalmazva meg lehet előzni a vízpára kicsapódását, ilyenkor kiegészítő párásításra sincs szükség. Ekkor a névleges légkondicionáló kapacitás 100 százalékosan kihasználható, hatékonyságcsökkenéstől nem kell tartani. A nagyméretű adatközpontokban, ahol komoly légkeveréssel kell számolni, a légkondicionáló egységnek alacsony hőmérsékletű levegő szállításával kell elnyomnia a magasabb hőmérsékletű berendezések légkiömlői által okozott visszaforgatási hatásokat. Ebből számottevő páratartalom-csökkenés származik, ami szükségessé teszi a kiegészítő párologtatást. Az eredmény a légkondicionáló rendszer teljesítményének és hatékonyságának csökkenése, ami 30 százalékos túlméretezést tesz szükségessé. A légkondicionáló rendszert tehát kisebb, csöves visszavezetéssel ellátott rendszernél semennyire nem, erőteljes légkeveréssel üzemelő rendszernél viszont 30 százalékkal kell túlméretezni. A párásítással kapcsolatban az APC 58-as számú, Humidification Strategies for Data Centers and Network Rooms (csak angolul) című tanulmánya tartalmaz részletesebb információkat. 7
A légkondicionáló rendszer méretezése A hűtési követelmények meghatározása után el lehet végezni a légkondicionáló rendszer méretezését. Ennek során a következő, már említett tényezőket kell figyelembe venni: A berendezések hőterhelésének nagysága (az energiaellátó rendszert is figyelembe véve) Az épület hőterhelésének nagysága A páratartalom fenntartása miatt szükséges túlméretezés A redundancia megteremtése miatt szükséges túlméretezés A jövőbeli követelmények kielégítése miatt szükséges túlméretezés A teljes hőterhelést a fenti tényezők wattban vett értékének összegzésével lehet meghatározni. Összegzés Az informatikai rendszerek hűtési követelményeinek meghatározása egy viszonylag egyszerű folyamattal, különleges szakképzettség nélkül, bárki által elvégezhető. Ha minden energia- és hűtési mennyiséget wattban fejezünk ki, akkor tovább egyszerűsíthetjük a folyamatot. Általános szabály, hogy a légkondicionáló berendezést a várható számítástechnikai jellegű terhelés és a redundancia figyelembe vételével számított érték 1,3-szeresére kell méretezni. Ez a megközelítés kisebb, 370 m 2 alatti alapterületű hálózati helyiségek esetében is jól alkalmazható. A nagyobb adatközpontokban csupán a hűtési követelmények alapján nem lehet kiválasztani a megfelelő légkondicionálót. Ezeknél általában az egyéb hőforrások falak, tető és a visszaforgatás hatása elég jelentős, így az adott telepítésnél ezeket egyedileg kell figyelembe venni. A légszállító csövezés vagy az emelt padlózat felépítése komoly hatással bír a rendszer általános teljesítményére, továbbá az adatközponton belüli hőmérsékleteloszlást is jelentősen átalakíthatja. Egy könnyen átlátható, szabványos és moduláris légelosztó rendszert a fenti egyszerű, a hőtermelés becslésére szolgáló módszerrel együtt alkalmazva az adatközpontokkal kapcsolatos tervezési munkák nagyságrendekkel leegyszerűsíthetők. 8
Néhány szó a szerzőről: Neil Rasmussen az American Power Conversion alapítója és műszaki igazgatója. Az APC-nél Neil irányítja a világ legnagyobb költségvetésű, a létfontosságú hálózatok energiaellátásával, hűtésével és állványos infrastruktúrájával kapcsolatos kutatás-fejlesztési munkákat végző szervezetét. A fő termékfejlesztési központok Massachusettsben, Missouriben, Dániában, Rhode Islanden, Tajvanon és Írországban találhatók. Neil jelenleg az APC moduláris, méretezhető adatközpont megoldások kifejlesztésére irányuló munkálatait irányítja. Az APC 1981-es megalapítása előtt Neil az MIT-n szerzett villamosmérnöki diplomát, ahol diplomadolgozatát egy Tokamak fúziós reaktor 200 MW-os tápellátásáról írta. 1979 és 1981 között az MIT Lincoln Laboratóriumában dolgozott, ahol lendkerekes energiatároló megoldásokkal és napenergiás rendszerekkel foglalkozott. 9