Это старая версия документа!
Содержание
Подходы к энергосбережению на основе данных
Общая концепция
Энергосбережение в ЦОД достигается за счёт анализа показаний сенсорных систем и адаптивного управления охлаждением. Основные направления:
- отключение недогруженных CRAC/CRAH и чиллеров (режим «air-side economizer»);
- оптимизация уставок температуры и влажности;
- регулировка частоты вентиляторов и насосов (VFD);
- управление притоком наружного воздуха при соблюдении микроклиматических условий.
Составляющие энергопотребления охлаждения
Общая мощность охлаждения ЦОД складывается из двух компонентов:
$$ P_{\text{Cool}} = P_{\text{Chill}} + P_{\text{CRAC}} $$
где:
- \( P_{\text{Chill}} \) — мощность, потребляемая системой холодоснабжения (чиллеры, насосы, градирни);
- \( P_{\text{CRAC}} \) — мощность, затрачиваемая на циркуляцию воздуха через кондиционеры залов.
Для оценки эффективности применяется коэффициент производительности COP (Coefficient of Performance):
$$ COP = \frac{P_{\text{RF}}}{P_{\text{Cool}}} $$
где \( P_{\text{RF}} \) — тепловая мощность, отводимая от серверного оборудования.
Базовая и фактическая мощности
Сравнение «до» и «после» внедрения мер энергосбережения осуществляется через две функции:
$$ P^{BAU}_{Cool}(t) = \frac{P_{RF}(t)}{COP(t=0)} \\ P^{Actual}_{Cool}(t) = \frac{P_{RF}(t)}{COP(t)} $$
Экономия мощности:
$$ P^{Savings}_{Cool}(t) = P^{BAU}_{Cool}(t) - P^{Actual}_{Cool}(t) $$
Суммарная экономия энергии за интервал времени \([t_1, t_2]\):
$$ E^{Savings}_{Cool}(t) = \int_{t_1}^{t_2} P^{Savings}_{Cool}(t) \, dt $$
Влияющие факторы
| Параметр | Источник данных | Влияние на энергопотребление |
|---|---|---|
| Наружная температура \(T_{OS}\) | Метеоданные, сенсоры на воздухозаборе | Определяет возможность работы economizer (естественного охлаждения) |
| Уставка подачи воздуха \(T_S\) | CRAC/CRAH | Чем выше уставка, тем выше COP и меньше энергозатраты |
| Температурный градиент \(ΔT\) | Сенсоры T на входе/выходе стойки | Определяет эффективность теплообмена и загрузку охлаждения |
| Скорость вентиляторов | Приводы VFD | Изменение мощности ∝ n³, сильное влияние на потребление |
| Влажность и точка росы | Сенсоры RH | Управление притоком наружного воздуха без конденсации |
| Скорость коррозии | Сенсоры Ag/Cu | Контроль чистоты приточного воздуха и предельных режимов economizer |
Упрощённая модель расчёта мощности чиллера
$$ P_{\text{Chill}} = \frac{P_{RF} \, χ} {COP_{\text{Chill}} (1+m_2(T_{OS,O}-T_{OS})) (1+m_1(T_S-T_{S,O}))} + P_{RF} f_{\text{Chill}} $$
где:
- \( χ \) — коэффициент загрузки чиллера (0 — выключен, 1 — включен);
- \( m_1, m_2 \) — температурные коэффициенты (до 5 %/°C);
- \( f_{\text{Chill}} \) — доля энергии на вспомогательные процессы (≈5 %);
- \( T_{OS} \) — наружная температура;
- \( T_S \) — температура подачи холодного воздуха.
Алгоритм управления economizer
Порог включения наружного воздуха:
$$ T_{FC} = T_{OS} - ΔT $$
где \( ΔT = 0.5–2 °C \) — поправка на подогрев воздуха в каналах.
Если \( T_{OS} ≥ T_{FC} \) → economizer выключен (работают чиллеры). Если \( T_{OS} < T_{FC} \) → economizer активен (естественное охлаждение).
Оптимизация режима economizer:
- повышение COP при увеличении температуры уставки подачи (Tₛ);
- ограничение влажности наружного воздуха ≤ 90 %;
- контроль горячих зон с помощью сенсорной сети;
- постепенное отключение чиллеров при стабильных условиях.
Сценарии применения и эффекты
| Сценарий | Условие запуска | Эффект по COP | Энергосбережение |
|---|---|---|---|
| Air-side economizer | \(T_{OS} < T_{FC}\) | +10–25 % | Снижение потребления чиллеров |
| Dynamic setpoint | Изменение Tₛ по данным сенсоров | +5–10 % | Оптимизация уставок охлаждения |
| Fan VFD optimization | Пересмотр частоты вращения | +5–15 % | Экономия на вентиляции |
| Intelligent CRAC shutdown | Отключение недогруженных блоков | +10–20 % | Снижение холостого расхода энергии |
| Adaptive humidity control | Внешние условия < 90 % RH | +3–7 % | Меньше осушения и конденсации |
Пример интерпретации данных
Использование сенсорной сети
- По данным распределённых температурных сенсоров формируется тепловая карта зала.
- Вычисляется допустимое значение максимальной температуры «горячих зон» \(T_{HS}\) с учётом дисперсии.
$$ T_{HS} = T_S \pm 3\,\sigma_T $$
- При превышении порога часть CRAC переводится в активный режим.
- При стабильных показаниях — активируется economizer или повышается уставка \(T_S\).
Обозначения к формулам
| Обозначение | Определение/единицы |
|---|---|
| \(P_{RF}\) | Тепловая нагрузка ИТ-оборудования, кВт |
| \(P_{\text{Cool}}\) | Суммарная мощность на охлаждение, кВт |
| \(P_{\text{Chill}}\) | Мощность системы холодоснабжения (чиллеры, насосы, градирни), кВт |
| \(P_{\text{CRAC}}\) | Мощность вентиляторов/внутренних узлов CRAC/CRAH, кВт |
| \(COP\) | Коэффициент эффективности охлаждения: \(COP = \frac{P_{RF}}{P_{\text{Cool}}}\), безразмерный |
| \(T_{OS}\) | Температура наружного воздуха, °C |
| \(T_S\) | Уставка температуры подачи воздуха в зал (discharge), °C |
| \(\Delta T\) | Температурная поправка на подогрев потока при транспортировке, обычно \(0.5{-}2\) °C |
| \(\sigma_T\) | Среднеквадратичное отклонение распределения температур на впуске стоек, °C |
| \(T_{HS}\) | Порог температуры «горячих зон», °C (трёхсигмовое правило) |
| \(\chi\) | Коэффициент использования чиллера: \(0\) — выключен, \(1\) — включен |
| \(m_1, m_2\) | Температурные коэффициенты влияния \(T_S\) и \(T_{OS}\) на \(COP_{\text{Chill}}\), до 5 %/°C |
| \(f_{\text{Chill}}\) | Доля вспомогательных потерь чиллера (насосы/градирня), ~5 % |
| \(T_{FC}\) | Порог включения economizer: \(T_{FC}=T_{OS}-\Delta T\), °C |
Ключевые идеи
- Энергосбережение достигается за счёт управления COP на основе реальных данных сенсоров.
- Уставка подачи воздуха и температура наружной среды — главные рычаги регулирования.
- При стабильных условиях economizer позволяет отключить чиллеры.
- Сенсорная сеть обеспечивает непрерывный контроль и адаптацию охлаждения.
- Корректный расчёт COP и порогов \(T_{HS}\), \(T_{FC}\) позволяет сбалансировать энергоэффективность и надёжность.