Содержание
Потенциал измеримой экономии
Общие положения
Оценка потенциальной экономии энергии в ЦОД проводится на основе данных сенсорной сети, климатических условий и параметров работы систем охлаждения. Основное внимание уделяется режимам свободного охлаждения (free cooling) и автоматическому управлению CRAC, которые позволяют снизить энергопотребление на 20–40 % в зависимости от региона и сезонных условий.
Валидация режима свободного охлаждения
В режиме частичного свободного охлаждения доля участия чиллера (\(χ\)) изменяется в диапазоне от 0 до 1 — в зависимости от соотношения наружного и рециркулируемого воздуха.
- При \(χ = 0\) — чиллер полностью отключён, охлаждение производится только наружным воздухом.
- При \(χ = 1\) — всё охлаждение обеспечивается механически (чиллером).
Исследования восьми ЦОД в различных климатических зонах показали:
- эффективность повышается, когда температура наружного воздуха \(T_{OS}\) ниже уставки подачи \(T_S\);
- при относительной влажности выше 80–90 % свободное охлаждение ограничивается для предотвращения конденсата;
- в умеренном климате возможно до 70 % времени работать без чиллера.
Эффективность оценивается по коэффициенту производительности охлаждения (COP):
$$ COP_{\text{Chill}} = \frac{P_{RF}}{P_{\text{Chill}}} $$
Расшифровка параметров:
| Переменная | Определение | Единицы измерения |
|---|---|---|
| \(COP_{\text{Chill}}\) | Коэффициент энергоэффективности системы холодоснабжения | безразмерный |
| \(P_{RF}\) | Полная тепловая нагрузка ИТ-оборудования | кВт |
| \(P_{\text{Chill}}\) | Мощность, потребляемая системой холодоснабжения (чиллеры, насосы, градирни) | кВт |
- Значение COP ≥ 8 — отличная энергоэффективность.
- COP = 1–5 — низкий уровень, характерный для устаревших систем.
Мониторинг качества воздуха
Контроль чистоты и химической активности воздуха осуществляется по данным коррозионных сенсоров:
- медные сенсоры (Cu) показывали скорость коррозии менее 50 Å/мес, что соответствует норме;
- серебряные сенсоры (Ag) периодически фиксировали скачки при изменении приточного потока.
Наблюдения подтвердили: включение economizer не вызывает роста загрязнения при надлежащей фильтрации воздуха.
Валидация автоматического управления CRAC
Результаты наблюдений:
- В стандартном режиме часть CRAC работает с минимальной загрузкой (разница температур подачи и возврата — 2–3 °C).
- После активации системы управления недогруженные блоки переводятся в резерв, оставшиеся работают с ΔT ≈ 13 °C.
- Давление под фальшполом снижается, но остаётся в пределах нормы (±5 %).
- Температура в зале повышается не более чем на 0,5–1 °C.
Результаты эксперимента:
- из 8 CRAC активными остались 3;
- 5 CRAC переведены в резерв без ухудшения охлаждения;
- экономический эффект — более 60 000 $ в год при тарифе 0,1 $/кВт·ч.
Логика алгоритма реагирования
Алгоритм работы по событиям сенсорной сети
Критерии оптимальности охлаждения
Оптимальное состояние системы определяется следующими условиями:
- температура возвратного воздуха одинакова во всех рядах стоек;
- минимальное число активных CRAC обеспечивает требуемое охлаждение;
- не возникает локальных перегревов («горячих зон»);
- давление под фальшполом стабильно в пределах ±5 % от расчётного.
$$ U_{CRAC} \propto (T_{возврат} - T_{подача}) $$
Расшифровка переменных:
| Переменная | Определение | Единицы измерения |
|---|---|---|
| \(U_{CRAC}\) | Коэффициент загрузки CRAC | — |
| \(T_{возврат}\) | Температура воздуха на возврате (в заборе CRAC) | °C |
| \(T_{подача}\) | Температура воздуха на выходе из CRAC | °C |
Практические результаты эксперимента
| Показатель | До внедрения управления | После внедрения | Изменение |
|---|---|---|---|
| Средняя разница температур подачи/возврата \(ΔT\) | 3–4 °C | 12–13 °C | +250 % |
| Давление под фальшполом | 55 Па | 50 Па | −10 % |
| Количество активных CRAC | 8 | 3 | −62 % |
| Средняя температура зала | 18 °C | 18,5 °C | +0,5 °C |
| Энергопотребление системы охлаждения | 100 % | 65–70 % | −30–35 % |
Интерпретация и оценка энергосбережения
Энергия, сэкономленная при внедрении управления, определяется как:
$$ E^{Savings}_{Cool} = \int_{t_1}^{t_2} \left( \frac{P_{RF}(t)}{COP(t=0)} - \frac{P_{RF}(t)}{COP(t)} \right) dt $$
Расшифровка:
| Переменная | Определение | Единицы |
|---|---|---|
| \(E^{Savings}_{Cool}\) | Общая экономия энергии за период наблюдения | кВт·ч |
| \(P_{RF}(t)\) | Тепловая мощность, отводимая от серверов, во времени | кВт |
| \(COP(t)\) | Коэффициент эффективности в момент времени \(t\) | безразмерный |
| \(t_1, t_2\) | Начало и конец расчётного периода | ч |
Выводы
- Потенциал снижения энергопотребления систем охлаждения — до 40 % при интеграции свободного охлаждения и адаптивного управления CRAC.
- Эффективность особенно высока в регионах с умеренным климатом.
- Использование сенсорной сети позволяет поддерживать COP на оптимальном уровне и минимизировать холостую работу оборудования.
- Алгоритмы реагирования предотвращают перегрев и обеспечивают равномерность температурного поля.
- Экономический эффект подтверждён экспериментально: около 60 000 $ в год для ЦОД среднего масштаба.