Ipari méretezési megoldások: A Trotec PT 23000 S szerverterem-hűtéshez

Egy szerverterem, amely túllépi a hőtervezési pontját, nem fokozatosan hibásodik meg. Hirtelen hibásodik meg: egy DIMM modul eléri a lapkája hőmérsékleti határát, a teljesítménye 30 százalékára fojtódik le, és az általa kiszolgált alkalmazás időtúllépésbe fut. Két perccel később a szomszédos szerver tárolóvezérlője ugyanezt teszi. Mire a felügyeleti irányítópult pirosat mutat, a kár már megtörténhetett — nem a hardverben, amelyet a modern eszközök hőfojtással védenek, hanem a szolgáltatásokban, amelyek attól függtek, hogy a hardver teljes kapacitáson marad.

A Trotec PT 23000 S egy kereskedelmi minőségű hordozható pontszerű hűtő, amelyet pontosan ehhez a környezethez terveztek: nagy sűrűségű hőterhelésekhez szűkös terekben, ahol a fix CRAC (computer room air conditioner, számítógépterem-klíma) infrastruktúra vagy nem létezik, vagy meghibásodott, vagy hordozható kiegészítést igényel a karbantartási időablakok alatt. Ahhoz, hogy megértsük, hogyan kell méretezni, telepíteni és redundanciát tervezni egy olyan egységhez, mint a PT 23000 S, más számításokra van szükség, mint a legtöbb hordozható klíma vásárló által ismert lakossági hűtésméretezéshez.

Mi a Trotec PT 23000 S, és mi különbözteti meg a lakossági hordozható klímáktól?

A Trotec PT 23000 S egy nagy kapacitású hordozható pontszerű hűtő, amelynek hűtőteljesítménye körülbelül 23 000 BTU/h (nagyjából 6,7 kW), és folyamatos üzemre tervezték nagy érzékelhető hőterheléssel rendelkező kereskedelmi környezetekben. Míg a lakossági hordozható klímákat napi 8-12 órás, ciklikus használatra tervezték kevéssé poros környezetben, a PT 23000 S 24/7-es üzemre készült szervertermekben, nyomdai és gyártási területeken, valamint ideiglenes munkaterületeken — olyan környezetekben, ahol folyamatos a magas hőkibocsátás, megemelkedett a levegőben lévő szemcsemennyiség, és nincs tolerancia a nem tervezett leállásokra.

A lakossági egységektől való fő eltérések közé tartoznak: egy nagyobb kapacitású kompresszor és hőcserélő, amely folyamatos, teljes terhelésű üzemre van méretezve; csövezhető meleg levegő kifúvás, amelyet rugalmas légcsatornához terveztek a kipufogóhő hűtött térből való kivezetéséhez; egy kondenzvíz-kezelő rendszer, amely képes kezelni a sűrű elektronikai terhelések hűtése során keletkező folyamatos, magas kondenzációs mennyiséget; és egy megerősített váz, amelyet kereskedelmi környezetben történő ismételt áthelyezésre minősítettek. Az elektromos táplálási igény — jellemzően 16 A egyfázisú 230 V-on — a szabványos kereskedelmi aljzat-specifikáción belül van, de meghaladja azt, amit egy háztartási 13 A-es aljzat folyamatosan fenn tud tartani.

Hogyan számítja ki a szerverterem hűtési igényét?

A szerverterem hőterhelés-számítása egy egyszerű azonossággal kezdődik: minden watt elektromos teljesítmény, amely egy IT térbe belép, hőként távozik. Egy szerver, amely 400 W elektromosságot fogyaszt a tápegység bemenetén, 400 W hőt termel a helyiségben. Egy húsz, egyenként 400 W-os szerverből álló rack 8000 W (8 kW) hőt termel. Ez a domináns terhelés bármely IT térben, és teljes mértékben a telepített berendezés teljes elektromos fogyasztásának mérésével vagy megadásával határozható meg — nem a szerverek közzétett hőtervezési pontjainak BTU-kapacitásával.

Ehhez az alap IT terheléshez add hozzá a másodlagos hőforrásokat: világítás (jellemzően 5-15 W négyzetméterenként LED-es szervertermek esetén), emberek (jelenlévő személyenként körülbelül 100 W), és az épületszerkezeten át vezetett hő (a konkrét szerkezetre vonatkozó szabványos U-érték és terület módszerekkel számítva). A legtöbb kis- és közepes méretű szerverteremben, ahol az IT terhelés dominál, ezek a másodlagos források 5-15 százalékkal növelik a teljes értéket. Egy konzervatív, a mért IT terhelés 1,15-szörös tervezési tényezője adja a szükséges minimális hűtőkapacitást.

Az adatközponti berendezésekre vonatkozó ASHRAE hőirányelvek (ASHRAE Technical Committee 9.9, Guidelines for Data Center Environments, 2021) ajánlott belépő levegő hőmérsékletként 18-27°C-ot írnak elő a Class A2 berendezésekhez (a leggyakoribb szerverbesorolás), a megengedett belépő levegő páratartalma pedig 20 és 80 százalék relatív páratartalom között van. Ezek a korlátok határozzák meg a hűtőrendszer kimeneti specifikációját: 18-22°C-os levegő szállítása a berendezés beszívóihoz, és ennek a hőmérsékletnek a fenntartása a teljes tervezési IT hőterhelés mellett.

A táblázatban szereplő N+1 jelölés a redundanciatervezésre utal: N egység biztosítja a szükséges hűtőkapacitást, egy további egység pedig rendelkezésre áll, hogy bármely egyetlen meghibásodott egységet szolgáltatásmegszakítás nélkül helyettesítsen. Az N+1 a minimális redundanciaszabvány bármely szerverterem esetében, ahol a tervezett vagy nem tervezett hűtéskarbantartás nem tolerálható leállásként. A körülbelül 6,7 kW hűtésű Trotec PT 23000 S esetében egy 7,5 kW-os IT terheléshez két egységre van szükség az N+1 eléréséhez — az egyik üzemel, a másik készenlétben áll.

Hogyan helyezi el helyesen a hordozható pontszerű hűtőt egy szerverteremben?

A PT 23000 S egy irányított kimeneten keresztül fúvja ki a hideg levegőt, a meleg kondenzátor-levegőt pedig egy hátsó légcsatorna-csatlakozáson keresztül vezeti el. A kipufogó légcsatornát a hűtött téren kívülre kell vezetni — egy mennyezeti csempén, egy falátvezetésen vagy egy ajtórésen keresztül —, hogy megakadályozza a leadott hő visszakeringését a szerverterembe és a hűtőhatás semlegesítését. Ez a leggyakoribb telepítési hiba: egy csövezetlen vagy részben csövezett hordozható pontszerű hűtő, amely a meleg levegőt ugyanabba a helyiségbe fúvja, amelyet hűt, nulla nettó hűtést ér el, miközben teljes elektromos teljesítményt fogyaszt.

A meleg folyosó/hideg folyosó elkülönítést használó szervertermek esetében (egy elrendezési stratégia, amely a rack elülső oldalainak váltakozó tájolásával elkülöníti a berendezés beszívó légáramát a kifúvó légáramtól) a PT 23000 S hideglevegő-kimenetét a hideg folyosóba kell irányítani — abba a folyosóba, ahol a szerverek beszívóoldalai találhatók. A meleg kipufogó légcsatornának a meleg folyosó elkülönítésén keresztül vagy fölött kell áthaladnia az épület légkezelő rendszeréhez vagy közvetlenül a szabadba. Ez a telepítés lehetővé teszi, hogy a pontszerű hűtő pontosan azt a légáramot táplálja, amelyet a szerverek beszívnak, maximalizálva a berendezés beszívóit elérő hűtőkapacitás arányát.

A ritka eset: hordozható hűtés vészhelyzeti N+1-ként egy meghibásodott fix CRAC egységhez

Sok szervezet számára a legnagyobb értékű felhasználási eset egy hordozható kereskedelmi pontszerű hűtő esetében nem az elsődleges hűtés, hanem a vészhelyzeti redundancia. Egy adatközpont vagy szerverterem egyetlen fix CRAC egységgel rejtett N+1 hiánnyal rendelkezik: ha a CRAC meghibásodik, nincs tartalék. Egy Trotec PT 23000 S vagy azzal egyenértékű kereskedelmi hordozható egység, amelyet egy közeli berendezésteremben tárolnak egy előre kimért, a szerverterem kipufogó útvonalának eléréséhez méretezett rugalmas kipufogó légcsatornával, 10-20 perc alatt telepíthető a kritikus szolgáltatások fenntartásához szükséges hűtés helyreállításához, amíg a CRAC-ot javítják. A hordozható egység beruházási költsége (jellemzően 2000-4000 € kereskedelmi minőségű kapacitás esetén) kicsi ahhoz a költséghez képest, amelyet akár egyetlen órányi szolgáltatáskimaradás jelent egy kereskedelmi IT környezetben. Azok a szervezetek, amelyek az eredeti szerverterem-kivitelezés során telepített dedikált vezetéken keresztül vezetik a hordozható egység kipufogó légcsatornáját, öt percen belüli vészhelyzeti telepítést érhetnek el — olyan reakcióidőt, amely megakadályozza, hogy bármilyen hőfojtási esemény elérje a szolgáltatási réteget.

Milyen elektromos és infrastrukturális követelményeknek kell megfelelnie a PT 23000 S-nek?

A PT 23000 S egy dedikált 16 A egyfázisú 230 V-os táplálást igényel, ideális esetben egy C típusú kismegszakítóval védett áramkörről, hogy elviselje a motor indítási áramlökését. Egy olyan szerverteremben, ahol az IT berendezés UPS (szünetmentes tápegység — akkumulátoros tápátalakítás, amely hálózati kimaradás esetén fenntartja a kimenetet) lefedettséggel rendelkezik, a hordozható hűtő táplálását szintén UPS-tartalékos áramról kell táplálni, ha a hűtésnek hálózati kimaradás alatt is működnie kell. Egy 6,7 kW-os hűtőegység körülbelül 2,2 kW bemeneti teljesítménnyel olyan UPS-t igényel, amelynek kapacitása elegendő az IT terhelés és a hűtési terhelés egyidejű fenntartásához.

A kondenzvíz-kezelés egy második infrastrukturális megfontolás. A PT 23000 S jelentős kondenzvizet termel abból a nagy látens hőterhelésből, amelyet egy szerverterem-környezetben feldolgoz (az elektronika alacsony páratartalmú kipufogóhőt termel, de maga a hűtési folyamat kondenzálja a nedvességet a levegőből). Az egységet vagy folyamatos gravitációs lefolyóhoz kell csatlakoztatni, vagy beépített kondenzvíz-szivattyúval és egy közeli padlólefolyóhoz vezetett elvezető vezetékkel kell felszerelni. A kondenzvíztartály feltöltődni hagyása és egy úszós leállítás kiváltása nem elfogadható egy kritikus hűtési szerepben telepített egység esetében — az egység automatikusan kikapcsol, amikor a tartály megtelik, pontosan akkor, amikor a hűtésre a legnagyobb szükség van.

Az r/AskEngineers kis adatközponti hűtéssel foglalkozó vitáiban a mérnökök következetesen azt ajánlják, hogy a kereskedelmi szervertermekhez a hordozható pontszerű hűtőket a teljes mért IT terhelés 120-130 százalékára méretezzék, nem pedig a telepített berendezés adattábla-kapacitására, helyesen figyelembe véve a jövőbeli terhelésnövekedést és azokat a másodlagos hőforrásokat, amelyeket az adatlap-számítások gyakran figyelmen kívül hagynak.

Hogyan viszonyul a kereskedelmi hordozható hűtés a fix CRAC beruházáshoz?

Stabil IT terhelésű állandó kis szervertermek esetében egy fix CRAC egység jellemzően jobb hosszú távú értéket nyújt, mint egy hordozható egység elsődleges hűtési szerepben: a fix egységeknek magasabb a COP-juk (mert nagyobb, hatékonyabb hőcserélőket használhatnak), alacsonyabb a zajuk, és a helyiségbe tervezett dedikált táp- és visszatérő légútjaik vannak. A PT 23000 S és a hasonló kereskedelmi hordozható egységek más gazdasági rést szolgálnak ki: olyan forgatókönyveket, ahol a fix infrastrukturális beruházás nem indokolható (ideiglenes telepítések, bérelt létesítmények, koncepció-igazoló IT környezetek), vagy ahol a gyors telepítési sebesség meghaladja az állandó telepítés hatékonysági és költségelőnyeit.

Azoknak a szervezeteknek, amelyek már rendelkeznek fix hűtéssel, és a hordozható egységeket kizárólag N+1 redundancia céljából értékelik, a költségszámítás egyszerű: a hordozható egységnek csak egy CRAC-javítási esemény időtartamára kell működnie, nem folyamatosan. A fix egységhez képest alacsonyabb COP-ja nem számít vészhelyzet során; annál inkább az a képessége, hogy percek alatt üzemképes legyen, ahelyett hogy hetekbe telne egy cserélt CRAC beszerzése és telepítése.

A nagy kapacitású kereskedelmi hordozható hűtőegységek, mint a Trotec PT 23000 S, egy szakosodott piacot szolgálnak ki, ahol a készletszintek stabilabbak, mint a fogyasztói hordozható klíma szegmensben. A fogyasztói minőségű hordozható split egységek — a Midea PortaSplit és az egyenértékű európai mobil split modellek — sokkal agresszívebb keresleti csúcsokkal szembesülnek a nyári hőhullámok idején, órákon belül elfogyva, miután megjelennek a nagyobb kiskereskedőknél.