Rozwiązania w zakresie doboru mocy dla zastosowań przemysłowych: Trotec PT 23000 S do chłodzenia serwerowni

Serwerownia, która przekracza swój projektowy punkt termiczny, nie ulega awarii stopniowo. Ulega awarii nagle: moduł DIMM osiąga graniczną temperaturę złącza, ogranicza wydajność do 30 procent, a obsługiwana przez niego aplikacja przechodzi w stan przekroczenia limitu czasu. Dwie minuty później kontroler pamięci masowej na sąsiednim serwerze robi to samo. Zanim panel monitorowania pokaże czerwony alarm, szkody mogą już być dokonane — nie w sprzęcie, który nowoczesne urządzenia chronią poprzez ograniczanie wydajności termicznej, lecz w usługach, które zależały od utrzymania jego pełnej wydajności.

Trotec PT 23000 S to przenośny klimatyzator punktowy klasy komercyjnej zaprojektowany dokładnie do tego środowiska: obciążeń cieplnych o dużej gęstości w ograniczonych przestrzeniach, gdzie stała infrastruktura CRAC (klimatyzator serwerowni) albo nie istnieje, uległa awarii, albo wymaga przenośnego uzupełnienia podczas okien serwisowych. Zrozumienie, jak dobrać moc, wdrożyć i zaplanować redundancję jednostki takiej jak PT 23000 S, wymaga innych obliczeń niż dobór mocy chłodzenia domowego, znany większości nabywców przenośnych klimatyzatorów.

Czym jest Trotec PT 23000 S i co odróżnia go od domowych przenośnych klimatyzatorów?

Trotec PT 23000 S to przenośny klimatyzator punktowy o dużej wydajności, o mocy chłodniczej wynoszącej około 23 000 BTU/h (mniej więcej 6,7 kW), przeznaczony do pracy ciągłej w środowiskach komercyjnych o wysokich obciążeniach ciepłem jawnym. Podczas gdy domowe przenośne klimatyzatory są projektowane do 8 do 12 godzin codziennego cyklicznego użytku w środowiskach o niskim zapyleniu, PT 23000 S jest zbudowany do pracy 24/7 w serwerowniach, obszarach druku i produkcji oraz tymczasowych obudowach roboczych — środowiskach o ciągłej wysokiej emisji ciepła, podwyższonym zapyleniu powietrza i braku tolerancji na nieplanowane przestoje.

Kluczowe różnice w stosunku do jednostek domowych obejmują: sprężarkę i wymiennik ciepła o wyższej wydajności, dobrane do ciągłej pracy pod pełnym obciążeniem; kanałowy wylot gorącego powietrza zaprojektowany do połączenia z elastycznym kanałem odprowadzającym ciepło wywiewne z chłodzonej przestrzeni; system zarządzania kondensatem zdolny do obsługi ciągłych wysokich wskaźników kondensacji powstających przy chłodzeniu gęstych obciążeń elektronicznych; oraz wzmocnioną obudowę przystosowaną do wielokrotnego przemieszczania w środowiskach komercyjnych. Wymóg zasilania elektrycznego — zazwyczaj 16 A jednofazowo przy 230 V — mieści się w standardowej specyfikacji gniazd komercyjnych, ale przekracza to, co domowe gniazdo 13 A może wytrzymać w sposób ciągły.

Jak obliczyć zapotrzebowanie na chłodzenie serwerowni?

Obliczanie obciążenia cieplnego serwerowni zaczyna się od prostej tożsamości: każdy wat energii elektrycznej wchodzący do przestrzeni IT opuszcza ją jako ciepło. Serwer zużywający 400 W energii elektrycznej na wejściu zasilacza wytwarza 400 W ciepła wewnątrz pomieszczenia. Szafa z dwudziestoma serwerami po 400 W każdy wytwarza 8 000 W (8 kW) ciepła. Jest to dominujące obciążenie w każdej przestrzeni IT i jest ono określane wyłącznie poprzez pomiar lub specyfikację całkowitego zużycia energii elektrycznej zainstalowanego sprzętu — a nie na podstawie wydajności w BTU wynikającej z publikowanych projektowych punktów termicznych serwerów.

Do tego podstawowego obciążenia IT należy dodać wtórne źródła ciepła: oświetlenie (zazwyczaj 5 do 15 W na metr kwadratowy dla serwerowni z oświetleniem LED), ludzi (około 100 W na obecną osobę) oraz ciepło przewodzone przez przegrody budynku (obliczane standardowymi metodami wartości U i powierzchni dla konkretnej konstrukcji). Dla większości małych i średnich serwerowni, gdzie dominuje obciążenie IT, te wtórne źródła dodają od 5 do 15 procent do sumy. Zachowawczy współczynnik projektowy 1,15-krotności zmierzonego obciążenia IT daje minimalną wymaganą wydajność chłodniczą.

Wytyczne termiczne ASHRAE dla sprzętu centrów danych (ASHRAE Technical Committee 9.9, Guidelines for Data Center Environments, 2021) określają zalecane temperatury powietrza wlotowego od 18 do 27°C dla sprzętu klasy A2 (najczęstsza klasyfikacja serwerów), przy dopuszczalnej wilgotności powietrza wlotowego między 20 a 80 procent wilgotności względnej. Te ograniczenia definiują specyfikację wyjściową systemu chłodzenia: dostarczanie powietrza o temperaturze od 18 do 22°C do wlotów sprzętu oraz utrzymywanie tej temperatury przy pełnym projektowym obciążeniu cieplnym IT.

Notacja N+1 w tabeli odnosi się do projektu redundancji: N jednostek zapewnia wymaganą wydajność chłodniczą, z jedną dodatkową jednostką dostępną do zastąpienia dowolnej pojedynczej uszkodzonej jednostki bez przerwy w świadczeniu usług. N+1 to minimalny standard redundancji dla każdej serwerowni, w której planowana lub nieplanowana konserwacja chłodzenia nie może być tolerowana jako przestój. Dla Trotec PT 23000 S o mocy chłodniczej około 6,7 kW obciążenie IT rzędu 7,5 kW wymaga dwóch jednostek, aby osiągnąć N+1 — jedna pracuje, druga w gotowości.

Jak prawidłowo umieścić przenośny klimatyzator punktowy w serwerowni?

PT 23000 S wydmuchuje zimne powietrze przez kierunkowy wylot i odprowadza gorące powietrze skraplacza przez połączenie kanałowe z tyłu. Kanał wywiewny musi być poprowadzony poza chłodzoną przestrzeń — przez płytę sufitową, przepust ścienny lub szczelinę drzwiową — aby zapobiec ponownemu obiegowi odprowadzanego ciepła z powrotem do serwerowni i zniweczeniu efektu chłodzenia. Jest to najczęstszy błąd wdrożeniowy: nieokanałowany lub częściowo okanałowany przenośny klimatyzator punktowy wydmuchujący gorące powietrze do tego samego pomieszczenia, które chłodzi, osiągnie zerowe chłodzenie netto, zużywając przy tym pełną moc elektryczną.

W przypadku serwerowni wykorzystujących izolację gorących/zimnych korytarzy (strategia rozmieszczenia oddzielająca powietrze wlotowe sprzętu od wywiewnego poprzez naprzemienne ustawienie frontów szaf), wylot zimnego powietrza PT 23000 S powinien być skierowany do zimnego korytarza — korytarza, w którym znajdują się fronty wlotowe serwerów. Kanał gorącego wywiewu powinien przechodzić przez lub nad izolacją gorącego korytarza do systemu wentylacyjnego budynku lub bezpośrednio na zewnątrz. Takie wdrożenie pozwala klimatyzatorowi punktowemu zasilać dokładnie ten strumień powietrza, który zasysają serwery, maksymalizując udział wydajności chłodniczej docierającej do wlotów sprzętu.

Przypadek graniczny: chłodzenie przenośne jako awaryjny N+1 dla uszkodzonej stałej jednostki CRAC

W wielu organizacjach najbardziej wartościowym zastosowaniem komercyjnego przenośnego klimatyzatora punktowego nie jest chłodzenie podstawowe, lecz redundancja awaryjna. Centrum danych lub serwerownia z pojedynczą stałą jednostką CRAC ma ukryty deficyt N+1: jeśli CRAC ulegnie awarii, nie ma zapasowego rozwiązania. Trotec PT 23000 S lub równoważna komercyjna jednostka przenośna przechowywana w pobliskim pomieszczeniu sprzętowym, z wcześniej dopasowanym elastycznym kanałem wywiewnym o długości sięgającej ścieżki wywiewu serwerowni, może zostać wdrożona w 10 do 20 minut, aby przywrócić chłodzenie niezbędne do podtrzymania krytycznych usług podczas naprawy CRAC. Koszt inwestycyjny jednostki przenośnej (zazwyczaj od 2000 do 4000 euro za wydajność klasy komercyjnej) jest niewielki w porównaniu z kosztem zakłócenia usług trwającego nawet jedną godzinę w komercyjnym środowisku IT. Organizacje, które prowadzą kanał wywiewny jednostki przenośnej przez dedykowany przewód zainstalowany podczas pierwotnej budowy serwerowni, mogą osiągnąć awaryjne wdrożenie w czasie poniżej pięciu minut — czas reakcji zapobiegający dotarciu jakiegokolwiek zdarzenia ograniczenia wydajności termicznej do warstwy usług.

Jakie są wymagania elektryczne i infrastrukturalne dla PT 23000 S?

PT 23000 S wymaga dedykowanego zasilania jednofazowego 16 A 230 V, najlepiej z obwodu chronionego wyłącznikiem MCB typu C, aby uwzględnić prąd rozruchowy silnika przy uruchamianiu. W serwerowni z zasięgiem UPS (zasilacz bezprzerwowy — konwersja mocy z podtrzymaniem bateryjnym utrzymująca zasilanie podczas awarii sieci) dla sprzętu IT, zasilanie przenośnego klimatyzatora powinno również pochodzić z zasilania podtrzymywanego przez UPS, jeśli chłodzenie ma być utrzymywane podczas przerwy w zasilaniu sieciowym. Jednostka chłodząca o mocy 6,7 kW przy mocy wejściowej około 2,2 kW wymaga UPS o wydajności wystarczającej do jednoczesnego podtrzymania zarówno obciążenia IT, jak i obciążenia chłodzeniem.

Zarządzanie kondensatem to drugi aspekt infrastrukturalny. PT 23000 S generuje znaczne ilości kondensatu z dużego obciążenia ciepłem utajonym, które przetwarza w środowisku serwerowni (elektronika wytwarza ciepło wywiewne o niskiej wilgotności, ale sam proces chłodzenia skrapla wilgoć z powietrza). Jednostka powinna być albo podłączona do ciągłego odpływu grawitacyjnego, albo wyposażona w wbudowaną pompę kondensatu i przewód odprowadzający poprowadzony do pobliskiego odpływu podłogowego. Pozostawienie zbiornika kondensatu do napełnienia i wywołania wyłączenia przez pełny pływak nie jest dopuszczalne dla jednostki wdrożonej w krytycznej roli chłodzenia — jednostka wyłączy się automatycznie, gdy zbiornik będzie pełny, dokładnie wtedy, gdy chłodzenie jest najbardziej potrzebne.

W dyskusjach na r/AskEngineers dotyczących chłodzenia małych centrów danych inżynierowie konsekwentnie zalecają dobór mocy przenośnych klimatyzatorów punktowych dla komercyjnych serwerowni na poziomie 120 do 130 procent całkowitego zmierzonego obciążenia IT, a nie na podstawie mocy znamionowej zainstalowanego sprzętu, poprawnie uwzględniając przyszły wzrost obciążenia oraz wtórne źródła ciepła, które obliczenia oparte na kartach katalogowych często pomijają.

Jak komercyjne chłodzenie przenośne wypada w porównaniu z inwestycją w stałą jednostkę CRAC?

Dla stałych małych serwerowni o stabilnych obciążeniach IT stała jednostka CRAC zazwyczaj zapewnia lepszą długoterminową wartość niż jednostka przenośna w roli chłodzenia podstawowego: jednostki stałe mają wyższy COP (ponieważ mogą wykorzystywać większe, bardziej wydajne wymienniki ciepła), niższy poziom hałasu oraz dedykowane ścieżki powietrza nawiewnego i powrotnego zaprojektowane w pomieszczeniu. PT 23000 S i podobne komercyjne jednostki przenośne obsługują odmienną niszę ekonomiczną: scenariusze, w których inwestycja w stałą infrastrukturę nie może być uzasadniona (wdrożenia tymczasowe, wynajmowane obiekty, środowiska IT typu proof-of-concept) lub w których szybkość wdrożenia przeważa nad zaletami wydajności i kosztów instalacji stałej.

Dla organizacji, które już posiadają stałe chłodzenie i oceniają jednostki przenośne wyłącznie pod kątem redundancji N+1, kalkulacja kosztów jest prosta: jednostka przenośna musi działać jedynie przez czas trwania naprawy CRAC, a nie w sposób ciągły. Jej niższy COP w porównaniu z jednostką stałą nie ma znaczenia podczas sytuacji awaryjnej; jej zdolność do uruchomienia w ciągu minut, zamiast tygodni wymaganych do zakupu i instalacji zamiennego CRAC, ma znaczenie decydujące.

Wysokowydajne komercyjne przenośne jednostki chłodzące, takie jak Trotec PT 23000 S, obsługują wyspecjalizowany rynek, gdzie poziomy zapasów są bardziej stabilne niż w segmencie konsumenckich przenośnych klimatyzatorów. Konsumenckie przenośne jednostki typu split — Midea PortaSplit i równoważne europejskie modele mobilnych klimatyzatorów typu split — napotykają znacznie bardziej gwałtowne skoki popytu podczas letnich fal upałów, wyprzedając się w ciągu kilku godzin od pojawienia się w magazynach głównych detalistów.