Jeżeli pojedyncza szafa rackowa generuje kilkadziesiąt kilowatów mocy cieplnej, odbiór energii wyłącznie za pomocą powietrza prowadzi do bardzo wysokich przepływów, wzrostu zużycia energii przez wentylatory oraz problemów z równomiernym rozkładem temperatury. W takich warunkach konieczne jest przeniesienie punktu odbioru ciepła bliżej źródła jego powstawania.
Od klas ASHRAE po dobór CDU i symulację CFD
Krok 1: Dobór klasy ASHRAE i temperatury zasilania
Pierwszą decyzją projektową jest określenie zakresu temperatur pracy wody technologicznej. Klasy ASHRAE dla chłodzenia cieczą (W17/W27, W32/W40, W45/W+) definiują dopuszczalne temperatury zasilania i mają bezpośredni wpływ na architekturę systemu.
Praca w zakresie 17–27°C oznacza wykorzystanie klasycznej infrastruktury chłodniczej opartej na chillerze i często wieży chłodniczej. Rozwiązanie to zapewnia stabilne warunki pracy, ale wiąże się z większym zużyciem energii.
Podniesienie temperatury zasilania do zakresu 32–40°C pozwala ograniczyć intensywność chłodzenia mechanicznego. Przy temperaturach około 45°C i wyższych możliwe jest wykorzystanie dry coolerów jako podstawowego elementu systemu, co znacząco poprawia efektywność energetyczną i upraszcza instalację.
Wybór klasy temperaturowej powinien być świadomą decyzją projektową, ponieważ wpływa na:
- sprawność energetyczną całego systemu,
- możliwość wykorzystania free cooling,
- potencjał odzysku ciepła,
- wymagania wobec wymienników ciepła i pomp.
Jeżeli projekt zakłada przyszłą integrację z systemem odzysku energii, wyższe temperatury zasilania są korzystniejsze. Natomiast przy bardzo wysokich gęstościach mocy konieczne może być obniżenie temperatury w obiegu wtórnym.
Krok 2: Architektura dwóch obiegów
System chłodzenia cieczą w data center powinien być zaprojektowany jako układ dwóch hydraulicznie odseparowanych obiegów. Obieg pierwotny stanowi część instalacji budynku i dostarcza wodę do wymiennika ciepła. Obieg wtórny zasila bezpośrednio elementy infrastruktury IT.
Separacja hydrauliczna realizowana jest poprzez wymiennik zintegrowany w jednostce dystrybucyjnej. Dzięki temu parametry po stronie IT – temperatura, przepływ i ciśnienie – mogą być precyzyjnie kontrolowane niezależnie od wahań w instalacji budynku.
Takie rozwiązanie zwiększa stabilność pracy systemu oraz bezpieczeństwo infrastruktury zamontowanej w szafach rackowych. To właśnie tutaj pojawia się kluczowy element projektu – CDU.
Krok 3: Dobór jednostki CDU
Jednostka dystrybucji cieczy (Coolant Distribution Unit) odpowiada za kontrolę parametrów pracy obiegu wtórnego. Jej dobór należy oprzeć na bilansie mocy cieplnej generowanej przez urządzenia zamontowane w szafach rackowych.
W instalacjach o bardzo dużej mocy stosuje się jednostki o wydajności sięgającej 800 kW. Po stronie pierwotnej mogą one pracować przy przepływach rzędu 1200 LPM i ciśnieniach do około 10 bar. Po stronie wtórnej przepływy mogą przekraczać 1300 LPM przy maksymalnym ciśnieniu roboczym około 9 bar.
W mniejszych projektach stosuje się jednostki o wydajności około 40 kW lub 100 kW, montowane bezpośrednio w szafie lub w konfiguracji in-row.
Przy doborze CDU należy określić:
- całkowitą moc cieplną do odebrania,
- wymagany przepływ czynnika,
- dopuszczalny spadek ciśnienia w obiegu wtórnym,
- poziom redundancji pomp,
- objętość czynnika w instalacji.
W środowiskach o znaczeniu krytycznym stosuje się redundantne pompy oraz systemy detekcji wycieków, co znacząco podnosi bezpieczeństwo eksploatacyjne.
Krok 4: Dystrybucja cieczy w szafie rackowej
Po doborze jednostki dystrybucyjnej należy zaprojektować sposób rozprowadzenia cieczy w obrębie szafy. Rozdzielacz cieczy w szafie rackowej powinien zapewniać równomierny rozdział przepływu oraz umożliwiać odłączenie pojedynczego urządzenia bez zatrzymywania całego systemu.
Projekt musi uwzględniać maksymalny przepływ na gałąź, dopuszczalne ciśnienie robocze oraz rodzaj szybkozłączy. Przy dużych mocach nawet niewielkie odchylenia w przepływie mogą prowadzić do nierównomiernego chłodzenia poszczególnych komponentów.
Krok 5: Wybór metody odbioru ciepła
Ciepło może być odbierane bezpośrednio z procesorów za pomocą cold plate (Direct-to-Chip) lub poprzez wymiennik montowany w drzwiach tylnych szafy (Rear Door Heat Exchanger). W pierwszym przypadku największa część energii trafia bezpośrednio do obiegu cieczy. W drugim – ciecz odbiera energię z powietrza opuszczającego szafę.
W praktyce wybór zależy od mocy cieplnej przypadającej na szafę oraz od możliwości ingerencji w konstrukcję serwerów. W nowych projektach infrastrukturalnych chłodzenie bezpośrednie zapewnia wyższą efektywność i większą skalowalność.
Krok 6: Integracja z architekturą powietrzną
Nawet przy zastosowaniu chłodzenia cieczą należy zadbać o właściwą separację stref zimnej i gorącej. Systemy aisle containment ograniczają mieszanie powietrza i stabilizują warunki pracy urządzeń.
Praca przy wyższych temperaturach zasilania, zgodnych z odpowiednią klasą ASHRAE, pozwala dodatkowo zwiększyć efektywność całej instalacji.
Krok 7: Weryfikacja projektu poprzez symulację CFD
Ostatnim etapem powinno być modelowanie CFD. Analiza przepływu powietrza i rozkładu temperatur pozwala zidentyfikować potencjalne obszary przegrzewania oraz zoptymalizować rozmieszczenie jednostek chłodzących.
Symulacja umożliwia dopasowanie parametrów pracy do rzeczywistych warunków, ograniczając ryzyko przewymiarowania instalacji i nadmiernego zużycia energii.
Podsumowanie
Projekt systemu chłodzenia cieczą obejmuje analizę mocy cieplnej szaf rackowych, wybór klasy temperaturowej, zaprojektowanie dwóch odseparowanych obiegów, właściwy dobór jednostki CDU oraz weryfikację poprzez symulację CFD.
Chłodzenie przestaje być jedynie elementem infrastruktury pomocniczej. W środowiskach o dużym obciążeniu cieplnym staje się kluczowym aspektem projektowym, który decyduje o stabilności, skalowalności i efektywności energetycznej całego data center.
Źródło: CSI S.A.
Więcej na csi.pl
