Температурная цепочка - Temperature chaining

Температурная цепочка может означать температурную, тепловую или энергетическую цепочку или каскад^[1].

Цепочка температур была представлена ​​в качестве новой концепции в Datacentre Transformation.^[2] в Манчестере компанией Asperitas^[3] как часть видения центра обработки данных будущего.^[4] Это метод преобразования потребления электроэнергии в центрах обработки данных в полезное тепло. Концепция основана на создании высоких перепадов температур в контуре водяного охлаждения в дата-центр. Предпосылка заключается в том, что каждая система в центре обработки данных может быть оборудована общей водной инфраструктурой, которая разделена на несколько этапов с разными температурами. Разные температуры достигаются путем настройки различных технологий жидкостного охлаждения с разными допусками по температуре в последовательной системе охлаждения, а не в одном параллельном контуре. Это создает большие перепады температур при небольшом объеме воды. Это приводит к созданию среды центра обработки данных, которая способна подавать воду постоянной температуры для повторного пользователя, тем самым превращая объект из потребителя электроэнергии в производителя тепловой энергии.

История

Цепочка температуры или энергии применяется в системах отопления, где в гидравлических конструкциях предусмотрены обратные контуры и последовательные нагреватели.^[5]

Принцип температурной цепочки также используется в холодильных системах, в которых используются каскадные схемы.^[6][7]

Экономический совет Амстердама представил четвертое поколение сетей централизованного теплоснабжения, в которых будет применено тепловое каскадирование для повышения гибкости и обеспечения перспективности районных сетей в будущем.^[8]

В центрах обработки данных традиционный подход к критической ИТ-нагрузке - охлаждение. Температурная цепочка работает на том основании, что ИТ является источником тепла. Чтобы собрать это тепло, жидкостное охлаждение используется, что позволяет применять конструкции гидравлического отопления^[5] в дата-центр.

Инфраструктура жидкостного охлаждения в центрах обработки данных

Ввод воды в свободное пространство центра обработки данных наиболее выгодно в рамках специально созданной системы. Это означает, что при проектировании центра обработки данных основное внимание должно уделяться поглощению всей тепловой энергии водой. Это требует гибридной среды, в которой сосуществуют различные технологии на основе жидкостей, чтобы обеспечить полный спектр услуг центров обработки данных и платформ, независимо от типа центра обработки данных.

Внедрение ИТ-систем с жидкостным охлаждением в центрах обработки данных позволяет более эффективно использовать или уменьшить занимаемую ими площадь. Это означает, что существующее оборудование может быть лучше использовано для увеличения количества ИТ.

Более высокая теплоемкость жидкостей обеспечивает более плотную ИТ-среду и более высокую ИТ-емкость. С большинством жидких технологий ИТ становятся более эффективными. Это вызвано уменьшением или устранением зависимости от кондиционирования воздуха внутри IT-шасси. Отдельные компоненты охлаждаются более эффективно и поэтому могут использоваться с большим количеством энергии и ближе друг к другу. Когда жидкость проникает в ИТ-пространство, внутренние вентиляторы уменьшаются или полностью устраняются, что позволяет экономить энергию. Это также снижает потребность в аварийном питании на объекте.

Технологии жидких центров обработки данных

Технологии жидкостного охлаждения можно условно разделить на четыре категории: охлаждение в помещении, на уровне стойки или кристалла и погружение.

Кондиционеры или кондиционеры в компьютерном зале (CRAC / CRAH) может охлаждаться водой.

Непрямое жидкостное охлаждение (ILC)^[9] включает в себя стойки с водяным охлаждением с (активной) задней дверью или внутрирядные теплообменники с водяным охлаждением. Преимущество активных задних дверей заключается в том, что все тепло ИТ-оборудования с воздушным охлаждением сразу же поглощается водяным контуром, когда оно покидает стойку, что устраняет необходимость в CRAC, даже в частичных реализациях ILC. Это делает системы охлаждения очень эффективными и поддерживает ограниченную эффективность самой ИТ-среды за счет поддержки вентиляции.

Прямое жидкостное охлаждение (DLC)^[10] эффективно охлаждает части ИТ с помощью специально созданных кулеров, которые объединяют холодные пластины и насосы, которые монтируются непосредственно на микросхемах вместо традиционного радиатора. Это способствует повышению энергоэффективности ИТ-инфраструктуры за счет уменьшения количества энергии вентилятора. Хотя водяной контур улавливает все тепло от самых крупных источников тепла внутри корпуса, этот подход все же может потребовать блоков CRAC или их комбинаций с ILC для отвода тепловой энергии от остальных компонентов ИТ.

Общее жидкостное охлаждение (TLC)^[11] полностью погружает IT-компоненты в жидкость. Потери энергии практически отсутствуют, а ИТ-оборудование сделано очень энергоэффективным, что исключает использование кинетической энергии (вентиляторов) ИТ. Поскольку вода проводит электричество, требуется промежуточное диэлектрическое вещество, которое требует принудительной или конвективной передачи тепла. Этот диэлектрик может быть на масляной или химической основе. При таком подходе максимизируются преимущества инфраструктуры и мощности, а потребление энергии полностью оптимизируется.

Поскольку не существует единого решения для всех, любая платформа должна разрабатываться с использованием оптимальных технологий для различных ее элементов. Следовательно, каждая часть платформы должна быть настроена с использованием сочетания оптимизированных технологий. Например, складские помещения наименее подходят для непосредственного охлаждения жидкостью из-за низкого производства энергии и общей зависимости от движущихся частей. Их можно установить в стеллажи с водяным охлаждением. Большой объем серверов, требующих минимального обслуживания, лучше всего разместить в среде Total Liquid Cooling. Различные специализированные серверные системы, требующие постоянного физического доступа, лучше всего размещать в средах с прямым жидкостным охлаждением.

Предварительным условием для каждой технологии, прежде чем она может быть применена в сценарии температурной цепочки, является уровень контроля (посредством ПЛК ) над собственной охлаждающей инфраструктурой и совместимостью в смысле совместимости фитингов и жидкостей.

Температурная цепочка

Используя гибридную модель, системы можно подключать к разным частям охлаждающего контура с разной температурой. У каждой жидкой технологии свой температурный допуск. Стабильность температуры становится менее важной проблемой, особенно там, где жидкость проникает в корпус. Следовательно, различные технологии могут быть настроены в оптимизированном порядке допусков, чтобы обеспечить возможность многоступенчатого повышения температуры в контуре охлаждения.

Это означает, что водная инфраструктура становится сегментированной. Вместо того, чтобы питать каждую систему охлаждения в параллельной инфраструктуре, входы различных технологий или различных частей инфраструктуры подключаются к обратному контуру другой части инфраструктуры. По сути, выход стойки с жидкостным охлаждением следует направлять не в охлаждающую установку, а в среду жидкостного охлаждения другого типа. За счет соединения сегментированных контуров жидкости в более крупных средах можно достичь очень высоких температур обратного потока, что обеспечивает практическое и эффективное повторное использование тепловой энергии и снижает капиталовложения, необходимые для того, чтобы сделать повторное использование тепла в больших масштабах жизнеспособным вариантом.

Различные жидкие технологии могут применяться с разными уровнями температуры. Существует разница между нормальными оптимизированными средами и более «экстремальными» средами, в которых решения и ИТ-оборудование более совместимы или специализированы для работы при высоких температурах.

Пример температурных допусков для разных технологий

Технологии	Входной диапазон		Диапазон выхода		Максимальная дельта / стойка
	Нормальный	Экстремальный	Нормальный	Экстремальный
CRAC (общий)	6-18 ° С	21 ° C	12-25 ° С	30 ° С	Нет данных
ILC (U-Systems)	18-23 ° С	28 ° С	23-28 ° С	32 ° С	12 ° С
DLC (Асетек)	18-45 ° С	45 ° С	24-55 ° С	65 ° С	15 ° С
TLC (Asperitas)	18-40 ° С	55 ° С	22-48 ° С	65 ° С	10 ° C

Цепочка температуры жидкости может быть реализована за счет использования промежуточных контуров охлаждения с различными диапазонами температуры. Сегментированные среды могут быть соединены с контурами подачи и возврата, смесительными клапанами и буферными резервуарами для стабилизации и оптимизации температуры и объемов возврата в каждом отдельном сегменте.

Основное преимущество этой стратегии заключается в том, что разница температур (dT) в контуре охлаждения может быть значительно увеличена. Это уменьшает объем жидкости, требуемый на предприятии, и уменьшает количество охлаждающих подвесных установок.

В конце концов, гораздо эффективнее охладить большую dT в небольшом объеме воды, чем маленькую dT в большом объеме воды.

Пример инфраструктуры повторного использования тепла

Этот пример дает только представление об оптимизированной жидкостной инфраструктуре, чтобы объяснить концепции температурной цепочки и то, как различные жидкостные технологии могут вписаться в эту концепцию. В целях упрощения не указаны повторяющиеся сценарии. Обратные контуры, буферные резервуары и промежуточные насосы для работы с объемными аспектами и аспектами давления на различных ступенях не подробно описаны.

Инфраструктура повторного использования тепла с открытым контуром на сегодняшний день является наиболее устойчивой инфраструктурой. В этой ситуации центр обработки данных получает воду определенной температуры, и все тепло, выделяемое ИТ-оборудованием, передается другому пользователю с помощью этого водяного контура. Это означает, что объект не только отводит тепло, но также и воду, которая содержит тепло, позволяя стороннему лицу транспортировать и использовать подогретую жидкость. Это приводит к полному отсутствию охлаждающих устройств, и центр обработки данных фактически действует как большой водонагреватель. Вода поступает в дата-центр и выходит наружу при высоких температурах.

Стойки ILC в этой установке эффективно функционируют как кондиционеры, которые поддерживают всю температуру в помещении и поглощают все утечки тепловой энергии из сред DLC и TLC.

Концепция температурной цепочки для повторного использования тепла

Пример микро-инфраструктуры

Цепочка температуры микроцентра обработки данных для повторного использования

В небольших помещениях температурная цепочка может быть достигнута путем создания небольшого водяного контура со смесительным клапаном и буферной емкостью. Это позволяет направлять выход жидкостной установки обратно на вход охлаждения для постепенного увеличения охлаждающего контура и достижения постоянной высокой выходной температуры. Хотя это не многоступенчатый подход, это обычная и хорошо зарекомендовавшая себя практика для достижения постоянной температуры на входе или выходе.

Преимущество этого подхода - совместимость с переменными входными температурами, которые обычны для установок сухого охлаждения.

Рекомендации

1. «Каскадерен - ДатацентрВоркс». datacenterworks.nl (на голландском). Получено 2018-02-12.
2. Коммуникации, бизнес-ангел. "ДАТАЦЕНТР ТРАНСФОРМАЦИЯ МАНЧЕСТЕР". www.dtmanchester.com. Получено 2017-07-25.
3. «Асперитас». asperitas.com. Получено 2017-07-25.
4. «Дата-центр будущего от Asperitas - Asperitas». asperitas.com. Получено 2017-07-25.
5. «Гидравлика в строительных системах». Сименс. 2017-07-04.
6. [1], Либерман, Дэниел, «Патент США: 3733845 - КАСКАДНЫЙ МУЛЬТИХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА, МУЛЬТИХОЛОДИЛЬНАЯ СИСТЕМА» 
7. [2], Шлом, Лесли А. и Эндрю Дж. Беквар, "Патент США: 7765827 - Многоступенчатая гибридная испарительная система охлаждения" 
8. AmsterdamEconomicBoard (22 февраля 2016 г.). "Представить ТЕПЛОВЫЕ СЕТИ 4-ГО ПОКОЛЕНИЯ И ТЕПЛОВОЙ КАСКАД".
9. «Решение ColdLogik для охлаждения задней части шкафа | USystems». www.usystems.co.uk. Получено 2017-07-25.
10. «Жидкостное охлаждение ЦОД, серверов и ПК - Asetek». www.asetek.com. Получено 2017-07-25.
11. «АИК24 - Асперитас». asperitas.com. Получено 2017-07-25.