IT NewsНовости рынкаИТ Рынок

ИБП на защите систем. А кто защищает ИБП?

Вадим Каллэ | 01.08.2019

Обычно в дата-центрах среднего и крупного размеров под источники бесперебойного питания (ИБП) выделяются отдельные помещения. Они относятся к числу критически важных для функционирования всех ИТ и инженерных систем и требуют правильной организации и поддержания микроклимата. В данной статье мы покажем на конкретном примере, как за счет использования технологии численного моделирования термодинамических процессов (Computational Fluid Dynamics, CFD) спрогнозировать работу системы кондиционирования, и дадим основные рекомендации для помещений ИБП.

Рассмотрим проект, в котором необходимо было выполнить CFD-моделирование системы кондиционирования нестандартного помещения ИБП и получить практические рекомендации для улучшения ее работы. В помещении установлено оборудование бесперебойного электроснабжения общей мощностью 2,5 МВт. Для снятия теплоизбытков, которые возникают при работе щитового оборудования, ИБП, их циклической зарядке и разрядке, на объекте спроектирована система кондиционирования на базе шкафных водяных кондиционеров. Всего в помещении установлено пять кондиционеров (четыре рабочих и один резервный).


img

Рис. 1. Визуализация помещения

Помещение является «сложным» с точки зрения кондиционирования из-за ряда факторов:

  • Соотношение размеров объекта – ширина 3 м при длине 40 м.

  • Сочетание тепловых нагрузок. В отличие от серверных стоек с их высокой плотностью мощности, большими перепадами температур и относительно небольшими расходами воздуха, здесь присутствуют существенные расходы воздуха при небольшом перепаде температур (ΔT) на ИБП за счёт встроенных вентиляторов охлаждения (т.е. вынужденная конвекция), а также передача тепла от щитового оборудования за счёт свободной конвекции. То есть в одном помещении сочетаются два основных типа теплоотвода от оборудования. Тепловая нагрузка по расчёту – 150 кВт, т.е. около 310 Вт/м3 при кратности воздухообмена около 125 1/ч.

  • Нестандартное размещение кондиционеров. Расстановка оборудования была связана с технологическими требованиями заказчика. Подфальшпольное кондиционирование не рассматривалось: необходимо было сделать минимальный фальшпол, чтобы сровнять его с уровнем пола снаружи помещения.

img

Рис. 2. Схема размещения оборудования в помещении

В отличие от ЦОД для помещений ИБП до сих пор часто применяют либо бытовые, либо «полупромышленные» кондиционеры потолочного и канального типов, которые не рассчитаны на круглогодичную работу в режиме 24х7. Однако главная ошибка в том, что ΔT на этих кондиционерах гораздо больше данного показателя на шкафах ИБП. Фактически баланс мощности в объеме помещения сходится, но баланс расхода воздуха – нет. По причине недостаточного воздухообмена могут возникать перегревы оборудования. К сожалению, об этом важном моменте при расчетах часто забывают. А ведь именно в этом состоит коренное отличие систем кондиционирования для помещений ИБП от серверных и ЦОД с высокой плотностью мощности. Поэтому в помещениях ИБП необходимо использовать систему прецизионного кондиционирования, позволяющую настроить рабочие температуры и расходы воздуха в широком диапазоне.

В созданной нами CFD-модели (Рис. 3) были заданы следующие тепловыделяющие объекты: силовые модули ИБП (СМ), щиты распределения и параллельной работы (Щ). Дополнительные теплопритоки от батарейных шкафов (Б), освещения, вентиляции, теплопроводности стен не учитывались в виду малого влияния на результат.

Были смоделированы различные схемы включения кондиционеров (К1-К5), находящихся в ротации, а также включение всех кондиционеров одновременно.

img

Рис. 3. Схема размещения оборудования в CFD-модели

Основные характеристики расчётной модели:

  • Режим: стационарный (Steady State);

  • Модель турбулентности: k-epsilon;

  • Схема адвекции: Modified Petrov-Galerkin;

  • Число расчётных узлов: 1,74 млн;

  • Число расчётных объёмных элементов: 6,28 млн.

В ходе CFD-моделирования были получены следующие результаты:

  • Застойные зоны с повышенной температурой в районе установки ИБП и батарейных модулей возникают в любом из вариантов включения кондиционеров при ротации.

  • При одновременной работе всех кондиционеров максимальная температура в зоне установки ИБП и батарейных модулей не превышает +27°C, что является допустимым.

  • При работе четырёх из пяти кондиционеров максимальная температура в зоне установки ИБП и батарейных модулей может достигать +29°C, что для силовой части ИБП является нормой, но для батарей типа VRLA становится уже критичным с возможным уменьшением срока их службы на 30%.

  • Неустойчивость охлаждения щитового оборудования без принудительной вентиляции присутствует в случае, если щиты установлены там же, где и силовое оборудование ИБП. Это связано со значительным влиянием основного потока системы кондиционирования на отвод воздуха через вентиляционные решетки щитов. При этом в нижней зоне щитов на вентиляционных решётках может возникнуть эффект эжекции, и нагретый воздух не выходит из верхних вентиляционных решеток щитов, а наоборот движется внутрь щита, нагревая его. CFD-модель щита с принудительной вентиляцией показывает хорошую работу при теплоотводе и обеспечивает устойчивое решение задачи.

Хотелось бы обратить внимание на моделирование щитов и силовых шкафов, которые выделяют тепло. Для подобного оборудования нельзя напрямую перенести из 3D-модели в CFD-модель геометрию со всеми автоматами и шинопроводами, крепежными элементами: возникает большое число мелких элементов, не влияющих на результат, но усложняющих модель, при этом невозможно корректно задать тепловую нагрузку. Поэтому мы использовали расчетную модель, состоящую из корпуса шкафа, эквивалентного теплогенератора в шкафу и вентиляционного устройства, которое охлаждает шкаф. В итоге мы получили устойчивую расчетную схему.

При анализе (интерпретации) результатов CFD-моделирования были использованы различные инструменты визуализации: сечения, изоповерхности, изообъемы и линии тока. Все они наглядно демонстрируют, как распределяется воздух в помещении, какая конфигурация оборудования будет оптимальной, а также позволяют увидеть места перегрева и застойные зоны. На основании полученных данных был сформирован список рекомендаций по улучшению работы системы кондиционирования. 

img

Рис. 4. Примеры визуализации результатов расчёта в CFD. Сопоставление режимов работы кондиционеров в Decision Center: слева - все кондиционеры включены, справа – кондиционер №4 выключен

img

Рис. 5. Примеры визуализации результатов расчёта в CFD. Сопоставление четырёх режимов ротации кондиционеров в Decision Center

img

Рис. 6. Примеры визуализации результатов расчёта в CFD.
а – распределение температур в вертикальном сечении (Planes) с отображением проекции векторов скорости; б, в – линии тока (Traces); г – изообъём (Iso Volumes) с температурой +27 °C

img

Рис. 7. Графики распределения температур по центру «холодного» коридора на уровне 2,2 м от уровня фальшпола, все режимы работы системы кондиционирования 

Практические рекомендации для организации систем кондиционирования помещений ИБП:

  1. При проектировании системы кондиционирования для помещений со сложной конфигурацией в сочетании с высокой тепловой нагрузкой требуется CFD-моделирование.

  2. При расчете систем кондиционирования необходимо обращать внимание не только на баланс мощности, но и на баланс расхода воздуха.

  3. Необходимо использовать прецизионные кондиционеры, позволяющие гибко настроить и расход, и ΔT по воздуху.

  4. Рекомендуется использовать режим работы типа «горячий резерв», когда все кондиционеры работают на пониженной мощности. Режим «холодный резерв», при котором несколько кондиционеров работают, а резервные выключены, увеличивает вероятность появления зон перегрева.

  5. Рекомендуется использовать щитовое оборудование с принудительной вентиляцией для гарантированного теплоотвода.

  6. Для щитового оборудования без принудительной вентиляции необходимо учитывать теплообмен через стенки корпуса в дополнение к основному отводу тепла через вентиляционные решётки. При наличии принудительной вентиляции теплоотводом через стенки можно пренебречь в целях упрощения решения.

img Вадим Каллэ

Вадим Каллэ, заместитель начальника отдела проектирования инженерных систем СТЭП ЛОДЖИК

Дaтa-центр (ЦОД), Сервер, ИБП (Источник бесперебойного питания), CFD, кондиционирование, Компьютерное моделирование

Журнал: Журнал IT-News, Подписка на журналы

Step Logic | Стэп Лоджик


Поделиться:

ВКонтакт Facebook Google Plus Одноклассники Twitter Livejournal Liveinternet Mail.Ru

Также по теме

Другие материалы рубрики

Мысли вслух

Можно ли, поняв, что половина информации не доходит до серого вещества, отсеиваемая «вратами сортировки», что-нибудь с этим сделать?
Уже довольно многие согласны с тем, что в крупных организациях необходимо создавать т. н. «службы заказчика», предоставляющие аутсорсинг ИТ-услуг.
На первой встрече по первому проекту, на котором я выступала в роли аналитика, я молчала, хмурила брови и писала что-то в блокнот. В общем-то, я и сейчас на встречах с бизнесом хмурю брови и пишу в блокнот. Но только раньше я это делала от неопытности, а теперь от неожиданности.

Компании сообщают

Мероприятия

15.07.2020
Создание и вывод на рынок hardware-продукта

Санкт-Петербург, онлайн-трансляция

17.07.2020 — 18.07.2020
Лаборатория: бизнес как система.

онлайн, 10.40 -18.00 (мск)

23.09.2020 — 24.09.2020
Форум Индустриальной Роботизации

Санкт-Петербург, Чернорецкий пер. 4-6