Οι τεχνολογίες powering και cooling στο business ICT σημειώνουν τεράστια ανάπτυξη καθώς οι ανάγκες αποθήκευσης δεδομένων και διαχείρισης υποδομών έχουν ξεπεράσει κάθε πρόβλεψη.

Το cloud εξαπλώνεται ραγδαία τα τελευταία χρόνια και καθώς το κόστος του πέφτει, ολοένα και περισσότερες επιχειρήσεις αφήνουν σταδιακά στην άκρη τις όποιες “ανησυχίες” τους για την “ασφάλεια” των δεδομένων τους και υιοθετούν το “σύννεφο”, όχι μόνο για τα δικά τους δεδομένα, αλλά και για την “εξωτερική” πρόσβαση στα δεδομένα αυτά (όπως, για παράδειγμα, τα e-shops), καθώς τα πλεονεκτήματα που υπάρχουν είναι ξεκάθαρα.

Παράλληλα, και οι ίδιοι οι απλοί χρήστες χρησιμοποιούν (χωρίς να το γνωρίζουν, στις περισσότερες περιπτώσεις) πλήθος δωρεάν (και μη) διαδικτυακών υπηρεσιών που βασίζονται στο cloud. Όλα αυτά έχουν άμεση επίδραση στην… “έδρα” του cloud, που είναι, σε μεγάλο βαθμό, τα data centers, αλλά και τα υπολογιστικά συστήματα μεγάλων εταιρειών που έχουν επιλέξει να κρατήσουν σε δικό τους χώρο τα δεδομένα τους. Μεγαλύτερη αύξηση της χρήσης των cloud υπηρεσιών σημαίνει όλο και περισσότερο hardware στα data centers, που με τη σειρά του σημαίνει όλο και μεγαλύτερες ανάγκες τροφοδοσίας και ψύξης αυτού του hardware.

Οι ανάγκες αυτές οδήγησαν στην ανάπτυξη τεχνολογιών powering και cooling ειδικά για τα ΙΤ συστήματα,, καθώς τα “συμβατικά” συστήματα ψύξης δε μπορούν, από κάποιο σημείο και έπειτα, να ανταποκριθούν στις εξειδικευμένες ανάγκες των συγκεκριμένων συστημάτων, ενώ η συνεχής εξέλιξη του hardware θέτει πλέον επιτακτικά και το θέμα της εξοικονόμησης ενέργειας.

Powering
Παρά το γεγονός ότι η τεχνολογία στον χώρο του hardware εξελίσσεται, ο όγκος των αναγκών που καλείται να καλύψει αυξάνεται με ακόμα μεγαλύτερους ρυθμούς, με αποτέλεσμα οι ανάγκες τροφοδοσίας των συστημάτων να έχουν αυξηθεί. Χαρακτηριστικό είναι πως ενώ οι μέχρι και πριν 1-2 χρόνια μελέτες έδειχναν πως η κατανάλωση των ICT συστημάτων ανά ικρίωμα κυμαίνονταν στο 1,5 – 1,8 ΚW, οι πιο πρόσφατες μελέτες δείχνουν πως οι σημερινοί υψηλής χωρητικότητας servers και routers μπορούν να φτάσουν σε κατανάλωση ακόμα και τα 15 KW ανά ικρίωμα.

Τα συμβατικά Data Centers τροφοδοτούν με ισχύ εναλλασσομένου ρεύματος (AC) τον εξοπλισμό ICT μέσα από τροφοδοτικά αδιάλειπτου παροχής ενέργειας (UPS). Τα UPS συνδέονται σε μπαταρίες αποθήκευσης για να παρέχουν κάλυψη στην περίπτωση διακοπής ρεύματος. Το ρεύμα φόρτισης για τις μπαταρίες αποθήκευσης είναι συνεχές (DC). Τα συστήματα παροχής ενέργειας AC μετατρέπουν αρχικά την ισχύ AC σε DC, και μετά μετατρέπουν εκ νέου το DC ξανά σε AC, με αποτέλεσμα να χρειάζεται εκ νέου μετατροπή του AC ρεύματος σε DC εντός του εξοπλισμού ICT. Αυτό συνιστά ένα σύνολο τεσσάρων βημάτων μετατροπής ισχύος σε ένα σύστημα ισχύος AC, με συνέπεια να υπάρχουν απώλειες ισχύος σε κάθε ένα από τα βήματα αυτά.

Για την αντιμετώπιση του παραπάνω, δημιουργήθηκαν συστήματα που “γλιτώνουν” δύο από τα παραπάνω βήματα, καθώς μετατρέπουν την AC ισχύ σε DC, και στη συνέχεια την παρέχουν απευθείας στον εξοπλισμό ICT.

Για ακόμα μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας, πολλοί κατασκευαστές εξετάζουν την περίπτωση της αλλαγής της τάσης των συμβατικών DC τροφοδοτικών, από τα περίπου 48 Volt που είναι σήμερα, στα 380 Volt.

Με τον τρόπο αυτό, εκτιμάται πως θα μπορούσε να επιτευχθεί μία ιδιαίτερα σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας στο 1/8 της σημερινής κατανάλωσης, ενώ μία σημαντική επιπλέον εξοικονόμηση θα μπορούσε να προέλθει έτσι και από τη μείωση της απώλειας ισχύος λόγω των καλωδιώσεων, το μήκος των οποίων μειώνεται με τον τρόπο αυτό.

Ωστόσο, όλα τα παραπάνω απαιτούν να μη γίνει καμία “έκπτωση” στις προδιαγραφές ασφαλείας, καθώς ένα άσχημο συμβάν θα μπορούσε να έχει πολύ σημαντικές συνέπειες που δε θα μπορούσαν να αποτιμηθούν μόνο σε χρήμα (όπως η απώλεια δεδομένων).

Έτσι, για το λόγο αυτό, οι εταιρείες παραγωγής ανάλογου εξοπλισμού εργάζονται επάνω στην ανάπτυξη και τυποποίηση νέων υποδοχών και ρευματοληπτών ισχύος DC, ώστε να διατηρείται η ασφάλεια, αλλά και η απλότητα που απαιτείται για τη λειτουργία του ICT εξοπλισμού, προκειμένου και να μην ανέβει υπέρμετρα το κόστος. Έτσι, οι τελευταίας γενιάς μπαταρίες αποθήκευσης ισχύος για εξοπλισμό ICT ενσωματώνουν βραδύκαυστες (ώστε να ελαχιστοποιείται η ζημιά σε περίπτωση αστοχίας ή ατυχήματος) μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες είναι ελαφρύτερες, ενώ απαιτούν έως και 60% λιγότερο χώρο από τις αντίστοιχες μπαταρίες οξέως – μολύβδου.

Επιπλέον, οι νέας γενιάς μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν πρόσθετα επιβραδυντικά φλόγας μέσα στον ηλεκτρολύτη για να αποκλείουν φωτιά ή ρήξη.

Με την υιοθέτηση των νέων βραδύκαυστων μπαταριών ιόντων λιθίου είναι εφικτή η εξοικονόμηση χώρου στα δωμάτια αποθήκευσης ισχύος, ενώ εξοικονομούνται και υλικοί πόροι καθώς μειώνεται το βάρος των μπαταριών με συνέπεια να μειώνεται και το κόστος των υποδομών τοποθέτησής τους.

Cooling
Εξίσου σημαντικές με τις τεχνολογίες powering για τα μεγάλα συστήματα ICT, είναι και οι τεχνολογίες cooling, οι οποίες άλλωστε “συνδέονται” με τις τεχνολογίες powering, καθώς όσο υψηλότερη θερμοκρασία έχει ο εξοπλισμός ICT τόσο μειώνεται η απόδοσή του, με αποτέλεσμα να απαιτούνται ακόμα περισσότεροι υλικοί πόροι για την ίδια διεργασία, που φυσικά καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια.

Ο εξοπλισμός ICT παράγει μεγάλη ποσότητα θερμότητας κατά τη λειτουργία, και ψύχεται από ειδικά συστήματα κλιματισμού. Η γενική πρακτική που ακολουθείται είναι ο εξοπλισμός ICT να ψύχεται με την τοποθέτηση μονάδων κλιματισμού κατά μήκος ενός τοίχου, καθώς και χρησιμοποιώντας την περιοχή κάτω από ένα υπερυψωμένο δάπεδο, ως χώρο κυκλοφορίας του αέρα για την ψύξη.

Τα τελευταία χρόνια έχουν αρχίσει να αναπτύσσονται “υβριδικά” συστήματα κλιματισμού, τα οποία μπορούν να “μεταφέρουν” επιπλέον ανάγκες ψύξης σε άλλες μονάδες εάν μία μονάδα παρουσιάσει δυσλειτουργία. Ένα τέτοιο σύστημα είναι το FMACS – V (facilities multi unit air conditioning system – 5th generation) που έχει παρουσιάσει η NTT Facilities, και πρόκειται για ένα υβριδικό αερόψυκτο κλιματιστικό για εξοπλισμό ICT.

Σύμφωνα με την εταιρεία, το FMACS – V έχει χαρακτηριστικά εύκολης επέκτασης ανάλογα με την αντίστοιχα σταδιακή επέκταση του εξοπλισμού ICT, ενώ εάν συμβεί κάποια δυσλειτουργία μπορεί να κάνει χρήση και άλλων μονάδων κλιματισμού.

Παράλληλα, και καθώς επεκτείνεται και η χρήση των συστημάτων κλιματισμού κρύου νερού (λόγω του χαμηλότερου κόστους λειτουργίας τους), το σύστημα FMACS – V μπορεί να ενσωματώσει και τέτοια συστήματα, και τελικά να επιτυγχάνει τον ιδανικό κάθε φορά συνδυασμό ψύξης και απόδοσης.

Ο εξοπλισμός ICT παράγει μεγάλες ποσότητες θερμότητας σε κανονική λειτουργία και για να ψυχθεί αυτός ο εξοπλισμός οι ψυκτικές συμβατικές μονάδες χρησιμοποιούν συμπιεστές. Αντιθέτως, το σύστημα FMACS – V χρησιμοποιεί μία αντλία ψυκτικού σε συνεργασία με ένα συμπιεστή.

Κατά τη διάρκεια του χειμώνα, και σε άλλες εποχές, όταν η θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα είναι χαμηλή οι μονάδες κλιματισμού δημιουργούν ψύξη χρησιμοποιώντας την αντλία ψυκτικού και τον ψυχρό εξωτερικό αέρα με τη μέθοδο έμμεσης αερόψυξης.

Η αντλία ψυκτικού μπορεί να λειτουργήσει στο 1/8 περίπου της ισχύος που απαιτείται από ένα συμπιεστή, οπότε η εξοικονόμηση ισχύος είναι αναλογική του χρόνου λειτουργίας της αντλίας ψυκτικού. Όσο πιο χαμηλή είναι η θερμοκρασία του εξωτερικού αέρα, τόσο μεγαλύτερη είναι και η μείωση της κατανάλωσης.

Σύμφωνα με την εταιρεία, η ετήσια κατανάλωση ισχύος του συστήματος FMACS – V είναι κατά 42% μικρότερη, σε σχέση με τις “συμβατικές” μονάδες κλιματισμού.

Ο κλιματισμός του χώρου εξοπλισμού
Ένα σύστημα κλιματισμού χώρου λειτουργίας του εξοπλισμού ICT συνδυάζει κλιματισμό περιβάλλοντος αέρα στον οποίο οι εντοιχισμένες μονάδες κλιματισμού ψύχουν όλο το δωμάτιο, και κλιματισμό λειτουργίας που ψύχει τοπικά μόνο ένα χώρο και όχι το σύνολό του.

Επειδή τα συστήματα κλιματισμού για τον εξοπλισμό ICT παράγουν περίπου 20 φορές μεγαλύτερη ροή ψυχρού αέρα σε σύγκριση με τα συστήματα κλιματισμού γραφείου, ένας αποτελεσματικός τρόπος για τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος είναι να μειωθεί η αναγκαία ισχύς για την παραγωγή αυτής της ροής αέρα. Ο ρόλος των συστημάτων κλιματισμού λειτουργίας είναι να διευκολύνει την επέκταση της ψύξης μέσω του αέρα που διοχετεύει στις επιδαπέδιες σχάρες αερισμού. Στην πράξη ωστόσο υπάρχουν ορισμένα προβλήματα που καθιστούν δύσκολο να μειωθεί η ενέργεια που απαιτείται για τη απρόσκοπτη ροή του αέρα, που είναι τα εξής:

    1. Η παραγωγή υψηλής τοπικής θερμότητας από τον εξοπλισμό ICT απαιτεί ο αέρας να κινείται από επιτοίχιες μονάδες κλιματισμού σε απομακρυσμένο εξοπλισμό ICT, διαμέσου υπερυψωμένου δαπέδου. Ένα μεγάλο ποσό ισχύος χρειάζεται για τη ροή του αέρα, ώστε αυτός να φτάσει στα επιθυμητά σημεία πριν ζεσταθεί.
    2. Με τον κλιματισμό περιβάλλοντος ο ψυχρός αέρας από τις μονάδες κλιματισμού περνάει μέσα από το κενό στο χώρο κάτω από το υπερυψωμένο δάπεδο, και στη συνέχεια διαμέσου εσχάρας για να φτάσει στην εισαγωγή του εξοπλισμού ICT.

Μετά περνάει διαμέσου του εσωτερικού του εξοπλισμού ICT όπου θερμαίνεται, και τότε επιστρέφει στις μονάδες κλιματισμού.

Ωστόσο, εάν ο κρύος αέρας που περνά μέσα από τις επιδαπέδιες σχάρες κλιματισμού είναι ανεπαρκής, η εξαγωγή του θερμού αέρα ανακυκλώνεται από τη θερμή νησίδα (τον αγωγό που βρίσκεται στην εξαγωγή θερμού αέρα) στην ψυχρή νησίδα, και η επιθυμητή θερμοκρασία για τον αέρα που διαπερνά τον εξοπλισμό ICT δε μπορεί να διατηρηθεί.

Για να διατηρήσουν τη θερμοκρασία του αέρα εισαγωγής του εξοπλισμού ICT, τα συστήματα κλιματισμού περιβάλλοντος χαμηλώνουν τη θερμοκρασία όλου του δωματίου στην οριζόμενη θερμοκρασία.

Σε αυτή την περίπτωση όμως είναι συχνό φαινόμενο να μην είναι δυνατός ο έλεγχος της πολύ μεγάλης ροής αέρα (καθώς ο ψυχρότερος αέρας είναι και πιο βαρύς), με αποτέλεσμα την ανεπαρκή λειτουργία όλου του συστήματος.

Επίσης, υπό τις παραπάνω συνθήκες ένα μέρος ψυχρού αέρα επιστρέφει απευθείας στις μονάδες κλιματισμού χωρίς προηγουμένως να έχει ψύξει τον εξοπλισμό ICT, με αποτέλεσμα επιπλέον απώλεια ισχύος αφού ο συγκεκριμένος ψυχρός αέρας μένει αναξιοποίητος.

Οι λύσεις που προτείνονται
Η απώλεια ισχύος λόγω της ανάγκης μετακίνησης μεγάλου όγκου ψυχρού αέρα από τα επιτοίχια συστήματα κλιματισμού στις απομακρυσμένες μονάδες ICT αντιμετωπίζεται από ορισμένα συστήματα νέας γενιάς με την πρακτική της αναρρόφησης αέρα από την πίσω πλευρά της μονάδας κλιματισμού και την ώθησή του στη μπροστινή πλευρά, ώστε η απόσταση ροής του αέρα να είναι μικρότερη, και να απαιτείται λιγότερη ισχύς για τη μεταφορά του.

Επίσης, το πρόβλημα ροής αέρα των μονάδων κλιματισμού μπορεί να διευθετηθεί περιορίζοντας με δομικό τρόπο την ανακύκλωση του θερμού αέρα στην ψυχρή νησίδα, δηλαδή με σωστή αναδιάταξη του εγκατεστημένου εξοπλισμού ICT μέσα στο χώρο.

Με τον ίδιο τρόπο εκτιμάται πως είναι επίσης εφικτό να εμποδιστεί η επιστροφή του ψυχρού αέρα απευθείας στη μονάδα κλιματισμού.

Η ενοποιημένη ψύξη
Ο κύριος τύπος των συστημάτων κλιματισμού που χρησιμοποιείται στα data centers ήταν τα αερόψυκτα συστήματα, τα οποία αποτελούνται από μία εσωτερική και μία εξωτερική μονάδα.

Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια οι διαφοροποιήσεις των αναγκών οδήγησας σε μία αύξηση της χρήσης των συστημάτων κρύου νερού. Τα συστήματα κλιματισμού που χρησιμοποιούν κρύο νερό αποτελούνται από ένα σύστημα ψύξης το οποίο παράγει το κρύο νερό, ένα σύστημα τροφοδοσίας νερού για τη μεταφορά του νερού, και ένα σύστημα κλιματισμού για την ψύξη του δωματίου με το μεταφερόμενο κρύο νερό.

Κάθε ένα από αυτά τα συστήματα αποτελείται από πολλαπλές μονάδες εξοπλισμού. Τα συμβατικά συστήματα κλιματισμού κρύου νερού χρησιμοποιούν ξεχωριστούς ελέγχους για το σύστημα ψύξης, για το σύστημα τροφοδοσίας νερού και για το σύστημα κλιματισμού, οπότε δεν υπάρχει ενοποιημένη λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας στα συγκεκριμένα συστήματα.

Στο σημείο αυτό, η λύση που προτείνουν ορισμένοι κατασκευαστές η ενοποιημένη ψύξη, που παρέχει ενοποιημένο έλεγχο και των τριών υποσυστημάτων για να επιτύχει συνολική ενεργειακή απόδοση για το όλο σύστημα. Για τη διατήρηση των ορισμένων συνθηκών χώρου το σύστημα ενοποιημένης ψύξης προσαρμόζει τις ρυθμίσεις για τη θερμοκρασία εξόδου του θερμικού συστήματος και την πίεση του συστήματος μεταφοράς νερού, ελέγχει τη ροή του αέρα του συστήματος κλιματισμού, και έτσι γίνεται δυνατό να μειωθεί η κατανάλωση ισχύος μέχρι και 30%.

Κατανάλωση και επεξεργασία δεδομένων
Κατά τα τελευταία χρόνια έχουν παρατηρηθεί μεγάλες διαφοροποιήσεις στον όγκο της επεξεργασίας δεδομένων σε συγκεκριμένες χρονικές περιόδους, από τον εξοπλισμό ICT των data centers. Ο εξοπλισμός ICT γενικά έχει υψηλή ενεργειακή απόδοση όταν λειτουργεί κάτω από συνθήκες υψηλού φόρτου, αλλά πολλές φορές έχει να φέρει σε πέρας και χαμηλού φόρτου λειτουργίες. Επίσης, η συσχέτιση μεταξύ κατανάλωσης ισχύος του εξοπλισμού ICT και του όγκου της επεξεργασίας δεδομένων δεν είναι αναλογική. Μία σταθερή ποσότητα ισχύος καταναλώνεται ακόμα και σε καταστάσεις αναμονής όπου δεν εκτελείται καμία επεξεργασία δεδομένων. Αυτή η ισχύς ουσιαστικά “χάνεται” όταν τα δεδομένα δεν επεξεργάζονται. Μία αποδοτική κατάσταση λειτουργίας μπορεί να διατηρηθεί μεταθέτοντας την επεξεργασία σε ορισμένο εξοπλισμό ICT, σε χρονικές περιόδους όταν ο όγκος της επεξεργασίας δεδομένων είναι χαμηλός. Με τον τρόπο αυτό μπορεί ακόμα και να διακοπεί η ισχύς στον εξοπλισμό ICT ο οποίος βρίσκεται σε κατάσταση αναμονής, μειώνοντας έτσι την κατανάλωση ισχύος.

Συνεπακόλουθα, μειώνοντας την κατανάλωση ισχύος μειώνονται οι πηγές της δημιουργίας θερμότητας, και έτσι είναι δυνατό να ανασταλεί με τη σειρά της και η λειτουργία ορισμένων μονάδων κλιματισμού, με επιπρόσθετο κέρδος στην κατανάλωση.

Οι τελευταίες μελέτες έχουν δείξει πως μία ακολουθία από ελέγχους αυτού του είδους θα μπορούσε να μειώσει τη συνολική κατανάλωση ισχύος από τον εξοπλισμό ICT και τις μονάδες κλιματισμού κατά τουλάχιστον 50% σε σύγκριση με τα σημερινά συμβατικά συστήματα των data centers.