Центр обробки даних

Реферат: UA 114394 U UA 114394 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до будинків чи споруд спеціального призначення, а точніше - до спеціалізованої будівлі для розміщення серверного та мережевого обладнання і підключення абонентів до каналів мережі Інтернет. Як відомо, центр обробки даних (далі - ЦОД) виконує функції обробки, зберігання і розповсюдження інформації. На частку ЦОД припадає приблизно 1 % всіх світових витрат електроенергії. І тільки 40-45 % цієї енергії безпосередньо йде на підтримку роботи системи, а решта потрібна для охолодження серверів. В результаті рахунки за електроенергію у витратах компаній, що користуються ЦОД, можуть досягати 30 % всіх витрат. Слід зазначити, що приміщення ЦОД, у яких розміщене серверне та мережеве обладнання, це є приміщення, які не передбачають постійне перебування людей (далі - ізольоване приміщення), а тому загальна система вентиляції для них не є обов'язковою, але вони передбачають спеціальну ізоляцію від сонячного світла, інших джерел теплової енергії і повинні відповідати показникам безперебійної роботи електронних пристроїв протягом багатьох років у будь-яких кліматичних умовах. Разом з тим, ЦОД містить приміщення для обслуговуючого персоналу, охорони та інші приміщення, що потребують обігріву (далі - службове приміщення), і його системи опалення далеко не завжди достатньо для того, щоб обігріти це приміщення взимку. А використання ж звичайних нагрівачів самим негативним чином позначається на розмірі рахунку за електроенергію. Як відомо, тепло в будинку забезпечується шляхом встановлення певної системи, яка повинна підтримувати бажану температуру повітря в холодний період. Будь-які системи опалення повинні складатися з таких основних елементів: пристрій для отримання тепла (генератор теплової енергії), пристрої для транспортування тепла від місця його отримання до опалювального приміщення (теплопроводи) і пристрої для передачі тепла в приміщення (нагрівальні прилади). Водяне опалення - це сьогодні найбільш популярна система опалення в нашій країні. При традиційній системі водяного опалення відбувається постійна циркуляція води в системі опалення, що включає в себе радіатори, трубопроводи, водонагрівачі (котли), розширювальну посудину та циркуляційний насос. Також відоме опалення з використанням кондиціонера у режимі обігріву. В режимі обігріву у внутрішньому блоці (далі - блок обігріву) під тиском, створюваним компресором, холодоагент конденсується в теплообміннику внутрішнього блока (далі - теплообмінник-конденсатор) і теплота конденсації віддається повітрю, що подається до приміщення. А у зовнішньому блоці (далі - блок охолодження), який знаходиться на вулиці, відбувається зворотний процес. Робоче тіло (фреон - газ, що кипить при кімнатній температурі і атмосферному тиску), забираючи тепло вулиці, кипить і випаровується, охолоджуючи вулицю. Кондиціонер забезпечує обігрів повітря при меншому рівні енергоспоживання, ніж системи опалення на основі електропідігріву. Але використання кондиціонера для обігріву можливе лише при забезпеченні кипіння робочого тіла, тобто при не дуже сильних морозах. Найбільше вони підходять для обігріву в період міжсезоння, коли опалювальний сезон ще не почався (або, навпаки, завершений). Діапазон температур, при яких виробник гарантує ефективне використання кондиціонера для обігріву приміщень, коливається в межах від мінус 5 °C до плюс 25 °C. Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі, що заявляється, є центр обробки даних за патентом Російської Федерації (див. патент РФ на корисну модель № 126357 від 21.11.2012 р., МПК Е05Н 14/00, публ. 27.03.2013 року), що містить щонайменше одне ізольоване приміщення з ізотермічними стінами і службове приміщення, що примикає до щонайменше одного ізольованого приміщення, у кожному ізольованому приміщенні розміщені серверні шафи з обчислювальним обладнанням та системами зберігання даних, гарячий і холодний коридори, обладнання телекомунікаційних систем, система безперебійного електропостачання, система охоронної сигналізації та контролю доступу, система пожежогасіння, автоматизована система диспетчерського управління, кабельне та мережеве обладнання для власних потреб, система охолодження. Відповідно до патенту РФ службове приміщення являє собою центральну частину, огороджену стінками, до яких зовні примикають ізольовані приміщення, в кожному з яких розміщені серверні шафи з обчислювальним обладнанням та системами зберігання даних, при цьому ізольовані приміщення по відношенню до центральної частини розташовані за схемою "зірка". Тепло, що виділяється обчислювальним обладнанням в ізольованому приміщенні, доводиться компенсувати холодним повітрям від системи охолодження, адже в іншому випадку сервери перегріються і просто вийдуть з ладу. 1 UA 114394 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Недоліком відомого ЦОД за патентом РФ є загально відомий недолік ЦОДів, а саме тільки 40-45 % цієї енергії безпосередньо йде на підтримку роботи системи, а решта потрібна для охолодження серверів. В результаті у витратах компаній, що використовують ЦОД за патентом РФ, рахунки за електроенергію можуть досягати 30 % всіх витрат. А також недоліком є те, що службове приміщення примикає до ізольованого приміщення, що не завжди є зручним. Використання тепла від роботи обчислювальної техніки, встановленої у ізольованому приміщенні ЦОДу, щоб отримати економію і підвищити енергоефективність центрів, є актуальним завданням для їх розробників. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення центра обробки даних шляхом наявності нових деталей і елементів, їх нового розташування, форми, взаємного функціонального, конструктивного зв'язку забезпечити отримання економії витрат і підвищити енергоефективність ЦОДу. Ця задача вирішена центром обробки даних, що містить ізольоване приміщення з ізотермічними стінками і службове приміщення, у ізольованому приміщенні розміщені серверні шафи з обчислювальним обладнанням та системами зберігання даних, гарячий і холодний коридори, обладнання телекомунікаційних систем, система пожежогасіння, система охолодження. Відповідно до корисної моделі центр обробки даних додатково містить систему для використання теплової енергії повітря, що видаляється з гарячого коридору ізольованого приміщення. Відповідно до корисної моделі система для використання теплової енергії повітря, що видаляється з гарячого коридору ізольованого приміщення, являє собою щонайменше один компресійний холодильний агрегат, виконаний у вигляді з'єднаних між собою замкнутою системою трубопроводів механізму для створення різниці тиску, теплообмінника-конденсатора для віддачі тепла, змонтованого в службовому приміщенні, теплообмінника-випарника для відбору тепла, змонтованого в гарячому коридорі ізольованого приміщення, дросельного елемента для підтримання різниці тиску. Відповідно до корисної моделі можливий варіант виконання ЦОД, система для використання теплової енергії повітря ізольованого приміщення якого додатково містить вентилятори для теплообмінника-випарника і теплообмінника-конденсатора. Відповідно до корисної моделі можливий варіант виконання ЦОД, система для використання теплової енергії повітря ізольованого приміщення являє собою щонайменше один компресійний холодильний агрегат, виконаний у вигляді з'єднаних між собою замкнутою системою трубопроводів механізму для створення різниці тиску, теплообмінника-конденсатора для віддачі тепла, змонтованого в службовому приміщенні, теплообмінника-випарника для відбору тепла, змонтованого в гарячому коридорі ізольованого приміщення, дросельного елемента для підтримання різниці тиску і систему трубопроводів водяного обігріву з нагрівальним приладом, при цьому теплообмінник-конденсатор для віддачі тепла і нагрівальний прилад виконані у вигляді теплообмінника-рекуператора, встановленого в службовому приміщенні. Відповідно до корисної моделі можливий варіант виконання теплообмінника-рекуператора у вигляді пластинчастого теплообмінника-рекуператора. Відповідно до корисної моделі можливий варіант виконання теплообмінника-рекуператора у вигляді "труба у трубі". Першим аспектом корисної моделі є наявність системи для використання теплової енергії повітря, що видаляється з гарячого коридору ізольованого приміщення у вигляді щонайменше одного компресійного холодильного агрегату. Основним завданням опалення будь-якого приміщення є створення комфортних температурних умов для людей, що знаходяться в ньому. Відповідно до корисної моделі нагріваючим середовищем, а саме холодильним агентом, спочатку нагрівається теплоємна насадка теплообмінника-конденсатора, яка потім віддає тепло середовищу, що нагрівається, а саме повітрю приміщення для людей. У службовому приміщенні відбувається процес теплообміну між рухомим середовищем (робочим тілом - холодоагентом) і стінкою теплоємної насадки теплообмінника-конденсатора, тобто конвективний теплообмін або конвекція. У службовому приміщенні конвекція викликана нагріванням повітря від теплообмінникаконденсатора компресійного холодильного агрегату (системи обігріву). Вільний рух повітря викликається підіймальною силою, обумовленою різницею щільності холодних і нагрітих його частин. У загальному випадку інтенсивність вільного руху залежить від виду теплоносія, різниці температур між окремими його частками і об'єму простору, в якому протікає процес. Суть способу обігріву полягає в тому, що за допомогою різних нагрівальних приладів нагрівається повітря, яке у вигляді конвективних потоків теплого повітря поширюється по всьому приміщенню 2 UA 114394 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 і нагріває предмети, що знаходяться в ньому. При цьому забезпечується нагрів повітря службового приміщення від 20 °C до 30 °C, економії витрат на його обігрів і підвищення енергоефективності ЦОДу. Другим аспектом корисної моделі є наявність системи для використання теплової енергії повітря ізольованого приміщення, що являє собою щонайменше один компресійний холодильний агрегат, виконаний у вигляді з'єднаних між собою замкнутою системою трубопроводів механізму для створення різниці тиску, теплообмінника-конденсатора для віддачі тепла, змонтованого в службовому приміщенні, теплообмінника-випарника для відбору тепла, змонтованого в гарячому коридорі ізольованого приміщення, дросельного елемента для підтримання різниці тиску і систему трубопроводів водяного обігріву з нагрівальним приладом, при цьому теплообмінник-конденсатор для віддачі тепла і нагрівальний прилад виконані у вигляді теплообмінника-рекуператора встановленого в службовому приміщенні. Відповідно до корисної моделі нагріваючим середовищем, а саме холодильним агентом, спочатку нагрівається теплоємна насадка теплообмінника-конденсатора, яка потім віддає тепло середовищу, що нагрівається, а саме воді в нагрівальному приладі. У службовому приміщенні відбувається процес теплообміну між рухомим середовищем (робочим тілом - холодоагентом), стінкою теплоємної насадки теплообмінника-конденсатора, нагрітим холодоагентом, однією стінкою теплообмінника-рекуператора, водою в останньому, іншою стінкою теплообмінникарекуператора, яка і нагріває повітря службового приміщення, тобто у службовому приміщенні конвекція викликана нагріванням повітря від теплообмінника-рекуператора системи. При цьому забезпечується нагрів води у системі водяного опалення від 30 °C до 70 °C, економії витрат на обігрів службового приміщення і підвищення енергоефективності ЦОДу. Таким чином, використання тепла від роботи обчислювальної техніки дозволяє використовувати це тепло для обігріву, наприклад, повітря або водяного теплоносія з метою обігрівання будинків взимку і підігріву гарячої води влітку. При цьому забезпечується економії витрат і підвищення енергоефективності ЦОДу. Автором вирішені відразу дві проблеми - економія енергії на охолодженні серверів і брак тепла в будинках в зимовий період. Автор направив надлишкове тепло на обігрів. Тепло ЦОД нагріває труби системи центрального опалення або нагріє воду для побутових потреб влітку. Це дозволило зекономити близько 37 тис. грн. на рік. У приміщеннях ЦОД відбувається забір гарячого повітря від серверів і використання його для різних побутових потреб будівлі. Сама система складається з пристрою, що підключений до гарячої труби і виробляє теплу воду, використовуючи різницю в температурі між гарячою і холодною трубами. Ця вода якраз і використовується для потреб персоналу ЦОД. В першу чергу безпосередньо, тобто подається в умивальники, крім того, їй знаходиться застосування в душових, кафетеріях і т.д. В подальшому корисна модель пояснюється прикладом конкретного виконання і графічними матеріалами, на яких зображено таке: - на фіг. 1 схематично зображений центр обробки даних, вигляд зверху; - на фіг. 2 - схематично зображений компресійний холодильний агрегат; - на фіг. 3 - схематично зображений компресійний холодильний агрегат з вентиляторами; - на фіг. 4 - схематично зображений теплообмінник-рекуператор; - на фіг. 5 - схематично зображений теплообмінник-рекуператор типу "труба у трубі". Центр обробки даних (див. фіг. 1) відповідно до корисної моделі містить ізольоване приміщення 1, що ізольоване від впливу небажаних умов зовнішнього середовища, інженерну інфраструктуру для автоматичного підтримання повітря з температурою, відносною вологістю, чистотою і т.п., що є найбільш сприятливими і слушними для ведення відповідних технологічних процесів, роботи обладнання і пристроїв, для відгородження і захисту від доступу сторонніх осіб, обладнання і пристрої для ведення відповідних технологічних процесів. Також ЦОД містить службове приміщення 2. У ізольованому приміщенні 1 розміщені серверні шафи з обчислювальним обладнанням та системами зберігання даних, гарячий і холодний коридори, система охолодження. Відповідно до корисної моделі центр обробки даних додатково містить систему для використання теплової енергії повітря, що видаляється з гарячого коридору ізольованого приміщення 1. Ця система для використання теплової енергії повітря, що видаляється з гарячого коридору ізольованого приміщення 1 являє собою щонайменше один компресійний холодильний агрегат (див. фіг. 2). Останній містить механізм для створення різниці тиску 3 і теплообмінник-конденсатор 4 для віддачі тепла в повітря службового приміщення 2, а також теплообмінник-випарник 5 для відбору тепла від повітря ізольованого приміщення 1 і дросельний елемент 6 для підтримання різниці тиску, які з'єднані між собою замкнутою системою трубопроводів 7. 3 UA 114394 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відповідно до корисної моделі можливий варіант виконання системи для використання теплової енергії повітря ізольованого приміщення 1, яка додатково містить вентилятори 8 і 9 для теплообмінника-випарника 5 і теплообмінника-конденсатора 4 відповідно (див. фіг. 3). Відповідно до корисної моделі можливий варіант виконання (див. фіг. 4, 5), системи для використання теплової енергії повітря ізольованого приміщення 1, яка додатково містить теплообмінник-рекуператор 10 відомої конструкції для водяного теплоносія з системою трубопроводів 11. Теплообмінник-рекуператор 10 розташований в службовому приміщенні 2. Теплообмінник-рекуператор 10 виконаний чи у вигляді "пластинчастого", чи у вигляді "труба у трубі", чи іншої відомої конструкції. Принцип роботи центру обробки даних (див. фіг. 1) відповідно до корисної моделі полягає в тому, що тепле повітря з гарячого коридору ізольованого приміщення 1, що виділяється серверами, направляється на фазове перетворення холодоагента із зрідженого на газоподібний і при цьому додатково охолоджується гарячий коридор, а після цього газоподібний холодоагент направляється на повторне нагрівання і далі на віддачу тепла у службового приміщення 2. Тобто, тепло не розсіюється в атмосфері, а утилізується і працює на обігрів службового приміщення 2. В основу роботи обігріву службового приміщення 2 ЦОД закладений відомий принцип, який оснований на властивостях рідин. Як відомо, при випаровуванні рідина поглинає тепло, а при конденсації, навпаки, виділяє. Як зображено на фіг. 3 система є активною, так як в роботі використовується насос і теплообмінник. Холодоагент в газоподібному стані механізмом для створення різниці тиску 3 нагнітається в теплообмінник-конденсатор 4, де в процесі конденсування газоподібний холодоагент починає виділяти тепло. Вентилятор 8 жене повітря, яке, проходячи через теплообмінник-конденсатор 4, нагрівається, після чого направляється в службове приміщення 2. А зріджений холодоагент під великим тиском подається в дросельний елемент 6 (терморегулюючий вентиль), в якому знижується тиск холодоагента, а значить зменшується і температура його випаровування, що потрібно для нормальної роботи теплообмінника-випарника 5. У теплообміннику-випарнику 5 в процесі випаровування холодоагент поглинає тепло від оточуючого середовища ізольованого приміщення 1, тобто повітря "гарячого коридору" ізольованого приміщення 1, яким обдувається теплообмінниквипарник 5 і при цьому це приміщення 1 охолоджується додатково. Така система повітряного обігріву дозволяє обійтися без радіаторів, труб, води та інших елементів, які використовуються у водяному опаленні. Відомо, що для визначення кількості теплоти (Q), переданої при конвективному теплообміні, неможливо користуватися законом теплопровідності Фур'є, тому що не вдається встановити значення температурного градієнта біля стінки і його зміну по всій поверхні теплообміну. Для практичних розрахунків широке використання знаходить рівняння тепловіддачі Q=α ΔTA і q=α ΔT, де ΔT - температурний напір, а коефіцієнт пропорційності α, що характеризує умови теплообміну між рідиною та поверхнею твердого тіла - коефіцієнт теплообміну. Це рівняння в теплотехніці називається рівнянням Ньютона, коефіцієнт α називають також коефіцієнтом 2 °C тепловіддачі, Вт/(м ). Тобто, тепловий потік, переданий конвекцією, пропорційний площі поверхні теплообміну А, і різниці температур (ΔT) поверхні стінки та рідини, яка рухається вздовж цієї стінки. Чисельна величина коефіцієнта тепловіддачі визначає потужність теплового потоку, що 2 проходить від рідини до стінки (або назад) через одиницю поверхні (1 м ) при різниці температур між рідиною і стінкою 1 °C. Встановлено, що для газів при конвекції природній коефіцієнт тепловіддачі, тобто чисельна величина коефіцієнта тепловіддачі, що визначає потужність теплового потоку, що проходить від рідини до стінки (або назад) через одиницю 2 2 °C поверхні (1 м ) при різниці температур між рідиною і стінкою в 1 °C дорівнює 6-40 Вт/(м ), а 2 °C при вимушеній по трубах або між ними дорівнює 12-120 Вт/(м ). Коефіцієнт тепловіддачі залежить від великої кількості різноманітних факторів, наприклад робочого газу, матеріалу труб і т.п. Зі зростанням в'язкості підвищується товщина приграничного шару і зменшується коефіцієнт α. Зростання швидкості потоку теплоносія приводить до зменшення товщини приграничного шару і збільшення коефіцієнта тепловіддачі. Згідно з цією формулою q=α ΔT можна визначити тепловіддачу (q) в Вт і суму зекономлених коштів у гривнях (по розрахунках автора ця сума складає близько 37 тис. грн. на рік) на площі службового приміщення ЦОДу 21 2 м з обігрівом електричними приладами при конвекції природній. Таким чином, ЦОД відповідає умовам новизни, є промислово придатним і дозволяє отримати значний економічний ефект. 4 UA 114394 U Інші аспекти та характеристики цієї корисної моделі можуть бути з'ясовані через вивчення графічних матеріалів та формули корисної моделі. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 25 30 1. Центр обробки даних, що містить ізольоване приміщення з ізотермічними стінами і службове приміщення, у ізольованому приміщенні розміщені серверні шафи з обчислювальним обладнанням та системами зберігання даних, гарячий і холодний коридори, система охолодження, який відрізняється тим, що він додатково містить систему для використання теплової енергії повітря ізольованого приміщення. 2. Центр за п. 1, який відрізняється тим, що система для використання теплової енергії повітря ізольованого приміщення являє собою щонайменше один компресійний холодильний агрегат, виконаний у вигляді з'єднаних між собою замкнутою системою трубопроводів механізму для створення різниці тиску, теплообмінника-конденсатора для віддачі тепла, змонтованого в службовому приміщенні, теплообмінника-випарника для відбору тепла, змонтованого в гарячому коридорі ізольованого приміщення, дросельного елемента для підтримання різниці тиску. 3. Центр за п. 2, який відрізняється тим, що система для використання теплової енергії повітря ізольованого приміщення додатково містить вентилятори для теплообмінника-випарника і теплообмінника-конденсатора. 4. Центр за п. 2, який відрізняється тим, що система для використання теплової енергії повітря ізольованого приміщення являє собою щонайменше один компресійний холодильний агрегат, виконаний у вигляді з'єднаних між собою замкнутою системою трубопроводів механізму для створення різниці тиску, теплообмінника-конденсатора для віддачі тепла, змонтованого в службовому приміщенні, теплообмінника-випарника для відбору тепла, змонтованого в гарячому коридорі ізольованого приміщення, дросельного елемента для підтримання різниці тиску і систему трубопроводів водяного обігріву з нагрівальним приладом, при цьому теплообмінник-конденсатор для віддачі тепла і нагрівальний прилад виконані у вигляді теплообмінника-рекуператора, встановленого в службовому приміщенні. 5. Центр за п. 4, який відрізняється тим, що теплообмінник-рекуператор виконаний у вигляді пластинчастого теплообмінника-рекуператора. 6. Центр за п. 4, який відрізняється тим, що теплообмінник-рекуператор виконаний у вигляді "труба у трубі". 5 UA 114394 U 6 UA 114394 U 7 UA 114394 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8