1. 148 CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA 46/4 (2015)
ISSN 0137-3676
Słowa kluczowe: system klimatyzacji, serwerownia
Streszczenie
W artykule opisano zagadnienie optymalizacji systemu kli-
matyzacji serwerowni. Algorytm procedury optymalizacyjnej
obejmuje wyszczególnienie zbioru wszystkich możliwych wa-
riantów systemu, sformułowanie warunków ograniczających,
koniecznych do określenia zbioru wariantów dopuszczalnych
oraz zdefiniowanie kryteriów optymalizacyjnych w celu wy-
znaczenia wariantu optymalnego. Wymienione elementy pro-
cedury optymalizacyjnej uwzględniają specyfikę technologii
serwerowni oraz stosowanych systemów klimatyzacyjnych.
Keywords: cooling system, data center
Abstract
The paper presents an optimization problem of data center
precision cooling system. The optimization procedure inc-
ludes specification of all system variants, formulation of the
limiting conditions necessary to define a set of permissible
variants and definition of the optimization criterion. All ele-
ments of described optimization procedure take into consi-
deration the specificity of data center infrastructure systems,
especially thermal management system.
© 2006-2015 Wydawnictwo SIGMA-NOT Sp. z o.o.
All right reserved
Zagadnienie optymalizacji systemu klimatyzacji
serwerowni
Optimization Problem of the Data Center Precision Cooling System
DOI:10.15199/9.2015.4.5
PIOTR KOWALSKI*)
MIECZYSŁAW POROWSKI**)
*) Mgr inż.Piotr Kowalski; piotr.kowalski@emerson.com
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Politechnika
Poznańska, Emerson Network Power Sp. z o.o.
**) Dr hab. inż.Mieczysław Porowski – osoba do kontaktu:
mieczyslaw.porowski@put.poznan.pl
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Politechnika
Poznańska
WENTYLACJA·KLIMATYZACJA
Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 46/4 (2015) 148÷154
www.cieplowent.pl
1. Wprowadzenie
Centra przetwarzania danych wymagają odpowiedniej
przestrzeni i infrastruktury do pracy serwerów obliczenio-
wych. Obiekty tego typu pracują w trybie ciągłym, dlatego
charakteryzują się dużym zużyciem energii elektrycznej. In-
frastruktura techniczna serwerowni składa się z systemów:
zasilania gwarantowanego (UPS), zasilania awaryjnego
(agregaty prądotwórcze), wczesnego wykrywania pożaru,
gaszenia oraz klimatyzacji precyzyjnej. Znaczący udział
w kosztach eksploatacji tego typu obiektów mają koszty
związane z utrzymaniem parametrów powietrza. System
klimatyzacji precyzyjnej może odpowiadać za 38% całko-
witego zużycia energii elektrycznej przez serwerownię [1].
Parametrypowietrza(temperatura,wilgotnośćwzględna,
czystość), wymagane do pomieszczeń, w których znajdują
się serwery określane są od 2004 r. przez ASHRAE [2].
Parametry te zmieniały się kilka razy w ciągu ostatnich 10
lat, a poszerzenie dopuszczalnych przedziałów temperatu-
ry i wilgotności względnej powietrza, umożliwiło wyko-
rzystanie rozwiązań ograniczających czas pracy i zużycie
energii przez sprężarkowe urządzenia chłodnicze. Badania
przeprowadzone w 2011 r. przez Green Grid, wśród 115
operatorów centrów przetwarzania danych wykazały, że
87% z nich utrzymuje wilgotność względną w pomiesz-
czeniach serwerów (w zakresie 39÷53%), a 49% opera-
torów stosuje rozwiązania optymalizujące pracę systemu
chłodzenia (ang. economizers) [3].
Problemowi optymalizacji energetycznej układów chło-
dzenia serwerowni poświęcono wiele badań naukowych.
Iyengar i Schmidt [4] opracowali model systemu chłodze-
nia z szafami klimatyzacji precyzyjnej zasilanych wodą lo-
dową, przy czym źródło chłodu stanowi agregat chłodniczy
współpracujący z wieżą chłodniczą. Model ten został zwe-
ryfikowany badaniami obiektu o mocy serwerów 5,8 MW.
Khalifa i Demetriou [5] przedstawili model termodyna-
miczny umożliwiający poszukiwanie energooptymalnych
punktów pracy systemu (strumień objętości i temperatura
powietrza chłodzącego), model ten uwzględnia zużycie
energii przez wentylatory serwerów (stały lub zmienny
przepływ powietrza). Patel i Beitelmal [6] opracowali mo-
del agregatu chłodniczego z wieżą chłodniczą otwartą, sta-
nowiącego element systemu klimatyzacji i zbadali wpływ
temperatury wody lodowej na efektywność systemu chło-
dzenia centrum przetwarzania danych. Walidacja modelu
została przeprowadzona na podstawie danych zebranych
w laboratoriach Hewlett-Packard, z wykorzystaniem agre-
gatów z modulacją wydajności i bez niej.
Wymienione aplikacje optymalizacji systemów klima-
tyzacyjnych serwerowni dotyczą konkretnych struktur

2. CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA 46/4 (2015) 149
dopuszczalnych w tych systemach. W rzeczywistości licz-
ba systemów dopuszczalnych może być większa. Zatem,
w sensie metodologicznym, procedura optymalizacyjna
powinna obejmować wyznaczenie zbioru wariantów do-
puszczalnych ze zbioru wszystkich możliwych wariantów
systemu klimatyzacyjnego spełniających funkcję użytko-
wą, a następnie wyznaczenie systemu optymalnego na pod-
stawie kryterium optymalizacyjnego (funkcji celu). Zapre-
zentowanie takiej metodologii jest przedmiotem artykułu.
2. Struktura zagadnienia optymalizacji
Strukturę zagadnienia optymalizacji systemu klimatyza-
cyjnego przedstawiono na rys. 1.
Zagadnienie optymalizacji systemu klimatyzacyjnego,
w tym również systemu klimatyzacji serwerowni, obejmuje:
– model systemu klimatyzacyjnego,
– model optymalizacji,
– procedurę optymalizacyjną.
Model systemu klimatyzacyjnego opisany jest przez pa-
rametry stałe i zmienne decyzyjne. Parametry stałe usta-
lane są przed rozpoczęciem procedury optymalizacyjnej
i nie zmieniają się w trakcie jej realizacji. Parametry stałe,
można określić zatem, jako parametry niezmienne w pro-
cedurze optymalizacyjnej. Do parametrów stałych należą:
wymagania technologiczne w zakresie parametrów termo-
dynamicznych powietrza, obciążenia systemu klimatyzacji
oraz stałe fizyczne, materiałowe i geometryczne. Zmienne
decyzyjne są parametrami, które zmieniają się w trakcie
procedury optymalizacyjnej i są argumentami modelu sys-
temu klimatyzacyjnego, warunków ograniczających oraz
funkcji celu. Model optymalizacji obejmuje, oprócz mo-
delu systemu klimatyzacyjnego, warunki ograniczające
oraz kryterium optymalizacyjne (funkcję celu).
Procedura optymalizacyjna zakłada następujące etapy:
● wyznaczenie zbioru wszystkich możliwych warian-
tów systemu,
● sprawdzenie ograniczeń,
● wyznaczenie zbioru wariantów dopuszczalnych,
● wyznaczenie kryterium optymalizacyjnego (funkcji
celu),
● wyznaczenie wariantu optymalnego,
● analizę wrażliwości.
Zbiór wszystkich możliwych wariantów systemu opisa-
ny jest przez parametry stałe i zmienne decyzyjne. Zbiór
wariantów dopuszczalnych systemu wyznacza się ze zbio-
ru wszystkich możliwych wariantów, na podstawie wa-
runków ograniczających. W celu wyznaczenia wariantu
optymalnego, wyznacza się wartość kryterium optymali-
zacyjnego (funkcji celu), w każdym wariancie ze zbioru
wariantów dopuszczalnych. Wariantem optymalnym jest
ten wariant systemu klimatyzacyjnego, dla którego funk-
cja celu przyjmuje ekstremum (minimum lub maksimum,
zależnie od kryterium optymalizacyjnego). Procedura
optymalizacyjna powinna uwzględniać również analizę
wrażliwości, w celu określenia wpływu zmian zmiennych
decyzyjnych na kryterium optymalizacyjne i w konse-
kwencji wariant optymalny systemu.
3. Zbiór wszystkich możliwych wariantów systemu
Istnieje wiele dostępnych rozwiązań technologicznych
chłodzenia centrów przetwarzania danych. Rozwiązania
te różnią się między sobą lokalizacją urządzeń klimaty-
zacyjnych, rodzajem nośnika chłodu (powietrze, czynnik
chłodniczy, woda lodowa), architekturą technologii szaf
serwerowych oraz sposobem prowadzenia instalacji.
Zbiór wszystkich możliwych wariantów systemu chło-
dzenia serwerowni, może być traktowany jako zbiór do-
mknięty ze względu na funkcję użytkową tych systemów
oraz wymagania technologiczne. Zbiór ten obejmuje syste-
my: obwodowe, rzędowe, wiszące, rackowe, procesorowe,
budynkowe zewnętrzne, budynkowe zintegrowane – przy
czym, głównym kryterium podziału jest tutaj lokalizacja
urządzeń chłodzących serwery.
Systemy obwodowe (szafy klimatyzacji precyzyjnej
– rys. 2), to najczęściej stosowane i najbardziej uniwersal-
ne rozwiązanie, pozwalające na dużą swobodę w aranżacji
architektury i lokalizacji szaf serwerowych. Urządzenia
chłodzące instalowane są na obwodzie pomieszczenia (we-
wnątrz lub na zewnątrz komory serwerowni) i zapewniają
obieg powietrza w całej jego kubaturze. Redundancję (nad-
miarowość) modułu chłodzącego zakłada się na poziomie
całego pomieszczenia lub na poziomie poszczególnych
stref (w zależności od wielkości pomieszczenia, otwartej/
zamkniętej architektury szaf rack – stojaków z serwera-
mi, zróżnicowania obciążenia cieplnego poszczególnych
korytarzy). W większości przypadków obwodowe sza-
fy klimatyzacyjne mogą kontrolować w obu kierunkach
temperaturę i wilgotność powietrza w serwerowni: chło-
dzenie/grzanie, nawilżanie/osuszanie. Wyjątkiem są tutaj
wysokotemperaturowe układy wodne, w których tempera-
tura wody wyższa niż temperatura punktu rosy powietrza
w pomieszczeniu uniemożliwia pracę w trybie osuszania.
Systemy te mogą utrzymywać parametry powietrza ser-
Rys. 1. Struktura zagadnienia optymalizacji systemu klimatyzacyj-
nego [7]

3. 150 CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA 46/4 (2015)
werowni w wąskim zakresie parametrów ASHRAE 2004
Recommended lub ASHRAE 2011 Recommended [2].
Systemy rzędowe (klimatyzatory stojące bezpośrednio
w rzędzie szaf serwerowych – rys. 3) to rozwiązanie wpro-
wadzone do chłodzenia szaf serwerowych o gęstościach
mocy cieplnej przekraczających 7 kW/rack. Klimatyza-
tory tego typu wymagają doprowadzenia instalacji chło-
dzącej w bezpośrednie sąsiedztwo szaf serwerowych oraz
zaprojektowania architektury tych szaf z uwzględnieniem
elementów systemu chłodzenia. Nadmiarowość klimaty-
zatorów przyjmuje się na poziomie rzędu szaf serwero-
wych (w przypadku architektury otwartej) lub na pozio-
mie korytarza, tj. dwóch rzędów szaf rack (w przypadku
architektury z wydzieleniem stref zimnej i gorącej przez
zabudowę jednego z korytarzy). Klimatyzatory z bezpo-
średnim odparowaniem czynnika chłodniczego zapewnia-
ją tutaj dwukierunkową kontrolę temperatury i wilgotności
powietrza, natomiast możliwość osuszania w przypadku
urządzeń wodnych uzależniona jest od zastosowanej tem-
peratury wody. Systemy rzędowe umożliwiają utrzymanie
w serwerowni parametrów powietrza zgodnych z ASH-
RAE 2011 Recommended.
Systemy wiszące (nadrackowe – rys. 4), stosowane są
w architekturze otwartej, instalowane ponad szafami ser-
werowymi,jakouzupełnienieiwspomaganieobwodowych
szaf klimatyzacji precyzyjnej przy gęstości mocy cieplnej
przekraczających 6 kW/rack. Maksymalna gęstość mocy
cieplnej odprowadzanej przy zastosowaniu tego typu kli-
matyzatorów wynosi 24 kW/rack. Ze względu na lokaliza-
cję klimatyzatorów bezpośrednio nad serwerami, czynni-
kiem chłodniczym jest ciekły czynnik chłodniczy R134a
w obiegu pompowym (zabezpieczenie przed zalaniem
w przypadku nieszczelności układu rurowego). Tempera-
tura ciekłego czynnika chłodniczego utrzymywana jest po-
wyżej punktu rosy powietrza w pomieszczeniu serwerow-
ni; stąd układy wiszące odprowadzają tylko ciepło jawne,
a wilgotność względna regulowana jest przez obwodowe
szafy klimatyzacyjne. W przeszłości rozwiązanie to było
stosowane we wszystkich serwerowniach o średnich i wy-
sokich gęstościach mocy cieplnej. Obecnie, ze względu na
rozwój innych technologii, zastosowanie tego typu klima-
tyzatorów ogranicza się do specjalistycznych serwerowni
naukowych lub obiektów modernizowanych o skompliko-
wanej architekturze szaf serwerowych, w których niemoż-
liwe jest zastosowanie uporządkowanego układu ciepłych
i zimnych stref wraz z wydzieleniem korytarzy.
Systemy rackowe (rys. 5) są stosowane, jako specjali-
styczne rozwiązania w przypadku szaf serwerowych o gę-
stościach mocy cieplnej od 16 do 35 kW. Rozróżnia się
dwa typy takich systemów: otwarte (zewnętrzny obieg
powietrza chłodzącego) oraz zamknięte (obieg powietrza
chłodzącego zamknięty w przestrzeni szafy serwerowej).
Otwarte systemy rackowe składają się z wymiennika
chłodzącego, instalowanego bezpośrednio w konstrukcji
szaf serwerowych, np. zamiast perforowanych drzwi tyl-
nych. Nośnikiem chłodu w takim rozwiązaniu jest chło-
dziwo (woda lub mieszanina glikolu), ale dostępne są
również rozwiązania z ciekłym czynnikiem chłodniczym,
analogicznie jak w rozwiązaniach wiszących. Wymienniki
w otwartym układzie rackowym nie mają oddzielnych wen-
tylatorów – ich niskie opory przepływu pozwalają na wy-
muszenie obiegu powietrza przez wentylatory serwerów. Ze
względu na konstrukcję, wymienniki te odprowadzają zyski
ciepła jawnego; regulację wilgotności zapewnia dodatko-
wy, zewnętrzny klimatyzator precyzyjny (obwodowy lub
rzędowy), który dodatkowo służy również jako komponent
redundantny na wypadek awarii wymiennika rackowego.
Zamknięte układy rackowe składają się z wymiennika
wodnego zintegrowanego z zabudową szafy rack (na dole
lub z boku szafy) oraz wentylatorów zapewniających obieg
powietrza wewnątrz szafy z serwerami. W rozwiązaniu
zamkniętym regulowana jest tylko temperatura powietrza;
wilgotność względna jest wynikowa i utrzymuje się na sta-
łym poziomie (brak wewnętrznych zysków wilgoci).
Rys. 2. Schemat serwerowni z obwodowymi szafami klimatyzacji
precyzyjnej [8]
Rys. 3. Schemat systemu chłodzenia z klimatyzatorami rzędowymi [9]
Rys. 4. Schemat systemu chłodzenia z klimatyzatorami wiszącymi [10]
Rys. 5. Rackowe, zamknięte systemy chłodzenia, przykład [11]

4. CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA 46/4 (2015) 151
Systemy procesorowe (rys. 6), to specjalistyczne roz-
wiązania stosowane w serwerowniach wymagających
bardzo dużych mocy obliczeniowych, o gęstościach mocy
cieplnej do 60 kW/rack. Rozwiązanie to polega na elimi-
nacji powietrza, jako nośnika chłodu – chłodziwo (woda,
mieszanina glikolu lub ciekły czynnik chłodniczy) dopro-
wadzone jest bezpośrednio do procesora przez specjalną
konstrukcję obudowy serwera. Umożliwia to zastosowa-
nie chłodziwa o temperaturze wyższej niż maksymalna
temperatura powietrza zewnętrznego (np. temperatura
chłodziwa równa 25/40 °C) i eliminację sprężarkowych
urządzeń chłodniczych.
Systemy budynkowe zewnętrzne (rys. 7) są stosowane
w dużych serwerowniach o zabudowie halowo-magazyno-
wej (ang. warehouse type data center). Wymagają one od-
powiedniej architektury obiektu. Wymagania te są jednak
znacznie mniej rygorystyczne niż w przypadku zintegro-
wanych rozwiązań budynkowych. Są to systemy instalo-
wane na zewnątrz budynku, których elementami są naj-
częściej centrale chłodzące z pośrednimi wymiennikami
powietrze – powietrze oraz adiabatycznymi i wyparnymi
systemami chłodzenia. W serwerowniach klasy ASHRAE
A1 umożliwiają, w większości przypadków, całoroczne
chłodzenie bez wspomagania go układami sprężarkowymi.
Utrzymanie parametrów powietrza w obszarze ASHRAE
2011 Recommended jest również możliwe, ale wymaga
zastosowania dodatkowych chłodnic po stronie powietrza
wewnętrznego. W rozwiązaniach tego typu, zazwyczaj nie
stosuje się nawilżania. Aby zapobiec osuszaniu powietrza
w okresach ujemnej temperatury zewnętrznej, producenci
Rys. 6. Obudowa serwera ze zintegrowanym systemem chłodzenia
cieczą [12]
Rys. 7. Schemat budynkowego, zewnętrznego systemu chłodzenia
(powietrzne pośrednie) [13]
Rys. 8. Przykładowe rozwiązanie budynkowego, zintegrowanego systemu chłodzenia (Facebook Lulea Data Center 2, Szwecja) [14]
stosują różne rozwiązania umożliwiające utrzymanie tem-
peratury ścianek wymiennika powyżej temperatury punk-
tu rosy powietrza wewnętrznego.
Systemy budynkowe zintegrowane (rys. 8), to systemy
zintegrowane z architekturą pomieszczenia lub całego bu-
dynku. Systemy te już na etapie projektowym wymagają
wkomponowania w strukturę budynku elementów ukła-
du chłodzenia (wentylatory, opcjonalne powietrzne wy-
mienniki pośrednie, układy chłodzenia adiabatycznego,
opcjonalne wymienniki chłodzące wspomagające systemy
adiabatyczne). Budynkowe systemy chłodzenia, moż-
na dodatkowo podzielić na bezpośrednie lub pośrednie.
W systemach bezpośrednich nośnikiem chłodu jest powie-
trze zewnętrzne, poddane podstawowej obróbce cieplnej
– temperatura (mieszanie, chłodzenie wyparne) i filtracji.
Jest to rozwiązanie stosowane w największych centrach
przetwarzania danych globalnych firm informatycznych,
takich jak: Facebook czy Google. Firmy te dopuszczają
pracę serwerów w bardzo szerokim zakresie parametrów
powietrza (np. ASHRAE A2), co preferuje stosowanie
bezsprężarkowych układów chłodzenia. Aby systemy tego
typu mogły funkcjonować w sposób energooszczędny,
lokalizację obiektów planuje się w obszarach o umiar-
kowanej temperaturze zewnętrznej i niskiej wilgotności.
Systemy zintegrowane pośrednie wykorzystują, np. rota-
cyjny wymiennik powietrze – powietrze do rozdzielenia
obiegu powietrza zewnętrznego i wewnątrz serwerowni.
W przypadku, gdy parametry klimatyczne danej lokali-
zacji lub oczekiwana klasa obiektu uniemożliwiają utrzy-
manie wymaganego zakresu temperatury i wilgotności,
w systemach budynkowych możliwe jest zastosowanie
wspomagających układów chłodzenia sprężarkowego lub
wodnego, którego wymienniki również są zintegrowane
z architekturą budynku.
4. Warunki ograniczające
Analiza zagadnienia optymalizacji systemu klimaty-
zacyjnego serwerowni umożliwia sformułowanie nastę-
pujących warunków ograniczających (w szczególnych
przypadkach zakres warunków ograniczających może być
rozszerzony):
● architektoniczno-konstrukcyjne,
● środowiskowe,
● technologiczne,
● bezpieczeństwo i niezawodność.
Ograniczenia architektoniczno-konstrukcyjne związane
są z adaptacją istniejących budynków do funkcji serwe-
rowni lub projektowaniem nowych budynków. Do ograni-
czeń tego typu zaliczamy: typ konstrukcji budynku (mo-
nolityczny, modułowy, jedno- lub wielokondygnacyjny),
architekturę budynku (sposób prowadzenia instalacji, lo-
kalizacja urządzeń) oraz warunki zabudowy.
Ograniczenia środowiskowe obejmują: parametry klima-
tu zewnętrznego, ograniczenia akustyczne, poziom zanie-

5. 152 CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA 46/4 (2015)
czyszczenia powietrza zewnętrznego. Klimat zewnętrzny
wprowadza ograniczenia w przypadku wyboru systemów
chłodzenia powietrznego bezpośredniego, pośredniego
oraz systemów wspomaganych adiabatycznie. Ogranicze-
nia akustyczne związane są z dopuszczalnym poziomem
(widmem) hałasu na granicy działki, natomiast poziom
zanieczyszczeń powietrza zewnętrznego stanowi – obok
klimatu zewnętrznego – ograniczenie w zastosowaniu sys-
temów chłodzenia powietrznego bezpośredniego.
Ograniczenia technologiczne obejmują architekturę szaf
serwerowych, wymaganą moc chłodniczą, gęstość zainsta-
lowanej mocy cieplnej oraz dopuszczalny zakres parame-
trów termodynamicznych powietrza w pomieszczeniu.
Architektura szaf serwerowych i gęstość zainstalowa-
nej mocy cieplnej, stanowi często decydujące ograni-
czenie w wyborze systemu chłodzenia. Istotna jest tutaj
zwłaszcza wartość obciążeń jednostkowych: niska gę-
stość (do 5 kW/rack), średnia gęstość (6÷15 kW/rack),
wysoka gęstość (>16 kW/rack). Architektura szaf serwe-
rowych określa, czy szafy rack są ustawione w uporząd-
kowany sposób, tj. z zachowaniem tzw. stref/korytarzy
zimnych i gorących oraz czy istnieje fizyczne wydziele-
nie tych stref.
Dopuszczalny zakres parametrów powietrza w pomiesz-
czeniu serwerowni stanowi również istotne ograniczenie
wpływające na wybór systemu chłodzenia. Wymagania
w tym zakresie przedstawiono w tabeli, która stanowi syn-
tezę dopuszczalnych przedziałów temperatury i wilgot-
ności powietrza wg wytycznych ASHRAE 2004 – 2011
[2]. Należy zwrócić uwagę na tendencję w zakresie zmian
dopuszczalnych parametrów powietrza w serwerowniach;
dotyczy to zwłaszcza poszerzenia przedziału dopuszczal-
nej wilgotności względnej powietrza. W świetle danych
zawartych w tabeli wilgotność względna jest traktowana,
jako parametr o drugorzędnym znaczeniu.
Ograniczenia w zakresie bezpieczeństwa i niezawod-
ności, sformułowane są w dokumentach formalnych. Po-
wszechnie wykorzystywane są w tym zakresie: standardy
Uptime Institute (TIER I-IV) [15] lub norma telekomuni-
kacyjna TIA-942 (centrum danych Typ 1-4) [16]. W fazie
opracowania jest również europejski standard EN50600
(klasy dostępności 1-4). Poszczególne poziomy dostępno-
ści, zgodnie ze wskazanymi dokumentami, nie odpowia-
dają sobie nawzajem (TIER IV ≠ TYP IV ≠ Klasa 4), stąd
wymagania stawiane instalacjom powinny być analizo-
wane w odniesieniu do konkretnego dokumentu, a przy-
znany poziom dostępności/klasa obowiązuje tylko przy
danej topologii. Ograniczenia w zakresie bezpieczeństwa
i niezawodności określonej technologii chłodzenia mają
decydujący wpływ na wymiarowanie urządzeń, rozwiąza-
nia instalacyjne oraz końcową efektywność energetyczną
systemu.
5. Zbiór wariantów systemów dopuszczalnych
Nałożenie warunków ograniczających na zbiór wszyst-
kich możliwych wariantów systemów pozwala na określe-
nie zbioru wariantów systemów dopuszczalnych. W zbio-
rze tym znajdują się te systemy (opisane parametrami sta-
łymi i zmiennymi decyzyjnymi), które spełniają wszystkie
warunki ograniczające dotyczące danego przypadku.
Przykładowo, ograniczenia technologiczne wynikające
z gęstości zainstalowanej mocy cieplnej oraz architektury
szaf serwerowych implikują następujące warianty syste-
mów dopuszczalnych:
– obwodowe szafy klimatyzacji precyzyjnej lub systemy
rzędowe – niska gęstość mocy cieplnej i otwarta architek-
tura szaf serwerowych,
– systemy rzędowe, systemy obwodowe wspomagane
przez klimatyzatory wiszące lub systemy rackowe – śred-
nia i wysoka gęstość mocy cieplnej i otwarta architektura,
– obwodowe szafy klimatyzacyjne, systemy rzędowe,
systemy obwodowe wspomagane przez klimatyzatory wi-
szące lub systemy rackowe, systemy budynkowe (zinte-
growane lub zewnętrzne) – średnia i wysoka gęstość mocy
cieplnej oraz zamknięta architektura szaf serwerowych,
– rozwiązania rackowe otwarte lub zamknięte (do 35kW/
rack) oraz rozwiązania procesorowe (do 60 kW/rack)
– wysokie gęstości obciążeń przekraczające 20 kW/rack.
Należy zwrócić uwagę, że zamknięta architektura szaf
serwerowych (wydzielenie zimnego lub gorącego koryta-
rza) rozszerza zakres rozwiązań dopuszczalnych w przy-
padku średniej i wysokiej gęstości mocy cieplnej.
Podobnie, przyjęcie rekomendowanego zakresu para-
metrów wg ASHRAE 2011 oraz ograniczeń środowisko-
wych wskazujących na klimat charakteryzujący się wyso-
ką temperaturą powietrza zewnętrznego wg termometru
mokrego, eliminuje ze zbioru rozwiązań dopuszczalnych
bezsprężarkowe systemy budynkowe wykorzystujące
technologię chłodzenia adiabatycznego.
Analiza kolejnych warunków ograniczających doty-
czących konkretnego przypadku klimatyzacji serwerowni
umożliwia wyeliminowanie wariantów, które nie spełniają
ograniczeń i zmniejszenie liczby wariantów systemów do-
puszczalnych w procedurze optymalizacyjnej.
6. Kryteria optymalizacyjne i system optymalny
Kluczowymi grupami kryteriów optymalizacyjnych
w zagadnieniu wyboru (optymalizacji) systemu chłodze-
nia serwerowni są:
● kryteria energetyczno-ekologiczne,
● kryteria ekonomiczne.
Kryteria energetyczno-ekologiczne zaproponowane
zostały przez Green Grid, amerykańskie stowarzyszenie
non-profit zrzeszające użytkowników, projektantów i pro-
TABELA. Zakres rekomendowanych i dopuszczalnych
wartości temperatury i wilgotności powietrza w Data Center
wg wytycznych ASHRAE 2004 – 2011
Wydanie
Klasa
Rekomendowane Dopuszczalne
tempera-
tura, °C
wilgotność
tempera-
tura, °C
wilgotność
min maks min maks min maks min maks
2004
- 20 25 40% RH 55% RH
- - - -
- - - -
2008
1
18 27
5,5°C
DP
60% RH
i 15°C
DP
15 32
20% RH
80% RH
2 10 35
3 - - - - 5 35
8% RH
4 - - - - 5 40
2011
A1
18 27
5,5°C
DP
60% RH
i 15°C
DP
15 32
20%RH 80%RH
A2 10 35
A3 5 40 -12°C
DP i 8%
RH
85%RH
A4 5 45 90%RH
RH (ang. relative humidity) – wilgotność względna,
DP (ang. dew point) – temperatura punktu rosy.

6. CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA 46/4 (2015) 153
ducentów związanych z centrami przetwarzania danych.
Określają one współczynniki związane z całkowitym
zużyciem energii elektrycznej w serwerowni, zużyciem
wody oraz emisją CO2
w odniesieniu do rocznego zapo-
trzebowania na energię elektryczną serwerów.
Współczynnik efektywności zużycia energii – PUE (ang.
Power Usage Effectiveness) definiowany jest jako [17]:
(1)
Idealną wartością współczynnika PUE jest 1,0, co ozna-
czałoby, że całość energii zużywanej do przetwarzania da-
nych przeznaczona jest do zasilania serwerów (wielkość
teoretyczna). Raport Kongresu Stanów Zjednoczonych
z 2007 r. [18] definiuje trzy przedziały oczekiwanych
poziomów efektywności energetycznej serwerowni oraz
związanych z nimi oszczędnościami zużycia energii elek-
trycznej i emisji CO2
:
– usprawnione (ang. improved operation) dla PUE ≤
1,7,
– najlepsze praktyki (ang. best practice) dla PUE ≤ 1,5,
– najwyższa klasa (ang. state of the art) dla PUE ≤ 1,4.
Współczynnik emisji CO2
– CUE (ang. Carbon Usage
Effectiveness) definiowany jest jako [19]:
(2)
Współczynnik zużycia wody – WUE (ang. Water Usage
Effectiveness) definiowany jest jako [20]:
(3)
Idealną wartością współczynników CUE i WUE jest
0,0 – co oznaczałoby serwerownię o zerowej emisji CO2
oraz zerowym zużyciu wody. Analogicznie, jak w przy-
padku współczynnika PUE, nie ma górnej granicy war-
tości tych współczynników, ale optymalizacja systemów
chłodzenia dąży do ich minimalizacji. Współczynnik
CUE uzależniony jest od sposobu produkcji energii elek-
trycznej w danej lokalizacji oraz związanej z nią emisją
CO2
. Serwerownia o jednakowym współczynniku PUE
będzie charakteryzować się różnym współczynnikiem
CUE w zależności od lokalizacji geograficznej danego
obiektu lub zastosowanego źródła energii elektrycznej,
np. emisja CO2
z elektrowni węglowych w Wielkiej Bry-
tanii wynosi 786÷990 g CO2
eq/kWh, elektrowni gazo-
wych 365÷488 g CO2
eq/kWh, a elektrowni atomowych
poniżej 26 g CO2
eq/kWh [21]. Lokalne, odnawialne źró-
dła energii, np. panele fotowoltaiczne lub ogniwa pali-
wowe, mogą być uwzględnione przy kalkulacji współ-
czynnika CUE i wpływają na jego obniżenie.
Zgodnie z definicją Green Grid kryteria ekologiczne
odnoszą się do wszystkich systemów w obrębie centrum
przetwarzania danych, jednak w uproszczonych kalkula-
cjach mogą się one także odnosić tylko do systemu klima-
tyzacji precyzyjnej i służyć do szacowania jego efektyw-
ności. Częściowe współczynniki efektywności odniesione
tylko do systemu klimatyzacji precyzyjnej oznacza się od-
powiednio jako: pPUE, pCUE, pWUE.
Kryteria ekonomiczne związane są z kosztami wynika-
jącymi z budowy i eksploatacji systemu chłodzenia serwe-
rowni. Do kryteriów ekonomicznych zalicza się koszt:
● inwestycyjny – CAPEX (ang. Capital Expenditures),
.,
Zużycie energii elektrycznej przez serwery
Całkowite zużycie energii elektrycznej Data Center
[kWh]
[kWh]
PUE = .,
Zużycie energii elektrycznej przez serwery
Całkowite zużycie energii elektrycznej Data Center
[kWh]
[kWh]
PUE =
.,
Zużycie energii elektrycznej przez serwery
Całkowita emisja CO2 ze zużycia energii Data Center
[kWh]
[kgCO2]
CUE = .,
Zużycie energii elektrycznej przez serwery
Całkowita emisja CO2 ze zużycia energii Data Center
[kWh]
[kgCO2]
CUE =
.,
Zużycie energii elektrycznej przez serwery
Roczne zużycie wody Data Center
[kWh]
[dm3
]
WUE = .,
Zużycie energii elektrycznej przez serwery
Roczne zużycie wody Data Center
[kWh]
[dm3
]
WUE =
● eksploatacyjny – OPEX (ang. Operating Expenditu-
res),
● całkowity – TCO (ang. Total Cost of Ownership).
Najprostszym kryterium ekonomicznym jest koszt inwe-
stycyjny rozwiązania i jest to najczęściej stosowane kryte-
rium w małych i mniej odpowiedzialnych serwerowniach
o niskiej klasie dostępności.
Do oszacowania kryterium kosztów eksploatacyjnych,
mogą służyć obliczeniowe współczynniki pPUE i pWUE
danego systemu chłodzenia, na podstawie referencyjnych
rozkładów temperatury i wilgotności powietrza zewnętrz-
nego w danej lokalizacji. Kryterium kosztów eksploatacyj-
nych jest szczególnie istotne w przypadku dużych centrów
przetwarzania danych, jednak nie uwzględnia ono różnicy
w koszcie inwestycyjnym danego rozwiązania. Współ-
czynniki pPUE i pWUE danego systemu chłodzenia nie
dają możliwości jednoznacznego porównania z systemem
o innym rozkładzie tych współczynników, ze względu na
różnicę w kosztach energii elektrycznej i wody w danej
lokalizacji. Dlatego, w prezentowanych analizach, auto-
rzy wprowadzili dodatkowy współczynnik, uwzględnia-
jący stosunek kosztu poszczególnych czynników (energii
elektrycznej i wody) i umożliwiający bezpośrednie po-
równanie dwóch systemów o różnych technologiach oraz
różnym udziale zużycia energii elektrycznej i wody na po-
trzeby chłodzenia. Analogicznie do terminologii przyjętej
przez Green Grid, współczynnik ten nazwano mieszanym
współczynnikiem efektywności zużycia energii i wody
– MUE (ang. Mixed Usage Effectiveness). Współczynnik
ten definiowany jest jako:
MUE = pPUE + k pWUE
, (4)
(5)
Ostatnim kryterium ekonomicznym, które umożliwia
wybór optymalnego rozwiązania systemu chłodzenia ser-
werowni jest koszt całkowity TCO wybranego systemu,
obliczany w określonym czasie (np. 5 lat, 10 lat lub prze-
widywanym okresie życia danego systemu). W zależności
od stopnia rozbudowania modelu obliczeniowego kryte-
rium całkowitego kosztu powinno uwzględniać:
– koszt inwestycyjny (CAPEX),
– koszt eksploatacyjny systemu (OPEX),
oraz opcjonalnie:
– koszty obsługi serwisowej (Service),
– przewidywany poziom inflacji i jej wpływ na koszty
eksploatacyjne,
– przewidywany harmonogram osiągnięcia docelowej,
projektowej mocy serwerów wraz z współczynnikami
efektywności energetycznej poszczególnych systemów
pracy z obciążeniem częściowym.
W przypadku, gdy koszty inwestycyjne są rozłożone
w czasie, zgodnie ze stopniami przyrostu obciążenia ser-
werowni, koszt całkowity systemu chłodzenia można obli-
czyć zgodnie ze wzorem:
(6)
gdzie:
load – obciążenie chwilowe,
loadmin
– obciążenie minimalne,
loadmax
– obciążenie maksymalne,
τ – czas.
.,
3












=
kWh
PLN
dm
PLN
C
C
k
w
el
.,
3












=
kWh
PLN
dm
PLN
C
C
k
w
el
[ ]∑ ⋅++= max
min
)(load
load loadloadloadload τServiceOPEXCAPEXTCO ,[ ]∑ ⋅++= max
min
)(load
load loadloadloadload τServiceOPEXCAPEXTCO ,

7. W szczególnym przypadku, gdy koszt zakupu i instalacji
urządzeń ponoszony jest w początkowym etapie inwesty-
cji, koszt całkowity systemu chłodzenia można obliczyć
zgodnie z formułą:
(7)
W zagadnieniach optymalizacji wielokryterialnej skon-
struować można kryterium optymalizacyjne, w którym
kryteria zdefiniowane wzorami (1)÷(7) są kryteriami
cząstkowymi z określonymi wagami.
Zgodnie z procedurą optymalizacyjną systemem opty-
malnym klimatyzacji serwerowni jest system, w którym
funkcja celu przyjmuje minimum zgodnie z relacją:
Kopt
= min(K1
, …Kj
, …Kjmax
) (8)
gdzie:
K => PUE lub CUE lub WUE lub MUE lub CAPEX lub
OPEX lub TCO,
j = 1 do jmax
– kolejny numer systemu dopuszczalnego.
7. Podsumowanie
Wybór optymalnego systemu klimatyzacji serwerow-
ni jest kluczowym zagadnieniem w fazie projektowania
i decyduje o przyszłych kosztach inwestycyjnych, eks-
ploatacyjnych lub ekologicznych, zależnie od przyję-
tego kryterium optymalizacji. Sformułowanie spójnej
i uporządkowanej procedury optymalizacyjnej stanowi
narzędzie do wyboru optymalnego systemu klimatyza-
cyjnego. Elementami procedury optymalizacyjnej są tu-
taj wyznaczenie zbioru wszystkich możliwych warian-
tów systemu, określenie warunków ograniczających,
zbioru wariantów dopuszczalnych oraz wyznaczenie
wariantu optymalnego na podstawie kryterium optyma-
lizacyjnego. Zbiór wszystkich możliwych wariantów
systemu klimatyzacyjnego serwerowni jest zbiorem do-
mkniętym, a identyfikacja warunków ograniczających
i wyznaczenie zbioru wariantów dopuszczalnych, moż-
liwe w każdym konkretnym przypadku. Przedstawiony
zbiór kryteriów energetycznych, ekologicznych i ekono-
micznych pozwala na praktyczne wyznaczenie wariantu
optymalnego.
[ ].)(max
minmax
∑ ⋅++= load
load loadloadloadload τServiceOPEXCAPEXTCO [ ].)(max
minmax
∑ ⋅++= load
load loadloadloadload τServiceOPEXCAPEXTCO
L I T E R A T U R A
[1] Energy Logic: Reducing Data Center Energy Consumption by Creating
Savings that Cascade Across Systems, Emerson Network Power, 2007
[2] A.T.C. TC 9.9, 2011 Thermal Guidelines for Data Processing En-
vironments – Expanded Data Center Classes and Usage Guidance,
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers, Inc., 2011
[3] Kaiser J., Bean J., T. Tom Harvey, Patterson M. and Winiecki J.:
Survey results: data center economizer use. White paper #41, The
Green Grid, 2011
[4] Iyengar M and Schmidt R. R.: Analytical Modeling for Thermodynamic
Characterization of Data Center Cooling Systems, Journal of Electron-
ic Packaging, vol. 131, no. June, pp. 021009-1 – 021009-9, 2009
[5] Khalifa H. E. and Demetriou D. W.: Energy Optimization of Air-
Cooled Data Centers, Journal of Thermal Science and Engineering
Applications, vol. 2, no. December, pp. 041005-1 – 041005-13, 2010
[6] Patel C. D. and Beitelmal A. H.: A steady-state model for the design
and optimization of a centralized cooling system, International Jour-
nal of Energy Reasearch, vol. 34, pp. 1239-1248, 2010
[7] Porowski.M: Strategia wyboru energooptymalnego systemu wenty-
lacyjnego lub klimatyzacyjnego, Poznań: Wydawnictwo Politechni-
ki Poznańskiej, 2011
[8] 42U.com, [Online]. Available: http://www.42u.com/cooling/hot-
aisle-cold-aisle.htm. [Accessed 04/01/2015]
[9] 42U.com, [Online]. Available: http://www.42u.com/cooling/liquid-
cooling.htm. [Accessed 04/01/2015]
[10] Emerson Network Power, Liebert XD brochure, Emerson Network
Power, 2010
[11] Emerson Network Power, Smart Cooling Solutions Data Center
brochure, Emerson Network Power, 2012
[12] www.techpowerup.com, [Online]. Available: http://www.techpowe-
rup.com/forums/threads/asetek-to-offer-liquid-cooling-solutions-
for-data-centers. 157894/. [Accessed 04 01 2015]
[13] wentylacja.biz, [Online]. Available: http://www.wentylacja.biz/
artykuly,58591,1,Emerson_Network_Power_wprowadza_na_ry-
nek_innowacyjny_system__do_posredniego_freecoolingu_wypar-
nego_Liebert_EFC. [Accessed 04 01 2015].
[14] cloudtweaks.com, [Online]. Available: http://cloudtweaks.com
/2014/03/facebook-finding-friends-node-pole/. [Accessed 04 01 2015]
[15] Uptime Institute Professional Services, LLC, Data Center Site in-
frastructure Tier Standard: Topology, Uptime Institute, LLC, New
York, 2012
[16] Telecommunications Industry Associacion, Telecommunications
Infrastructure Standard for Data Centers TIA-942-A, TIA, 2014
[17] Victor Avelar, Dan Azevedo, Alan French, PUE: A comprehensive
examination of the metric, White Paper #49, The Green Grid, 2012
[18] U.S. Environmental Protection Agency, Report to Congress on Se-
rver and Data Center Energy Efficiency, U.S. Environmental Protec-
tion Agency, 2007
[19] Christian Belady, Dan Azevedo, Michael Patterson, Jack Pouchet,
Roger Tipley, Carbon Usage Effectiveness (CUE):AGreen Grid data
center sustainability metric, white paper #32, The Green Grid, 2010
[20] Michael Patterson, Dan Azavedo, Christian Belady, Jack Pouchet,
Water Usage Effectiveness (WUE): A Green Grid data center susta-
inability metric, white paper #35, The Green Grid, 2011.
[21] Allen S.: Carbon Footprint of Electricity Generation, The Parlia-
mentary Office of Science and Technology, London, Number 383
June 2011
Dzień 20 lutego 2015 r. z pewnością zapi-
sze się jako przełom w historii odnawialnych
źródeł energii w Polsce. Podczas ostatniego
głosowania nad Ustawą o OZE w sejmie,
posłowie bezwzględną większością głosów
(227 do 209) odrzucili „kompromisową”
poprawkę zaproponowaną przez Senat. Tym
samym utrzymana została wcześniej przy-
jęta przez sejm „poprawka prosumencka”
zaproponowana przez posła Artura Bramo-
rę. Poprawka wprowadza do ustawy system
wsparcia dla mikroinstalacji OZE w postaci
taryf gwarantowanych. Jest to ogromny suk-
ces społeczeństwa obywatelskiego, które
poprzez wiele inicjatyw zdołało przekonać
większość posłów do opowiedzenia się za
rozwiązaniami korzystnymi dla ludzi, a nie
dla koncernów energetycznych. Szacuje się,
że dzięki decyzji posłów do roku 2020 może
powstać od 200 tys. do 300 tys. mikroin-
stalacji OZE. „Poprawka prosumencka”
zapoczątkuje zmiany w polskim sektorze
energetycznym.
Podziękowania przede wszystkim nale-
żą się tysiącom obywateli, którzy dzięki
aktywnej postawie zwrócili uwagę opinii
publicznej i posłów na dotychczasowy
sposób postrzegania odnawialnych źródeł
energii w Polsce. W ostatnim czasie mo-
gliśmy zaobserwować połączone działania
dziesiątek organizacji branżowych i ekolo-
gicznych oraz wielu instytucji i przedsię-
biorstw, które jednym głosem apelowały
o szansę dla energetyki obywatelskiej
w Polsce. To właśnie silnemu jak nigdy
wcześniej zjednoczeniu branży, instytucji
i obywateli zawdzięczamy zwycięstwo
w batalii z koncernami energetycznymi.
Razem przemówiliśmy jednym głosem,
którego nie zdołano zagłuszyć.
Aby energetyka obywatelska oparta na
OZE mogła się harmonijnie rozwijać po-
trzebne jest wsparcie Państwa dla inwe-
storów – prosumentów. W opracowaniu
EKES czytamy: „Trzeba znać warunki
ekonomiczne sektora energii odnawialnej,
aby zrozumieć, że dla osiągnięcia celów
klimatycznych i energetycznych oraz dłu-
goterminowych korzyści wciąż niezbędne
jest wsparcie publiczne […]”. Dziękujemy
posłom i posłankom, którzy wysłuchali
głosu obywateli i odsuwając na bok po-
działy polityczne zagłosowali za odrzu-
ceniem poprawki przyjętej przez Senat,
utrzymując w ustawie „poprawkę prosu-
mencką” posła Bramory.
Źródło: PORT PC
Czy wiesz,
że...
Sukces obywateli
– taryfy gwarantowane znajdą się w Ustawie o OZE