Konesalin jäähdytysjärjestelmän mallinnus, simulointi ja optimointi Simulink®-ympäristössä
Keski-Pere, Merja (2015)
2015
Sähkötekniikan koulutusohjelma
Talouden ja rakentamisen tiedekunta - Faculty of Business and Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-05-06
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201504211192
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201504211192
Tiivistelmä
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli perehtyä konesalien erilaisiin jäähdytysjärjestelmiin ja niiden energiatehokkuuden parantamiseen. Lisäksi tutkimuksessa perehdyttiin erään konesalin rakenteeseen, jäähdytysjärjestelmään ja jäähdytysjärjestelmän toimintaan. Tarkasteltavan konesalin jäähdytysjärjestelmän energiatehokkuuden kehittämiseksi mallinnettiin simulaatio-ohjelmaan varsinaisen palvelinsalin ulkopuolinen jäähdytysjärjestelmä. Simulaatiomallin avulla haettiin energiankulutuksen kannalta optimaalisia asetuksia jäähdytysjärjestelmän parametreille.
Konesaliteollisuus on melko uusi ja kasvava teollisuuden ala Suomessa. Konesalit tarjoavat asiakkailleen muun muassa palvelinalusta-, internetyhteys-, tietoturva- ja laitetilapalveluita. Lähes puolet konesalien sähkönkulutuksesta aiheutuu palvelimista ja noin kolmannes puolestaan palvelimien vaatimasta jäähdytyksestä. Tämän vuoksi konesalien taloudellisuutta on paras kehittää aktiivilaitteiden ja jäähdytysjärjestelmän energiatehokkuutta parantamalla. Suurimmassa osassa konesaleja on käytössä palvelimien ilmajäähdytys. Vaihtoehtona sille on palvelimien nestejäähdytys. Nesteenä voi toimia esimerkiksi vesi. Kylmyys tuodaan palvelinsaliin ja lämpö viedään pois palvelinsalista varsinaisen palvelinsalin ulkopuolella toimivan jäähdytysjärjestelmän välityksellä. Kylmyys voidaan palvelinsalin ulkopuolella tuottaa muun muassa vapaajäähdyttimien avulla luonnosta, kompressoreilla, tuoda maan alta tai kuljettaa konesalin järjestelmään kaukokylmälaitoksesta.
Tarkasteltavassa konesalissa palvelinsalin ulkopuolisessa järjestelmässä kylmä saadaan pääasiassa ulkoilmasta vapaajäähdyttimien välityksellä. Silloin, kun ulkoilma ei ole tarpeeksi kylmää, apuna jäähdytyksessä ovat vedenjäähdytyskoneet. Varsinaisessa palvelinsalissa on käytössä palvelimien ilmajäähdytys. Työssä mallinnettiin palvelinsalin ulkopuolisen jäähdytysjärjestelmän energiansiirtyminen differentiaaliyhtälöin. Jäähdytyslaitteiden lämmönvaihtimien lämmönsiirto on mallinnettu εNTU-metodia käyttäen. Differentiaaliyhtälöiden avulla muodostettiin järjestelmän simulaatiomalli. Simuloimalla haettiin järjestelmän parametreille energiankulutuksen kannalta optimaalisia arvoja. Saatujen tulosten mukaan kyseisen konesalin jäähdytysjärjestelmän parametrit ovat jo valmiiksi melko lähellä löydettyjä optimaalisia arvoja. Tutkituista parametreista vapaajäähdyttimissä kiertävän propyleeniglykolin massavirran säätämisellä sekä vapaajäähdyttimien puhaltimiin liittyvien parametrien säätämisellä on mahdollista saada hieman säästöä. Säästöä voidaan saada myös palvelinsalin lämpötilaa nostamalla.
Konesaliteollisuus on melko uusi ja kasvava teollisuuden ala Suomessa. Konesalit tarjoavat asiakkailleen muun muassa palvelinalusta-, internetyhteys-, tietoturva- ja laitetilapalveluita. Lähes puolet konesalien sähkönkulutuksesta aiheutuu palvelimista ja noin kolmannes puolestaan palvelimien vaatimasta jäähdytyksestä. Tämän vuoksi konesalien taloudellisuutta on paras kehittää aktiivilaitteiden ja jäähdytysjärjestelmän energiatehokkuutta parantamalla. Suurimmassa osassa konesaleja on käytössä palvelimien ilmajäähdytys. Vaihtoehtona sille on palvelimien nestejäähdytys. Nesteenä voi toimia esimerkiksi vesi. Kylmyys tuodaan palvelinsaliin ja lämpö viedään pois palvelinsalista varsinaisen palvelinsalin ulkopuolella toimivan jäähdytysjärjestelmän välityksellä. Kylmyys voidaan palvelinsalin ulkopuolella tuottaa muun muassa vapaajäähdyttimien avulla luonnosta, kompressoreilla, tuoda maan alta tai kuljettaa konesalin järjestelmään kaukokylmälaitoksesta.
Tarkasteltavassa konesalissa palvelinsalin ulkopuolisessa järjestelmässä kylmä saadaan pääasiassa ulkoilmasta vapaajäähdyttimien välityksellä. Silloin, kun ulkoilma ei ole tarpeeksi kylmää, apuna jäähdytyksessä ovat vedenjäähdytyskoneet. Varsinaisessa palvelinsalissa on käytössä palvelimien ilmajäähdytys. Työssä mallinnettiin palvelinsalin ulkopuolisen jäähdytysjärjestelmän energiansiirtyminen differentiaaliyhtälöin. Jäähdytyslaitteiden lämmönvaihtimien lämmönsiirto on mallinnettu εNTU-metodia käyttäen. Differentiaaliyhtälöiden avulla muodostettiin järjestelmän simulaatiomalli. Simuloimalla haettiin järjestelmän parametreille energiankulutuksen kannalta optimaalisia arvoja. Saatujen tulosten mukaan kyseisen konesalin jäähdytysjärjestelmän parametrit ovat jo valmiiksi melko lähellä löydettyjä optimaalisia arvoja. Tutkituista parametreista vapaajäähdyttimissä kiertävän propyleeniglykolin massavirran säätämisellä sekä vapaajäähdyttimien puhaltimiin liittyvien parametrien säätämisellä on mahdollista saada hieman säästöä. Säästöä voidaan saada myös palvelinsalin lämpötilaa nostamalla.