Современные центры обработки данных (ЦОД) являются специфическими инженерными сооружениями с большим количеством особых требований. Они обеспечивают постоянный доступ к размещенным на их территории различным информационным ресурсам 24 часа в сутки 365 дней в году. Непрерывность этой работы требует особого подхода ко всем инженерным подсистемам.
Система климат-контроля
Прежде всего, само здание ЦОД всегда строится с учетом максимальной защиты от внешних воздействий. Электрическая мощность, как правило, подается от двух или более независимых источников, система охлаждения проектируется для работы в широком диапазоне наружных температур для круглогодичной бесперебойной работы.
Одна из ключевых систем современного ЦОД – энергоэффективная система климат-контроля. Вне зависимости от погоды тепловыделение от центра обработки данных должно быть утилизировано, поскольку в случае отказа системы охлаждения температура в помещении ЦОД поднимется до критического значения в течение нескольких секунд, что может привести к отключению или даже выходу из строя дорогостоящего ИТ-оборудования.
В целях достижения соответствия систем кондиционирования и вентиляции современным требованиям производителями специализированного прецизионного оборудования разработан целый ряд технологических решений. Некоторые из них будут подробно рассмотрены в этой статье.
Шкафные прецизионные кондиционеры
Довольно долгое время одним из наиболее распространенных вариантов внутренних блоков систем охлаждения являлись шкафные прецизионные кондиционеры. Располагали их по периметру ЦОД с выдувом подготовленного холодного воздуха в пространство под фальшполом. Затем через перфорированные плитки фальшпола холодный воздух попадал в холодную зону к ИТ-оборудованию в серверных стойках. Серверное оборудование нагревало воздух, который засасывался через верхнюю часть шкафного прецизионного кондиционера и снова охлаждался.
Существенный недостаток этой системы – длинный путь доставки воздуха от стойки до шкафного кондиционера и препятствия на пути воздуха под фальшполом (трубопроводы, лотки с кабелем, система дренажа, системы пожаротушения и т. д.), что, в свою очередь, увеличивает энергопотребление вентиляторов кондиционеров.
Кроме того, с учетом зоны обслуживания шкафные прецизионные кондиционеры занимают значительную площадь, которая могла бы быть использована для размещения дополнительных стоек с ИТ-оборудованием.
К преимуществам такого типа систем относится относительная экономичность ее реализации при охлаждении большого количества стоек с малым тепловыделением.
Ключевые производители подобного рода систем – Emerson, Stulz, Uniflair, Hiref и др.
Внутрирядные кондиционеры
Внутрирядные кондиционеры – относительно новый тип оборудования, которое рассматривается как разумная альтернатива шкафным кондиционерам для охлаждения ЦОД. Внутрирядные кондиционеры в точном соответствии со своим названием встраиваются в ряд между серверными стойками. Такие кондиционеры выдувают холодный воздух непосредственно в холодную зону, доставляя его по кратчайшему пути прямо на вход ИТ-оборудования, установленного в серверных стойках ЦОД, минимизируя необходимый напор вентиляторов, что, в свою очередь, уменьшает энергопотребление.
Такое решение позволяет полностью отказаться от использования фальшпола, размещать инженерную инфраструктуру ЦОД в помещениях с низкими потолками, устанавливать серверные стойки с различным электропотреблением в одной зоне и быстро компенсировать локальные перегревы. В этом случае возможна и реализация поэтапного строительства. Отметим, что внутрирядное охлаждение в различных конфигурациях актуально для небольших и средних корпоративных центров обработки данных и имеет чуть большую стоимость по сравнению со шкафными кондиционерами.
На рынке указанное решение сегодня предлагают компании Conteg, Emerson, Stulz, Hiref, APC, Huawei и др.
Инновационные решения
Ряд производителей идут по пути совершенствования и дополнения существующих решений – они пробуют иные подходы и предлагают своим корпоративным клиентам достаточно интересные новинки. Например, компания Conteg реализует охлаждение серверных помещений и центров обработки данных на базе кондиционеров, которые могут быть установлены непосредственно на крыши серверных стоек либо подвешены к потолку над холодным коридором между рядами стоек. Такой кондиционер не занимает полезную площадь в серверном помещении, что дает возможность разместить дополнительные стойки с ИТ-оборудованием. В рамках решения производитель уделяет особое внимание технологиям для предотвращения затопления серверного оборудования в случае протечки кондиционера.
Принцип их работы таков: холодный воздух подается сверху – непосредственно в холодную зону перед ИТ-оборудованием, а выходящий из стоек нагретый воздух поднимается вверх и засасывается обратно кондиционером. Большой теплообменник с низким сопротивлением по воздуху позволяет использовать осевые вентиляторы с достаточно низким энергопотреблением. Применение такого рода устройств соответствует законам естественной конвекции воздуха: горячий воздух поднимается вверх, а холодный опускается вниз.
Для дальнейшего повышения эффективности работы кондиционеры дополняются системой изоляции холодного коридора, которая позволяет полностью разделить потоки холодного и горячего воздуха.
Похожее решение есть и у компании Emerson – кондиционеры серии XD. Помимо основных прецизионных блоков ставятся доводчики, которые монтируются в потолок над стойками или непосредственно на стойки. Дополнительное охлаждение направляется в нужный момент на зоны перегрева. Стоит отметить, что в качестве хладоносителя у них используется фреон вместо воды, что исключает повреждение оборудования в случае протечек.
Для помещений с высокой плотностью тепловыделения – до 35 кВт на стойку – компания Knurr предлагает технологию замкнутого охлаждения. В одном шкафу располагаются воздушно-водяной теплообменник с закрытым контуром, вентиляторы и собственно сами серверы. Ставка на значительную разницу температур между охлажденной водой и охлаждающим воздухом значительно повышает КПД установки. Еще одна характерная особенность решения: размещение охлаждающего блока внизу шкафа, а не на крыше или двери обусловлено тем, что при сбое вода из системы вытекает на пол и не повреждает оборудование.
Совершенно иной подход продемонстрировала компания Alfa Laval, представив концепцию тихоходной вентиляции (Low Speed Ventilation – LSV). В этом решении охлаждение происходит с низкой скоростью потока: 1,5–1,8 м/с против традиционных 8–9 м/с, что обеспечивает стабильную циркуляцию воздуха без угрозы возникновения избыточного давления внутри серверного помещения и образования «горячих точек».
Решение требует значительных объемов воздуха, поэтому охладители имеют большие размер и площадь поперечного сечения. Система вентилирования располагается за пределами серверного помещения, обеспечивая стойки с оборудованием достаточным терморегулируемым потоком воздуха на постоянной основе, потребляя при этом гораздо меньше электроэнергии, чем стандартные решения для охлаждения ЦОД.
В целях повышения эффективности прецизионного оборудования в жаркую и сухую погоду зачастую применяются различные варианты охлаждения наружных блоков систем кондиционирования. Одно из доступных здесь решений – туманообразование высокого давления. Для оптимальной работы системы, основанной на принципе испарения, вода по необходимости распыляется каплями от 3 до 7 микрон – тогда для моментального перехода из жидкого состояния в газообразное из окружающего пространства поглощается достаточное количество тепла. Если удается снизить температуру воздуха на входе в конденсатор на 12 °C, то можно добиться снижения затрат на электроэнергию более чем на 30% и существенно продлить срок службы системы кондиционирования в целом.
Туманообразование может дополнительно использоваться для создания и поддержания комфортного микроклимата на заданной территории. Готовая система собирается из комплектующих разных производителей – в зависимости от условий эксплуатации и технических требований проекта.
Компания Huawei развивает направление мобильных центров обработки данных. Система охлаждения контейнерных ЦОД построена на базе внутрирядных кондиционеров собственного производства. Кондиционеры и стойки образуют горячие и холодные коридоры, а для увеличения эффективности кондиционеров горячий коридор изолирован. Наружные блоки кондиционеров располагаются либо на торце, либо на крыше контейнера.
Стоит отметить, что контейнеризация коридоров – одно из обязательных решений при строительстве современного центра обработки данных. Это вполне закономерно, поскольку механическое разделение горячих и холодных коридоров – наилучший, на наш взгляд, способ повысить производительность климатического оборудования, создать более благоприятную среду для серверов и повысить энергоэффективность всего ЦОД.
Такие производители, как Conteg, Panduit, Huawei, Emerson и некоторые другие, прекрасно справляются с этой задачей.
Драйверы развития рынка
Как видим, взаимозависимость двух основных технологических параметров – энергопотребления и охлаждения – лежит в основе предложений каждого из упомянутых производителей. Логично предположить, что поиск оптимальных решений по повышению эффективности этих компонентов станет основным драйвером развития рынка оборудования для центров обработки данных в ближайшей перспективе.
Вот несколько наиболее важных направлений:
- повышение температуры в ЦОД. Одной из полезных тенденций является повышение температуры в ЦОД до 35 °C на входе в систему кондиционирования. Производство холодной воды – самая дорогостоящая часть процесса. Более того, существует большая разница в энергозатратах при производстве холодоносителя с температурой, например, 10 и 15 °C, т. е. повышение температуры холодоносителя обеспечивает экономию энергопотребления системы кондиционирования. Это станет возможным благодаря тому, что производители процессоров, графических контроллеров, накопителей и других комплектующих для ЦОД смогут выпускать больше компонентов, способных работать при гораздо более высоких температурах со значительно меньшим электропотреблением без снижения их вычислительной мощности;
- естественное охлаждение и утилизация излишков тепла. Применение систем с естественным охлаждением и использование технологий рекуперации тепла для обеспечения предварительного нагрева воды коммунально-бытового назначения станут одним из неотъемлемых требований при проектировании современного ЦОД;
- совершенствование систем мониторинга и диспетчеризации. Современные автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ, Data Center Infrastructure Management – DCIM) уже умеют в реальном времени обеспечивать мониторинг показателей эффективности, предупреждать о сбоях и возможных неполадках оборудования, контролировать использование имеющихся в наличии электрических мощностей, предоставлять доступ к параметрам подключенного оборудования, отрабатывать сложные алгоритмы оптимизации работы систем охлаждения и питания для снижения общего энергопотребления в зависимости от изменения внешних условий или режима работы ИТ-оборудования. Расширение функциональных возможностей подобных систем и внедрение дополнительных аналитических модулей станут важным этапом развития рынка решений для ЦОД.
Заключение
Обеспечение микроклимата в помещениях центров обработки данных – очень сложная и интересная задача для инженеров и проектировщиков. Как и в любой сфере, порой сложно разобраться во всех деталях и определиться, какая из доступных по соотношению цена/качество конфигураций подойдет вам идеально.
Самый разумный ход для решения задачи оптимизации инвестиций в строительство дата-центра – выбрать квалифицированного подрядчика, способного реализовать комплексный подход и предложить интеграцию всех ключевых подсистем в единое целое.
