Советы по системам охлаждения ЦОД

Данная статья - попытка свести воедино, систематизировать множество разрозненных советов по оптимизации систем охлаждения Центров Обработки Данных (ЦОДов) и повышению её эффективности.

В ЦОДах поток воздуха, генерируемый системой охлаждения, соприкасается со множеством конструктивных элементов, таких как проложенные под фальшполом коммуникации, встроенные в фальшпол решетки, ИТ-оборудование в стойках и т.д. И каждый из этих моментов требует максимальной проработки, иначе эффект от любого технически грамотного проектного решения окажется минимальным. Конкретизируем их.

Утечки воздушного потока

В системе кондицонирования ЦОДа воздух является теплоносителем и процесс охлаждения тем эффективнее, чем выше расход воздуха, проходящий через ИТ-стойку. Однако утечки потока холодного воздуха приводят к уменьшению расхода, следовательно, и к снижению теплосъема от оборудования. Таким образом, при проектировании, монтаже и эксплуатации ЦОДа необходимо создать все условия для максимизации воздушного потока, контактирующего с ИТ-оборудованием. Этому способствуют следующие меры:

  • герметизация фальшпола (закрытие всех отверстий, кроме специально предусмотренных для прохода воздуха решеток),
  • упорядоченная прокладка кабельных трасс как под фальшполом, так и в помещении,
  • заглушка неиспользуемых секций в стойке. Эффект от использования заглушек иллюстрирует следующая картинка от компании APC:
  • выгородка термоизолирующим материалом холодного или горячего коридоров,
  • освобождение прямого пути для горячего воздуха к кондиционерам,
  • поддержание постоянного избыточного давления под фальшполом (рекомендуется 20Па).

Архитектура холодных/горячих коридоров

Этот пункт уже попадал в поле нашего внимания в самом начале: в целях снижения утечек воздуха рекомендуется разделение холодного и горячего коридоров. Здесь же дадим более подробные рекомендации по данной архитектуре:

  • Коридоры должны чередоваться: холодный, горячий, холодный, горячий и т.д.
  • Стойки следует размещать в ряд вплотную друг к другу,
  • Напольные решетки устанавливаются только в холодном коридоре,
  • Минимальная ширина коридора - в две плитки - 1200мм,
  • Длина коридора не должна превышать 10-12 стоек (6-8м),
  • Допускается установка кондиционеров с двух концов ряда, работающих навстречу друг другу. В целях более качественного резервирования рекомендуется устанавливать кондиционеры в шахматном порядке: по одной стороне напротив горячих коридоров, по другой - напротив холодных.
  • При мощностях стойки выше 7кВт необходима более полная изоляция коридоров. Как правило, изоляции подвергается холодный коридор: устанавливаются специальные панели по торцам коридора (с дверью в одном из торцов) и сверху над стойками. Средняя температура в помещении при этом будет близка к температуре горячего коридора. Отметим, что в настоящее время идет тенденция к изоляции горячего, а не холодного коридора.
  • Положительный эффект дает монтаж сборного воздуховода над горячим коридором, ведущего непосредственно к кондиционеру.

Распределение горячих точек

В ЦОДе, как правило, всегда есть несколько стоек с высокой плотностью размещения теплоизбытков. Настоятельно рекомендуется не группировать эти стойки в один ряд, а расставить их равномерно по залу. В этом случае более мощные стойки смогту потребляеть холодный воздух, неиспользованный соседними стойками.

Расчет числа напольных решеток

Количество напольных решеток рассчитывается как отношение общего расхода воздуха кондиционеров к пропускной способности одной решетки и необходимо правильно выбрать последнее. Занижение или завышение расхода воздуха через решетку генерирует следующие цепи негативных изменений:

  • занижение расхода воздуха через решетку => увеличение числа решеток => падение избыточного давления воздуха под фальшполом,
  • завышение расхода воздуха через решетку => резкий (в квадратичной зависимости) рост её аэродинамического сопротивления => снижение расхода воздуха, обеспечиваемого вентиляторами кондиционеров => снижение холодильной мощности.

Оптимальным расходом воздуха является величина порядка 1500м3/час на одну решетку.

Использование активных решеток

При тепловыделениях от стойки более 7кВт (что соответствует расходу воздуха около 1500м3/ч) одной решетки на стойку становится недостаточным. Другими словами, если охлаждение стойки требует пропускной способности решетки выше оптимальной, необходима или установка второй решетки, прикрепленной к данной стойке или использование более эффективного решения - установка активной решетки. Активная решетка - это решетка со встроенным вентилятором. Данное решение повышает энергопотребление ЦОДа (в среднем на 80Вт/шт), зато увеличивает расход через решетку до 4500м3/час.

Размещение напольных решеток

Решетки следует размещать непосредственно около стоек и только там, причем не менее, чем в 1.5-2 метрах от кондиционеров (часто это расстояние принимается равным трем плиткам, т.е. 1.8м). Дело в том, что кондиционер нагнетает воздух с большой скоростью (высокий скоростной напор и низкое статическое давление) и если в этой области разместить решетку, то произойдет подсос воздуха - теплый воздух из помещения, вопреки ожиданиям, устремится под фальшпол. Результатом станет повышение температуры холодного потока и потеря холодопроизводтельности системы охлаждения.

Высота фальшпола

Фальшпол является воздуховодом для холодного потока воздуха и, как и любой воздуховод, требует расчета своего сечения. Если учесть, что ширина фальшпола задается шириной помещения, то расчету подлежит только высота.

Идеальной скоростью считаются величины порядка 1-1.5 м/с, однако на практике высота фальшпола при этом может оказаться недопустимо высокой, поэтому чаще расчет производят исходя из 2-2.5 м/с.

Вообще, в конечном итоге высота фальшпола зависит от средней мощности стойки (имеет место следующая цепочка: выше мощность стойки => больше воздуха на стойку => выше расход воздуха под фальшполом => больше высота фальшпола). Рекомендуемая высота фальшпола - около 500-700мм, вполне реализуема и высота в 1 метр. Конструктивно предельной является высота 1.5м - фальшпол превращается чуть ли не в технический этаж, где человек может стоять почти в полный рост. Данные соображения иллюстрирует следующий график:

Свободное охлаждение

Центр обработки данных работает в круглогодичном режиме, поэтому отвод тепла также требуется круглый год. Но в холодное время года нет смысла в реализации парокомпрессионного холодильного цикла: достаточно контура теплоносителя, который будет просто охлаждаться наружным воздухом. Именно эту функцию и предоставляет фрикулинг (свободное охлаждение). Энергозатратный компрессор отключен, а потребляют энергию только циркуляционные насосы.

В описанном алгоритме фрикулинг может работать только в системах холодоснабжения на основе чиллеров: роль теплоносителя выполняет вода или её незамерзающие растворы. Фреоновое кондиционирование свободным охлаждением оснастить невозможно - движущей силой фреонового цикла является именно компрессор. Однако в последнее время стали появляться и фреоновые кондиционеры с функцией фрикулинга, но реализован он совсем иначе: холодный воздух послупает в ЦОД непосредственно с улицы через фильтры.

Необходимость функции фрикулинга ещё более подтверждается следующими двумя факторами:

  • современной тенденцией к расширению диапазона температур в ЦОДах,
  • в случае изолирования холодного коридора в стойки попадает воздух с температурой порядка 14-16°С (в отличие от случая без изоляции, когда температура на входе в стойки составляет около 20°С). Но в стойки вполне допустимо подавать и 20°С, т.е. становится возможным поднять температуру теплоносителя, следовательно, на несколько градусов расширяется диапазон наружных температур, в которых эффективен фрикулинг: если ранее система могда работать целиком за счет свободного охлаждения при температурах -5°С и ниже, то в новых условиях диапазон расширился: -1..+1°С и ниже.

7/12°С против 10/15°С

Ещё одним важным моментов является выбор температуры теплоносителя в системах холодоснабжения на основе чиллеров. Стандартным является температурный график вых/вх = 7/12°С, однако в этом случае значительная часть холодильной мощности расходуется на получение конденсата (вплоть до 25% холодопроизводительности). В то же время для температурного графика вых/вх = 10/15°С ощутимая холодильная мощность в большинстве случаев равна полной (SHR=1).

Таким образом, при переходе от 7/12 к 10/15 полная холодопроизводительность снизится на 35-40%, а явная - всего на 15-17%. В итоге потребуется увеличить количество внутренних блоков, зато получим экономию в мощности чиллера плюс существунную экономию на системе увлажнения.

Итак, переход от температурного графика 7/12 к 10/15 приводит к следующим основным изменениям:

  • рост коэффициента эффективности теплообмена SHR от 0.75...0.90 до 0.97...1.0,
  • снижение явной холодопроизводительности внутреннего блока (на 15-17%),
  • рост холодопроизводительности чиллера (на 8-11%),
  • резкое снижение нагрузки на увлажнители (на 85-95%),
  • рост минимальной температуры, при которой мощность фрикулинга достигает мощности чиллера (с -5°С до -2°С).

Более того, в последнее время в технической документации всё чаще указывают мощность охлаждения при температурном графике 13/18°С, что и является логическим продолжением второго фактора в пункте "Свободное охлаждение".

Резервирование

Стандартным резервированием является схема N+1 - один резервный внутренний и наружный блоки. В больших залах с целью повышения надежности рекомендуется схема N+2.

Но отметим ещё один очень важный плюс резервирования. Он имеет место быть, когда в нормальном режиме работают все кондиционеры, в том числе и резервные, но с меньшим расходом. Выигрыш заключается в том, что потребляемая вентилятором мощность падает быстрее, чем расход воздуха.

Например, снижение расхода на 16% ведет к снижению электропотребления на 19%. Т.е. в системе с 5 рабочими и одним резервным блоком при работе всех 6 блоков электропотребление будет на 15% ниже, чем в случае режима ротации - работы 5 блоков и незадействованного шестого.

Комментарии

Ваше имя:

E-mail:  (на сайте не показывается)

Введите код с картинки: