Холодно, чисто и экономно

При организации естественного охлаждения учитывается то обстоятельство, что наружный воздух большую часть года достаточно прохладен и его можно использовать для охлаждения серверов. В этом случае не приходится запускать чрезвычайно энергоемкую компрессорную охлаждающую установку — для обеспечения эффективной климатизации достаточно вентилятора, который подает уличный воздух в холодные коридоры вычислительного центра.

Однако нужный уровень температуры — это еще не все. Наружный воздух всегда содержит примеси — твердые частицы пыли или даже агрессивные газы. В ЦОД, расположенных в районах плотной застройки, в процессе естественного охлаждения в серверные помещения может проникать значительное количество мелкой пыли, поэтому, чтобы предотвратить повреждение чувствительного оборудования, необходимы фильтрующие установки и регулярное техническое обслуживание.

Менее очевидна проблема влажности воздуха, которой часто не уделяется достаточного внимания. В нашем умеренном климате довольно редко возникает ситуация, когда из внешнего воздуха к устройствам поступает слишком много влаги. Владельцы ЦОД сообщают о том, что из года в год в зимние месяцы учащаются случаи необъяснимого отказа аппаратного обеспечения. Поскольку зимой в морозную и сухую погоду относительная влажность воздуха может упасть до 15%, причину этого явления следует искать именно в естественном охлаждении. Очень сухой воздух в ЦОД повышает статический заряд на активных компонентах, и в результате они притягивают большее количество пыли, которая со временем может вызвать повреждения. Действительно, внедрение в вычислительных центрах системы контроля влажности воздуха и его целенаправленное увлажнение по мере необходимости приводят к снижению количества сбоев аппаратного обеспечения, случавшихся в зимнее время.

НЕПРЯМОЕ ЕСТЕСТВЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ТЕПЛОТРУБОК

Проблемы с частицами грязи и влажностью воздуха можно предотвратить, если не подавать наружный воздух прямо в ЦОД, а направлять его на опосредованное охлаждение. Такое возможно, к примеру, при использовании решения на основе теплотрубок (Heatpipe). Эта концепция под девизом «естественное свободное охлаждение» (Natural Free Cooling, NFC) уже успешно применяется во многих ЦОД и позволяет поддерживать в холодных коридорах температуру 23–24°C. Разработанная на базе модулей NFC новая концепция позволяет решить проблемы взаимного отрицательного воздействия холодных и горячих зон, а также влажности в ЦОД, с которыми не справлялись системы прямого естественного охлаждения.

Рисунок 1. Образец архитектуры решения на базе естественного свободного охлаждения: темная колонна по центру изображения — это теплотрубка. В верхней левой части в систему поступает наружный холодный воздух (синие стрелки), который подается к холодному концу теплотрубки. Внизу справа горячий воздух (красные стрелки) выводится из серверной и направляется к горячему концу трубки.

Так называемые теплотрубки встречаются в мире ИТ-технологий преимущественно в виде кулеров для процессоров, к примеру в ноутбуках. Описанный здесь вариант предназначен для охлаждения помещений и базируется на тех же самых физических принципах (см. Рисунок 1). Такая теплотрубка имеет сравнительно простую конструкцию: она представляет собой медную полую трубу, на внутренней поверхности которой размещено волокнистое полотно. В это волокно, так называемый фитиль, вводится охлаждающая жидкость, приходящая в движение под действием капиллярного эффекта. Тот же эффект проявляется у жидкостей, находящихся в узких пустотах, к примеру, при погружении пипетки жидкость начинает подниматься вверх по стеклянной трубочке вопреки действию силы тяжести.

Теплотрубки обычно изготавливаются в виде охлаждающей катушки из многократно изогнутой трубы. Благодаря этому повышается площадь поверхности, задействованной в процессе охлаждения. Теплотрубка устанавливается таким образом, чтобы один ее конец контактировал с теплым воздухом, выделяемым оборудованием в ЦОД, а второй — с прохладным наружным воздухом. В определенной точке жидкость с горячего конца трубки начинает испаряться. Пар проходит через пустое пространство в середине трубки к ее более прохладному концу, где снова конденсируется и превращается в жидкость.

При этом осуществляется отвод термической энергии, а выделяемый конденсат поглощается фитилем. Под действием капиллярного эффекта жидкость перемещается обратно к горячему концу трубки, и термический круговорот начинается заново.

Таким образом, в результате перепада температур тепло непрерывно отводится из серверной, а сами воздушные массы не контактируют друг с другом. Передача тепла осуществляется исключительно внутри трубки. Кроме того, загрязнение воздуха внутри помещений частицами, поступающими снаружи, становится невозможным. Еще одно преимущество этого решения по сравнению с обычными системами естественного охлаждения напрямую связано с энергетическим балансом. При внешней температуре до 19°C процесс теплообмена протекает полностью самостоятельно и практически не приводит к эксплуатационным расходам. Кроме того, у теплотрубки нет подвижных частей или иных точек общесистемного отказа (Single Point of Failure), тем самым обеспечивается непрерывная отказоустойчивая эксплуатация систем охлаждения без необходимости их технического обслуживания.

Рисунок 2. Адиабатическое охлаждение: в теплые дни воздух, поступающий снаружи, насыщает- ся туманом, состоящим из мелких частиц холод- ной воды, подаваемых через разбрызгиватель. В результате температура воздуха понижается, а расход электроэнергии оказывается намного ниже, чем при использовании компрессорных охлаждаю- щих установок.

Благодаря интеллектуальной системе управления режим эксплуатации модулей NFC можно в любое время менять в соответствии с соображениями экономической целесообразности. Они могут самостоятельно переключаться между воздухо-воздушным, адиабатическим и компрессионным охлаждением. В те дни, когда температура наружного воздуха превышает 19°C, можно дополнительно использовать принцип так называемого адиабатического изменения состояния (см. Рисунок 2).

В данном конкретном случае речь идет об адиабатическом охлаждении испарением. Это означает следующее: в воздухе, окружающем холодный конец теплотрубки, распыляются мельчайшие капельки воды, образующие туман. В результате распыления снижается температура окружающей среды. Таким образом можно расширить диапазон использования теплотрубок на те дни, когда наружная температура достигает 24°C. Но в принципе работа систем охлаждения с помощью теплотрубок не зависит от влажности внешнего воздуха.

ВОДООХЛАДИТЕЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ

Чтобы соблюсти установленные стандартом American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) требования к температуре и влажности в ЦОД и обеспечить бесперебойную работу оборудования ИТ в те дни, когда температура наружного воздуха превышает 25°C, дополнительно используются традиционные водоохладительные агрегаты.

Рисунок 3. Типовая архитектура вычислительного центра: слева располагается здание ЦОД с изолированными холодными/горячими коридорами, а рядом с ним установлен контейнер, содержащий систему теплотрубок и вентиляторы, которые вытягивают горячий воздух из-под фальшпола в ЦОД и подают туда охлажденный.

Кристиан Штайнигер — руководитель компании Cancom Physical Infrastructure.