Охлаждение ЦОДов без компрессоров. Возможно ли такое в России?

Вопрос о возможности охлаждения машинных залов без использования компрессоров, то есть искусственного холода, возник с появлением первых вычислительных машин — в 60-х годах прошлого века. Однако достигнутый к тому времени уровень развития ИТ и оборудования систем кондиционирования не позволял решить эту задачу, так как производители вычислительной и компьютерной техники предъявляли жесткие требования к температурно-влажностному режиму в помещении машзала.

Но развитие технологий не стоит на месте. Начиная с конца ХХ века, а в последние годы все чаще и чаще при строительстве ЦОДов применяются системы кондиционирования воздуха (СКВ), не имеющие в своем составе холодильной техники. В таких системах в качестве рабочего вещества выступает не хладагент (фреон), а воздух и вода. В данной статье мы рассмотрим принципы работы СКВ с применением наружного воздуха и возможность их использования в России.

Блоки системы воздушного фрикулинга на крыше ЦОДа ФНС РФ в Дубне

ЕСТЕСТВЕННОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Системы воздушного охлаждения можно разделить на два основных класса:

• Системы с рециркуляцией воздуха в машинных залах, которые охлаждают помещения за счет теплообмена с наружным воздухом в рекуперативных аппаратах. Эти двухконтурные воздушные системы имеют и другое название: системы естественного охлаждения (Natural Free Cooling, NFC).
• Системы прямого воздушного охлаждения машинных залов наружным воздухом с частичной рециркуляцией воздуха в зимний период. Это одноконтурные воздушные системы (Direct Free Cooling, DFC).

Система естественного охлаждения имеет два разомкнутых отдельных контура: наружный и внутренний. Во внутреннем циркулирует воздух ЦОДа, а в наружный подается уличный воздух. Основным элементом системы является рекуперативный теплообменник, в котором происходит теплообмен между наружным воздухом окружающей среды и воздухом в помещении ЦОДа.

Нагретый воздух удаляется из горячих зон вытяжными воздуховодами, охлажденный — подается в «холодные» коридоры. При этом нет необходимос-ти использовать каскад из фильтров нескольких классов: достаточно очистки воздуха в фильтрах класса EU3 — EU4 на входе в рекуператор. Кроме того, при использовании такой системы не требуется постоянно поддерживать заданную влажность внутри помещения, так как воздушный контур охлаждения серверной является замкнутым.

При типовых требованиях к температуре воздуха в машзале на уровне +22±2⁰С система NFC, как и DFC, не может функционировать круглый год, однако эффективность решения такова, что за год суммарное время работы без использования искусственного холода может достигать 80%.

Если температура наружного воздуха превышает максимально допустимое для системы NFC значение, дополнительно применяется адиабатическое охлаждение. Но и у этого решения есть ряд ограничений, связанных с особенностями климата региона, в котором строится ЦОД. Например, бескомпрессорную систему такого типа рискованно использовать в центральных районах России, где среднегодовая относительная влажность более 50%.

Адиабатическое охлаждение можно применять без дополнительного компрессорного охлаждения при следующих условиях:

• Относительная влажность в теплый период не превышает 30%. Это в основном степные районы Волжско-Уральского региона и Западной Сибири.
• Максимально возможная температура составляет +25⁰С. Такие показатели характерны для северных регионов России. А наличие дешевой электроэнергии или энергоносителей является дополнительным преимуществом, позволяющим повысить энергоэффективность ЦОДа и его экономическую привлекательность.

В тех случаях, когда выбирается серверное оборудование с гарантированной работоспособностью при температуре воздуха более +25⁰С на входе, зона возможного применения воздушных СКВ с адиабатикой смещается южнее — в более обжитые районы нашей страны.

Фильтры в системе воздушного фрикулинга

«КОЛЕСО» KYOTO COOLING

Самые известные СКВ класса NFC — это системы воздушного охлаждения под общим названием Kуoto Cooling, где используются теплообменники-рекуператоры роторного типа, или «колесо» (на инженерном жаргоне). Принципы работы Kуoto Cooling неоднократно рассматривались в печати, так что мы не будем останавливаться на этой теме.

Расход электроэнергии на охлаждение ИТ-оборудования при использовании в системе кондиционирования ЦОДа колеса Kyoto Cooling снижается до 5–7% от общего энергопотребления ЦОДа (у традиционных систем кондиционирования этот показатель находится на уровне 30–40%). Частичный PUE для системы охлаждения без учета потерь в системе энергообеспечения (pPUE, или mechanical PUE) в данном случае составляет приблизительно 1,09–1,13. Столь высокая энергоэффективность объясняется, во-первых, оптимальным теплообменом в роторных рекуператорах (до 85%) и, во-вторых, минимальными затратами электроэнергии на СКВ (только на привод электродвигателей вентиляторов, как правило, оснащенных электронной ЕС-коммутацией).

В настоящее время в мире построено несколько десятков ЦОДов с СКВ типа Kyoto Cooling. «Колесо» — не новое для российского рынка решение, его преимущества и возможности применения обсуждаются на протяжении целого ряда лет. Несколько проектов с использованием систем кондиционирования класса Kyoto Cooling реализованы и в России.

Однако в большинстве своем российские заказчики относятся к технологии настороженно: их смущают внушительные размеры «колеса» и отсутствие достаточного опыта адаптации и апробации решения на нашем рынке. Kyoto Cooling практически невозможно установить в существующих зданиях — требуется отдельное технологическое помещение. Теоретически возможен монтаж «колеса» на промышленных площадках.

Нестандартность решения — еще один фактор, препятствующий его распространению. В случае, например, недостаточной мощности при расширении ЦОДа традиционные кондиционеры можно оперативно заменить. В аналогичной ситуации использование Kyoto Cooling вызовет ряд трудноразрешимых проблем. На данный момент в России для этого решения характерна ситуация «нет спроса — нет предложений».

Теплобменник класса «тепловое колесо» в системе непрямого фрикулинга

ПРЯМОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Теперь рассмотрим систему DFC — охлаждение с использованием внешнего атмосферного воздуха, который попадает в машзал ЦОДа прямо с улицы. Приточные вентиляторы забирают наружный воздух и подают его через фильтры по воздуховодам, причем система фильтрации должна быть последовательной: сначала грубая очистка (фильтрация по классу EU1-3), далее удаление вредных взвесей и частиц (класс EU4-7). В серверной горячий воздух поднимается за счет конвекции к потолку помещения и затем выводится за пределы здания вытяжными вентиляторами.

Эффективность такой системы — pPUE от 1,07 до 1,2 — гораздо выше, чем у традиционных СКВ с применением искусственного холода, но у нее имеется и большое количество недостатков. Фильтры необходимо постоянно менять, а вентиляторы должны быть более мощными. По сути, в серверную попадает атмосферный воздух с теми же параметрами влажности, что и на улице: если осенью идут дожди, влажность в серверной будет подниматься до 90–95%.

Соответственно, понадобится система осушения воздуха. В условиях низкой влажности или задымленности доступ наружного воздуха придется ограничить или вообще закрыть приточный клапан и перейти на охлаждение серверной традиционными кондиционерами, что, конечно, снизит энергоэффективность и повысит эксплуатационные расходы, в том числе на электроэнергию.

Как уже упоминалось, при традиционных требованиях к температуре воздуха в машзале +22±2⁰С (без необходимости контроля влажности) нет надобности в дополнительном искусственном охлаждении, если максимально возможная температура наружного воздуха в течение года гарантированно не превышает +22…+24⁰C.

Таких регионов в нашей стране практически нет, кроме разве что северного побережья Чукотского и Карякского АО (см. врезку «Где в России благоприятный климат для ЦОДов»). Но строительство ЦОДов в этих районах чревато целым комплексом проблем, поскольку зачастую там нет надлежащих систем энергоснабжения, инфраструктуры, средств связи и коммуникаций, а стоимость строительства очень высока.

Но технологии не стоят на месте, и за последние годы появилось новое поколение ИТ-оборудования, для охлаждения которого можно использовать воздух с температурой до +35⁰С и даже до +40⁰С, при этом специальные требования контроля влажности отсутствуют. Более того, в мире реализовано несколько ЦОДов с системой DFC, такие центры обработки данных начинают строить и в России (у компании «АМДтехнологии» уже есть опыт проектирования подобных ЦОДов).

ПЕРСПЕКТИВА С ОГОВОРКАМИ

На основании вышесказанного можно сделать обоснованный прогноз: в дальнейшем строительство ЦОДов с применением систем воздушного охлаждения без использования искусственного холода будет только расширяться.

При всей перспективности этого направления нельзя не упомянуть и о сложностях, особенностях и недостатках создания ЦОДа, оснащенного системами кондиционирования NFC и DFC:

• ЦОД с воздушным охлаждением нельзя приспособить к существующим зданиям — нужен специальный, в том числе архитектурно-строительный, проект.
• Заказчик должен быть готов к дополнительным капитальным затратам: системы NFC дороже традиционных фреоновых СКВ в 1,8–2,0 раза, а DFC — в 1,5–1,8 раза. Средняя окупаемость составляет 8–10 лет (в зависимости от роста тарифов на электроэнергию). Например, при росте цен на электричество до 5% в год экономия для СКВ класса Kyoto Cooling через 8 лет составит 33% по сравнению с традиционной фреоновой СКВ.
• Необходим обоснованный выбор региона строительства ЦОДа.

Алексей Никишин — руководитель отдела сопровождения продаж компании «АМДтехнологии».