Сокращение энергопотребления систем кондиционирования

Принципиально отличается от описанной выше системы холодоснабжения алгоритм работы чиллеров с функцией фрикулинга. Основная идея классического фрикулинга – использование температуры окружающей среды для охлаждения серверного помещения.

Подобные системы подразумевают забор уличного, холодного воздуха, его фильтрацию и последующую подачу в ЦОД (рис. 2а). Возвратный (нагретый оборудованием) воздух в этом случае покидает дата-центр через систему воздуховодов. Термометры, установленные в вентиляционных каналах, постоянно определяют температуру окружающей среды. Когда она начинает повышаться, система кондиционирования замыкает контур, закрывая заслонку(рис. 2б), что препятствует поступлению атмосферного воздуха. Происходит автоматическое включение фреоновых компрессоров внешнего блока кондиционеров, и охлаждение ИТ-оборудования осуществляется стандартным путем – холодильной машиной. Когда температура возвращается к оптимальным показателям, заслонка открывается, что позволяет системе вернуться к первоначальному алгоритму работы.

Эффективность системы кондиционирования обеспечивается за счет таких факторов, как экономия электроэнергии и выбор оптимального способа доставки холодного воздуха к оборудованию.

Если рассматривать передовые системы кондиционирования, присутствующие на российском рынке, нужно сделать ограничение, что компрессоры в этих системах отключаются лишь при температуре наружного воздуха ниже +5 °C. Соответствующее этому условию время составляет лишь ~50% от всего годового периода. При этом PUE в таких системах не опускается ниже 1,5 (что является нормой для российского рынка). Мировые производители решений в области систем кондиционирования предлагают FFC-решения (Full Free Cooling), способные поднять планку приемлемой температуры наружного воздуха до +18 °C. Температура +18, как показывает практика, вполне приемлема для ИТ-оборудования. При таких условиях совокупное время, в которое отключены компрессоры, составляет примерно 95% от годового периода. Поскольку компрессоры являются основными потребителями электроэнергии в системах кондиционирования, решение отличается высокой энергоэффективностью. В то же время FFC-решения сводят к минимуму возможность возникновения аварий, связанных с работой фреонового холодильного контура в холодный период года. Возрастает надежность функционирования системы при критичных условиях эксплуатации.

Рис. 1. Схема размещения серверных шкафов с чередованием горячих и холодных коридоров

В случае, если температура наружного воздуха очень низка (слишком низкое значение °C наносит вред оборудованию), заслонка частично закрывается, происходит забор определенного количества холодного, уличного воздуха, который в соответствующих пропорциях смешивается с возвратным для получения оптимальных +18 °C.

Рис. 2. Активное естественное охлаждение с применением наружного воздуха

Схема охлаждения Full Free Cooling часто применяется в модульных ЦОДах. Поскольку модули-«кирпичики» сами формируют здание дата-центра, при его строительстве можно учесть характерные особенности FFC-решения.

Рис. 3. Схема функционирования колеса Kyoto Cooling в ЦОДе (по материалам www.kyotocooling.com)

Учет и контроль

У решения, кроме очевидных плюсов, существуют и минусы. Если уличный воздух содержит в себе значительную концентрацию вредных веществ (что имело место в Москве летом 2010 г.), то его попадание внутрь серверов крайне нежелательно. Очевидно, что фильтры при этом забьются достаточно быстро, потребуются их многочисленные замены, что снизит общую эффективность работы системы кондиционирования. Но всегда можно изменить режим работы с Full Free Cooling на стандартный Free Cooling, просто закрыв заглушку.

Кроме того, подобные системы выдвигают требования к величине и накладывают отпечаток на внешний вид здания дата-центра: FFC-решениям для нормального функционирования необходимо осуществлять забор довольно больших объемов воздуха. Фасад здания должен быть вентилируемым – «прозрачным». Большое количество мощных вентиляторов влечет за собой риск злоумышленного физического воздействия на систему кондиционирования ЦОДа. Распыление вредных веществ в непосредственной близости от дата-центра неизбежно приведет к «выжиганию» фильтров. Снизить риски можно за счет внедрения дополнительных систем физической безопасности.

Колесо Kyoto Cooling

Другим решением, направленным в сторону повышения энергоэффективности системы кондиционирования, является колесо Kyoto Cooling, или так называемое «колесо высоких температур». В основе его работы заложена все та же идея использования воздуха окружающей среды для охлаждения. По расчетам экспертов, лишь 3–4% времени от годового периода показатели температуры наружного воздуха выше, чем требуется для подачи в серверные стойки.

Принцип работы колеса довольно прост: образуются два контура, по которым циркулирует воздух, первый осуществляет его забор из окружающей среды, второй – из помещения дата-центра. Между контурами, соединяя их в одну систему, ставится ротор, выполняющий функции теплообменника.

На счету компании «Инфосистемы Джет» несколько успешно реализованных проектов, включающих внедрение систем фрикулинга. Наши специалисты обладают всеми необходимыми компетенциями для того, чтобы спроектировать и внедрить в инженерную инфраструктуру заказчиков новейшие решения в области систем кондиционирования.

За счет использования ротора теплового обмена, половина которого располагается во внутренней части, а другая половина – во внешней части здания, система может переносить горячий воздух из помещения наружу. При этом ротор охлаждает горячий воздух своей поверхностью: медленно вращаясь, его холодная сторона постоянно подходит к горячему воздухопотоку. За счет большой массы колеса и низкой скорости вращения ему достаточно +18–20 °C для охлаждения, более низкие температуры не требуются. Установка кондиционеров в ЦОДе все же необходима, но их работа ограничится 3% от общегодового времени.

Рис. 4. Принцип действия колеса Kyoto Cooling (по материалам www.kyotocooling.com)

В данный момент решение предлагается на рынке в большей степени как оригинальная и эффективная идея снижения энергопотребления ЦОДа, чем как продукт «под ключ» от того или иного вендора. Мы полагаем, что заказать производство «колеса высоких температур» можно на любом металлургическом заводе при наличии соответствующих расчетов. Величина и масса системы охлаждения Kyoto Cooling будут напрямую зависеть от необходимого для конкретного ЦОДа объема воздухопотока, способов его направления к оборудованию, предполагаемого расстояния между дата-центром и колесом. Можно инсталлировать как одно, так и несколько Kyoto Cooling, объединенных в систему. Главная особенность решения – уникальность каждого колеса, его соответствие потребностям конкретного ЦОДа и непригодность к использованию при установке в других (в полном смысле этого слова) дата-центрах.

Расходы электроэнергии на охлаждение ИТ-оборудования при использовании колеса Kyoto Cooling снижаются до 5–7% от общего энергопотребления системы кондиционирования ЦОДа (у традиционных систем кондиционирования этот показатель находится на уровне 30–40%). PUE в данном случае составляет ~1,13 (без учета потерь энергии в других системах). Столь высокая энергоэффективность объясняется тем фактом, что теплообмен в ЦОДе происходит за счет массы самого Kyoto Cooling.

Колесо – не новое для российского рынка решение, его преимущества обсуждаются уже несколько лет. Однако российские заказчики относятся к технологии довольно осторожно: смущают внушительные размеры колеса и отсутствие опыта адаптации решения на нашем рынке. Kyoto Cooling практически невозможно установить в существующих зданиях, оно требует отдельного технологического помещения. Теоретически возможен монтаж колеса на промышленных площадках. Нестандартность решения – еще один фактор, играющий против него. В случае неэффективности кондиционеров можно оперативно осуществить их замену. Колесо Kyoto Cooling в аналогичной ситуации вызовет ряд трудноразрешимых вопросов. На данный момент для этого решения характерна ситуация «нет спроса – нет предложений».