Технологии естественного охлаждения в ЦОД

По данным агентства по охране окружающей среды EPA, к 2012 г. стоимость электроэнергии для дата-центров возрастет до 7,4 млрд долл. – если не принять своевременных и эффективных мер. По мнению большинства экспертов, современные центры обработки данных (ЦОД) должны оснащаться максимально эффективными системами охлаждения, которые могли бы динамически адаптироваться по производительности к фактической мощности тепловыделения. Кроме того, в них обязательно должна быть предусмотрена возможность охлаждения с использованием воздуха из внешней среды – так называемое свободное, или естественное охлаждение (Free Cooling). Эта технология принята «на вооружение» и у российских системных интеграторов; например, Free Cooling будет применяться в новом дата-центре, который возводит в Дубне компания IBS DataFort.

Кондиционирование в ЦОД, как правило, происходит с помощью охлаждаемых водой (раствором этиленгликоля) фэн-койлов, обычно именуемых CRAH (Computer Room Air Handler). Подобный агрегат как минимум включает охлаждаемый теплообменник, центробежный или осевой вентилятор, а также секцию фильтров. Теплоносителем между центральной холодильной машиной (чиллером) и теплообменниками (фэн-койлами) служит жидкость, циркулирующая под относительно низким давлением. А, как известно, жидкий ингредиент обладает в 1000 раз большей теплоемкостью.

Режим работы, когда чиллер не используется (или используется не полностью), а в помещение ЦОД подается наружный воздух (который может частично смешиваться с отработанным, «горячим» воздухом из помещения), называется режимом естественного охлаждения. В том случае, когда чиллер вообще не используется, речь идет о так называемом воздушном экономайзере (air-side economizer). Когда же не используется только компрессор чиллера, а задействованы насосы для прокачки воды и башенные охладители (градирни), то говорят о водяном экономайзере (water-side economizer). Стоит отметить, что применение Free Cooling не совсем Free (в смысле бесплатно): ведь даже в случае воздушной экономизации фэн-койлы должны снабжаться специальными управляемыми заслонками с системой управления. Free Cooling c воздушным экономайзером — самый экономичный метод охлаждения, так как энергия расходуется только в двигателях приточного (и/или вытяжного) вентилятора. В промышленности для охлаждения технологических помещений такой способ применяется достаточно часто. При таком естественном охлаждении снижение затрат на электроэнергию достигает 50%.

Исследователи из корпорации Intel провели испытания 900 серверов в шт. Нью-Мексико, разместив их в трейлере площадью 1000 кв. футов, разделенном на две одинаковых секции. Одна часть оборудования находилась в отсеке, где рециркуляция воздуха осуществлялась с помощью недорогого охладителя непосредственного охлаждения (Direct eXpansion air cooler, DX), а другая часть – в отсеке с воздушным экономайзером. Эксперимент длился 10 месяцев — с октября 2007 г. по август 2008 г. Температура окружающего воздуха менялась в диапазоне 17,8-33,3°С (64-92°F). Уровень относительной влажности контролировался, но не регулировался. По этой причине влажность колебалась от 4 до 90%. Минимальная фильтрация поступающего воздуха происходила с помощью обычных бытовых фильтров, которые задерживали крупные частички пыли, но пропускали мелкие.

Оказалось, что ни пыль, ни значительные колебания влажности и температуры не повлияли существенным образом на интенсивность отказов, которая для отсека с воздушным экономайзером составила 4,46%, а для отсека с DX – 2,45% (интересно, что в основном дата-центре Intel, оснащенном по всем правилам, за тот же период частота отказов составила 3,83%). Но если разница в надежности между отсеками оказалась невелика, то вот показатели энергоэффективности отличались очень заметно. Так, в отсеке с воздушным экономайзером количество потребляемой энергии удалось снизить на 74%. Базируясь на климатических данных Нью-Мексико, исследователи Intel пришли к выводу, что экономизацию можно было бы использовать 91% времени, что в переводе на язык энергетики означало бы 3500 кВт.ч экономии. Для реальных дата-центров цифры выглядят еще более внушительно. Если для небольшого ЦОД мощностью 500 кВт можно сэкономить за год около 143 тыс. долл., то для ЦОД мощностью 10 МВт экономия составит 2,87 млн долл.

На сайте промышленной группы Green Grid появился калькулятор для расчета экономии от естественного охлаждения в ЦОД. Оператору надо ввести ряд значений, характеризующих конкретный дата-центр, включая даже географическое положение ЦОД (Zip Code) и заканчивая стоимостью 1 кВт.ч электроэнергии.