Передовые способы охлаждения для вашего ЦОДа

23 марта 2015 г. | МакФарлейн Роберт | Категория: Обсуждаем статью

Существуют различные новые методы и технологии холодоснабжения, но следует выбрать правильную комбинацию: будь то герметизация коридора, жидкостное иммерсионное охлаждение или адиабатическое – в зависимости от особенностей организации.  Нельзя торопиться, выбирая тот или иной подход к охлаждению

Охлаждение дата-центра – не самая интересная тема для IT-специалиста, но цена ошибки в этой сфере может быть очень высока. Серверы станут потреблять слишком много энергии, если не предпринять мер или если слишком долго пользоваться устаревшими технологиями. Поскольку в результате повышения требований к мощности потребление электричества резко увеличивается, важность проблемы охлаждения также растет.

Выбор правильного способа (или комбинации способов) охлаждения – задача непростая, прежде, чем готовиться к подписанию счетов на оплату, требуется тщательная проверка и планирование. Занимаетесь ли вы переоснащением или полной модернизацией, вы можете достичь желаемого уровня окупаемости инвестиций лишь при условии, что вы уделите должное время процессу изучения всех возможностей.

О лучших способах холодоснабжения и соответствующих технологиях  рассказывает эксперт по дата-центрам Роберт МакФарлейн. Он указывает на плюсы и минусы каждого типа охлаждения, будь то обновленная версия давно существующей идеи или инновационный метод.

Современные методы охлаждения для вашего ЦОДа

Критичность системы охлаждения для операций дата-центра в комбинации с повышенным выделением тепла современными шкафами высокой плотности раздвигают границы традиционного представлений об охлаждении. Охлаждение дата-центра может и должно быть расширено с использованием самых последних достижений. Некоторые из новых и наиболее эффективных методов уже хорошо разработаны, другие остаются в зачаточном состоянии.

Администратор ЦОДа должен иметь представление обо всех методах, чтобы выбрать наилучший для своего конкретного помещения.

Старый воин: герметизация по-прежнему эффективна

Герметизация – продолжение концепции горячего и холодного коридоров. Концы рядов заблокированы дверьми или пластиковыми шторами для предотвращения дальнейшего смешивания воздуха. Если двери закрывают горячие ряды, это называется герметизация горячего коридора. Если они закрывают холодные ряды – соответственно, это герметизация холодного коридора. Если блокируются лишь выходы из горячего и холодного рядов, то это частичная герметизация. А если преграды установлены над рядами, или межу крышей шкафов и  потолком – это будет полная герметизация.

Говорят, что эффективность частичной герметизации составляет 80% от уровня, достигаемого при полной. И та, и другая помогут улучшить охлаждение и повысить энергоэффективность как в старом, так и новом ЦОДе.

В уже существующих помещениях главная забота – это пожаробезопасность. Полная герметизация может заблокировать разбрызгивание воды или вызвать повышение давления газа, а это опасно и противозаконно. Есть три решения этой проблемы: установка спринклеров и/или газовых головок в горячем и в холодном коридорах; установка системы, которая убирает блокировку в случае обнаружения дыма, или – частичная герметизация. У каждого решения есть плюсы и минусы, а также вариации, но при этом все строители должны соответствовать правилам пожарной безопасности  - особенно когда используются устройства удаления блокирующих преград. Например, в США они должны выполнять требования стандарта NFPA-75 Fire Protection Standard.

Поскольку охлаждение, как правило, — самый крупный потребитель электричества после собственно вычислительного оборудования, все же следует рассмотреть ту или иную форму герметизации.

Высокоэффективное охлаждение: вращающийся теплообменник и адиабатический кулинг

Вращающийся теплообменник – это огромное, медленно крутящееся устройство с множеством воздушных камер. Половина колеса – снаружи, и по мере того, как оно поворачивается, прохладный воздух поступает в помещение ЦОДа. Горячий воздух забирается внутри и выносится наружу. Эти мудреные колеса работают как теплообменники в течение ротационного цикла и приносят лишь небольшое количество воздуха извне. Поскольку для вращения колеса надо совсем мало энергии, они эффективны в большинстве климатических зон. Из всех видов «фрикулинга» (то есть, использования воздуха из окружающей среды вместо искусственно охлажденного), вращающийся теплообменник – номер один в списке энергоэффективных систем.

Адиабатическое охлаждение – это модное слово для обозначения испарительного охлаждения. Процесс превращения воды в пар сопровождается поглощением тепла, поэтому, если мы разбрызгиваем воду на внешней камере в теплом, сухом климате, вода быстро испарится и создаст прохладу. Если мы одновременно будем пропускать теплый воздух через камеру, то он будет охлаждаться в ней. Таким образом, адиабатическое охлаждение – энергоэффективный способ рассеивания тепла, а количество воды, потребляемое такой системой, обычно меньше, чем потребляемое охлаждающими водяными башнями.

Системы охлаждения на источнике тепла

Эти системы варьируются, но подходы в категории охлаждения на источнике тепла в целом похожи. Принцип внутрирядного охлаждения (IRC) главным образом заключается в перемещении воздушных кондиционеров серверного зала (CRAC) из периметра помещения непосредственно в ряд стоек. Блоки охлаждения спроектированы в форме шкафов и располагаются между стойками и/или в конце каждого ряда стоек. Тут они направляют холодный воздух прямо в холодные коридоры спереди шкафов. Не менее важно, что внутрирядная система втягивает теплый воздух из горячих рядов прямо в заднюю стенку каждого охлаждающего блока, почти не оставляя горячего воздуха, который мог бы рециркулировать – даже если в серверном зале есть открытый коридор (например, в случае частичной герметизации). Поскольку путь воздушного потока короток, требуемая мощность вентилятора низка по сравнению с системой расположения блоков охлаждения по периметру помещения.

Некоторые системы IRC включают способы контроля направления воздушных потоков. Все они используют высокоэффективные вентиляторы с различными режимами скорости для автоматической настройки параметров охлаждения в зависимости от объема выделяемого тепла и таким образом снижают энергопотребление. Самые распространенные методы контроля используют сенсоры на передних панелях шкафов для отслеживания температуры и влажности входящего воздуха. Системы внутрирядного охлаждения могут быть водяными, компрессорными и на основе хладагента. Некоторые имеют опцию контроля влажности, что означает также необходимость установки труб отвода конденсата, а другие – только сенсорное охлаждение. Самый большой недостаток таких систем – это занимаемое пространство, обычно от 12 до 30 дюймов шириной. Хотя это компенсируется устранением громоздких CRAC по периметру помещения, все же расположение охлаждения в ряду разбивает ряд стоек, а это может быть важно для некоторых инсталляций.

Установки верхнего охлаждения над шкафами (их еще называют доводчики) основаны на использовании хладагента, и это привлекает операторов, которые плохо относятся к присутствию в своем ЦОДе труб водоснабжения. Плюс  системы с хладагентом  еще и в том, что они в числе первых среди энергоэффективных систем и не занимают место на полу, так как находятся прямо над шкафами или в холодном коридоре между рядами стоек.

Они чаще всего используются в придачу к традиционным CRAC для дополнительного охлаждения самих стоек высокой плотности. Поскольку эти устройства работают как сенсорное охлаждение, CRAC необходимы: они контролируют влажность и охлаждают стойки низкой плотности. Верхние установки требуют пространства наверху, что следует учитывать при проектировании расположения других устройств над шкафами.

Теплообменники в задней двери (RDHx) заменяют перфорированную заднюю дверь традиционных шкафов. Тепло, выделяемое вычислительным оборудованием, поступает в камеры на дверях, которые его нейтрализуют с помощью циркуляции охлажденной воды до того, как этот воздух выйдет наружу. Этот способ предполагает одинаковую температуру входящего и выходящего воздуха.

Большой плюс систем RDHx – это их способность эффективно работать на более теплой воде. Старые здания использовали воду 45°F (7,22°C), но в современных зданиях становятся все более распространенной температура 55 – 60°F (12,78-15,56°C). В отличие от других систем, RDHx будет работать, как и раньше, при повышении температуры. Пассивные RDHx, разработанные с низким перепадом давления через камеры теплообменника, занимают верхние ряды в рейтинге энергоэффективности.

Установки RDHx также совместимы со шкафами любого размера и любого производителя с помощью рамок-адаптеров. Их главные недостатки – увеличение длины шкафа примерно на 6 дюймов; необходимость прокладки водопроводных труб и установки клапанов для каждого шкафа, а также требование свободного пространства для соединяющих шлангов, чтобы дверь могла открываться. Это довольно сложная задача для проекта с фальш-полом: шланги мешают балкам, на которые укладываются плитки пола.

Не забывайте, что установка RDHx не может быть полностью герметизирована, поскольку она использует рециркуляцию для работы. Поэтому для проектов, где RDHx – основной способ охлаждения, следует всегда предусматривать резервирование.

Самоохлаждающиеся шкафы могли бы стать решением всех проблем, особенно когда нужно установить несколько шкафов высокой плотности, а сделать модернизацию всей системы кулинга невозможно. Шкафы полностью герметизированы, в них встроена система охлаждения, тепло от оборудования нейтрализуется внутри шкафа, и охлажденный воздух направляется снова к оборудованию. Эти шкафы могут работать на охлажденной воде или хладагенте, могут иметь свои компрессоры, как большой холодильник.

Проблема этих шкафов – возможный отказ охлаждения. Есть варианты с резервированием охлаждающих компонентов в «горячем» режиме, но чаще всего на случай отказа предусматривают автоматическое открывание задней двери. Это означает, что оборудование теперь зависит от охлаждения в помещении, а оно может быть недостаточным в течение нескольких минут.

Самоохлаждающиеся установки обычно крупнее обычных шкафов и довольно дороги. Тем не менее, они менее затратны, чем масштабная модернизация системы кулинга.

Иммерсионное охлаждение – новый интересный метод. Серверы полностью погружаются в непроводящую жидкость, например, чистое минеральное масло или жидкость 3M Novec, которая окутывает компоненты и рассеивает тепло. Предпочтительны твердотельные накопители, но и традиционные накопители допустимы, если они герметизированы или подвешены над уровнем масла. Это понижает потребление сервера на 10 или 20%, а также снижает возможность отказа.

Термальная инерция жидкости может сохранять серверы в приемлемом диапазоне температур даже в случае отключения электричества: энергия этой системе не нужна. Одна система может работать на 25 кВт в течение получаса. Системы могут быть спроектированы для мощности 100 кВт или выше и могут работать в любом климате без охлаждающих установок. По крайней мере в одной такой системе движущиеся части – это жидкостный насос и насос, отводящий конденсат, а также вентиляторы охлаждающей камеры.

Стандартные условия охлаждения – это все, что нужно человеку для работы в этом помещении. В результате получаем высокую энергоэффективность (по крайней мере 50% от потребления воздушной системы кондиционирования), а также потенциально низкую общую стоимость – поскольку можно упразднить холодильные установки. Блок из 42 стоек вмещает примерно 1 300 литров масла или хладагента, весит между 1 100 и 1 300 кг, но распределяет вес на примерно 1,1 кв. м, и это меньшая нагрузка на пол, чем у многих современных стоек.

Главная проблема этих систем – это возможная грязь при работе на таком промасленном сервере. Жидкость на самом деле часто капает или переливается, и те, кто внедряет технологию, не сильно задумывались о техническом обслуживании.

Прямое жидкостное охлаждение можно назвать «новое - хорошо забытое старое». Жидкостное охлаждение возвращается в высокопроизводительные вычисления, и некоторые эксперты отрасли предсказывают, что оно станет обычным делом, и даже предметом первой необходимости, поскольку серверы организаций и процессоры в них становятся все меньше и все мощнее.

Эти системы прогоняют через сервер  охлажденную воду либо хладагент, таким образом отводя тепло прямо с процессора через специальный теплоприемник. Именно так охлаждаются лаптопы в течение уже многих лет: в них используется система жидкостного охлаждения внутреннего закрытого цикла, отводящая тепло от процессора на край корпуса, откуда его выдувает вон вентилятор. Прямое жидкостное охлаждение для серверов создает циркуляцию жидкости на второй жидкостный теплообменник в каждом шкафу, или иногда даже на центральную систему охлаждения.

В этих системах проблема в технологии: высокий риск протечек и необходимость располагать трубки для жидкости среди проводов и кабелей.

Производители тратят много усилий на предотвращение протечек, в частности, стараются уменьшить количество соединений на трубке до минимума.

Теги: охлаждение