Rambler's Top100
 
Статьи ИКС № 04 2012
Виктор Николаевич ГАВРИЛОВ  10 апреля 2012

Природа для ЦОДа. Нетрадиционные системы охлаждения

Необходимость сокращения затрат на содержание ЦОДов заставляет искать новые пути для снижения энергопотребления. Ни для кого не секрет, что после серверного оборудования основной потребитель электроэнергии в ЦОДе – система кондиционирования. Именно поэтому во многих проектах упор делается на использовании альтернативных систем охлаждения.

Виктор Николаевич ГАВРИЛОВ, технический директор компании «АМДтехнологии»Оптимизация системы охлаждения позволяет значительно снизить затраты на электроэнергию и повысить эффективность работы ЦОДа. По этой причине пересматриваются международные стандарты, регламентирующие параметры микроклимата в серверных помещениях. Так, в стандарте ASHRAE TC 9.9 с 2008 г. допустимая температура воздуха в помещении ЦОДа поднята до 27°С. Ведущие производители серверов, идя в ногу со временем, разрешают эксплуатацию серийно выпускаемого оборудования при повышенной температуре воздуха в «холодном» коридоре, а перепад температуры входящего и выходящего воздуха на блейд-серверах составляет от 20 до 30°С. Все это дает проектным организациям возможность при построении систем охлаждения ЦОДов применять новейшие технологии.

Тепло – на ветер

Однако так же полезно вспомнить хорошо забытое старое и обратиться к приточно-вытяжным установкам, чтобы снимать теплопритоки за счет холода наружного воздуха. В последнее время подобные технологии распространяются все шире. Известные вендоры серийно выпускают оборудование, позволяющее большую часть года охлаждать ЦОД, используя разность температур на улице и в помещении. Такие системы продвигают компании Kyoto Cooling, Colt Data Center Services, APC by Schneider Electric (модульная система охлаждения EcoBreeze), Stulz (система Direct free-cooling). Есть в их рядах и отечественные производители, в частности компания «Аякс Инжиниринг», разработавшая систему FFC, и другие. При разных подходах к построению систем охлаждения принцип у всех один – холодильные машины, входящие в состав установок, должны работать минимально возможное время, а свободное охлаждение задействуется по максимуму.

Однако полностью отказаться от холодильных машин можно не всегда, хотя это создает определенные неудобства. Ведь несмотря на то что холодильная машина включается только при пиковых нагрузках в самый теплый период года, а все остальное время простаивает, для ее работы все равно приходится выделять электрическую мощность, да и сама покупка таких машин потребует немалых затрат.

Проектные организации ищут решения, которые позволят полностью отказаться от холодильных машин для ассимиляции теплопритоков в серверных помещениях. В Европе уже несколько лет функционируют ЦОДы, круглогодично использующие стандартное климатическое оборудование, но без холодильных машин. Речь идет о двух центрах обработки данных в Германии, применяющих систему геотермального охлаждения.

Тепло унесет подземная река

 
 
 
 
 
Первый ЦОД находится в Мюнхене, он принадлежит страховой компании WWK и расположен в офисном здании. При строительстве фундамента здания была обнаружена подземная река, протекающая на небольшой глубине. И тогда родилась идея воспользоваться подземными водами для холодоснабжения будущего ЦОДа. Причем сама вода из реки не забирается. Во-первых, получение разрешений у служб экологической безопасности представляло определенные сложности, а во-вторых, это потребовало бы дополнительных затрат на фильтрацию и очистку воды. По этим причинам была выбрана замкнутая система охлаждения с горизонтальными земляными коллекторами (рис. 1).

Во время заливки фундамента были заложены коллекторы из полиэтиленовых трубопроводов длиной 100 м каждый (рис. 2). Длина трубопроводов определялась исходя из оптимального гидравлического сопротивления участка таким образом, чтобы не увеличивать потребляемую мощность циркуляционного насоса. Суммарная длина всех коллекторов достигает нескольких километров. На концах трубопроводы объединены распределительными гребенками подающей и обратной магистралей. Для обеспечения высокой надежности системы каждый трубопровод снабжен отсекающими вентилями. Трубопроводы наружного контура заполнены теплоносителем – раствором пропиленгликоля (температура замерзания – минус 10°С), который благодаря охлаждению грунтовыми водами в течение всего года имеет температуру около 12°С. Насос заставляет теплоноситель циркулировать по замкнутому контуру. Жидкость поступает в промежуточный пластинчатый теплообменник гликоль – вода, в котором и происходит отвод тепла от серверного оборудования. Во вторичном контуре циркулирует вода с температурой 14–16°С. Помещения ЦОДа расположены на цокольном и на третьем этажах здания. Оборудование установлено в серверные шкафы с водяным охлаждением Knuerr CoolTherm с закрытой архитектурой охлаждения. Тепловыделение одной стойки составляет 8–16 кВт, суммарная холодопроизводительность системы – 400 кВт, при этом имеется резерв мощности как минимум 100 кВт.

В результате общая схема системы холодоснабжения выглядит следующим образом: Грунтовые воды ↔  Теплообменник ↔  ЦОД

Такая система охлаждения ЦОДа вне зависимости от времени года обеспечивает значение показателя PUE на уровне 1,09. Это неудивительно, поскольку фактически единственными потребителями электроэнергии системы холодоснабжения являются два циркуляционных насоса.

Тепло зароем в землю

Похожая схема геотермального охлаждения, но несколько в другом исполнении реализована в центре обработке данных компании Toshiba, расположенном неподалеку от Мюнхена. Однако здесь ЦОД создавался в существующем здании, и устраивать горизонтальные коллекторы было нерентабельно. Поэтому было принято решение использовать вертикальные земляные тепловые зонды, состоящие опять же из заполненных пропиленгликолем полиэтиленовых труб. Для их установки пробурили четыре скважины на глубину 100 м. В каждую скважину опустили параллельно четыре трубы, образующие двойные U-образные зонды (рис. 3). Раствор пропиленгликоля поступает по двум трубам от распределителя вниз и возвращается по двум другим трубам обратно вверх к коллектору. Все промежутки между трубами и грунтом заполнены материалом с хорошей теплопроводностью – бетонитом. Температура в верхних слоях почвы меняется в зависимости от сезона, ниже границы промерзания температурные колебания значительно уменьшаются. Так, на глубинах 10–15 м и ниже температура грунта на протяжении всего года держится около +10°С.

Холодопроизводительность системы – 80 кВт, в качестве внутренних блоков системы кондиционирования применены межрядные кондиционеры CoolLoop, а также изолированный холодный коридор CoolFlex.

Особенность этой схемы в том, что система охлаждения ЦОДа совмещена с системой отопления здания (рис. 4), тепло в которую поступает через тепловой насос производительностью 100 кВт (потребляемая мощность – 25 кВт). В теплый период года тепловой насос не работает, отвод тепла из ЦОДа осуществляется только за счет геотермального охлаждения. В холодное время, когда здание необходимо отапливать, в работу включается тепловой насос, и для отопления используется тепло, отводимое от серверного оборудования. Земляные зоны подключаются только тогда, когда при малой загрузке серверное оборудование выделяет тепла значительно меньше расчетной тепловой нагрузки.

На эффективность данной схемы сильно влияют теплофизические свойства почвы – ее объемная теплоемкость и теплопроводность, которые, в свою очередь, зависят от состава и состояния грунта. Теплопроводность грунта тем больше, чем выше содержание в нем воды, чем больше доля минеральных компонентов и чем меньше пористость. Чтобы воспользоваться описанным решением, перед проведением буровых работ необходимо получить данные геологической разведки выбранного места. Из карты разреза станет понятно, на какую глубину можно бурить скважины и каковы термические свойства грунта.

Тепло – на обогрев здания

Чтобы использовать тепло, отводимое от серверного оборудования, для работы теплового насоса, вовсе необязательно бурить скважины или прокладывать земляные коллекторы. Равно как нет необходимости отказываться от свободного охлаждения ЦОДа, если основным источником холода служат чиллеры.

Понятно, что при работе компрессоров чиллера получить нагретую воду довольно просто. Но компрессоры работают только в теплый период года. При температуре наружного воздуха ниже 5°С компрессоры останавливаются, и холодильные машины переходят в режим свободного охлаждения. Тепло от серверного оборудования передается теплоносителю и далее фактически выбрасывается на улицу. Непосредственно использовать это тепло не удастся, так как температура жидкости составляет лишь 15–18°С. Но эта вода вполне пригодна для работы теплового насоса. Из системы охлаждения отепленная вода поступает в тепловой насос, где охлаждается и подается обратно в систему холодоснабжения ЦОДа. С другой стороны теплового насоса происходит нагрев воды до 50°С, далее вода может нагреваться в накопительном или проточном бойлере до 90°С. Дополнительным источником тепла могут стать электроэнергия, газ, жидкое или твердое топливо, а также система центрального теплоснабжения. Впрочем, воду с температурой 50°С можно напрямую использовать для отопления технологических помещений (рис. 5), а также для нагрева воздуха в системах приточной вентиляции и воздушного отопления. Применение теплового насоса позволит сэкономить до 70% энергии, требуемой для отопления здания.

Описанная схема использования теплового насоса не требует проведения земляных работ, обустройства вертикальных или горизонтальных земляных коллекторов. Главное условие – тепловыделение ЦОДа должно быть равно или больше количества тепла, необходимого для отопления здания. При построении системы холодоснабжения ЦОДа, базирующейся на чиллерах внутренней установки, тепловым насосом может служить один из чиллеров.

В любом случае возможность и рентабельность применения тепловых насосов для отопления здания определяется на этапе проектирования. Данный способ рекуперации тепла при эксплуатации ЦОДа весьма эффективен и не требует больших капитальных затрат.

  

Безусловно, не всегда и далеко не везде подобные системы можно и целесообразно применять. Все зависит от конкретного объекта, его расположения, строительной готовности и т.д. Однако, как нет предела совершенству, так нет предела стремлениям проектировщиков осуществить свой замысел, найти новые пути повышения энергоэффективности системы, разработать принципиально новые схемы или нетрадиционным образом использовать хорошо известные технологии. Не существует рецепта построения идеального ЦОДа. И это хорошо, значит, всегда есть место творчеству, возможность комбинировать различные методы, оптимизируя оборудование разных производителей для решения конкретной задачи.  

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: