Rambler's Top100
Статьи ИКС № 01-02 2015
Виктор АВЕЛАР  Пол ЛИН  Джон НАЙМАН  27 февраля 2015

Изоляция горячих и холодных воздушных потоков в ЦОДе

Разделив воздушные потоки в помещении центра обработки данных, можно устранить зоны локального перегрева и сэкономить электроэнергию. Выбор наилучшего варианта их изоляции зависит от ограничений конкретного ЦОДа.

Изоляция воздушных потоков повышает эффективность и предсказуемость работы традиционной системы охлаждения ЦОДа. Отраслевой консорциум Green Grid рассматривает упорядочение воздушных потоков как «отправную точку для реализации программы экономии электроэнергии в дата-центрах». Однако в существующих ЦОДах выбор той или иной методики связан с определенными ограничениями.

Что дает изоляция воздушных потоков? За счет ликвидации зон локального перегрева повышается надежность работы ИТ-оборудования; уменьшение рециркуляции горячего воздуха позволяет нарастить энергетическую плотность стоек; благодаря большей разнице температур холодного подаваемого воздуха и нагретого возвратного воздуха можно увеличить холодопроизводительность.

 Главное – охлаждать оборудование, а не помещение

Алексей НИКИШИН, руководитель отдела сопровождения продаж, OOO «АМДтехнологии», канд. техн. наук

Алексей НИКИШИН

Целесообразность и эффективность разделения потоков воздуха в ЦОДе с изоляцией коридоров в настоящее время никто не оспаривает. Оценка и обследование объекта на предмет изоляции горячих и холодных коридоров и вообще воздушных потоков, безусловно, необходимы. В первую очередь при этом надо обратить внимание на следующие моменты:

 

  • предполагаемый тип устанавливаемого ИT-оборудования, конструктив стоек, как организованы в них воздушные потоки и как они соотносятся с воздушными потоками предполагаемой системы кондиционирования;
  • наличие в машзале другого оборудования, например АКБ, и возможность его попадания в горячую зону;
  • архитектурно-строительные особенности помещения – конфигурация, высота потолков и т.п.;
  • высоту фальшпола (если он предусмотрен), тип, количество и пропускную способность перфорированных решеток;
  • возможность размещения АГПТ и других необходимых систем и коммуникаций в холодном коридоре.

 

Чаще всего прибегают к изоляции холодного коридора: холодный воздух полностью заполняет пространство этого коридора перед передними дверцами стойки с одинаковой температурой по всей высоте. Тем самым предотвращается перегрев верхней части стойки – две трети выходов из строя серверов происходит в верхней трети стойки. Эффективность охлаждения повышается до 50%, потребляемая мощность системы кондиционирования снижается до 60%.

Наиболее эффективны в этом случае внутрирядные кондиционеры, размещаемые между стойками. Интегрированная система воздухораспределителей с горизонтальной подачей позволяет внутрирядным кондиционерам подавать воздух непосредственно к стойкам. Серверное оборудование всегда получит необходимую температуру, влажность и чистоту воздуха, поскольку холодопроизводительность и, соответственно, расход воздуха внутрирядных кондиционеров имеют плавную регулировку и зависят от компенсируемой в данный момент тепловой мощности нагрузки.

Неплохо себя зарекомендовала и система контейнеризации воздушных потоков в самих стойках. Но тут есть подводные камни, о которых надо помнить. В случае поломки системы охлаждения такого типа ИT-оборудование подвергается значительно большему риску выхода из строя, чем в стойках с разомкнутыми воздушными потоками. И даже аварийное открывание дверей и панелей не всегда спасает ИT-оборудование от перегрева из-за его высокой теплонапряженности и скорости повышения температуры его элементов при «пропадании» теплоотвода. 

В традиционном ЦОДе с фальш­полом более 50% холодного воздуха, поступающего от систем охлаждения, различными путями возвращается к ним. Изоляция потоков воздуха помогает этого избежать. Более высокая температура возвратного воздуха ведет к повышению температурного перепада на охлаждающих блоках, что может поднять холодопроизводительность системы на 20% и более. В результате в системе охлаждения экономится энергия, увеличивается продолжительность использования экономайзера. ЦОД может дольше работать в режиме фрикулинга (свободного охлаждения).

Два метода изоляции

Разделение горячего и холодного воздушных потоков обеспечивает значительную экономию энергии по сравнению с традиционными конструкциями. Однако одновременная изоляция обоих воздушных потоков не дает ощутимого преимущества за исключением тех случаев, когда ИТ-оборудование функционирует в жестких условиях (например, на производственном участке). Чтобы предотвратить смешивание горячего и холодного воздушных потоков, достаточно изолировать только один из них. Возможны несколько вариантов изоляции воздушных потоков (рис. 1).

 

 

 

 

 

 

Оценка объекта

На уже построенных объектах существуют различные ограничения  строительные, нормативные или определяемые требованиями бизнеса. Чтобы выбрать подходящий тип изоляции воздушных потоков, нужно оценить эти условия и ограничения. Например, поднять потолок в ЦОДе нереально, поэтому высота потолка рассматривается как ограничение. Также является ограничением необходимость избежать нежелательного влияния разделения воздушных потоков на функционирование системы пожарной сигнализации (пожаротушения).

Для сложных проектов требуется анализ финансовых и других затрат на устранение ограничений. Важно определить, можно ли улучшить или скорректировать существующие параметры для достижения оптимального результата. ЦОДы, где оборудование скомпоновано без четкого разделения на горячий и холодный коридоры, серьезно ограничены в выборе решений для изоляции воздушных потоков.

Высота помещения может быть недостаточной для устройства подвесного потолка (зазор между перекрытием и подвесным потолком используется для отвода нагретого воздуха). В то же время наличие полости над подвесным потолком  необходимое условие для установки вытяжного воздуховода горячего коридора или локальных воздуховодов на отдельные стойки.

Высота фальшпола может быть слишком мала для подачи достаточного объема охлаждающего воздуха к высоконагруженным стойкам. Такое ограничение актуально для изоляции холодного коридора. Опорные колонны в ЦОДе приходится обходить, используя изолирующие панели или воздуховоды. Монтировать вытяжные воздуховоды на горячем коридоре и отдельных стойках может помешать верхняя кабельная разводка.

Как правило, изменить метод распределения воздуха в ЦОДе нелегко. При выборе решения важно оценить объем инвестиций и сложность развертывания. Например, в ЦОДе с адресным отводом и неупорядоченной подачей воздуха можно сравнительно просто и экономично изолировать горячие воздушные потоки, а в ЦОДе с адресной подачей воздуха проще и выгоднее изолировать холодные.

После разделения воздушных потоков объемы циркулирующего воздуха существенно возрастают, что понижает эффективность средств обнаружения возгорания и пожаротушения. Чувствительность датчиков зависит от плотности дыма, а рассеивание противопожарного реагента  от интенсивности воздушного потока и помех, создаваемых оборудованием изолирующей системы. Разделение потоков воздуха влияет и на длительность работы оборудования при отказе системы охлаждения.

Высокая температура в горячем коридоре может осложнить работу персонала в ЦОДе. Кроме того, она негативно сказывается на надежности ИТ-оборудования, расположенного вне изолированных рядов (например, систем хранения данных).

Рассмотрим некоторые варианты систем изоляции.

Изоляция холодного коридора

При изоляции холодного коридора (Cold Aisle Containment System, CACS) все остальное помещение служит для отвода нагретого воздуха. Потоки холодного и горячего воздуха разделяются (рис. 2). Такой метод изоляции основывается на использовании распределенной (на уровне помещения) системы охлаждения с подачей воздуха из-под фальшпола.

CACS рекомендуется применять, когда стойки с ИТ-оборудованием скомпонованы по схеме с горячими и холодными коридорами, когда в ЦОДе используется метод распределения воздушных потоков с фальшполом и неупорядоченным возвратом, в помещении дата-центра нет отдельно стоящих ИТ-устройств (например, СХД), подача воздуха через плитки фальшпола достаточна для охлаждения высоконагруженных стоек, а проект изоляции воздушных потоков желательно реализовать быстро.

Если оборудование скомпоновано не по схеме с горячими и холодными коридорами или используется оборудование, охлаждаемое нисходящими воздушными потоками без фальшпола (с неупорядоченной подачей и возвратом воздуха), то переходить на такую схему нецелесообразно. Она не подойдет и в ситуации, когда подача воздуха через панели фальшпола недостаточна, в ЦОДе часто работает персонал или есть отдельно стоящие устройства.

Обычно перед отдельно стоящим ИТ-оборудованием (СХД, ленточными библиотеками и пр.), подверженным воздействию нагретого воздуха, устанавливаются изолирующие перегородки или дополнительные средства охлаждения. Чтобы увеличить поток воздуха при недостаточной высоте фальшпола, может понадобиться заменить некоторые плитки фальшпола на активные (с вентиляторами).

Срок окупаемости такого решения варьируется от нескольких месяцев до нескольких лет.

Система изоляции с общим воздуховодом для горячего коридора

Данный метод изоляции можно использовать при наличии системы распределения воздушных потоков с фальшполом или без фальшпола (на уровне помещения). В канальной системе HACS (Hot Aisle Containment System) изолируется горячий коридор, а все остальное помещение служит для подачи холодного воздуха (рис. 3).

Канальную систему HACS рекомендуется применять, когда стойки с ИТ-оборудованием скомпонованы по схеме с горячими и холодными коридорами, имеется пространство для возврата нагретого воздуха над подвесным потолком, отдельные устройства расположены вне рядов стоек или в ЦОДе часто работает персонал. Если же оборудование скомпоновано не по схеме с горячими и холодными коридорами, подвесной потолок отсутствует или его высота недостаточна для прокладки возвратного воздуховода, то такая схема нецелесообразна.

Нужно также иметь в виду, что при размещении воздушного канала придется учитывать расположение существующих систем (кабелей, светильников, системы пожаротушения), а подсоединение воздуховода к каждой стойке – длительная и трудоемкая операция.

Срок окупаемости HACS меньше, чем у системы CACS с активными панелями, но несколько больше, чем у CACS без активных панелей.

Стойки с индивидуальными воздуховодами

Такой метод изоляции воздушных потоков лучше всего применять в среде с неупорядоченно расположенными высоконагруженными стойками, где воздух продувается спереди назад. Канал крепится к задней части стойки и изолирует поток нагретого отработанного воздуха, а затем выводит его в пространство над подвесным потолком (рис. 4).

Стойки с индивидуальными воздуховодами рекомендуется применять, когда оборудование скомпоновано не по классической схеме с горячими и холодными коридорами, в ЦОДе есть подвесной потолок (полость для возврата воздуха), строительные колонны мешают применению систем «коридорного» типа, имеются неупорядоченно расположенные высокомощные стойки (с потреблением более 6 кВт), стойки скомпонованы в ряды разной длины или в ЦОДе часто работает персонал.

Если же стойки рассчитаны на другую схему движения воздушных потоков, подвесной потолок отсутствует или его высота недостаточна для прокладки возвратного воздуховода, стойки оборудования приобретены у разных поставщиков и имеют разные размеры (конфигурацию подсоединения к общим воздуховодам для них потребуется разрабатывать индивидуально), то применять такую схему не рекомендуется.

Верхняя кабельная разводка может помешать обустройству воздуховодов. Кроме того, может понадобиться индивидуальная доработка воздуховодов для подсоединения к ним отдельных стоек. А чтобы обеспечить надлежащее разделение воздушных потоков, необходимо герметизировать задние двери стоек и заменить верхние панели, на что потребуется дополнительное время. Использование стоек с индивидуальными воздуховодами может привести к возникновению дисбаланса давления в возвратном воздуховоде над подвесным потолком или между близлежащими стойками.

Срок окупаемости для данной схемы сравним со сроком окупаемости HACS (от нескольких месяцев до трех лет).

Система изоляции горячего коридора с применением внутрирядных кондиционеров

Систему HACS с внутрирядными кондиционерами можно применять в ЦОДе как с внутрирядными, так и с периметральными кондиционерами. В первом случае горячий коридор перекрывают потолочными панелями. В ЦОДе с периметральным охлаждением такую систему изоляции воздушных потоков можно создать путем встраивания охлаждающих блоков между стойками (рис. 5) или над горячими коридорами.

Эту систему изоляции рекомендуется применять при наличии внутрирядной схемы кондиционирования, а также если стойки с ИТ-оборудованием в той или иной форме скомпонованы по схеме изоляции горячего коридора. Она будет полезной и в том случае, когда методы изоляции холодного коридора и формирования общего воздуховода для горячего коридора реализовать затруднительно (например, если верхняя кабельная разводка мешает монтировать панели воздуховодов), в ЦОДе часто работает персонал, а также при добавлении высоконагруженных стоек. HACS позволяет быстро изолировать воздушные потоки и сохраняет полезное пространство ЦОДа.

HACS с внутрирядными кондиционерами не является оптимальным выбором, если оборудование скомпоновано не по схеме с горячими и холодными коридорами и переходить на такую схему нецелесообразно, когда нельзя передвинуть стойки в рядах для размещения охлаждающих блоков или в ЦОДе нет свободной площади. Кроме того, добавление внутрирядных кондиционеров связано с дополнительными расходами.

Срок окупаемости HACS может составить от полугода до двух лет, если внутрирядные кондиционеры уже имеются, и несколько лет, если их предстоит приобрести.

Система контейнеризации воздушных потоков в стойках

Метод изоляции воздушных потоков путем контейнеризации стоек (Rack Air Containment System, RACS) – хорошее решение для высоконагруженных стоек. Каждая стойка оснащается отдельным охлаждающим блоком, и воздух циркулирует внутри контейнера, включающего в себя одну или несколько стоек.

RACS рекомендуется применять при неупорядоченном расположении высоконагруженных стоек, в случае установки одной стойки в большом помещении или при смешанной компоновке, а также для предотвращения воздействия горячего коридора. Такой вариант хорош и в коммутационных узлах, где нет средств охлаждения, вследствие чего высокомощное оборудование подвергается воздействию высокой температуры, а также если требуется снизить уровень шума.

Однако если часто возникает необходимость убирать стойки из рядов и возвращать их обратно, если нужно изолировать несколько рядов, если используются стойки, кондиционеры и другое оборудование разных размеров либо ширина коридоров слишком мала для добавления изолирующих систем, то данный вариант не подойдет.

Кроме того, контейнеризацию холодных воздушных потоков не рекомендуется применять в системах внутрирядного охлаждения с увлажнителями, так как при отказе системы контроля влажности это может привести к повышению влажности воздуха, поступающего к серверам.

Поскольку необходимо единовременно устанавливать много охлаждающих блоков, первоначальные расходы будут высокими. А для резервирования потребуются дополнительные охлаждающие блоки, что еще больше увеличит затраты. Так как охлаждающий блок и изолирующая система устанавливаются на каждую стойку, время развертывания достаточно велико.

Сроки окупаемости соответствуют предыдущему варианту.

Система изоляции холодного коридора с применением внутрирядных кондиционеров

Этот метод изоляции воздушных потоков (CACS) следует использовать в ЦОДе с периметральными кондиционерами, а также если все стойки в той или иной форме скомпонованы по схеме изоляции холодного коридора. При таком решении внутрирядные кондиционеры встраиваются между стойками. Изолируется холодный коридор, а изолирующая система формирует отдельный модуль стоек (рис. 6).

Систему CACS с внутрирядным охлаждением рекомендуется применять, если стойки и ИТ-оборудование скомпонованы по схеме с горячими и холодными коридорами или можно организовать ту или иную форму изоляции холодного коридора, чтобы исключить выброс отработанного нагретого воздуха в сторону неизолированных стоек.

Данный вариант будет полезен и при достижении предела производительности фальшпольной системы охлаждения, в случае, когда для повышения производительности системы охлаждения нельзя добавить периметральные кондиционеры или необходимо быстро изолировать воздушные потоки.

Если же оборудование скомпоновано не по схеме с горячими и холодными коридорами и переходить на нее нецелесообразно, бюджет ограничен (а приобретение внутрирядных кондиционеров связано с большими капитальными затратами), если нельзя передвинуть стойки в рядах для размещения внутрирядных кондиционеров или ЦОД так загроможден стойками, что это осложняет изоляцию потоков воздуха, то система CACS не оптимальна. Сроки ее окупаемости соответствуют предыдущему варианту.

Сравнение описанных методов изоляции воздушных потоков приведено в таблице.

Достоинства и недостатки методов изоляции воздушных потоков

Метод изоляции

Достоинства

Недостатки

Изоляция холодных воздушных потоков

Система изоляции холодного коридора

Простое экономичное решение для систем с фальшполом; производство холода можно распространить на другие стойки в пределах двух рядов; самое быстрое развертывание среди всех видов изоляции воздушных потоков

Сокращен период естественного охлаждения; создается некомфортная рабочая среда в зонах с неконтролируемыми воздушными потоками

Система изоляции холодного коридора с применением внутрирядных кондиционеров

Внутрирядные кондиционеры повышают холодопроизводительность существующей системы CACS с периферийными охлаждающими блоками; модульные решения сокращают время развертывания

Более высокие исходные капитальные затраты; для размещения внутрирядных охлаждающих блоков в ряду приходится перемещать ИТ-стойки

Выбор метода изоляции

После изучения ограничений существующего объекта, сравнения различных вариантов сделать выбор между изоляцией горячих или холодных воздушных потоков будет проще. В большинстве случаев есть лишь один или два практически реализуемых способа. Систему изоляции следует выбирать на основе физических ограничений, так как эти факторы являются основным препятствием при воплощения того или иного решения. Можно реализовать сразу оба типа изоляции холодных воздушных потоков или несколько типов изоляции горячих воздушных потоков, но применять изоляцию горячих и холодных воздушных потоков одновременно не следует. Скорее всего, это снизит эффективность системы охлаждения.

Кроме того, во всех случаях строительные ограничения (такие, как расположение колонн), наличие ИТ-стоек от разных производителей или нечетное количество стоек (рядов) могут потребовать разработки индивидуальных решений для изоляции воздушных потоков. Сократить время развертывания позволяет применение модульных систем. 

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