Непрерывное охлаждение в ЦОДе: каприз или острая необходимость?

Порог технологически неприемлемой температуры зависит от типа активного оборудования, обычно он принимается равным +32℃. Скорость перегрева определяется многими факторами: объемом помещения или его изолированной части, мощностью нагрузки, допустимой температурой эксплуатации активного оборудования. Рекомендациями ASHRAE 2015 г. скорость изменения температуры в помещении ЦОДа регламентируется следующим образом: 20℃ в час, но не более 5℃ за 15 мин.

Для того чтобы избежать рисков для критических приложений и экономических потерь для пользователей, необходимо обеспечить возможность автономной работы системы холодоснабжения в случае отключения электроснабжения. В рекомендациях The Uptime Institute такой подход называется непрерывным охлаждением (continuous cooling). Хотя это требование применяется к ЦОДам, претендующим на уровень Tier IV, целесообразно реализовать те же меры и для более простых топологий.

Рассмотрим способы обеспечения автономной работы систем на охлажденной воде (чиллерных) и систем с непосредственным кипением фреона (DX).

Гидравлические системы благодаря большому объему холодоносителя (воды или раствора гликоля) и его большей по сравнению с воздухом теплоемкости отличаются высокой инерционностью. С одной стороны, это обеспечивает системе некоторое время автономии за счет собственного ресурса, с другой – обусловливает длительность цикла восстановления (выхода на расчетные параметры работы) системы в случае ее перегрева.

Для обеспечения требуемого времени автономной работы внутреннего объема системы в большинстве случаев недостаточно. Чтобы его увеличить, обычно на подающей линии устанавливают буферные емкости (баки-аккумуляторы). Это цистерны, через которые в рабочем режиме циркулирует охлажденный холодоноситель. Они обеспечивают аварийную автономность, но при этом повышают инерционность системы вследствие увеличения объема. В случае остановки холодильного контура система начинает расходовать запас охлажденной воды, постепенно заменяя его нагретой. В общей практике объем баков подбирается на то же время автономии, которое могут обеспечить источники бесперебойного питания. То есть, если максимальное время автономии ваших ИБП составляет 15 мин, нет смысла устанавливать баки на 1 ч, все равно через 15 мин ваша серверная отключится и охлаждение ей уже не потребуется.

Важная особенность системы заключается в том, что циркуляционным насосам, осуществляющим доставку холода до потребителя, необходимо обеспечить непрерывное питание. Для этого они должны быть подключены к системе бесперебойного электроснабжения, а это ведет к увеличению ее номинала и соответственно к увеличению объема батарейного массива.

Также рекомендуется подключать к ИБП контроллеры и вентиляторы холодильных машин (чиллеров). Это дает следующие преимущества:

Почему же тогда не подключить к ИБП весь чиллер целиком? Ответ прост: компрессоры. Основной нагрузкой в холодильной машине являются компрессоры, которые в большинстве случаев работают по принципу «вкл – выкл». Такие устройства имеют высокие пусковые токи, и поэтому либо вам потребуется существенно увеличить мощность ИБП, либо система рискует «упасть» на байпас в самый неподходящий момент.

Данные системы не имеют инерционности. Их собственный объем пренебрежимо мал, а при отключении компрессора, который отвечает за циркуляцию в контуре, теплопередача останавливается практически мгновенно.

Именно поэтому фреоновые системы для обеспечения непрерывного охлаждения приходится подключать к ИБП целиком, причем с учетом наружного и внутреннего блоков. На чем здесь можно сэкономить и почему? 

Во-первых, электродные увлажнители кондиционеров рекомендуется подключать к «грязному» питанию. Потребляют они много, но не являются критически важными системами. Во-вторых, в большинстве современных фреоновых кондиционеров применяются компрессоры с инверторным управлением. Это значит, что запуск и разгон компрессора происходят плавно, без импульсного перенапряжения.

Да, в случае непрерывного охлаждения фреоновыми кондиционерами вам придется увеличить мощность ИБП примерно на 40%. Но вам решать, что для вас критичнее.

Ориентировочный требуемый номинал ИБП или резерва мощности на существующих источниках для обеспечения автономной работы системы фреонового кондиционирования приведен в табл. 1. Мощность указана без учета пароувлажнителей как некритических потребителей, подключенных к системе общего электроснабжения.

Посмотрим, как быстро перегреется помещение в случае отказа системы кондиционирования. Предположим, у нас есть помещение площадью 10 х 7 м и высотой 3,2 м, в котором установлено 20 стоек с ИТ-нагрузкой 6 кВт на стойку (суммарно 120 кВт). Теплопритоками от стен, освещения и щитового оборудования пренебрежем. В помещении поддерживается температура +22℃, максимальная температура подаваемого на серверы воздуха +32℃. 

Вспомним формулу количества теплоты: Q = c х m х Dt, где

с – удельная теплоемкость [кДж/кг ℃],

m – масса [кг],

Dt – изменение температуры [℃].

В нашем случае удельная теплоемкость воздуха с = 1,005 кДж/кг ℃, его масса в рассматриваемом помещении m = 7 х 10 х 3,2 х 1,21 = 271,04 кг, Dt = 10℃. Перемножив, получим, что для нагрева воздуха в нашем помещении на 10℃ потребуется 2 723,95 кДж энергии.

Поскольку 1 кВт = 1 кДж/с, наша комната с тепловыделением 120 кВт перегреется за 2 723,95/120 = 22,7 с.

Конечно, мы не вводили поправки на неидеальность условий и нестационарность процесса, однако, как видно из примера, речь идет не о минутах, а о секундах.

Сделаем расширенный расчет. Посмотрим, за какое время нагреется с 22 до 40℃ воздух в помещении в зависимости от его площади (высоту для простоты примем равной 3 м) и суммарного тепловыделения (табл. 2).

Формально этот вопрос оставляется на усмотрение конечного пользователя. В зависимости от того, как построена система электроснабжения, насколько качественно поставляется электроэнергия и т.д., каждый сам решает для себя, насколько критична или некритична потеря сервисов серверной и пр.

Однако мы предпочитаем максимально защищать оборудование от потенциальных аварий и перебоев, поэтому наше мнение – непрерывное охлаждение должно обеспечиваться, даже если вы не претендуете на топологию Tier IV.

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