Холодный расчет, или
как не тратить на охлаждении ЦОД

ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха, с 2004 году два раза повышало рекомендуемую температуру воздуха для охлаждения серверных с +22 ⁰C до +27 ⁰C градусов. В 2011 году были внесены поправки в стандарт, стратифицирующие два новых класса оборудования для серверных A3 и A4, где температурный диапазон был увеличен до +40 ⁰C и +45 ⁰C градусов. Производители серверов уже выпускают такие модели. Тем не менее, необходимость охлаждения воздуха в серверных ещё очень долго будет оставаться актуальной задачей.

«Кондиционирование воздуха» (лат. condicio - требование)

Это создание и поддержание в закрытых помещениях состояния воздушной среды с рекомендуемыми значениями температуры и влажности. В помещении для офисов рекомендуемый диапазон находится в пределах 20 - 22 °С в зимний период и 22 - 26 °С в летний период. Скорость воздуха в рабочей зоне рекомендуется в пределах 0,13 – 0,25 м/с. При меньшей скорости становится душно, при большей скорости возникает сквозняк. Оптимальная комфортная для человека относительная влажность воздуха находится в пределах 30 – 60 % (СНиП 2,04,05-91* «Отопление, вентиляция и кондиционирование»).

Центры обработки данных функционируют круглосуточно и предъявляют более высокие требования к точности поддержания температуры. Поэтому для кондиционеров в серверных помещениях ЦОД характерно использование больших объёмов воздуха для достижения более высокой точности охлаждения, по сравнению с бытовыми кондиционерами. Скорость воздуха в рабочей зоне доходит до одного метра в секунду. Поскольку в серверном помещении центра обработки данных не предполагается постоянное присутствие людей, требования к скорости воздуха, уровню шума и градиентам температуры для них намного мягче, чем для помещений, где присутствуют люди.

«Прецизионный» (англ, precision - точный)

Функционирование прецизионного кондиционера состоит в точном поддержании устанавливаемых параметрах среды — воздуха или воды. Кратность воздухообмена прецизионных систем на испарителе в три раза превышает воздухообмен бытовых систем кондиционирования. Нужно отметить, что сопоставимая холодопроизводительность бытовых систем достигается за счет увеличения разности температуры, а именно, за счет занижения исходящей температуры воздуха из испарителя.

В настоящее время технические решения по кондиционированию воздуха можно условно разделить на три группы: фреоновая компрессорная холодильная установка, фрикулинг - непрямой (косвенный) и фрикулинг - прямой.

«Фреоновая компрессорная холодильная установка»

Для работы фреоновой компрессорной холодильной установки в зимний период времени необходимо создать рабочие условия для системы. Первым способом снижения рабочего диапазона до –20 °C является использование плавного вращения вентилятора наружного воздуха — вентилятора конденсатора. Второй способ, наиболее распространенный в России, заключается в использовании комплекта перепускных клапанов KVR и KVD для работы фреоновой холодильной установки при температуре –20…–45 °С.

«Фрикулинг» (англ. free-cooling — свободное охлаждение)

Наиболее простой способ заключается в подаче внешнего холода в помещение серверной при помощи естественного теплоносителя, в роли которого выступает воздух.

На улице (+13°C и выше)   На улице (от +13°C...-20°C)   На улице (-21°C и ниже)

«Фрикулинг - косвенный»

Косвенный фрикулинг - это процесс с использованием холода окружающей среды, при котором наружный воздух не поступает напрямую в помещение серверной, а передача холода осуществляется через специальные теплообменные аппараты. В данном случае теплообменный аппарат охладителя воздуха отводит тепло от промежуточного теплоносителя (гликолевая смесь или фреон) на улицу (окружающую среду).

Установка косвенного фрикулинга - В составе вентиляции используются: вентиляторы внутреннего контура, система фильтрации внутреннего контура, испаритель на внутреннем контуре, пластинчатый теплообменник «гликоль – вода», вентиляторы внешнего контура, система фильтрации внешнего контура, насос теплоносителя (гликоль), насос теплоносителя (вода) и байпас теплообменника на внешнем контуре.

Косвенный фрикулинг менее эффективен, нежели прямой.

Когда температура наружного воздуха опускается ниже +15 °C, перепускные клапаны косвенного фрикулинга переключают путь охлажденной жидкости от пластинчатого теплообменника с улицы на второй воздушный теплообменник испарителя воздухоохладителя (воздухоохладитель).

«Фрикулинг - прямой»

Прямой фрикулинг - это процесс с использованием холода окружающей среды, при котором наружный холодный воздух поступает напрямую в помещение серверной.

Установка прямого фрикулинга - В составе вентиляции используются: вентилятор внутреннего контура, вентилятор внешнего контура, вентилятор вытяжной внутреннего контура, система фильтрации внутреннего контура, дифференциальные датчики давления, которые позволяют контролировать загрязнения внутреннего и внешнего фильтров, рециркуляционные клапаны воздуховода с электроприводом, электрический нагреватель, система фильтрации внешнего контура, изолированные воздуховоды и распределительные решетки.

Схема прямого фрикулинга реализуется по принципу приточно-вытяжной установки, которая может быть как отдельной подсистемой, так и встроенной в существующую схему кондиционирования, и применяется для небольших серверных и мобильных ЦОД. По сути, воздух забирается из внешней среды, фильтруется и подается в серверное помещение.

Регулировка прямого фрикулинга осуществляется работой двух прямо-пропорциональных клапанов воздуховода. Прямо-пропорциональные клапаны воздуховода установлены с плавной регулировкой электропривода, которые позволяют задавать любое положение для смешения теплого воздуха в помещении серверной и холодного приточного уличного воздуха.

Для экономии в ряде случаев, удается обойтись без системы вытяжной вентиляции. Тогда выход воздуха из технического помещения будет осуществлен через переточные решетки в коридор или соседние помещения. Можно удалять воздух через решетку в стене.

- В жаркий период, когда температура воздуха на улице поднимается выше +15°С работает фреоновая холодильная установка (кондиционер).

- Когда температура наружного воздуха на улице опускается ниже +15 °С, то фреоновая холодильная установка выключается, открывается заслонка с улицы на воздуховоде и охлаждение серверной осуществляется наружным воздухом, который нагнетается вентилятором испарителя (тем же вентилятором, который работал во время работы фреоновой холодильной установки).

- В сильные морозы, когда температура наружного воздуха на улице понижается ниже -25 °С, то включается электрический нагреватель (калорифер) с плавным регулированием мощности, который подогревает поступающий воздух до необходимой температуры, этот воздух затем смешивается с внутренним воздухом помещения серверной для поддержания заданной температуры.

«Фильтры очистки воздуха»

К функциям агрегата, поставляющего свежий наружный воздух в помещение, непременно относится его предварительная очистка от пыли, поэтому любая приточная установка содержит в своем составе секцию фильтрации.

Воздушные фильтры в составе установок систем кондиционирования и вентиляции предназначены для уменьшения содержания пыли в воздухе, подаваемом в обслуживаемое помещение серверной.

По эффективности действия (фильтрующей способности) воздушные фильтры подразделяются на классы очистки:

(класс очистки EU по классификации DIN 24185 – Германия)
(класс очистки G по классификации ГОСТ 51251-99 – Россия)

Грубая очистка (улавливают частицы размером более 10 мкм).
Предварительная очистка воздуха в системах кондиционирования и вентиляции.
G1 – G2 – G3 – G4
EU1 – EU2 – EU3 – EU4 - (60 – 70 – 80 – 90 – Степень очистки в % )

Тонкая очистка (диаметр улавливаемых частиц более 1 мкм).
Фильтры тонкой очистки воздуха в системах кондиционирования и вентиляции.
G5 – G6 – G7 – G8 – G9
EU5 – EU6 – EU7 – EU8 – EU9 - (65 – 75 – 85 – 95 – Степень очистки в % )

Высокоэффективная очистка НЕРА – фильтры.

Сверхвысокая очистка ULPA – фильтры.

Воздух входящий с улицы предварительно фильтруется на фильтре класса G-3 и доочищается фильтром класса G-5 .

Для подачи холодного воздуха с улицы служит тот же вентилятор испарителя, что и при фреоновом компрессорном охлаждении. Кондиционеры этого типа разрабатывались на базе прецизионных кондиционеров, в них применяются вентиляторы с большой производительностью. Изменение скорости вращения электронно-коммутируемых вентиляторов, работающих от переменного напряжения 380 В, в диапазоне от 30 до 100 % позволяет реализовать логику управления энергосберегающего кондиционера, при которой отдается предпочтение режиму фрикулинга с минимально возможным для текущих условий расходом воздуха.

Если же в помещении серверной установлена система газового пожаротушения, то в этом случае необходимо установить и вытяжную вентиляцию. Нужно, кроме того, согласовать автоматику системы газового пожаротушения с электронным контроллером системы «Термокор». Когда срабатывают датчики газового пожаротушения, то должен отключатся кондиционер (если он в этот момент работает) и одновременно отключаются системы вентиляции (приточной и вытяжной). Одновременно воздуховоды блокируются клапанами с быстродействующими электроприводами. Когда пожар потушен, открываются клапана как приточной, так и вытяжной систем вентиляции и запускается вытяжной вентилятор. В вытяжной системе вентиляции обязательно нужно использовать специальные вентиляторы, которые рассчитанные на удаление дыма, сажи и иных продуктов горения.

Употребление слова «промышленный» связано с тем, что компоненты, применяемые при изготовлении данных систем, являются промышленными, а не бытовыми. Промышленные компоненты изначально имеют продолжительный рабочий ресурс эксплуатации, для каждого из них имеются заменяемые и ремонтопригодные части.

Плюсы и минусы кондиционера марки «Термокор»

У кондиционера марки «Термокор» есть свои плюсы:

1 - Прецизионный кондиционер «Термокор» - является полностью российским производством (все кроме компрессора и автоматики холодильной установки).

2 - Нормальная температура охлаждающего воздушного потока, подаваемого на серверы, составляет 22 - 25 0С. Теоретически три четверти года (9 месяцев) можно охлаждать ЦОД холодным воздухом с улицы.

3 – Необходимость работы фреонового холодильного компрессора составляет только одну треть года (3 месяца).

4 - В холодный сезон фрикулинг - прямой помогает свести к минимуму расходы электроэнергии и связанные с этим затраты. Тарифы на электроэнергию постоянно растут. Это заставляет организации искать энергосберегающие системы, чтобы сократить эту статью расходов. Энергопотребление вентиляторов в таком случае будет на порядок ниже по сравнению с традиционными фреоновыми компрессорными кондиционерами.

5 - Среди достоинств прямого естественного охлаждения стоит выделить эффективность по снижению износа основного компрессорного оборудования и увеличение срока его службы. Компрессор работает вечно - один на весь срок эксплуатации холодильной установки (около 15 – 20 лет). 6 - Также отметим, что полностью отсутствует необходимость в использовании дополнительного комплекта перепускных клапанов KVR и KVD для работы фреоновой холодильной установки в зимний период года при температуре окружающего воздуха –20…–45 °С.

7 - С помощью электронного процессора имеем возможность мониторинга температуры воздуха в помещении и на улице, влажности в помещении, аварий и графика работы оборудования. Для этого существуют устройства контроля и регулирования с помощью электронного процессора. Переключение с фрикулинга - прямого на фреоновую холодильную установку в связи с сезонными изменениями температуры наружного воздуха происходит автоматически.

8 - Возможность мониторинга и дистанционного управления параметрами процесса охлаждения помещения серверной через Ethernet – удаленно.

9 - Для монтажа прямого фрикулинга в помещении серверной необходимо только наличие окна - арендаторам помещения не нужно ломать стену.

10 - Вентилятор кондиционера монтируется отдельно от холодильного шкафа, что является положительным моментом при его замене в помещении серверной. Широко известные фирмы Stulz, Liebert и Hiref выпускают стойки с расположением вентилятора испарителя воздухоохладителя под фальшполом и над фальшполом. Это позволяет оптимизировать расположение элементов кондиционера и расширить теплообменный аппарат. При таком расположении вентилятора, несмотря на то, что производительность теплообменника будет расти, потери напора на теплообменнике значительно уменьшатся ввиду уменьшения скорости прохождения воздуха между ламелями.

11 - Обслуживание прямого фрикулинга сводится только к замене воздушных фильтров.

12 - При использовании прямого фрикулинга в зимний период года может возникнуть ситуация, когда необходимо будет нагреть холодный воздух. Для подачи подогретого воздуха в серверную приточный воздух нагревают до 10 °C, для чего необходимо затратить электроэнергию на нагреватель тэна. Тэн нагрева холодного воздуха автоматически регулируется по мощности нагрева от 0 – 100 %.

13 - Техническую поддержку и консультацию по обслуживанию или ремонту можно получить у производителя оборудования находящегося в России.

14 - Охлаждая серверное помещение непосредственно холодным уличным воздухом, мы его не пересушиваем. Во всяком случае не более, чем при использовании кондиционера с фреоновым холодильным компрессором.

У кондиционера марки «Термокор» есть свои минусы:

1 - Самой большой проблемой прямого фрикулинга является общая загрязненность воздуха в городах. Может случится так, что количество расходуемых фильтров и необходимая мощность вентиляторов для их продува может свести на нет всю экономию по электроэнергии. При использовании прямого фрикулинга надо сразу закладывать в статью расходов затраты на покупку и замену воздушных фильтров.

2 - Существует мнение (хотя оно и спорное), что прямая подача воздуха с улицы в серверное помещение способствует проникновению продуктов горения (в случае пожара), смога, активных окислителей, содержащихся в выбросах промышленных предприятий, и др. И якобы эти элементы, которые потенциально могут содержаться в уличном воздухе, со временем способны вывести из строя ИТ-оборудование.

3 - Система имеет недостаток: необходимость монтажа громоздких воздуховодов для подачи свежего воздуха и наличие больших отверстий в стенах для установки наружных решеток.

4 - Калорифер — это весьма энергозатратный элемент, резко снижающий выгоды от использования прямого фрикулинга (особенно если это мобильный ЦОД). Однако, хотелось бы заметить, что работа прямого фрикулинга осуществляется с постепенным увеличением мощности нагрева в соответствии с усилением морозов, когда температура воздуха падает ниже -25 ⁰С, что также приводит к более рациональному потреблению электроэнергии.

5 - Прямой фрикулинг — это повышенные вложения на первоначальное оснащение серверного помещения, необходимо предусмотреть затраты на увлажнитель воздуха для восполнения потери влаги при большом объеме вытяжки.