Холодильная машина для ЦОД: критерии выбора и расчет мощности

Центры обработки данных (ЦОД) характеризуются экстремально высокой плотностью тепловыделения, достигающей 15-20 кВт на одну аппаратную серверную стойку. Правильно подобранная холодильная машина в ЦОД – это залог отказоустойчивого функционирования IT-инфраструктуры и стабильной работы высоконагруженных вычислительных кластеров. В отличие от стандартных бытовых систем кондиционирования (где коэффициент тепловой энергии SHR равен 0.6-0.7), промышленные серверные агрегаты проектируются для непрерывного отвода тепловых потоков (SHR близок к 1.0) в круглосуточном режиме 24/7/365. Ошибка в теплотехническом расчёте или неправильном выборе схемы гидравлического резервирования неминуемо приведёт к термическому перегреву процессоров и каскадной аварийной остановке критически важных серверов.

Отличия ЦОД-чиллеров от промышленных аналогов

Чиллеры для обычных промышленных процессов часто проектируют под переменные технологические нагрузки и допустимые колебания температуры. В дата-центре подход иной – тепловыделение предсказуемо, но требования к отказоустойчивости выше. Из-за этого холодильная машина в ЦОД должна иметь устойчивую автоматику, корректную работу в режиме частичной нагрузки и возможность интеграции в модульную схему охлаждения.

Круглогодичная работа: требования к диапазону температур

Дата-центр не имеет сезонного режима отключения холода. Это означает, что холодильная машина должна стабильно работать и летом при высокой температуре наружного воздуха, и зимой при отрицательных температурах. Для систем воздушного охлаждения это особенно важно, поскольку наружные блоки и конденсаторы работают в широком климатическом диапазоне.

При выборе техники учитывают:

  • расчётную наружную температуру для летнего режима;

  • минимальную зимнюю температуру эксплуатации;

  • устойчивость автоматики в переходных режимах;

  • наличие защиты от замерзания гидравлического контура;

  • возможность ступенчатого или плавного регулирования производительности.

Для ЦОД это не дополнительная опция, а базовое требование. Если холодильная машина не рассчитана на круглогодичную работу, устойчивость всей инженерной системы снижается.

Freecooling: экономия в холодное время года

В дата-центрах Freecooling позволяет уменьшить нагрузку на компрессорный контур за счёт использования холодного наружного воздуха или промежуточного контура с теплообменником. На практике это снижает потребление электроэнергии в холодный период и уменьшает наработку компрессоров.

С инженерной точки зрения Freecooling даёт три эффекта:

  • снижает эксплуатационные затраты;

  • повышает ресурс холодильных машин;

  • уменьшает зависимость объекта от полного компрессорного охлаждения.

Часто для охлаждения ЦОД используют двухконтурную схему, где сначала вода предварительно охлаждается в градирне, а затем доохлаждается через теплообменник и чиллер. По сути, это и есть пример гибридного подхода к снижению энергозатрат в холодный период

Как рассчитать холодопроизводительность для серверной

Расчёт показателей холодопроизводительности для серверной нельзя сводить к площади помещения. Основной источник тепла здесь – ИТ-оборудование. Поэтому холодильная машина в ЦОД выбирается по суммарной тепловой нагрузке от стоек, источников бесперебойного питания, распределительных шкафов, освещения и притока наружного воздуха.

На первом этапе учитывают:

  • суммарную ИТ-мощность в кВт;

  • тепловыделение ИБП и электрощитов;

  • долю скрытых и явных теплопритоков;

  • режим работы серверной по загрузке;

  • резерв на дальнейшее расширение.

Именно такой подход позволяет не завысить стоимость системы и при этом не выйти на дефицит холода через год после запуска.

Методика ASHRAE и поправочные коэффициенты

При инженерном расчёте серверных обычно ориентируются на рекомендации ASHRAE для допустимых диапазонов температуры и влажности в помещениях с ИТ-нагрузкой. На практике это означает, что охлаждение считают не только по пиковому теплу, но и по реальным режимам эксплуатации оборудования, циркуляции воздуха и допустимому запасу. Требования ASHRAE используются как отраслевой стандарт для выбора режимов подачи и возврата охлаждающей среды, а также для увязки холодильной машины с внутренней системой кондиционирования серверной. Это особенно важно в ЦОД, где даже небольшие изменения температуры могут сказываться на ресурсе оборудования.

Учет будущего расширения IT-мощностей

Если дата-центр строится поэтапно, холодоснабжение должно масштабироваться без полной замены оборудования. Поэтому в расчёт часто закладывают запас, но не избыточный, а связанный с прогнозируемым ростом ИТ-нагрузки.

Обычно применяют такие принципы:

  • модульное наращивание холодопроизводительности;

  • резерв по гидравлическому контуру;

  • возможность подключения дополнительных чиллеров;

  • разделение по независимым веткам охлаждения.

Такой подход особенно логичен для арендных и модульных решений, где оборудование можно добавлять по мере ввода новых стоек.

Резервирование холодильных машин в ЦОД

Для серверной холодильная машина в ЦОД не должна быть единственной точкой отказа. Поэтому систему проектируют с резервированием – как минимум по оборудованию, а часто и по гидравлическим веткам, электропитанию и автоматике. Стоимость такой схемы выше, но без неё невозможно обеспечить требуемый уровень отказоустойчивости.

Схемы N+1, 2N и их влияние на стоимость

Наиболее распространены две схемы. N+1 означает, что к расчётному количеству холодильных машин добавляется один резервный модуль. При отказе любого рабочего блока система сохраняет требуемую производительность. Схема 2N предполагает фактически дублирование всей холодопроизводительности и применяется на объектах с максимальными требованиями к надёжности.

Разница между ними сводится к следующему:

  • N+1 снижает риск отказа при умеренном росте бюджета;

  • 2N обеспечивает более высокий запас устойчивости;

  • при 2N возрастают капитальные затраты на оборудование, насосы и автоматику;

  • выбор схемы зависит от категории ЦОД и допустимого риска простоя.

Для дата-центра это важный вопрос, который имеет существенное влияние на финансовую модель проекта. Чем выше уровень резервирования, тем дороже система, но тем ниже вероятность аварийной остановки оборудования для охлаждения.

Дата публикации статьи: 22.04.2021