№ 6 (55) 2010

Холодный расчет, или

О том, что ЦОД являются весьма «прожорливыми» потребителями электроэнергии, сказано немало. На квадратный метр серверного помещения может запросто приходиться до десятка киловатт электрической нагрузки. При этом, как известно, основная часть электроэнергии в ЦОД расходуется на питание ИТ-оборудования и системы охлаждения, которая переносит тепло от работающих серверов (СХД, коммутаторов) за пределы здания, где это тепло и рассеивается.

Несмотря на то что все мировые производители активного оборудования уже возвели в ранг принципа развитие энергосберегающих технологий, проблема охлаждения и питания в ЦОД не становится менее актуальной. Однако существенно уменьшить общее электропотребление дата-центра можно и за счет получения холода из внешней среды. Действительно, ведь если нормальная температура охлаждающего воздушного потока, подаваемого на серверы, составляет 22-25⁰С, то теоретически чуть ли не три четверти года можно охлаждать ЦОД воздухом с улицы. Однако получить готовый холод из внешней среды (либо из бросового тепла, выбрасываемого производственным циклом) хоть и относительно несложно, но все же процесс сопряжен с некоторыми нюансами, которые стоит рассмотреть более детально.

«Фрикулинг» — использование холода внешней среды

Наиболее простой способ заключается в подаче внешнего холода в помещение серверной при помощи естественного теплоносителя, в роли которого выступает воздух. Для этого достаточно вспомнить, что климат Украины — умеренно-континентальный (исключая разве что ЮБК). Это говорит о том, что большую часть года температура наружного воздуха значительно ниже +25⁰С (согласно TIA-942, это максимальный рекомендуемый показатель для подачи на воздухозаборники ИТ-оборудования). Поэтому логично для охлаждения ИТ-оборудования использовать внешний воздух. Применение такого охлажденного воздуха и подача (либо подмес) его в серверное помещение получили название «фрикулинг» (англ. free-cooling — свободное охлаждение). В настоящее время технические решения по фрикулингу можно условно разделить на три группы: прямой, полный и непрямой.

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

К несомненным достоинствам подобного метода можно отнести низкую стоимость реализации и простоту конструкции, поскольку часто вся схема представляет собой сборку из вентиляторов, фильтров, клапанов, заслонок с электроприводом и воздуховодов. Энергопотребление вентиляторов в таком случае будет на порядок ниже по сравнению с традиционными компрессорными фреоновыми кондиционерами.

Вместе с тем прямой фрикулинг имеет и ряд существенных недостатков. Так, например, отсутствует возможность поддержания определенного уровня влажности в помещении. Дабы зимой не выпадал конденсат из-за большой  разницы температур и достижения точки росы, воздух подогревают калорифером, установленным в приточном воздуховоде. Однако калорифер — это весьма энергозатратный элемент, резко снижающий выгоды от использования фрикулинга (особенно если это мобильный ЦОД). С увлажнением задача сложнее, поскольку данный процесс требует постоянной подачи очищенной воды (что в принципе не реализуемо для тех же мобильных ЦОД).

Второй недостаток породил еще больше дискуссий — сам принцип прямого свободного охлаждения наружным воздухом подразумевает отсутствие промежуточного теплоносителя (будь то гликолевая смесь или фреон). Именно поэтому возникает проблема накопления мелкодисперсной пыли, проникающей в чистое серверное помещение извне. Также 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.

Дальнейшим развитием рассматриваемого метода стал принцип свободного охлаждения, в основе которого лежит использование роторного рекуператора в качестве теплообменника для двух незамкнутых контуров воздуховодов. Роторный рекуператор представляет собой промежуточный вентилятор весьма крупных размеров, который разделяет два контура воздуховодов — внешний и внутренний. Рекуператор выполняет функцию теплообменника «воздух/воздух» и выступает в роли передатчика тепла между внешним и внутренним контурами. В данном случае отсутствует прямая подача воздуха с улицы (точнее, отсутствует в штатном режиме, однако она может осуществляться в аварийном режиме при отказе всей системы), при этом сохраняются все достоинства прямого фрикулинга. В странах СНГ известна система FFC (full free-cooling system), которая продвигается на рынке компанией «Аякс». За рубежом очень активно предлагается система Киото-кулинга, названная по имени компании-производителя (Kyoto cooling), в которой заложен тот же принцип охлаждения (рис. 1).

Отличие заключается в особенностях резервирования системы. Если в случае FFC дублирование осуществляется на уровне отдельных элементов, то в Киото-кулинге резервировать надо всю систему целиком. Принцип охлаждения серверной комнаты основывается на эффекте «затопления» холодным воздухом всего помещения благодаря избыточному давлению, искусственно создаваемому приточной вентиляцией.

При скорости воздушного потока в два-три метра в секунду теплопритоки ИТ-оборудования сдуваются мощной струей. Этот фактор вкупе с положительным дисбалансом давления в серверном помещении позволяет равномерно обеспечить холодным воздухом все ИТ-оборудование. К несомненным преимуществам можно отнести энергоэффективность (благодаря отсутствию компрессоров), что дает возможность сэкономить не только электроэнергию, но и номинальную мощность ДГУ. Немаловажным достоинством является высокая экологичность — в серверной отсутствуют трубопроводы с токсичными теплоносителями, такими как фреон или этиленгликоль. Простота реализации и высокая ремонтопригодность позволяют использовать компоненты и детали (основу составляют воздуховоды и вентиляторы), которые можно приобрести у многих поставщиков. Еще одно достоинство заключается в отсутствии необходимости формирования в ЦОД «холодных» и «горячих» коридоров.

Однако использование такого решения имеет и свои нюансы. Первоначально системы, работающие по принципу роторного рекуператора, разрабатывались как вариант модернизации существующих серверных залов. Поэтому предполагалось, что вся громоздкая вентиляционная установка будет находиться снаружи здания, подавая холодный воздух в помещение вычислительного центра. Следовательно, перед установкой стоит предусмотреть значительно большие площади вне основного помещения дата-центра, чем при использовании традиционных систем кондиционирования. В противном случае придется прятать внешние узлы системы внутри легковозводимой воздухопроницаемой конструкции (рис. 2).

Шкафы при такой системе также потребуют модернизации (либо же надо использовать конструкции, изготовленные по спецзаказу). Подача воздуха должна осуществляться снизу, прямо под шкафом, а выброс сверху — по специальным воздуховодам за фальшпотолок.

Серьезным недостатком подобной схемы является то, что установка на базе роторного рекуператора не сможет эффективно охлаждать серверное помещение при наружных температурах выше +22⁰С. Все равно потребуется чиллер (холодильная машина), что значительно удорожает решение и усложняет обслуживание.

Однако, как показывает опыт внедрений, окупаемость капитальных затрат, при использовании системы на базе полного фрикулинга при мощности ЦОД в 1 МВт происходит быстрее на 1,5-2 года по сравнению с обычной фреоновой системой охлаждения.

Чтобы использовать преимущество получения бесплатного наружного холода и полностью нивелировать подачу внешнего воздуха в серверную, потребуется либо использовать фрикулинг лишь для внешних блоков холодильного оборудования, либо применять «непрямой» фрикулинг.

Первую схему используют в чиллерах наружной установки воздушного охлаждения. В холодное время года холодильная машина не будет использовать компрессоры для отведения тепла, а лишь выполнять функцию теплообменника между теплоносителем и внешней средой. Обратная сторона медали в данном случае заключается в том, что холодопроизводительность чиллера в режиме фрикулинга ниже, чем в штатном режиме. Это нужно учитывать изначально уже при проектировании системы охлаждения, закладывая в проект более мощные и, соответственно, более дорогие чиллеры.

В случае «непрямого» фрикулинга используется система модернизированного воздушного кондиционирования, и воздух извне вообще не поступает в серверную. Само название метода отражает лишь соблюдение принципа свободного охлаждения воздухом, поступающим из внешней среды. Соответственно, при снижении температуры наружного воздуха энергозатраты на охлаждение пропорционально снижаются.

Другая конструктивная реализация подобной концепции — это двухконтурные кондиционеры. Фреоновый контур обеспечивает функционирование кондиционера в теплое время. Как только температура на улице будет приближаться к нулю (каждый производитель имеет свои представления о моменте включения режима фрикулинга), кондиционер переключится на гликолевый контур (который соединяет испарительный блок с сухой градирней), при этом компрессор не используется.

Использование энергии тригенерации

Говоря об энергоснабжении ЦОД, обычно подразумевают подвод внешних линий электропитания. А что если ЦОД находится далеко от населенных пунктов и внешних сетей, но близко к промышленным объектам? Почему бы не найти возможность получить электроэнергию в непосредственной близости, особенно если рядом находятся промышленные предприятия по переработке биологического сырья? В этом случае можно использовать вариант с когенерационной биогазовой установкой.

В общем случае когенерационная установка представляет собой технологию дальнейшего повышения коэффициента полезного действия тепловых электростанций. Основная идея когенерации заключается во вторичном использовании тепла, которое осталось после выработки электроэнергии внутри электростанции, при этом КПД сгорания топлива может увеличиться на 40% (до 90%) по сравнению с традиционными газопоршневыми электростанциями. В качестве топлива могут использоваться как традиционные углеводороды, так и   биотопливо (биогаз), получаемое в результате переработки биологического сырья.

Например, финская компания Alholmens Kraft Ab воплотила в жизнь проект, позволяющий получать 550 МВт тепловой энергии и 240 МВт электроэнергии, используя процесс сжигания древесины и торфа. Сырье, сжигаемое на этой станции, собрано без ущерба для окружающей среды. В качестве древесины используется старый вырубленный лес. Станция способна сжигать 1000 куб. м биотоплива в час. Диаметр котла, в котором происходит сжигание топлива, составляет 8,5 метра в основании и 24 метра в верхней части при общей высоте 40 метров. Следует отметить, что такая энергетическая установка при полном отсутствии внешних сетей электроснабжения все-таки недостаточна для нужд ЦОД. Ведь для обеспечения отказоустойчивости потребуется два независимых энерговвода, а строить две отдельных установки экономически нецелесообразно. Однако при отсутствии резервного энерговвода (что часто бывает за городом) такая энергоустановка сможет повысить надежность электроснабжения ЦОД, ведь стоимость ее установки может быть сопоставима с прокладкой дополнительной внешней высоковольтной линии.

Если пойти еще дальше, то для нужд охлаждения ЦОД можно использовать вырабатываемое им же тепло, превращая его… в холод. Для этого используются специальные абсорбционные чиллеры, в которых циркуляция хладагента (чаще всего дистиллированной воды) происходит за счет растворения (абсорбции) хладагента в жидкости-абсорбенте, в роли которого чаще всего выступает раствор бромистого лития. Цикл абсорбционного охлаждения использует эффект поглощения тепла хладагентом при его переходе из парообразного состояния в жидкое. При этом сам процесс называется уже тригенерацией и подразумевает получение не только электроэнергии, но и тепла и холода (рис. 3).

В процессе работы абсорбционного чиллера происходит следующее. В генераторе под действием внешнего источника тепла (газовая горелка, пар или горячая вода) из разбавленного раствора бромида лития выделяются пары хладагента (воды) (данный процесс называется десорбция), которые затем переносятся в конденсатор. Освобождаемый из раствора водяной пар поступает в конденсатор, где он переходит в жидкое состояние, отдавая тепло воде, проходящей через теплообменник, соединенный с внешней градирней.

После конденсации жидкий хладагент поступает в трубки испарителя, где, испаряясь, отбирает тепло у охлаждаемой воды. Водяной пар поглощается в абсорбере концентрированным раствором бромида лития, который поступает из генератора и разбавляется. Разбавленный раствор бромида лития затем перекачивается насосом обратно в генератор, и цикл повторяется снова. Для увеличения коэффициента полезного действия может применяться двухконтурная схема работы, при которой генератор разделен на две части: высокого и низкого давления.

Абсорбционные чиллеры не используют компрессоры, соответственно, являются экономичными с точки зрения поддержания климата. Например, чиллер Sanyo при холодопроизводительности в 1 МВт потребляет электрическую мощность в 15 кВт.

Однако абсорбционные установки имеют и существенные недостатки, в частности, большие габариты (рис. 4), значительный срок поставки и высокую стоимость. Что касается экономической целесообразности, то можно говорить об окупаемости в течение 3-5 лет при холодопроизводительности абсорбционного чиллера от 1 МВт.

Решения на все времена?

Использование фрикулинга достаточно рациональное решение для ЦОД, особенно если дело касается большой мощности. Экономия на энергозатратах существенная, и разница в цене между решениями с фрикулингом и без него довольно быстро нивелируется в процессе эксплуатации, особенно для нашего климата. В то же время инсталляция таких решений требует большей компетенции как при проектировании, так и при вводе в эксплуатацию. Отдельно стоит провести оценку экономической эффективности для каждого конкретного случая и срока окупаемости решения, особенно если система кондиционирования будет внедряться поэтапно.

Не следует забывать, что чем больше суммарная мощность кондиционирования, тем ощутимее будет и экономический эффект. Что касается тригенерации, то данная технология уникальна в своем роде, однако с ростом энергоэффективности растет и цена решения, срок поставки и внедрения. Использование подобных решений будет обоснованным при мощностях ЦОД более 1 МВт и высоком коэффициенте использования ИТ-оборудования. Именно поэтому проекты, в которых используются абсорбционные чиллеры, пока еще редкость.

Константин КОВАЛЕНКО,

главный инженер проектов,

отдел инженерных

систем департамента

инфраструктурных решений

АО «Ситроникс Информационные

Технологии Украина»

kkovalenko@sitronics.com

№ 6 (декабрь) 2010