В конце сентября APC by Schneider Electric провела в Москве пресс-конференцию, посвященную началу поставок в Россию модульной системы охлаждения EcoBreeze. Эта система идеально подходит для стран с холодным климатом и является самым энергоэффективным решением среди всех известных на данный момент вариантов. Применение EcoBreeze для охлаждения крупных вычислительных центров, позволяет существенно снизить потребность в электроэнергии и сократить расходы на обслуживание самой системы. Что же собой представляет решение EcoBreeze и какую роль в повышении эффективности охлаждения играет технология «естественного охлаждения» или фрикулинга? Давайте попробуем в этом разобраться.Перед тем, как рассмотреть непосредственно само решение EcoBreeze, вспомним об интересных особенностях современных систем охлаждения ЦОДов. Большинство из них имеют довольно таки высокое потребление электроэнергии, т.к. большую часть времени в работе участвует компрессор.
До недавнего времени даже самые лучшие ЦОДы обладали коэффициентом энергоэффективности порядка 1.6, а худшие демонстрировали показатель, равный 3. Коэффициент PUE (Power Usage Effectiveness — отношение общей мощности, подведенной к ЦОДу, к полезной мощности, дошедшей до потребителя) равный 3 означает, что на каждый киловатт, потребляемый серверами, еще 2 киловатта бесполезно съедаются инженерными системами по причине неэффективности их работы.
Далеко не редкостью являются и такие ЦОДы, в которых вентиляторы системы кондиционирования, доставляя воздух к серверам через узкое пространство, потребляют больше электроэнергии, чем охлаждаемые ими стойки с серверами.
Еще год назад на самых эффективных технологиях, получивших промышленное распространение, получить коэффициент энергоэффективности меньше, чем 1.3 или 1.4 было просто невозможно. В настоящий момент, благодаря решению EcoBreeze, данный показатель удалось снизить до значения 1.25.
Основными инженерными системами, обеспечивающими функционирование ЦОДа и потребляющими больше всего энергии, являются система электроснабжения и система кондиционирования. Система электроснабжения за последние несколько лет полностью преобразилась и на текущий момент ее вклад в общие потери энергии минимален. В настоящее время энергобезопасность ЦОДов обеспечивают ИБП с очень низкими потерями, КПД которых составляет порядка 97—98%. Таким образом, помимо вычислительных систем, основным вкладчиком в общее энергопотребление вычислительных центров является система охлаждения. И именно преобразование данной системы позволит сократить расходы электроэнергии и повысить энергоэффективность.
Как же можно повысить эффективность системы охлаждения и при этом снизить энергопотребление? Решение оказалось простым — для охлаждения серверов дешевле всего использовать холодный воздух окружающей среды. Данная технология получила название «естественное охлаждение» или фрикулинг (free cooling), а в ее основе лежит воздушный теплообмен без перемешивания наружного и внутреннего воздуха.
Фрикулинг
При высоких наружных температурах: цикл Карно (компрессор)
При низких наружных температурах: свободный теплоперенос от более к менее нагретой среде
Существуют несколько схем реализаций фрикулинга, отраженных на иллюстрациях ниже.
Примеры реализаций фригулинга:
Фрикулинг с использованием наружного воздуха
Фрикулинг с использованием прецизионного кондиционера с двумя теплообменниками
Фрикулинг с применением теплового колеса
Система EcoBreeze сочетает в себе самые лучшие технологии фрикулинга и использует преимущества местного климата. В зависимости от ситуации система может автоматически переключаться на один из трех способов охлаждения.
Прямой воздушный теплообмен — горячий воздух от компьютерного оборудования ЦОДа прокачивается электронно-коммутируемыми вентиляторами через внутренние каналы косвенного испарительного охладителя (IEC), после первоначального охлаждения воздух от компьютерного оборудования выходит из IEC, проходит через теплообменник системы охлаждения и возвращается в центр обработки данных.
Схема прямого теплообмена
Косвенный испарительный теплообмен — тепло от поступающего из помещения ЦОДа воздуха удаляется за счет испарения воды на наружной поверхности каналов воздухо-воздушного теплообменника.
Схема испарительного теплообмена
• Тепло удаляется испаряющейся водой на наружной части канала теплообменника.
• Вода подается равномерно посредством распылительных форсунок по всей площади теплообменника.
• Поддерживает настройку количества подаваемого воздуха
При превышении окружающей температурой порога 7°C (эта величина может корректироваться в в зависимости от параметров воздуха в ЦОД) подключается дополнительное орошение, а при температуре 27°C (величина также может меняться в зависимости от параметров ЦОДа) подключается пропорциональный фреоновый контур.
Схема с пропорциональным контуром
• Компрессор с переменной мощностью позволяет достичь оптимальной эффективности фреонового охлаждения
• Дополняет испаряющее охлаждение для поддержания температуры подаваемого воздуха
• Спроектирован для 60% полной нагрузки
• Хладаген фреон R410a
Таким образом, при низких температурах система обходится и без воды, и без фреона, работая только на окружающем воздухе. Когда температуры и количества наружного воздуха не хватает для поддержания заданной температуры воздуха, подаваемого в ЦОД, подключается оросительная система. Если подключенная система с дополнительным орошением перестает обеспечивать заданный температурный режим, в действие вступает компрессорная система.
Система охлаждения EcoBreeze
Система охлаждения EcoBreeze построена по модульному принципу и состоит из блоков холодопроизводительностью до 50 кВт, которые можно объединять в группы, включающие до четырех (200 кВт) или восьми (400 кВт) модулей.
Объединение нескольких модулей в систему позволяет подобрать требуемую для каждого конкретного случая систему охлаждения и избежать лишних затрат.
Использование EcoBreeze совместно с другими энергоэффективными компонентами инженерной инфраструктуры ЦОДа позволяет достичь значений среднегодового PUE всего ЦОДа в пределах 1.25—1.3. Возможность сочетания трех способов охлаждения позволяет получить холодильный коэффициент, недостижимый для традиционных систем охлаждения. При уменьшении нагрузки на систему охлаждения, например, при построении отказоустойчивой системы уровня 2N, эффективность данного решения только увеличивается за счет того, что естественное охлаждение работает практически круглогодично без подключения компрессорной системы.
EcoBreeze имеет множество принципиальных отличий в сравнении с классическими системами кондиционирования применяемых для ЦОДов. Вся система кондиционирования выводится за пределы ЦОДа, и если раньше в системах охлаждения применялись периметрические кондиционеры, которые подавали воздух под фальшпол, или внутрирядные системы охлаждения, которые встраивались между стойками, то данное решение все равно являлось встроенным в помещение ЦОДа и занимало столь дефицитное свободное пространство. EcoBreeze спроектирована таким образом, что все ее элементы вынесены за пределы основного зала ЦОДа. Систему можно устанавливать на земле, рядом с ЦОДом или на крыше здания, непосредственно над машинным залом. Еще одна немаловажная особенность системы EcoBreeze это ее модульность и поддержка масштабируемости. В случае, если у заказчика растет нагрузка и требуется увеличить количество вырабатываемого «холода», то система позволяет добавить дополнительные охлаждающие модули, при этом в машинном зале не требуется делать какие-либо перестановки.
Схема перемещения воздушных потоков системы охлаждения EcoBreeze с фальшполом
При построении системы охлаждения с фальшполом, циркуляция воздушных потоков осуществляется следующим образом: горячий воздух, вырабатываемый серверами, ограничивается рамками «горячего» коридора Hot Aisle Containment System (HACS, кстати, технология запатентована APC by Schneider Electric), затем он поднимается к потолку и подается в возвратную систему труб EcoBreeze где охлаждается, после чего, подается обратно в ЦОД через пространство под фальшполом в «холодном» коридоре. Холодный воздух подается в холодный коридор и используется для поддержания безопасной для эксплуатации серверов температуре.
Схема перемещения воздушных потоков системы охлаждения EcoBreeze без фальшпола
Схема распределения воздушных потоков в помещении без фальшпола выглядит немного иначе: горячий воздух поступающий от серверов, ограничивается рамками «горячего» коридора, затем он поднимается к потолку и подается в возвратную систему труб EcoBreeze. После охлаждения воздух подается обратно в машинный зал с помощью распределителей, находящихся в «холодном» коридоре.
Так как система охлаждения EcoBreeze рассчитана на работу в холодном климате, то производитель видит основных клиентов в странах северной Европы и России. Несмотря на то, что отгрузки EcoBreeze назначены на ноябрь—декабрь 2011 года уже два крупных проекта находятся в процессе проектирования, один из которых будет располагаться в Санкт-Петербурге. Суровый климат Северной столицы станет хорошим испытанием на прочность и отказоустойчивость.