Общие принципы локального охлаждения

Раздел посвящён переходу от традиционного «комнатного» охлаждения (room cooling) к локальному отводу тепла — на уровне стоек и серверов. Рост тепловой плотности вычислительного оборудования делает необходимым приближение теплообменных устройств к источнику тепла. Это повышает эффективность системы и снижает энергопотребление.

Основы

ЦОД — специализированное здание или помещение для размещения серверов, систем хранения данных и телекоммуникационного оборудования. Всё выделяемое ими тепло должно быть отведено и рассеяно во внешнюю среду.

Система охлаждения ЦОДа включает два контура:

внутренний контур — процессы охлаждения внутри машинного зала;
внешний контур — оборудование для рассеивания тепла (чиллеры, сухие охладители, градирни).

Задача системы — транспорт тепла от источников внутри зала к среде с более низкой температурой. Чаще всего применяется двухконтурная схема: воздушный контур в помещении и водяной или гликолевый контур во внешней части.

Охлаждение машинного зала

Традиционное охлаждение зала основано на циркуляции воздуха между кондиционерами прецизионного типа (CRAH/CRAC) и оборудованием. Тёплый воздух из серверов поступает в верхнюю часть помещения, охлаждается в теплообменниках и подаётся к входам стоек через фальшпол или воздуховоды.

Типовая организация потоков:

тёплый воздух от серверов возвращается в зону кондиционеров;
охлаждение выполняется за счёт водяного или фреонового теплообменника;
холодный воздух подаётся в «холодные» ряды, где находится фронт стоек.

Такая схема известна как организация «холодных» и «тёплых» коридоров. Тепло, собранное внутри зала, передаётся в систему водяного охлаждения и далее рассеивается в окружающую среду.

Передача тепла

Большая часть тепла формируется внутри серверных стоек. Оборудование охлаждается потоком воздуха, создаваемым встроенными вентиляторами: воздух забирается спереди и выходит сзади. Такое направление формирует чередование холодных и горячих зон.

При увеличении плотности тепловых нагрузок традиционные системы становятся малоэффективны:

температура под фальшполом распределяется неравномерно;
растут потери давления и энергопотребление вентиляторов;
возрастают требования к мощности чиллеров.

Преимущества и ограничения традиционного охлаждения

Преимущества:

простота устройства и эксплуатации;
возможность регулировки мощности охлаждения за счёт распределения воздушных потоков.

Ограничения:

неравномерное распределение температуры по высоте стоек;
ограниченная эффективность при высокой тепловой плотности;
увеличение энергопотребления при необходимости снижения температуры воздуха.

Причины перехода к локальному охлаждению

При мощностях выше 10–15 кВт на стойку становится нецелесообразно использовать только общий воздушный контур. Возникает необходимость приблизить теплообмен к источнику тепла — сначала к уровню стойки, затем к уровню серверных компонентов.

$$ Q_{общ} = Q_{зала} + Q_{стойки} + Q_{сервера} $$

где: - $ Q_{зала} $ — тепло, отводимое системой кондиционирования машинного зала; - $ Q_{стойки} $ — тепло, снимаемое через задние теплообменные двери или замкнутые шкафы; - $ Q_{сервера} $ — тепло, передаваемое через жидкостные пластины или иммерсионные ванны.

Переход к локальному отводу тепла позволяет:

сократить длину теплового пути и повысить эффективность охлаждения;
уменьшить расход воздуха и энергопотребление вентиляторов;
точнее балансировать тепловую нагрузку между зонами;
применять утилизацию тёплой воды и свободное охлаждение.