Основные подходы к проектированию систем охлаждения и воздушного распределения

Проектирование систем охлаждения включает четыре базовых блока, от которых зависит конфигурация всего инженерного комплекса ЦОД:

• Охлаждающая среда — воздух или жидкость (вода/гликоль);
• Метод отвода тепла — сухие охладители, градирни, экономайзеры;
• Схема подачи воздуха — фальшпол, верхняя разводка, плenum, подача «через пространство»;
• Управление потоками — смешанная подача, балансировка, полное/частичное контаймент-ограждение.

Каждое из решений влияет на эффективность, капиталовложения, эксплуатационные расходы, надёжность и возможность масштабирования.

Воздух остаётся наиболее распространённой средой благодаря простоте применения и большому количеству готовых решений.

Основные особенности:

• широкая линейка типоразмеров (5–75 кВт на блок);
• возможность интеграции увлажнения/осушения;
• высокая вариативность схем распределения воздуха;
• чувствительность к заблокированному подполью, кабельным лоткам и препятствиям.

Ограничения:

• сложность равномерного распределения воздуха при высокой плотности IT (> 10–15 кВт/стойку);
• необходимость CFD-проверки для избежания «горячих пятен»;
• риск избыточного увлажнения при неправильной настройке.

Жидкость обладает теплоёмкостью в ~3000 раз выше воздуха и позволяет добиться высокой плотности размещения.

Применяемые варианты:

• водяные контуры к стойке — распределение холода по подводящим коллекторам;
• охлаждающие двери — отвод тепла непосредственно за стойкой;
• охлаждение компонентов сервера (Direct-to-Chip) — холодные пластины;
• иммерсионное охлаждение — полное погружение серверов в диэлектрическую жидкость.

Плюсы:

• компактность, минимизация воздушных потоков;
• предсказуемость режимов;
• возможность плотности 50–100+ кВт/стойку.

Минусы:

• необходимость резервирования контуров;
• ограничения по протечкам и контролю качества воды/гликоля;
• неизбежная малая доля воздушного охлаждения (корпусы, электроника, ИБП).

Используются там, где наружная температура воздуха позволяет экономайзерный режим. Характерны для климатов РФ.

Плюсы:

• минимальные эксплуатационные расходы;
• простота, низкие риски.

Минусы:

• необходимость учёта «влажно-сухой» разницы температур;
• мощность ограничена летними температурами (особенно в южных регионах РФ).

Используют испарение воды — наиболее эффективный способ отвода тепла.

Особенности:

• компактность;
• необходимость объёмов подпиточной воды и резервных ёмкостей;
• риски легионелл — требуются строгие регламенты обработки воды.

• Воздушные (air-side) — подача наружного воздуха при достаточном «окне» температур.
• Жидкостные (water-side) — использование сухих охладителей или градирен до входа чиллера.

Преимущества:

• значительное снижение PUE;
• экономия электроэнергии в межсезонье (в РФ — до 70–80% времени года).

Ограничения:

• требования к фильтрации наружного воздуха;
• обеспечение устойчивости автоматики в «пограничных» режимах;
• контроль влажности и защиты от переувлажнения.

Классический подход в большинстве ЦОД РФ.

Плюсы:

• низкое давление подачи;
• гибкая компоновка плит;
• возможность зонирования потоков.

Риски:

• блокировка подполья кабелями и трубопроводами;
• переменный зазор между плитами и стойками;
• необходимость CFD-расчётов при плотности > 5 кВт/м².

Подача воздуха сверху позволяет разгрузить фальшпол.

Особенности:

• крупные сечения воздуховодов;
• высокая нагрузка на вентиляторы (до 2,5 м/с скорости);
• повышенный шум и требования к координации с электрикой и пожаротушением.

Редко используется из-за риска перемешивания горячего и холодного потоков, но при хорошем управлении может дать высокую эффективность.

Наиболее простая, но самая неэффективная схема.

Минусы:

• невозможность работы с высокой плотностью;
• горячие зоны при росте нагрузки.

Подача воздуха в стойку в объёме, соответствующем её требованию.

Плюсы:

• снижение «горячих пятен»;
• высокая эффективность при правильной настройке.

Подразделяется на:

• cold aisle containment — изолируется холодный коридор;
• hot aisle containment — изолируется горячий коридор.

Основные плюсы:

• рост эффективности охлаждения;
• увеличение пропускной способности CRAC/CRAH;
• снижение риска локальных перегревов.

Особенности для РФ:

• требуется согласование с пожарной системой;
• не допускаются решения, препятствующие открытию путей эвакуации.

Перспективные направления:

• охлаждение задней стенки сервера (backplate heat sink);
• интегрированные тепловые трубки;
• сочетание иммерсионных ванн с воздушными системами помещения;
• стойки с рекуперацией тепла и выводом его за пределы здания.