Системы охлаждения и их влияние на эффективность ЦОД

Охлаждение определяет значительную часть энергопотребления ЦОД и напрямую влияет на эксплуатационную эффективность, надёжность ИТ-оборудования и показатель PUE. Энергия, потребляемая серверами, полностью преобразуется в тепло, которое должно быть удалено через системы кондиционирования и теплопередачи.

Энергопотоки охлаждения

Основные элементы системы формирования и удаления тепла:

* контур ИТ-нагрузки (полное тепловыделение в помещение); * кондиционеры зальных помещений (ACU); * чиллерный контур (чиллер, насосы, градирня); * вспомогательные нагрузки (освещение, PDU, вентиляторы).

Полная мощность, которую требуется отвести:

$$ P_{RF} = P_{IT} + P_{ACU} + P_{PDU} + P_{Light} $$

где: - $P_{IT}$ — тепловыделение ИТ-оборудования; - $P_{ACU}$ — вентиляторы, увлажнение ACU; - $P_{PDU}$ — потери распределения; - $P_{Light}$ — освещение.

Состав системы охлаждения

Узел	Основная функция	Источник энергопотребления
Кондиционеры зала (ACU)	Забор тёплого воздуха, подача охлаждённого воздуха в плenum, управление влажностью	$P_{ACU}$ — вентиляторы, увлажнение
Помпа AC → чиллер	Транспорт холодоносителя	$P_{AC}$
Чиллер	Отбор тепла из воды, компрессионный цикл	$P_{Chiller}$
Помпа чиллер → градирня	Отвод тепла на конденсатор	$P_{CT}$
Градирня	Охлаждение воды воздухообменом/испарением	$P_{Tower}$

Контур охлаждения состоит из нескольких термически связанных петель: воздушный цикл в зале, водяной цикл кондиционеров, холодильный цикл чиллера и цикл градирни (для водяного охлаждения).

Работа кондиционеров (ACU)

ACU принимают тёплый воздух (обычно сверху), охлаждают его и подают в подпольный или подпотолочный пленум. Охлаждённый воздух проходит через перфорированные плиты в холодные коридоры и возвращается в серверные стойки.

Передний фронт (front-to-back) обеспечивает однозначный воздушный поток через стойку.
Оптимальная схема — hot aisle / cold aisle с чередованием направлений подачи и возврата.
Основная доля тепловой нагрузки концентрируется в hotspot-зонах ввиду локальных нарушений воздушного распределения.

Чиллерная установка

Чиллер содержит два теплообменника:

Испаритель — принимает тепло от охлаждённой воды, подаётся в ACU.
Конденсатор — отдаёт тепло в контур градирни или в сухие охладители.

Работа чиллера включает:

компрессионный цикл (основное энергопотребление);
охлаждение конденсатора водой градирни;
перекачку воды насосами здания.

Градирня

Градирня снижает температуру воды за счёт:

продувки наружным воздухом;
испарительного теплообмена (в условиях РФ эффективность выше в летний период при умеренной влажности).

Низкая эффективность градирни напрямую повышает потребление чиллера и увеличивает температуру подачи в ACU, что приводит к росту энергозатрат на всём контуре.

Термодинамика и перенос тепла

Тепло удаляется через последовательность узлов:

серверная стойка → горячий коридор → ACU;
ACU → охлаждённый воздух → холодный коридор;
ACU → холодная вода → чиллер;
чиллер → горячая вода → градирня;
градирня → окружающая среда.

$$ Q_{IT} \rightarrow Q_{ACU} \rightarrow Q_{Chiller} \rightarrow Q_{Tower} $$

Связь петель означает, что неэффективность любого участка (воздушная утечка, недостаточный расход воды, засорение теплообменника) увеличивает энергопотребление всего охлаждающего контура.

Влияние на энергоэффективность

Факторы, определяющие итоговое энергопотребление:

корректность схемы горячих и холодных коридоров;
равномерность температур на входе в стойки (IH);
расход воздуха через ACU и стойки;
температура подачи воды из чиллера;
эффективность градирни и насосов;
уставки влажности и рециркуляции.

Большинство потерь в системах охлаждения возникает из-за смешивания потоков, неравномерности температур и избыточного воздухообмена, который вынуждает ACU работать с повышенной мощностью.

Ключевые идеи

Система охлаждения — последовательное звено нескольких физических контуров: воздушного, водяного и холодильного.
Повышение эффективности возможно при оптимизации любого участка — от распределения воздуха до улучшения теплообмена в чиллере.
ACU являются наиболее чувствительным элементом, реагирующим на нарушения потоков и температурную неоднородность.
Потери в насосах, компрессорах и градирне определяют до 40–60 % энергопотребления охлаждения.
В РФ потенциал экономии высок благодаря возможности использования свободного охлаждения и снижению уставок чиллера в холодный период.
Главная задача — обеспечить минимальное смешивание потоков и стабильный температурный режим на входе в стойки.

Узел	Основная функция	Источник энергопотребления
Кондиционеры зала (ACU)	Забор тёплого воздуха, подача охлаждённого воздуха в плenum, управление влажностью	\(P_{ACU}\) — вентиляторы, увлажнение
Помпа AC → чиллер	Транспорт холодоносителя	\(P_{AC}\)
Чиллер	Отбор тепла из воды, компрессионный цикл	\(P_{Chiller}\)
Помпа чиллер → градирня	Отвод тепла на конденсатор	\(P_{CT}\)
Градирня	Охлаждение воды воздухообменом/испарением	\(P_{Tower}\)