Содержание

Модульные подходы в проектировании

Модульные подходы в проектировании

Контекст и цели

Модульный подход формирует архитектуру ЦОД как набор стандартизированных блоков («модулей») ИТ-пространства, питания и охлаждения, которые можно поэтапно вводить, перестраивать и выводить из эксплуатации без остановки сервиса. Цель — обеспечить:

согласование темпов ввода мощностей с реальным спросом;
высокую энергоэффективность при неполной загрузке;
управляемую надёжность и ремонтопригодность;
сокращение сроков проектирования/ввода (design-to-commission).

* Модульность — это не только контейнеры. Это принцип построения white space, power blocks и cooling blocks с унифицированными интерфейсами (электро, гидравлика, автоматика).

Классы модульных решений

Контейнерные (prefab/plug-and-play)

Заводская готовность, быстрый монтаж, предсказуемое качество.
Типовые кейсы: быстрый прирост мощности, периферийные площадки, временные кластеры для пиковых нагрузок.

Индустриализированные (гибридные)

Традиционное здание + модульные MEP-skid (UPS/БЩП, чиллерные модули, насосные группы, CDU).
Баланс капитальности и гибкости; поэтапное наращивание без остановки ИТ.

Традиционные сооружения с модульной разбивкой

Здание спроектировано под «очереди» строительства: зал-1 → зал-2 → зал-3.
Инфраструктура подводится по мере роста, исключается избыточная начальная мощность.

Тип решения	Время ввода	Масштабируемость	Энергоэффективность при 25–50% загрузки	Ограничения
Контейнерный	Минимальное	Высокая	Выше, за счёт включения модулей «по требованию»	Ограничения по площади/шуму/городским регламентам
Индустриализированный (гибридный)	Среднее	Очень высокая	Выше, за счёт модульных UPS/чиллеров	Требует продуманной стыковки инженерных интерфейсов
Традиционный с модульной разбивкой	Среднее	Средне-высокая	Средняя/выше (зависит от дисциплины поэтапного ввода)	Риск «застрявшей» избыточной мощности при отклонении спроса

Энергетическая логика модульности

Потери при неполной загрузке (качественно)

UPS/распределение: КПД растёт с загрузкой; крупные монолитные системы на 25–40% загрузки теряют больше.
Охлаждение: чиллеры/насосы/вентиляторы эффективнее в модульной схеме (включение меньших блоков, VSD, ступенчатая работа).
White space: секции с изоляцией горячих/холодных коридоров позволяют держать высокую уставку и выключать неиспользуемые ряды.

$$ P_{\text{инфр}}(L)\;\approx\;\sum_m P_{m}^{\text{min}}\cdot I(L\!>\!L_m)\;+\;\sum_m f_m(L)\,, $$

где $L$ — текущая доля ИТ-нагрузки, $P_{m}^{\text{min}}$ — базовая мощность включённого модуля $m$, $f_m(L)$ — переменная часть потребления. Цель модульной стратегии — минимизировать сумму базовых мощностей, держать систему в зоне высоких КПД и включать только нужные модули.

Триггер расширения мощности

$$ t_{k+1}=\min\{\,t:\; D(t)\ge S_k\cdot \alpha\,\}\,, $$

где $D(t)$ — прогноз спроса, $S_k$ — установленная мощность очереди $k$, $\alpha$ — порог расширения (напр., 0.75–0.85). Такой триггер удерживает инфраструктуру в «эффективной зоне» без рисков дефицита.

Архитектурные паттерны модульности

Power-pods (электроснабжение)

UPS-pod с собственными ББП/АКБ/распределением; независимое обслуживание, схемы N+1/2N.
Шинопроводы/busway с секционированием для гибкого переназначения линий.
Правило загрузки: стремиться к 60–80% для максимального КПД, перераспределять стоечные группы между подами.

Cooling-pods (охлаждение)

Чиллерные/адъабатические/сухие градирни модульно, с VSD и поэтапным наращиванием.
Экономайзеры (air-/water-side) как базовый режим в благоприятном климате; испарительное охлаждение — для «сухих» регионов.
CDU/TCS для жидкостного охлаждения высокоплотных ИИ-кластеров; параллельная эксплуатация с воздушным контуром.

White-space pods (ИТ-залы)

По 1–2 «крыла» с полной изоляцией горячих/холодных коридоров.
Локальные датчики (температура/влажность/ΔP), автоматика уставок на уровне ряда/зоны.
Возможность временной консервации (отключение вентиляторов/ПДУ в пустых рядах).

* Критичные ошибки: ранний «перевыпуск» мощности, отсутствие секционирования, общий крупный UPS/чиллер без модулей, жёсткие уставки по «старым» стандартам, неучтённая плотность ИИ-кластеров.

Проектирование и ввод по очередям (staged build)

План-график влияния на энергоэффективность (качественно)

ИТ-стратегия и стратегия ЦОД (ранняя стадия): максимальное влияние — выбор модульной архитектуры, целевых PUE/COP, классов ASHRAE, границ влажности.
Подбор ИТ-оборудования, охлаждение, электрика: выбор VSD, экономайзеров, схем резервирования.
Внедрение/пусконаладка/комиссионирование: правило «меряй и настраивай» — верификация под нагрузкой очередей 25/50/75/100%.
Эксплуатация: поддержание модульного режима, регулярный ребаланс.

Check-list ввода очереди

Подтверждённый прогноз и триггер расширения $\alpha$.
Баланс мощностей ИТ:инфраструктура ≈ требуемый для целевого PUE.
VSD на вентиляторах/насосах; кривые КПД UPS при планируемых загрузках.
Наличие изоляции коридоров, готовность к повышенным уставкам (по ASHRAE 2015/2025).
Тесты экономайзеров и сценарии отказа (fail-over между модулями).
Схемы N+1/N+N/2N описаны на уровне подов, а не одного «общего» блока.

Экономика и риски

Аспект	Модульный подход	Монолитный подход
CAPEX	Поэтапный, «плати по мере роста»	Высокий upfront, риск избыточности
OPEX при неполной загрузке	Ниже (модули в зоне лучшего КПД)	Выше (базовые потери крупной системы)
Надёжность/ремонт	Секционирование, локальная изоляция отказов	Общие точки отказа
Скорость расширения	Высокая (готовые модули/под-подключение)	Средняя/низкая
Инженерная сложность	Требует продуманной стыковки интерфейсов и автоматики	Ниже, но менее гибко

Управление режимами (операционный уровень)

Воздух/вентиляция

Полная изоляция коридоров; таргетирование ΔT по верхним уставкам ASHRAE.
Оптимизация расхода по законам подобия вентиляторов:

$$P_{\text{fan}}\propto Q^3,\qquad P_{\text{pump}}\propto \dot V^3$$

Практика: снижение расхода на 10% даёт экономию мощности вентиляторов/насосов порядка 25–30%.

Охлаждение

Set-point strategy: целевая уставка подачи ≥ 24–27 °C (при соблюдении классов ASHRAE), приоритет free-cooling.
Экономайзеры: air-side — для умеренного/холодного климата; water-side — там, где доступна низкотемпературная вода.
Жидкостное охлаждение для высоких плотностей: CDU/rach-CDU, горячая петля > 30–45 °C для утилизации тепла.

Электропитание

Держать загрузку модульных UPS в зоне макс. КПД (обычно 60–80%).
Гибкий роуминг линий питания между подами; использование шинопровода вместо кабельных магистралей.

* Наибольшая часть выигрышей достигается на этапе стратегии и дизайна; в эксплуатации важно дисциплинированно отключать лишние модули и поднимать уставки, опираясь на мониторинг.

Карта выбора охлаждения по климату (ориентир)

Климат/ресурсы	Режим по умолчанию	Добавки/акценты
Холодный/умеренный	Air-side economizer + изоляция коридоров	Увлажнение по расширенным конвертам ASHRAE; контроль ESD
Сухой жаркий	Испарительное/адъабатическое + water-side	Повышенные уставки подачи; усиленный контроль воды
Влажный жаркий	Water-side economizer + чиллеры с VSD	Осушение, агрессивная изоляция коридоров
Высокая плотность (ИИ)	Жидкостные контуры (CDU/TCS)	Тёплые петли для утилизации тепла; резерв по мощности

Ключевые метрики и контроль

PUE по модулям и общий PUE.
КПД UPS на фактической загрузке каждого пода.
COP/кВт/тонна для каждого холодильного модуля; доля работы в free-cooling.
Уставки/диапазоны ASHRAE (температура/влажность) и доля времени в «зелёной зоне».
Плотность стоек и доля высокоплотных кластеров с жидкостным охлаждением.
Степень задействования мощностей (installed vs. utilized) по каждому поду.

Ключевые идеи

* Модульность — стратегический принцип: проектируй под-уровень для ИТ, питания и охлаждения, вводи по очередям по триггеру загрузки. * Энергоэффективность достигается снижением базовых потерь и удержанием модулей в зоне оптимального КПД (UPS/чиллеры/VSD). * Комбинируй изоляцию коридоров, экономайзеры и повышенные уставки по ASHRAE; для ИИ-кластеров — сразу закладывай жидкостные контуры. * Монолит оправдан только при гарантированной высокой загрузке и предсказуемом росте; во всех прочих сценариях выигрывает модульный/гибридный подход. * Дисциплина измерений (PUE по подам, COP, загрузка UPS, время в free-cooling) — основа устойчивой экономии OPEX.