Использование наружного воздуха для охлаждения ЦОД

Использование наружного воздуха (free cooling, «свободное охлаждение») позволяет снизить энергопотребление и эксплуатационные затраты центров обработки данных за счёт естественных климатических условий. Применяется как в прямых (DASE), так и косвенных (IASE) схемах адиабатического охлаждения.

Эволюция подхода к охлаждению

С развитием вычислительной техники с 1950-х годов увеличивалась плотность тепловыделения. Если ЭВМ прошлого выделяли десятки ватт, то современные серверы достигают 500 Вт и более на один узел, что при плотности 20 кВт/стойку даёт до 4 МВт тепла в одном зале. С переходом от кондиционирования помещений к «process cooling» фокус сместился с обеспечения комфорта персонала к управлению температурой технологического оборудования.

Основные изменения стандартов ASHRAE:

2004 г. — допустимый диапазон 20–25 °C
2008 г. — расширен до 18–27 °C
2012 г. — сохранение диапазона с большей гибкостью
2015 г. — допускается более широкий диапазон при сниженной влажности

Критерии выбора системы охлаждения с использованием наружного воздуха

* Температура и перепад температур воздуха в горячем/холодном коридорах. * Критичность непрерывной работы серверов и периферийного оборудования. * Наличие достаточного запаса воды для адиабатического охлаждения. * Характеристика наружного воздуха — температура сухого и влажного термометров. * Качество воздуха, запылённость, наличие примесей. * Стоимость электроэнергии и водоснабжения.

Типы систем

Прямая схема (DASE)

Direct Air-Side Economizer

Наружный воздух подаётся напрямую в машинный зал после фильтрации и, при необходимости, адиабатического охлаждения.

Преимущества:

Минимальные потери при передаче холода.
Простая схема с высокой эффективностью.

Недостатки:

Требует высокую чистоту наружного воздуха.
Чувствительность к влажности и пыли.

Косвенная схема (IASE)

Indirect Air-Side Economizer

Наружный воздух используется для охлаждения рециркуляционного потока через теплообменник (AHX), не смешиваясь с ним.

Типы теплообменников:

Пластинчатые
Трубчатые
Термосифонные
С тепловыми трубами

Преимущества:

Отсутствие контакта с загрязнённой наружной средой.
Стабильность влажности и чистоты внутреннего воздуха.

Недостатки:

Более высокая стоимость и сопротивление потоку.

Принцип работы систем свободного охлаждения

flowchart LR classDef small font-size:18px,stroke-width:1px,padding:8px; A["Наружный воздух"]:::small -->|"Фильтрация и обработка"| B["DASE или IASE"]:::small B --> C{"Тип охлаждения"}:::small C -->|"Прямое"| D["Подача в машинный зал"]:::small C -->|"Косвенное"| E["Теплообмен через AHX"]:::small E --> F["Возврат охлаждённого воздуха"]:::small D --> G["Выход нагретого воздуха → атмосферу или DEC"]:::small F --> H["Замкнутый цикл циркуляции"]:::small

Пример климатической применимости

В климате с умеренными температурами (например, Рено, США) свободное охлаждение возможно до 100 % времени года при температуре наружного воздуха около 22 °C без использования компрессорного охлаждения. В аналогичных климатических условиях РФ (Новосибирск, Екатеринбург) эффективность режима свободного охлаждения достигает 70–90 % времени года.

Ключевые идеи

Переход от кондиционирования помещений к технологическому охлаждению.
Использование наружного воздуха позволяет существенно снизить PUE.
Прямые схемы — просты и эффективны, но требуют высокой чистоты воздуха.
Косвенные схемы обеспечивают стабильность микроклимата при меньшей энергоэффективности.
В условиях российского климата свободное охлаждение является наиболее целесообразным решением для ЦОД.