Использование наружного воздуха для охлаждения ЦОД

Использование наружного воздуха («свободное охлаждение») позволяет значительно снизить энергопотребление систем охлаждения центров обработки данных. Охлаждение осуществляется за счёт естественных климатических условий, без участия или с минимальным использованием компрессорных установок. Применяются два основных варианта — прямая и косвенная схема.

Эволюция подхода к охлаждению

По мере развития вычислительной техники увеличивалась плотность тепловыделения серверов. Если ЭВМ 1960-х годов выделяли десятки ватт, то современные серверы — до 500 Вт и более на один узел. При плотности 20 кВт/стойку это даёт до 4 МВт тепла в зале. Переход от систем кондиционирования к системам технологического охлаждения (process cooling) позволил сделать приоритетом стабильность работы оборудования, а не комфорт персонала.

Изменения в стандартах ASHRAE по температурным диапазонам эксплуатации:

2004 г. — 20–25 °C
2008 г. — 18–27 °C
2012 г. — сохранён диапазон при большей гибкости по влажности
2015 г. — введён расширенный диапазон с меньшим требованием к увлажнению

Критерии выбора системы охлаждения с использованием наружного воздуха

* Температура и перепад между горячим и холодным коридорами; * Непрерывность работы серверов и периферии; * Наличие источников воды для адиабатического охлаждения; * Температура и влажность наружного воздуха; * Качество воздуха (пыль, газы, примеси); * Стоимость электроэнергии и водоснабжения.

Типы систем

Прямая схема

Наружный воздух подаётся в машинный зал после фильтрации и при необходимости — дополнительного охлаждения через испаритель.

Принцип: приточный воздух охлаждает серверы напрямую, затем выбрасывается наружу.

Преимущества:

Простая конструкция, высокая эффективность.
Минимальные потери при передаче холода.

Ограничения:

Требуется высокая чистота наружного воздуха.
Зависимость от уровня влажности и запылённости.

Косвенная схема

Наружный воздух не попадает в зал, а охлаждает внутренний рециркуляционный поток через теплообменник (воздух–воздух).

Принцип: разделение потоков обеспечивает чистоту и стабильность параметров воздуха в машинном зале.

Типы теплообменников:

Пластинчатые;
Трубчатые;
Термосифонные;
С тепловыми трубами.

Преимущества:

Нет контакта с пылью и влагой из внешней среды.
Поддерживается постоянная влажность и температура.

Ограничения:

Более высокая стоимость.
Дополнительное аэродинамическое сопротивление.

Принцип работы систем свободного охлаждения

flowchart TB classDef big font-size:26px,stroke-width:1.5px,padding:10px; A["Наружный воздух"]:::big -->|"Фильтрация и подготовка"| B["Система охлаждения"] B --> C{"Тип схемы"}:::big C -->|"Прямая"| D["Охлаждение зала напрямую"]:::big C -->|"Косвенная"| E["Охлаждение через теплообменник"]:::big D --> F["Выброс нагретого воздуха наружу"]:::big E --> G["Возврат охлаждённого потока в рециркуляцию"]:::big

Климатическая применимость

В регионах с умеренным климатом (например, Новосибирск, Екатеринбург, Санкт-Петербург) системы свободного охлаждения могут работать без компрессоров до 70–90 % времени года. В тёплых регионах (Краснодар, Ростов-на-Дону) их использование целесообразно в межсезонье или в ночное время суток.

Ключевые идеи

Технологическое охлаждение заменило классическое кондиционирование.
Наружный воздух позволяет снизить PUE и эксплуатационные расходы.
Прямая схема эффективна, но требует чистого и умеренного климата.
Косвенная схема надёжнее в пыльных и влажных регионах.
Для России свободное охлаждение является оптимальным решением по энергоэффективности.