В современных центрах обработки данных (ЦОД) системы охлаждения играют ключевую роль в обеспечении бесперебойной работы оборудования. Без эффективного отвода тепла серверное оборудование может выйти из строя или значительно снизить свою производительность.
Чтобы лучше понять, что такое ЦОД, как они работают и для чего используются, а также как выбрать подходящий дата-центр, можно ознакомиться с соответствующей информацией на нашем сайте.
КЛЮЧЕВЫЕ ЗАДАЧИ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ
Откуда вообще берётся тепло и сколько его в ЦОД? При работе электронных компонентов почти вся электрическая мощность, потреблённая оборудованием, в конечном итоге преобразуется в тепло. Если мы говорим про компьютеры и сферу IT, то 75-85% энергии рассеивается в виде тепла на различных микросхемах процессоров, платах памяти, элементах управления печатных плат.
Ещё одним источником тепла в ЦОД является система бесперебойного питания. Часть энергии при трансформации, заряде и разряде батареи рассеивается в виде тепла. В среднем это 5-10% от общего потребления.
Для стабильной работы рекомендуемые параметры воздуха:
· Температура 18-27°C.
· Относительная влажность 40-60%.
· Отсутствие пыли и частиц РМ 2.5.
В качестве принудительного охлаждения, чаще всего, применяются системы прецизионного кондиционирования прямого испарения, а также охлаждение холодильными машинами в различном исполнении. В любом варианте, основная задача системы охлаждения - отводить тепло от нагретых элементов в окружающую среду.
СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ: УСТРОЙСТВО И КОМПОНЕНТЫ
1. Теплообменник охлаждения он же испаритель (внутренний блок)
Это устройство, устанавливаемое внутри помещения. Оно включает в себя теплообменник (алюминиевые или медные трубки с рёбрами охлаждения), внутри которого циркулирует энергоноситель, вентилятор, набор клапанов и исполнительных механизмов. Внутренний блок охлаждает воздух, продувая его через теплообменник с помощью вентилятора. При этом энергоноситель поглощает тепло из воздуха. На теплообменнике может конденсироваться влага, которая отводится через дренаж.
2. Теплоноситель или энергоноситель
Это хладагент (например, фреон R-410A) или жидкость (вода, антифриз), которые переносят тепло между компонентами системы. В холодильных системах фреон испаряется в теплообменнике охлаждения, поглощая тепло, а затем конденсируется в наружном блоке, отдавая тепло наружу. В жидкостных системах (например, водяные системы) теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре, перенося тепло от внутренних блоков к внешнему источнику охлаждения.
3. Уличный теплообменник (наружный блок)
Устанавливается вне охлаждаемого помещения. Включает в себя конденсатор (теплообменник) и вентилятор. Здесь хладагент, нагнетаемый компрессором, конденсируется, отдавая тепло окружающей среде. Вентилятор усиливает теплоотвод, а конденсатор обеспечивает эффективный теплообмен между хладагентом и наружным воздухом. Наружный теплообменник, который работает в системах на жидкостном энергоносителе, может быть в составе чиллера или градирни.
4. Трубы для переноса теплоносителя
Герметичные трубопроводы, соединяющие внутренний и наружный блоки, обеспечивают циркуляцию теплоносителя и перенос тепла. В холодильных фреоновых системах используются медные трубы с изоляцией. В жидкостных системах трубы могут быть из пластика или металла, в зависимости от типа теплоносителя. Они должны быть герметичными и выдерживать давление циркуляции.
5. Компрессор для кондиционеров или насосная станция (гидравлический модуль) для жидкостной системы
Компрессор: В прецизионных кондиционерах устанавливается во внутреннем блоке. Он сжимает хладагент, повышая его давление и температуру, что позволяет ему конденсироваться (совершать фазовый переход) в наружном теплообменнике. В холодильных машинах (чиллерах) фреоновый контур с компрессором размещается на раме уличного агрегата и охлаждает энергоноситель.
Насосная станция, гидравлический модуль (в жидкостных системах): Перекачивает теплоноситель (воду или антифриз) по трубам, обеспечивая циркуляцию. Гидравлические модули проектируются в зависимости от расхода и от применяемого типа энергоносителя.
6. Элементы управления
Включают пульты управления, сенсорные панели, датчики температуры и влажности, а также блок управления (контроллер) и другие элементы. Они регулируют работу компрессора, вентиляторов, насосов и других исполнительных устройств, поддерживая заданные параметры микроклимата. Например, на основе датчика, измеряющего температуру воздуха, контроллер управляет компрессором, задавая необходимую производительность или отключая его.
7. Принцип работы кондиционера
- Компрессия: Компрессор (4) сжимает газообразный фреон, повышая его температуру и давление.
- Конденсация (наружный блок): В конденсаторе (1) фреон охлаждается наружным воздухом, конденсируясь в жидкость, а тепло отводится на улицу.
- Расширение: Жидкий хладагент проходит через устройство расширения (2), снижая давление и готовясь к новому циклу испарения.
- Испарение (внутренний блок): фреон испаряется в испарителе (3), поглощая тепло из воздуха, охлаждая его. И отправляется на новый круг в компрессор.
ОТЛИЧИЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ОТ БЫТОВЫХ КОНДИЦИОНЕРОВ
1. Надёжность и непрерывность работы
Прецизионные системы:
- Проектируются для бесперебойной работы 24/7, срок службы от 10 лет.
- Используют групповую работу и резервирование систем (рабочий/резервный).
- Компоненты (компрессоры, насосы) рассчитаны на длительную нагрузку и частые циклы включения/выключения.
- Обеспечивают контроль и поддержание целевых параметров влажности и температуры.
- Обеспечивают необходимый для ИТ-оборудования расход воздуха.
- Обладают возможностью регулировать температуру кипения хладагента.
- Совместимы с дополнительным опциональным оборудованием: карты интерфейсов, встроенные увлажнители, датчики протечки, электронагреватели и другие.
Бытовые кондиционеры:
- Не предназначены для круглогодичной работы.
- Не используют резервирование.
- В режиме охлаждения всегда осушают воздух, так как спроектированы для работы в помещениях с присутствием людей.
- Срок службы 3-5 лет.
- Дополнительное оборудование ограничено.
2. Требования к условиям эксплуатации
Прецизионные системы:
- Охлаждение на уровне ряда, формирование холодный-горячий коридор и помещения.
- Гарантированная работа при температурах наружного воздуха от -40 до +40 С.
- Устойчивость к высокой плотности тепловыделения (в дата-центрах до 10–20 кВт/стойку).
Бытовые кондиционеры:
- Охлаждение на уровне помещения.
- Гарантированная работа в режиме охлаждения от -5С до 35 С.
- Проектируются для сезонной работы, при расчётной тепловой нагрузке до 200 Вт/м².
3. Компоненты и технология охлаждения
Прецизионные системы:
- Разнообразие технологий фрикулинга (прямой, фреоновый, при помощи градирни).
- Расположение теплообменников близко к источникам тепла.
- Высокопроизводительные вентиляторы с регулируемой скоростью.
- Приоритет производительности над комфортом.
Бытовые кондиционеры:
- Не используются технологии фрикулинга.
- Приоритет низкому уровню шума от оборудования над производительностью.
- Теплообменники удалены от источников тепла.
- Используются вентиляторы с ограниченными настройками и напорными характеристиками.
4. Управление и автоматизация
Прецизионные системы:
- Встроенные инструменты для интеграции в системы мониторинга.
- Автоматическое регулирование температуры и влажности с высокой точностью (до ±0.5°C).
- Возможность подключения выносных датчиков.
- Встроенные алгоритмы для групповой работы.
Бытовые кондиционеры:
- Ручное управление через пульт или простые сенсоры.
- Ограниченная автоматизация.
5. Энергоэффективность
Прецизионные системы:
- Оптимизированы для минимизации энергопотребления (использование фрикулинга, регулировка скорости компрессоров и вентиляторов).
- Высокий Power Usage Effectiveness (PUE) — показатель эффективности. Формула расчёта: PUE = общее энергопотребление ЦОД/расход систем ИТ. Чем ближе результат к 1, тем лучше. В современных ЦОД этот показатель приближается к 1.4.
Бытовые кондиционеры:
- Энергоэффективность ниже. Из-за применения компрессоров и вентиляторов без плавного управления скоростью, отсутствие фрикулинга, упрощённой автоматики.
- Потребление энергии не оптимизировано для непрерывной работы.
6. Масштаб и модульность
Прецизионные системы:
- Модульные конструкции для расширения. Возможность добавления систем охлаждения при увеличении тепловой мощности объекта.
- Проектируются для средних и больших площадей машинных залов.
Бытовые кондиционеры:
- Стационарные решения для небольших помещений.
- Не имеют модульной структуры.
7. Защита от внешних факторов
Прецизионные системы:
- Защита от пыли с разным классом фильтрации, возможность работы во взрывоопасной среде.
- Антивибрационные системы для предотвращения повреждения оборудования.
- Специальные конструктивные решения.
- Возможность модульной замены вышедших из строя элементов.
Бытовые кондиционеры:
- Простые фильтры для улавливания крупных частиц.
- Не учитывают влажность и пыль в обрабатываемом воздухе.
- При выходе из строя одного элемента, требуется ремонт всего устройства.
8. Итог
Прецизионные системы охлаждения предназначены для критичных объектов (дата-центры, серверные, лаборатории), где важна непрерывность, точность регулирования и устойчивость к высоким нагрузкам. Бытовые кондиционеры — для комфортного охлаждения/обогрева жилых и нежилых помещений, где требования к надёжности и точности ниже.
В таблице собраны основные отличия систем прецизионного и комфортного кондиционирования:
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ ЦОД
Системы охлаждения ЦОД делятся на 2 основных типа, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения.
1. Фреоновые системы прецизионного кондиционирования
Достоинства
Несомненным достоинством фреоновой системы является высокая степень заводской готовности. Кондиционеры изготавливаются серийно и по отработанному проекту.
Модульность, как элементов в составе кондиционера, так и модульность групповой работы в случае необходимости расширения.
Стоимость кВт/холода ниже относительно жидкостной системы при совокупной мощности объекта до 500-700 кВт.
Доступна опция фреонового фрикулинга. Для неё необходим специальный модуль, который устанавливается на месте зимнего комплекта.
Система мониторинга. В современных кондиционерах решён вопрос интеграции в систему мониторинга в различных вариантах от релейных выходов, до шлюзов SNMP Ethernet и Modbus RTU.
Ограничения
Проектные ограничения. Работа системы кондиционирования зависит от расстояния между наружными и внутренними блоками. В среднем, системы рассчитаны для работы на эквивалентную длину трассы до 60 метров.
Требования к персоналу. Надёжность работы фреоновой системы кондиционирования на 70% зависит от качества монтажных и пусконаладочных работ.
Ограниченность в мощности. Холодильная мощность единой системы прецизионного кондиционирования в среднем имеет ограничение в 200 кВт. Прецизионные системы кондиционирования могут производиться с одним или двумя контурами.
Краткий список отличий фреоновых систем приведён в таблице:
Если вы хотите получить консультацию специалиста, посетите страницу системы кондиционирования для ЦОД. А для ознакомления с доступными моделями прецизионных кондиционеров вы можете перейти в наш каталог кондиционеров.
2. Холодильные машины (чиллерная система)
Достоинства
Производительность - главное достоинство чиллерной системы охлаждения. Водяные системы могут иметь производительность по холоду больше 1 МВт на один гидравлический контур.
Отсутствие ограничений по длине трассы. Длинна трубопроводов ограничена лишь мощностью насосной станции и теоретически безгранична. Это позволяет устанавливать наружные блоки в местах наиболее удобных для обслуживания и подвода коммуникаций.
Фрикулинг - система охлаждения теплоносителя уличным воздухом. Позволяет экономить электричество, особенно в зимний период.
Ограничения
Цена системы на жидкостном охлаждении больше за счёт необходимости резервирования оборудования. Требуются сложные проекты, большое количество монтажных и пусконаладочных работ.
Кастомизация. Каждый проект с жидкостным охлаждением уникален. Чиллеры изготавливаются под конкретный проект, автоматика настраивается конкретно под данный чиллер. Сборка отдельных узлов в общую систему - сложный процесс. Часто возникает сложность внедрения системы мониторинга верхнего уровня.
Текучесть теплоносителя. Все антифризы имеют большую текучесть. Любая маленькая щель или плохо герметизированная резьба приводит к утечкам энергоносителя. Это достаточно серьёзная проблема в долгосрочной перспективе.
Система трубопроводов. Для того чтобы доставить большой объём холода нужны большие диаметры сварных труб. Они занимают много места, требуют постоянного обслуживания и контроля. Требуется сложная система резервирования и разводки до внутренних блоков.
Краткий список отличий чиллерных систем приведён ниже:
3. Итог
- Фреоновые системы подходят для малых и средних ЦОДов, где важна скорость внедрения и низкая начальная стоимость.
- Чиллерные системы рекомендованы для больших ЦОДов, где требуется высокая холодильная мощность.
- Бытовые системы комфортного кондиционирования предназначены только для регулирования температуры в помещениях с постоянным присутствием людей.
НОВЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
1. Элемент Пельтье
Технология, основанная на возникновении разности температур при протекании электрического тока - эффекте Пельтье. Проблема в очень маленьком КПД, малой эффективности охлаждения и в необходимости отводить тепло с горячей части элемента.
2. Масляные (иммерсионные) ванны
Новая тенденция в сфере охлаждения, для погружения в охлаждающую жидкость активного оборудования. Технология основана на изоляционных свойствах чистого масла. Главным достоинством является отведение большего количества тепла, на единицу площади, непосредственно в месте его возникновения.
При этом необходимо подготавливать активное оборудование, выделять дополнительные пространства для обслуживания серверов, которые извлекаются из масла. Для замены или проведения технического обслуживания.
3. Итог
Системы охлаждения ЦОД — это сложные инженерные решения, обеспечивающие надёжность и эффективность работы серверов. Выбор типа системы (фреоновая/чиллерная/гибридная) зависит от масштаба, бюджета, местоположения и требований к энергоэффективности (PUE). Современные технологии позволяют минимизировать теплопотери, организовать необходимый микроклимат и улучшить энергоэффективность всего ЦОД, но требуют значительных инвестиций и специализированных знаний.