Циркуляция воздуха в дата-центре – переосмысление

Множество проблем, с которыми сталкиваются операторы дата-центров, связаны с циркуляцией воздуха: локальное различия давления, неэффективное распределение воздушных потоков, «горячие точки» и «холодные точки», а также многое другое. Большинство из этих проблем, если не все, вытекают из недоработок, характерных для базового проекта ЦОД.

Скорость воздуха и «горячие точки» – борьба с проблемой

В подавляющем большинстве современных ЦОД (исключая объекты, где используется жидкостное охлаждение) для передачи излишней тепловой энергии из машзала во внешнюю среду требуется применение значительного объема воздуха. Исследования показали, что на это уходит около 1.2 миллиона галлонов (4.5 миллиона литров) воздуха в минуту из расчета на один мегаватт IT-нагрузки. Во время циркуляции воздушных масс они проходят через воздухоохладители. Причем в некоторых областях серверной фермы их скорость более высокая (особенно вблизи воздухоохладителей), чем в других.

Из-за физического явления, называемого эффектом Вентури (также известен как эффект инжекции потока, предполагающий ускорение ламинарного воздушного потока во время прохождения воздушных масс через плавное сужение, которое оборачивается снижением давления в зоне сужения ), относительно высокая скорость движения воздушных масс и обилие узких воздуховодов приводят к формированию локальных перепадов давления внутри помещения с серверами. Этот эффект выступает основной причиной возникновения в машзалах ЦОД «горячих точек». Участки пространства, для которых характерно низкое давление, могут препятствовать прохождению потока воздуха через сервер. Разность давления также приводит к тому, что часть воздушных масс возвращается туда, где они уже побывали, успев там нагреться. В обоих случаях наблюдается формирование участков пространства с повышенным уровнем температуры и, как следствие, чрезмерный нагрев серверов.

Эта проблема обычно решается путем искусственного формирования избыточного давления, а также посредством жесткого разделения горячих и холодных областей посредством «горячих» / «холодных» коридоров (систем изоляции воздуховодов). Панели-заглушки, напольное покрытие с регулируемой воздухопроводностью, жесткий контроль температуры и давления в пределах всего дата-центра – вот ключевые действия, направленные на устранение описанных выше проблем. Будет ли проблема «горячих точек» в ЦОД решена полностью или нет в приемлемые сроки, сказать сложно, так как практически каждая серверная ферма уникальна, но в любом случае все это пойдет IT-инфраструктуре лишь на пользу.

Тонкости организации электроснабжения вентиляторов

Расчеты показывают, что на долю приводов вентиляторов приходится от семи до девяти процентов от общей стоимости электроэнергии, идущей на запитку дата-центра. Следовательно, приводы вентиляторов являются виновниками формирования от семи до девяти процентов излишней тепловой энергии, появляющейся при эксплуатации серверной фермы. Таким образом, из-за них на систему охлаждения ЦОД ложиться довольно существенная нагрузка. Кроме того, формируемые вентиляторами перепады давления могут привести к утечке воздуха. Чтобы нивелировать негативные последствия этих двух факторов, операторам ЦОД приходится обеспечивать более активную циркуляцию воздушных масс внутри дата-центров, чем требуется непосредственно для охлаждения серверов.

Является ли все это неизбежным следствием охлаждения с помощью воздуха? Не обязательно. Альтернативный подход к организации циркуляции воздуха в дата-центре позволяет «устранить горячие точки», сократить расходы на обеспечение вентиляторов электроэнергией и значительно снизить частоту технического обслуживания охладителей воздуха.

Переосмысление инфраструктуры и подхода к проектированию дата-цента

Альтернативный подход к организации движения воздушных потоков внутри дата-центра предполагает внедрение инфраструктуры, оптимизированной для низкой скорости вентиляции. Использование этого метода сводится к внедрению вентиляторов с относительно большой площадью поперечного сечения, эффективно перемещающих большие объемы воздуха. Использование относительно тонких, но при этом крупных охладителей оправдано в подавляющем большинстве ситуаций. Причем подобный апгрейд требует лишь незначительных корректировок конструкции серверной фермы.

Воздух будет поступать на низкой скорости из коридора между настенными воздухоохладителями и кондиционерами для машзала в эти крупные вентиляторы, а затем воздушные массы будут ускоряться и перенаправляться в серверные стойки. После того, как воздух поглотит излишнюю тепловую энергию, выделяемую компонентами серверов, он направится обратно в кондиционеры через вытяжной канал, рассоложенный на противоположной приточным вентиляторам стороне машзала. Благодаря низкой скорости движения воздушных масс данный подход позволяет устранить локальные изменения давления, делает искусственный контроль давления ненужным и снижает потребность в электроэнергии со стороны приводов вентиляторов. Следует также помнить, что крупные вентиляторы являются несложными в конструкционном плане, характеризуются минимальным износом и умеренными требованиями к техническому обслуживанию.

В отсутствие перепадов давления климат-контроль также упрощается. Вместо контроля динамически меняющихся параметров давления и температуры в машзале дата-центра, климат-контроль в условиях низкой скорости вентиляции сводится к обеспечению достаточного объема охлажденного воздуха. Сбалансировать фактический объем доступного воздуха с требуемым позволяет регулировка скорости вращения лопастей вентиляторов с обеих сторон (вытяжных и приточных).

Дополнительным преимуществом этого подхода является возможность упрощенного внедрения механизма естественного охлаждения с использованием наружного воздуха (фрикулинг). Коридор (воздуховод) между внешней стеной ЦОД и вытяжными вентиляторами выступает идеальной площадкой для предварительной обработки поступающего снаружи воздуха, смешивания его с поступающими из машзала нагретыми воздушными массами (для повышения температуры при необходимости), фильтрации и повышение влажности (опять же, если это необходимо). Температурный диапазон для естественного охлаждения может варьироваться от 12 до 25 градусов по Цельсию (с 54 до 75 градусов по Фаренгейту), позволяя операторам ЦОД добиваться существенного уменьшения затрат на охлаждение. А при использовании адаптированной к воздействиям высоких температур серверной и сетевой инфраструктуры, верхняя граница может быть отодвинута еще дальше. Даже в условиях умеренного климата этот подход позволяет довести коэффициент эффективности использования электроэнергии (Power Usage Effectiveness; PUE) до 1.07 единицы.

Определитесь, что лучше для вашего дата-центра

Сокращение потребления электроэнергии на упомянутые выше 7 процентов при переходе на крупные и медленные вентиляторы означает пропорциональное снижение задолженности перед коммунальщиками. Кроме того, в данном случае снижается нагрузка на вентиляторы в системах кондиционирования воздуха, что, в свою очередь, ведет к уменьшению затрат на их техническое обслуживание.

Причина того, что уровень инвестиций в создание дата-центра с низкой скоростью вентиляции будет ниже (по сравнению с обычным ЦОД), менее очевидна. Описанные выше массивы приточных и вытяжных вентиляторов в форме «стен», несомненно, станут причиной дополнительных расходов. Тем не менее, за счет уменьшения потребления электроэнергии вентиляторами мощность блоков распределения электропитания (PDU), источников бесперебойного питания (ИБП), дизель-генераторных установок (ДГУ) и прочего оборудования для электроснабжения ЦОД может быть уменьшена на 7 процентов, что удешевит эти элементы вспомогательной инфраструктуры и снизит затраты на их техобслуживание. Ввиду того, что вентиляторами будет генерироваться меньше тепла, холодопроизводительность кондиционеров, также может быть уменьшена.

Внедрение описанной выше конструкции на этапе проектирование новой серверной фермы приведет к экономии примерно 4 — 5 процентов от общего объема капитальных расходов (если не учитывать IT-оборудование) по сравнению с инвестициями в обычный ЦОД. Возможно, это довольно скромные цифры, но со временем снижение капитальных расходов в сочетании с экономией на эксплуатационных расходах выльется в довольно существенные различия в плане общей финансовой эффективности не в пользу обычной серверной фермы.