Российские тренды энергоэффективности ЦОДов
Александр Ежов, руководитель направления комплексных инженерных решений компании C3 Tech (входит в С3 Group)
ЦОДы переходят на новые стандарты, прежде всего, это касается увеличения нагрузки на каждую стойку. Это требует не только роста объемов подачи электрических мощностей, но и пересмотра организации микроклимата внутри ЦОДа. По статистике на кондиционирование воздуха тратится до 40% общей мощности дата-центра, и есть проверенные способы, как снизить это значение.
В каком помещении лучше разместить ЦОД
Во времена спада промышленности в нашей стране было много пустующих производственных объектов, и приспосабливать их под ЦОДы было обычной практикой. Купить старое помещение и отремонтировать его — проще и дешевле, чем строить новое. Но чем больше площадь стен и потолка у помещения, изначально не предназначенного под ЦОД, тем больше в ЦОДе “паразитных” тепло- и влагопритоков, а значит, сложнее поддерживать микроклимат.
Современные ЦОДы редко размещают в старых производственных зданиях. Но даже в специально построенных зданиях поддерживать микроклимат тем сложнее, чем больше его объем. Исходя из этого, в российской практике ЦОДостроения наблюдаются несколько трендов, которые сохранятся в ближайшие годы.
Снижение объема помещения ЦОДа. Чем меньше охлаждаемое помещение ЦОДа, тем легче свести к минимуму объемы воздуха, которые нужно охлаждать и увлажнять. В большом помещении, даже в случае изоляции холодного коридора, образуется объем горячего воздуха, требующий кондиционирования. С ростом объема помещения возрастают расходы электроэнергии на охлаждение и увлажнение, не говоря о тратах на дополнительные инженерные системы, такие как фальш-конструкции и соответствующие элементы систем пожарной безопасности.
Большие помещения делятся перегородками. ЦОДы в помещениях на тысячу стоек уходят в прошлое. Все чаще большие помещения ЦОДов делятся перегородками на более мелкие и заполняются очередями: допустим, сперва выстраивается первое изолированное помещение на 50-200 стоек, где разворачивается первая очередь ЦОДа, потом второе и так далее.
МикроЦОДы становятся все популярнее, особенно в регионах. В крупных городах вычислительные мощности можно арендовать в коммерческих дата-центрах. Это удобно, если дата-центр находится недалеко от компании и нет проблем с линиями связи. При иных условиях компании часто принимают решение организовать собственные небольшие вычислительные мощности согласно принципам EDGE-computing. Этот тренд пришел в Россию в 2018 году и направлен на организацию периферийных вычислений на небольших вычислительных мощностях. В России такие дата-центры получили название микроЦОДов.
Типичный микроЦОД состоит из 1-3 стоек с закрытой архитектурой охлаждения: то есть, охлаждаемый воздух находится внутри стойки и не выходит за ее пределы. Под работу такой архитектуры модифицированы, например, некоторые внутрирядные кондиционеры. Они присоединяются к стойке сбоку, выдувают воздух прямо в стойку и забирают воздух из нее. Это отличное решение, которое на российском рынке стало итогом тренда на снижение объема охлаждаемого помещения и минимизацию потерь, связанных с доставкой воздуха от кондиционера к оборудованию.
Какие технологии дают энергоэффективность
Технологий, которые помогают поддерживать энергоэффективность ЦОДов и популярны сегодня у ЦОДостроителей, достаточно много. Приведем несколько примеров.
Система изоляции воздуха — основополагающий элемент ЦОДа для энергоэффективности и экономии средств, служит для минимизации перетоков воздуха. Критически важно наладить аэрацию и увлажнение в воздушных коридорах, потому что любой кондиционер сушит воздух. Даже инверторные модели, которые работают выше 50-60% от своей полной мощности, снижают влажность.
Построение изолированных холодных зон позволяет выводить через стены наружу часть тепла от ИT-оборудования естественным образом, что особенно эффективно в зимний период. Изоляция горячего коридора создает еще более выраженный перепад между горячей и холодной зонами. Чем этот перепад больше, тем более высокой эффективности кондиционеров можно достигнуть.
Герметичная стойка с моноблочным кондиционером позволяет эксплуатировать ИТ-оборудование без создания дополнительных условий — не нужно строить серверную и систему ее охлаждения. По сути, это EDGE-центр на два-три сервера, который можно разместить на любом производстве. У этого решения отличная энергоэффективность, потому что все охлаждение происходит внутри на уровне стойки. Наибольшая выгода получается, когда на предприятии идет цифровизация, но необходимости в большом количестве вычислительного оборудования у него нет.
Инверторные технологии. В любом кондиционере больше всего энергии потребляет компрессор. Использование инверторной технологии позволяет не только уйти от проблемы пусковых токов, но также значительно снизить потребляемую мощность и продлить полезный срок эксплуатации. К тому же, встроенный контроллер инвертора позволяет отслеживать изменения рабочих характеристик, регулировать производительность, замечать нарушения в работе устройства и не допускать наступления аварийного сбоя.
Использование инверторов очень важно не только для энергоэффективности ЦОДа, но и для его бесперебойной работы. Системы энергоснабжения и контроля микроклимата заменяются гораздо реже, чем вычислительные мощности. В том числе, потому что для их замены требуется частичная или полная остановка ЦОДа и демонтаж оборудования. И тут есть прямая связь: чем дольше работает компрессор — тем меньше ЦОД простаивает. К сожалению, некоторые производители продолжают применять в своих кондиционерах обычные компрессоры типа старт-стоп. Инверторы при этом они предлагают, как опцию за дополнительные деньги.
ЕС-технологии. Аналогичная история касается вентиляторов. На шкафных кондиционерах раньше использовались вентиляторы с двигателем, отделенным от рабочего колеса, а для передачи вращения использовались ремни. Это было сложно, громоздко и требовало особенного обслуживания. Затем появились вентиляторы с системами плавного пуска и регулировкой мощности в ручном режиме.
Сейчас производители начали переходить на ЕС-вентиляторы – электронно-коммутируемые устройства, у которых плата управления находится в корпусе, контроллер вентилятора сам регулирует его скорость и так же, как инвертор, следит за его параметрами. Это позволяет более точно регулировать параметры микроклимата. Кроме того, плавный пуск и остановка, защита от выхода в режим перегрузки минимизируют риски поломки вентилятора по причине короткого замыкания или нарушения изоляции обмотки.
Терморегулирующие устройства. Терморегулирующий вентиль (ТРВ) - необходимый элемент в любом холодильном контуре, будь то холодильник или кондиционер. Чем больше тепловая нагрузка, чем больше тепла приходит на кондиционер, тем активнее исправляется фреон и выше его давление на выходе. В промышленных системах ТРВ — это механический клапан, который позволяет увеличивать либо уменьшать отверстие для прохождения жидкого фреона для начала его испарения.
Если мощность ЦОДа и его тепловая нагрузка постоянные, ТРВ подстраивается под эту тепловую нагрузку и выходит на определенный уровень открытия. Если нагрузка в ЦОДе активно меняется в течение дня, ТРВ не всегда физически успевает за изменениями, что может привести как к ускорению выхода ТРВ из строя, так и нарушению холодильного цикла, перегреву обмоток компрессора или попаданию жидкого фреона в линию всасывания. К сожалению, выход из строя ТРВ обнаруживается далеко не сразу — обычно в процессе квартального или полугодового технического обслуживания.
В современных кондиционерах вместо ТРВ используют ЭРВ — электронный расширительный вентиль, который выполняет те же функции, но его работа строится на базе данных, полученных с электронных сенсоров давления и температуры, тогда как работа ТРВ регулируется передачей температуры от медного трубопровода баллону с термочувствительным газом. Отсюда и основной плюс ЭРВ — моментальная реакция на изменение тепловой нагрузки. Это не только позволяет максимально быстро и точно регулировать теплосъем с воздуха, но и не допускает перегрева обмоток и затопление картера компрессора. К тому же, если происходит сбой ЭРВ или его выход из строя, контроллер сразу оповещает об этом.
Выбор ТРВ или ЭРВ – дело вкуса. Одни инженеры склонны доверять механике, другие – электронике.
Как эксплуатировать энергоресурсы повторно
Теплоресурсы стоят денег. Тепло, которое выделяет ЦОД, можно попытаться утилизировать на обогрев других объектов. Рассчитать, на что именно хватит этого тепла, довольно сложно. Но чем больше усилий и инвестиций будет вложено в систему утилизации тепла на стадии проектирования и строительства, тем быстрее система себя окупит и даст плюсы в виде значительной экономии энергоресурсов.
В зимний период тепло от ЦОДа можно утилизировать на нагрев здания, где он находится. Можно подогревать через теплообменник приточный воздух, можно, например, подогревать воду перед основным нагревом для подачи в систему водоснабжения. Важный момент – если в ЦОДе плавающая тепловая нагрузка, то и передача энергии для обогрева тоже будет непостоянной. В таком случае оптимально использовать именно системы преднагрева для снижения потребляемых энергоресурсов, но не исключать их целиком.
Энергоэффективность ЦОДа можно, а главное — нужно улучшать
Энергоэффективность ЦОДа можно рассчитать в зависимости от региона расположения, площади помещения и того, занимает ли ЦОД часть большого здания или находится в отдельном строении.
Теплопотери и энергоэффективность также варьируются в зависимости от сезона. В связи с этим примерно пять лет назад в обиход ЦОДостроителей вошло понятие коэффициента не просто энергоэффективности, а сезонной энергоэффективности.
В целом, чем больше ЦОД, тем больше внимания следует уделять достижению энергоэффективности.
