Методы регулирования охлаждения холодного коридора в ЦОД

При сравнении двух различных подходов к охлаждению ЦОД — с помощью регулирования давления в холодных коридорах и посредством изменения температурного режима — прежде всего требовалось определить, какой из этих вариантов обеспечивает оптимальную энергоэффективность.

Энергоэффективность работы ЦОД является для их владельцев одной из приоритетных задач. Помимо роста тарифов на электроэнергию, стимулом к поиску возможностей экономии служит рост экологического сознания. Что касается методов охлаждения ЦОД, то в этой области уже широко распространены такие решения, как разделение поступающего холодного и отработанного горячего воздуха с использованием заглушек, щеток в месте ввода кабелей или полной изоляции холодных коридоров. Но, к примеру, настройка скорости вращения вентилятора рециркуляционного кондиционера тоже таит в себе дополнительный потенциал для оптимизации. Выбор подходящих настроек позволит не только снизить расходы на электроэнергию, но и повысить доступность систем. Специалисты Emerson Network Power сравнили концепции охлаждения холодного коридора посредством регулирования давления и температурного режима применительно к ЦОД средних размеров.

БАЗОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЕСТОВОГО ЦОД

Результаты, использовавшиеся при написании этой статьи, были получены в ходе выполнения исследований в ЦОД, который имеет следующие параметры:

• три холодных коридора: в каждом два ряда стоек размером 800 мм × 1200 мм × 2200 мм (Ш×Г×В) — по восемь стоек в ряду;
• рассеиваемая мощность одной стойки — 5 кВт, то есть 240 кВт для всего помещения; половина каждой стойки заполнена оборудованием (6 × 4 HE), остальной объем закрыт заглушками высотой 2 HE (11 ST); на торцах изолированного холодного коридора установлены раздвижные двери;
• решетчатые вставки в фальшполу;
• рециркуляционный кондиционер Emerson Network Power Liebert L10EC Down (температура поступающей воды 15°C, отработанной — 20°C);
• тариф на электроэнергию: 0,15 евро за 1 кВт×ч.

ВАРИАНТ 1: РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ПРИНЦИПУ «УМНЫХ КОРИДОРОВ»

Этот метод предусматривает установку датчика температуры (Т1) рядом с отверстием для регулирования воздушных потоков в угловом профиле системы изоляции холодного коридора (то есть точно на границе зон холодного и горячего воздуха). В холодном коридоре и пространстве под фальшполом устанавливается низкое давление — около 0,5–1 Па. Благодаря этому холодный воздух направляется в отверстие для регулирования воздушных потоков и датчик Т1 может замерять параметры воздушных масс, поступающих из холодного коридора.

Если потребность в охлаждении серверов превышает текущую производительность рециркуляционных кондиционеров, направление воздушных потоков через датчик меняется. В холодном коридоре возникает пониженное давление, и туда начинает поступать теплый воздух. Температурный датчик, реагируя на это, подает кондиционеру команду увеличить скорость вращения вентилятора.

Один-единственный контрольный модуль управляет сразу несколькими холодными коридорами в помещении, причем скорость вращения вентилятора системы кондиционирования может регулироваться с учетом средней или максимальной температуры всех холодных коридоров либо только определенного. Кроме того, за пределами коридора рекомендуется установить дополнительный датчик температуры (Т2) в качестве резервного устройства для Т1.

ВАРИАНТ 2: РЕГУЛИРОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ

При этом методе система поддерживает постоянную разницу между давлением в фальшполу и в изолированных холодных коридорах (как правило, около 20 Па). Серверам поступает необходимый для охлаждения объем воздуха. Датчик давления регулирует скорость вращения вентиляторов системы кондиционирования (см. Рисунок 1). Если потребность серверов в охлажденном воздухе превышает объем, предоставляемый рециркуляционными кондиционерами, давление в фальшполу и в изолированных коридорах понижается, что приводит к повышению скорости вращения вентиляторов. Если же требуется меньше воздуха, давление повышается, а скорость вращения вентиляторов уменьшается. Таким образом, в холодном коридоре всегда обеспечивается избыточная подача холодного воздуха. Регулирование систем осуществляется в «партнерском» режиме, то есть все вентиляторы систем кондиционирования вращаются с одинаковой скоростью.

Рисунок 1. При управлении охлаждением с помощью регулирования давления в фальшполу и изолированных холодных коридорах поддерживается постоянное избыточное давление (как правило, 20 Па). Скорость вращения вентиляторов систем кондиционирования регулируется при помощи датчика давления.

К числу факторов, оказывающих влияние на работу систем, прежде всего необходимо отнести так называемые потери воздуха. Для сравнения обоих методов охлаждения был определен необходимый поток воздуха, рассчитанный с помощью уравнения энергии для открытых систем: он составляет 52 800 м3/ч. Однако стойки и изоляционные панели никогда не бывают полностью герметичными, поэтому, в зависимости от давления, через имеющиеся щели происходит постоянная утечка холодного воздуха, которую приходится восполнять вентиляторам и рециркуляционным системам кондиционирования. Такие щели и отверстия неизбежно возникают в местах прохождения кабелей или из-за необходимости установки универсальных компонентов (к примеру, 19-дюймового стоечного оборудования).

Наиболее значительные по площади отверстия присутствуют в серверных стойках, где должны размещаться компоненты универсального формата 19″. Дополнительные щели возникают на боковых заглушках для разделения холодных и горячих потоков внутри стойки и в местах установки щеток. Непосредственно в изолированных коридорах щелей сравнительно мало. В фальшполу они находятся в основном в тех местах, где установлены щеточные вводы для прокладки кабелей или другие подобные элементы. Для рассматриваемых способов охлаждения единственное различие состоит в наличии специальных отверстий для регулирования воздушных потоков, куда при использовании метода регулирования посредством изменения температурного режима устанавливаются датчики температуры.

Кроме того, в щелях нередко наблюдается сжатие воздушной струи. Влияние этого эффекта на расходные характеристики учитывается с помощью коэффициента сжатия μ. Оно выражается в сокращении эффективной ширины малых щелей. Особенно сильное сжатие воздушной струи вызывают элементы лабиринтного уплотнения с острыми краями, что следует учитывать при расчетах, ведь воздух лучше проходит мимо закругленных поверхностей.

Согласно данным, полученным исследователями Грайцнер, Трутновски и Комотори, в ЦОД среднего размера, где имеются три холодных коридора по 16 стоек в каждом, при методе регулирования давления эффективная площадь щелей составляет 0,882 м², а при методе регулирования температурного режима — 0,919 м². Таким образом, в последнем случае площадь щелей несколько больше (на 0,037 м²).

Чтобы точно рассчитать потери холодного воздуха, необходимо принять во внимание и скорость воздушного потока. Если используется метод регулирования температурного режима, воздух проходит через регулирующие отверстия примерно со скоростью 1 м/с. Необходимая разница давления составляет лишь 0,6 Па, а потери объемного потока — 3,173 м³/ч (см. Рисунок 2). Для метода регулирования с помощью давления этот показатель оказывается не менее 20 Па. Следовательно, поток воздуха движется со скоростью 5,81 м/с, а потери объемного потока достигают 19,221 м³/ч.

Рисунок 2. При управлении охлаждением с помощью регулирования температурного режима частота вращения вентиляторов систем кондиционирования зависит от температуры воздуха, поступающего к серверам. Необходимая разница давления составляет лишь 0,6 Па, а потери воздуха — 3,173 м3/ч. В результате через имеющиеся щели теряется гораздо меньше охлажденного воздуха.

Таким образом, при регулировании давления гораздо больше холодного воздуха теряется через щели, следовательно, вентиляторам систем кондиционирования приходится перемещать значительные объемы воздушных масс, что отрицательно сказывается на расходе электроэнергии, требуемой для циркуляции воздуха. С повышением давления увеличиваются и потери холодного воздуха. Здесь преимущества метода регулирования температурного режима очевидны, ведь в связи с гораздо меньшим давлением воздуха в фальшполах и изолированных холодных коридорах утечки холодного воздуха через имеющиеся щели намного ниже, чем при выборе метода регулирования давления. Кроме того, в последнем случае вентиляторы постоянно подвергаются давлению, что может привести к сокращению срока службы ИТ-оборудования.

ЭЛЕКТРОННО-КОММУТИРУЕМЫЕ ВЕНТИЛЯТОРЫ С МАЛЫМИ ОБОРОТАМИ

Современные рециркуляционные системы кондиционирования оснащаются электронно-коммутируемыми (EC) вентиляторами, которые, особенно при работе на малых оборотах, демонстрируют высокую энергетическую эффективность. Так, типичному EC-вентилятору, скорость вращения которого составляет 90% от максимальной, требуется 1130 Вт, а при 30-процентной скорости это значение уменьшается до 90 Вт, и вентилятор работает в четыре раза эффективнее.

Для вышеупомянутого центра обработки данных среднего размера необходимо минимум три устройства. При самом простом сценарии они работают без регулирования на максимальной мощности (100%) и расходуют 149,270 кВт×ч электроэнергии. Как правило, владельцы ЦОД предусматривают избыточность оборудования по принципу n+1, следовательно, для рассматриваемого ЦОД потребуется четыре блока охлаждения.

Испытания в тестовом ЦОД позволили получить показатели расхода электроэнергии для метода регулирования давления и метода регулирования температурного режима, которые отображены в Таблице 1. При использовании рециркуляционных систем кондиционирования преимущество второго метода очевидно, поскольку при этом расход электроэнергии более чем вполовину меньше.

Таблица 1. Сравнение потребления электроэнергии для обоих методов регулирования.

СНАБЖЕНИЕ ХОЛОДНЫХ КОРИДОРОВ ХОЛОДНЫМ ВОЗДУХОМ ПРИ ОБОИХ МЕТОДАХ ОХЛАЖДЕНИЯ

При методе охлаждения с помощью регулирования температурного режима около отверстий для регулирования воздушных потоков в каждом холодном коридоре устанавливаются не менее двух температурных датчиков. В результате обеспечивается контроль за каждым холодным коридором, а скорость вращения вентиляторов определяется обычно максимальной для всех коридоров температурой. В итоге все холодные коридоры получают достаточное количество холодного воздуха.

При методе охлаждения с помощью регулирования давления в фальшполу должно поддерживаться избыточное давление не менее 20 Па. Через перфорированные плиты воздух под давлением поступает в холодные коридоры. Если же в один из коридоров потребуется подать больше холодного воздуха, его охлаждение окажется недостаточным. Правда, в ходе испытания такой ситуации не возникло, поскольку датчики давления в фальшполу и в помещении не оказывают непосредственного влияния на температурный режим в холодных коридорах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Охлаждение холодных коридоров методом регулирования температуры в полностью изолированных холодных коридорах обладает очевидными преимуществами, ведь этот метод позволяет обеспечить надежную подачу необходимых объемов холодного воздуха во все холодные коридоры, а на работу вентиляторов затрачивается вдвое меньше электроэнергии. Кроме того, ИТ-оборудование не подвергается постоянному давлению. А вот для ЦОД, где изоляция коридоров не предусмотрена, традиционный метод охлаждения посредством регулирования давления по-прежнему остается хорошей альтернативой, позволяющей направлять необходимый воздушный поток к ИТ-оборудованию.

Руперт Райтер — директор по продуктам и решениям в компании Emerson Network Power.