Охлаждение и вентиляция ЦОД: требования и современные решения

Современные центры обработки данных (ЦОД) должны быть тщательно спроектированы и обеспечены системами охлаждения и вентиляции. От организации климат-контроля напрямую будет зависеть скорость и безопасность работы серверов.

Первые ЦОД создавались при отсутствии каких-либо стандартов, что составляло для системных администраторов огромные проблемы. Однако мировой опыт последних двадцати лет предоставляет специалистам четкие ориентиры.

Требования к помещениям дата-центров

Для организации дата-центров существует два ключевых американских стандарта, в которых содержатся требования к организации систем кондиционирования и вентиляции (в т.ч. и фильтрации) воздуха. На эти стандарты ориентируются и в российской практике, поскольку отечественные ГОСТы в области телекоммуникаций пока несовершенны:

• TIA-942 делит дата-центры на типы по степени надежности. Он, в первую очередь, регулирует процесс проектирования.
• TIA/EIA-569 определяет правила прокладки телекоммуникационных сетей. Он распространяет свое действие на этап монтажа.

Далее требования к дата-центрам мы будем рассматривать в соответствии с этими стандартами.

Требования к температуре, влажности и качеству воздуха в серверных

Комплектация ЦОД должна включать систему климат-контроля, которая круглосуточно в течение всего года обеспечивает активному оборудованию необходимый для нормального функционирования температурный режим и влажность. При отсутствии возможности непрерывной работы централизованной системы микроклимата в здании серверному помещению требуется автономная климатическая система.

Система кондиционирования серверных и дата-центров должна обеспечивать следующие параметры:

• Температура в серверной комнате 20–25 °С.
• Влажность — 40–55%.
• Приток свежего воздуха с фильтрацией класса EU4 и подогревом в зимнее время.

Фактическая холодильная мощность системы кондиционирования должна перекрывать суммарное тепловыделение от всего оборудования ЦОД. Система должна состоять как минимум из двух независимых кондиционеров, каждый из которых рассчитан на самостоятельное обеспечение заданного микроклимата в помещении.

Охлаждение серверной комнаты часто организуют с использованием фальшполов высотой не менее 300 мм от основного перекрытия до уровня чистового пола. Рекомендуемая высота — 400 мм. В пространстве под фальшполом организуют каналы распространения холодного воздуха. Фальшпол состоит из легко демонтируемых прочных модулей (плиток), выдерживающих точечную нагрузку до 455 кг. В конструкции фальшпола должна быть предусмотрена установка решеток вентиляции и кабельных вводов для телекоммуникационных стоек. Общая шина технологического заземления серверной должна обеспечивать заземление всех конструкций фальшпола.

Оптимальные технологические решения для ЦОД

В целях достижения соответствия систем кондиционирования и вентиляции стандартам TIA-942 и TIA/EIA-569, разработан целый ряд технологических решений, среди которых можно выделить следующие:

Кондиционирование

Рынок климатической техники предлагает потребителю прецизионные кондиционеры, сплит-системы, промышленные и полупромышленные кондиционеры. Кондиционирование серверной комнаты оптимально обеспечивается прецизионным типом, в рамках которого можно выделить такие варианты:

• Системы с непосредственным расширением (DX). Самое распространенное решение организации кондиционирования ЦОД, если речь идет о небольших удельных тепловых нагрузках. Подобные системы строятся на основе фреоновых прецизионных кондиционеров. Принцип работы последних основывается на подаче во внутренний блок оборудования фреона, который расширяется и испаряется с отдачей холода воздуху помещения. Преимуществами таких систем являются относительно невысокая стоимость в сочетании с высокой надежностью и длительным сроком службы. Однако DX-системы требуют значительных эксплуатационных затрат и предъявляют серьезные требования к энергосистемам и помещению.
• Системы на холодоносителе (СW) . Решение для средних и крупных ЦОД. Принцип действия системы состоит в охлаждении воздуха в теплообменнике кондиционера за счет циркуляции охлажденного в холодильных машинах (чиллерах) холодоносителя. От DX-систем CW-системы отличаются более низкими эксплуатационными затратами и гибкостью, однако это более сложное инженерное решение, требующее высоких капитальных затрат.
• Системы на основе принципа полного свободного охлаждения (FFC). В этих системах используется принцип теплообмена между наружным воздухом и воздухом, который циркулирует в ЦОД. Система кондиционирования 95% времени в году не требует участия компрессоров. За счет этого каждый кВт потребляемого электричества в среднем в течение года дает 7 кВт холода. Для сравнения: в DX-системах речь идет о 2 кВт холода на каждый кВт электроэнергии, а у CW — не более 5 кВт. FFC-система не требует фальшполов, отличается низкими эксплуатационными и средними капитальными затратами, позволяет использовать высоконагруженные стойки до 50 кВт. Недостатком является отсутствие широкого накопленного опыта внедрения подобных систем в России.
• Система естественного охлаждения с промежуточным теплоносителем (DFC) . Особенностью системы является сочетание компрессорного и естественного охлаждения. Переключение на оптимальный режим работы, соответствующий тепловой нагрузке и сезонным изменениям наружной температуры, производится автоматически. Преимуществом системы является ее высокая эффективность, недостатками — сложность и немалая стоимость.
• Системы охлаждения, интегрированные в стойку . Высокие тепловые нагрузки может снимать замкнутый цикл охлаждения в стойке. Специализированные серверные шкафы могут быть оборудованы системами охлаждения, защиты электропитания, пожаротушения, аварийной вентиляции и мониторинга. В этом случае нет необходимости в фальшполах, а приборы охлаждения приближены к тепловой нагрузке. Недостатком такого оборудования является его высокая стоимость.

Вентиляция

Какой будет система вентиляции помещения, решается на этапе выбора системы кондиционирования. Для ЦОД обычно используется приточно-вытяжная вентиляция. В соответствии с современными тенденциями к снижению электропотребления в климатических системах, вентиляция должна проектироваться с соблюдением следующих принципов:

• наличие устройств возврата и повторного использования тепловой энергии;
• использование энергосберегающих элементов;
• увеличение расчетного срока эксплуатации оборудования.

Ведущими мировыми производителями подобного оборудования являются компании GEA, AL-KO, Flaktwoods, Swegon.

Сертификация по Tier

Качественно спроектированный и реализованный центр обработки данных, кондиционирование которого соответствует международным стандартам, может пройти сертификацию по Tier, что позволит повысить его привлекательность для потенциальных клиентов.

Сертификат Tier разработан международной организацией Uptime Institute Professional Services. Он выдается по итогам аудита ЦОД на документацию и на рабочие процессы. По итогам аудита центру обработки данных присваивается уровень надежности от I до IV, где I — низший уровень, а IV — высший. Оптимальным по соотношению цена-качество считается III уровень. Основной показатель надежности ЦОД — допустимое время его простоя: этот показатель для I уровня составляет 28,8 часов, а для IV — всего 0,4 часа.

В России планируется создать собственную систему сертификации ЦОД, эта инициатива была выдвинута в 2017 году Министерством коммуникаций и связи РФ в рамках реализации программы «Цифровая экономика» [1] .

Значение дата-центров в эпоху «больших данных» сложно переоценить. Отечественный рынок коммерческих ЦОД постоянно растет, чему способствует цифровая трансформация всех сфер бизнеса [2] . Соответственно, растет и спрос на качественное климатическое оборудование, без которого невозможно обеспечить должный уровень обслуживания клиентов дата-центра.