Охлаждение и вентиляция ЦОД: требования и современные решения

Современные ЦОД требуют тщательного проектирования и оборудования системами охлаждения и вентиляции для эффективной и безопасной работы серверов. Ведь скорость и качество работы серверов непосредственно зависят от организации климат-контроля.

В прошлом создание ЦОД было связано с огромными проблемами для системных администраторов, в силу отсутствия стандартов. Однако, за последние двадцать лет этот процесс значительно упростился благодаря опыту, полученному во всем мире.

Существует два основных американских стандарта, которые регулируют требования к дата-центрам в части организации систем кондиционирования и вентиляции (включая фильтрацию) воздуха. Отечественные ГОСТы в этой области все еще находятся в процессе усовершенствования, поэтому российские специалисты используют вышеупомянутые американские стандарты.

Первым стандартом является TIA-942, который классифицирует дата-центры по степени надежности и предписывает правила проектирования. Вторым стандартом является TIA/EIA-569, который определяет процедуры укладки телекоммуникационных сетей и распространяет свое действие на стадию монтажа.

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

Исполнение требований по температуре, влажности и качеству воздуха в помещениях серверных - важнейшее условие для нормальной работы их оборудования. Для того чтобы обеспечить наиболее оптимальные условия работы, необходимо в комплектацию центров обработки данных (ЦОД) включить систему климат-контроля. Она должна работать круглосуточно, все дни в году, обеспечивая в помещении необходимые температурный режим и влажность. В случае невозможности использования централизованной системы микроклимата в здании, необходимо использовать автономную климатическую систему.

Для обеспечения оптимального функционирования системы кондиционирования серверных и дата-центров, следует соблюдать следующие требования:

• Температура в серверной комнате должна быть в пределах 20–25 °C.
• Влажность должна находиться в диапазоне 40–55%.
• Перед входом в помещение необходимо фильтровать свежий воздух минимум класса EU4 с подогревом в зимнее время.

Система кондиционирования должна иметь достаточную мощность для охлаждения всех серверов в ЦОД. При этом рекомендуется использовать не менее двух независимых кондиционеров, обеспечивающих заданный микроклимат в помещении. Также необходимо организовать охлаждение с помощью фальшполов, которые должны иметь высоту не менее 300 мм от основного перекрытия до уровня чистового пола. Рекомендуемая высота - 400 мм. В высотном пространстве фальшпола следует организовать каналы распространения холодного воздуха. Биение же фальшпола должно состоять из прочных и легко демонтируемых модулей (плиток) с возможностью точечной нагрузки до 455 кг. В конструкции фальшпола необходимо предусмотреть установку решеток вентиляции и кабельных вводов для телекоммуникационных стоек. Общая шина технологического заземления серверной должна обеспечивать заземление всех конструкций фальшпола.

Оптимальные решения для создания ЦОД

Для того, чтобы удовлетворять требованиям, предъявляемым к системам кондиционирования и вентиляции в соответствии со стандартами TIA-942 и TIA/EIA-569, специалисты предложили ряд эффективных технологических решений. Ниже приведены наиболее значимые из них:

Климатическая техника сегодня предлагает потребителю разнообразные виды кондиционеров, включая прецизионные кондиционеры, сплит-системы, промышленные и полупромышленные кондиционеры. Для оптимального обеспечения кондиционирования серверных комнат обычно используют прецизионный тип кондиционеров. Существуют следующие виды прецизионных кондиционеров:

1. Системы с непосредственным расширением (DX). Такие системы являются наиболее распространенным решением и используются при удельных тепловых нагрузках небольшого размера. Обычно такие системы базируются на фреоновых прецизионных кондиционерах и работают по принципу, при котором фреон поступает во внутренний блок кондиционера, где происходит его расширение и испарение. В результате происходит охлаждение воздуха в помещении. Основными преимуществами DX-систем являются их низкая стоимость, высокая надежность и длительный срок службы. Однако, такие системы требуют больших эксплуатационных затрат и предъявляют серьезные требования к энергосистемам и помещению.
2. Системы на холодоносителе (CW). Такие системы подходят для средних и больших серверных комнат. Они работают по принципу охлаждения воздуха в теплообменнике кондиционера с помощью циркуляции охлажденного в холодильных машинах (чиллерах) холодоносителя. CW-системы отличаются более низкими эксплуатационными затратами и гибкостью, однако требуют больших капитальных затрат и являются более сложными инженерными системами.
3. Системы на основе принципа полного свободного охлаждения (FFC). В таких системах используется принцип теплообмена между наружным воздухом и воздухом, который циркулирует в серверной комнате. FFC-системы действуют почти без участия компрессоров в течение 95% времени в году. Такая система потребляет меньше электричества и дает больше кВт холода, чем другие системы. Однако, у FFC-систем пока нет широкого накопленного опыта внедрения на территории России.
4. Система естественного охлаждения с промежуточным теплоносителем (DFC). Эта система оснащена функцией переключения на определенный режим работы, который соответствует тепловой нагрузке и сезонным изменениям наружной температуры. Она использует сочетание компрессорного и естественного охлаждения. Основными преимуществами системы являются высокая эффективность, но высокие затраты и сложность.
5. Системы охлаждения, интегрированные в стойку. Для высоких тепловых нагрузок используют замкнутый цикл охлаждения в стойке. Это значит, что специализированные серверные шкафы могут быть оснащены системами охлаждения, защиты электропитания, пожаротушения, аварийной вентиляции и мониторинга. Недостатком такого оборудования является высокая стоимость.

Одним из ключевых вопросов, которые нужно решить на этапе выбора системы кондиционирования помещения, является выбор соответствующей вентиляционной системы. Как правило, в ЦОД применяется приточно-вытяжная вентиляция. В настоящее время существует тенденция к снижению энергопотребления в климатических системах, поэтому вентиляционные системы должны разрабатываться с учетом следующих принципов:

• установка устройств для возврата и повторного использования тепловой энергии;
• применение энергосберегающих элементов;
• увеличение расчетного срока службы оборудования.

Компании GEA, AL-KO, Flaktwoods и Swegon являются ведущими мировыми производителями этого типа оборудования.

Tier-сертификация Института Uptime Professional Services является одной из наиболее привлекательных опций для владельцев центров обработки данных (ЦОД), которые стремятся повысить надежность и привлекательность своих услуг. Сертификат Tier позволяет установить уровень надежности ЦОД по шкале от I до IV на основе анализа документации ЦОД и его рабочих процессов. Уровень IV считается наиболее высоким, а уровень I - наименьшим. Лучшим вариантом с точки зрения соотношения цены и качества является III уровень. Центрам обработки данных, имеющим сертификат Tier, удается привлечь больше потенциальных клиентов.

Однако, дополнительное оборудование для кондиционирования тоже существенно влияет на допустимое время простоя ЦОД. Нормальное значение времени простоя для уровня I составляет 28,8 часа, а для уровня IV - всего 0,4 часа.

В России, в рамках программы "Цифровая экономика", Министерство связи и массовых коммуникаций предлагает создать собственную систему сертификации ЦОД. В условиях стремительно развивающейся сферы бизнеса и повышающихся требований к надежности, растущий рынок коммерческих ЦОД нуждается в высококачественном климатическом оборудовании для обеспечения должного уровня обслуживания клиентов.

Фото: freepik.com