Естественное охлаждающее решение является одним из основных решений, направленных на снижение эксплуатационных расходов центров обработки данных и уменьшение их воздействия на окружающую среду.
Общепризнано, что точный контроль температуры крайне важен для центров обработки данных, поскольку повышенная температура и нерегулируемая влажность могут привести к необратимому повреждению ИТ-оборудования и ухудшению его эксплуатационных характеристик. Несмотря на то, что Thermal Guidelines предлагает идеальный температурный диапазон 18-20°C, большинство современных центров обработки данных работают с расширенным температурным порогом, часто до 27°C и выше.
Поэтому разработка оптимизированной системы охлаждения центров обработки данных стала одним из главных приоритетов, особенно в связи с тем, что общественность и регулирующие нормы все больше внимания уделяют ограничению воздействия деятельности центров обработки данных на окружающую среду.
На этом фоне естественное охлаждение стало ключевой стратегией сокращения потребления энергии на охлаждение за счет полного использования имеющихся природных ресурсов охлаждения. Благодаря инновационному дизайну систем и интеграции высокоэффективных чиллеров, естественное охлаждение стало возможным для гораздо более широкого круга географических точек.
Что такое естественное охлаждение?
Естественное охлаждение относится к набору технологий охлаждения, использующих для отвода тепла естественные ресурсы, такие как окружающий наружный воздух или вода.
Его основная цель - снизить зависимость от энергоемких механических методов охлаждения, таких как традиционные системы кондиционирования воздуха.
Хотя системы естественного охлаждения имеют различные формы, их основной принцип работы остается неизменным: забор природного воздуха или воды из окружающей среды и циркуляция их через специальную инфраструктуру для охлаждения помещений центров обработки данных.
Это значительно отличается от механических систем охлаждения, в которых для снижения температуры воздуха или жидкости используются компрессоры и хладагенты.
Напротив, естественное охлаждение ставит во главу угла простоту эксплуатации, исключая необходимость в сложных механических компонентах и энергоемких холодильных циклах.
Основные принципы и условия эксплуатации
Во-первых, необходимо отметить, что естественное охлаждение не является универсальным: его целесообразность полностью зависит от наличия ресурсов естественного охлаждения на физической площадке центра обработки данных.
Во-вторых, системы естественного охлаждения функционируют как пассивные решения для охлаждения, поскольку они зависят от естественных физических процессов (таких как конвекция воздуха) для поглощения и передачи тепла. Если наружный воздух или вода холоднее, чем внутренняя среда центра обработки данных, они могут быть направлены внутрь помещения для пассивного охлаждения ИТ-оборудования.
При этом пассивное естественное охлаждение в чистом виде редко применяется на практике. Большинство систем работают в паре с резервным холодильным оборудованием, например, высокоэффективными чиллерами, которые подают дополнительный охлажденный воздух для поддержания стабильной температуры, когда природных ресурсов недостаточно.
В гибридных системах охлаждения естественное охлаждение и механические охладители работают в тандеме для поддержания оптимальных температурных условий независимо от внешних погодных условий или сезонных изменений. Такая гибкость позволяет операторам центров обработки данных максимально использовать естественное охлаждение в благоприятные периоды дня или года, а в менее благоприятные условия активировать дополнительное охлаждение.
Одним словом, естественное охлаждение обычно выступает в качестве дополнения к традиционным системам охлаждения, работая вместе для повышения общей энергоэффективности центра обработки данных.
Ключ к успеху, как будет показано ниже, лежит в разработке адаптируемых систем, которые активируют охладители периодически в зависимости от температуры наружного воздуха в реальном времени.
Виды естественного охлаждения
1. Прямое охлаждение свежим воздухом
При таком подходе для охлаждения ИТ-оборудования используется непосредственно наружный воздух, когда температура окружающей среды находится в оптимальном диапазоне. Для защиты чувствительного оборудования требуются вспомогательные системы фильтрации воздуха и регулирования влажности.
2. Естественное охлаждение на основе воды
В этом методе используется холодная вода из природных водоемов или градирен для поглощения тепла через теплообменники, которые при необходимости поддерживаются электрическими чиллерами.
3. Продвинутые альтернативные модели
Дополнительное специализированное оборудование может расширить возможности систем естественного охлаждения. Например, непрямое естественное охлаждение использует такие технологии, как вращающиеся тепловые колеса, для передачи тепла между потоками внутреннего и наружного воздуха без непосредственного смешивания.
Еще одним приемлемым вариантом является интеграция тепловых труб. Эти пассивные теплообменные устройства эффективно отводят тепло от серверных стоек, повышая общую эффективность теплоотдачи.
Растущее использование естественного охлаждения
Согласно отчету Uptime Institute о глобальных центрах обработки данных за 2023 год, 88% операторов центров обработки данных считают “энергопотребление ИТ-систем и центров обработки данных” своей главной проблемой. Такое повсеместное внимание к энергопотреблению стало основной движущей силой быстрого внедрения решений для естественного охлаждения.
Переход Google на естественное охлаждение, как одного из ведущих игроков в индустрии центров обработки данных, является примером того, что этот подход предпочитают во всей отрасли. Чтобы снизить потребление электроэнергии, компания отмечает, что в ее наиболее эффективных центрах обработки данных теперь используются методы естественного охлаждения, они работают при температуре до 27 °C и в них установлено специальное энергоэффективное оборудование, обеспечивающее исключительные результаты энергоэффективности.
Одновременно с этим рост естественного охлаждения меняет мировые тенденции выбора площадок для центров обработки данных. Доступ к ресурсам естественного охлаждения стал ключевым фактором при выборе новых мест размещения центров обработки данных, наряду с доступностью возобновляемых источников энергии. Благодаря этому скандинавские страны, ярким примером которых является рынок дата-центров Дании, стали лидерами по инвестициям в крупные центры обработки данных.
Основные преимущества естественного охлаждения
- Обеспечивает исключительную энергоэффективность благодаря замене энергоемких механических процессов пассивными структурами охлаждения с низким энергопотреблением.
- Повышает экологическую устойчивость: снижение потребления электроэнергии ведет к сокращению выбросов CO₂, а минимизация или отказ от использования хладагента обеспечивает дополнительные экологические преимущества.
- Сокращение эксплуатационных расходов на электроэнергию.
- Снижение первоначальных затрат на установку и упрощение эксплуатации и обслуживания, поскольку системы естественного охлаждения сводят к минимуму или вовсе исключают движущиеся части (например, компрессоры, насосы), характерные для традиционных систем охлаждения. Это продлевает срок службы оборудования и снижает долгосрочные затраты на обслуживание.
- Легко интегрируется в гибридные системы, при этом чиллеры включаются только тогда, когда естественные ресурсы охлаждения неоптимальны.
Важнейшие аспекты проектирования систем естественного охлаждения
Как уже отмечалось ранее, выбор места является основополагающим фактором для внедрения естественного охлаждения. Местные климатические условия и доступ к ресурсам охлаждения (таким как холодная вода) напрямую определяют целесообразность использования системы естественного охлаждения.
Проектирование системы охлаждения центра обработки данных - это сложный процесс, который регулируется рядом основных факторов, включая:
- Прогнозируемая тепловая нагрузка
- Ожидаемый спрос на ИТ и колебания спроса
- Целевые показатели энергоэффективности
- Возможность использования автоматизированных систем управления для приоритетного естественного охлаждения в благоприятных условиях
- Интеграция полностью резервированной гибридной инфраструктуры охлаждения
- Цели устойчивого развития в области ресурсосбережения и внедрения зеленых технологий
- Анализ затрат и выгод и прогнозы окупаемости инвестиций для долгосрочной экономии энергии
- Соблюдение отраслевых норм и строительных правил
Помимо этих общих критериев, при проектировании системы естественного охлаждения особенно важны два фактора:
Управление воздушным потоком
Эффективное управление воздушными потоками необходимо для достижения максимальной эффективности естественного охлаждения и требует тщательного планирования.
Компоновка стоек "горячий проход/холодный проход" является отраслевым стандартом для оптимизации воздушных потоков, разработанным для предотвращения смешивания потоков холодного и теплого воздуха. Благодаря такой схеме холодный воздух поступает непосредственно к ИТ-компонентам, а теплый воздух эффективно выводится наружу.
В этой схеме могут быть реализованы различные схемы воздушных потоков, все они направлены на то, чтобы направить холодный и теплый воздух через стеллажи и проходы наиболее эффективным способом.
Хорошо продуманная балансировка воздушных потоков оптимизирует естественное охлаждение и снижает потребность в более дорогостоящих резервных методах охлаждения, что делает ее краеугольным камнем эффективной конструкции системы.
Гибридный режим работы
Системы естественного охлаждения почти всегда работают вместе с высокоэффективными чиллерами в гибридных конфигурациях. Баланс между оптимальными температурами естественного охлаждения и пороговыми значениями активации чиллеров является ключом к надежной работе.
Для систем естественного охлаждения на основе воды существует три сценария работы в зависимости от температуры, которые обеспечивают эффективность и безопасность оборудования:
- Температура окружающей среды выше 30°C: Чиллеры активируются для поддержки естественного охлаждения, поддерживая оптимальный тепловой режим при недостатке природных ресурсов. Выбор высокопроизводительного чиллера имеет решающее значение; современные промышленные чиллеры обеспечивают исключительную эффективность как при частичной, так и при полной нагрузке. Эффективность чиллера измеряется отношением мощности охлаждения к потребляемой энергии: электрические чиллеры используют киловатты на тонну охлаждения, а абсорбционные чиллеры используют расход топлива/газа/пара на тонну охлаждения. Правильно выбранный чиллер обеспечивает бесперебойное резервирование естественного охлаждения, обеспечивая выдающуюся среднегодовую эффективность.
- Температура окружающей среды 21-30°C: Естественное охлаждение обеспечивает большую часть потребности в охлаждении для достижения целевой температуры воды 30°C при минимальной поддержке чиллеров. Хотя потребление энергии немного увеличивается, оно остается значительно ниже, чем при полном механическом охлаждении.
- Температура окружающей среды ниже 20°C: Естественное охлаждение работает независимо, а чиллеры бездействуют. Целевая температура охлаждающей воды 30°C достигается исключительно с помощью сухих охладителей, при этом потребление энергии вентиляторами составляет всего 10% от энергии, необходимой для работы охладителей. Этот сценарий обеспечивает максимальную энергоэффективность и экономию средств и возможен в течение большей части года во многих регионах мира.
SEOTECK: ваш партнер по охлаждению центров обработки данных нового поколения
Разработка высокопроизводительной системы охлаждения - многогранный и сложный процесс, требующий экспертной тепловой инженерии.
С одной стороны, решение для естественного охлаждения должно соответствовать тепловой нагрузке центра обработки данных, требованиям к резервированию и общим эксплуатационным потребностям. С другой стороны, экономия энергии и ответственное использование ресурсов имеют решающее значение для решения растущих проблем, связанных с воздействием центров обработки данных на окружающую среду, особенно в условиях постоянного роста спроса на центры обработки данных и энергоемкой инфраструктуры.
Поскольку энергоэффективность и устойчивость являются основными целями, современные центры обработки данных имеют доступ к разнообразным стратегиям охлаждения. Естественное охлаждение может сочетаться с высокоэффективными чиллерами, а также с системами управления ЦОД на базе искусственного интеллекта, которые оптимизируют охлаждение с помощью динамических настроек, интеллектуального распределения ресурсов и полной автоматизации.
Сотрудничество с опытным специалистом по теплотехнике необходимо для раскрытия полного потенциала проекта и внедрения передовых технологий охлаждения, обеспечивающих максимальную эффективность.
Именно здесь на помощь приходит SEOTECK. Мы разрабатываем решения для охлаждения центров обработки данных, ориентированные на эффективность и экологичность. Используя наш глубокий опыт в области теплотехники, мы разрабатываем и внедряем индивидуальные современные системы охлаждения, включая передовые решения естественного охлаждения, которые соответствуют уникальным потребностям и возможностям каждого проекта.
