Free cooling для ЦОД — это использование низкой температуры наружного воздуха для отвода тепла от серверного оборудования с минимальной работой компрессоров. Поскольку дата-центр охлаждается круглосуточно, переход на свободное охлаждение может заметно уменьшить энергопотребление инженерной инфраструктуры и снизить PUE.
Фрикулинг не всегда означает прямую подачу наружного воздуха в машинный зал. Существуют прямые, косвенные и водяные схемы, а также гибридные решения, в которых механическое охлаждение включается только при недостаточной наружной температуре или высокой тепловой нагрузке.
Что такое PUE
PUE показывает отношение всей электроэнергии, потребляемой дата-центром, к энергии IT-оборудования. Чем ближе показатель к единице, тем меньшая доля расходуется на охлаждение, ИБП, освещение, насосы и другие вспомогательные системы.
Снижение PUE требует не только эффективных чиллеров. Важны изоляция горячих и холодных коридоров, температура подачи, скорость вентиляторов, работа насосов и алгоритмы автоматики. Free cooling становится особенно выгодным, когда климат и рабочие температуры позволяют использовать его значительную часть года.
Прямой воздушный free cooling
При прямой схеме наружный воздух после фильтрации подаётся в серверный зал, а нагретый удаляется наружу. Компрессорные кондиционеры включаются только тогда, когда температура, влажность или качество наружного воздуха выходят за допустимые пределы.
Преимущество — минимум промежуточных теплообменников и высокая эффективность. Ограничения связаны с пылью, дымом, влажностью, риском коррозии и необходимостью точного контроля заслонок, фильтров и давления в помещении.
Косвенный воздушный free cooling
Косвенная схема разделяет наружный и внутренний воздушные потоки теплообменником. Уличный воздух не попадает в серверный зал, а только охлаждает рециркуляционный поток через пластинчатый, роторный или другой теплообменник.
Такой подход лучше защищает оборудование от наружных загрязнений. При этом теплообменник и дополнительные вентиляторы создают сопротивление, а температурный напор сокращает количество часов полного свободного охлаждения.
Водяной free cooling
Фрикулинг дата-центра часто реализуют в системе с чиллерами и прецизионными кондиционерами. При низкой наружной температуре вода или водно-гликолевая смесь охлаждаются в сухом охладителе и поступают к потребителям без работы компрессоров чиллера.
В переходный период используется частичный free cooling: наружный воздух предварительно охлаждает теплоноситель, а компрессор доводит его до требуемой температуры. Это позволяет экономить энергию даже тогда, когда полной мощности сухого охладителя недостаточно.
Когда free cooling работает эффективнее
Потенциал зависит от температуры наружного воздуха, требуемой температуры подачи и допустимого диапазона в серверном зале. Чем выше допустимая температура холодного воздуха или воды, тем больше часов система может работать без компрессоров.
В водяных системах важна температура обратного теплоносителя. Более высокая температура возврата улучшает работу сухого охладителя, но должна соответствовать характеристикам прецизионных кондиционеров, CDU и других потребителей холода.
Организация воздушных потоков
До увеличения мощности охлаждения необходимо уменьшить смешивание горячего и холодного воздуха. Изоляция коридоров, заглушки в свободных юнитах, герметизация кабельных вводов и правильное размещение решёток снижают рециркуляцию.
Чем выше температура возвратного воздуха и меньше коротких замыканий потока, тем эффективнее теплообменники, больше часов free cooling и ниже требуемая скорость вентиляторов.
Вентиляторы, насосы и автоматика
Даже при выключенных компрессорах вентиляторы и насосы могут расходовать много энергии. Частотное регулирование должно поддерживать необходимый расход и давление, а не постоянную максимальную скорость.
Автоматика может ориентироваться на температуру в холодном коридоре, перепад давления, нагрузку стоек и температуру обратной воды. Несогласованные алгоритмы приводят к одновременной работе свободного и механического охлаждения без необходимости.
Резервирование и надёжность
Экономия энергии не должна снижать отказоустойчивость. Для критичного ЦОД предусматривают N+1 или другую требуемую архитектуру, резервные насосы, вентиляторы, теплообменники и источник механического охлаждения.
При дыме, наружном загрязнении, экстремальной влажности или отказе free cooling система должна автоматически перейти в безопасный режим. Такие переходы проверяют при пусконаладке и во время регулярных испытаний.
Как оценить экономию энергии ЦОД
Экономия энергии ЦОД рассчитывается по почасовому климатическому профилю, IT-нагрузке и характеристикам оборудования. Минимальная зимняя температура не показывает полный эффект. Нужно определить часы полного, частичного и компрессорного охлаждения.
В расчёт включают компрессоры, вентиляторы, насосы, увлажнение, нагреватели и водоподготовку. Затем сравнивают годовое энергопотребление, капитальные затраты и обслуживание базовой и предлагаемой схемы.
Типичные ошибки
- выбор схемы без почасового анализа климата;
- необоснованно низкая температура в серверном зале;
- игнорирование энергии вентиляторов и насосов;
- плохая изоляция горячих и холодных коридоров;
- недостаточная фильтрация прямого наружного воздуха;
- неучтённый расход воды при адиабатическом охлаждении;
- отсутствие резервного компрессорного режима;
- неправильные переходы между режимами автоматики.
Этапы проектирования
- определить текущую и перспективную IT-нагрузку;
- собрать почасовые данные температуры и влажности;
- выбрать допустимые параметры воздуха или воды;
- сравнить прямую, косвенную и водяную схемы;
- рассчитать полную и частичную мощность free cooling;
- проверить резервирование и аварийные режимы;
- смоделировать годовое энергопотребление и PUE;
- разработать алгоритмы автоматики и программу испытаний.
Итог
Free cooling для ЦОД снижает потребление компрессорного охлаждения и помогает уменьшить PUE, но результат зависит от климата, температуры подачи, воздушных потоков и автоматики. Наиболее эффективная система сочетает свободное и механическое охлаждение, частотное регулирование и резервирование. Инженеры NIKLAND проектируют энергоэффективное охлаждение ЦОД и серверных с учётом нагрузки, климата Казахстана и требований к отказоустойчивости.
