Разнообразие задач, возникающих при построении системы кондиционирования ЦОД, предопределило широкий ассортимент применяемого оборудования. Кондиционеры для ЦОД различаются по задачам, для решения которых они предназначены, внешнему виду, направлению движения воздуха, удельной холодильной мощности и другим параметрам. Ниже мы разберём все основные виды кондиционеров для охлаждения ЦОД с указанием их особенностей и ситуаций, когда именно следует применять данное оборудование.

Речь пойдёт о шкафных, внутрирядных и моноблочных прецизионных кондиционерах, а также о прецизионных сплит-системах и специфических модулях охлаждения. Отдельное внимание будет уделено вопросу комплектации прецизионных кондиционеров.

Шкафные кондиционеры

Наиболее распространённый тип прецизионных кондиционеров – это шкафные кондиционеры. Внешне они представляют собой шкаф, внутри которого расположены практически все элементы кондиционера. Если речь идёт о фреоновой системе, то это компрессор, испаритель, терморегулирующий вентиль, вентилятор испарителя, воздушный фильтр – словом, всё, кроме конденсатора. Конденсатор являет собой отдельную единицу оборудования – наружный блок системы.

Важно отметить, что, в отличие от бытовых кондиционеров, в прецизионных кондиционерах компрессор расположен во внутреннем, а не в наружном блоке. Кроме того, во внутреннем блоке в качестве дополнительных опций могут быть предусмотрены увлажнитель и нагреватель воздуха.

Шкафные кондиционеры подразделяются на несколько видов в зависимости от направления движения воздуха и типа холодоносителя.

Направление движения воздуха

Существует три основных варианта исполнения шкафного кондиционера: с нижним выдувом воздуха под фальшпол, а также с фронтальным и с верхним выдувом воздуха.

Кондиционеры первого вида, очевидно, подходят для машинных залов ЦОД с фальшполом. Они позволяют раздать холодных воздух сразу по нескольких холодным коридорам, нагнетая его под фальшпол. Далее, через напольные решетки воздух попадёт непосредственно в коридор.

Кондиционеры с верхним выдувом также способны раздать холодный воздух в несколько холодных коридоров одновременно, но через подпотолочное пространство. Иными словами, они как бы «закидывают» холодный воздух через ряды стоек. При этом желательно, чтобы горячие коридоры были изолированы, то есть, чтобы холодный воздух попал исключительно в холодные коридоры.

Наконец, кондиционеры с фронтальным выдувом раздают воздух непосредственно перед собой и не способны доставить его в соседние коридоры. Такие кондиционеры устанавливают либо в середине ряда лицом к фронтальным сторонам ИТ-стоек, либо в конце холодного коридора. В обоих случая кондиционер обслуживает только те стойки, которые расположены в зоне досягаемости генерируемого им воздушного потока.

Тип холодоносителя и количество источников холода

Гораздо более разнообразны шкафные кондиционеры с точки зрения вида используемого холодоносителя и количества принимаемых источников холода (см. рисунок 1). Дело в том, что задача обеспечить максимальную надёжность и бесперебойность холодоснабжения ЦОД потребовала резервирования как самих кондиционеров, так и источников холода. Как результат, часто применяются кондиционеры с двумя вводами холодоносителя от разных источников.

Итак, в самом простом случае шкафной кондиционер имеет один ввод холодоносителя. В случае фреонового кондиционера это входные патрубки хладагента от выносного конденсатора, в случае водяного агрегата – водяные трубы от чиллера. Традиционно в сфере ЦОД фреоновые кондиционеры обозначают DX (Direct eXpansion – кондиционеры прямого расширения), а водяные CW (Chilled Water – кондиционеры, работающие на охлажденной воде).

Третий вид кондиционеров представляет собой фреоновый кондиционер со встроенным водо-фреоновым конденсатором, в котором горячий хладагент отдаёт тепло потоку воды или гликолевого раствора. Внешним блоком такого кондиционера является градирня для охлаждения нагретой воды. Обозначение такой системы – G (Gradieren (нем.) – выпаривать).

Следующие четыре вида шкафных кондиционеров – системы, работающие от двух источников холода, то есть, совмещающие в себе функции первых трёх видов.

Так, существуют шкафные кондиционеры, подсоединяемые к двум различным выносным конденсаторам (можно условно обозначить DX+DX, так как они имеют два контура DX), другие подключаются к различным контурам охлажденной воды (CW+CW).

Следующий вид – кондиционер, работающий на фреоновом и водяном контуре одновременно (DX+CW). Такой агрегат включает в себя как фреоновый испаритель, так и водяной охладитель, и, соответственно,  имеет два ввода. Первый – фреоновый – для подключения к выносному конденсатору, второй – водяной – для подключения к контуру холодной воды.

Наконец, четвертый в списке смешанных (седьмой в общей нумерации) – кондиционер, в котором, в отличие от предыдущего, встроен водяной конденсатор для отвода тепла наружу с помощью воды посредством градирни (G+CW). Таким образом, он имеет два водяных ввода, первый от чиллера, второй – от градирни.

Рисунок 1. Разнообразие шкафных внутрирядных кондиционеров в зависимости от типа холодоносителя (обозначение систем слева направо: DX, CW, G, CW+CW, DX+CW и G+CW, нумерация систем согласно тексту данной статьи: 1, 2, 3, 5, 6, 7)

Решения, предусматривающие сочетание надёжности и энергоэффективности

Помимо рассмотренных семи вариаций некоторые производители предлагают собственные разработки, направленные на повышение энергоэффективности и надёжности работы кондиционеров.

Одно из таких решений – технология динамического естественного охлаждения от компании Stulz – технология DFC (Direct Free Cooling). Суть её заключается в том, чтобы в холодный период года получать холод «бесплатно», то есть без задействования компрессора, в режиме свободного охлаждения. Настройка системы позволяет автоматически переключаться между энергоёмким компрессионным режимом и энергосберегающим режимом свободного охлаждения. Кроем того, алгоритм работы системы совмещать эти режимы в межсезонье, когда холодопроизводительности режима фрикулинга не достаточно для покрытия 100% теплоизбытков ЦОД.

В компании Vertiv (до 2017года компания называлась Emerson Network Power) разработан экономайзер с насосной циркуляцией хладагента (см. рисунок 3). Цель технологии – обеспечить эффективное охлаждение ЦОД в зимний и переходный периоды времени, когда наружная температура ниже температуры внутри машинного зала ЦОД.

В данном случае шкафной кондиционер охлаждает воздух за счёт фреона, однако в зимнее время фреон просто прокачивается по системе в жидком виде без фазового преобразования. Фактически, одно и то же вещество летом является хладагентом для классического паро-компрессионоого холодильного цикла, а зимой оно представляет собой холодоноситель в режиме фрикулинга.

Рисунок 2. Технология Liebert Econophase от компании Vertiv

Ещё одна новаторская разработка от компании Stulz – технология DFC2. Здесь уже не обошлось без оригинальных изменений в конструкции кондиционера. Инженеры разработали перемещающийся в пространстве теплообменник для охлаждения воздуха (DX или CW в зависимости от типа системы). При понижении наружной температуры ниже +18 градусов Цельсия теплообменник откидывается и размещается вдоль вертикальной стенки шкафного кондиционера (см. рисунок 2). Далее в ЦОД направляется прохладный наружный воздух, предварительно подготовленный и очищенный.

Рисунок 3. Схема работы кондиционера, оснащённого технологией DFC2:

• слева – при наружной температура выше +18°С воздух охлаждается в теплообменнике (DX или CW)

• справа – при наружной температуре ниже +18°С теплообменник (DX или CW) откидывается, и в ЦОД подаётся подготовленный и очищенный наружный воздух

Общие соображения по выбору типа холоносителя и количества источников холода

Выбор типа холодоносителя зависит от архитектуры системы охлаждения ЦОД, требуемой надёжности и наличия резервных единиц. В частности, высоконадёжные ЦОД помимо резервирования кондиционеров требуют их обязательного подключения к двум источникам холодоносителя. В ЦОД с меньшим уровнем надёжности могут быть использованы кондиционеры с одним вводом холодоносителя.

В свою очередь решение о применении энергосберегающих технологий следует принимать после расчёта периода их окупаемости. С одной стороны, каждая такая технология потребует дополнительных капитальных затрат. С другой стороны, центры обработки данных работают круглосуточно в течение целого года, то есть необходимое для окупаемости время может быть наработано весьма быстро – достаточно быстро для того, чтобы рассматриваемую технологию имело бы смысл применять.

Наконец, при установке кондиционеров с двумя вводами холодоносителя следует помнить, что два источника холода – это две раздельные независимые друг от друга системы холодоснабжения, для каждой из которых потребуется предусмотреть своё собственное наружное оборудование, трассы, арматуру, автоматику.

Редко какой объект способен выдержать нагромождения двух чиллерных систем, учитывая сложность обвязки и большое количество арматуры в подобных решениях. В связи с этим, например, кондиционеры типа CW+CW обычно применяют на объектах, где один водяной контур обслуживает исключительно ЦОД, а второй контур представляет собой некий существующий водяной контур, обслуживающий объект в целом, или иной источник холодной воды. Это может быть источник геотермального типа, промышленная градирня или холод рядом расположенного озера (технического водоёма).

Внутрирядные кондиционеры

Ещё один массовый тип кондиционеров – внутрирядные кондиционеры. Они представляют собой агрегат, устанавливаемый между двумя стойками и перекачивающий воздух из горячего коридора в холодный, при этом, охлаждая его. Из-за расположения кондиционера между стойками внутрирядные кондиционеры часто называют междустоечными кондиционерами

Очевидно, что длина контура воздушного в такой система меньше, чем в случае применения шкафных кондиционеров, а потому и эффективность работы системы выше. Внутрирядные кондиционеры осуществляют более локальное и нацеленное охлаждение и способны отводить более высокие удельные теплоизбытки (более высокие теплоизбытки с единицы площади или более высокие теплоизбытки от одной стойки).

Направление движения воздуха

Во всех внутрирядных кондиционерая движение воздуха осуществляется от его тыльной стороны, расположенной в горячем коридоре, к фронтальной стороне в холодном коридоре. Нюансы заключаются лишь в направлении выдува воздуха: классическим считается выдув воздуха прямо вперёд (см. рисунок 4), а в компании Stulz приоритет отдают выдуву воздуха влево и вправо вдоль ряда стоек (см. рисунок 5). Обратите внимание, что во втором случае глубина кондиционеров больше, чем глубина ИТ-стойки, и кондиционеры выступают внутрь холодного коридора.

Рисунок 4. Внутрирядные кондиционеры забирают воздух из горячего коридора и выдувают охлажденный воздух прямо в холодный коридор ЦОД  

Рисунок 5. Внутрирядные кондиционеры CyberRow от компании Stulz выдувают воздух не прямо, а влево и вправо – вдоль фронтальных дверей ИТ-стоек

Тип холодоносителя и количество источников холода

Как и в случае шкафных кондиционеров, внутрирядные кондиционеры имеют несколько исполнений в зависимости от типа используемого холодоносителя. Это ранее описанные DX, CW и G системы, а также комбинация некоторых из них с режимом свободного охлаждения (FC). В частности, существуют кондиционеры, работающие по схемам CW+FC и G+FC.

Общие соображения по выбору типа холодоносителя и количества источников холода при использовании внутрирядных кондиционеров соответствуют аналогичным рассуждениям в случае применения шкафных кондиционеров.

Моноблочные прецизионные кондиционеры

В малых серверных и на базовых станциях сотовых операторов распространены моноблочные прецизионные кондиционеры (см. рисунок 6). Такие агрегаты устанавливаются на наружной стене внутри или снаружи серверной, и работают по схеме традиционного моноблочного оконного кондиционера.

При выборе моноблочных кондиционеров следует обращать внимание на направление выдува холодного воздуха. Это может быть верхний или нижний выдув, причём устройства с нижним выдувом подходят в том числе и для серверных с фальшполом.

Практически все современные моноблочные прецизионные кондиционеры оснащены функцией свободного охлаждения. В этом режиме компрессоры отключаются, и кондиционеры осуществляют вытяжку горячего внутреннего воздуха наружу с одновременной подачей в серверную уличного воздуха через секцию фильтрации. Кстати, подобный режим «проветривания» незаменим в случае аварии или перегрева серверной: максимальный продув помещения осуществляется посредством минимальных энергозатрат.

Ещё одно исполнение моноблочных кондиционеров – модели с функцией вентиляции замещением (Displacement). Как известно, основной источник повышенной скорости воздуха в малых серверных и базовых станциях – кондиционер. Кондиционеры типа Displacement подают холодный воздух в нижнюю часть помещения с медленной скоростью, снижая перемешиваемость воздуха в помещении. Это позволяет добиться увеличения стратификации воздуха по температуре: температура воздуха в верхней части помещения возрастёт на несколько градусов. Работа кондиционеров и ИТ-стоек на увеличенном перепаде температур позволяет понизить расход воздуха и шум в помещении.

Рисунок 6 – Внешний вид моноблочного прецизионного кондиционера

Прецизионные сплит-системы

Прецизионные сплит-системы похожи на полупромышленные сплит-системы с внутренними блоками кассетного типа. Они имеют внутренний блок, подвешиваемый к потолку, и наружный блок, схожий с таковым же из непрецизионной категории климатического оборудования (см. рисунок 7).

Основная сфера применения таких кондиционеров – как и в случае моноблочных кондиционеров – небольшие по мощности и размерам серверные помещения и базовые станции. Кондиционеры не занимают места на полу, а их холодильная мощность, как правило, не превышает 20 киловатт.

Прецизионные сплит-системы также имеют функцию фрикулинга, для её реализации внутренний блок должен иметь связь (напрямую или посредством воздуховода) с наружной средой. В режиме фрикулинга наружный блок полностью отключается, а внутренний блок обеспечивает приток воздуха с улицы и выброс горячего воздуха из помещения наружу. В случае аварии или перегрева этот режим может быть использован в качестве экстренного интенсивного проветривания.

Рисунок 7 – Внешний вид прецизионной сплит-системы кассетного типа

Другие виды прецизионных кондиционеров

К другим видам прецизионных кондиционеров относятся агрегаты, монтируемые внутрь стойки, подвешиваемые вместо задней дверцы стойки, встроенные в плитку фальшпола, модули свободного охлаждения и иные экзотические варианты.

Как правило, они не являются самодостаточными и фактически представляют собой модули охлаждения, работающие от внешнего источника холода, например, охлажденной чиллером воды. Таким образом, их не совсем правильно называть «кондиционерами», более точное название – «доводчики» или «модули охлаждения».

Суть работы модуля охлаждения является дополнительное снятие теплоизбытков в помещении или локальное дополнительное охлаждение конкретных высоконагруженных стоек. Также они могут применяться в небольших серверных из одной или нескольких стоек. Таким образом, для каждой стойки фактически будет предусмотрен свой небольшой охладитель.

Модули охлаждения, монтируемые внутрь стойки, выбрасывают горячий воздух в пространство помещения или по воздуховодам наружу.

Модули охлаждения, подвешиваемые на задней стороне стойки (см. рисунок 8). Они охлаждают горячие потоки воздуха, нагретые ИТ-оборудованием. Таким образом, горячий воздух не попадает в само помещение, не нагревает его, а, значит, отсутствуют и горячие коридоры. Стойки с такими блоками охлаждения могут быть расположены вблизи рабочих мест.

Модули охлаждения, встроенные в плитку фальшпола представляют собой активную (то есть имеющую вентилятор) напольную решётку со встроенным теплообменником, подключенным к системе холодоснабжения (см. рисунок 9). Они охлаждают воздух перед его попаданием в стойку, причём делают это достаточно безопасно для того, чтобы потенциально возможный к появлению конденсат не проник внутрь стойки.

Рисунок 8 - Внешний вид и схема работы модуля охлаждения, подвешиваемого на заднюю сторону стойки

Рисунок 9 – Внешний вид модуля охлаждения, встраиваемого в фальшпол

Модули свободного охлаждения (модули фрикулинга) – это вентиляционные агрегаты, монтируемые на наружную стену и осуществляющие подачу наружного воздуха в серверную, фильтруя и смешивая с рециркуляционным потоком для достижения заданной температуры.

Они не имеют компрессора, теплообменников, труб, не требуют холодоносителя. Таким образом, они не способны искусственно охладить помещение. Их основная задача – обеспечить максимально возможное охлаждение помещения за счёт наружного воздуха в зимний и переходный периоды, а также аварийное проветривание помещение.

Сфера применения модулей свободного охлаждения ограничена небольшими серверными помещениями и базовыми станциями.

Комплектация прецизионных кондиционеров

При подборе и заказе прецизионных кондиционеров следует уделить повышенное внимание их комплектации. В частности, шкафные кондиционеры имеют большой выбор опций, некоторые из которых являются обязательными, другие – нет.

Для шкафных кондиционеров с нижним выдувом необходима рама с антивибрационным основанием, высота которой соответствует высоте фальшпола (впрочем, высота рамы регулируется с помощью ножек).

Поскольку в ЦОД нормируется не только температура, но и влажность воздуха, обязательным является наличие пароувлажнителя. Справедливости ради отметим, что пароувлажнитель не обязательно предусматривать в каждом кондиционере – достаточно одного или нескольких устройств на каждый машинный зал в зависимости от его площади.

Опциональной является и секция фильтрации. Наиболее часто встречающийся вариант – применение фильтра класса очистки G4. На некоторых объектах требуется более тонкая очистка, и предусматривают двухступенчатую фильтрацию воздуха G4+F7.

Ещё одна опция – микропроцессор и наличие дисплея. Микропроцессор должен быть включен в любой кондиционер, но центральный микропроцессор предусматривают один на машинный зал. Дисплей также необходим как минимум один на машинный зал, однако для удобства работы с кондиционерами может быть предусмотрен и в каждом кондиционере – это вопрос бюджета.

В некоторых случаях требуется выносной графический дисплей. Он может пригодиться для удалённого мониторинга кондиционеров. Кроме того, он необходим для таких кондиционеров, как прецизионные сплит-системы, поскольку зачастую к ним нет постоянного доступа в процессе эксплуатации.

Как правило, обязательными являются опции датчика утечки воды и воздушной заслонки с электроприводом. Для взаимосвязи нескольких кондиционеров может потребоваться сетевой адаптер и специальный информационный кабель. Более подробный перечень опций и базовую комплектацию кондиционера следует уточнять у производителя.