Крупные центры обработки и хранения данных — весьма серьёзные потребители электроэнергии; также они требуют соответствующего охлаждения, мощность систем которого может исчисляться мегаваттами. Министерство окружающей среды Японии считает, что в охлаждении ЦОД может помочь сама окружающая среда, а именно — снег.

Не секрет, что стиль жизни населения планеты Земля с появлением коронавируса начал сильно изменяться. Всё больше людей предпочитают проводить время дома, чтобы уменьшить вероятность заражения и всё больше компаний используют удалённые места работы с теми же целями. Нагрузка на компьютерные сети растёт, а с учётом популярности видеоконференций и стриминговых служб вроде Netflix — растёт весьма серьёзно. Соответственно растёт и энергопотребление центров обработки данных.

Бибай, остров Хоккайдо, Япония. Место размещения первого экспериментального «снежного» ЦОД

Согласно статистике, приводимой японскими источниками, лишь один сегмент крупного современного ЦОД может потреблять до 40 мегаватт. В 2019 году ЦОД потребляли порядка 1% всей производимой на планете энергии, и эта цифра не думает уменьшаться. Вполне закономерно, что в свете этих тенденций Министерство окружающей среды Японии обеспокоилось данной проблемой.

В рамках создания более дружественных экологии ЦОД планируется субсидировать строительство таких дата-центров из правительственного бюджета, причём доля субсидий в проекте может достигать 50%, а общий объём затрат на эту инициативу должен составить 757 миллиардов йен ($7,3 млрд).

Система, использующая снег для охлаждения, не слишком сложна

Самым интересным в этой инициативе является использование снега в системах охлаждения ЦОД. Подобная возможность уже опробована некоторыми японскими компаниями. Так, в городе Нагаока (примерно 280 км к северу от Токио) провайдер DataDock использует искусственный снегоуловитель высотой четыре метра для охлаждения своего компьютерного центра, благо климат в этом регионе позволяет делать это с декабря по февраль. Полученная в результате вода затем используется на соседних гидропонных фермах.

В разные времена года «снежные» системы охлаждения будут функционировать по-разному

Ещё севернее, на острове Хоккайдо в городе Исикари, где температура может падать до -5 °C, провайдер Sakura Internet построил свой вычислительный комплекс площадью почти 52 тыс. м². Глава компании заявляет, что ЦОД в Исикари может обходиться без вспомогательных систем охлаждения с октября по май, когда температура не превышает 18 °C.

Этот центр снабжен системами забора окружающего воздуха, который и охлаждает оборудование, а затем, будучи нагретым, используется для предотвращения обледенения ведущих к ЦОД дорожек. В сравнении с аналогичным ЦОД, расположенным в Токио, энергопотребление удалось снизить на 40% просто за счёт размещения оборудования в более холодной климатической зоне.

Системы охлаждения ЦОД нового поколения дружественны к экологии и помогают другим отраслям

Вскоре в этом же регионе компания Kyodo News Digital планирует запустить ещё один «снежный» ЦОД площадью свыше 36 тыс. м². Гибридная система охлаждения будет потреблять на 55% меньше энергии в сравнении с системами классического типа. Ранее в этом же месте, в городе Бибай, уже был проведен эксперимент, подтвердивший работоспособность подобных систем охлаждения серверных помещений и оборудования.

У подобного похода есть недостатки: системы охлаждения, зависящие от снега и низкой окружающей температуры, могут работать не круглый год. К тому же требуется прокладывать новые линии передачи данных до удалённых ЦОД, а дополнительные расстояния могут негативно сказаться на времени отклика. Однако выгоды, приносимые экономией энергии, всё-таки достаточно велики, чтобы инициатива «снежного охлаждения» вышла в Японии на государственный уровень.

Системы кондиционирования Huawei FusionCol, к числу которых относится и рассматриваемая NetCol8000-E, предназначены для создания систем охлаждения с применением технологии непрямого охлаждения (непрямого фрикулинга) средних и крупных дата-центров.

Применяемая в данном решении система управления Huawei iCooling на базе технологии ИИ вкупе с интеллектуальными режимами энергосбережения и расхода воды позволяет оптимизировать использование электроэнергии и значительно увеличить время работы системы в режиме свободного охлаждения.

Система кондиционирования Huawei NetCol8000-E

NetCol8000-E обеспечивает точное соответствие нагрузки и управления подачей воздуха в реальном времени, что снижает энергопотребление всего ЦОДа. Все компоненты NetCol8000-E, включая встроенный контур Direct Expansion (DX) для непрерывного охлаждения и корпус-контейнер, изготавливаются на заводе Huawei, что гарантирует быструю доставку и монтаж системы. Простая и надежная система охлаждения FusionCol позволяет создать экологичный дата-центр при значительном снижении расходов на энергию.

Решения FusionCol основаны на многолетнем опыте компании и широко применяются в Китае как один из компонентов модульных быстровозводимых дата-центров Huawei Enterprise Business Group, собираемых из стандартных контейнеров. Huawei также продвигает эти решения как элемент экосистемы для построения крупных ЦОДов. В настоящее время компания поставляет решения FusionCol с хладопроизводительностью 220 кВт.

Недавно Huawei расширила географию поставок систем охлаждения FusionCol за пределы Китая, и сегодня решения серии NetCol8000-E производительностью 220 кВт уже доступны российским заказчикам.

Системы FusionCol позиционируются компанией как альтернатива традиционным HVAC-системам (Heating, Ventilation, & Air Conditioning) охлаждения ЦОДов для решения четырех ключевых проблем: высокого энергопотребления, длительного времени развертывания, низкого уровня автоматизации и сложности обслуживания в процессе эксплуатации.

Примерный расчет энергоэффективности ЦОДа на 1500 стоек для широты Пекина

Системы FusionCol обеспечивают лучшую эффективность за счет оптимизации коэффициента эффективности использования энергии (PUE) до 1,20 — на уровне Platinum по классификации Green Grid, что даёт тем самым экономию расходов на электропитание систем охлаждения ЦОДа до 60%.

Интеллектуальное управление Fusion-iCooling с применением алгоритмов ИИ по мере сбора информации и на основании её анализа представляет интеллектуальные рекомендации по применению водосберегающих и энергоэффективных режимов работы.

Коррекция режима работы производится в реальном времени с учетом изменения нагрузки ЦОДа, с точной регулировкой подачи воздуха. Такой подход позволяет увеличить суммарное время охлаждения в естественном режиме с оптимальным использованием ресурсов, и в итоге уменьшить частичный коэффициент PUE (pPUE) на 0,01 по сравнению с традиционными системами кондиционирования (Air Handling Units, AHU).

Дополнительный эффект от внедрения системы FusionCol также обеспечивается за счет экономии пространства, выделяемого под системы охлаждения ЦОД. Так, при расчёте условного дата-центра на 1500 стоек с потреблением энергии порядка 8 кВт на стойку и типовой загрузкой на уровне 30%-50%, можно сэкономить по сравнению с традиционными AHU до 38% площади при уличной установке FusionCol и до 20% площади при установке системы внутри помещения ЦОДа.

Теплообменная схема системы базируется на двух контурах: воздушном теплообменнике из алюминиевой фольги с эпоксидным покрытием, и теплообменнике косвенного испарения, обеспечивающем перекрестную теплоотдачу без непосредственного контакта потоков внутреннего нагретого воздуха и внешней подачи воздуха.

Гибридная система охлаждения Huawei FusionCol

Подача охлажденного воздуха и вывод нагретого воздуха производятся с помощью теплоизолированных воздуховодов. Их распределение по машинному залу дата-центра производится по традиционной схеме с изолированными коридорами, однако вполне допустимы любые эффективные схемы распределения воздуха.

Система распыления нетребовательна к качеству воды (уровень фильтрации как минимум 89 мкм, pH в пределах от 6,5 до 8, жесткость менее 100 мг/л). Использование металлических сопел и небольшое число блоков распыления гарантирует низкий расход воды. Применение вентиляторов с электронным управлением и плавной регулировкой в пределах 30-100% нагрузки также позволяет снизить энергопотребление минимум на 20%.

Режимы работы Huawei FusionCol

Системы Huawei FusionCol совмещают все необходимые режимы работы и используют принцип непрямого охлаждения. В режиме фрикулинга задействован воздушный теплообменник без промежуточного теплоносителя, но и без непосредственной подачи «уличного воздуха», с плавной регулировкой вентиляторами и воздушными заслонками. Режим фрикулинга запускается при наружной температуре ниже +16°С.

При повышении уличной температуры до +19°С, система переходит в режим непрямого охлаждения — когда вода распыляется на теплообменник и по мере испарения отводит тепло. При росте уличной температуры выше +19°С включается гибридный режим с фреоновым холодильным контуром. В отличие от традиционного кондиционера, в этом режиме воздух по мере возможности охлаждается фрикулингом, и уже после этого холодильным контуром.

Для реалий российской средней полосы, с учетом локальных показателей влажности, система FusionCol будет работать с включенным фреоновым контуром в среднем на протяжении месяца-двух в течение года. Все остальное время FusionCol будет работать в гибридном режиме или в режиме фрикулинга.

Спецификации системы кондиционирования Huawei FusionCol NetCol8000-E

Все компоненты систем FusionCol собираются и предварительно тестируются непосредственно на заводе-изготовителе. Именно поэтому на сборку и запуск системы требуется не более одного месяца. После размещения заказа требуется не более четырёх месяцев на поставку и монтаж. Таким образом, сокращение затрат рабочего времени на установку FusionCol достигает более 50% по сравнению с монтажом традиционных чиллерных систем охлаждения.

Простота внедрения систем FusionCol реализована за счет их модульной (контейнерной) конструкции, что удобно для установки внутри и вне помещения дата-центра — в ряд, стойкой или даже на крыше при достаточно прочной конструкции здания.  

Техобслуживание систем FusionCol несложное и занимает немного времени. Благодаря разделению шины силового питания и слаботочных цепей, обслуживание основного блока управления и вспомогательных модулей занимает не более одной минуты.

Обслуживание компрессора, подключенного с применением технологии RotaLock, обходится без применения сварочных работ, что экономит до 80% времени на техобслуживании. Наличие независимого кабеля для контроля работы вентиляторов гарантирует оперативное обслуживание в течение 5 минут.

Системы FusionCol оснащаются уникальным алгоритмом самодиагностики, который обеспечивает оперативное устранение мелких ошибок и решение вопросов со сложными неисправностями в течение 15 минут, что значительно быстрее чем 7 часов, отводящихся на ремонт традиционных систем охлаждения.

Интегрированные возможности позволяют собирать данные о неисправностях в один клик. Для этого система оснащена 7-дюймовым цветным сенсорным экраном с поддержкой отображения информации о 32 блоках, работающих в группе, памятью на 500 ошибок. Мониторинг системы сбоев поддерживает резервное копирование, циклический и каскадный режим отображения, и другие функции. Журнал событий может хранить 30-дневную историю со всеми кривыми изменения температуры и влажности.

Благодаря тому, что вентиляторы, насосы и теплообменное ядро системы FusionCol выполнены по модульной схеме избыточной конструкции N + 1, неисправность или частичный отказ одного модуля никоим образом не отражается на работоспособности всей системы. Цепи питания вентиляторов и компрессоров имеют независимый друг от друга дизайн и резервирование для дополнительной надежности коммутации.