Schroff White Paper 002, The optimisation of heat dissipation from
advertisement
Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ Защитная оболочка с «холодным» коридором ОПТИМИЗАЦИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СЕРВЕРНЫХ ШКАФОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЛИ РАЗГРУЗКИ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИЯХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЦЕНТРА 1/11 Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ Оглавление 1. Введение: минимизация потерь, оптимизация охлаждения 2. Установка серверных шкафов в вычислительных центрах — «холодные» и «горячие» коридоры 2.1 Холодный воздух поступает сверху 2.2 Холодный воздух поступает снизу 3. Этап оптимизации 1: использование радиальных вентиляторов в задних дверцах 4. Этап оптимизации 2: перекрытие «холодного» коридора 5. Этап оптимизации 3: «холодный» коридор перекрывается также спереди и сзади 6. Этап оптимизации 4: дверцы с водяным охлаждением на выходной стороне серверов 7. Этап оптимизации 5: дверцы с водяным охлаждением на входной стороне серверов 8. Этап оптимизации 6: закрытые отсеки, имеющие по два воздушно-водяных теплообменника (ВВТО) (LHX 20) спереди и сзади 9. Этап оптимизации 7: система кондиционирования только для страховки 10. Заключение 11. Портрет компании Schroff и информация об авторе 2/11 Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ 1. Введение: минимизация потерь, оптимизация охлаждения В последние годы мощность серверов в вычислительных центрах кардинально возросла, а вместе с ней увеличилась и потребность в охлаждении. Вычислительные центры сейчас охлаждаются почти исключительно воздухом. Сервер и другие компоненты ИТ-систем чаще всего монтируются в серверных шкафах таким образом, чтобы они всасывали прохладный воздух из помещения спереди и выпускали нагретый воздух сзади. Холодный воздух подается центральной системой кондиционирования воздуха помещения. Оптимизация охлаждения для разгрузки имеющейся системы кондиционирования воздуха необходима, прежде всего, в указанных далее случаях. • Существующее серверное помещение оснащается дополнительно. Т. е. серверных шкафов устанавливается больше, чем можно охладить с помощью центральной системы кондиционирования. • Неоптимальная конфигурация серверного помещения требует дополнительного охлаждения помещения. При этом часть эффективной охлаждающей способности системы кондиционирования необоснованно теряется. 2. Установка серверных шкафов в вычислительных центрах — «холодные» и «горячие» коридоры Максимально возможная охлаждающая способность для каждого серверного шкафа ограничивается возможностью окружающего помещения подавать достаточное количество охлаждающего воздуха к передним панелям шкафов и выводить нагретый воздух от задних панелей из помещения. Если серверные шкафы устанавливаются в коридорах, в которых задние панели ряда серверных шкафов направлены к передним панелям следующего ряда серверных шкафов, серверы второго ряда напрямую всасывают часть выдуваемого первым рядом теплого воздуха. При расположении серверных шкафов в так называемых «холодных» и «горячих» коридорах кондиционирование помещения вычислительного центра оптимизируется. Приведенные ниже предложения исходят из того, что сами шкафы уже оптимизированы в отношении правильного подвода воздуха. 2.1. Холодный воздух поступает сверху При организации «холодного» и «горячего» коридоров холодный воздух может поступать в «холодный» коридор двумя различными путями. Первая возможность: холодный воздух подается сверху системой кондиционирования воздуха, а нагретый воздух удаляется также сверху или сбоку (здесь не представлен) системой кондиционирования. 3/11 Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ Эти решения следует выбирать, если, например, отсутствует фальшпол. Конечно, при этом возникают относительно большие потери. Из-за пространственной близости между нагнетательным и всасывающим патрубками системы кондиционирования возникает замыкание. Это означает, что часть холодного воздуха сразу же вытягивается снова. Кроме того, часть нагретого воздуха из «горячих» коридоров не вытягивается системой кондиционирования напрямую, а перемешивается с поступающим сверху холодным воздухом и снова всасывается серверами в шкафы. 2.2. Холодный воздух поступает снизу Если холодный воздух поступает снизу через фальшпол в нижней части «холодного» коридора, можно избежать части описанных выше потерь. И при таком расположении нагретый воздух вытягивается вверх системой кондиционирования воздуха. 4/11 Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ Описанные выше замыкания потоков воздуха между нагнетательным и всасывающим патрубками здесь не возникают, поскольку приток воздуха (фальшпол) и отсос воздуха (перекрытие помещения) расположены достаточно далеко друг от друга. Однако, для того чтобы обеспечить верхние серверы в шкафу достаточным количеством холодного воздуха, в этом случае его часть проходит мимо серверов, непосредственно в воздухозаборник системы кондиционирования. При такой конфигурации скорость потока холодного воздуха играет очень важную роль. Если она слишком низка, верхние серверы в шкафах недостаточно обеспечиваются холодным воздухом. Температура воздуха в верхней части шкафов достигает недопустимо высоких значений, возникают горячие точки. Если скорость потока воздуха слишком высока, холодный воздух слишком быстро проходит мимо нижних серверов, и в результате они недостаточно снабжаются холодным воздухом. Достижение баланса затрудняется еще и тем, что холодный и теплый воздух смешиваются в «горячем» коридоре и между верхними и нижними отделами шкафов возникает температурное расслоение. Такое расслоение может только в благоприятных случаях составлять до 5 К и только благодаря замкнутой защитной оболочке может быть снижено до минимума. 3. Этап оптимизации 1: использование радиальных вентиляторов в задних дверцах Для дальнейшей оптимизации охлаждения обычные задние дверцы серверных шкафов заменяются дверцами с вентиляторами. Вентиляторы всасывают нагретый воздух из серверного шкафа и нагнетают его непосредственно во всасывающий патрубок системы кондиционирования. Такие варианты следует выбирать в первую очередь для серверных помещений без фальшпола, чтобы, насколько возможно, минимизировать замыкание потоков холодного и теплого воздуха. При этом потери заметно сокращаются. Другим преимуществом является равномерное прохождение воздуха по всей высоте шкафа. Это преимущество сохраняется при применении в серверных помещениях с фальшполом. Замена стандартных дверец дверцами с радиальными вентиляторами может производиться быстро и без проблем даже во время работы. 5/11 Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ 4. Этап оптимизации 2: перекрытие «холодного» коридора При подаче воздуха через фальшпол существует несколько возможностей минимизации потерь «холодного» коридора и обеспечения оптимальной скорости потока. Самое простое решение — перекрытие «холодного» коридора сверху. Благодаря этому, во-первых, снижается скорость потока холодного воздуха, а во-вторых, обеспечивается то, что большая часть холодного воздуха, поступающего в «холодный» коридор, всасывается серверами в шкафы. Температурное расслоение по высоте шкафа заметно снижается, что приводит к повышению эффективности системы кондиционирования. В направлении движения в «холодном» коридоре (впереди и сзади) тем не менее, возникают потери. 5. Этап оптимизации 3: «холодный» коридор перекрывается также спереди и сзади Теперь в дополнение к перекрытию сверху «холодный» коридор перекрывается также спереди и сзади (дверь или тамбур). 6/11 Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ При этом образуется отсек и своего рода принудительная подача воздуха. Теперь холодный воздух может проходить только через серверные шкафы. При этом больше не возникает потерь. Температурное расслоение по высоте шкафа в этом случае эффективно устраняется, что приводит к оптимальному использованию энергии системы кондиционирования. 6. Этап оптимизации 4: дверцы с водяным охлаждением на выходной стороне серверов На следующем этапе оптимизации дверцы на выходной стороне серверов заменяются дверцами с пассивным или активным воздушно-водяным теплообменником (ВВТО). Благодаря применению активных или пассивных ВВТО на этом участке имеющаяся система кондиционирования воздуха в значительной степени разгружается. В обоих случаях теплый воздух из серверов перед выходом из шкафов может охлаждаться даже до уровня ниже температуры поступающего воздуха. Это свойство может быть полезным, если система кондиционирования уже достигла пределов своих физических возможностей, а в серверном помещении необходимо установить дополнительные серверы. При использовании задних дверец с активным ВВТО достигается равномерное распределение воздуха по всей высоте шкафа. Вентиляторы активного ВВТО откачивают теплый воздух от серверов из задней части серверных шкафов через ВВТО и, охладив, нагнетают его в серверное помещение. При этом собственные вентиляторы серверов получают сильную поддержку. Если применяются задние дверцы с пассивным ВВТО, аэродинамическое сопротивление теплообменника должно точно согласовываться с собственными вентиляторами серверов, чтобы они могли выдувать нагретый воздух. 7. Этап оптимизации 5: дверцы с водяным охлаждением на входной стороне серверов На этом этапе оптимизации дверцы на входной стороне серверов заменяются дверцами с пассивным или активным ВВТО. Разумеется, такая оптимизация может применяться, только 7/11 Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ если это позволяет конструкция серверов. Для того чтобы иметь возможность обслуживать или осматривать переднюю панель сервера, серверы должны продуваться холодным воздухом сзади. Кроме того, патч-корды и прочие важные подключения должны подключаться спереди, чтобы не приходилось оборудовать шарнирами дверцы с ВВТО. Взамен этого пользователь получает привлекательные дополнительные преимущества. • Система кондиционирования воздуха больше не нужна. Требуется только водоохладительный агрегат (охладитель) для производства воды для ВВТО. • Благодаря применению двухлинейных распределителей перед каждым ВВТО, последние будут потреблять только необходимое для поддержания заданной температуры сервера количество холодной воды. • За счет применения двухлинейных распределителей перед каждым ВВТО циркуляционный насос будет очень экономно использоваться при постоянном давлении и переменном расходе воды. • Значительные потери энергии при охлаждении серверного помещения и фальшпола (охлаждение здания) исключаются. Напротив, благодаря тому, что температура в помещении значительно выше температуры снаружи здания, часть тепла будет передаваться через стены здания в атмосферу и тем самым разгружать водоохладительный агрегат. • При этом получается ощутимая экономия затрат на энергию, которая может быть еще заметнее благодаря применению исключительно пассивных ВВТО. 8. Этап оптимизации 6: закрытые отсеки, имеющие по два воздушно-водяных теплообменника (LHX 20) спереди и сзади Еще более эффективным будет охлаждение благодаря применению двух ВВТО справа и слева внутри замкнутой «холодной» камеры в конце шкафов. Кроме того, задние дверцы могут оборудоваться радиальными вентиляторами. При этом следует рассматривать отдельно 8/11 Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ варианты с фальшполом и без него. В обоих случаях, тем не менее, эффективность охлаждения серверов существенно повышается. Если имеется фальшпол, благодаря этому способу появляются дополнительные преимущества. • Температура воздуха в холодном отсеке может заметно снизиться по сравнению с температурой воздуха из фальшпола. • Количество воздуха, поступающего к серверам, увеличивается. • Избыточное количество холодного воздуха из фальшпола может подаваться к другим серверным шкафам. • Серверные шкафы вблизи ВВТО получают больше холодного воздуха из ВВТО и меньше из фальшпола. Благодаря этому средние шкафы могут получать больше холодного воздуха из фальшпола. • Поток воздуха по всей высоте шкафа распределяется намного равномернее. Если фальшпол отсутствует, при образовании таких «холодных» серверных отсеков следует учитывать максимально возможную охлаждающую способность ВВТО и доступность холодного воздуха для отдельных серверных шкафов. Здесь также имеется несколько преимуществ. • Серверные шкафы могут снабжаться заметно более холодным воздухом, чем могут обеспечить системы кондиционирования. • Система кондиционирования воздуха может быть заметно разгружена. • Эта концепция может применяться даже в помещениях, которые в противном случае непригодны к использованию в качестве серверных помещений. • Поток воздуха намного равномернее распределяется по всей высоте шкафа, что предотвращает возникновение горячих точек. • Температурное расслоение по высоте шкафа практически устранено. Благодаря этому повышается энергетический КПД всей системы. 9/11 Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ Эта концепция может быть расширена за счет применения описанных выше дверец с охлаждением со всеми упомянутыми преимуществами. 9. Этап оптимизации 7: система кондиционирования только для страховки На последнем этапе оптимизации установленные дополнительно серверные шкафы охлаждаются в закрытом состоянии с помощью ВВТО (LHX20). Благодаря этому возникает концепция независимого от помещения охлаждения, и преимущества водяного охлаждения могут использоваться без ограничений. Внутренняя температура шкафа точно определяется потребностью серверов, остальная инфраструктура при этом не затрагивается. Эта концепция позволяет оборудовать дополнительными шкафами вычислительные центры, системы кондиционирования воздуха которых настолько нагружены, что увеличение расхода охлаждающего воздуха больше невозможно, но есть резервы для дополнительного водяного охлаждения. Существующие серверные шкафы и далее охлаждаются центральной системой кондиционирования воздуха. В случае необходимости следует установить дополнительный охладитель (водоохладительный агрегат) для ВВТО. Если серверное помещение не оснащается дополнительно, а перепроектируется, все серверные шкафы могут охлаждаться независимо от помещения с помощью ВВТО (LHX 20). Благодаря этому охлаждаются только те участки вычислительного центра, которые требуют охлаждения. При нормальной работе мощность системы кондиционирования может быть снижена до минимума. Она теперь должна отводить только ту часть тепла, которая передается через поверхность шкафа. в помещение и принимает на себя дополнительно резервную функцию. В случае выхода из строя встроенного ВВТО автоматически открывается дверца этого серверного шкафа, и 10/11 Техническое описание – Эффективное охлаждение серверных шкафов __________________________________________________________________________ серверы в течение определенного времени снабжаются воздухом, охлажденным системой кондиционирования. 10. Заключение Для оптимизации существующих вычислительных центров в отношении более эффективного охлаждения имеются различные возможности. Так, можно разгрузить работающие на пределе мощности системы кондиционирования помещений и сделать возможной установку новых серверных шкафов. Даже с точки зрения ИТ существует потенциал дальнейшей оптимизации, при котором повышается эффективность использования энергии отдельных устройств (например, серверов). Поэтому многие известные производители объединились в открытые некоммерческие организации, такие как Green Grid и Climate Savers Initiative. 11. Портрет компании Schroff и информация об авторе Компания Schroff с головным офисом в г. Штраубенхард, Германия — ведущий разработчик и производитель корпусных систем и шкафов для электронного оборудования, систем автоматизации, информационной и телекоммуникационной техники в мире. Стандартная производственная программа включает как шкафы, корпуса и блочные карксы, так и блоки питания и кроссплаты, — вплоть до модульных конструктивов для микропроцессорных систем для установки в помещениях и под открытым небом. На базе этой производственной платформы компания Schroff имеет возможность быстро и эффективно реализовать модификации по заказу клиентов. Благодаря расширенным услугам интеграции компания Schroff объединяет производство и обслуживание в комплексные решения с настоящей выгодой для клиентов. Изделия и услуги компании являются результатом десятилетней концентрации на глобальных интересах рынка электроники. Так компания Schroff постоянно развивала свои основные специализации, чтобы сегодня, обладая экспертными знаниями в вопросах производства корпусов и шкафов для электронного оборудования, терморегуляции и электромагнитной совместимости, обеспечить дополнительную потребительскую ценность своих изделий. Доктор технических наук Адам Павловски является выпускником Варшавского политехнического университета по специальности «Производство авиационных двигателей» с акцентом на процессах сгорания. В свое время в качестве научного сотрудника Берлинского технического университета он защитил диссертацию в области механических колебаний. В ходе своего профессионального становления он проработал несколько лет руководителем отдела научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в области кондиционирования распределительных шкафов, а также в автомобильной промышленности. С августа 2005 г. доктор технических наук Павловски работает менеджером производства техники кондиционирования воздуха в компании Schroff GmbH. 11/11
