How Natural Cooling Solution Boosting Data Center Efficiency & Sustainability – Русский

Решение естественного охлаждения — одно из ключевых решений, ориентированных на эффективность, которое позволяет сократить эксплуатационные расходы дата-центра и снизить его воздействие на окружающую среду.

Общепризнано, что точный контроль температуры критически важен для дата-центров, поскольку чрезмерно высокие температуры и нерегулируемая влажность могут нанести необратимый ущерб ИТ-оборудованию и ухудшить его рабочие характеристики. Хотя в тепловых рекомендациях указан идеальный диапазон температур 18–20 °C, большинство современных дата-центров работают с расширенными температурными порогами, часто до 27 °C и выше.

Поэтому проектирование оптимизированной системы охлаждения дата-центра стало приоритетной задачей, особенно по мере того, как общественное внимание и нормативные требования всё активнее сосредоточиваются на ограничении воздействия дата-центров на окружающую среду.

На этом фоне решение естественного охлаждения стало ключевой стратегией снижения энергопотребления на охлаждение за счёт максимально полного использования доступных природных ресурсов охлаждения. Благодаря инновационному проектированию систем и интеграции высокоэффективных чиллеров решение естественного охлаждения теперь применимо для значительно более широкого круга географических регионов.

Что такое решение естественного охлаждения?

Естественное охлаждение — это набор технологий охлаждения, использующих естественно доступные ресурсы — такие как наружный воздух или вода — для отвода тепла.

Его основная цель — снизить зависимость от энергоёмких методов механического охлаждения, таких как традиционные системы кондиционирования воздуха.

Хотя системы естественного охлаждения бывают разных форм, их основной принцип работы остаётся неизменным: захват естественного воздуха или воды из окружающей среды и их циркуляция через специализированную инфраструктуру для охлаждения объектов дата-центра.

Это существенное отличие от систем механического охлаждения, которые полагаются на компрессоры и хладагенты для понижения температуры воздуха или жидкостей.

Напротив, естественное охлаждение отдаёт приоритет простоте эксплуатации, устраняя необходимость в сложных механических компонентах и энергоёмких циклах охлаждения.

Основные принципы и условия эксплуатации

Во-первых, важно отметить, что естественное охлаждение применимо не везде: его осуществимость полностью зависит от наличия природных ресурсов охлаждения в конкретном месте размещения дата-центра.

Во-вторых, системы естественного охлаждения работают как пассивные решения, поскольку они зависят от естественных физических процессов (таких как конвекция воздуха) для поглощения и передачи тепла. Когда наружный воздух или вода холоднее внутренней среды дата-центра, их можно направлять внутрь для пассивного охлаждения ИТ-оборудования.

Тем не менее чисто пассивное естественное охлаждение на практике применяется редко. Большинство систем дополняются резервным холодильным оборудованием, например высокоэффективными чиллерами, которые подают дополнительный охлаждённый воздух для поддержания стабильных температур, когда природных ресурсов недостаточно.

В гибридных конфигурациях охлаждения естественное охлаждение и механические чиллеры работают совместно, поддерживая оптимальные тепловые условия независимо от внешней погоды или сезонных изменений. Такая гибкость позволяет операторам дата-центров максимально использовать естественное охлаждение в благоприятные периоды дня или года, одновременно активируя дополнительное охлаждение в менее благоприятных условиях.

Короче говоря, естественное охлаждение обычно выступает дополнением к традиционным системам охлаждения, работая вместе с ними для повышения общей энергоэффективности дата-центра.

Ключ к успеху, как подробно рассматривается ниже, заключается в проектировании адаптивных систем, которые периодически активируют чиллеры на основе температуры наружного воздуха в реальном времени.

Виды естественного охлаждения

1. Прямое охлаждение свежим воздухом

Этот подход напрямую подаёт наружный воздух для охлаждения ИТ-оборудования, когда температура окружающей среды находится в оптимальных пределах. Он требует вспомогательных систем фильтрации воздуха и регулирования влажности для защиты чувствительного оборудования.

2. Водяное естественное охлаждение

Этот метод использует холодную воду — из природных водоёмов или градирен — для поглощения тепла через теплообменники, при необходимости с поддержкой электрических чиллеров.

3. Расширенные альтернативные модели

Дополнительное специализированное оборудование может расширить возможности систем естественного охлаждения. Например, косвенное естественное охлаждение использует такие технологии, как роторные тепловые колёса, для передачи тепла между потоками внутреннего и наружного воздуха без их прямого смешивания.

Интеграция тепловых труб — ещё один жизнеспособный вариант. Эти пассивные устройства передачи тепла эффективно отводят тепло от серверных стоек, повышая общую производительность рассеивания тепла.

Растущее внедрение естественного охлаждения

Согласно Глобальному отчёту о дата-центрах Uptime Institute за 2023 год, 88% операторов дата-центров называют «энергопотребление ИТ и дата-центра» своей главной проблемой. Такое широкое внимание к энергопотреблению стало основной движущей силой быстрого внедрения решения естественного охлаждения.

Будучи ведущим игроком отрасли дата-центров, Google демонстрирует переход к естественному охлаждению, отражающий предпочтение всей отрасли к этому подходу. Для снижения потребности в электроэнергии компания отмечает, что её наиболее эффективные дата-центры теперь используют методы естественного охлаждения, работают при температурах до 27 °C и применяют специальное энергоэффективное оборудование — достигая исключительных результатов по энергоэффективности.

Одновременно рост естественного охлаждения меняет глобальные тенденции выбора мест размещения дата-центров. Доступ к природным ресурсам охлаждения стал ключевым фактором при выборе новых площадок для дата-центров, наряду с наличием возобновляемой энергии. Это вывело скандинавские страны, ярким примером которых является рынок дата-центров Дании, в число ведущих направлений для крупномасштабных инвестиций в дата-центры.

Ключевые преимущества естественного охлаждения

• Обеспечивает исключительную энергоэффективность, заменяя энергоёмкие механические процессы маломощными пассивными структурами охлаждения.
• Повышает экологическую устойчивость: снижение потребления электроэнергии приводит к уменьшению выбросов CO₂, а минимизация или полный отказ от хладагентов даёт дополнительные экологические преимущества.
• Сокращает эксплуатационные расходы, связанные с энергопотреблением.
• Снижает первоначальные затраты на установку и упрощает эксплуатацию и техническое обслуживание, поскольку системы естественного охлаждения минимизируют или полностью исключают движущиеся части (например, компрессоры, насосы), присущие традиционным конфигурациям охлаждения. Это продлевает срок службы оборудования и снижает долгосрочные затраты на обслуживание.
• Бесшовно интегрируется в гибридные системы, при этом чиллеры активируются только тогда, когда ресурсы естественного охлаждения недостаточны.

Критические аспекты проектирования систем естественного охлаждения

Как отмечалось ранее, выбор места размещения является основой внедрения естественного охлаждения. Местные климатические условия и доступ к ресурсам охлаждения (например, холодной воде) напрямую определяют, насколько практична система естественного охлаждения.

Проектирование охлаждения дата-центра — это сложный процесс, определяемый рядом ключевых факторов, в том числе:

• Прогнозируемая тепловая нагрузка
• Ожидаемый спрос ИТ и колебания спроса
• Целевые показатели энергоэффективности
• Осуществимость автоматизированных систем управления, отдающих приоритет естественному охлаждению в благоприятных условиях
• Интеграция полностью резервированной гибридной инфраструктуры охлаждения
• Цели устойчивого развития по сохранению ресурсов и внедрению зелёных технологий
• Анализ затрат и выгод, а также прогнозы окупаемости долгосрочной экономии энергии
• Соответствие отраслевым нормам и строительным кодексам

Помимо этих общих критериев, для проектирования систем естественного охлаждения особое значение имеют два фактора:

Управление воздушными потоками

Эффективное управление воздушными потоками необходимо для максимизации эффективности естественного охлаждения и требует тщательного планирования.

Компоновка стоек «горячий/холодный коридор» является отраслевым стандартом для оптимизации воздушных потоков и предназначена для предотвращения смешивания холодных и тёплых потоков воздуха. Такая конфигурация гарантирует, что холодный воздух поступает непосредственно к ИТ-компонентам, а тёплый отработанный воздух эффективно удаляется.

В рамках этой компоновки можно реализовать различные схемы воздушных потоков, все из которых направлены на максимально эффективное распределение холодного и тёплого воздуха через стойки и коридоры.

Грамотно спроектированный баланс воздушных потоков оптимизирует производительность естественного охлаждения и снижает потребность в более дорогостоящих резервных методах охлаждения, что делает его краеугольным камнем эффективного проектирования систем.

Гибридный режим работы

Системы естественного охлаждения почти всегда работают совместно с высокоэффективными чиллерами в гибридных конфигурациях. Балансировка оптимальных температур естественного охлаждения с порогами активации чиллеров является ключом к надёжной работе.

Для водяных систем естественного охлаждения три температурных режима работы обеспечивают эффективность и безопасность оборудования:

1. Температура окружающей среды выше 30 °C: Чиллеры активируются для поддержки естественного охлаждения, поддерживая оптимальные тепловые уровни, когда природных ресурсов недостаточно. Выбор высокопроизводительного чиллера здесь критически важен; современные промышленные чиллеры обеспечивают исключительную эффективность как при частичной, так и при полной нагрузке. Эффективность чиллера измеряется отношением производительности охлаждения к затратам энергии: электрические чиллеры используют киловатты на тонну охлаждения, а абсорбционные чиллеры — расход топлива/газа/пара на тонну охлаждения. Правильный чиллер обеспечивает бесшовное резервирование естественного охлаждения, обеспечивая выдающуюся среднегодовую эффективность.
2. Температура окружающей среды 21–30 °C: Естественное охлаждение покрывает большую часть потребности в охлаждении, чтобы достичь целевой температуры воды 30 °C, при минимальной поддержке чиллеров. Хотя потребление энергии немного возрастает, оно остаётся значительно ниже, чем при полном механическом охлаждении.
3. Температура окружающей среды ниже 20 °C: Естественное охлаждение работает самостоятельно, чиллеры неактивны. Целевая охлаждающая вода температурой 30 °C достигается исключительно с помощью сухих градирен, при этом потребление энергии вентиляторами составляет всего 10% энергии, требуемой чиллерами. Этот сценарий обеспечивает максимальную энергоэффективность и экономию затрат и осуществим большую часть года во многих регионах мира.

SEOTECK: ваш партнёр по охлаждению дата-центров нового поколения

Проектирование высокопроизводительной системы охлаждения — это многогранный, сложный процесс, требующий экспертных знаний в области термоинженерии.

С одной стороны, решение естественного охлаждения должно соответствовать тепловой нагрузке дата-центра, требованиям резервирования и общим эксплуатационным потребностям. С другой стороны, экономия энергии и ответственное использование ресурсов критически важны для решения растущих опасений по поводу воздействия дата-центров на окружающую среду — особенно по мере продолжения роста спроса на дата-центры и энергоёмкой инфраструктуры.

Имея энергоэффективность и устойчивость в качестве основных целей, современные дата-центры имеют доступ к широкому спектру стратегий охлаждения. Естественное охлаждение может сочетаться с высокоэффективными чиллерами, а также с управляемыми системами управления дата-центром на основе ИИ, которые оптимизируют охлаждение за счёт динамических корректировок, интеллектуального распределения ресурсов и полной автоматизации.

Партнёрство с опытным специалистом по термоинженерии необходимо для полного раскрытия потенциала проекта и внедрения передовых технологий охлаждения, обеспечивающих максимальную эффективность.

Здесь на помощь приходит SEOTECK. Мы стремимся разрабатывать решения для охлаждения дата-центров, ориентированные на эффективность и устойчивость. Используя наш глубокий опыт в области термоинженерии, мы проектируем и внедряем индивидуальные, современные системы охлаждения — включая передовое решение естественного охлаждения — которые соответствуют уникальным потребностям и возможностям каждого проекта.