Cистемы охлаждения в дата-центрах Selectel

Конкурентные цены на услуги всегда были «королем аргументов» для клиентов при выборе дата-центра. А из чего складываются эти цены? Первыми на ум приходят расходы на IT-оборудование и электричество, но значительную долю в структуре цен составляют расходы на охлаждение серверов, систем хранения (СХД) и сетевых устройств. К примеру, сервер с несколькими процессорами выделяет до 600 Вт и более тепловой энергии, которую надо эффективно удалить, а на вход вентиляционных отверстий сервера подать холодный воздух.

Сейчас мы познакомим вас с технологиями климатических систем в дата-центрах Selectel и расскажем, каким образом новинки в этой сфере снижают операционные расходы дата-центров, а косвенно — и суммы в счетах наших клиентов.

3 рынка услуг — 3 требования к охлаждению

На рынке услуг ЦОД, — если оценивать грубо, — присутствуют три основных сегмента. Это во-первых, колокейшн, далее инфраструктура IaaS — выделенные серверы плюс облачное хранилище, и третий сегмент — облачные серверы (VPC, VPS, VMware Cloud), включая публичные, приватные и гибридные облака.

Диаграмма рынков

Каким бы удивительным это ни казалось, но клиенты каждого из сегментов предъявляют разные требования к климатическим системам. Наиболее требовательны клиенты, размещающие в дата-центре свое собственное оборудование (колокейшн). Среди них много IT-руководителей с многолетней практикой и консервативным представлением о том, какая температура должна быть в серверных залах. Еще 10-15 лет назад требование обеспечить +18°C в холодном коридоре было действительно критически важным. Но современные серверы и СХД стабильно работают до температуры +27°C.

К слову, конкретный диапазон температуры воздуха для серверных помещений ЦОД довольно строго регламентирован рекомендациями ASHRAE (Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), которыми руководствуются во всем мире, включая Россию. Рекомендованный диапазон температур со временем меняется, где-то в начале 2000-х годов это, действительно, было 16-20°C, затем 18-22°C, а сегодня рекомендованная температура воздуха для охлаждения серверов уже 20-27°C.

«Selectel в своих дата-центрах стремится поддерживать температуру воздуха у нижней границы рекомендованного диапазона по ASHRAE, в среднем порядка 23°C», — отметил для статьи Кирилл Малеванов, технический директор Selectel.

Какой из этого можно сделать вывод для бизнеса дата-центра? Использовать дорогостоящее охлаждение с помощью кондиционеров следует преимущественно для серверных залов, выделенных под услугу колокейшн. Соответственно, для серверных залов под услуги IaaS и тем более для облачных серверов можно применять оборудование, которое максимально эффективно использует охлаждение за счет окружающей среды — вплоть до простого обдува серверов забортным воздухом.

При этом, поскольку Selectel владеет несколькими дата-центрами, причем в разных регионах, появляется свобода маневра. Иными словами, можно еще на стадии проектирования, строительства ЦОД и выбора климатического оборудования учитывать требования к охлаждению в выбранном сегменте услуг. И позже в процессе эксплуатации проводить модернизацию климатических систем с учетом снижения ТСО при предоставлении именно этих услуг.

Что такое PUE

Основным показателем эффективности ЦОД является коэффициент эффективности использования энергии (Power usage effectiveness, PUE), используемый в индустрии ЦОД с 2007 года. Что же из себя представляет этот коэффициент:

Иными словами, чем ближе PUE к 1, тем более совершенным является дата-центр. Однако, значения 1.0 достичь в принципе невозможно, поскольку это соответствует уровню энергоэффективности вечного двигателя. К слову, с полным определением термина PUE можно ознакомиться в документе PUE, A Comprehensive Examination of the Metric (PDF).

На практике превосходными считаются значения PUE, лежащие на уровне 1.10 – 1.15. К примеру, согласно публикациям, для дата-центров Google значение PUE, усредненное по всем ЦОД в разных регионах и в разное время года, составляет 1.12.

Далее, познакомимся подробнее с системами охлаждения в отдельных дата-центрах Selectel.

«Цветочная 1» — фреон

Первый дата-центр «Цветочная 1» был запущен в эксплуатацию в 2008 году, когда услуга колокейшн была доминирующей на рынке. Кроме того, это центр Петербурга — со свободными площадями ситуация тогда была несколько стесненная. Соответственно, в дата-центре «Цветочная 1» были установлены классические промышленные кондиционеры для ЦОД на фреоне, которые работают до настоящего времени.

Принцип работы такого кондиционера основан на переходе фреона в различные агрегатные состояния. Холодный воздух под фальшполом подается в так называемые «холодные коридоры» с вычислительным оборудованием, а нагретый воздух уходит в серверный зал (в «горячие коридоры»), откуда опять засасывается в теплообменник кондиционера, охлаждается и вновь подается к серверам и СХД.

Охлаждение дата-центра с помощью кондиционеров
Охлаждение дата-центра с помощью кондиционеров

КПД классического кондиционера оставляет желать лучшего, и поэтому коэффициент эффективности использования энергии для дата-центра «Цветочная 1» по современным меркам довольно высок, PUE=1.7. Но учитывая, что здесь предоставляются услуги колокейшн, с таким положением вполне можно смириться до момента кардинальной модернизации всего ЦОД.

Осмотр кондиционеров в дата-центре «Цветочная 1»
Осмотр кондиционеров в дата-центре «Цветочная 1»

«Дубровка 1», «Берзарина 1», «Цветочная 2» — чиллеры

Следующую технологию охлаждения в Selectel опробовали в 2010 году, когда построили ЦОД «Дубровка 1» в поселке Дубровка Ленинградской области. В нем впервые в практике компании была применена чиллерная система охлаждения.

Отличие чиллерной системы от фреоновых кондиционеров состоит в том, что в трубопроводах между внутренними и внешними блоками циркулирует незамерзающий гликолевый раствор, который остается все время жидким и в газообразное состояние не переходит. Раствор прогоняется насосом через кондиционер в серверном зале, где нагревается от горячего радиатора кондиционера и откуда выкачивается в выносной наружный теплообменник, называемый чиллером.

В чиллере гликолевый раствор охлаждается с помощью наружного воздуха и дополнительного компрессорно-конденсаторного блока. Затем уже охлажденный гликолевый раствор вновь подается в кондиционер внутри серверного помещения дата-центра. При этом охлаждение вычислительного оборудования происходит по традиционной схеме — холодный воздух подается снизу через фальшпол в «холодные коридоры», а горячий — уходит в общий зал и далее в теплообменник.

Чиллерная система охлаждения дата-центра
Чиллерная система охлаждения дата-центра

Схема с холодными и горячими коридорами дает до 5% экономии электроэнергии, поэтому так важно провести изоляцию холодного и горячего воздушных бассейнов (коридоров и накопителей воздуха).

Энергоэффективность чиллерной схемы выше в сравнении с кондиционерами, и это объясняется тем, что внешний компрессорно-конденсаторный блок чиллера включается в работу лишь при температурах окружающей среды выше +12°C, причем вентиляторы внешнего блока включаются постепенно, по мере роста температуры гликолевого теплоносителя. Это очень похоже на то, как работает система охлаждения двигателя обычного автомобиля.

По чиллерной схеме в Selectel построено охлаждение трех дата-центров — «Дубровка 1» (2010 год), «Берзарина 1» (2011 год) и «Цветочная 2» (2015 год). В случае с ЦОД «Цветочная 2» был учтен опыт эксплуатации, накопленный за 5 лет работы ЦОД «Дубровка 1» в части многочисленных нюансов обслуживания. Как оказалось, несмотря на внешнюю простоту принципа действия, чиллерная система довольно капризна в работе и требует внимательного обслуживания и соблюдения регламентов. Более подробно о работе чиллерной системы в дата-центре «Берзарина 1» читайте в нашей предыдущей статье.

Холодный коридор в дата-центре «Цветочная 2»
Холодный коридор в дата-центре «Цветочная 2»

«Дубровка 3», «Берзарина 2» — фрикулинг

Следующий шаг в повышении энергоэффективности систем охлаждения был сделан в Selectel при переходе к схеме прямого фрикулинга. Принцип действия классического прямого фрикулинга заключается в отказе от теплообменников, и охлаждение вычислительного оборудования происходит за счет обдува с помощью забортного воздуха.

Забортный воздух проходит через фильтры, где очищается от пыли, и далее поступает в машинный зал. В зимнее время по мере необходимости холодный воздух предварительно «разбавляется» теплым воздухом от серверов в камере смешения для поддержания постоянной температуры обдува оборудования.

Схема прямого фрикулинга с доохлаждением без фальшпола
Схема прямого фрикулинга с доохлаждением без фальшпола

Как уже говорилось выше, современные серверы и СХД надежно работают при температурах в холодных коридорах до +27°C. Учитывая климат Ленинградской области, где многолетняя среднесуточная температура даже в июле находится у отметки +20°C, такое решение казалось вполне работоспособным. Однако, учитывая температурный рекорд +37.8°C, зафиксированный в Ленинградской области в 2010 году, полагаться только на милость природы было нельзя. Кстати, «горячее лето 2018 года» подтвердило правоту этих расчетов.

Соответственно, в дата-центре «Дубровка 3», введенном в эксплуатацию в 2013 году, используется прямой фрикулинг с блоком дополнительного охлаждения (АБХМ, абсорбционная холодильная машина) на случай летней жары. Забортный воздух проходит через фильтры и далее проходит через теплообменник АБХМ. В холодные коридоры серверного зала воздух подается под фальшполом.

Охлаждение дата-центра по схеме фрикулинга с фальшполом
Охлаждение дата-центра по схеме фрикулинга с фальшполом

Как показал опыт эксплуатации, такое решение работает без включения АБХМ до температуры окружающей среды +21°C, что практически означает, что АБХМ функционирует только в летние месяцы. Таким образом, это достаточно энергоэффективное решение с PUE ~1.25.

Важным преимуществом АБХМ является экологическая безопасность, так как она работает на обычной воде без использования фреона. Среди недостатков АБХМ — гигантские внешние теплообменники, но учитывая размещение дата-центра «Дубровка 3» практически в чистом поле, это не играет особой роли с точки зрения размера площадей под оборудование АБХМ.

Система охлаждения дата-центра «Дубровка 3» с АБХМ
Система охлаждения дата-центра «Дубровка 3» с АБХМ

С 2013 года схема прямого фрикулинга с доохлаждением показала свою высокую эффективность и будет вновь реализована в строящемся дата-центре «Берзарина 2» в Москве. Однако ввиду ограниченного пространства, блок доохлаждения будет реализован с помощью адиабатической системы.

Пара слов о резервировании

Традиционно, системы охлаждения в дата-центрах уровня Tier III резервируются по схеме не ниже N+1. Это значит, что в запасе всегда должна быть как минимум одна установка охлаждения, которая вводится в действие при аварии или ремонте (плановом обслуживании) одной из задействованных систем. Так, в дата-центре «Дубровка 1» используется 4 вентиляционных машины для фрикулинга при потребности в 3-х, а в ЦОД «Дубровка 3» — три машины АБХМ, из которых одна машина выключена и находится в резерве, подготовленная к запуску.

К слову, Selectel в своих дата-центрах стремится по возможности ужесточить требование резервирования N+1, и иметь в запасе не одну, а две резервных системы охлаждения. К примеру, в ЦОД «Цветочная 1» и «Цветочная 2» имеется по 2 резервных кондиционера и чиллера, соответственно.

Кондиционеры в серверном зале дата-центра «Цветочная 1»
Кондиционеры в серверном зале дата-центра «Цветочная 1» (в центре)

«Берзарина 2» — вскоре в строю

В ноябре 2018 года в эксплуатацию вводится новый дата-центр «Берзарина 2» в Москве, где впервые в практике компании будет применена схема фрикулинга с доохлаждением с помощью адиабатической системы. Если забортный воздух слишком теплый, — а температура в Москве в летнее время часто превышает 23°C, — то включается система адиабатического охлаждения.

Фрикулинг с доохлаждением адиабатической системой в дата-центре «Берзарина 2»
Фрикулинг с доохлаждением адиабатической системой в дата-центре «Берзарина 2»

Технология адиабатического охлаждения построена на распылении воды в виде мельчайших капель на пути воздушного потока, что позволяет охлаждать воздух за счет испарения воды. При использовании увлажнителей воздуха распылительного типа затраты электроэнергии на сам процесс охлаждения невелики, сравнительно с другими системами охлаждения. Сложная ячеистая структура смачиваемой преграды на пути подаваемого воздуха не позволяет микрокаплям воды попадать дальше в воздуховоды ЦОД. При этом уровень влажности остается в пределах допустимых значений для IT-оборудования.

Схема работы адиабатической системы

Схема работы адиабатической системы

«В мире много интересных решений по системам охлаждения, которые позволяют экономить электроэнергию. Однако все новинки попробовать невозможно — требуется получить финансирование, провести проектирование, затем выполнить закупку оборудования, подготовку и ввод техники в эксплуатацию. Стадии поставки, монтажа, настройки и обкатки — это все очень продолжительные процедуры. Поэтому климатические системы после запуска работают минимум десятилетие и редко кардинально модернизируются в процессе эксплуатации уже построенного ЦОД. А интересные новинки приходят уже в новый ЦОД, в котором они прослужат свои 10-15 лет», — подвел итог Кирилл Малеванов, технический директор Selectel.

Что еще почитать по теме

T-Rex 30 марта 2021

Что такое SMTP-протокол и как он устроен?

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) — протокол передачи почты. Он был представлен еще в 1982 году, но не теряет актуальности до сих пор. В статье разбираемся, какие задачи решает протокол и как он ра…
T-Rex 30 марта 2021
Владимир Туров 1 сентября 2020

Дело совершенно секретного iPod

Это был обычный серый день в конце 2005 года. Я сидел на рабочем месте и писал код для следующей версии iPod. Вдруг без стука ворвался директор ПО для iPod, начальник моего начальника, и закрыл дверь.
Владимир Туров 1 сентября 2020
T-Rex 21 августа 2020

TrendForce: цены на SSD упадут

Эксперты DRAMeXchange предсказывают значительное падение цен на оперативную память и твердотельные накопители в ближайшее время. Причина — сокращение спроса на чипы для NAND и DRAM.
T-Rex 21 августа 2020

Новое в блоге

Михаил Фомин 24 июня 2022

Docker Swarm VS Kubernetes — как бизнес выбирает оркестраторы

Рассказываем, для каких задач бизнесу больше подойдет Docker Swarm, а когда следует выбрать Kubernetes.
Михаил Фомин 24 июня 2022
Владимир Туров 5 октября 2022

DBaaS: что такое облачные базы данных

Рассказываем о сервисе управляемых баз данных в облаке и объясняем, как разделяется ответственность за работу кластеров БД между провайдером и клиентом.
Владимир Туров 5 октября 2022
Ульяна Малышева 30 сентября 2022

«Нулевой» локальный диск. Как мы запустили облако только с сетевыми дисками и приручили Ceph

Чем хороши сетевые диски и почему именно Ceph, рассказал директор по развитию ядра облачной платформы Иван Романько.
Ульяна Малышева 30 сентября 2022
Валентин Тимофеев 30 сентября 2022

Как проходит онбординг сотрудников ИТО? Что нужно, чтобы выйти на смену в дата-центр

Рассказываем, как обучаем новых сотрудников, какие задачи и испытания проходят инженеры прежде, чем выйти на свою первую смену.
Валентин Тимофеев 30 сентября 2022