Кондиционирование серверных помещений (комнат, ЦОД, дата-центров): выбор кондиционера, расчет, проектирование и монтаж

В серверной комнате устанавливается высокопроизводительные компьютерные системы, которые генерируют большое количество тепла. Это может привести к перегреву и выходу из строя оборудования. Серверы чувствительны к влажности, запыленности и другим факторам окружающей среды. Кондиционирование серверной направлено на поддержание нормативных параметров.

В статье рассмотрим основные требования к температуре, влажности и другим показателям микроклимата в серверных помещениях, типы климатического оборудования, методы расчета мощности кондиционера, способы кондиционирования.

Ключевые параметры кондиционирования для оптимальной работы серверов

Кондиционирование серверных помещений должно производиться в непрерывном режиме — эксплуатация круглосуточная и круглогодичная без остановок на регламентное обслуживание при -30°C…+45°C. Для корректной и безотказной работы серверного оборудования необходимо поддерживать температуру в пределах от 18°C до 27°C, относительную влажность в диапазоне 40-60%. Кондиционер для серверной должен точно поддерживать заданные параметры микроклимата. При выборе оборудования следует отдавать предпочтение моделям с минимальным уровнем шума.

Специфика серверных помещений

Так как ИТ-оборудование выделяет в процессе работы огромное количество тепла, то требуется непрерывное охлаждение серверной. При проектировании таких помещений необходимо предусмотреть эффективные системы охлаждения, способные справиться с тепловыделением, учитывая плотность размещения серверов и особенности конструкции помещения.

Схема воздухообмена в серверной

Документом, регламентирующим схему воздухообмена системы кондиционирования серверной является СП 512-78:

При тепловой нагрузке более 400 Вт на 1 кв. метр площади рекомендуется организовывать воздухообмен по схеме “снизу-вверх”. В этом случае свежий воздух подается в нижнюю часть помещения и поднимается к потолку, вытесняя перегретые воздушные потоки. Такая схема эффективно отводит избыточное тепло, создавая оптимальные условия для работы серверного оборудования.
При низкой тепловой нагрузке до 400 Вт/м2, допускается организация воздухообмена по схеме “сверху-вниз”. Приточный воздух подается в верхнюю часть помещения, а удаление отработанного воздуха происходит в нижней зоне. Требует более тщательного расчета параметров системы вентиляции для равномерного распределения воздушных потоков.

Согласно рекомендациям, вентиляцию серверных помещений следует проектировать с 50% запасом по кратности воздухообмена для стабильной работы. Для повышения надежности часто используют два независимых контура вентиляции с резервированием источников электропитания.

Стандарты и требования к системе кондиционирования в серверных помещениях

Требования к кондиционированию серверной продиктованы СН 512-78 и СНиП 41-01-2003. Так температура воздуха в серверных должна поддерживаться в диапазоне от +17°C до +24°C, при этом допустимые колебания температуры в течение часа не должны превышать 2°C в меньшую или большую сторону. Это необходимо для поддержания нормативных условий для функционирования вычислительной техники.

Атмосферное давление в серверных должно находиться в пределах от 85 до 105 кПа и поддерживаться на избыточном уровне. Это важно для защиты от случайного поступления воздуха из соседних помещений, что может привести к нарушению микроклимата. Скорость движения воздуха в серверных не должна превышать 0,3 м/с, а в летний период – 0,5 м/с. Превышение этих значений может вызвать преждевременный износ оборудования.

Допустимая запыленность воздуха не более 0,75 мг/м³, при этом максимальный размер частиц до 3 мкм. Требования направлены на предотвращение загрязнения и преждевременного выхода из строя вычислительной техники. Относительная влажность воздуха в диапазоне от 45% до 55%, при этом допустимые колебания в течение часа не должны превышать 6%. Это защищает оборудование от статического электричества и коррозии.

Чтобы кондиционирование ЦОДов работала без сбоев, необходимо предусматривать резервное оборудование, которое запускается в случае выхода из строя основных компонентов. Это требуется для поддержания заданных микроклиматических параметров даже при возникновении аварийных ситуаций.

Расчет мощности кондиционера в помещение с серверами

Определение необходимой мощности кондиционеров для серверной требует учета большого количества факторов. На практике для упрощения расчета используют метод, основанный на следующих основных параметрах и корректировочных коэффициентах:

V — объем помещения серверной, м3;
P – мощность, которую потребляет серверное и вспомогательное оборудование, кВт;
T – теплопотери помещения. Расчетные теплопотери 0,03-0,04 кВт/м3.
Кserv – процент тепловыделения устройств, находящихся в серверной. Принимается как 80%-90% потребляемой приборами мощности.
Кups – процент тепловыделения источников бесперебойного питания. Принимается как 20%-30% потребляемой устройствами мощности.
Кal – процент резервной мощности климатической техники, учитывающий непредвиденные обстоятельства и особые условия. Принимается как 10%-20% расчетной мощности кондиционеров.
Kup – процент резервной мощности кондиционеров, это параметр, который учитывает возможное расширение парка телекоммуникационного оборудования без необходимости модификации существующей системы кондиционирования. Принимается как 10%-30% расчетной мощности кондиционеров.

Пример расчета кондиционирования серверной для серверной площадью 40 м2 и высотой 3 м. Общий объем помещения составит 40 м2 * 3 м = 120 м3.

Оборудование в серверной:

15 серверов, каждый мощностью 800 Вт
Сетевое оборудование мощностью 1500 Вт
Освещение мощностью 500 Вт

Общая тепловая нагрузка от оборудования:

Серверы: 15 * 800 Вт = 12000 Вт
Сетевое оборудование: 1500 Вт
Освещение: 500 Вт

Итого: 12000 Вт + 1500 Вт + 500 Вт = 14000 Вт или 14 кВт

Применяя коэффициент безопасности 15%:

14 кВт * 1,15 = 16,1 кВт

Для охлаждения помещения площадью 40 м2 и объемом 120 м3 с общей тепловой нагрузкой 16,1 кВт потребуется кондиционер мощностью не менее 16,1 кВт.

Типы кондиционеров в серверных

Поддержание требуемого микроклимата в серверных и дата-центрах необходимо для нормальной работы оборудования и предотвращения его выхода из строя. Для решения этой проблемы применяется специализированная климатическая техника, выбор которой определяется конкретными параметрами помещения.

Сплит-системы настенные (бытовые) от 1,8 кВт — до 12,5 кВт

Настенные бытовые сплит-системы представлены широким диапазоном мощности от 1,8 до 12,5 кВт. Кондиционеры с выносным блоком подходят для охлаждения небольших комнат, в том числе тех, где установлено малое количество серверного оборудования.

Для таких задач целесообразно использовать инверторные модели кондиционеров, которые способны плавно регулировать интенсивность охлаждения в зависимости от тепловыделения серверов. Инверторные сплит-системы потребляют меньше электроэнергии и не создают пиковых нагрузок на электросеть при запуске компрессора. Они равномерно распределяют холодный воздух по всему объему серверной.

Мульти сплит-системы настенные (бытовые) от 2,2 кВт — до 18,5 кВт

Мультисплит-системы — это настенные (бытовые) кондиционеры с диапазоном мощности от 2,2 до 18,5 кВт. Предусмотрено наличие одного внешнего блока, подключенного к нескольким внутренним модулям. Внутренние блоки при этом могут иметь как одинаковую, так и разную холодопроизводительность.

Особенности:

установка единого наружного блока упрощает монтаж и позволяет сохранить внешний вид фасада здания;
в случае поломки внешнего модуля выходят из строя все внутренние блоки;
стоимость мультисплит-системы с несколькими внутренними устройствами может быть сопоставима с затратами на установку отдельных сплит-систем из-за усложнения монтажных работ.

Несмотря на определенные преимущества, мультисплит-решения применяются достаточно редко. Это связано с трудностями в резервирования оборудования, которые испытывают инженеры при проектировании таких систем кондиционирования.

Канальные сплит-системы настенные от 3,4 кВт — до 24 кВт

Канальные сплит-системы характеризуются мощностью от 3,4 до 24 кВт. Они не только охлаждают воздух, но и нормализуют уровень влажности, а также очищают его от частиц пыли. Способны подмешивать свежий воздух с улицы, что позволяет использовать их как вентиляцию.

Внутренние блоки монтируются под подвесным потолком, имеют усовершенствованные системы самодиагностики и воздушные фильтры. Для удобства управления устройства комплектуются настенными или инфракрасными пультами с ЖК-дисплеями для контроля выбранных режимов работы, отслеживания кодов ошибок и получения другой информации.

Подпотолочные кондиционеры

Высокопроизводительные подвесные кондиционеры предназначены для быстрого снижения температуры до желаемого уровня. Особенность — формирование направленной воздушной струи, которая может быть ориентирована в нужную часть комнаты. Это создает более равномерное распределение потоков воздуха. Длина трассы хладагента между внешним и внутренним блоками может достигать 50 метров, что значительно расширяет возможности по установке оборудования.

Прецизионные кондиционеры для серверной

Это специализированные кондиционеры предназначенные для поддержания оптимальных температурно-влажностных условий в центрах обработки данных. Они обеспечивают точный контроль температуры с погрешностью не более 1°С и влажности с точностью до 2%.

Конструкция серверных кондиционеров рассчитана на интенсивную и непрерывную эксплуатацию. Они сохраняют работоспособность даже при температурах до -35°C и могут быть интегрированы с различными системами диспетчеризации и управления микроклиматом в здании. Это гарантирует надежную защиту дорогостоящего серверного оборудования от перегрева, влаги и других неблагоприятных факторов, которые могут привести к его выходу из строя.

Жидкостное кондиционирование (чиллеры)

Жидкостное кондиционирование, или чиллерные системы используют воду или антифриз в качестве теплоносителя. Тепло, полученное от охлаждаемого воздуха, отводится во внешнем модуле, который располагается на крыше или рядом со зданием. Распределение воздушных потоков по помещениям осуществляется с помощью вентиляционных каналов. Системы отличаются высокой эффективностью и энергосбережением.

Фрикулинг

Это наименее эффективный способ отвода тепла за счет естественной циркуляции окружающего воздуха. Данная технология подходит для регионов с холодным климатом, где низкая температура наружного воздуха позволяет произвести достаточное охлаждение. Из ограничений — невозможность контролировать влажность и чистоту воздушных потоков, метод практически неприменим в весенне-летний период.

Кондиционер для серверной комнаты с зимним комплектом

Стандартные кондиционеры и сплит-системы рассчитаны на работу при температуре не ниже -5°C. С помощью специального “зимнего комплекта” их функциональность расширяется, допуская работу в диапазоне -30°C до +45°C.

Элементы “зимнего комплекта”:

нагреватель картера — предотвращает замерзание масла в охлаждающем устройстве;
регулятор интенсивности обдува — в зависимости от температуры воздуха на улице, устройство автоматически подбирает скорость вращения лопастей вентилятора;
обогреватель дренажной трубки — предотвращает замерзание конденсата для беспрепятственного отвода от внутреннего блока на улицу.

Установка “зимнего комплекта” — необходимая мера для серверных помещений, расположенных в регионах с умеренным и холодным климатом.

Система резервирования кондиционеров в серверной

Для бесперебойного функционирования системы кондиционирования серверных помещений применяется резервирование климатической техники. При отказе одного из кондиционеров его автоматически заменяет резервный блок. Решение предотвращает перегрев воздуха в помещении в случае выхода из строя основного оборудования. Такой подход гарантирует высокую надежность и отказоустойчивость инженерных систем.

Что такое ротация кондиционеров?

“Ротация кондиционеров” — использование нескольких кондиционеров в одном помещении, позволяет распределить нагрузку на охлаждение и обеспечить более равномерный микроклимат в разных зонах. Это актуально для крупногабаритных помещений, где требуется эффективное управление тепловыми режимами.

В качестве резервных мер применяются две основные схемы: N+1 и 2N.

N+1 предусматривает установку дополнительного кондиционера сверх необходимого количества (N), который подключается и включается в случае выхода из строя основной системы. При этом резервирование составляет 100% от базовой производительности.
2N предполагает дублирование всех устройств, как внутренних, так и наружных блоков. Это гарантирует, что при выходе из строя любого элемента системы охлаждения, его немедленно сможет заменить идентичный резервный агрегат.

Нормы кондиционирования серверной определяют требования к температурному режиму, влажности воздуха, системе вентиляции и пылезащите, чтобы обеспечить бесперебойную и стабильную работу серверного оборудования.

Преимущества ротационного блока

Ротационный блок — это интеллектуальная система управления для чередования работы нескольких устройств (схемы N+1 и 2N). Электронный контроллер ротационного блока автоматически переключает нагрузку между основным и резервными устройствами по заданному алгоритму, распределяя износ оборудования.

Преимущества:

Ротационная схема подразумевает наличие нескольких рабочих устройств, что исключает полный выход из строя системы при поломке одного из кондиционеров. Вышедший из строя агрегат может быть оперативно заменен или отремонтирован без прерывания работы.
Равномерный износ оборудования. Электронный контроллер распределяет нагрузку между всеми кондиционерами.
Ротационные схемы легко реализуются на практике и не требуют сложной инженерной работы.
Защита серверов от перегрева. При выходе из строя одного из кондиционеров ротационная система мгновенно переключается на резервный агрегат, не допуская перегрева оборудования и создавая бесперебойное охлаждение.

Использование ротационных блоков в системах кондиционирования серверных помещений повышает отказоустойчивость всего комплекса.

Способы кондиционирования серверной

Выбор конкретного метода кондиционирования серверной зависит от ряда факторов, включая размер помещения, тепловую нагрузку, требуемый уровень надежности и другие технические параметры.

Охлаждение зала

Один из способов охлаждения серверных — система принудительной вентиляции. Холодный воздух подается в помещение через специальные отверстия, создавая воздушные потоки. Из-за непредсказуемого движения и смешивания воздуха, инженеры сталкиваются с трудностями в поддержании стабильной температуры.

Такая схема работает хорошо для небольших серверных, где требования к точности охлаждения не так высоки. Но для больших и современных центров обработки данных нужна более совершенная система охлаждения для равномерного распределение холодного воздуха и точного контроля температуры.

Охлаждение отдельных рядов

Схема охлаждения с разделением рядов подходит для больших помещений с серверными шкафами. В ней осуществляется четкое разделение потоков подающего и отводящего воздуха. Это означает, что холодный воздух подается в один ряд серверных шкафов, а теплый воздух отводится из другого. Для каждого такого сегмента устанавливается отдельное оборудование для охлаждения.

Применение данной схемы позволяет:

создать независимое регулирование температуры в каждом сегменте для поддержания нормативного теплового режима для серверного оборудования;
уменьшить общее потребление энергии за счет использования менее мощных вентиляторов;
снизить затраты на обслуживание, поскольку система охлаждения состоит из отдельных блоков, которые можно легко заменить или отремонтировать.

Кондиционирование отдельных серверных стоек

Схема кондиционирования отдельных серверных стоек — это наиболее эффективное, но дорогостоящее решение. Оно применяется в дата-центрах с высокой плотностью серверов и интенсивным тепловыделением. Сюда же относятся профессиональные майнинговые фермы.

Главная особенность схемы — индивидуальная подача холодного воздуха и отвод тепла для каждого сервера. Это достигается за счет создания специальных каналов для потоков воздуха внутри шкафов или стоек. Отсутствие общей системы охлаждения снижает вероятность возникновения единой точки отказа.

Критерии выбора системы охлаждения для серверного помещения

Помимо уже рассмотренных факторов, при выборе устройств необходимо учесть ряд дополнительных критериев.

Фильтрация воздуха

Пыль, проникая внутрь компьютерной техники, несет угрозу ее работоспособности. Микроскопические частицы, оседая на компонентах, препятствуют нормальному отводу тепла, что может привести к перегреву и выходу из строя. Пыль повышает риск возникновения короткого замыкания.

Согласно строительным нормам и правилам (СНиП), в таких системах вентиляции и кондиционирования серверной должны использоваться фильтры с классом очистки не ниже F5. Это означает, что фильтры способны задерживать не менее 70% частиц пыли размером 1-3 микрометра.

Для повышения ресурса и эффективности также устанавливаются фильтрующие элементы грубой очистки, которые улавливают крупные частицы пыли.

Тип охлаждения

Прецизионные кондиционеры, широко применяемые для охлаждения центров обработки данных (ЦОД), могут использовать два основных типа системы охлаждения: водяную и воздушную.

Способ регулирования работы системы кондиционирования

С целью минимизации потребления электроэнергии и достижения оптимальной температуры в помещении, инженеры в процессе проектирования систем кондиционирования используют различные подходы к управлению.

По питанию

Для управления питанием электрических устройств специалисты осуществляют подключение или отключение электрического тока к инженерной сети. Для этой цели используется ротационный блок. Вариант отличается простотой в проектировании, реализации и эксплуатации, а также не требует больших затрат. Недостатки — необходимость постоянного перезапуска оборудования и прокладка дополнительного кабеля. Для мощных кондиционеров также потребуются реле.

По инфракрасному каналу

Для настройки систем кондиционирования применяется управляющее устройство, которое соединяется с совместимыми кондиционерами с помощью инфракрасного луча. Это универсальное решение позволяет управлять работой оборудования без необходимости прерывания его питания. Минус — устройство обладает высокой чувствительностью к помехам, и сигнал может прерываться в случае, если ИК-луч будет перекрыт.

С помощью блоков адаптации

Управление кондиционерами осуществляется через адаптационный модуль, который настраивает режимы работы оборудования, основываясь на данных от внешних сенсоров. Этот подход помогает снизить износ устройств и сократить потребление электроэнергии. Среди недостатков высокая стоимость электроники и значительные затраты на установку.

Увлажнение воздуха

Кондиционирование серверных помещений должно соответствовать строгим стандартам. Для предотвращения замыканий в электрических цепях влажность должна поддерживаться в пределах 45-55%. Для этого выбираются устройства контроля микроклимата, которые способны регулировать уровень влажности, как в сторону повышения, так и в сторону понижения, в зависимости от текущих потребностей.

Схемы распределения воздушных потоков

Расположение серверных стоек в параллельных рядах создает зоны холодного и горячего воздуха. Холодные проходы направляют воздух к впускным отверстиям серверов, в то время как горячие проходы отводят нагретый воздух, что способствует повышению эффективности охлаждения и снижению негативного влияния горячего воздуха на оборудование.

Размещение стоек в зонах холодных проходов и установка холодильных щитов сверху или сбоку позволяют направлять холодный воздух непосредственно к серверам, что предотвращает смешение горячего и холодного воздуха и улучшает эффективность охлаждения.
Тепловые завесы, установленные над или между рядами стоек, уменьшают перемешивание воздуха, создавая барьер между холодными и горячими зонами, предотвращая передачу тепла.
Поднятые полы используются для размещения воздуховодов и подачи холодного воздуха под напольные плиты для равномерного распределение охлажденного воздуха.
Специальные панели в полу и потолке, которые могут быть регулируемыми, улучшают воздухораспределение для точного управления воздухообменом.
Интеллектуальные системы управления позволяют в реальном времени мониторить условия в помещении и настраивать работу кондиционеров и вентиляционных систем.

Системы рекуперации тепла позволяют перенаправлять тепло, выделяемое серверами, для использования в других зонах здания, что способствует улучшению энергоэффективности и снижению затрат на отопление.

Обустройство и обслуживание

Установкой оборудования для охлаждения и увлажнения воздуха занимаются профессионалы инженерных компаний. Неправильная самостоятельная установка и выполнение технического обслуживания могут нарушить работу инженерных систем и привести к перегреву серверов.

Проектирование

Кондиционирование серверных помещений – это нормы, которые устанавливают требования к микроклимату, чтобы поддерживать бесперебойную и стабильную работу оборудования. Проектирование систем охлаждения осуществляется компаниями, имеющими допуск СРО на выполнение таких работ.

Проектную документацию разрабатывают инженеры с профильным образованием и опытом в проектировании охлаждающих систем для центров обработки данных.

Процесс начинается с анализа характеристик помещения. Специалисты используют проектную, рабочую и исполнительную документацию, учитывают параметры объекта, естественные потоки воздуха, а также расположение серверных шкафов. Основной параметр — тепловыделение устройств, указанное в их инструкциях.

Монтаж

Установка климатического оборудования для охлаждения воздуха должна осуществляться исключительно профессиональными компаниями. Примерно 85% поломок связаны с нарушением монтажных правил.

Процесс установки включает следующие этапы:

Установка внутренних и внешних блоков кондиционеров.
Сверление отверстий для прокладки трубок хладагента.
Монтаж трубопроводов для фреона и систем отвода конденсата.
Прокладка и подключение электрических проводов.
Вакуумирование контуров циркуляции хладагента.
Проведение тестового запуска и настройка системы.

Система кондиционирования ЦОД — это комплексное решение, включающее в себя оборудование для поддержания оптимального микроклимата в дата-центре. Отвечает за стабильную работу серверов, сетевого оборудования и другой электроники.

Обслуживание

При эксплуатации климатической техники важно регулярно контролировать состояние оборудования и выполнять регламентные работы в соответствии с рекомендациями производителя. Для поддержания оптимальной работы климатических систем необходимо очищать их от пыли не реже 1 раза в год. В ходе чистки промываются испаритель, вентилятор и барабан, а также обрабатываются поверхности дезинфицирующими средствами. Фильтры в серверных помещениях должны очищаться не реже 1 раза в неделю.

Вывод

Серверы выделяют значительное количество тепла в процессе своей работы. Поэтому поддержание оптимальной температуры очень важно для предотвращения перегрева. Несоответствие оптимальным условиям может вызвать сбои и повреждения техники. Для управления тепловыми нагрузками могут потребоваться кондиционеры, системы вентиляции, холодильные щиты, а также системы контроля температуры и влажности, и другие технологии.

Часто задаваемые вопросы

Как рассчитать мощность кондиционера для серверной?

Чтобы определить необходимую мощность климатического оборудования в центрах обработки данных, применяется специализированное ПО, а также данные о тепловыделении, прописанные в технической документации серверов. Расчет должен учитывать резервирование мощности кондиционеров от 50% до 100%. Обычно это предполагает установку 2-3 кондиционеров, работающих с возможностью регулировки до 50% или 100% их мощности. При полном резервировании устанавливаются два кондиционера — один основной, работающий на полной мощности, и один резервный.

Какие кондиционеры применяются для кондиционирования серверных помещений?

Для оснащения серверных помещений производители предлагают два основных типа систем кондиционирования. Первый — сплит-системы с зимним комплектом, которые применяются для небольших серверных. Они состоят из нескольких агрегатов разного назначения или используют канальное оборудование. Второй — прецизионные кондиционеры, предназначенные для обслуживания крупных серверных с мощным вычислительным оборудованием, обрабатывающим большие объемы данных. Точно поддерживают заданные температурно-влажностные параметры.

Какие есть рекомендации по выбору кондиционера?

Выбор зависит от типа помещения. Настенные сплит-системы подходят для небольших серверных, но их мощность и длина трубопроводов ограничены. Потолочные кондиционеры имеют большую мощность и направленный поток воздуха, позволяя охватывать обширные помещения. Длина трубопроводов может достигать 50 метров. Для точного контроля микроклимата в серверной наиболее подходящим вариантом являются сплит-системы шкафного типа. Оснащенные осушителем и фильтрами, они создают оптимальные условия для работы серверного оборудования, поддерживая заданные параметры температуры и влажности.

Можно ли сделать систему кондиционирования энергоэффективной и что для этого нужно?

Чтобы повысить энергоэффективность климатической техники часто используются кондиционирующие устройства, оснащенные электронным терморегулирующим вентилем (ТРВ). Этот компонент отвечает за регулирование холодопроизводительности холодильных установок. Так хладагент, попадающий в компрессор, находится в газообразном состоянии, исключая жидкие фракции. ТРВ сравнивает разность давления на выходе из испарителя с давлением насыщения, соответствующим текущей температуре и установленному давлению. Также допустимо применение электронно-коммутируемых вентиляторов (ЕС-вентиляторов).

Какие существуют проблемы с кондиционером зимой?

Климатическое оборудование серверного помещения работает без перерыва, невзирая на погодные условия. В регионах, где колебания температур между зимой и летом весьма заметны, аппарат должен работать и в сильную жару, и в мороз. Поэтому перед покупкой следует уточнить, предусматривает ли модель установку “зимнего комплекта”. Так оборудование будет работать непрерывно в диапазоне от – 30°С до + 45°С. Не все модель допускают такое, некоторые способны функционировать только до -10°С…-15°С.