Chłodzenie serwerów i centrów danych w IT - jakie systemy są niezbędne?

Cyfryzacja naszego życia postępuje i powoduje konieczność przetwarzania coraz większej ilości danych. Tacy giganci, jak Google czy Facebook, są od dawna obecni w naszych komputerach i smartfonach, wielu z nas nie wyobraża sobie świata bez nich.

 Handel elektroniczny nieubłaganie zwiększa swój udział w sprzedaży różnych towarów, zaś wiele osób wybiera oglądanie filmów w sieci, zamiast w TV. Jednak te nowoczesne technologie i udogodnienia są oparte na serwerach oraz centrach danych, zaś rozbudowane urządzenia informatyczne zużywają ogromne ilości energii i wydzielają przy tym wielkie ilości ciepła, które musi być odprowadzane, aby zapewnić im właściwe warunki pracy oraz zapobiec uszkodzeniom. Serwery ciągle zużywają dużo energii na chłodzenie – więcej, niż na samo przetwarzanie danych. Dlatego ważne jest wykorzystywanie technologii chłodzenia niezużywających dużych ilości energii, wykorzystujących energię odnawialna oraz wykorzystujących efektywnie ciepło odprowadzane np. do ogrzewania pomieszczeń.

Coraz większa ilość danych we współczesnym świecie

Ilość danych, gromadzonych na serwerach firm działających w Internecie, jest juz olbrzymia i nieustannie się zwiększa. W ciągu kilku ostatnich lat, ich przetwarzanie odbywało się w 80% w chmurze obliczeniowej. Szacuje się, że w 2025 roku, na świecie będzie już 180 zettabajtów danych (1 ZB lub ZiB to bilion GB). Pierwszy zetabajt został osiągnięty zaledwie 8 lat temu. Ilość gromadzonych danych rośnie średnio o 23 % rocznie, przy czym firmy produkują je w szybszym tempie (28%) niż konsumenci, natomiast ilość danych w chmurze wzrasta średnio o 36% w skali roku. Oznacza to, ze ilość serwerów i centrów danych bedzie dalej tylko rosła.

Zużycie energii oraz chłodzenie w branży IT

Centra danych na świecie zużywają ogromne ilości energii elektrycznej. Wg Międzynarodowej Agencji Energii w 2015 r. było to 200 TWh (terawatogodzin; 1 TWh = 1 mld kWh) , zaś w 2022 pomiędzy 240 a 340 TWh, co stanowiło około 1-1,3% globalnego zapotrzebowania na energię w tym roku. Rosnące wymagania dla centrów danych, takie jak optymalizacja kosztów oraz maksymalizacja wykorzystywanej powierzchni przy zachowaniu wysokiej niezawodności systemów, powodują powstawanie tzw. punktów wysokiej gęstości mocy. To przestrzenie w serwerowni gdzie występują duże zyski ciepła. Obecnie szafy typu rack z serwerami generują od 15 do 40 kW ciepła, które musi być skutecznie odprowadzone, co pokazuje, jak trudne zadanie stoi przed systemami chłodzenia.

Chłodzenie serwerów i serwerowni

Ponieważ wiele osób myli pojęcia „serwerownia” i „centrum danych”, wyjaśnimy najpierw jakie są pomiędzy nimi różnice. Serwer to urządzenie (komputer) lub zainstalowane na nim oprogramowanie, które świadczy pewne usługi - zwykle udostępnianie pewnych zasobów wielu użytkownikom. Wykorzystywany głównie w przedsiębiorstwach, ze względu na większą liczbę osób obsługujących te same dane. Komputery, wykorzystywane jako serwery, muszą być przystosowane do pracy ciągłej, a jednym z aspektów tego jest odpowiednie chłodzenie procesorów oraz innych podzespołów. Urządzenie to powinno znajdować sie w wydzielonych pomieszczeniu, tzw. serwerowni, wyposażonym w odpowiedni system wentylacji lub klimatyzacji. Do chłodzenia serwerów wykorzystuje się obecnie nowoczesne wentylatory osiowe z silnikami bezkomutatorowymi prądu stałego (EC), które zapewniają wysoką wydajność i niezawodność oraz cichą pracę przy zachowaniu wymaganego przepływu powietrza.

Chłodzenie dla centrów danych

W odróżnieniu od serwerowni, centrum danych (ang. data center) to osobny, specjalnie zaprojektowany budynek, obsługujący wiele firm. Składa się z pewnej liczby serwerowni (i nawet tysięcy serwerów) oraz obszarów wspierających działanie całego centrum. Poszczególne systemy, zapewniające prawidłowe funkcjonowanie data center, takie jak zasilanie, chłodzenie, zabezpieczenia czy łączność, znajdują się w osobnych pomieszczeniach, co ma na celu zwiększenie bezpieczeństwa, niezawodności, zapewnianie ciągłości funkcjonowania serwerów oraz ich bieżącą obsługę. Serwery w centrum danych pracują nieustannie i są też w sposób ciągły obsługiwane przez specjalistów. Kluczowym celem każdego systemu zasilania i chłodzenia centrów danych jest zapewnienie ich maksymalnej niezawodności – obecnie wymagana jest dyspozycyjność (dostępność) na poziomie nawet 99,99%. Przegrzewanie może prowadzić do awarii sprzętu, przestojów oraz utraty danych, co może spowodować poważne straty dla przedsiębiorstw. Ponadto stabilna temperatura pomaga w utrzymaniu wydajności serwerów i przedłuża ich żywotność. Wszystko to wymaga zaawansowanych i niezawodnych systemów chłodzenia, dostosowanych do różnych wartości temperatur i wilgotności powietrza zewnętrznego oraz gotowych na ewentualną rozbudowę. Wysoka energochłonność decyduje o kosztach eksploatacyjnych centrów danych - są one bardzo wysokie. Dzięki postępowi technologicznemu współczesne procesory mogą pracować bardzo wydajnie w temperaturach wyższych niż przedtem. Obecne zalecenia dla centrów danych dopuszczają następujące parametry powietrza nawiewanego: temperatura 18...27°C oraz wilgotność względna 30...70%. Natomiast temperatura powietrza wywiewanego może zawierać się w granicach 27...40°C. Dzięki temu możliwe jest zastosowanie różnych metod chłodzenia.

Obecne systemy i technologie chłodzenia centrów danych

Obecnie dwoma najpopularniejszymi rodzajami chłodzenia centrów danych są: chłodzenie powietrzem oraz chłodzenie cieczą.

Chłodzenie swobodne (ang. free-cooling). Może być bezpośrednie lub pośrednie. Free-cooling   bezpośredni to najprostsza i najtańsza metoda, wykorzystująca powietrze zewnętrzne do chłodzenia pomieszczenia ze sprzętem IT. Gdy temperatura zewnętrzna jest niższa od tej panującej w pomieszczeniu, możliwy jest bezpośredni nawiew zimnego powietrza zewnętrznego do pomieszczenia za pomocą wentylatorów z filtrami. Jednak ta metoda sprawdza się tylko w chłodniejszych porach roku. Natomiast w okresach, gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest wyższa od wymaganej temperatury w pomieszczeniu (szczególnie latem) konieczne jest wspomaganie dodatkowymi źródłami chłodu, takimi jak agregat skraplający lub agregat wody lodowej (ziębniczej). Jest to wówczas free-cooling pośredni. Chłodzenie cieczą. To nowszy, bardziej wydajny i opłacalny system chłodzenia, ponieważ można go zainstalować na urządzeniach centrum danych, które najbardziej tego potrzebują. Ciecz jest bardziej wydajna niż powietrze w przenoszeniu ciepła z dala od źródeł emisji. Istnieją dwa główne rodzaje chłodzenia cieczą:

• Chłodzenie zanurzeniowe. Metoda ta polega na umieszczeniu całego urządzenia elektrycznego w płynie dielektrycznym, w systemie zamkniętym. Ciecz pochłania ciepło wydzielane przez urządzenie, zamienia je w parę i skrapla ją, co pomaga w schłodzeniu urządzenia.
• Chłodzenie direct-to-chip („bezpośrednio na chipie”). W tej metodzie elastyczne rurki doprowadzają niepalną ciecz dielektryczną bezpośrednio do układu scalonego (chipa) lub komponentu płyty głównej generującego najwięcej ciepła, takiego jak procesor lub karta graficzna. Ciecz pochłania ciepło, zamienia się w parę i odprowadza to ciepło z urządzenia przez tę samą rurkę.

Systemy chłodzenia w centrach danych oraz ich konfiguracje

Obecnie popularne są klimatyzatory precyzyjne, czyli systemy zaprojektowane specjalnie do chłodzenia serwerowni i centrów danych, zapewniające dokładną regulację temperatury i wilgotności. Klimatyzacja precyzyjna wykorzystuje chłodzenie powietrzne lub wodne, zapewniając równomierny rozkład temperatur w pomieszczeniach ze sprzętem IT oraz minimalizując ryzyko przegrzania i awarii.

Klimatyzatory CRAC (ang. Computer Room Air Conditioner) to tradycyjne systemy chłodzenia i dystrybucji powietrza w serwerowniach. Działają na tej samej zasadzie, co klimatyzatory domowe. Sa przystępne cenowo i obecnie to jedne z najczęściej stosowanych systemów chłodzenia w małych centrach danych.

Centrale chłodnicze CRAH (ang. Computer Room Air Handler) współpracują z chillerami, które produkują wodę lodową, zasilającą wymienniki ciepła. Schładzanie powietrza odbywa się na podobnej zasadzie jak w przypadku CRAC, jednak brak sprężarki powoduje mniejsze zużycie energii. Centrale CRAH wykorzystywane są w średnich i dużych centrach danych.

Klimatyzatory mogą pracować, jako rzędowe lub z nadmuchem pod podłogą podniesioną. Klimatyzatory rzędowe (ang. InRow) instalowane są pomiędzy szafami serwerowymi i odbierają gorące powietrze wydmuchiwane z urządzeń informatycznych, co zapewnia bardziej efektywną cyrkulację powietrza i uzyskanie znacznie lepszej wydajności, niż w tradycyjnych architekturach chłodzenia. W klimatyzatorach rzędowych chłodzenie jest realizowane za pomocą wody lodowej lub powietrza, wody i glikolu ze sprzężeniem zwrotnym. W tej konfiguracji tworzy się tzw. gorące i zimne korytarze (ang. hot and cold aisles) - szafy serwerowe są rozmieszczone w rzędach, przy czym każdy z nich jest skierowany w przeciwnym kierunku do poprzedniego. W jednym rzędzie szafy są zwrócone do siebie frontami (wlotami schłodzonego powietrza), co prowadzi do utworzenia korytarza zimnego, a w drugim tyłami (wylotami nagrzanego powietrza), tworząc korytarz gorący. Taki układ zapobiega mieszaniu się schłodzonego powietrza wlotowego z nagrzanym powietrzem wylotowym, czego wynikiem są oszczędności energii na poziomie 10%... 35%. W drugim rozwiązaniu przestrzeń pomiędzy podłoga podniesioną (techniczną), a podłogą zasadniczą pomieszczenia, jest wykorzystywana do rozprowadzania zimnego powietrza z klimatyzatora CRAC. Płynie ono przez perforacje w płytkach podłogowych do zimnych korytarzy, skąd jest zasysane przez front serwerów, schładzając je. Gorące powietrze, które jest z nich wywiewane, płynie gorącym korytarzu i unosząc się ku górze, wraca do wlotów klimatyzatorów CRAC.

Nowe technologie chłodzenia w centrach danych

Chłodzenie adiabatyczne (wyparne, ewaporacyjne). Wykorzystuje zjawisko pobierania ciepła z powietrza przez parującą wodę, co powoduje obniżenie jego temperatury. Chłodzenie adiabatyczne we współczesnych systemach HVAC jest stosowane, jako rozwiązanie alternatywne lub wspomagające dla tradycyjnych systemów sprężarkowych. Obecnie coraz częściej także w centrach danych. W Polsce, ze względu na warunki klimatyczne, technologia ta wspomaga zarówno chłodzenie swobodne (free cooling) latem, jak i systemy sprężarkowe. Ponieważ wiele nowszych technologii chłodzenia centrów danych wymaga znacznych inwestycji ze strony właścicieli obiektów, na popularności zyskały inteligentne technologie. Inteligentni asystenci centrów danych, sztuczna inteligencja (AI) i technologie uczenia maszynowego (ML) mogą wydajniej monitorować obiekty i dokonywać regulacji parametrów w czasie rzeczywistym, aby zapewnić optymalne poziomy temperatury i wilgotności w obiektach. Np. Google wykorzystuje inteligentne sterowanie temperaturą, aby zmniejszyć moc cieplną i zużycie energii przez systemy chłodzenia. Firma wykorzystała również swój produkt DeepMind AI do zmniejszenia zużycia energii chłodniczej o 40% w ciągu 18 miesięcy.

Wykorzystanie energii odnawialnej do chłodzenia centrów danych

Oto kilka sposobów, w jakie centra danych mogą wykorzystywać naturę do chłodzenia swoich obiektów:

• Chłodzenie geotermalne. Wykorzystuje niemal stałą temperaturę gruntu na pewnej głębokości. Zastosowano je w takich centrach danych, jak Iron Mountain w Pensylwanii (USA), Verne Global w Islandii oraz Green Mountain w Norwegii.
• Chłodzenie absorbcyjne słoneczne. Technologia ta przekształca energię Słońca w chłód, który można wykorzystać w systemach chłodzenia powietrzem w centrach danych.
• Kyoto Cooling. To udoskonalona metoda chłodzenia swobodnego, która wykorzystuje koło termiczne (ang. thermal wheel) do kontrolowania przepływu gorącego i zimnego powietrza w centrum danych. Technologia ta zużywa od 75% do 92% mniej energii niż inne systemy CRAH. Wykorzystywana w takich centrach danych, jak United Airlines (Chicago) oraz HP (Toronto).

 Pogłębiaj swoją wiedzę, czytaj poradniki

Opracowanie redakcja : (T.H.)

Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji portalu www.klimatyzacja.pl