Системы водяного охлаждения групп компьютеров и серверных

Экономически выгодно становится применение систем водяного охлаждения для большого количества компьютеров в больших офисах и серверов дата - центров. Уже только потому, что это резко повышает надежность работы подключенного оборудования (компьютеров и серверов) в широком диапазоне температур наружного воздуха, снижает уровень шума в помещениях, облегчает работу систем кондиционирования помещений.

 

 

Применение систем водяного охлаждения на компьютерах, позволяет отказаться от вентиляторов в большом количестве (2 - 6 шт.) имеющихся на компьютерах и серверах, причем на производительных системах их уровень шума часто превышает 65 дБ.

 

 

Водяное охлаждение позволяет полностью исключить применение производительных вентиляторов или вообще всех вентиляторов в офисном или серверном помещении и исключить их шум. Такие большие комплексы позволяют применять двухконтурные системы с высокоэффективными теплообменниками или охладительными системами во вторичном контуре, которые выносятся в отдельное помещение с хорошей звукоизоляцией.

 

Рисунок 1

 

Сразу хочу оговориться, что уличное применение теплообменников вторичного контура в виде градирен, для охлаждения узлов электронной техники в нашей полосе, где температура воздуха минусовые едва ли может быть целесообразно, особенно при использовании воды во вторичном контуре.

Здесь наиболее целесообразно применение чиллеров для систем водяного охлаждения.

Чиллер – холодильная установка - машина, которая применяется для охлаждения воздуха и воды в системах кондиционирования и промышленного производства, обычно располагается в специально отведенном помещении имеющем регулируемый воздухообмен с внешней средой.

Чиллер способен поддерживать (стабилизировать) уровень температуры теплоносителя, необходимый для  бесперебойной работы оборудования.

Конструктивно чиллер может представляет собой как законченный блок (рис.2), который можно передвигать на место использования (при  мощностях до 10 - 25  кВт, так и стационарные установки, размещаемые в нескольких специальных помещениях и имеющие производительность до 700 кВт и более.

 

Рисунок 2

 

На базе таких холодильных установок можно создавать системы жидкостного охлаждения дата - центров и больших и малых офисов.

 

Построение систем жидкостного охлаждения

 

Олноконтурная СВО

Обычно система жидкостного охлаждения строится по одноконтурной схеме, что подобно схеме обычной СВО компьютера.

 

 

где: 1- охлаждаемые объекты; 2- распределительная система; 3- насос, помпа; 4- теплообменник; 5- воздушный поток.

 

СВО серверной и офиса обычно построена по той же схеме, отличается тем, что:

- число охлаждаемых объектов существенно больше;

- сложнее распределительная система рассчитанная на большее число трубопроводов и объектов;

- насос более мощный - способный прокачать длинные трубопроводы и обеспечить необходимый для всех объектов охлаждения объем прокачиваемого теплоносителя;

- теплообменник более производительный (обычно наружной установки), рассчитанный на суммарное тепловыделение охлаждаемых объектов. Это уже не 50 - 150 Вт, а 1 - 10 кВт (рис.1б);

- пропорционально тепловыделению объектов охлаждения увеличен воздушный поток.

Преимуществом такой СВО является возможность вынести за пределы помещения, в котором работает персонал, шумных устройств - насосов, теплообменников.

Главным недостатком такой системы является невозможность иметь температуру теплоносителя ниже охлаждающего воздуха. А при температуре наружного воздуха 45 - 50°С остается совсем немного до предельной температуры  элементов компьютера (75 -95°С).

 

Двухконтурная СВО

От недостатков одноконтурной СВО полностью свободна двухконтурная СВО.

Ее структура показана на рис. 4

 

Рисунок 4

Где: 1- охлаждаемые объекты (компьютеры, серверные стойки); 2- распределительно - регулирующая система; 3- насос первичного контура; 7- теплообменник (первичный - вторичный контур); 6- компрессорно-захолаживающее оборудование вторичного контура; 4- теплообменник вторичного контура; 5- воздушный поток обеспечивающий теплопередачу к внешней среде.

 

Здесь имеется два контура: первичный и вторичный.

Первичный контур имеет обычную схему.

Вторичный контур - это может быть специально спроектированная система, или серийно выпускаемый чиллер с требуемой холодопроизводительностью.

Применение чиллера позволяет в холодный сезон использовать отдаваемое им тепло.

Главным достоинством двухконтурной системы охлаждения с чиллером является низкая и постоянная температура теплоносителя первичного контура, которая не зависит от температуры наружного воздуха.

Например: температура теплоносителя первичного контура может быть равна 10°С в диапазоне температур наружного воздуха до 45- 55°С и более.

 

Охлаждаемые устройства

Оборудованием, требующим особо качественного охлаждения являются сервера расположенные в напольных шкафах. Потому, что тепловыделение серверов в одном таком шкафу может составлять более 2 кВт. Для того чтобы отвести такую мощность прибегают к различным способам. От размещения непосредственно на шкафу фанкойла системы кондиционирования до подвода к нему воздуховода системы удаления перегретого воздуха.

Применение усиленных вентиляционных устройств нецелесообразно при наличии в помещении более одного такого шкафа, поскольку температура воздуха в помещении от тепловыделения одного такого, полностью укомплектованного, шкафа в небольшом помещении может подняться на несколько градусов.

Кроме того шум вентиляторов, такого шкафа может превышать 50 -60 дБ, а группы шкафов и 80 дБ.

Разные типоразмеры серверов с водяным охлаждением показаны на рис. 5а и 5б, а на рис 5в показана серверная стойка оборудованная водяным охлаждением.

 

Рисунок 5

 

Компьютер для сложных расчетов, CAD'ов, видеомонтажа тоже требуют хорошего охлаждения, потому что их тепловыделение может превышать 500 Вт. И применение воздушного охлаждения делает его очень шумным, особенно когда такие компьютеры в большом количестве находятся в одном помещении.

 

Главное достоинство - не нужна

 

Чиллер, как охладитель теплоносителя

Структурная схема чиллера и его врезка в систему жидкостного охлаждения показана на рис. 7.

 

Рисунок 7

 

Распределение теплоносителя

В таких (сложных и протяженных) гидравлических системах особое требование предъявляется к управлению расходом теплоносителя через каждый узел выделяющий тепло. Потому что отводимая от него мощность напрямую определяется расходом теплоносителя. И поэтому его расход через каждый узел должен иметь заданную величину. В случае избыточного расхода через одни узлы - возможно возникновение ситуации, когда для других узлов он будет недостаточен.

Для распределения теплоносителя по группам устройств (напольным шкафам) и так же по отдельным устройствам применяются специальные блоки регулирования расхода имеющие в своем составе датчики расхода и регулирующую арматуру, подобные описанным в статье "Вода в системах охлаждения ПК". Обычно для этого используют ротаметры.

В целях упрощения системы на конечных узлах могут быть установлены регулировочные шайбы.

Датчики расхода желательно иметь на каждом охлаждаемом узле, потому что отсутствие расхода это аварийная ситуация для этого узла.

 

Заключение

Не смотря на то что системы жидкостного охлаждения требуют дополнительных затрат на изготовление и эксплуатацию, они обеспечивают гарантированный отвод тепла от большого количества тепловыделяющих узлов, обеспечивая им стабильный температурный режим при большом перепаде температур наружного воздуха.

При этом обеспечиваются комфортные условия работы для обслуживающего персонала офисов или дата-центров, как по температуре, так и по уровню шума в помещении.

Кажущаяся проблема оперативного отключения серверов дата-центров имеющих жидкостную систему охлаждения технически имеет несколько решений.

 

Наилучшим решением для широкого применения систем жидкостного охлаждения было бы внедрение стандарта на разъемные невытекающие жидкостные соединители для электронной аппаратуры.

 

А. Сорокин, 25.12.2012

Ссылки:

1. Холодильная машина (чиллер) - агрегат для производства охлажденной жидкости,
2. Дата-центры Яндекс