Гликолевые системы охлаждения: как они поддерживают бесперебойную работу дата-центров

Посмотрите на свой ноутбук. Представьте, что работаете над несколькими проектами одновременно: открыты десятки вкладок, в фоновом режиме воспроизводится видео, скачивается файл, который много весит. В таком режиме компьютер нагревается, может тормозить и зависать. Что происходит дальше? Запускается встроенный вентилятор внутри девайса. Он снизит внутреннюю температуру, чтобы тот снова мог работать с максимальной эффективностью.

Центры обработки данных (ЦОД) – это более крупные и сложные системы, но они работают, нагреваются и охлаждаются по тем же принципам, что и обычные компьютеры.

Жара и digital

ЦОД или дата-центры (от англ. data center) представляют собой специализированные помещения или комплексы зданий, в которых размещаются компьютерные системы и связанные с ними компоненты, включая оборудование связи и системы хранения данных. ЦОДы бывают корпоративными и аутсорсинговыми.

Сдвиг в сторону искусственного интеллекта (ИИ), машинного обучения и общего ускорения цифровых платформ запустил тренд на более мощную инфраструктуру дата-центров. По данным портала statista.com, в 2025 году объем созданных, собранных, скопированных и потребленных данных в мире превысит 180 зеттабайт по сравнению с 64 зеттабайтами в 2020 году.

Возрастающие объемы информации требуют применения специальных технологий для того, чтобы оборудование ЦОД круглосуточно сохраняло работоспособность при стабильно высоких тепловых нагрузках. Каждый задействованный в вычислениях процессор выделяет тепловую энергию: в обычных условиях плотность тепловыделения в ЦОД может быть в пять раз выше, чем в обычных офисных помещениях на единицу площади. Перегрев оборудования дата-центров чреват снижением производительности, перебоями в работе, а также финансовыми и репутационными потерями для поставщиков услуг.

Одна из самых масштабных аварий, связанных с перегреванием ЦОД, случилась в 2023 году. Превышение температурного режима в сингапурском дата-центре привело к тому, что клиенты привязанных к нему банковских платформ два дня не могли совершать онлайн-операции.

Как работают системы жидкостного охлаждения?

Наиболее простое и популярное решение для отвода выработанного тепла в дата-центрах – воздушное охлаждение. Оно работает по тому же принципу, что и обычные системы кондиционирования. Для компактных и средних ЦОДов этот метод считается эффективным. Однако при увеличении объемов тепловой нагрузки мощности воздушных чиллеров снижаются, а их эксплуатация становится невыгодной из-за перерасхода электричества.

Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE) рекомендует для ИТ-систем с плотно расположенными высокопроизводительными компонентами поддерживать температуру в диапазоне 18-22 °C.

Жидкости обеспечивают более эффективную теплопередачу по сравнению с воздухом. Применение систем жидкостного охлаждения повышает эффективность энергопотребления, эффективно управляет тепловыми нагрузками оборудования ЦОД и снижает затраты на электроэнергию.

Жидкостное охлаждение включает широкий спектр технологий, которые на практике часто дополняются системами, использующими в качестве охладителя воздух.

В общем виде все решения по жидкостному охлаждению делятся на две группы:

1. Погружные (иммерсионные) системы. Серверы или другое ИТ-оборудование полностью или частично погружаются в жидкость. Тепло отводится за счет непосредственного контакта охлаждающей жидкости с горячими компонентами и циркуляции нагретой жидкости через теплообменники. Важное условие – гарантия безопасного контакта жидкости с электронными компонентами под напряжением. Жидкости должны быть диэлектрическими – в основном используются минеральные или синтетические масла.
2. Контактные системы. Блок распределения перекачивает охлаждающую жидкость к стойкам с оборудованием по замкнутому контуру, обеспечивая точный контроль расхода жидкости для максимальной эффективности. Жидкость-хладоноситель циркулирует через шланги и коллекторы, поглощает тепло от ИТ-оборудования и возвращается в блок, где хладагент, например, фреон, охлаждает ее для повторного использования. Вся система представляет собой замкнутый контур, поэтому риск протечек или попадания жидкости в электрическую инфраструктуру сводится к минимуму.

Все лучшее от гликолей

В качестве жидкого хладоносителя для оборудования дата-центра может выступать обычная вода – это самый экономичный вариант. Более эффективное охлаждение обеспечивают ее очищенные версии – деионизированная вода или вода, прошедшая процесс обратного осмоса, хотя их применение обходится немного дороже.

Водно-гликолевые растворы более результативны как хладоносители в тех случаях, когда требуется быстрое охлаждение тепловыделяющего оборудования ЦОД. Так, для воды точка замерзания составляет 0 °C, что намного выше по сравнению с чистым этиленгликолем, который переходит в твердое состояние при -13 °C.

Точка замерзания в смеси гликоля с водой меняется в зависимости от концентрации. Так, раствор с 10%-ным содержанием этиленгликоля замерзает при -3 °C, а 60%-ная смесь – уже при -50 °C. При минусовых температурах вода превращается в лед, но благодаря антифризным свойствам гликоля смесь сохраняет жидкое состояние. Это позволяет ей эффективно забирать тепло и быстро охлаждаться при циркуляции в системе.

Используемые для оборудования дата-центров охлаждающие жидкости на основе гликолей включают этиленгликоль или пропиленгликоль. Хотя эти два варианта имеют схожие физические свойства, их не следует смешивать. Большинство американских и европейских экспертов говорят о том, что в охлаждающих жидкостях предпочтительнее использовать пропиленгликоль, поскольку он безвреден для человека.

Качественная водно-гликолевая смесь для применения в ЦОД должна содержать:

• гликоль высокой степени очистки для достижения наилучших результатов в области теплопередачи;

• дистиллированную воду без примесей;

• правильный набор ингибиторов для защиты металлических компонентов системы охлаждения.

Глобальный рынок специализированных охлаждающих жидкостей для ЦОД находится на этапе становления. Основными поставщиками водно-гликолевых смесей для систем охлаждения выступают инженерные подрядчики, отвечающие за установку и обслуживание вспомогательной инфраструктуры дата-центров.

За последние два-три года крупные нефтяные и нефтехимические компании ExxonMobil, Shell и Castrol заявили о разработке собственных линеек фирменных охлаждающих жидкостей, предназначенных для дата-центров.

Перспективный рынок

Россия активно участвует в развитии рынка дата-центров. По итогам 2023 года сегмент коммерческих ЦОД продемонстрировал рост почти на 21%. Основным показателем для оценки динамики служит стойко-место – конструкция, на которой размещается оборудование для хранения данных. К концу 2023 года в России насчитывалось более 70 тысяч стойко-мест, а к концу 2024-го ожидается увеличение их количества до 82 тысяч. Еще один устойчивый тренд – возведение мощных ЦОД (от 60 МВт).

Для РФ также актуальны проекты в сфере ИИ, которым требуются дополнительные вычислительные мощности. Кроме того, корпоративные правила информационной безопасности крупных компаний предписывают хранить данные в собственных ЦОД, не допуская аутсорса.