Решения для охлаждения телекоммуникаций для современной инфраструктуры

Такое развитие событий представляет собой серьезную проблему, которую нельзя недооценивать: тепло.

Современные базовые станции 5G потребляют в 2-3 раза меньше энергии, чем их предшественники 4G. Более высокое энергопотребление напрямую преобразуется в более высокую тепловую мощность. Ставки слишком высоки для руководителей инфраструктуры и инженеров телекоммуникаций. Плохое охлаждение приводит к тепловому дросселированию, сокращению срока службы компонентов и, что хуже всего, к простою сети. Тепловой отказ больше не является вариантом в отрасли, где готовность на уровне пяти девяток (99,999 процента) является нормой.

В этом руководстве мы рассмотрим современное состояние охлаждения телекоммуникационных систем, изучим технологии, наиболее подходящие для конкретной инфраструктуры, и способы оптимизации стратегии управления тепловым режимом с точки зрения производительности и стоимости.

Развивающиеся тепловые проблемы в телекоммуникациях

Перед выбором решения важно понять, чем обусловлена столь резкая эволюция теплового профиля телекоммуникационного оборудования.

Плотность мощности - главный стимул. Раньше телекоммуникационное оборудование размещалось в больших коммутационных центрах, где стояли огромные блоки CRAC (Computer Room Air Conditioning). Сегодня сеть становится все более плотной. Массивные антенные решетки MIMO (Multiple Input, Multiple Output) и блоки базовой полосы пропускания (BBU) позволяют разместить больше вычислительных блоков на меньшей площади.

Кроме того, изменилось место расположения оборудования. Инфраструктура перемещается на периферию, где она располагается в придорожных шкафах, на крышах домов и у подножия вышек сотовой связи. В этих местах нет таких чистых экологических стандартов, как в центрах обработки данных. Они подвержены воздействию:

• Солнечная нагрузка: Прямые солнечные лучи повышают внутреннюю температуру шкафа.
• Экстремальные высокие и низкие температуры: Ночи морозные, дни палящие.
• Акустические ограничения: При размещении оборудования в жилых кварталах следует соблюдать рекомендации, которые ограничат уровень шума оборудования, чтобы вентилятор мог активно вращаться.

Теперь дело не только в том, чтобы обеспечить охлаждение, но и в том, чтобы сделать это эффективно, тихо и надежно в неблагоприятных условиях.

Технологии первичного охлаждения: Воздух против жидкости против гибрида

Один метод охлаждения лучше другого. Правильное решение во многом зависит от тепловой нагрузки (в кВт) и физического расположения оборудования.

Прецизионное охлаждение воздуха и естественное охлаждение

Воздушное охлаждение по-прежнему является стандартом для подавляющего большинства телекоммуникационных объектов, особенно тех, чья нагрузка не превышает 10-15 кВт на стойку.

Прецизионное кондиционирование воздуха: В этом методе для механического снижения температуры используется замкнутая система (например, блок CRAC). Хотя она работает хорошо, в ее основе лежат мощные внутренние вентиляторы, которые используются для прогона кондиционированного воздуха через плотные серверные стойки и фильтры. Этот метод стабилен и хорошо известен, но требует больших затрат энергии, поскольку компрессор работает все время, пока активированы вентиляторы.

Свободное охлаждение (прямое воздушное охлаждение): Для борьбы с чрезмерными затратами на электроэнергию естественное охлаждение стало стандартом в отрасли. При использовании этого типа техники внешний воздух используется в качестве средства охлаждения оборудования, когда наружная температура холоднее внутреннего заданного значения. Интеллектуальный контроллер открывает заслонки и активирует высокоэффективные приточные и вытяжные вентиляторы для подачи свежего воздуха в кабину, минуя компрессор, который, как правило, сжигает много энергии.

• Преимущества: Использование вентиляторов вместо холодильного оборудования может привести к значительной экономии операционных расходов (до 40-50% экономии энергии в более холодном климате) за счет использования вентиляторов вместо холодильного оборудования.
• Недостатки: При плохой фильтрации добавляет влагу и загрязнения; не работает в тропическом климате.

Жидкостное охлаждение (прямое на чип и погружное)

При плотности размещения в стойке 20 кВт (что имеет место в пограничных узлах с питанием от ИИ) воздух перестает эффективно отводить тепло. Новый конкурент - жидкостное охлаждение.

1. Прямое подключение к чипу (DTC): Холодные пластины помещаются над горячими компонентами (CPU/GPU), а для передачи тепла используется диэлектрическая жидкость.
2. Погружное охлаждение: Серверная плата полностью погружена в непроводящую жидкость.

Проверка реальности: Хотя жидкостное охлаждение может быть использовано для более эффективного переноса тепла, оно требует чрезвычайно масштабной перестройки существующей инфраструктуры, которая предполагает внедрение водопровода, насосов и других новых процедур обслуживания, незнакомых для многих удаленных телекоммуникационных объектов. В ближайшем будущем гибридные решения с воздушным охлаждением станут наиболее жизнеспособным вариантом для массового внедрения.

Гибридные стратегии охлаждения

Гибридное охлаждение это будущее, которое предстоит реализовать многим операторам. Эта стратегия основана на воздушном охлаждении большей части помещения или шкафа, но в некоторых стойках высокой плотности применяется локальная форма жидкостного охлаждения (например, теплообменник на задней двери). Это позволит операторам увеличить масштаб 5G не отказываясь от своих традиционных инвестиций в воздушное охлаждение.

Чтобы вы могли наглядно представить себе процесс выбора, ниже приведено сравнение типичных вариантов использования:

Стратегии охлаждения наружных телекоммуникационных шкафов

Передовой линией современной сети является наружный шкаф. У него нет корпуса, защищающего оборудование, как в случае с центром обработки данных. Политика охлаждения в этом случае должна быть одновременно защитной и функциональной.

Управление факторами окружающей среды (пыль, влага и тепло)

Системы наружного охлаждения характеризуются защитой от проникновения (IP) или Рейтинг NEMA. Конструкция охлаждающего элемента, в данном случае вентилятора, чаще всего является самым слабым звеном.

1. Пыль и песок: Радиаторы и фильтры могут быть забиты мелкими твердыми частицами в пустыне или в городских условиях. Сопротивление воздушному потоку возрастает по мере заполнения фильтров пылью. Это требует использования Высокий Статическое давление Вентиляторы которые могут поддерживать достаточный поток воздуха в засоренной среде без остановки или перегорания.
2. Сырость и соленый туман: Соленый туман убийственен для береговой службы. Он вызывает омеднение и потерю нормальной работы подшипников вентиляторов на печатных платах. Для решения этой проблемы существуют следующие средства Вентиляторы IP68 с полностью герметичными двигателями. Эти вентиляторы герметичны, в отличие от обычных вентиляторов с покрытием, поэтому внутренняя электроника никогда не подвергается воздействию влаги и соли.

Активные и пассивные методы охлаждения

Учет активного или пассивного охлаждения наружного шкафа представляет собой расчет Δ T (дельта T) - расхождение между максимально допустимой внутренней температурой и максимально допустимой наружной температурой.

1. Пассивное охлаждение (теплообменники/HEX)

Это самое надежное решение с низким энергопотреблением. Он рециркулирует горячий воздух в шкафу с помощью внутреннего вентилятора и продувает холодный окружающий воздух через теплообменный сердечник с помощью внешнего вентилятора. Эти два воздушных потока никогда не смешиваются.

• Роль болельщика: Холодопроизводительность системы обеспечивается только за счет объема воздушного потока, создаваемого вентиляторами, поскольку в системе нет компрессора. Высокопроизводительные вентиляторы могут значительно увеличить скорость отвода тепла от традиционного блока HEX.

2. Активное охлаждение (кондиционеры/TEC)

Активное охлаждение необходимо, если шкаф должен находиться на солнце, при температуре 40 °C (104°F), а оборудование должно поддерживаться при температуре 25 °C (77°F).

Хотя активные кондиционеры работают от электросети, они используют мощные вентиляторы конденсатора, чтобы отдать тепло в атмосферу. Когда такие вентиляторы выходят из строя или изнашиваются при неблагоприятной погоде, компрессор перегревается и выходит из строя. Таким образом, качество вентиляторов, установленных в кондиционере, является фактором, который напрямую связан с качеством самого кондиционера.

Роль передовых технологий вентиляторов в эффективности системы

Независимо от типа выбранного вами теплообменника, прецизионного кондиционера или системы естественного охлаждения, один элемент очень важен для общей производительности и эффективности всей цепи, и это вентилятор.

Вентилятор часто рассматривается как товар, однако на самом деле это сердцебиение тепловой системы. Если вентилятор ломается, охлаждение прерывается, и в помещении становится темно. Если вентилятор работает неэффективно, то показатель PUE (эффективность использования энергии) взлетает до небес.

Почему вентиляторы необходимы для современных телекоммуникаций (ACDCFAN Solutions)

В контексте современной телекоммуникационной инфраструктуры обычного готового вентилятора будет недостаточно. Именно здесь на помощь приходят специализированные инженерные решения, обеспечивающие общую стоимость владения (TCO).

В ACDCFAN мы поняли, что клиенты телекоммуникационных компаний сталкиваются с тремя особыми проблемами: нерациональное использование энергии, суровые условия окружающей среды, экстремальные температуры и затраты на обслуживание. Решение этих проблем предполагает отказ от обычных вентиляторов переменного тока в пользу более специфических:

• Интеллектуальное охлаждение "по требованию" (технология EC):

  Обычные вентиляторы постоянно работают на полной скорости. EC (Electronically Commutated) вентиляторы ACDCFAN совместимы с интеллектуальным управлением скоростью вращения PWM (Pulse Width Modulation). Вентилятор будет контактировать с системой и вращаться быстрее только при увеличении тепловой нагрузки.

  • Ценность: При низкой нагрузке вентиляторы работают медленнее, что значительно снижает энергопотребление и шум.
• Устойчивость к внешним воздействиям (защита IP68):

  Обычные вентиляторы недолговечны, если на них попадает вода или мельчайшие частицы пыли. В случае с наружными телекоммуникационными шкафами мы используем специальный Инкапсуляция по стандарту IP68 процедура. Это делает двигатель и электронику абсолютно устойчивыми к попаданию воды и пыли. Более того, наши конструкции разработаны для работы на экстремальных высотах, когда плотность воздуха достаточна и обеспечивается достаточное охлаждение, в отличие от обычных вентиляторов, которые не могут работать в таких условиях.

• Долголетие как фактор экономии:

  Замена вентилятора в отдаленном горном шкафу может обойтись в полтысячи грузовиков и человеко-часов. Надежность имеет первостепенное значение. Благодаря высококачественным системам Dual Ball Bearing наши вентиляторы способны достигать Среднее время наработки на отказ (MTBF) более 70 000 часов. Это важная особенность надежности "установи и забудь", позволяющая минимизировать операционные затраты на удаленную инфраструктуру.

Тепловое управление для граничных вычислительных центров

Пограничный центр обработки данных расположен немного дальше, чем удаленный шкаф. Это контейнерные и сборные центры обработки данных, которые размещаются ближе к пользователю, чтобы минимизировать задержки.

Пространство в таких устройствах - роскошь. О больших охлаждающих устройствах по периметру не может быть и речи. Мода в этой области - In-Row Cooling или Rear-Door Heat Exchangers. Они располагаются между серверными стойками (или на задней части этих стоек), сокращая расстояние для воздушного потока.

С "горячими точками" также сложно бороться в Edge-центрах. Из-за возможности различной рабочей нагрузки на разные стойки (например, одна стойка обеспечивает потоковое видео, другая - данные IoT) тепло выделяется неравномерно. Чтобы управлять всеми этими микроклиматами, интеллектуальные системы терморегулирования должны иметь датчики их обнаружения и направлять воздушный поток в нужное место, что является еще одной причиной появления интеллектуальных систем терморегулирования. Вентиляторы с ШИМ описанные выше.

Оптимизация PUE: энергоэффективность в телекоммуникационной инфраструктуре

PUE (Power Usage Effectiveness) - это соотношение между общей энергией объекта и энергией ИТ-оборудования. Идеальный показатель PUE составляет 1,0. Старые телекоммуникационные объекты обычно работают с PUE 2,0 или выше; то есть каждый ватт электроэнергии, потребляемой при передаче данных, тратится на охлаждение и освещение.

Минимизация PUE - это не только вопрос экологичности, но и вопрос рентабельности, которая может быть минимизирована за счет технического обслуживания. Охлаждение является типичным компонентом 30-50% потребности телекоммуникационных объектов в энергии.

Для оптимизации коэффициента полезного действия:

1. Поднимите уставку: Современное телекоммуникационное оборудование отличается долговечностью. Заданную внутреннюю температуру в 22°C можно увеличить до 26°C, что позволяет экономить колоссальные средства.
2. Внедрите систему управления воздушными потоками: Внедрите систему управления воздушными потоками. Разделите проходы для горячего и холодного, чтобы избежать смешивания воздуха.
3. Переход на компоненты с переменной скоростью: Переход в будущем на компрессоры и вентиляторы с переменной скоростью вращения гарантирует, что вы будете платить за охлаждение только столько, сколько вам требуется в данный момент времени.

Заключение

Переход к современной телекоммуникационной инфраструктуре - это процесс управления плотностью. Чем выше скорость передачи данных в более современных сетях, тем выше тепловые потери. Независимо от удаленной башни, управляемой 5G, или контейнерного центра, цель одна - надежность, эффективность и долговечность.

Бюджет может оказаться недоступным для строительства совершенно новых установок с жидкостным охлаждением, как это происходит у многих операторов. Именно на этом этапе эффективной стратегией будет модернизация.

Для достижения определенных преимуществ не обязательно заменять весь холодильный агрегат. Старым шкафам можно дать новую жизнь, модернизировав старые системы более современными лотками вентиляторов с высоким расходом воздуха или заменив вентиляторы переменного тока в шкафах эффективными аналогами типа EC. Это метод микроапгрейда Решение краткосрочных тепловых проблем, связанных с оборудованием 5G, при экономии средств за счет полной модернизации объекта.

ACDCFAN мы готовы помочь вам, если вы столкнетесь с тепловыми проблемами в своем развертывании, будь то проектирование нового наружного шкафа или модернизация старого со старой базовой станцией. Мы располагаем широким ассортиментом вентиляторов переменного, постоянного и переменно-постоянного тока, а также мощными возможностями ODM, которые позволяют нам предложить предварительное решение по охлаждению. в течение 10 дней.

Будущее телекоммуникаций - жаркое, но с соответствующим планом охлаждения ваша телекоммуникационная сеть будет оставаться холодной, эффективной и онлайн.