روشهای تهویه مطبوع و سرمایش در مراکز داده

روشهای تهویه مطبوع و سرمایش در مراکز داده

در میان فرآیندهای حیاتی فاوا، دفع گرمای فضای مرکز داده، یکی از مهم‌ترین فرایندهایی است که کمتر درک شده و آگاهی محدودی در مورد آن وجود دارد. در حالی که جدیدترین تجهیزات کامپیوتری ابعاد کوچک‌تر دارند و در عین حال، به همان مقدار یا حتی بیشتر از تجهیزات پیشین، برق مصرف می‌کنند، گرمای بیشتری نیز در مراکز داده تولید می شود.

برای دریافت و انتقال این گرمای ناخواسته به محیط بیرون، باید از تجهیزات سرمایش موضعی و دفع گرما استفاده شود.

در این مقاله، 9 نوع از روش‌های توزیع هوا، بررسی خواهد شد. اطلاعات ارائه شده، پایه و اساسی فراهم کرده تا خبرگان فاوا بتوانند تعیین مشخصات، نصب و عملکرد سیستم‌های سرمایش را به طور موفقیت آمیزی مدیریت کنند. برای تعاریف واژگان مختلف به کار رفته در این مقاله، به گزارش “توضیح واژگان سرمایش و تهویه مطبوع برای خبرگان فاوا” مراجعه کنید.

دستگاه تهویه مطبوع چگونه کار می‌کند

در گزارش “اصول اساسی دستگاه‌های تهویه مطبوع در فناوری اطلاعات”، اطلاعاتی در زمینه‌ی ماهیت گرما در فضای فاوا، عمکرد چرخه‌ی سرمایش و کارکردهای پایه در دستگاه‌های سرمایش موضعی و تجهیزات دفع گرما به محیط بیرون فراهم می‌کند.

معماری‌های سرمایش

معماری سرمایش اصولا با موارد زیر معرفی می‌شود:

1. یک روش مشخص در دفع گرما

2. نوع مشخصی از توریع هوا (موضوع این مقاله)

3. مکان دستگاه سرمایشی که مستقیما هوای خنک را به تجهیزات فاوا می‌رساند.

در ادامه این سه مورد، به اختصار توضیح داده شده و ارجاعاتی نیز در مورد مقالات مرتبط آورده می‌شود تا دربرگیرنده‌ی تمامی سیستم سرمایش مرکز داده باشد.

دفع گرما

سیستم دفع گرما، ظرفیت انبوهی برای سرمایش ایجاد کرده و انرژی گرمایی را از فضای فاوا به محیط خارجی، منتقل و هدایت می‌کند. در گزارش ” تکنولوژی های مختلف در سرمایش مراکز داده”، هفت تکنولوژی پایه‌ی سرمایش و اجزای آن، توضیح داده شده است.

توزیع هوا

توزیع هوا موضوع مقاله‌ی حاضر است.

مکان قرارگیری دستگاه سرمایش

در این مقاله، دستگاه سرمایش، به عنوان دستگاهی معرفی شده که هوای رفت خنک مورد نیاز تجهیزات فاوا را تامین می‌کند.

چهار مکان اصلی برای نصب این دستگاه‌های سرمایش وجود دارد.

در کل، دستگاه سرمایش از دیگر دستگاه‌های سیستم دفع گرما جداسازی می‌شود. در بعضی موارد، تمامی معماری سرمایش در قالب سیستمی بسته، در محیط بیرون و در کنار مرکز داده، نصب می‌شود. مکان دستگاه‌ سرمایش، نقش مهمی در طراحی مرکز داده ایفا می‌کند که شامل تعیین بهره‌وری کلی سرمایش، توان مصرفی فاوا (kW/rack) و فضای اشغال شده از رک فاوا می‌باشد. برای دریافت اطلاعات بیشتر به گزارش ” معماری های سرمایش: سالنی، ردیفی، دالانی و رک بسته در مراکز داده” مراجعه شود.

نه روش توزیع هوا

برخلاف توریع برق، که جریان برق تنها به کابل‌ها محدود بوده و مشخصا به عنوان قسمتی از طراحی، قابل تشخیص و مشاهده است، جریان هوا به طوری ناکارآمد، به طراحی اتاق محدود می‌شود. کنترل جریان هوا، هدف اصلی روش‌های مختلف توزیع هوا محسوب می‌شود.

عوامل اصلی که بهره‌وری سیستم سرمایش مرکز داده را تعیین می‌کنند، به توزیع هوا بستگی دارند.

برای توزیع هوا در مرکز داده، سه روش اصلی وجود دارد:

• توزیع انبوه

• توزیع متمرکز

• توزیع بسته

در سیستم توزیع انبوه هوای رفت و برگشت، تنها عامل محدود کننده‌ی جریان هوای سرد(رفت) و گرم(برگشت)، دیوارها، سقف و کف اتاق می‌باشد. استفاده از چنین روشی، به ترکیب بسیار زیاد هوای خنک رفت با هوای گرم برگشت، منجر می‌شود.

در سیستم توزیع متمرکز هوای سرد و گرم، از مکانیسمی (مانند کانال هوا، تایل‌های سوراخ‌دار و دستگاه‌ سرمایش واقع در ردیف‌های فاوا) برای هدایت جریان هوای سرد و گرم در فاصله‌ی 3 متری ورودی و خروجی تجهیزات فاوا، استفاده می‌شود.

در سیستم توزیع هوای بسته‌، جریان هوای سرد و گرم تجهیزات، کاملا محدود و بسته است تا از ترکیب این دو جریان هوا جلوگیری کند.

هر یک از این سه روش، انبوه، متمرکز و بسته، را می‌توان در هر مسیر رفت و هر مسیر برگشتی استفاده کرد. در نتیجه، 9 ترکیب یا نوع توزیع هوا، امکان‌پذیر خواهد بود. تمامی این روش‌ها، در شرایط مختلف به کار رفته و بعضی اوقات، انواع مختلف دیگری نیز در همان مرکز داده، با هم ترکیب شده‌اند.

در جدول 1، نه روش توزیع هوا نشان داده شده است. تصاویر آورده شده، نشان‌دهنده‌ی اجراهای سرمایش سنتی سالنی بوده و لزوما به معنی تامین بیشینه‌ی توان مصرفی مشخص شده، نیست. در جدول 2، اجراهای غیرسنتی نشان داده شده که در مراکز داده‌ی امروزی متداول‌تر است.

اجرای سیستم توزیع هوا و اقدامات مدیریت هوا، تاثیر بسزایی بر توان مصرفی قابل دستیابی در این 9 سیستم توزیع هوا دارد. 

به عنوان مثال:

دستگاه‌های سرمایش را می‌توان در اطراف محیط (جدول 1) یا در ردیف یا فضای بیرون (جدول 2) قرار داد. در کل، کم‌ترین سطح از هزینه، پیچیدگی و قابلیت تامین توان مصرفی (kW/rack) در اجرای سیستم توزیع هوا، در بالا و سمت چپ جدول مشاهده شده و با حرکت به سمت انواع سیستم‌های پایین و سمت راست جدول، این مقادیر افزایش می‌یابد.

جدول 1: نه روش توزیع هوا (اجراهای سنتی سرمایش سالنی)

	هوای گرم انبوه	هوای گرم متمرکز	هوای گرم بسته
هوای سرد انبوه
	اتاق‌های کوچک LAN < 40kW برای اکثر مراکز داده توصیه نمی‌شود. هزینه‌ کم، نصب آسان کمترین بهره‌وری انرژی در معماری‌های توزیع هوا به آن دلیل که تمامی هوای خنک رفت می‌تواند با هوای گرم تهویه شده ترکیب شود. دمای هوای سرد (رفت) به شدت غیر قابل پیش‌بینی است. با این سیستم توزیع، می‌توان تا 3kW در هر رک را خنک کرد.	کاربرد عمومی برای اکثر مراکز داده توصیه نمی‌شود. هزینه‌ کم، نصب آسان از آن جا که 40-70% از هوای گرم تهویه شده، محدود شده و به دستگاه سرمایش بازگردانده می‌شود، بهره‌وری بیشتری از بازگشت هوای انبوه دارد. هوای سرد در این سیستم، قابل پیش‌بینی‌تر از هوای سرد در روش توزیع انبوه بوده زیرا با هوای گرم تهویه‌ شده‌ی کمتری ترکیب می‌شود. با این سیستم توزیع، می‌توان تا 6kW در هر رک را خنک کرد.	مراکز داده‌ی بزرگ/هم‌مکانی قابل بروزرسانی(مبتنی بر مشخصات سازنده تجهیزات) از آن جا که افزایش دمای هوای خنک رفت امکان‌پذیر است، بیشترین بهره‌وری را میان معماری‌های توزیع هوا داشته که به افزایش تعداد ساعات عملکرد بهینه‌ساز منجر می‌شود. در حدود 70-100% از هوای گرم تهویه شده از تجهیزات فاوا محدود شده و به دستگاه سرمایش بازگردانده می‌شود. هوای سرد نیز قابل پیش‌بینی‌تر خواهد بود زیرا با هوای گرم ترکیب نمی‌شود. با این سیستم توزیع، می‌توان تا 30kW در هر رک را خنک کرد.
هوای سرد متمرکز
	مراکز داده با توان مصرفی استاتیک برای طراحی‌های جدید -که قادر به پشتیبانی از توان مصرفی پیش‌بینی شده نیستند- توصیه نمی‌شود. نسبت به هوای سرد انبوه، بهره‌وری بیشتری دارد زیرا بیشتر هوای گرم تجهیزات فاوا به دستگاه سرمایش بازگردانده می‌شود. با این سیستم توزیع، می‌توان تا 6kW در هر رک را خنک کرد.	مراکز داده‌ی کوچک تا متوسط نسبت به روش هوای گرم انبوه، بهره‌وری بیشتری دارد زیرا 60-80% هوای گرم تهویه شده از تجهیزات فاوا، محدود شده و به دستگاه سرمایش بازگردانده می‌شود. هوای سرد قابل پیش‌بینی‌تر است زیرا با هوای گرم تهویه شده، ترکیب نمی‌شود. با این سیستم توزیع، می‌توان تا 8kW در هر رک را خنک کرد.	برطرف‌کننده‌ی مشکل نقاط پرحرارت قابل بروزرسانی(مبتنی بر مشخصات سازنده تجهیزات) نسبت به روش هوای گرم انبوه، بهره‌وری بیشتری دارد زیرا 70-100% هوای گرم تهویه شده از تجهیزات فاوا، محدود شده و به دستگاه سرمایش بازگردانده می‌شود. هوای سرد قابل پیش‌بینی‌تر است زیرا با هوای گرم تهویه شده، ترکیب نمی‌شود. می‌توان دمای هوای سرد دستگاه سرمایش را افزایش داد که به افزایش تعداد ساعات عملکرد بهینه‌ساز منجر می‌شود. با این سیستم توزیع، می‌توان تا 30kW در هر رک را خنک کرد.
هوای سرد بسته
	Mainframها/ رک‌ها با جریان هوای عمودی نسبت به سیستم هوای سرد متمرکز پربازده‌تر بوده اما نسبت به سیستم هوای گرم بسته بهره‌وری کمتری دارد. با سیستم هوای سرد بسته، فضای باقیمانده‌ی اتاق تبدیل به راهروی گرم می‌شود که تعداد ساعات عملکرد بهینه‌ساز را محدود می‌کند. هوای سرد قابل پیش‌بینی‌تر بوده زیرا تنها با مقدار کمی از هوای گرم تهویه شده ترکیب می‌شود. با این سیستم توزیع، می‌توان تا 30kW در هر رک را خنک کرد.	Mainframها/ رک‌ها با جریان هوای عمودی نسبت به سیستم هوای سرد متمرکز پربازده‌تر بوده اما نسبت به سیستم هوای گرم بسته بهره‌وری کمتری دارد. با سیستم هوای سرد بسته، فضای باقیمانده‌ی اتاق تبدیل به راهروی گرم می‌شود که تعداد ساعات عملکرد بهینه‌ساز را محدود می‌کند. هوای سرد قابل پیش‌بینی‌تر بوده زیرا با هوای گرم تهویه شده ترکیب نمی‌شود. با این سیستم توزیع، می‌توان تا 30kW در هر رک را خنک کرد.	فضاهای به غیر مرکز داده با شرایط سخت کمی از هوای گرم بسته  با هوای سرد انبوه یا متمرکز کم‌بازده‌تر است- به انرژی بیشتری از فن‌ها نیاز است. می‌توان دمای هوای سرد دستگاه سرمایش را افزایش داد که به افزایش تعداد ساعات عملکرد بهینه‌ساز منجر می‌شود. با این سیستم توزیع، می‌توان تا 30kW در هر رک را خنک کرد.

جدول 2: اجراهای غیرسنتی

	هوای گرم انبوه	هوای گرم متمرکز	هوای گرم بسته
هوای سرد انبوه
	کف سازه، دستگاه سرمایش واقع در محیط بیرون برای بیشتر مراکز داده توصیه نمی‌شود. عدم بهره‌وری به دلیل جلوگیری ترکیب دو جریان هوا از دمای قابل پیش‌بینی ورودی فاوا	کف سازه، دستگاه سرمایش واقع در محیط بیرون برای بیشتر مراکز داده توصیه نمی‌شود. عدم بهره‌وری به دلیل جلوگیری ترکیب دو جریان هوا از دمای قابل پیش‌بینی ورودی فاوا	کف سازه، دستگاه سرمایش واقع در محیط بیرون فن‌های دور متغیر در دستگاه سرمایش توسط دمای فاوا، کنترل می‌شود.
هوای سرد متمرکز
	بدون جایگزین غیرسنتی	کف سازه، دستگاه‌های سرمایش ردیفی برای مراکز داده با توان کمتر از 1MW توصیه می‌شود. فن‌های دور متغیر در دستگاه سرمایش توسط دمای فاوا، کنترل می‌شود.	کف سازه، دستگاه‌های سرمایش ردیفی برای مراکز داده با توان کمتر از 1MW توصیه می‌شود. فن‌های دور متغیر در دستگاه سرمایش توسط دمای فاوا، کنترل می‌شود.
هوای سرد بسته
	کف کاذب، دستگاه‌های سرمایش در اطراف برای مراکز داده‌ی جدید توصیه نمی‌شود. برای مراکز داده‌ی موجود فعلی مناسب است. فن‌های دور متغیر در دستگاه‌های سرمایش توسط فشار و تایل‌های فعال توسط دمای فاوا کنترل می‌شوند.	کف کاذب، دستگاه‌های سرمایش واقع در محیط بیرون هوای گرم متمرکز چندان تاثیری ندارد زیرا هوای سرد بسته و محدود است در نتیجه، توصیه نمی‌شود. فن‌های دور متغیر در دستگاه‌های سرمایش توسط فشار و تایل‌های فعال توسط دمای فاوا کنترل می‌شوند.	کف کاذب، دستگاه‌های سرمایش ردیفی تنها برای فضاهای با شرایط دشوار یا مراکز داده‌ی موجودی که نیازمند سیستم هوای کاملا بسته در ردیفی از رک‌ها (فشردن ردیف در یک راهروی گرم موجود) باشد، توصیه می‌شود. فن‌های دور متغیر در دستگاه سرمایش توسط دمای فاوا، کنترل می‌شود.

سیستم‌های توصیه‌شده‌ی توزیع هوا برای مراکز داده‌ی جدید

یکی از اهداف حیاتی در سیستم توزیع هوای مرکز داده، جداسازی هوای تهویه‌شده از ورودی تجهیزات فاوا بوده تا از این طریق، از ایجاد حرارت بیش از حد، جلوگیری کند. این جداسازی، همچنین به طور محسوسی بهره‌وری و ظرفیت تمام سیستم دفع گرما را نیز افزایش می‌دهد. بسته به مکان قرارگیری دستگاه سرمایش(در اطراف یا به صورت ردیفی)، با افزایش توان مصرفی ، متعاقبا حجم هوای تهویه شده و هوای ورودی نیز افزایش یافته و به سیستمی در توزیع هوا نیاز خواهد بود که از احتمال ترکیب این دو چشمه‌ی هوا با هم، بکاهد.

به همین دلیل وقتی توان مصرفی افزایش می‌یابد، (بسته به مکان دستگاه سرمایش) به سیستم هوای کاملا بسته یا متمرکز برای تامین هوای ورودی تجهیزات و دفع هوای تهویه شده، نیاز است. برای دریافت اطلاعات بیشتر، به گزارش ” تاثیر راهروی گرم بسته و راهروی سرد بسته بر دما و بهره‌وری مرکز داده” مراجعه شود.

با افزایش توان تجهیزات کامپیوتری و دینامیکی شدن مصارف فاوا، سرمایش مراکز داده و اتاق‌های شبکه در سیستم‌های سنتی توزیع هوا از طریق کف کاذب به چالش بزرگی تبدیل شد.

تجمیع سرورها و پروژه‌های مجازی‌سازی، در کنار ابعاد فیزیکی رو به کاهش سرورها و سیستم‌های ذخیره‌ساز قرار گرفته و به توان مصرفی بالا و تراکم حرارتی بالا منجر شده است.

حتی با آن که مصرف برق معمول هر رک در مرکز داده، در حدود 3kW باقی مانده، اما ممکن است تجهیزات به نحوی پیکربندی شده که بیش از 30kW در رک، برق مصرف کنند. بنابراین توانایی سیستم سنتی هوای گرم انبوه از طریق کف کاذب که تنها برای سرمایش قابل اطمینان 5-6kW در رک طراحی شده، تحت فشار قرار می‌گیرد. علاوه بر آن، با مجازی‌سازی و مهاجرت به VMها، احتمال بروز نقاط پرحرارت دینامیکی در اتاق، افزایش می‌یابد.

در حالی که اجرای کف کاذب، مفهومی متداول در مراکز داده است، اما مراکز داده با هر ابعادی می‌توانند بدون کف کاذب، نیز ساخته شوند و در حال حاضر نیز، چنین مراکز داده‌ای ساخته می‌شوند. بیشتر اتاق‌های شبکه و LAN از کف کاذب استفاده نمی‌کنند. همچنین در بسیاری از مراکز داده‌ی جدید چند مگاواتی نیز از کف کاذب استفاده نمی‌شود.

ملاحظات اجرایی کف کاذب: در بکارگیری کف کاذب، باید به موارد متعددی از جمله مهندسی تخصصی، هزینه، زمان طراحی، الزامات ارتفاع سرگیر، زلزله‌خیزی، خطرات ایمنی، بارگذاری کف، رمپ‌های دسترسی و غیره، توجه داشت.این عوامل، در گزارش ” کاربرد کف کاذب در برابر کف سازه در مراکز داده” به تفصیل بررسی شده‌اند.

انتخاب سیستم مناسب توزیع هوا در ساخت مراکز داده‌ی جدید

شناخت سیستم‌های مختلف توزیع هوا، پایه و اساس در تعیین موارد کاربرد هر یک، به شمار می‌رود.

با وجود آن که در پیامدهای اجرای هر سیستم، در هر شرایط متفاوت است، اما می‌توان راهنمایی‌های کلی برای زمان بکارگیری هر سیستم، ارائه داد.

کلید اصلی در روش موثر طراحی عبارتست از:

سیستم توزیع هوا را برای توانی بیشتر از توان مصرفی مورد نیاز، طراحی کنید اما در سیستم سرمایش توانایی پشتیبانی از اوج مصرف برق رک را نیز فراهم کنید. رک‌های پرظرفیت معمولا تنها بخشی از مصرف کلی مرکز داده را تشکیل می‌دهند و از پیش، به درستی قابل پیش‌بینی نیستند.

نگرانی از آن که نتوان با استفاده از طراحی‌های سنتی نقاط پرحرارت احتمالی را به قدر کافی خنک ساخت، موجب برآوردهایی بسیار بیشتر از حد نیاز در مشخصات دستگاه‌های سرمایش و سیستم‌های توزیع هوا شده است.

در نتیجه، با افزایش چشمگیر در هزینه‌های عملیاتی و سرمایه، هنوز هم نمی‌توان به نتایج مطلوب دست یافت. با اجرای سیستم هوای گرم بسته، از نواحی پرظرفیت پشتیبانی شده و در عین حال، از هزینه های ناشی از برآورد بیش از حد سیستم سرمایش انبوه نیز، جلوگیری می‌شود.

در شکل 1، 2 و 3، نمونه‌هایی از راه‌کارهای راهروی گرم بسته (مانند هوای گرم بسته) در مراکز داده ی مدرن نشان داده شده است.

برای دریافت اطلاعات در زمینه‌ی سیستم‌های توزیع هوا در مراکز داده‌ی موجود فعلی، به گزارش ” اجرای سیستم هوای گرم و سرد بسته در مراکز داده‌ی موجود  و ” اجرای منطقه رک های پرظرفیت در مراکزداده کم ظرفیت”مراجعه شود.

باید توجه داشت که با محدود ساختن یکی از چشمه‌های هوا، می‌توان از ترکیب این دو جریان هوا جلوگیری کرد. در نتیجه، بکارگیری هر دو سیستم هوای سرد (رفت) بسته و گرم (بازگشت) بسته، توصیه نمی‌شود زیرا اجرای سیستم بسته برای هر دو جریان هوای سرد و گرم، هزینه‌ی اضافی داشته و مزیتی ندارد. البته حالتی که مانند فضاهایی با شرایط بسیار دشوار، به جداسازی کامل رک‌های فاوا نیاز باشد، از این قانون مستثنی است.

شکل 1: نمونه‌هایی از سیستم بسته در مراکز داده‌ی جدید- هوای سرد انبوه و هوای گرم بسته

شکل 2: نمونه‌هایی از سیستم بسته در مراکز داده‌ی جدید- هوای سرد متمرکز و هوای گرم بسته

شکل 3: نمونه‌هایی از سیستم بسته در مراکز داده‌ی جدید- هوای سرد و  گرم بسته

نتیجه‌گیری

تفاوت اصلی میان سیستم‌های سرمایش در مراکز داده و اتاق‌های شبکه، در نحوه‌ی توزیع هوای این سیستم‌هاست. سیستم‌های هوای سرد و گرم، هر یک دارای 3 پیکربندی متفاوت هستند که با ترکیب این پیکربندی‌ها، به 9 سیستم توزیع هوا دست یافته می‌شود. هر یک از این 9 سیستم توزیع هوا، دارای قابلیت‌ها و مزایایی است که موجب شده در کاربردهایی خاص، بهتر عمل کنند.

با شناخت این 9 روش توزیع هوا و ویژگی‌های هر یک، می‌توان راهنمایی‌هایی را در موارد کاربرد هر یک ارائه داده و توسعه بخشید. در این مقاله، چنین راهنمایی‌هایی برای ساخت مراکز داده‌ی جدید، مراکز داده‌ی موجود دارای کف کاذب و کاربردهای خاص ارائه شده است.

در بیشتر موارد، روش مناسب‌تر در ساخت مراکز داده، استفاده از کف سازه است. برخلاف باور عموم، روش‌های سرمایش در اجراهای کف سازه، می‌توانند همان قابلیت‌ها و عملکرد کف کاذب یا حتی بهتر از آن، را تامین کنند.

در کل، برای سرمایش رک‌هایی با توان 5-15kW، از سیستم هوای سرد یا گرم بسته استفاده می‌شود. محدود ساختن هر دو جریان هوای سرد و گرم، معمولا توصیه نمی‌شود مگر آن که، رک‌های فاوا در فضایی با شرایط بسیار سخت قرار گرفته باشند. از آن جا که رک‌ها با توان مصرفی 5-15kW بخش کوچکی از رک‌های مرکز داده را تشکیل می‌دهند، معمولا از این روش به همراه روش‌هایی ساده‌تر استفاده می‌شود.

با بکارگیری سیستم هوای سرد یا گرم بسته، می‌توان مراکز داده را متناسب با بار گرمایشی متوسط طراحی کرد اما، همچنان در صورت لزوم، قابلیت پشتیبانی از رک‌های پرظرفیت را نیز داشت.

منبع : پرشیاسیستم