طراحی سیستم سرمایش دیتاسنتر (بخش اول)

۳ ماه قبل ۴۰۶ ۰

تولید سرمای مناسب (Cooling) برای کارکرد موثر سرورها، روترها، سوئیچها و دیگر تجهیزات کلیدی از مهمترین پارامترهای یک Data Center می‌باشد. خرابی عملکرد نادرست هواساز و تجهیزات سرمایش می‌تواند پیامدهای جدی برای سازمان در پی داشته باشد. پس نسبت به سیستم هوارسانی Data Center  باید اهمیت زیادی قائل شد. استفاده از سیستم‌های پیش هشدار دهنده و جایگزین می‌تواند راه کارهای مناسبی برای جلوگیری از این پیامدها باشد. اما قبل از همه اینها محاسبه دقیق و درست میزان هوای مورد نیاز مهمترین کار است که باید صورت گیرد.

BTU: واحد اندازه گیری انرژی گرمایی در صنایع سرمایشی و گرمایشی می‌باشد. هر BTU میزان گرمایی است که دمای یک پوند آب را در فشار یک اتمسفر یک درجه از 60 درجه فارنهایت به 61 درجه فارنهایت برساند.

Watt: واحد اندازه گیری توان می‌باشد که معادل 3/413 BTU است.

Ton : واحد اندازه گیری انرژی سرمایشی است که معادل 12000 BTU می‌باشد. توان مورد نیازبرای ایجاد یک قطعه یخ به میزان 907/18474 کیلوگرم در 24 ساعت می‌باشد که 3/51 کیلووات (KW) است.

الزامات طراحی

الزامات محیطی تجهیزات پردازش داده بسته به نوع تجهیزات و سازنده‌ی آن متفاوت است. با این حال یک کنسرسیوم از سازندگان سرور، بر شرایط استاندارد چهارگانه (کلاس 1  تا 4) که توسط ASHRAE لیست شده، توافق کرده‌اند. یک کلاس‌بندی پنجم تحت عنوان سیستم‌های ساختمان-تجهیزات شبکه (NEBS) نیز معمولا در مخابرات استفاده می‌شود. 

کلاس 1: یک مجموعه پردازش داده با کنترل محیطی سختگیرانه (نقطه شبنم، دما و رطوبت نسبی) محصوب می شوند. محصولات طراحی شده برای این کلاس سرورها و محصولات ذخیره سازی (Storage) هستند. 

کلاس 2: یک مجموعه پردازش داده با برخی کنترل‌های محیطی، سرورهای کوچک، کامپیوترهای شخصی و Work Station می باشند.

کلاس 3: معمولا یک محیط اداری یا خانگی با کنترل محیطی اندک ایستگاه‌های کاری، لپ تاپ‌ها و پرینترها می باشد.

کلاس 4: محیط صنعتی سبک با حفاظت آب و هوایی، گرمایشی زمستانی کافی و تهویه می باشد. تجهیزات این محیط شامل کنترلرهای صنعتی یا کامپیوترهای دستی و PDAها می شود.

NEBS: عموما یک مرکز مخابراتی با برخی کنترل‌های محیطی، انواع محصولات شامل سوییچ‌ها، تجهیزات جابجایی و روترها می باشد.

سرمایش دیتاسنتر

 

سرمایش دیتاسنتر

تهویه

تهویه مطبوع اتاق تجهیزات پردازش داده، می بایست هوای کافی را برای رسیدن به اهداف زیر تامین کند: 

* حفظ فشار مثبت اتاق به فضای اطراف

* رقیق‌سازی آلاینده‌های داخلی مانند VOCها

* برآورده‌سازی الزامات استاندارد اشری 1/62

ملاحظات پوشش ساختمان 

* تنظیم فشار: به منظور جلوگیری از نفوذ هوا و آلاینده‌ها یک تله هوا برای اتاق‌های دیتا که مستقیما به بیرون باز می‌شوند توصیه می‌شود. (Air Lock) 

* ایزوله کردن فضا: مراکز پردازش داده معمولا به هر دو دلیل امنیتی و کنترل محیطی ایزوله می‌شوند. 

* ورقه های بخار گیر (Vapor Retarder): برای حفظ رطوبت نسبی مناسب در اتاق دیتاسنتر، از ورقه های بخار گیر در اطراف پوشش ساختمان استفاده می‌شود. 

* عایق کاری: ورود لوله‌ها و کابل‌ها باید با مصالح کند کننده‌ی بخار عایق‌کاری شود. 

* تشکیل کندانس روی شیشه‌های بیرونی: پنجره‌ها در اقلیم‌های سرد باید دو یا سه جداره باشند از تشکیل کندانس و نفوذ سرما جلوگیری شود. در صورت امکان اصلا بهتر است پنجره­ای نباشد. 

سرمایش دیتاسنتر

 

طبقه بندی کلاس دیتاسنتر بر اساس استاندارد TIA942

یکی از مهم‌ترین و اساسی‌ترین سئوالات کلاس یا Tier مورد نیاز است که در این دیتا سنتر Tier مورد نظر کدام است ؟ تفاوت Tier با کلاس در دیتاسنتر بر اساس اهمیت مشخص می‌شود و Tier یک دیتاسنتر نشان دهنده این است که تا چه حد این دیتاسنتر در شرایط مختلف می‌تواند پایدار باشد. در حال حاضر بر اساس استاندارد TIA94 چهار کلاس یا Tier برای دیتاسنتر تعریف شده و وجه تمایز اصلی آنها افزونگی یا  Redundancy است که هر چه این مورد بیشتر باشد هزینه بالاتری را نیز طلب می‌کند.

دیتاسنتر Tier 1

این دیتاسنتر حداکثر می‌تواند تا 8/28 ساعت در سال غیرفعال باشد.

تهویه : یک سری بدون نیاز به پشتیبان

تشخیص و سرکوب آتش : ملزم نیست.

برق اصلی شرکت برق منطقه ای است و برق اصلی پشتیبان دیگری از نیروگاه دیگر در صورت قطعی برق اصلی پیش بینی نشده است. در Tier 1 دیتاسنتر پیش بینی تأمین برق اضطراری و یا سوخت ژنراتور در محل را تا 12 ساعت انجام می‌دهد.

برق اضطراری UPS و ژنراتور : در این کلاس هیچگونه افزونگی یا Redundancy پیش بینی نشده است.

Tier1

 

دیتاسنتر Tier 2

Uptime: 99.749 %

این مرکز داده 24 ساعت فعال است. در این کلاس بیکاری مجاز 22 ساعت در سال است.

تهویه : یک سری بدون نیاز به پشتیبان.

تشخیص و سرکوب آتش : ملزم نشده است.

برق اصلی شرکت برق محلی است و در صورت قطعی برق اصلی پشتیبان پیش بینی نشده است.

برق اظطاری UPS و ژنراتور : افزونگی ژنراتور دوم و UPS دوم.

تفاوت T1 و T2 در استفاده از UPS جایگزین و پشتیبان UPS اول و همچنین استفاده از دو ژنراتور یکی اصلی به عنوان پشتیبان برق نیروگاهی و دومی جایگزین مواقع خرابی ژنراتور اول است.

Tier2

 

دیتاسنتر Tier 3

Uptime: 99.982 %

در این مرکز فعالیت 24 X7 و 50 هفته در سال یا بیشتر است و در طول فعالیت امکان ایجاد تغییرات یا تعمیرات وجود ندارد. در این نوع از مرکزداده حداکثر مجاز بیکاری 6/1 ساعت در سال است.

تجهیزات تهویه : دو سری

برق اظطراری : UPS و ژنراتور

سیستم تشخیص و سرکوب آتش : ضروری

این سطح باید دارای دو منبع برق اصلی باشد و ژنراتورها باید با N متقاضی دریافت برق در مرکز داده بدون محدودیت در مدت برق رسانی فعال باشند. در این سطح مرکزداده قطع برق منطقه ای نیروگاه محلی یک خرابی محسوب نمی‌شود و یک وضعیت مورد انتظار در نظر گرفته می‌شود. تجهیزات ژنراتور و برق محلی باید تستهای "بای پس" و نگهداری همزمان را پاس کنند.

افزونگی : برق اصلی دوم از نیروگاه دوم، ژنراتور دوم و UPS  دوم در خط برق اصلی در این سطح خط برق دوم دارای ژنراتور و UPS نیست.

Tier3

 

دیتاسنتر Tier 4

Uptime: 99.995 %

در این سطح از دیتاسنتر بیکاری مجاز 4/0 ساعت در سال پیش بینی شده است. (24 دقیقه در سال)

مرکز داده ای که از هر نظر Redundancy  ضروری است و تقریبا اکثر تجهیزات زیربنایی مثل تأمین برق اصلی و اظطراری، سیستم‌های تهویه و ... از هر کدام دو مورد مجزا مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تجهیزات تهویه : 2 سری

برق اظطراری : UPS و ژنراتور

سیستم تشخیص و سرکوب آتش : ضروری

این سطح دیتاسنتر باید دارای دو منبع برق اصلی از دو نیروگاه جداگانه باشد و ژنراتور آن باید به N متقاضی دریافت برق در مرکز داده بدون محدودیت در مدت برق رسانی فعال باشد. در این سطح مرکز داده قطع برق منطقه ای نیروگاه محلی یک خرابی محسوب نمی‌شود و یک وضعیت مورد انتظار در نظر گرفته می‌شود. تجهیزات ژنراتور و برق محلی باید تستهای "بای پس" و نگهداری همزمان را پاس کنند.

تفاوت عمده قسمت تأمین برق این سطح با سطح Tire3 در وجود دو عدد ژنراتور پشتیبان در خط دوم می‌باشد که در این خط توزیع UPS2 هم افزوده شده است.

Tier4

 

جداول شرایط طراحی تجهیزات مکانیک بر اساس کلاس دیتاسنتر در ادامه آورده شده است. (منبع : TIA STANDARD 2017)

TIA942

 

TIA942

 

بارهای حرارتی

 مقدار حرارت تولید شده در یک مجموعه، به عنوان بار حرارتی تعریف می‌شود. محاسبه اندازه هواساز و تجهیزات سرمایشی برای یک Data Center  یا Server Farm به ظاهر خیلی ساده به نظر می‌رسد ولی در عمل پارامترهای متعددی در این امر وارد می‌شود که آنرا کمی پیچیده می‌کند. (مقادیر ذکر شده در پایین به صورت کاملا تقریبی ذکر شده و برای محاسبات دقیق می بایست از نرم افزارهای محاسبات بار مانند Carrier و DesignBuilder استفاده نمود)
بارهای حرارتی ناشی از مساحت کف اتاق سرور

 میزان سرمایش مورد نیاز بسته به مساحت اتاق با فرمول زیر محاسبه می‌شود:
Room Area BTU = Length (m) * 377

بارهای حرارتی ناشی از محل و اندازه پنجره‌های اتاق سرور

 اگر اتاق سرورهای شما دارای پنجره نیست می‌توانید از این بخش صرف نظر کنید در غیر اینصورت:
South Window BTU = South Facing Window Length (m) * Width (m) * 870

North Window BTU = North Facing Window Length  (m) * Width (m) * 165

اگر مانعی بر سر راه پنجره‌ها وجود ندارد و نور مستقیم از پنجره به داخل می‌تابد در نهایت اعداد بدست آمده را در 1/5 ضرب کنید. واضح است که اگر موقعیت جغرافیایی محل در نیمکره جنوبی باشد؛ باید جای مقادیر را در فرمولهای پنجره‌های شمالی و جنوبی عوض کنید.

بارهای حرارتی ناشی از روشنایی

بر اساس با استاندارد ASHRAE بار حرارتی ناشی از روشنایی برای کاربری دیتاسنتر برابر با مقدار 10 الی 20 وات بر متربع در نظر گرفته شده می شود. بنابراین : 

  • Technical Rooms                  20 W/m2
  • Other Rooms                  15 W/m2

بار حرارتی ناشی از نفرات

اگر در سرور روم شامل نفراتی می باشد که در آن مشغول فعالیت می باشند، باید آنها را نیز به حساب آورید. بر اساس با استاندارد ASHRAE بار حرارتی نفرات در شرایط کار اداری (Office Work) مطابق با مقادیر زیر می باشد. 

  • Sensible:       70 W
  • Latent:       60 W

بار حرارتی ناشی از تجهیزات 

عمده حرارت تولیدی اتاق سرور (Data Center) مربوط به تجهیزات داخل آن می‌باشد. حداکثر توان مصرفی هر دستگاه بر روی آن ذکر گردیده است. در حالیکه توان مصرفی واقعی آن ممکن است پایینتر از آن باشد. بر اساس با استاندارد ASHRAE بار حرارتی ناشی از تجهیزات الکتریکی دیتاسنتر در سال های مختلف مطابق با شکل 4 می باشد.

بار حرارتی تجهیزات دیتاسنتر

 

در نهایت سرمایش کلی مورد نیاز از مجموع بدست آمده در هر بخش محاسبه می‌شود:
Total Heat Load = Room BTU + Windows BTU + Total Occupant BTU + Equipment BTU + Lighting BTU

هشدار مهم : در روش خنک سازی با سیستم کولر‌های اسپیلیت؛ به دلیل غیر قابل اعتماد بودن این کولر‌ها حتما باید از یک سیستم هشدار دهنده دمای اتاق سرور بهره برد تا در شرایط بحرانی بتوان از طرق مختلف، سیستم را در جریان اتفاقات رخ داده در اتاق سرور قرار داد وگرنه دمای غیر استاندارد می‌تواند باعث تحمیل خسارات میلیونی یا میلیاردی به مجموعه گردد.

روش محاسبات بارهای سرمایشی

روش های محاسبه باید با استفاده از یک برنامه های رایانه ای مبتنی بر روش های ASHRAE تهیه شود. برای محاسبه ظرفیت سرمایش و تجهیزات HVAC از درجه حرارت و رطوبت طراحی استفاده شده در جدول بخش 6 و کلاس NEBSاستفاده می شود. نرم افزار های متداول مورد استفاده در محاسبات بار سرمایش CARRIER HAP  می باشد.  با توجه به تجربه های پیشین این گروه مهندسی در طراحی مراکزداده و همچنین پیچیدگی، حساسیت، تعداد بالای تجهیزات، هزینه بالای راه اندازی و ... از نرم افزار DesignBuilder جهت مدلسازی، شبیه سازی و محاسبات بارهای سرمایشی استفاده خواهد شد. این نرم افزار قدرت بسیار زیادی در شبیه سازی واقعی بارهای حرارتی مرکزداده و همچنین بهبود چیدمان تجهیزات سرمایشی دارد. همچنین جهت افزایش دقت عملکرد تجهیزات و بالانس بهتر گردش هوای داخل فضای دیتاسنتر در صورت لزوم از دوربین های حرارتی استفاده خواهد شد. 

سرمایش دیتاسنتر

بررسی سیستم های سرمایش

اتاق تجهیزات کامپیوتری می‌تواند با انواع مختلف سیستم‌ها تهویه مطبوع شود، از جمله واحدهای پکیجی تهویه مطبوع اتاق کامپیوتر و سیستم‌های هواساز ایستگاه مرکزی، تجهیزات تبرید و هواساز می‌توانند داخل یا بیرون اتاق کامپیوتر نصب شوند. 

واحدهای تهویه مطبوع اتاق کامپیوتر (CRAC) و واحدهای هواساز اتاق کامپیوتر (CRAH). 

واحدهای CRAC و CRAH رایج‌ترین روش‌های سرمایشی اتاق هستند. 

سرمایش: واحدهای CRAH، هواسازهای آب خنک هستند. واحدهای CRAC در انواع طبقه‌بندی سیستم‌های سرمایشی موجود است. هواخنک انبساط مستقیم (DX)، DX آب خنک، DX گلیکول خنک و دوگانه (آب-خنک و DX)، واحدهای DX معمولا چندین کمپرسور مبرد جداگانه دارند. هم CRAC و هم CRAH دارای فیلتر هوا و سیستم کنترل یکپارچه باشند. 

موقعیت: واحدهای CRAC/CRAH معمولا در اتاق کامپیوتر قرار می‌گیرند؛ ولی ممکن است دور از اتاق نیز باشند و با کانال به فضا وصل شده باشند. با هر نوع جاگذاری، سنسورهای دما رطوبت باید جایی نصب شوند که شرایط هوای ورودی را با تلورانس مناسب کنترل کنند. آنالیز الگوی جریان هوا می‌تواند در جایگذاری مناسب وسایل کمک کند. 

سرمایش دیتاسنتر

کنترل رطوبت: انواع رطوبت زن‌های رایج در واحدهای CRAH/CRAC عبارتند از بخار، فروسرخ و فرابنفش. 

بازگرمایش در حالت رطوبت‌گیری که هوا برای حذف رطوبت خیلی سرد می‌شود به کار می‌رود. 

تهویه: سیستم‌های اختصاصی هوای بیرون در ساختمان‌های تجهیزات کامپیوتری نصب می‌شوند تا فشار هوا و رطوبت را بدون رطوبت زن و بازگرمایش کنترل کنند. شکل 6 یک سیستم مستقل Preconditioning هوای بیرون را نشان می‌دهد. 

سرمایش دیتاسنتر

 

سیستم هوارسانی با حجم ثابت و درجه حرارت متغیر (هوارسان تک منطقه ای)

بعضی از ساختمان‌های تجهیزات کامپیوتری بزرگتر و اکثر مراکز مخابراتی از هواسازهای ایستگاه مرکزی استفاده می‌کنند. در این سیستم هوای برگشتی از فضا بعد از مخلوط شدن با هوای تازه وارد دستگاه شده و از روی کوئل سرد عبور کرده و از آنجا توسط یک شبکه کانال کشی در فضای کاربری توزیع می گردد. کنترل هوای اتاق توسط ترموستات می باشد. ترموستات با تغییر دمای هوای اتاق دمای هوای ورودی به اتاق را کنترل می نماید. چنانچه این ترموستان برای چندین فضا بکار برده شود باید همه مشخصات هوا در این فضاها مانند دمای داخلی، رطوبت نسبی، درجه فیلتراسیون هوا، زمان کارکرد، تغییرات بارهای داخلی و خارجی در زمستان و تابستان یکسان باشد تا بتوان با کنترل یک فضا بقیه فضاها را به طور خود به خود کنترل نمود. این سیستم برای سالن های بزرگ مناسب می باشد و قادر به تامین تمامی نیازهای فضا می باشد.

سرمایش دیتاسنتر

 

کنترل و انتخاب کویل 

انواع مختلی از کویل‌های گرمایی و سرمایی می‌توانند برای ساختمان‌های پردازش داده به کار روند ولی به طور ایده آل هرگونه طراحی کویل باید شامل کنترل مدوله کردن باشد. به علاوه هنگام نم گیری، کنترل کویل سرمایشی برای حفظ دمای نقطه شبنم ضروری است. 

انعطاف پذیری و رفع اشکالات با استفاده از سیستم VAV

انعطاف پذیری و افزونگی می‌تواند با استفاده از توزیع هوای حجم-متغیر، سایزینگ اضافه (Oversizing)، اتصال ضربدری چند سیستم، یا تامین تجهیزات استندبای در مقایسه واحدهای حجم هوای ثابت (CAV)، تجهیزات حجم متغیر (VAV) می‌توانند طوری سایز شوند که ظرفیت اضافی داشته باشند ولی در دمای Discharge کار کنند. 

سرمایش دیتاسنتر

 

سیستم‌های توزیع آب سرد 

سیستم‌های توزیع آب سرد باید مطابق با استانداردهای سایر سیستم‌های اتاق کامپیوتر طراحی شوند. شکل 10 یک سیستم آب سرد حلقه‌ای را نشان می‌دهد. 

سرمایش دیتاسنتر

 

سیستم کندانسور

پس دادن گرما در ساختمان‌های پردازش داده می‌تواند با سیستم‌های آب خنک یا هوا-خنک باشد. جایی که سرمایش تبخیری و یا برج خنک کن‌های Open-Cell به کار رود، باید از ذخیره آب جبرانی استفاده کرد. سیستم «کولر خشک» دارای یک حلقه لوله‌ی گلیکول است که گرما را از یک کندانسور سوار بر یونیت به یک مبدل حرارتی «هوای بیرون به گلیکول» منتقل می‌کند. 

همین حلقه گلیکول گاهی یک کویل سرمایش اکونومایزر، نصب شده در جریان هوای واحد CRAC می‌باشد که امکان سرمایش آزادانه را هنگامی که دمای حلقه‌ی گلیکول پایین‌تر از دمای هوای برگشتی واحد باشد، فراهم می‌کند. 

چیلرها

از آنجا که مجموعه‌های کامپیوتری انرژی زیادی مصرف می‌کنند، سیستم‌های سرمایشی باید دارای حداکثر راندمان باشند. چیلرهای آب-خنک به احتمال زیاد پربازده‌ترین سیستم‌ها هستند. راندمان بار جزیی نیز باید در انتخاب چیلر مدنظر قرار گیرد، زیرا دیتاسنترها معمولا در کمتر از بار اوج کار می‌کنند. چیلرهای بازیابی حرارتی نیز می‌توانند یک راه کارآمد برای بازیابی گرما از محیط تجهیزات کامپیوتری به منظور استفاده در سایر کاربردها باشد.

سرمایش دیتاسنتر

 

قراردادهای جریان هوا در تجهیزات کامپیوتری

تجهیزات کامپیوتری معمولا در Rack هایی به صورت ردیفی چیده می‌شوند. معمولا جلوی رک مقابل یک راهرو هستند و پشت رک ها که شامل کابل‌های اتصال می‌باشد، مقابل یک راهروی دیگر هستند. قفسه‌ها در محیط کامپیوتری معمولا 98/1 متر ارتفاع دارند و قفسه‌های محیط مخابراتی 1.83 تا 2.3 متر. 

توزیع هوا در دیتاسنتر

شکل 12، سه قرارداد جریان هوای تجهیزات را نشان می‌دهد که برای این مجموعه‌ها توصیه شده است. در قرارداد جلو به عقب (F-R) هوای سرد به جلوی رک وارد می‌شود و از عقب خارج می‌شود. در قرارداد F-T هوای سرد از جلو وارد و از بالا خارج می‌شود. در قرارداد جلو به بالا و عقب (F-T/R) هوای سرد از جلو وارد و از بالا و عقب خارج می‌شود. 

چینش «راهروی گرم/راهروی سرد»

با استفاده از راهروهای سرد و گرم یکی در میان، امکان جداسازی جریان‌های سرد ورودی و گرم برگشتی را فراهم می‌کند که باعث کاهش دمای تجهیزات و افزایش فوق العاده‌ی راندمان می‌شود. شکل 13 یک نمای شماتیک از این چینش را نشان می‌دهد. 

توزیع هوا در دیتاسنتر

 

تغذیه پلنوم زیرزمینی 

مجموعه‌های دیتاسنتر معمولا از یک پلنوم (کف کاذب) گذرنده از زیر کف برای ورود هوای سرد استفاده می‌کنند. همان طور که در شکل 14 نشان داده شده، واحدهای CRAC هوای سرد را به داخل پلنوم می‌رانند که از آنجا توسط کاشی‌های سوراخ دار و منافذ بین کاشی‌ها، به اتاق دیتاسنتر وارد شود. 

توزیع هوا در دیتاسنتر

تغذیه پلنوم سقفی

امروزه روش‌های سرمایش سقفی معمولا بیشتر در ساختمان‌های مخابراتی یافت می‌شود. کانال تغذیه سقفی که در شکل 15 نشان داده شده است می‌تواند در تاسیسات مخابراتی و دیتاسنتر استفاده شود. سیستم سقفی عمودی (VOH) در حال حاضر رایج‌ترین و ارجح‌ترین نوع چینش در ادارات مخابرات محلی هستند. سیستم تغذیه عمودی سقفی معمولا محدود به ظرفیت سرمایش 400 وات بر متر مربع در مراکز مخابراتی می‌باشد. 

توزیع هوا در دیتاسنتر

 

توزیع هوا در دیتاسنتر

 

نگارش : بهنام آسایش

منبع : هندبوک کاربردهای گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع ASHRAE Application، مولف: پیمان ابراهیمی ناغانی، سید علیرضا ذوالفقاری، علیرضا اعتماد، نشر نوآور


۰ دیدگاه