Blog

محاسبه‌ی الزامات کلی سرمایش در مراکز داده

تیر 5, 1401 ghafarirad by دسته‌بندی نشده in

تمامی تجهیزات الکتریکی گرمایی تولید می‌کنند که باید از محیط مرکز داده دور شده تا از افزایش دمای تجهیزات تا سطحی غیرقابل قبول جلوگیری شود. بیشتر تجهیزات فناوری اطلاعات و دیگر تجهیزات به کار رفته در مرکز داده یا اتاق شبکه، با هوا خنک می‌شوند. برای برآورد مشخصات سیستم سرمایش، لازم است تا ابتدا مقدار گرمای تولید شده توسط تجهیزات داخل فضای بسته‌ی رک و همچنین گرمای حاصل از دیگر منابع به درستی درک شود.

اندازه‌گیری گرمای خروجی

گرما نوعی از انرژی است و اغلب در قالب ژول، BTU، تن یا کالری بیان می‌شود. واحدهای متداول برای اندازه‌گیری گرمای خروجی از تجهیزات شامل BTU در ساعت، تن در روز و ژول در ثانیه (معادل وات)  می‌باشد. دلیل منطقی برای توجیه چنین تنوعی از واحدهای اندازه‌گیری وجود نداشته ولی با این حال، همچنان تمامی این واحدها در بیان ظرفیت برق یا سرمایش، به کار می‌روند. استفاده‌ی غیرهدفمند از این واحدها، به سردرگمی عمده‌ای میان کاربران و طراحان منجر می‌شود.

خوشبختانه، سازمان‌های تدوین‌کننده‌ی استانداردها در سرتاسر جهان، تمایل دارند تا واحد وات را، به عنوان واحدی استاندارد در اندازه‌گیری ظرفیت برق و سرمایش انتخاب و معرفی کنند. عباراتی قدیمی همچون BTU و تن نیز به مرور زمان کاربرد خود را از دست خواهند داد. به همین دلیل[1]، در این مقاله ظرفیت سرمایش و برق در قالب وات بیان می‌شود. استفاده از وات به عنوان واحدی استاندارد، تصادفی نیست! بلکه همان طور که در ادامه مطرح خواهد شد، اقدامات مرتبط با طراحی مرکز داده را تسهیل می‌سازد.

در آمریکای شمالی، هنوز هم مشخصات ظرفیت برق و سرمایش در قالب همان عبارات قدیمی BTU و تن بیان می‌شود. به همین دلیل، تبدیل‌های زیر برای کمک به خواننده آورده شده است:

جدول 1: جدول تبدیل واحدهای گرمای خروجی

مقدار برقی که از طریق خطوط کابل‌های شبکه در رایانش یا دیگر تجهیزات مصرف می‌شود، جزیی و قابل اهمال است. در نتیجه می توان گفت تمامی برق مصرفی دریافت شده از منبع اصلی برق AC، به گرما تبدیل می‌شود. بنابراین می‌توان مقدار وات از گرمای خروجی تجهیزات فاوا را به سادگی معادل مقدار وات برق مصرفی در نظر گرفت. گاهی در بعضی گزارش‌های داده‌ها از BTU در ساعت استفاده شده که لزوما تعیین کننده‌ی مقدار گرمای خروجی از تجهیزات نیست. گرمای خروجی به سادگی معادل مقدار برق ورودی است.[2]

تعیین گرمای خروجی یک سیستم کامل

تمام گرمای خروجی سیستم در واقع، مجموع مقادیر گرمای تولید شده در اجزای آن است. یک سیستم کامل شامل تجهیزات فاوا به علاوه‌ی اجزایی دیگر مانند UPS، دستگاه‌های توزیع برق، دستگاه‌های تهویه مطبوع، نورپردازی و افراد است. خوشبختانه مقدار گرمای خروجی این موارد، را می توان به آسانی و از طریق قوانینی ساده و استاندارد تعیین کرد.

گرمای خروجی UPS و سیستم‌های توزیع برق دربرگیرنده‌ی مقدار هدررفتی ثابت و مقداری هدررفت متناسب با توان عملیاتی می‌باشند. این هدررفت‌ها تا حد قابل قبولی میان برندها و مدل‌های تجهیزات ثابت بوده و در نتیجه، بدون خطایی قابل ملاحظه، می‌توان به طور تقریبی آن را یکسان در نظر گرفت. برق مصرفی توسط نورپردازی و افراد را می‌توان با استفاده از قوانینی استاندارد تخمین زد. در تعیین بار سرمایشی یک سیستم کامل، تنها اطلاعات مورد نیاز، چند مقدار از پیش محاسبه شده مانند سطح زیربنای کف به متر مربع و توان نامی سیستم برق است.

دستگاه‌های تهویه مطبوع، مقدار قابل توجهی گرما در فن‌ها و کمپرسورها تولید می‌کنند. این گرما به محیط بیرون تهویه شده و بار حرارتی در داخل مرکز داده ایجاد نمی‌کند. هر چند که از بهروری سیستم تهویه مطبوع کاسته و معمولا در برآورد مشخصات دستگاه تهویه مطبوع، در نظر گرفته می‌شود.

انجام تحلیل گرمایی دقیقی در مرکز داده با استفاده از داده‌های گرمای خروجی هر مورد، امکان‌پذیر بوده اما، با تخمین‌های سریع مبتنی بر قوانینی ساده، نتایجی حاصل شده که در حاشیه‌ی معمول خطای تحلیلی پیچیده‌تر قرار خواهد گرفت. این تخمین‌های سریع همچنین مزایایی در پی داشته مانند آن که توسط هر فردی بدون اطلاعات یا آموزش‌های تخصصی، قابل اجراست.

یک نمونه کاربرگ برای محاسبات سریع بار گرمایشی، در جدول 2 آورده شده است. با استفاده از این کاربرگ، می‌توان کل گرمای خروجی مرکز داده را به سرعت و به روشی مطمئن، تعیین کرد. طریقه‌ی بکارگیری آن نیز در دستورالعمل زیر جدول 2، توضیح داده شده است.

جدول 2: کاربرگ محاسبه‌ی گرمای خروجی در مرکز داده یا اتاق شبکه

دستورالعمل

اطلاعات مطرح شده در ستون “داده‌های مورد نیاز” را به دست آورید. در صورت هر نوع سوال، به “توضیحات داده‌ها” مراجعه کنید. محاسبات گرمای خروجی را انجام داده و نتایج را در ستون مجموع فرعی بنویسید. مقادیر مجموع فرعی را با هم جمع زده و مقدار کل گرمای خروجی را به دست آورید.

توضیحات داده ها

کل توان مصرفی فاوا به وات – مجموع برق ورودی به تمام تجهیزات فاوا.

توان نامی سیستم برق – مقدار توان سیستم UPS. در صورت استفاده از سیستم افزونه، ظرفیت UPS را نباید در محاسبات لحاظ کرد.

مثالی از یک سیستم معمولی

گرمای خروجی یک سیستم معمولی توضیح داده شد. یک مرکز داده با زیربنای 5,000ft² (465m²) و توان 250kW که دارای 150 رک بوده و حداکثر 20 نفر کارمند داشته، به عنوان مثال در نظر گرفته شده است. در این مثال، فرض می‌شود مرکز داده با 30% ظرفیتش کار می‌کند که شرایطی معمولی است. برای اطلاعاتی در مورد استفاده‌ی معمول از ظرفیت، به گزارش ” جلوگیری از هزینه‌های ناشی از برآورد نادرست و دست و دل بازانه در زیرساخت‌های مرکزداده”[3] مراجعه شود. کل مصرف فاوا در مرکز داده‌ی مورد نظر، 30% از 250kW یا به عبارتی 75kW است. در این شرایط، تمام گرمای خروجی مرکز داده 105kW یا تقریبا 50% بیش از مصرف فاوا است.

در این مثال معمولی، تاثیر نسبی هر یک از اجزای مرکز داده در مقدار کل گرمای خروجی در شکل 1 نمایش داده شده است.

باید توجه داشت که تاثیر هر یک از اجزا، بر گرمای خروجی UPS و سیستم توزیع برق تحت تاثیر استفاده‌ی 30 درصدی سیستم از ظرفیتش قرار می‌گیرد. اگر سیستم از 100% ظرفیت خود استفاده می‌کرد، بهره‌وری سیستم برق افزایش یافته و تاثیر نسبی آن بر گرمای خروجی کاهش می‌یافت. این هدررفت‌ چشمگیری که در بهره‌وری رخ داده، هزینه‌ی اصلی ناشی از برآورد بیش از حد در سیستم است.

دیگر منابع تولید گرما

در تحلیل‌های پیشین، گرمای زیست‌محیطی همچون تابش خورشید از پنجره و گرمای وارد شده از طریق دیوارها، مورد توجه قرار نگرفته است. بسیاری از مراکز داده و اتاق‌های شبکه‌ی کوچک، دیوار یا پنجره به محیط بیرون ندارند و در نتیجه، با چنین فرضیاتی، خطایی در تحلیل‌ها وجود ندارد. اگرچه، در مراکز داده‌ی بزرگ با دیوارها یا بامی در مجاورت با محیط بیرون، گرمای اضافی نیز به فضا وارد شده که باید توسط سیستم تهویه مطبوع دفع شود.

اگر مرکز داده داخل تاسیسات مجهز به سیستم تهویه مطبوع قرار گرفته باشد، ممکن است به دیگر منابع تولید گرما توجهی نشود. اگر مرکز داده دارای دیوار یا سقف وسیعی باشد که در معرض هوای محیط بیرون قرار داشته، در آن صورت مشاوران HVAC باید حداکثر بار گرمایشی را بررسی کرده و بر الزامات گرمایی سیستم کامل (که در قسمت قبل توضیح داده شده)، بیفزایند.

رطوبت‌زایی

سیستم تهویه مطبوع مرکز داده علاوه بر دفع گرما، برای کنترل رطوبت نیز طراحی می‌شود. در حالت ایده‌آل، با حاصل شدن رطوبت مطلوب، سیستم با مقدار ثابتی آب موجود در هوا به کار خود ادامه داده و دیگر به رطوبت‌زایی مستمر در فضا، نیاز نخواهد بود. اما متاسفانه، در بیشتر سیستم‌های تهویه مطبوع، کارکرد سرمایش از طریق هوا، مقدار قابل توجهی از بخار آب موجود در هوا را متراکم ساخته و به از دست رفتن رطوبت، منجر می‌شود. بنابراین، برای تعدیل و تنظیم سطح مطلوب رطوبت هوا، به رطوبت‌زایی مکمل نیاز خواهد بود.

این فرایند رطوبت‌زایی مکمل بار گرمایشی اضافه‌ای بر دستگاه CRAC ایجاد کرده، ظرفیت سرمایش دستگاه را کاهش داده و در نتیجه، به برآورد بیشتر از حد نیاز در مشخصات دستگاه نیاز خواهد بود.

در مراکز داده‌ی کوچک یا اتاقک‌های بزرگ برق، سیستم تهویه مطبوعی که با کانال‌کشی، جریان انبوه هوای بازگشتی را از جریان انبوه هوای رفت جدا می‌کند، می تواند از این متراکم‌سازی جلوگیری کرده و در نتیجه دیگر به رطوبت‌سازی مکمل دائمی نیز، نیاز نخواهد بود. بدین ترتیب، استفاده از 100% ظرفیت سیستم تهویه مطبوع امکان‌پذیر شده و بهره‌وری به حداکثر می‌رسد.

برای مراکز داده‌ی بزرگ با سطح قابل توجهی ترکیب جریان‌های هوای سرد و گرم، دستگاه CRAC باید هوای رفت را در دمای پایینی تامین کرده تا بتواند بر تاثیرات گردش مجدد هوای تهویه شده از تجهیزات(با دمای بالاتر)، غلبه کند. چنین شرایطی به از دست رفتن حجم بالایی از رطوبت هوا منجر شده و نیاز به رطوبت‌زایی مکمل را افزایش می‌دهد. در نتیجه عملکرد و ظرفیت سیستم تهویه مطبوع تضعیف می‌شود. مشخصات سیستم CRAC باید تا 30%، بیشتر از حد نیاز برآورد شود.

در نتیجه برآوردهای بیش از حد نیاز در مشحصات دستگاه CRAC، از 0% برای سیستم‌های کوچک دارای کانال تهویه هوای بازگت، تا 30% برای سیستمی با سطح بالایی از ترکیب جریان‌های هوای در اتاق، متغیر خواهد بود. برای دریافت اطلاعات بیشتر در زمینه‌ی رطوبت‌زایی، به گزارش “استراتژی‌های رطوبت‌زایی برای مراکز داده و اتاق های شبکه”[4] مراجعه شود.

برآورد مشخصات سیستم تهویه مطبوع

با تعیین الزامات سرمایش، می‌توان مشخصات سیستم تهویه مطبوع را برآورد کرد.  فاکتورهای زیر، که پیشتر توضیح داده شد، باید در این برآوردها در نظر گرفته شوند:

مقدار هر یک از بار بر حسب وات در موارد بالا محاسبه شده و با یکدیگر جمع شده تا کل بار گرمایشی مرکز داده تعیین شود.

نتیجه‌گیری

فرایند تعیین الزامات سرمایش سیستم‌های فاوا، می‌تواند به فرایندی ساده تبدیل شده که بدون آموزش تخصصی، توسط هر فردی قابل اجرا باشد. بیان تمامی مقادیر برق و سرمایش بر حسب واحد وات نیز به تسهیل این فرایند کمک می‌کند. یک قانون کلی آنست که توان و مشخصات سیستم CRAC باید 1.3 برابر  مقدار مصرف پیش‌بینی شده‌ی فاوا به علاوه‌ی ظرفیت اضافه‌ شده برای تامین افزونگی، باشد. چنین روشی در اتاق‌های شبکه‌ی کوچک با زیربنای کمتر از 372m² کاربرد بهتری خواهد داشت.

برای مراکز داده‌ی بزرگ، معمولا الزامات سرمایش به تنهایی برای انتخاب دستگاه تهویه مطبوع، کافی نیست. به طور معمول، تاثیرات دیگر منابع تولید گرما همچون دیوارها و بام، و همچنین گردش مجدد هوا، چشمگیر بوده و در روش‌های خاص نصب، باید مورد توجه و بررسی قرار گیرند.

طراحی کانال‌کشی هواسازها یا کف کاذب، تاثیر محسوسی بر عملکرد کلی سیستم داشته و همچنین، بر دمای همگن در سرتاسر مرکز داده نیز، اثر می‌گذارد. با در پیش گرفتن معماری ساده، استاندارد و ماژولار در سیستم توزیع هوا که با روش ساده‌ی تخمین بار گمایشی فوق نیز همراه شود، می‌توان به طرز قابل ملاحظه‌ای از الزامات مهندسی در طراحی مرکز داده کاست.