Giải pháp làm mát theo hàng tiết kiệm năng lượng cho trung tâm dữ liệu

Giải pháp làm mát theo hàng tiết kiệm năng lượng cho trung tâm dữ liệu Xu hướng gia tăng mật độ nhiệt trong trung tâm dữ liệu (TTDL) đã ảnh hưởng lớn đến công nghệ máy tính trong nhiều năm qua. Mật độ tập trung nguồn tăng lên cũng khiến việc làm mát các tải nhiệt có công suất cao trở nên khó khăn hơn. Trong những năm gần đây, các thiết kế hệ thống làm mát truyền thống đã được chứng minh không còn phù hợp để loại bỏ nhiệt tập trung tại các tải (đến trên 20KW/Rack). Vấn đề này đã dẫn đến việc thay đổi cấu trúc trong hệ thống làm mát trung tâm dữ liệu. Sự xuất hiện của cấu trúc làm mát mới được thiết kế cho mật độ nhiệt cao hơn đã làm tăng hiệu suất làm việc của TTDL. Bài viết này sẽ đề cập đến những hiệu quả nổi trội của cấu trúc làm mát theo hàng so với hai cấu trúc làm mát phổ thông khác. Hình 1 : Điều hòa không khí phòng máy Hình 2 : Các thiết bị trên nóc Một cấu trúc nổi bật được sử dụng để làm mát TTDL kể từ khi xuất hiện hệ thống máy chủ mainframe là di chuyển không khí qua sàn giả từ Điều hoà không khí phòng máy (CRAH). Trong phương pháp này, các CRAH được bố trí xung quanh chu vi phòng và phân phối không khí lạnh đi từ dưới sàn thông qua các tấm lót sàn có lỗ hay dẫn trực triếp không khí lạnh vào phòng (Hình 1.) Ở mật độ thấp hơn, (1 đến 5 kW/rack) việc làm mát được cung cấp đến thiết bị cảm biến CNTT cho dù không khí trong phòng bị trộn lẫn. Thiết kế bố trí theo hàng giúp loại bỏ khí nóng và cung cấp nguồn không khí lạnh phù hợp hơn, nó còn mang đến lợi ích hiệu suất sử dụng năng lượng. Đầu tiên là giảm năng lượng của quạt cần để dịch chuyển không khí. Một hệ thống phân phối không khí tương tự được sử dụng để làm mát TTDL là hệ thống điều hoà không khí trung tâm (CAHU) (Hình 2). Những hệ thống này được sử dụng rộng rãi hơn, tập trung hơn vào các thiết bị làm mát với sự phân phối không khí tương tự như cấu trúc CRAH theo hình thức sàn giả hay đi ống gió phía bên trên. Khi công suất của một rack lớn hơn giới hạn 5 kW, việc phân phối không khí và loại bỏ nhiệt trở thành một thách thức khó khăn đối với hai hệ thống CRAH và CAHU. Nhược điểm lớn nhất của những cấu trúc này là khả năng vận chuyển không khí theo chiều dài. Khoảng cách giữa thiết bị làm lạnh và bộ phận tải nhiệt gây cản trở cho việc loại bỏ sức nóng thải ra từ thiết bị CNTT mà không trộn lẫn với nguồn không khí cung cấp. Sự tách biệt này đã khiến việc thiết kế phân phối không khí trở nên nan giải và rất phức tạp. Một khó khăn nữa là nhu cầu lưu lượng không khí của thiết bị CNTT cũng tăng tương ứng với mật độ năng lượng. Vì hệ thống CRAH và CAHU sử dụng thông gió đề vận chuyển không khí (và không khí nóng lưu hồi trong một số thiết kế cụ thể), một lượng quạt đáng kể có công suất lớn được huy động để gây sức ép lên thông gió và vượt qua trở lực của hệ thống phân phối không khí. Ngoài ra, để thắng được ảnh hưởng của sự trộn lẫn thì lưu lượng thực không khí tuần hoàn phải nhiều hơn lưu lượng thực không khí yêu cầu của thiết bị IT, hơn là điều chỉnh năng lượng tiêu thụ bởi quạt. Để khắc phục những hạn chế trong việc phân phối không khí và giải nhiệt của hệ thống CRAH và CAHU, hệ thống làm mát theo hàng đã bắt đầu xuất hiện trong nhiều bản thiết kế TTDL (Hình 3). Nhằm giải quyết vấn đề tách biệt giữa các thiết bị làm lạnh và tải nhiệt, các thiết kế theo hàng đã đặt các bộ điều hoà không khí Hình 3: Làm mát theo hàng. Kết cấu làm mát theo hàng, như mô tả, sử dụng một thiết bị thải khí tự do mà không dùng các ống hay bất cứ một buồng chứa khí nóng hay lạnh nào vào giữa các hàng Rack. Với thiết kế kết hợp giữa các dãy nóng và lạnh, hơi nóng do các thiết bị CNTT thải ra được loại bỏ khi ở trong các dãy nóng. Bên cạnh khả năng khắc phục những hạn chế trong việc loại bỏ khí nóng và cung cấp không khí làm lạnh, các thiết kế theo hàng cũng mang đến những lợi ích khác về hiệu suất năng lượng. Lợi ích đầu tiên là làm giảm công suất quạt cần thiết để di chuyển không khí. Sự hợp lại của tải nhiệt làm cho đường dẩn phân phối không khí và loại bỏ nhiệt ngắn hơn nhiều. Kết quả này là sự dịch chuyển của hệ thống phân phối không khí dữ liệu trung tâm từ cấp không khí lạnh đến giải nhiệt. Lấy đi nhiệt lượng từ dãy nóng trước khi nó có cơ hội trộn với không khí xung quanh của phòng làm cho các vùng còn lại trong phòng có được một lượng lớn không khí cung cấp. Với cách này, chiều dài của hệ thống Hình 4: Tiêu thụ điện tốc độ quạt biến đổi. Ghi chú: Tiết kiệm điện năng từ dòng khí biến đổi có thể không được đánh giá Phân phối không khí theo hàng chỉ vài feet (biến đổi theo số lượng rack và các thiết bị điều hòa không khí). Trong hầu hết quá trình áp dụng cấu trúc CAHU và CRAH, việc duy trì cố định tốc độ quạt để phân phối áp suất cần thiết cho dòng không khí đồng nhất qua các lỗ phân phối gió là hết sức cần thiết. Trong các thiết kế khép kín như thiết kế theo hàng, thì áp suất tĩnh yêu cầu giảm đi đáng kể, chỉ với sự chống lại trở lực của bộ phận làm mát. Không cần đến những yêu cầu về áp suất cố định, thiết kế bố trí theo hàng cho phép lưu lượng không khí biến đổi tỉ lệ theo tốc độ quạt với tải nhiệt yêu cầu. Đặc tính này tăng hiệu suất năng lượng thông qua hoạt động bán tải và tăng đến mức tải thấp hơn như trong hình 4. Việc loại trừ sự hoà trộn của dòng không khí nóng và lạnh đã tạo ra lợi ích về năng lượng khác từ nhiệt độ không khí trở lại ấm hơn đến bộ làm mát. Một vài thuận lợi của luồng không khí ấm này là: • Việc tăng công suất làm lạnh trên một đơn vị đã làm giảm đi sự làm lạnh trên tổng thể. Nhiệt độ không khí trở lại ấm hơn cung cấp chênh lệch nhiệt độ cao hơn đến dàn lạnh ở trên trần và hệ thống xung quanh, vì thế lượng nhiệt nóng bị lấy đi nhiều hơn. • Hiệu quả giữ không khí nóng càng cao thì càng làm tăng khả năng nhiệt độ cấp bởi tất cả các hệ thống làm mát theo hàng. Đặc điểm này cụ thể đối với các hệ thống tích hợp một thuật toán điều khiển tốc độ biến đổi. ấm (không cần phải làm lạnh bù không khí để hoà trộn). • Hạn chế hay không để cho ngưng tụ hơi nước, làm giảm đi sự hình thành độ ẩm nhu cầu. Một vài cấu hình bố trí theo hàng có trên thị trường, sử dụng các cách bố trí khác nhau các thiết bị làm mát trong hàng và trong một số phương pháp loại bỏ nhiệt nóng khác nữa. Trong khi những phương pháp làm mát bố trí theo hàng này được ví như hiệu suất năng lượng cao nhất, thì lợi ích năng lượng thực sự là một cấu trúc bố trí theo hàng trên hệ thống phân phối không khí như hệ thống CRAH và CAHU. Những so sánh trong phần tiếp theo sẽ minh hoạ cho khả năng tiết kiệm năng lượng của cấu trúc làm mát theo hàng. Sự so sánh hiệu suất của cấu trúc làm mát TTDL. So sánh ba cấu trúc làm mát cho hệ thống lạnh của trạng thái nhiệm vụ không gian kỹ thuật thông tin. Điều then chốt cho sự so sánh này là công suất tiêu thụ bởi bộ phận làm mát chống lại sự tiêu hao bằng thiết bị kỹ thuật thông tin. Sự so sánh này cố gắng để hiểu và tính toán tất cả công suất tiêu thụ xuyên suốt quá trình trao đổi nhiệt. (Rack thông tin kỹ thuật thải nhiệt ra môi trường bên ngoài). Hệ đơn vị tính toán theo hệ mét, từ công thức trên, mang lại tỉ lệ của công suất làm mát của công suất thiết bị CNTT. Theo đó, giá trị kết quả càng nhỏ thì hiệu suất năng lượng của cấu trúc làm mát càng cao. Cơ sở so sánh Những cấu trúc được xem xét bao gồm cấu trúc điều hoà không khí phòng máy tính (CRAH), điều hoà không khí trung tâm (CAHU) và điều hoà không khí theo hàng (IRAH). Phân tích dưới đây chỉ tập trung vào những yêu cầu làm mát tối thiết đối với các thiết bị CNTT mà không xét đến việc kiểm soát độ ẩm không gian (làm ẩm hoặc hong khô). Một điểm cần chú ý là những cấu trúc sử dụng thiết bị CRAH và CAHU có tỷ lệ nhiệt hiện thấp hơn các thiết bị IRAH và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn nhằm duy trì những yêu cầu về độ ẩm không gian. Về cơ bản, bộ truyền động theo mét truyền thống trở thành tiêu chuẩn đo năng suất của ba phương thức phân phối và điều hoà không khí trong từng cấu trúc cụ thể. Sức nóng thực tế do các thiết bị CNTT và hệ thống ánh sáng trong mô hình TTDL mẫu trong bản phân tích này là 0.75 MW. Nguồn làm mát bằng nước lạnh cho các thiết bị CNTT, chiếu sáng và điều hoà không khí được hỗ trợ bởi thiết bị làm lạnh nén hơi, sử dụng công nghệ nén xoáy được cung cấp bởi một biến tần. Thiết bị làm lạnh này cung cấp nước làm mát ở nhiệt độ cố định là 450F (70oC) cho cả 3 cấu trúc được xét đến. Hơi nóng thải ra bởi thiết bị làm lạnh sẽ được loại bỏ bởi tháp giải nhiệt. Bảng 1: Bình ngưng theo giờ Bảng 2: Hiệu suất làm mát với nhiệt độ nước Nhiệt độ của nước từ tháp giải nhiệt có thể kéo nhiệt độ trong ẩm nhiệt đặt trong môi trường xung quanh xuống mức thấp nhất của nhiệt độ dòng chảy rời tháp là 550F (130C). Nhiệt độ ngoài tháp được xác định trên đường cong thể hiện hoạt động của tháp giải nhiệt với 100% dòng chảy ở mức nhiệt độ 100F (-120C). Sự kết hợp giữa bộ nén biến tần và nhiệt độ ngưng tụ nước thấp tạo ra hiệu quả làm mát cần thiết trong quá trình nâng thiết bị làm mát thấp. Tuy trong thực tế, các hệ thống ngưng tụ nước có thể làm biến thiên dòng chảy nước ngưng tụ tương tự như hoạt động của một tải thiết bị làm lạnh nhưng trong phân tích này, dòng chảy nước ngưng tụ sẽ được giữ không đổi để tăng cường mức độ hiệu quả của thiết bị làm mát. Theo đó, chu kỳ làm việc của các quạt làm mát trong tháp giải nhiệt cũng được điều chỉnh nhằm thích nghi với yêu cầu của thiết bị làm mát thiết lập bởi các cấu trúc làm mát được xem xét. Bảng thứ 2 xây dựng mô hình hoạt động của thiết bị làm mát tập trung theo số kWh tiêu thụ và tải kWh. Thiết bị làm mát được lựa chọn có mức độ tải cao đặc biệt và mức hiệu quả nâng thấp. Đây là một sự lựa chọn có chủ ý nhằm mục đích tránh sự nở ra của hiệu ứng dòng chảy giữa nhiều cấu trúc làm mát. Lựa chọn những dòng chảy kém hiệu quả hơn của điều hoà không khí (thiết bị làm lạnh, bơm và tháp giải nhiệt) sẽ làm tăng tổng năng lượng tiêu thụ do các thiết bị quạt mát tăng lên. Tỷ suất năng lượng làm mát với nhiệt độ ngưng tụ lớn hơn 850F (290C) sẽ bị ngoại suy. Những sự cố xảy ra khi sử dụng phương pháp này là rất ít bởi thời gian hoạt động vượt quá nhiệt độ này chỉ chiếm 3% tổng số thời gian. Mạch luân chuyển nước lạnh sẽ đánh mất 40 ft (12m) của cột áp suất cho phép đối với thiết bị ống dẫn và thiết bị làm lạnh và được tính vào tổng mức thất thoát của điều hoà không khí đối với từng cấu trúc làm mát. Tỷ lệ dòng chảy nước làm lạnh sẽ được đặt tại giá trị yêu cầu của một cấu trúc làm mát cụ thể. Điều hoà không khí theo hàng (IRAH) Một phương thức thay thế và cấu trúc làm mát phổ biến hiện nay cho các thiết bị CNTT là phân phối các thiết bị điều hoà không khí giữa các hàng rack có chứa các thiết bị CNTT. Những thiết bị điều hoà không khí này được thiết kế với thuật toán kiểm soát đặc biệt nhằm tối đa hoá sự ổn định của môi trường nhiệt. Đặc biệt, những điều hoà không khí này thường có kích thước nhỏ, do đó giải quyết bài toán về không gian trong các tủ đựng thiết bị CNTT. Hơn thế nữa, việc đặt điều hoà không khí giữa các hàng sẽ làm giảm tối thiểu sự trộn lẫn các dòng khí, từ đó không khí từ điều hoà sẽ dễ dàng tiếp cận với các thiết bị CNTT hơn. * Các thông số kỹ thuật của IRAH: * 2900 cfm (1369 L/s) khi tự do phóng điện * Làm mát nhận biết: 25.2 kWh tại 95oF DB và 67.70F WB (35oC DB và 20oC WB) * Tỷ lệ sức nóng nhận biết được: 1.0 * Dòng nước lạnh: 17.9 gpm ở mức 25 ft của cột áp suất (1.13 L/s) ở mức 8m của cột áp suất * Nhiệt độ không khí ngoài tháp tản nhiệt 76.4oF (19.7oC) (từ công thức 2) * Năng lượng quạt: 1 kWh * Năng lượng bơm CW: 0.34 kW (công thức 2) Tải TTDL được sử dụng trong phân tích có năng lượng ở mức 0.75 MW sẽ cần 30 thiết bị IRAH, cộng thêm quạt năng lượng 30.6 KW và bơm nước lạnh 10.2 kW cùng các thiết bị CNTT và chiếu sáng ở mức 750 kW. Những công thức này sẽ giúp sinh ra năng lượng của thiết bị làm mát ở mức 791 kW. Bảng 3: Tiêu thụ nguồn của cơ sở hạ tầng làm mát Điều hòa không khí phòng máy tính (Computer Room Air Handler - CRAH) Hiện nay, những thực nghiệm thông thường để giảm bớt sự tiêu tốn phí đầu tư ban đầu cho giải pháp làm mát phát triển dựa trên các thiết bị làm mát lớn, khả thi và được thương mại hóa trên thị trường. Một thiết bị được xem xét thêm trong các mô hình CRAH là quạt sắp xếp bên trong đường phân phối không khí. Những chiếc quạt này được đặt trong phần đáy của thiết bị CRAH với một số ít hay không có sự chuyển đổi lối ra bên trong sàn thông gió nổi. Kết quả là một tác động hệ thống quạt đầu ra 3 cộng hưởng cùng tác động tĩnh lên các quạt khác. Sự tác động này là một chức năng của diện tích luồng gió, diện tích lối ra, vận tốc và, chiều dài chuyển hướng. Tác động của hệ thống lối ra thường không được chú ý tới và thường dẫn tới việc các sản phẩm đã được lắp đặt mang lại số lượng dòng khí ít hơn dự tính. Mô hình lí thuyết CRAH dưới đây có công suất làm mát thực là 102 kWh so với công suất 750 kWh cho tải CNTT và tải thiết bị chiếu sáng kết hợp. Trong trường hợp này, công suất đầy đủ không có tải dư sẽ cần 7,3 thiết bị CRAH cho mỗi chi tiết kỹ thuật đề cập bên dưới. Thiết bị CNTT đang được xem xét cần đến 8 thiết bị CRAH với một hệ số vượt mức cung cấp tức thời là 1,09 lần tải cơ bản. Tám thiết bị CRAH đề cập ở trên đây kết hợp lại sẽ cộng thêm nguồn của quạt là 88 kW và công suất máy bơm nước làm mát là 11,2 kW và các thiết bị CNTT và chiếu sáng ở mức 750 kW. Công thức này cho thấy tổng tải làm lạnh là 893 kW tại tỷ lệ sức nóng nhận biết được là 0,95. CAHU Phần lớn các ứng dụng sử dụng điều hòa không khí trung tâm sẽ có các thiết bị điều hòa không khí được thiết kế và xây dựng riêng cho những dự án cụ thể. Sự đa dạng của thiết kế thực tế và thành phần lựa chọn khiến cho chúng trở nên khó khăn trong việc thể hiện các dữ liệu hoạt động của thiết bị trong tất cả các giai đoạn. Các giá trị sử dụng trong tài liệu này được dùng với mục đích so sánh và đáng được tin cậy để phán ánh các giá trị không thực. Tuy nhiên, một số biến có thể lường trước được. Có thể thấy rằng tác động hệ thống đầu ra, một nhân tố đóng góp đáng kể vào mất mát của quạt CRAH bên trên không được nhắc tới trong ví dụ CAHU bên dưới. Điều đó có thể hiểu là do hình học vật lý của thiết bị điều hòa không khí theo yêu cầu cho phép vận hành tốt hơn nhờ vào việc bố trí quạt và vận hành chúng. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp thật không may mắn, lợi ích thu được từ việc giảm hay loại trừ ảnh hưởng hệ thống quạt gió lối ra lại thường xuyên được bù đắp bởi sự gia tăng thất thoát áp lực: hệ thống các ống dẫn, chỗ gấp khúc và các máy khuyếch tán. Giả định rằng tải trung tâm dữ liệu là 0,75 MW sẽ đòi hỏi một số lượng là 4 thiết bị CAHU với các chi tiết kỹ thuật ở dưới đây mà không có bất cứ tải dư nào. Với những mô hình CAHU được xây dựng trang thiết bị theo yêu cầu thì số lượng của những thiết bị dự phòng có thể được kiểm soát cẩn thận cho phép đạt được các yếu tố an toàn. Bốn mô hình CAHU đề cập ở trên đây sẽ thêm vào công suất mỗi chiếc quạt cộng thêm 83,2kW và một công suất máy bơm nước làm mát 11,2 kW nữa như ở trên đã nói để làm mát cho 750 kW tải công nghệ thông tin và tải điện chiếu sáng. Viễn cảnh này mang lại tổng tải làm lạnh là 888 kW tại tỷ lệ sức nóng nhận biết được là 0,95. Kết luận Chi phí điện năng hàng năm của ba công trình kiến trúc làm mát là: IRAH, CRAH, & CAHU được ước tính lần lượt là 139.572 USD, 201.878 USD và 197.211 USD (với mức giá 0.10USD/kWh). Tất nhiên, lượng điện tiết kiệm được sẽ thay đổi tùy thuộc vào hiệu suất thiết bị làm lạnh, giá các thiết bị phụ trợ, tải công nghệ thông tin và thiết bị chiếu sáng. Công trình làm mát tuần tự như trên đây so với 2 lựa chọn khác cho phép giảm tới 2/3 lượng điện cho quạt do các thiết bị làm mát tiêu thụ, cùng với việc gia tăng tiết kiệm thông qua hạ tầng cơ sở làm mát thống nhất toàn diện. Mặc dù làm mát theo hàng có một lợi thế khá lớn trong việc tiết kiệm chi phí vận hành, nó vẫn chưa phải là cầu trúc hoàn hảo cho tất cả các ứng dụng. Hiển nhiên, số lượng trung tâm dữ liệu hiện có lớn hơn rất nhiều số trung tâm dữ liệu được xây mới và rất có khả năng các cấu trúc làm mát, bao gồm tất cả các cấu trúc được đề cập ở trên, sẽ lẫn với nhau và sẽ được triển khai trong cùng một trung tâm dữ liệu. Khi TTDL phát triển và gia tăng mật độ, một phương thức tiếp cận hybrid trong việc làm mát các mật độ tập trung nhiệt có thể sẽ là kết quả hiển nhiên. Tuy nhiên, không gian trung tâm dữ liệu mới (bất kể được mở rộng hay xây hoàn toàn mới) cũng nên luôn coi trọng làm mát theo hàng để đạt được hiệu quả năng lượng và khả năng có thể dự tính tốt nhất bất cứ khi nào có thể.