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

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. K
ết cấu
làm mát theo hàng, như mô t
ả, sử dụng
một thiết bị thải khí tự do m
à 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 th
ụ điện tốc độ
qu
ạt biến đổi. Ghi chú: Tiết
kiệm điện năng từ dòng khí bi
ến
đổi có thể không đư
ợc 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 l
àm mát
theo hàng. Đặc điểm này c
ụ thể
đ
ối với các hệ thống tích hợp
m
ột 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.