محاسبهٔ الزامات کلی سرمایشِ مرکزداده [1]
مقدمه
تجهیزات الکتریکی همگی گرما تولید می‌کنند. گرما می‌باید از محیط مرکزداده دور شود وگرنه دمای تجهیزات بیش از اندازه افزایش می‌یابد. بیشتر تجهیزات فاوا و دیگر تجهیزاتی که در مراکزداده به‌کار می‌روند با هوا خنک می‌شوند. برای اینکه بتوان برآورد درستی از مشخصات سیستم سرمایش داشت، نخست باید مقدار گرمایی را که تجهیزات در داخل محیط بستهٔ رک (Rack) تولید می‌کنند و همچنین گرمای منابع دیگر را به‌درستی درک کرد. [مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ سرمایش مرکزداده]
اندازه‌گیری گرمای خروجی
گرما نوعی از انرژی است و اغلب مقدار آن را با «ژول» یا «BTU» یا «تن تبرید» یا «کالری» بیان می‌کنند. برای اندازه‌گیری گرمای خروجی تجهیزات معمولا از یکی از واحدهای متداول «BTU در ساعت»، «تن تبرید در روز»، «ژول در ثانیه» (معادل وات) استفاده می‌شود. با اینکه هیچ دلیلی برای وجود چند واحد اندازه‌گیری در این کار وجود ندارد، همچنان تمامی آن‌ها را برای بیان ظرفیت برق یا سرمایش به‌کار می‌برند. کاربران و طراحان با انتخاب بی‌هدف یکی از این واحدها و استفاده از آن به سردرگمی دچار می‌شوند. خوشبختانه سازمان‌های تدوین‌کنندهٔ استاندارد در سرتاسر جهان علاقه‌مند هستند «وات» (W) را به‌عنوان یکای استاندارد در اندازه‌گیری ظرفیت برق و سرمایش انتخاب و معرفی کنند. بدین ترتیب انتظار می‌رود واحدهای قدیمی همچون BTU و تن تبرید [2] کم‌کم از رواج بیفتند. به همین دلیل ما نیز در این مقاله ظرفیت سرمایش و برق را به‌وات بیان می‌کنیم. استفاده از وات به‌عنوان یکای استاندارد بی‌دلیل نبوده است و چنان‌که در ادامه خواهیم گفت کارهای مربوط به طراحی مرکزداده را آسان‌تر می‌سازد.
چون در آمریکای شمالی هنوز هم ظرفیت برق و سرمایش با همان BTU و تن تبرید بیان می‌شود، در اینجا جدول تبدیل واحدها را برای کمک به خوانندگان می‌آوریم:
| یک واحد از | ضرب‌در | برابر یک واحد از |
| BTU در ساعت | ۰٫۲۹۳ | وات |
| وات | ۳٫۴۱ | BTU در ساعت |
| تن تبرید | ۳٬۵۳۰ | وات |
| وات | ۰٫۰۰۰۲۸۳ | تن تبرید |
مقدار برقی که در کابل‌های شبکه برای رایانش یا دیگر تجهیزات مصرف می‌شود چنان اندک است که آن را نادیده می‌گیرند. در نتیجه می‌توان گفت همهٔ برقی که از منبع اصلی AC می‌آید تبدیل به گرما می‌شود. پس می‌توانیم مقدار وات گرمای خروجی تجهیزات فاوا را به‌سادگی برابر مقدار وات برق مصرفی در نظر بگیریم. در بعضی از برگه‌های مشخصات فنی (Datasheet) [3] از BTU در ساعت استفاده شده که لزوما تعیین‌کنندهٔ مقدار گرمای خارج‌شده از تجهیزات نیست. از آنچه گفتیم چنین نتیجه می‌گیریم: «گرمای خروجی برابر است با مقدار برق ورودی» [4]
محاسبهٔ گرمای خروجی کل یک سیستم
گرمایی که از کل سیستم خارج می‌شود در واقع جمع مقدار گرمایی است که در اجزای آن تولید می‌شود. هر سیستم تشکیل می‌شود از تجهیزات فاوا بعلاوهٔ اجزای دیگر. این اجزا چیزهایی همانند UPSها، دستگاه‌های توزیع برق، دستگاه‌های تهویهٔ مطبوع، روشنایی، همچنین کارکنان هستند. خوشبختانه مقدار گرمای خروجی همهٔ آن‌ها را می‌توان به‌آسانی و با قوانین ساده و استاندارد به‌دست آورد.
گرمای خروجی UPS و سیستم‌های توزیع برق برابر است با مجموع دو مقدار: یکی هدررفت ثابت و دیگری مقدار هدررفتی که متناسب است با توان عملیاتی. اندازهٔ این دو کمابیش در همهٔ برندها و تجهیزات گوناگون ثابت است. در نتیجه با چشم‌پوشی از تفاوت اندکی که در میان آن‌ها وجود دارد می‌توان همه را یکسان در نظر گرفت. مصرف برق روشنایی و مصرف افراد را نیز می‌توان با استفاده از قوانین استاندارد تخمین زد. برای تعیین بار کل سرمایش سیستم نیز تنها به چند مورد اطلاعات نیاز است که مقدار آن‌ها از پیش معلوم است. مانند سطح زیربنا (به متر مربع) و توان نامی سیستم برق.
فن و کمپرسور در دستگاه‌های تهویهٔ مطبوع گرمای زیادی تولید می‌کنند. با اینکه این گرما به بیرون منتقل می‌شود و در داخل مرکزداده بار حرارتی (Thermal Load) به‌وجود نمی‌آورد، از بهره‌وری سیستم تهویهٔ مطبوع می‌کاهد. ازاین‌رو آن را نیز در برآوردهای دستگاه تهویهٔ مطبوع محاسبه می‌کنند.
با استفاده از دادهٔ گرمای خروجی هر جزء از مرکزداده می‌توان تحلیل گرمایی دقیقی به‌دست آورد. ولی با استفاده از قوانین ساده‌تر و تخمین سریع هم می‌توان برآوردهایی به‌دست آورد که به نتیجهٔ تحلیل‌های پیچیده و سنگین نزدیک باشد. این تخمین‌های سریع مزایایی نیز دارد. مانند اینکه هر کسی بدون داشتن اطلاعات تخصصی یا آموزش‌های ویژه می‌تواند آن را انجام بدهد.
جدول شمارهٔ ۲ نمونه‌ای از کاربرگ محاسبات سریع بار گرمایش را نشان می‌دهد. با استفاده از این کاربرگ می‌توان کل گرمای خروجی مرکزداده را سریع و با اطمینان تعیین کرد. دربارهٔ روش کار با آن توضیح خواهیم داد.
| مورد | دادهٔ لازم | محاسبهٔ گرمای خروجی (به‌وات) |
| تجهیزات فاوا | کل توان مصرفی فاوا به‌وات | همانند جمع توان مصرفی فاوا به‌وات |
| UPS با باتری | توان نامی سیستم برق به‌وات | (کل توان مصرفی فاوا × ۰٫۰۵) + (توان نامی × ۰٫۰۴) |
| سیستم توزیع برق | توان نامی سیستم برق به‌وات | (توان نامی × ۰٫۰۱) + (کل توان مصرفی فاوا × ۰٫۰۲) |
| روشنایی | سطح زیربنا به‌متر مربع | سطح زیربنای کف (به متر مربع) × ۲۱٫۵۳ |
| افراد | بیشترین تعداد کارکنان مرکزداده | حداکثر تعداد کارکنان × ۱۰۰ |
| کل | جمع این ستون | جمع مقادیر گرمای خروجی موارد بالا |
دستورالعمل
اطلاعات ستون «دادهٔ لازم» را به‌دست آورید. اگر ابهامی دارید به بخش «توضیح داده» که پس از این می‌آید مراجعه کنید. محاسبات ستون «گرمای خروجی» را انجام بدهید و نتایج را جمع بزنید تا مقدار کل را به‌دست آورید.
توضیح داده
- «کل توان مصرفی فاوا به‌وات»: مجموع توان ورودی به تمام تجهیزات فاوا.
- «توان نامی سیستم برق»: مقدار توان سیستم UPS. اگر از سیستم افزونه استفاده می‌شود نباید ظرفیت UPS افزونه را در محاسبات وارد کرد.
نمونه‌ای از سیستم معمول
پیش‌تر دربارهٔ گرمای خروجی سیستم‌های معمول توضیح دادیم. اکنون نمونه‌ای را در نظر می‌گیریم با زیربنای ۴۶۵ متر مربع، توان ۲۵۰ کیلووات، که ۱۵۰ رک دارد، همچنین حداکثر ۲۰ نفر کارمند در آن کار می‌کنند. فرض می‌کنیم این مرکزداده با ۳۰ درصد از ظرفیت کار میکند که وضعیت معمول به‌شمار می‌رود. برای آگاهی دربارهٔ استفادهٔ معمول از ظرفیت به مقالهٔ «جلوگیری از هزینه ناشی از برآورد نادرست در زیرساخت مرکزداده» [5] مراجعه کنید. کل مصرف فاوا در این مرکزداده ۳۰ درصد از ۲۵۰ کیلووات، یعنی ۷۵ کیلووات است. بدین ترتیب کل حرارت خروجی مرکزداده ۱۰۵ کیلووات می‌شود که کمابیش ۵۰ درصد از مصرف فاوا بیشتر است. شکل ۱ نشان می‌دهد هر جزء از مرکزداده چه‌درصدی از کل مقدار گرمای خروجی را تولید میکند.
شکل ۱: سهم نسبی هر بخش از کل گرمای خروجی مرکزدادهٔ معمول
توجه داشته باشید مقدار سهم گرمای خروجی UPS و سیستم توزیع برق، متاثر از استفادهٔ ۳۰ درصدی از ظرفیت کل سیستم است. اگر سیستم با ۱۰۰ درصد از ظرفیت کار کند، بهره‌وری برق افزایش می‌یابد و سهم نسبی آن‌ها از گرمای خروجی کمتر می‌شود. چنین هدررفت زیادی که در بهره‌وری رخ می‌دهد به‌دلیل برآورد بیش از حد در سیستم است.
دیگر منابع تولید گرما
تا اینجا در تحلیل‌های خود به گرمای طبیعی ناشی از تابش نور خورشید به پنجره‌ها، یا گرمایی که از دیوارها منتقل می‌شود توجه نکردیم. بیشتر مراکزداده دیواری ندارند که در معرض خورشید باشد یا پنجره‌ای که به بیرون باز بشود. ازاین‌رو محاسبه‌کردن به‌شکل بالا خطایی در تحلیل‌ها پیش نمی‌آورد. مراکزدادهٔ بزرگی که بام یا دیوار مجاور با محیط بیرون دارند، با چنین گرمایی نیز مواجه هستند که می‌باید با تهویهٔ مطبوع جبران بشود.
اگر مرکزداده درون تاسیساتی باشد که مجهز به سیستم تهویهٔ مطبوع است، احتمالا می‌توان منابع دیگر تولید گرما را نادیده گرفت. ولی اگر مرکزداده با دیوار یا سقف وسیع در معرض محیط بیرون قرار داشته باشد، آنگاه مشاوران HVAC می‌باید بیشترین بار گرمایشی را بررسی کنند و بر الزامات گرمایی کل سیستم (که پیش‌تر گفتیم) بیفزایند.
رطوبت‌زایی
سیستم تهویهٔ مطبوع مرکزداده علاوه بر دفع گرما رطوبت را نیز تنظیم میکند. به‌شکل مطلوب با وجود رطوبت کافی و با مقدار ثابتی از آب موجود در هوا، سیستم به کار خود ادامه می‌دهد. در این حالت رطوبت‌زایی به‌شکل پیوسته در محیط ضرورتی ندارد. ولی متاسفانه بیشتر سیستم‌های تهویهٔ مطبوع هم‌زمان با عمل سرمایش از طریق هوا، مقدار زیادی از بخار آب را نیز متراکم می‌کنند و رطوبت را از میان می‌برند. بدین ترتیب نیاز به رطوبت‌زایی مکمل پیش می‌آید.
رطوبت‌زایی مکمل باعث افزایش بار گرمایشی دستگاه CRAC می‌شود و از ظرفیت سرمایش آن می‌کاهد. ازاین‌رو برای جبران آن باید برآورد مشخصات دستگاه را بیشتر در نظر گرفت.
در مراکزدادهٔ کوچک یا اتاقک‌های بزرگ برق که سیستم تهویهٔ مطبوع آن‌ها جریان انبوه هوای بازگشتی را به‌وسیلهٔ کانال‌کشی از جریان انبوه هوای رفت جدا نگه میدارد، بخار آب متراکم نمی‌شود و در نتیجه نیازی نیست پیوسته رطوبت‌زایی مکمل انجام شود. همچنین امکان استفاده از ۱۰۰ درصد ظرفیت سیستم تهویهٔ مطبوع فراهم می‌شود و بهره‌وری به بیشینهٔ خود می‌رسد.
برای مراکزدادهٔ بزرگی که در آن‌ها هوای سرد و گرم به‌مقدار زیادی درهم می‌آمیزد، دستگاه CRAC باید دمای هوای رفت را کاهش دهد تا بر تاثیر آمیختن آن با گرمای هوای برگشت غلبه کند. در انجام این کار حجم زیادی از رطوبت هوا از میان می‌رود و ضرورت رطوبت‌زایی مکمل را افزایش می‌دهد. در چنین وضعیتی عملکرد و ظرفیت سیستم تهویهٔ مطبوع کاهش می‌یابد. به همین دلیل نیز مشخصات سیستم CRAC را باید تا ۳۰ درصد بیشتر در نظر گرفت.
دامنهٔ برآورد بیشتر در مشخصات دستگاه CRAC از صفر درصد برای سیستم‌های کوچک که از هوای گرم بسته بهره می‌برند، تا ۳۰ درصد برای سیستم‌هایی که در آن‌ها هوای رفت و برگشت به‌مقدار زیادی درهم می‌آمیزد متغیر است. برای آگاهی بیشتر دربارهٔ رطوبت‌سازی به مقالهٔ «راهبرد رطوبت‌زایی در مراکزداده» [6] مراجعه کنید.
برآورد مشخصات سیستم تهویهٔ مطبوع
پس از روشن‌شدن الزامات سرمایش می‌توان مشخصات سیستم تهویهٔ مطبوع را برآورد کرد. عوامل زیر را (که پیش‌تر بیان کرده‌ایم) می‌باید در این برآورد در نظر گرفت:
- مقدار بار سرمایشی تجهیزات (شامل تجهیزات برق)
- مقدار بار سرمایشی ساختمان
- برآورد بیشتر برای جبران رطوبت‌سازی
- برآورد بیشتر برای افزونگی (Redundancy)
- برآورد بیشتر برای الزامات آینده
برای به‌دست‌آوردن بار گرمایشی کل مرکزداده، مقدار بار هریک از موارد بالا را به‌وات محاسبه می‌کنند؛ آنگاه همه را جمع می‌بندند.
نتیجه‌گیری
فرایند تعیین الزامات سرمایش را می‌توان در سیستم‌های فاوا به فرایندی ساده تبدیل کرد که هر کس بتواند بدون آموزش تخصصی آن را اجرا کند. استفاده‌کردن از «واحد وات» برای تمامی مقادیر توان و سرمایش به آسان‌سازی این فرایند کمک میکند. قانون کلی آن است که توان و مشخصات سیستم CRAC باید برابر باشد با ۱٫۳ برابر مقدار مصرف پیش‌بینی‌شدهٔ فاوا، بعلاوهٔ ظرفیت اضافه برای تامین افزونگی. چنین روشی در اتاق‌های شبکهٔ کوچک با زیربنای کمتر از ۳۷۲ متر مربع کاربرد بهتری دارد.
در مراکزدادهٔ بزرگ معمولا الزامات سرمایش به‌تنهایی برای انتخاب دستگاه تهویهٔ مطبوع کافی نیست. منابع دیگر تولید گرما همچون دیوار و بام مشترک با محیط بیرون، همچنین مشکل بازگشت هوای تهویه‌شده (exhaust air recirculation) [مطالعهٔ بیشتر] نیز تاثیر زیادی دارند. به همین دلیل نیز توجه به آن‌ها در طراحی و نصب ضروری است و باید بررسی شوند.
پانویس
[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:
APC White Paper 25: “Calculating Total Cooling Requirements for Data Centers” (Revision 3)
نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعهٔ مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده
[2] عبارت «تن» یا «تن تبرید» به ظرفیت سرمایش در یخ اشاره دارد. این واحد اندازه‌گیری از سال‌های ۱۸۷۰ تا ۱۹۳۰ به‌جای مانده است. در آن زمان سرمایش و تهویهٔ مطبوع از طریق قطعات یخی که روزانه دریافت می‌کردند تامین می‌شد.
[3] برگهٔ مشخصات فنی همان برگه یا سندی است که اطلاعات فنی قطعه یا دستگاه را بیان میکند. مهندسان در کار طراحی به این اطلاعات نیاز دارند.
[4] تنها روترهای VoIP از این قانون مستثنا هستند. در این دستگاه‌ها ۳۰ درصد از توان مصرف‌شده به کلاینت منتقل می‌شود. به همین دلیل نیز ممکن است بار گرمایشی کمتر از توان مصرف‌شده باشد. اگر فرض کنیم همهٔ برق در همان محل مصرف به گرما تبدیل می‌شود (فرض این مقاله)، آنگاه دربارهٔ مقدار گرمای خروجی روترهای VoIP کمی مبالغه شده است؛ بدین معنی که بیشتر از مقدار واقعی بیان می‌شود. این مسئله در بیشتر مواقع خطای جزئی ایجاد میکند.
[5] APC White Paper 37: Avoiding Costs from Oversizing Data Center and Network Room Infrastructure
[6] APC White Paper 58: Humidification Strategies for Data Centers and Network Rooms
درج دیدگاه