انواع روش‌های هوارسانی در محیط فاوای مرکزداده [1]
مقدمه
از مهم‌ترین فرایندهای زیربنایی فاوا، دفع گرما از محیط مرکزداده است که به‌خوبی درک نشده و آگاهی کمی دربارهٔ آن وجود دارد. همچنان که تجهیزات پیشرفتهٔ کامپیوتری پی‌درپی کوچک‌تر می‌شوند، به‌همان اندازه یا بیشتر از تجهیزات قدیمی برق مصرف می‌کنند و بر گرمای مراکزداده بیش‌ازپیش می‌افزایند. برای مهار این گرمای ناخواسته و انتقال آن به محیط بیرون باید از تجهیزات سرمایش موضعی استفاده کرد.
در این مقاله ۹ روش هوارسانی را بررسی خواهیم کرد. اطلاعاتی که در اینجا ارائه می‌شوند پایه و اساسی فراهم میکند تا مهندسان کارکشتهٔ فاوا بتوانند به‌خوبی سیستم‌های سرمایش را نصب و تنظیم کنند و کارکرد آن‌ها را مدیریت نمایند. برای دانستن تعریف اصطلاحات به‌کاررفته در این مقاله می‌توانید به مقالهٔ «توضیح واژگان سرمایش و تهویهٔ مطبوع برای مهندسان کارکشتهٔ فاوا» [2] مراجعه کنید.
دستگاه تهویهٔ مطبوع چگونه کار میکند
دراین‌باره به مقالهٔ «اصول اساسی دستگاه‌های تهویهٔ مطبوع در فناوری اطلاعات» [3] مراجعه کنید. در آنجا اطلاعاتی در زمینهٔ ماهیت گرما در محیط فاوا، عملکرد چرخهٔ سرمایش، کارکردهای پایه در دستگاه‌های سرمایش موضعی، همچنین تجهیزات دفع گرما به محیط بیرون ارائه شده است.
معماری‌های سرمایش
معماری سرمایش اصولا با موارد زیر تعریف می‌شود:
- روش سنجیده برای دفع گرما
- نوع هوارسانی سنجیده (موضوع این مقاله)
- مکان استقرار دستگاه سرمایش که هوای خنک را یک‌راست به تجهیزات فاوا می‌رساند
در ادامهٔ مطلب این سه مورد را به‌اختصار توضیح می‌دهیم و منابعی از مقالات مرتبط ارائه می‌کنیم تا مطلب دربرگیرندهٔ تمامی جوانب سیستم سرمایش مرکزداده باشد.
دفع گرما
سیستم دفع گرما انرژی گرمایی را با تولید حجم زیادی از سرما از محیط فاوا بیرون می‌راند. در مقالهٔ «فناوری‌های گوناگون در سرمایش مرکزداده» [4] دربارهٔ ۷ فناوری پایه‌ای سرمایش و اجزای آن توضیح داده‌ایم.
هوارسانی
هوارسانی موضوع همین مقاله است که بیان خواهیم کرد.
مکان قرار گرفتن دستگاه سرمایش
در این مقاله دستگاه سرمایشی معرفی می‌شود که برای تجهیزات فاوا هوای سرد (رفت) فراهم میکند. برای نصب دستگاه سرمایش چهار مکان اصلی وجود دارد. به‌طور کلی مکان استقرار دستگاه تولید سرمایش در ساختمان مرکزداده از دیگر بخش‌های سیستم دفع گرما مستقل است. گاهی کل بخش‌های معماری سرمایش را در قالب سیستم بسته در بیرون و کنار مرکزداده نصب می‌کنند. مکان دستگاه سرمایش نقش مهمی در طراحی مرکزداده دارد. این موضوع بر بهره‌وری کلی سرمایش، توان مصرفی فاوا (کیلووات بر رک)، همچنین بر مساحتی که رک‌های فاوا اشغال می‌کنند تاثیر می‌گذارد. برای دریافت اطلاعات بیشتر به مقالهٔ «انواع معماری سرمایش در مرکزداده: سالنی، ردیفی، رک بسته» [5] مراجعه کنید.
۹ روش هوارسانی
برخلاف توزیع نیرو که در آن تنها با کابل‌کشی سروکار داریم و به‌عنوان بخش مشخصی از طراحی در معرض دید است، هوا ویژگی سیال دارد و حرکت آن به‌طور طبیعی فقط با شکل درون اتاق محدود می‌شود. «هدایت جریان هوا» هدف اصلی روش‌های مختلف هوارسانی است. عوامل اصلی اثرگذار بر بهره‌وری سرمایش مرکزداده به چگونگی هوارسانی بستگی دارند.
در مرکزداده سه شیوهٔ اصلی برای هدایت هوا (چه سرد و چه گرم) وجود دارد:
- هوارسانی انبوه
- هوارسانی متمرکز
- هوارسانی بسته
در سیستم «هوارسانی انبوه» هوای سرد و گرم هدایت نمی‌شوند و فقط درون اتاق در میان دیوارها و کف و سقف محدود می‌مانند. در چنین روشی هوای سرد و گرم به‌شکلی نامطلوب و به‌مقدار زیادی درهم می‌آمیزند.
در سیستم «هوارسانی متمرکز» از سازوکارهایی (همچون کانال هوا، کف‌پوش سوراخ‌دار (Perforated Tile)، دستگاه سرمایش که در ردیف تجهیزات فاوا نصب شده است) برای هدایت جریان هوا به فاصلهٔ ۳ متری ورودی و خروجی تجهیزات فاوا استفاده می‌شود.
در سیستم «هوارسانی بسته» تمام جریان هوا به‌شکل بسته و هدایت‌شده است تا از درآمیختن سرد و گرم آن جلوگیری شود.
هریک از ۳ روش بالا را می‌توان مستقل از یکدیگر در مسیر رفت یا مسیر برگشت به کار برد. در نتیجه ۹ ترکیب یا ۹ حالت برای هوارسانی خواهیم داشت. این روش‌ها همگی در وضعیت‌های مختلف به کار رفته‌اند و گاهی با روش‌های گوناگون دیگری نیز ترکیب شده‌اند.
جدول شماره ۱ این ۹ روش هوارسانی را نشان می‌دهد. تصاویر داخل جدول نشان‌دهندهٔ اجراهای سرمایش سنتی سالنی است و لزوما به‌معنی تامین بیشینهٔ توان مصرفی مشخص‌شده نیست. در جدول شماره ۲ اجراهای غیر سنتی را نشان داده‌ایم که در مراکزدادهٔ امروزی رایج‌تر هستند. اجرای سیستم هوارسانی و اقداماتی که برای مدیریت هوا انجام می‌شود، تاثیر بسزایی بر توان مصرفی دست‌یافتنی در این ۹ سیستم هوارسانی دارد. برای نمونه می‌توان دستگاه‌های سرمایش را در اطراف سالن (جدول شماره ۱)، یا در ردیف رک‌ها، یا بیرون از ساختمان اصلی (جدول شماره ۲) قرار داد. به‌طور کلی برای اجرای سیستم هوارسانی آن روش‌هایی که ارزان‌تر و کمتر پیچیده هستند و بیشتر قابلیت تامین توان مصرفی (کیلووات بر رک) را دارند، مواردی هستند که در بالا و سمت چپ جدول می‌بینید. هرچه در جدول به‌سمت پایین‌تر و راست‌تر برویم، سیستم‌ها گران‌تر و پیچیده‌تر می‌شوند و قابلیت‌شان برای تامین توان مصرفی کمتر می‌شود.
جدول شماره ۱: ۹ شیوهٔ هوارسانی با اجرای سنتی سرمایش سالنی: از ترکیب ۳ شیوهٔ سرد (انبوه، متمرکز، بسته) و ۳ شیوهٔ گرم (انبوه، متمرکز، بسته)
|
|
|
سیستم‌های هوارسانی توصیه‌شده برای مراکزدادهٔ جدید
جلوگیری از به‌وجود آمدن نقاط داغ تجهیزات فاوا از اهداف ضروری سیستم هوارسانی مرکزداده است. به همین دلیل نیز ورودی هوای تجهیزات را از خروجی آن‌ها جدا می‌کنند. این کار همچنین بهره‌وری و ظرفیت کل سیستم دفع گرما را افزایش می‌دهد. بسته به اینکه محل نصب دستگاه سرمایش کجا باشد، داخل سالن و اطراف رک‌ها یا داخل ردیف رک‌ها، هنگامی که توان مصرفی تجهیزات فاوا افزایش می‌یابد، حجم هوای گرم برگشت و هوای سرد رفت نیز افزایش می‌یابد. در چنین وضعیتی سیستمی برای هدایت هوا ضروری خواهد بود که از احتمال درآمیختن این دو چشمهٔ هوا بکاهد. ازاین‌رو هرگاه توان مصرفی افزایش یابد، بسته به مکان دستگاه سرمایش، نیاز به سیستم هوای کاملا بسته یا متمرکز احساس می‌شود تا هوای سرد ورودی تجهیزات را تامین کند و هوای گرم را از آن‌ها دور سازد. برای مطالعهٔ بیشتر به مقالهٔ «تاثیر دالان هوای گرم بسته و دالان سرد بسته بر دما و بهره‌وری مرکزداده» [6] مراجعه کنید.
جدول شماره ۲: شیوه‌های هوارسانی با اجرای غیر سنتی: از ترکیب ۳ شیوهٔ سرد (انبوه، متمرکز، بسته) و ۳ شیوهٔ گرم (انبوه، متمرکز، بسته)
از هنگامی که توان تجهیزات کامپیوتری افزایش یافت و مصارف فاوا به‌شکل دینامیکی کار کردند، فراهم‌ساختن سرمایش مراکزداده‌ای که با سیستم‌های هوارسانی سنتی و با کف کاذب کار می‌کنند بسیار دشوار شده است. یکپارچه‌سازی سرورها و بهره‌گیری از پروژه‌های مجازی‌سازی همراه با کوچک‌شدن روزافزون اندازهٔ سیستم‌های ذخیره‌سازی و سرورها باعث شده است توان مصرفی افزایش یابد و تراکم حرارت بیشتر شود. حتی با آنکه مصرف برق معمول هر رک در مراکزداده در حدود همان ۳ کیلووات باقی مانده است، می‌توان تجهیزات را طوری پیکربندی کرد که بیش از ۳۰ کیلووات در رک برق مصرف کنند. این وضعیت به سیستم‌های سنتی هوای گرم انبوه فشار می‌آورد که از طریق کف کاذب کار می‌کنند. این سیستم‌ها طراحی شده‌اند که تنها برای ۵ تا ۶ کیلووات در رک سرمای مطمئن تولید کنند. از این گذشته با مجازی‌سازی و مهاجرت به رایانه‌های مجازی (Virtual Machines) بر احتمال بروز نقاط داغ دینامیکی در اتاق افزوده می‌شود.
بااین‌که مفهوم به‌کار گرفتن کف کاذب در مرکزداده جا افتاده است، می‌توان مراکزداده را با هر اندازه‌ای که باشند بدون کف کاذب ساخت؛ چنان‌که اکنون نیز می‌سازند. اکنون اتاق‌های شبکه و LAN اغلب از کف کاذب استفاده نمی‌کنند. همچنین بسیاری از مراکزدادهٔ جدید چند مگاواتی نیز از کف کاذب استفاده نکرده‌اند.
|
در بهره‌گیری از کف کاذب می‌باید به چندین مسئله توجه داشت. از جمله: مهندسی تخصصی، هزینه، زمان طراحی، الزامات ارتفاع سرگیر، زلزله‌خیزی منطقه، خطرات ایمنی (Safety)، خطرات امنیتی (Security)، توان تحمل بار کف، رمپ‌های دسترسی. این عوامل را در مقالهٔ «مقایسهٔ کاربرد کف کاذب و کف سازه در مرکزداده» [7] به‌تفصیل بررسی کرده‌ایم. |
انتخاب سیستم هوارسانی مناسب برای ساختن مرکزدادهٔ جدید
شناخت داشتن از سیستم‌های مختلف هوارسانی برای تعیین موارد کاربرد هریک از آن‌ها موضوع پایه‌ای است. با اینکه پی‌آمدهای به‌کار گرفتن هریک از آن‌ها در وضعیت‌های گوناگون متفاوت است، می‌توان برای به‌کارگیری هریک راهنمای کلی ارائه داد.
مهم‌ترین مسئله در طراحی موثر این است: «متوسط مصرف انرژی» را برای سیستم هوارسانی در نظر بگیرید، «حداکثر مصرف» را برای تعیین ظرفیت سیستم سرمایش لحاظ کنید. رک‌های پرظرفیت معمولا تنها بخشی از مصرف کل مرکزداده را تشکیل می‌دهند که مصرف آن‌ها را نمی‌توان پیشاپیش و به‌درستی پیش‌بینی کرد. نگرانی از اینکه نتوان نقاط داغ احتمالی را با طراحی‌های سنتی به‌اندازهٔ لازم خنک کرد باعث می‌شود مشخصات دستگاه‌های سرمایش و سیستم‌های هوارسانی بسیار بیشتر از نیاز واقعی برآورد بشوند. این کار افزایش چشمگیر هزینهٔ عملیاتی و سرمایه‌ای را در پی دارد در حالی که از آن نتیجهٔ مطلوبی هم به‌دست نمی‌آید [مطالعهٔ بیشتر]. سیستم هوای گرم بسته از نواحی پرظرفیت پشتیبانی میکند و هزینهٔ ناشی از برآورد بیش از اندازهٔ سیستم سرمایش انبوه را نیز ندارد. در شکل‌های ۱ و ۲ و ۳ نمونه‌هایی از راهکارهای دالان هوای گرم بسته (هوای برگشت بسته) را می‌بینید که در مراکزدادهٔ مدرن به کار رفته است.
برای مطالعه دربارهٔ سیستم‌های هوارسانی در مراکزدادهٔ موجود به مقالهٔ «اجرای سیستم هوای گرم و سرد بسته در مراکزدادهٔ موجود» [8] و مقالهٔ «اجرای منطقهٔ رک‌های پرظرفیت در مرکزدادهٔ کم‌ظرفیت» [9] مراجعه کنید.
باید به این نکته توجه داشته باشید که می‌توانید تنها با محدود ساختن یکی از چشمه‌های هوای گرم یا سرد از درآمیختن این دو جریان جلوگیری کنید. از همین رو توصیه نمی‌شود سیستم بسته را برای هر دو هوای سرد (رفت) و گرم (برگشت) هم‌زمان به کار ببرید؛ این کار مزیتی ندارد و فقط هزینه را افزایش می‌دهد. البته این قاعده حالت‌هایی همچون محیط‌های با وضعیت بسیار دشوار را در بر نمی‌گیرد که ضروری است رک‌های فاوا کاملا جداسازی بشوند.
شکل ۱: نمونه‌ای از سیستم بسته در مرکزدادهٔ جدید با روش «هوای سرد انبوه و هوای گرم بسته»
شکل ۲: نمونه‌ای از سیستم بسته در مرکزدادهٔ جدید با روش «هوای سرد متمرکز و هوای گرم بسته» (سرمایش ردیفی)
شکل ۳: نمونه‌ای از سیستم بسته در مرکزدادهٔ جدید با روش «هوای سرد بسته و گرم بسته» (سرمایش ردیفی)
 |
 |
 |
|
| شکل ۱ | شکل ۲ | شکل ۳ |
نتیجه‌گیری
مهم‌ترین تفاوت سیستم‌های سرمایش در مرکزداده فقط شیوهٔ هوارسانی آن‌ها است. سیستم هوای سرد و سیستم هوای گرم جداگانه در مسیر رفت یا برگشت دارای ۳ پیکربندی متفاوت هستند. از ترکیب این پیکربندی‌ها ۹ سیستم هوارسانی به دست می‌آید. هریک از این ۹ سیستم قابلیت‌ها و مزیت‌هایی دارند که موجب می‌شود در کاربردهای ویژهٔ خود بهتر عمل کنند. با شناختن این ۹ روش هوارسانی و ویژگی‌هایی که هریک دارند می‌توان برای استفاده در موقع نیاز راهنماهایی تهیه کرد. در این مقاله همین کار را انجام دادیم؛ راهنمایی‌هایی برای ساختن مرکزدادهٔ جدید، برای مراکزدادهٔ موجود که کف کاذب دارند، همچنین برای کاربردهای خاص ارائه کردیم.
آن روشی که برای ساختن بیشتر مراکزداده مناسب‌تر است، همان استفاده از کف سازه است. برخلاف باور عمومی روش‌های سرمایش در کف سازه همان قابلیت‌ها و عملکرد کف کاذب را دارند و بلکه ممکن است بهتر نیز باشند.
به‌طور کلی برای سرمایش رک‌های با توان ۵ تا ۱۵ کیلووات، یکی از دو سیستم هوای سرد بسته یا گرم بسته استفاده می‌شود. معمولا محدود ساختن هر دو جریان هوای سرد و گرم توصیه نمی‌شود، مگر آنکه رک‌ها در محیطی با وضعیت بسیار سخت کار کنند. از آنجا که رک‌های با توان مصرفی ۵ تا ۱۵ کیلووات فقط بخش کوچکی از کل رک‌های مرکزداده را تشکیل می‌دهند، رایج است که از این روش به‌همراه روش‌هایی ساده‌تر استفاده می‌کنند. با بهره‌گرفتن از سیستم هوای سرد بسته یا گرم بسته می‌توانید مرکزداده را متناسب با بار گرمایشی متوسط طراحی کنید؛ ولی اگر لازم شد قابلیت پشتیبانی از رک‌های پرظرفیت را نیز داشته باشید.
پانویس
[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:
– APC White Paper 55: “The Different Types of Air Distribution for IT Environments” (Revision 3)
نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعه‌ی مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده
[2] APC White Paper 11: Explanation of Cooling and Air Conditioning Terminology for IT Professionals
[3] APC White Paper 57: Fundamental Principles of Air Conditioners for Information Technology
[4] APC White Paper 59: The Different Technologies for Cooling Data Centers
[5] APC White paper 130: Choosing Between Room, Row, and Rack-based Cooling for Data Centers
[6] APC White Paper 135: Hot-Aisle vs. Cold-Aisle Containment for Data Centers
[7] APC White Paper 19: Raised Floors vs Hard Floors for Data Center Applications
[8] APC White Paper 153: Implementing Hot and Cold Air Containment in Existing Data Centers
[9] APC White paper 134: Deploying High-Density Pods in a Low-Density Data Center
درج دیدگاه