معماری های سرمایش : سالنی، ردیفی، دالانی و رک بسته در مراکز داده

مقدمه

تقریبا تمامی برقی که به مصرف تجهیزات فاوا در مرکز داده می رسد، به صورت انرژی گرمایی هدر رفته که باید جهت جلوگیری از بالا رفتن دما بیش از حد مجاز، از محیط مرکز داده دفع و دور شود. تمامی تجهیزات IT در حقیقت با هوا خنک می‌شوند به این ترتیب که هر قطعه از این تجهیزات، هوای محیط را گرفته و حرارت هدررفته را در قالب هوای تهویه شده به محیط باز می‌گرداند. از آن جا که مرکزداده ممکن است شامل هزاران دستگاه IT باشد، در نتیجه هزاران مسیر جریان هوای گرم نیز در مرکز داده به وجود آمده که همه در کنار هم، بیانگر گرمای هدر رفته‌ی خروجی از مرکز داده بوده که باید دفع شود.  هدف از سیستم تهویه مطبوع در مرکز داده آن بوده که این گرمای هدررفته‌ی متشکل از جریان‌های هوا را گرفته و از اتاق مورد نظر دور کند.

روش سنتی در سرمایش مرکز داده شامل آن بوده که واحدهای سرمایش محیطی به کار گرفته شوند تا هوای سرد را بدون هیچ مهار و محدود شدنی، زیر کف کاذب توزیع کنند. این روش به عنوان توزیع هوای رفت هدفمند و برگشتی شناور شناخته شده که در گزارش “انواع مختلف توزیع هوا در محیط‌های IT”[1] بررسی شده است. در این روش، یک یا چند سیستم تهویه مطبوع که به طور موازی با یکدیگر کار می‌کنند، هوای سرد را به داخل مرکز داده دمیده در حالی که هوای گرم‌تر محیط را به بیرون هدایت می‌کنند.

یک اصل اساسی در این روش آنست که دستگاه تهویه مطبوع نه تنها ظرفیت سرمایش ردیفی ایجاد کرده، بلکه به عنوان یک ترکیب‌کننده‌ی بزرگ نیز، دائما هوای اتاق را به گردش در آورده و جریان های هوا را با یکدیگر ترکیب کرده تا دمایی متوسط و همگن حاصل شده و از بروز نقاط پر حرارت نیز جلوگیری شود. این روش تنها در صورتی موثر است که برق مورد نیاز برای ترکیب جریان های هوا به اندازه‌ی بخش کوچکی از تمام برق مصرفی مرکز داده باشد. داده های شبیه سازی و همچنین تجربه نشان داده است که این سیستم زمانی موثر است که متوسط توان مصرفی هر رک حدودا 1-2kW بوده یا به عبارت دیگر متوسط توزیع توان 323-73 W/m²(30-70 W/ft²) باشد.

برای افزایش ظرفیت در این روش سرمایش سنتی، ممکن است از راه‌های متعددی استفاده شود ولی همچنان در عمل، محدودیت‌هایی وجود دارد. اطلاعات بیشتر در زمینه‌ی محدودیت های حاکم بر استفاده از سرمایش قدیمی در گزارش “استراتژی‌های سرمایش برای رک های بسیار پرظرفیت و سرورهای تیغه‌ای”[2] ارائه شده است. با توان مصرفی تجهیزات جدید IT که اوج مصرف را تا 20kW در رک و یا حتی بیشتر از آن، افزایش داده است، داده های شبیه‌سازی و تجربه ثابت کرده که سرمایش سنتی(سیستم‌های باز-بدون مهار و محدودیت) که بر ترکیب هوا تکیه داشتند، دیگر عملکرد موثر و کارآمدی ارائه نمی دهند.

جهت رویارویی با این مشکل، روش های طراحی پیشنهاد می‌شوند که بر سرمایش سالنی، ردیف یا رک تاکید دارند. در این روش‌ها، سیستم های تهویه مطبوع، جهت به حداقل رساندن نیاز به ترکیب هوا، در اتاق، ردیف‌ها و یا رک‌ها و یا در هر رک تعبیه و یکپارچه شده اند. از این طریق قابلیت پیش‌بینی بهتر ، ظرفیت بالاتر، بهره‌وری بیشتر و مزایای دیگری حاصل شده است. در این مقاله، روش های مختلفی توضیح داده شده و با یکدیگر سنجیده می‌شوند. در نهایت ثابت خواهد شد که هر یک از این سه روش، کاربرد مناسب خود را داشته و در کل، انتظار می‌رود در مراکز داده‌ی کوچک تر و ناحیه های پرظرفیت، تمایل به استفاده از سرمایش ردیفی بیشتر بوده در حالی که در مراکز داده‌ی بزرگ‌تر، تمایل به استفاده از سرمایش سالنی در قالب سیستم‌های بسته ‌باشد.

معماری سرمایش سالنی، ردیفی و رک بسته

هر سیستم تهویه مطبوع مرکز داده، دو کارکرد کلیدی دارد: ایجاد هوای سرد و توزیع آن در تجهیزات فاوا. کارکرد اول در تامین ظرفیت سرمایش در تمام روش های سرمایش سالنی، ردیفی و رک یکسان بوده، چرا که ظرفیت کلی سرمایش در سیستم تهویه مطبوع (به کیلو وات) در نهایت باید بتواند تمام برق مصرف شده(kW) در تجهیزات IT را تهویه کند. تکنولوژی‌های مختلفی که در این کارکرد به کار رفته، چه سیستم سرمایش سالنی، ردیفی یا رک بسته طراحی شده باشد، یکسان است.

تفاوت اصلی میان این سه سیستم در نحوه‌ی اجرای کارکرد دوم  یعنی توزیع هوا در محل مصرف برق است.

بر خلاف توزیع برق، که در آن جریان به کابل‌ها محدود بوده و به عنوان بخشی از طراحی، کاملا واضح و قابل درک است، جریان هوا تنها محدود به طراحی اتاق بوده و جریان واقعی هوا، در اجرا قابل مشاهده نبوده و تحت روش های مختلف نصب، شدیدا متغیر است. کنترل جریان هوا از اهداف اصلی روش های مختلف در طراحی سیستم سرمایش است.

در شکل 1، سه پیکربندی اصلی در یک پلان ساده و کلی از کف نشان داده شده است. در این شکل، مربع‌های مشکی بیانگر رک‌های چیده شده در ردیف بوده و فلش های آبی رنگ نیز بیانگر وابستگی و ارتباط منطقی بین واحدهای کنترل هوای اتاق کامپیوتر (CRAH) با مصارف در رک‌های IT می‌باشد. البته جانمایی واقعی واحدهای CRAH ممکن است متفاوت باشد. در سرمایش سالنی، واحدهای CRAH با تمام فضای اتاق در ارتباط هستند، به همین ترتیب در سرمایش ردیفی، واحدهای CRAH با ردیف‌ها یا گروه های رک و در سرمایش رک نیز، این واحد در ارتباط با هر رک قرار دارند.

خلاصه ای از اصول اساسی عملکرد هر روش در قسمت های بعدی آورده شده است:

سرمایش سالنی

با سرمایش سالنی، واحدهای CRAH در ارتباط با فضای اتاق قرار گرفته و به طور همزمان و با هم جهت دفع کل بار حرارتی اتاق عمل می‌کنند. سرمایش سالنی ممکن است شامل یک یا چند دستگاه تهویه مطبوع بوده که هوای سرد را به طور کاملا آزادانه و بدون هیچ محدودکننده‌ای از طریق داکت ها، دامپرها، کانال‌های هوا و غیره، تامین کرده یا هوای ورودی و برگشتی در اتاق ممکن است توسط سیستم کف کاذب و یا پلنوم کانال هوای برگشتی تا حدی بسته و محدود شود. برای دریافت اطلاعات بیشتر به گزارش “انواع مختلف توزیع هوا در محیط‌های IT” مراجعه شود.

در فاز طراحی، معمولا میزان توجه به جریان هوا، بسیار متفاوت است. در اتاق‌های کوچک، گاهی ممکن است رک ها یا چیدمانی نامنظم و بدون هیچ طرح مشخصی جهت محدود کردن جریان هوا، جای داده شوند. اما برای نصب در اتاق‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر، ممکن است از کف کاذب جهت توزیع هوا در جانمایی از پیش طراحی شده‌ی راهروی گرم/راهروی سرد استفاده شود که تا هدف هدایت و تنظیم مسیر جریان هوا با رک‌های IT حاصل شود.

طراحی سرمایش سالنی شدیدا متاثر از محدودیت های خاص اتاق شامل ارتفاع سقف، شکل اتاق، موانع مسدود کننده در رو و زیر کف، جانمایی رک، مکان واحدهای CRAH، توزیع برق میان مصارف IT و غیره، می‌باشد.

زمانی که مسیر تامین و بازگشت هوا باز باشد، نتیجه آنست که پیش بینی عملکرد و همچنین یکنواختی و ثبات عملکرد به خصوص با افزایش توان مصرفی، دچار ضعف می‌شود.

در نتیجه، در طراحی های سنتی، ممکن است به  شبیه‌سازی های پیچیده‌ی کامپیوتری که دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) نامیده می‌شوند، نیاز باشد تا بتوان عملکرد طراحی در یک روش مشخص نصب تجهیزات، را درک کرد. علاوه بر آن، تغییراتی چون جابجایی تجهیزات IT، افزودن بر تعداد آن و یا دیگر تغییرات نیز ممکن است از اعتبار مدل عملکرد کاسته و به تست و/یا تحلیل بیشتری نیاز باشد. در این میان، مخصوصا اطمینان از افزونگی CRAH، تبدیل به تحلیلی بسیار پیچیده شده که تایید اعتبار آن نیز مشکل‌تر است. در شکل 2، مثالی از پیکربندی سرمایش سنتی سالنی نمایش داده شده است.

یکی از دیگر محدودیت های سیستم باز سرمایش سالنی آنست که در بسیاری از موارد، نمی‌توان از ظرفیت کامل CRAH استفاده کرد. این شرایط زمانی پیش آمده که قسمت قابل توجهی از مسیر توزیع هوا در واحدهای CRAH از مصارف IT گذر نکرده و مستقیما به CRAH باز می‌گردد. این خارج کردن مصارف IT از مسیر جریان هوا، به آن معنا بوده که جریان هوای CRAH در سرمایش گرمای حاصل از مصرف برق موثر نبوده و ظرفیت کلی سرمایش کاهش می‌یابد. در نتیجه ظرفیت مورد نیاز تجهیزات فاوا مستقل از مکان و توان مصرفی هریک در کل سالن بوسیله CRAH توزیع می شود. این مشکل در گزارش “اشتباهات قابل پیشگیری که عملکرد سرمایش مراکز داده و اتاق‌های شبکه را به خطر می‌اندازند”[3] به تفصیل مطرح شده است.

برای مراکز داده‌ی جدید با ظرفیت بیشتر از 200kW، جهت جلوگیری از بروز مشکلات مطرح شده، باید راهروهای گرم بسته ای در سیستم سرمایش سالنی ایجاد شود.  این روش چه با کف کاذب و چه بدون آن، موثر بوده و واحدهای سرمایش می‌توانند داخل و یا خارج از مرکز داده قرار گیرند. برای مراکز داده ی موجود با سرمایش سالنی دارای کف کاذب، به کارگیری راهروی سرد بسته نیز توصیه شده چرا که معمولا اجرای آن آسان تر است. هر دو راهروی سرد و گرم بسته، در جهت به حداقل رساندن ترکیب هوا در مرکز داده، اجرا می‌شوند. هر یک از این راه کارها مزایای مخصوص خود را داشته که در گزارش “تاثیرات راهروی سرد و گرم بسته بر دما و بهره وری مرکز داده”[4] توضیح داده شده است. شکل 3 نشان دهنده‌ی دو مثال از نسل بعدی سرمایش سالنی است.

سرمایش ردیفی

واحدهای CRAH با پیکربندی ردیفی، در ارتباط با ردیف ها قرار گرفته و تصور می‌شود که مطابق اهداف طراحی، واحدها به آن ردیف اختصاص دارند. واحدهای CRAH ممکن است بین رک‌های IT قرار گرفته و یا در ارتفاع بالاتر از آن به سقف متصل شوند. در مقایسه با سیستم باز سرمایش سنتی سالنی، می توان از تمامی ظرفیت CRAH استفاده کرد و توان مصرفی بالاتری به دست آورد.

در سرمایش ردیفی فواید دیگری نیز به جز عملکرد مناسب‌تر سرمایش وجود دارد. کاهش در طول مسیر جریان هوا، توان مورد نیاز فن‌های CRAH را کاهش داده و بهره وری افزایش می‌یابد. اهمیت این نکته زمانی مشخص شده که بدانیم در بسیاری از مراکز داده با مصرف کم، هدررفت ناشی از توان فن‌های CRAH به تنهایی از کل مصرف برق IT فراتر می‌رود.

طراحی ردیفی این امکان را فراهم کرده تا ظرفیت و افزونگی سرمایش، متناسب و همراستا با محل نیاز واقعی در ردیف‌های مشخص شده تنظیم شود. به طور مثال، یک ردیف و یا رک ممکن است مصرف برق بالایی چون سرور تیغه‌ای داشته در حالی که، ردیفی دیگر توان مصرفی پایین تری همچون تابلوهای مخابراتی داشته باشند. علاوه بر آن، می‌توان افزونگی N+1 و یا 2N را مشخصا در بعضی از ردیف‌ها ایجاد کرد.

برای مراکز داده‌ی جدید با ظرفیت کمتر از 200kW، سرمایش ردیفی باید تعیین شده و بدون کف کاذب اجرا شود. برای مراکز داده‌ی موجود، باید در اجرای مصارف پرظرفیت (5kW و یا بیشتر در هر رک) سرمایش ردیفی را در نظر گرفت. روش های مختلف اجرای ناحیه‌های پرظرفیت در مرکز داده‌ی موجود در گزارش “اجرای POD پرظرفیت در مرکز داده‌ی کم ظرفیت” توضیح داده شده است. شکل 4a و 4b نشان دهنده‌ی مثال‌هایی از سرمایش ردیفی هستند.

هر دو سیستم آمده در شکل 4، را می توان به عنوان سیستم بسته‌ی راهروی گرم نیز پیکربندی کرد تا از این طریق، توان مصرفی افزایش یابد. این طراحی قابلیت پیش بینی عملکرد را با حذف هر احتمالی از ترکیب جریان هوا، افزایش می‌دهد. این هندسه‌ی جانمایی از پیش تعیین شده و ساده از سرمایش ردیفی، عملکرد قابل پیش‌بینی را افزایش داده و می تواند کاملا از سوی تولید کننده سیستم، تعیین شده و تقریبا می توان گفت تحت تاثیر هندسه‌ی اتاق و یا دیگر محدودیت‌های اتاق، قرار نمی‌گیرد. از این طریق، مشخصات و اجرای طراحی‌ها، به خصوص در ظرفیت های بالای 5kW در رک، تسهیل می‌گردد. تعیین ظرفیت طراحی در گزارش “راهنمایی برای تعیین توان مصرفی مرکز داده”[5] به تفصیل توضیح داده شده است.

سرمایش رک بسته

در سرمایش رک بسته، واحدهای CRAH در ارتباط با فضای داخل رک قرار گرفته و جهت برآورده ساختن اهداف طراحی، هر یک باید به یک رک اختصاص یابند. واحدهای CRAH مستقیما داخل رک نصب می‌شوند. در مقایسه با سرمایش سالنی یا ردیفی، مسیر جریان هوا در این سیستم کوتاه تر بوده و به درستی تعیین شده تا جریان‌های هوا کاملا مستقل از هر تغییری در نصب تجهیزات و یا دیگر محدودیت های اتاق بوده و تحت تاثیر آن، قرار نگیرند. می‌توان از تمام ظرفیت CRAH استفاده کرد و دستیابی به بالاترین توان مصرفی (تا 50kW در هر رک) امکان پذیر است. در شکل 5 مثالی از سرمایش رک بسته نشان داده شده است.

مشابه سرمایش ردیفی، این سیستم سرمایش رک بسته علاوه بر توانایی تامین توان مصرفی بسیار بالا، ویژگی‌های منحصر به فردی دیگری نیز دارد. کاهش در طول مسیر جریان هوا از توان مورد نیاز برای فن های CRAH کاسته و بهره وری را افزایش می‌دهد. همان طور که پیشتر مطرح شد، با توجه به آن که در بسیاری از مراکز داده با مصرف کم، هدررفت ناشی از فن های CRAH از تمام مصرف برق تجهیزات IT بیشتر بوده، می توان دریافت که این مزیت در افزایش بهره‌وری از اهمیت بالایی برخوردار است.

طراحی رک بسته این امکان را فراهم کرده تا ظرفیت و افزونگی سرمایش، متناسب و همراستا با محل نیاز واقعی در ردیف‌های مشخص شده تنظیم شود. به طور مثال، برای سرورهای تیغه‌ای و تابلوهای مخابراتی توان مصرفی متفاوت مورد نیاز است. علاوه بر آن، افزونگی N+1 و یا 2N را نیز می‌توان به یک رک مشخص اختصاص داد. بر خلاف این سیستم، سیستم سرمایش ردیفی تنها قادر بود این ویژگی‌ها را در سطح ردیف‌ها مشخص و جهت دهی کرده و همچنین سرمایش سالنی نیز، این ویژگی ها را در سطح اتاق تعیین می کند.

همچون سرمایش ردیفی، هندسه‌ی معین سرمایش رک بسته عملکرد قابل پیش‌بینی را افزایش داده که این ویژگی، می تواند کاملا و به وضوح از سوی تولید‌کننده ی سیستم تعیین شود. از این طریق، تعیین توان مصرفی و اجرای طراحی مشخص شده، آسان‌تر خواهد بود. سرمایش رک بسته باید در تمام مراکز داده با هر ابعاد و اندازه‌ای که در آن، به سرمایش رک های مستقل و پرظرفیت نیاز است، به کار گرفته شود. اصلی‌ترین مانع در استفاده از این روش، آنست که این روش در مقایسه با دیگر روش ها و به خصوص در توان مصرفی پایین تر، به تعداد زیادی از دستگاه های تهویه مطبوع و لوله‌کشی مناسب نیاز دارد.

سرمایش ترکیبی

در زمان نصب، هیچ دلیلی مانع به کارگیری این سه روش سرمایش سالنی، ردیفی و رک بسته با یکدیگر نیست. در واقع، در بسیاری از موارد این استفاده‌ی ترکیبی از سیستم ها بسیار مفید است. با جایگذاری واحدهای مختلف سرمایش در مکان های مختلف یک مرکز داده، روشی به نام سرمایش ترکیبی حاصل شده که در شکل 6 نشان داده شده است. این روش برای مراکز داده که با رک‌هایی با بازه‌ی وسیعی از توان مصرفی، کار می کنند، بسیار سودمند و مناسب است.

به عنوان کاربرد مناسب دیگری از سرمایش ردیفی و رک بسته، می توان به ارتقای ظرفیت‌ در طراحی کم‌ظرفیت موجود از سرمایش سالنی اشاره داشت. در این حالت، گروه های کوچکی از رک ها داخل مرکز داده‌ی موجود مجهز به سرمایش ردیفی یا رک بسته هستند. تجهیزات سرمایش ردیفی یا رک بسته، به طور موثری رک‌های جدید پرظرفیت را از بقیه جدا کرده و از این طریق، تاثیرات حرارتی آن ها را بر سیستم سرمایش سالنی فعلی از میان بر می‌دارد. اگرچه، احتمال زیادی بوده که در کل این کار با افزودن بر ظرفیت سرمایش باقی اتاق، تاثیر مثبتی در پی داشته باشد. با این روش، بدون تغییر سیستم موجود سرمایش سالنی ، می‌توان بر ظرفیت مصرف یک مرکز داده‌ی کم ظرفیت موجود افزود. این روش در صورتی که اجرا شود، سرمایش ترکیبی مشابه شکل 6 ارائه خواهد داد.

مثال دیگری از سیستم سرمایش ترکیبی، استفاده از سیستم سرمایش هواکش رک بوده تا هوای تهویه را در سطح رک گرفته مستقیما به سمت سیستم سرمایش سالنی باز گرداند. چنین سیستمی بعضی از مزایای سیستم سرمایش رک بسته را داشته و می تواند با سیستم موجود و یا برنامه‌ریزی شده‌ای از سرمایش سالنی، یکپارچه شود. در شکل 7، نمونه‌ای از این تجهیزات نمایش داده شده است.

 

 مقایسه‌ی این سه روش

برای اتخاذ تصمیمات موثرتر در ارتباط با انتخاب میان سرمایش سالنی، ردیفی و رک بسته برای مراکز داده‌ی جدید و یا ارتقا، باید بتوان ویژگی های عملکردی روش های سرمایش را به مسائل اجرایی که بر طراحی و عملکرد مراکز داده‌ی واقعی موثرند، ربط داد.

در این قسمت، این سه روش سرمایش بر اساس معیارهای متعدد و معمول تعیین شده توسط کاربران مرکز داده، با یکدیگر مقایسه می‌شوند و این معیارها عبارتند از:

• چابکی

• دسترسی سیستم

• هزینه‌ی چرخه‌ی عمر (TCO)

• قابلیت خدمات دهی

• قابلیت مدیریت شدن

• هزینه های اولیه

• بهره وری الکتریکی

• لوله کشی آب و یا دیگر لوله کشی های اطراف تجهزات IT

• مکان واحد سرمایش

• افزونگی

• روش دفع حرارت

در جدول 1، خلاصه ای از مقایسه میان این سه روش سرمایش، بر اساس پنج معیار اول را با بیان مزایا و معایب آورده شده است. نتیجه گیری های زیر را می توان از این جدول استخراج کرد:

• سرمایش رک بسته بیشترین انعطاف پذیری، سریع‌ترین اجرا و بالاترین ظرفیت را فراهم آورده ولی هزینه های اضافی را ایجاب می کند.
• سرمایش ردیفی بسیاری از مزایای انعطاف پذیری، سرعت و ظرفیت سرمایش رک بسته را داشته ولی هزینه ی کمتری دارد.
• سرمایش سالنی توسط چیدمان مجدد تایلهای کف، امکان تغییرات سریع در الگوهای توزیع هوا را فراهم می کند. افزونگی سرمایش در میان تمام رک های کم ظرفیت مرکز داده تقسیم می‌شود. این روش از لحاظ هزینه و سادگی، مفید است.

جدول 1: مزایا و معایت سرمایش سالنی، ردیفی و رک بسته با تاکید بر عملکرد خوب

دسته		رک بسته	ردیفی	سالنی
چابکی	مزایا	سادگی در برنامه ریزی برای هر توان مصرفی، جدا سازی شده از سیستم سرمایش فعلی	سادگی در برنامه ریزی برای هر توان مصرفی، به اشتراک گذاری ظرفیت سرمایش	تغییر سریع الگوی توزیع سرمایش برای توان مصرفی کمتر از 3kW
	معایب	عدم به اشتراک گذاری ظرفیت سرمایش با دیگر رک‌ها	نیارمند جانمایی راهروهای سرد و گرم	بهره‌وری کمتر در زمان باز و نامحدود بودن تمام فضا
دسترسی سیستم	مزایا	با سیکل بسته نقاط پر حرارت و گرادیان عمودی دما(کاهش دما با افزایش ارتفا از زمین) حذف شده، راه کارهای استاندارد خطای انسانی را به حداقل می‌رسانند	واحدهای دارای افزونگی می توانند میان رک های مختلف یک POD به اشتراک گذاشته شوند، سیکل بسته گرادیان عمودی دما را از میان برداشته	واحدهای دارای افزونگی می توانند میان تمام رک های مرکز داده به اشتراک گذاشته شوند
	معایب	نیاز به افزونگی برای هر رک	نیاز به افزونگی برای هر منطقه از رک ها	نیازمند محدود کردن و بستن سیستم جهت جداسازی جریان‌های هوا
هزینه‌ی چرخه‌ی عمر(TCO)	مزایا	سیستم‌های از پیش طراحی شده و اجزای استاندارد نیاز به طراحی و برنامه‌ریزی را کاهش داده و یا برطرف می سازند	توانایی انطباق الزامات سرمایش، نیاز به طراحی و برنامه‌ریزی کاهش یافته و یا برطرف شده	پیکربندی مجدد آسان تایل های سوراخ دار کف
	معایب	ابعاد بزرگ‌تر از حد لزوم در سیستم سرمایش و اتلاف ظرفیت و افزایش هزینه ها	هزینه‌ی اولیه در این روش با افزایش ابعاد مرکز داده، افزایش می‌یابد	هوارسانی ظرفیت بیشتری را ملزم کرده، الزامات مربوط به تنظیم فشار هوا در معماری هوارسانی زیر کف کاذب، منتج از ابعاد اتاق و ارتفاع کف بوده
قابلیت خدمات‌دهی	مزایا	اجزای استاندارد هزینه های نیروی متخصص را کاهش داده، کارکنان داخلی سازمان می توانند روش های خدماتی معمول را انجام دهند.	اجزای مدولار زمان خرابی را کاهش داده، اجزای استاندارد هزینه های نیروی متخصص را کاهش داده	تجهیزات سرمایش در محیط و یا خارج از اتاق قرار داده شده که در نتیجه  تکنسین ها از تجهیزات IT دور هستند.
	معایب	افزونگی 2N مورد نیاز برای تعمیر و نگهداری همزمان سیستم	تجهیزات سرمایش در ردیف هایی قرار داده شده که تکنسین ها در میان تجهیزات IT کار می‌کنند.	نیازمند تکنسین ها و یا متخصصین آموزش دیده جهت انجام خدمات
قابلیت مدیریت شدن	مزایا	هدایت و کنترل آسان از طریق رابط نرم افزاری و توانایی ارائه ی تحلیل و پیش‌بینی خرابی	هدایت و کنترل آسان از طریق نرم افزار و توانایی ارائه ی تحلیل و پیش‌بینی خرابی	سیستم های CRAH بزرگ‌تر تعداد نقاط اتصال و مدیریت را کمتر و طبعا ساده تر می سازند
	معایب	در پروژه های بزرگ نیازمند نقاط ارتباطی متعدد	در پروژه های بزرگ نیازمند نقاط ارتباطی متعدد	نیازمند خدمات پیشرفته‌ی آموزشی، ارائه ی تحلیل آنی غیر ممکن است

 

هزینه‌ی مرتبه‌ی اولیه

بیشتر مدیران مرکز داده بسیار نگران هزینه های اولیه‌ی روش های سرمایش هستند. بدین منظور تحلیلی صورت گرفته تا نشان دهد چگونه این هزینه های اولیه برای سه روش متفاوت سرمایش با آب سرد، به عنوان تابعی از توان مصرفی رک تغییر می کند. در شکل 8 نتایج برای مرکز داده‌ای با فرضیات مطرح شده‌ نشان داده شده است.

 

> فرضیات مرکز داده ·         مصرف IT: 480kW ·         مکان: St. Louis, MO ·         ظرفیت رک: 3,6,12,20 kW در هر رک (120 cfm/kW) ·         Bypass ترکیب هوا و هوی سرد برای سرمایش سالنی بدون HAC : 125% از تمام ظرفیت ·         هزینه‌ی لوله کشی بر اساس پایگاه داده‌ی هزینه‌ای RSMeans: لوله کشی استیل(فولادی) ·         هزینه‌ی انرژی: 0.15$/kWh ·         هزینه‌ی اولیه شامل: واحد سرمایش، لوله کشی، چیلر پکیج، نصب و سیستم بسته ·         هزینه ی سالیانه ی برق شامل: فن واحد سرمایش، چیلر و پمپ‌ها ·         افزونگی سرمایش: N

 

سرمایش سالنی دارای کمترین هزینه ی اولیه بوده چرا که تعداد واحدهای سرمایش و لوله‌کشی مورد نیاز آن کمتر است. با افزایش توان مصرفی رک، هزینه ها اندکی کاهش یافته چون برای ظرفیت مشابه در مرکز داده، در مدل مورد نظر، وقتی ظرفیت افزایش یافته، مرکز داده ای با سطح اشغال کمتر تصور می‌شود. در نتیجه، در عین کاهش هزینه ی اولیه،  به کف کاذب و لوله‌کشی کمتری هم نیاز است. باید توجه داشت که با افزایش توان مصرفی رک(که در قسمت بعدی مطرح خواهد شد) بهره‌وری الکتریکی سرمایش سالنی کاهش می یابد. راهروی گرم بسته یا HAC[6] در هر دو روش سرمایش توان مصرفی رک را افزایش داده و مصرف برق سیستم سرمایش را نیز، به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد، اگرچه به دلیل هزینه‌ی ناشی از سیستم بسته، هزینه ی اولیه اندکی بالاتر خواهد بود.

هزینه ی اولیه‌ی سرمایش ردیفی کمی بالاتر از سرمایش سالنی بوده چرا که سرمایش ردیفی نسبتا دستگاه‌های سرمایش و لوله کشی بیشتری دارد.

با افزایش توان مصرفی رک، از هزینه ها کاسته شده و دلیل آن نیز مشابه سرمایش سالنی بوده تنها با این تفاوت که در اینجا تعداد دستگاه‌های سرمایش نیز با افزایش ظرفیت، کاهش می‌یابد. نه تنها با استفاده از HAC از مصرف برق سرمایش ردیفی کاسته می‌شود، بلکه هزینه ی اولیه نیز با توجه به تعداد کمتر دستگاه‌های سرمایش مورد نیاز، کاهش می‌یابد.

در توان مصرفی کم رک، هزینه ی اولیه در سرمایش رک بسته بسیار بالاتر از سرمایش سالنی یا ردیفی است. دلیل اصلی آن نیز افزایش تعداد دستگاه‌های سرمایش بوده که موجب افزایش هزینه ی سرمایه واحدها و لوله کشی در ظرفیت های کم تر می‌شود. به عنوان مثال، در سناریویی که ظرفیت 3kW در هر رک در نظر گرفته شود، سرمایش ردیفی، در کل 48 دستگاه سرمایش داشته ولی در سرمایش رک بسته، این تعداد تا 160 واحد نیز می‌رسد.

همچنین در سرمایش رک بسته به محفظه ی بسته در جلو و عقب رک نیاز بوده که این نیز خود بر هزینه ی اولیه سیستم می افزاید. با افزایش ظرفیت، از آن جا که تعداد واحدهای سرمایش جهت بهینه‌سازی هزینه ی اولیه، کاهش می‌یابد، هزینه ی اولیه به شکل قابل ملاحظه ای بهبود پیدا می‌کند. در نتیجه سرمایش رک بسته در شرایط توان مصرفی بالا در رک‌ها، اقتصادی و مقرون‌به صرفه‌تر است.

بهره‌وری الکتریکی

هزینه‌های برق در حال حاضر، تبدیل به بخش بزرگی از کل هزینه های عملیاتی شده اند که از دلایل اصلی آن می توان به افزایش نرخ برق، افزایش در برق مورد نیاز سرورها و در توان مصرفی، اشاره داشت. در حالی که وابستگی این هزینه‌ها بر نرخ برق و توان سرور به خوبی قابل درک است، تاثیر توان مصرفی بر هزینه های برق معمولا مورد بی توجهی واقع می‌شود.

در شکل 9، تاثیر توان مصرفی بر هزینه های سالیانه ی برق در سه روش مختلف سرمایش از طریق آب سرد و با استفاده از همان فرضیات مطرح شده در قبل(شکل 8)، نمایش داده شده است.

 

سیستم سرمایش سالنی بدون HAC، دارای بالاترین هزینه‌ی برق بوده چرا که سرمایش سالنی می‌بایست هوای بیشتری را در طول مسیرهای طولانی‌تر به حرکت درآورده و واحدهای CRAH نیز برای حرکت و ترکیب هوا در اتاق و جلوگیری از بروز نقاط پرحرارت، برق مصرف می‌کنند. با استفاده از HAC در این سیستم و جداسازی جریان‌های هوا، هزینه‌ی برق نیز کاهش می‌یابد. با افزایش ظرفیت، از آن جا که طول لوله‌ها کوتاه‌تر شده و از مصرف برق مرتبط با این موضوع در پمپ ها نیز کاسته شده، در نتیجه هزینه ی انرژی اندکی کاهش می‌یابد.

هزینه های برق در سرمایش ردیفی همواره کمتر از هزینه‌ی سرمایش سالنی بوده به این دلیل که واحدهای CRAH در سیکل بسته با مصرف برق قرار داده شده و ابعادی متناسب با مقدار مصرف دارند. از جریان های غیرضروری هوا جلوگیری شده که در مقایسه با سرمایش سالنی، این خود منجر به بیش از 50% صرفه جویی در مصرف برق فن‌ها می‌شود.

با افزایش توان مصرفی رک، هزینه‌ی برق نیز افزایش یافته چرا که با کمتر شدن واحدهای سرمایش، به جریان آب و هوای بیشتری برای دستیابی به ظرفیت لازم برای تعدیل دما، نیاز خواهد بود. سرعت بالاتر در فن ها صرفه‌جویی های کارآمدی که با فن های دور متغیر می تواند حاصل شود، را کاهش می‌دهد. در این حالت، با اضافه کردن واحدهای دارای افزونگی در واقع، از مصرف انرژی کاسته ولی در عین حال، هزینه‌ی اولیه را افزایش می دهد. علاوه بر آن، جریان بیشتر آب که جهت تعدیل ظرفیت مورد نیاز است، مصرف انرژی را افزایش می‌دهد.

در سرمایش رک بسته با ظرفیت های کم، هزینه‌ی برق بالاتر بوده چرا که با تعداد بیشتر واحدهای سرمایش به مصرف برق بالاتری نیز برای جریان آب و هوا نیاز دارد. حتی با فن‌های دور متغیر نیز افزایش واحدهای سرمایش با ظرفیت کمتر، باز هم صرفه‌جویی در انرژی به خاطر سرعت حداقل فن‌ها، محدود می‌شود. در ظرفیت های پایین، جریان هوای بیشتری که مورد نیاز است، با سرعت حداقل فن‌ها تامین می‌شود.

علاوه بر این، به لوله‌کشی بیشتری نیز نیاز بوده تا آب را در لوله ها به جریان  درآورد. با افزایش توان مصرفی رک، هزینه‌ی انرژی کاهش می‌یابد. ولی در ظرفیت های بالاتر، از آن جا که هر رک واحد سرمایش مخصوص به خود داشته، هزینه نیز شروع به افزایش می‌کند و با افزودن بر ظرفیت، هر واحد سرمایش نیز به جریان‌ هوای بیشتری نیاز داشته، در نتیجه فن های CRAH با بالاترین سرعت عمل کرده و صرفه‌جویی کارآمدی که با فن‌های دور متغیر قابل دستیابی است، را کاهش می‌دهد. همچنین جریان آب بیشتر که برای تعدیل ظرفیت لازم بوده، نیز انرژی اضافه‌ای مصرف می‌کند.

لوله‌کشی آب و دیگر لوله‌کشی‌ها اطراف تجهیزات IT

تحقیقات انجام شده نشان داده اند که قرارگیری لوله‌های آب یا مبرد در نزدیکی تجهیزات IT، موجب نگرانی کاربران در مورد احتمال نشت این مایع به تجهیزات و خرابی و خسارات حاصل از آن، می باشد.

مراکز داده پرظرفیت با دستگاه‌های متعدد تهویه مطبوع، عموما از سیستم سرمایش با آب سرد استفاده کرده و به دلیل مسائل زیست‌محیطی و هزینه‌ای، انتظار می‌رود که این روند، ادامه یابد. اگرچه مبردهایی موجود بوده که احتمال آسیب رسانی کمتری به تجهیزات فاوا دارند، اما این مبردها نسبت به آب، جایگزین گران‌تری محسوب می‌شوند. مسائل مرتبط با دسترسی و تمایل به ظرفیت های بالاتر، به بروز سیستم‌های مبرد گازی واسط در محیط مرکز داده منجر شده است. این سیستم‌ها معمولا متشکل از یک مبدل حرارتی و پمپ ثانویه بوده که سیال مبرد در مرکز داده را از مدار آب سرد جدا کرده و در صورت  بروز نشتی، محدوده خطر را به حداقل می رساند. هرچند که این سیستم همچنین می‌تواند دیگر مبردها نظیر گلیکول را نیز جداسازی کند. برای دریافت اطلاعات بیشتر در زمینه‌ی این سیستم‌ها به گزارش “تکنولوژی‌های مختلف در سرمایش مراکز داده”[7] مرجعه شود.

مکان واحدهای سرمایش

مکان یک واحد تهویه مطبوع می تواند تاثیر بزرگی بر عملکرد سیستم داشته باشد.

در حالت سرمایش رک بسته، از آن جا که مکان دقیق هر واحد تهویه مطبوع در ارتباط با محل مصرف، مشخص بوده، مشکل مرتبط با قابلیت پیش بینی عملکرد کاملا برطرف می‌شود. مزیت این سیستم نیز در آنست که عملکرد سرمایش را می‌توان به طور کامل از پیش تعریف کرد. اگر اجرای مرحله به مرحله‌ی سیستم، به عنوان جزیی از فاز طراحی سیستم در نظر گرفته شود، در تعیین مکان ها آتی قرارگیری واحدهای تهویه مطبوع که به طور اتوماتیک با اجرای رک‌ها مشخص می‌شود، به اندکی برنامه ریزی و دوراندیشی نیاز خواهد بود.

جایگذاری واحدهای تهویه مطبوع در سرمایش ردیفی، به قوانین ساده‌ی طراحی بستگی دارد. تعداد و مکان واحدهای تهویه مطبوع در سرمایش ردیفی، توسط قوانین حاصل از شبیه‌سازی و انجام تست، مشخص می‌شوند. به طور طبیعی این مرحله شامل اطمینان از برآوردهای دقیق دستگاه های تهویه مطبوع در تعیین ظرفیت ردیف‌ها می‌باشد. علاوه بر آن، قوانین دیگری نیز چون اجتناب از مکان های انتهای هر ردیف وجود داشته که بالاترین عملکرد و ظرفیت را در سیستم تامین می‌کند. در اجراهای آتی، قسمتی از انعطاف‌پذیری در تعیین مکان ها، تا زمان اجرای واقعی حفظ می‌شود. توان مصرف متوسط و یا بالاتر (از متوسط تا اوج مصرف) رک های ردیف را می توان جهت تعیین تعداد و مکان واحدهای تهویه مطبوع در صورت نیاز، به کار گرفت. سرمایش ردیفی بیشترین انعطاف‌پذیری، سطح اشغال کمتر و هزینه‌ی کمتری در مقایسه با روش رک بسته دارد.

در سیستم های باز سرمایش سالنی، بهره‌وری شدیدا به مکان قرارگیری واحدهای سرمایش بستگی دارد. به طور مثال، پربازده‌ترین مکان ممکن است به دلیل محدودیت های فیزیکی اتاق چون محل در، پنجره ها، رمپ ها و عدم دسترسی به لوله‌کشی، امکان پذیر نباشد. در نتیجه‌ معمولا با وجود استفاده از طراحی و مهندسی قابل ملاحظه، باز هم حالت کاملا بهینه حاصل نشده و نتیجه طراحی نسبتا بهینه خواهد بود.

علاوه بر آن، تدارکات در نصب دستگاه های تهویه مطبوع سرمایش سالنی، این الزام را ایجاد کرده که این دستگاه ها پیشاپیش در اتاق قرار داده شده تا تمام فازهای اجرای تجهیزات IT در آینده به درستی درک شوند. از آن جا که ممکن است ترتیب دقیق فازهای آتی IT ا پیش مشخص نباشد، مکان قرارگیری دستگاه‌های تهویه مطبوع معمولا بسیار ناکارآمد است. به همین دلیل بسته و محدود بودن سیستم در طراحی های مدرن سرمایش سالنی، بسیار حیاتی است. همچنین سیستم بسته‌ی سرمایش سالنی، گزینه های دیگری همچون قرارگیری واحدهای CRAH در بیرون مرکز داده، را نیز فراهم می‌آورد.

افزونگی

در سیستم سرمایش، جهت نگهداری سیستم‌های زیربار و اطمینان از تداوم فعالیت مرکز داده در شرایط خرابی یکی از دستگاه های تهویه مطبوع، افزونگی بسیار ضروری است. سیستم‌های برق معمولا برای اطمینان از افزونگی، از تجهیزات فاوای دارای دو ورودی برق همزمان استفاد می کنند. چرا که حتی خودکابل و پریز برق هم می توانند به عنوان تک نقطه بحرانی SPOF محسوب شود. اما در مورد سیستم‌های سرمایش، معمولا طراحی N+1 به جای روش دو مسیره به کار رفته چون که احتمال بروز انسداد در جریان توزیع هوا اطراف رک، ناچیز است.

در این طراحی ایده ی اصلی مبتنی بر آن بوده که اگر سیستم به چهار واحد CRAH نیازداشته، با افزودن واحد پنجم می‌توان اطمینان داشت که با خرابی هر یک از واحدها نیز، تمام سرمایش مورد نیاز همچنان تامین خواهد شد. نام افزونگی “N+1” نیز از همین مفهوم نشات می گیرد. برای توان مصرفی بالاتر این مفهوم ساده‌ی افزونگی کاربرد نخواهد داشت. روشی تامین افزونگی در سه روش مختلف سرمایش متفاوت بوده و در ادامه توضیح داده خواهد شد:

در معماری سرمایش رک بسته، منابع سرمایشی و مسیر توزیع هوا بین رک‌ها مشترک نخواهد بود. در نتیجه، تنها راه تامین افزونگی N+X و یا 2N سیستم دومسیره‌ی CRAH به ازای هر رک بوده که در اصل به معنی تامین سرمایش مورد نیاز هررک توسط حداقل دو سیستم CRAH خواهد بود. این روش در قیاس با روش های جایگزین، حاوی تحمیل هزینه‌ی چشمگیری است. اگرچه برای رک های پرظرفیت جداشده از بقیه رک‌ها، این روش بسیار موثر بوده چرا که افزونگی کاملا مشخص، قابل پیش‌بینی و مستقل از دیگر سیستم های CRAH می‌باشد.

سرمایش ردیفی افزونگی را در سطح ردیف‌ها تامین می‌کند. این به معنی N+1 واحد اضافی CRAH برای هر ردیف است. حتی با وجودی که واحدهای CRAH ردیف کوچک‌تر و ارزان‌تر از واحدهای اتاق بوده، در مصارف کم 1-2kW در هر رک، هنوز هم این روش متحمل هزینه‌ی اضافی و بالایی است. اگرچه برای ظرفیت های بالاتر این تاوان حذف شده و افزونگی N+1 تا ظرفیت 25kW هر رک، قابل تامین می باشد. این روش، در قیاس با طراحی های سالنی یا رک بسته که در هردوی آن‌ها با بالا رفتن ظرفیت طراحی به سمت افزونگی 2N سوق یافته، مزیت بزرگی به شمار می‌رود. توانایی تامین افزونگی در ظرفیت‌های بالاتر با تعداد کمتری واحد CRAH، مزیت اصلی سرمایش ردیفی محسوب شده و همچنین از منظر بهای تمام شده(TCO) نیز بسیار مفید است.

برای سرمایش سالنی، خود اتاق مسیر مشترکی در تامین هوا برای تمام مصارف IT محسوب می‌شود. در اصل، این امر موجب شده تا فارغ و مستقل از ابعاد اتاق و تنها با فراهم کردن یک واحد اضافی CRAH، افزونگی مورد نظر تامین شود. این روش برای سیستم باز سرمایش سالنی در ظرفیت‌های بسیار کم، مناسب بوده و از مزیت هزینه‌ای نیز برخوردار است.

اگرچه، در سیستم باز سرمایش سالنی در ظرفیت های بالاتر، توانایی یک CRAH مشخص در جبران نقص و یا خرابی CRAH دیگر، شدیدا تحت تاثیر هندسه‌ی اتاق قرار دارد. به طور مثال، الگوی توزیع هوا در یک CRAH مشخص را نمی‌توان با واحد CRAH جایگزین دیگری که در فاصله‌ی دوری نسبت به واحد از کار افتاده قرار داشته، جبران و یا جایگزین کرد. در نتیجه تعداد واحدهای اضافی CRAH که برای تامین افزونگی مورد نیاز است، از تنها یک واحد اضافی که در ظرفیت کم ضروری بود، بیشتر شده و در ظرفیت های بیشتر از 10kW در رک، تا دوبرابر تعداد واحدهای CRAH نیز می‌رسد. اما در مورد سیستم بسته‌ی سرمایش سالنی این مساله صادق نبوده چرا که در آن، مسیرهای رفت و برگشت جریان هوا جداسازی شده است.

روش دفع گرما

مسائل اصلی که در این قسمت توضیح داده می‌شود، تحت تاثیر روش دفع گرما از محیط مرکز داده قرار دارد. دستگاه‌های تهویه مطبوع اتاق کامپیوتر(CARC) با سیستم گازی که در سرمایش مرکز داده به کار رفته، به روشی متفاوت از واحدهای (CARH) با آب سرد، عمل می‌کنند. استفاده از واحدهای CRAC به این روش، بر بهره‌وری، رطوبت‌زایی، عملکرد افزونگی و غیره تاثیر می‌گذارد. جهت درک عملکرد و کنترل‌کننده‌های راه‌کار مشخصی در سرمایش یک پروژه‌ی خاص، به یک تحلیل از طراحی نیاز است. جهت دریافت اطلاعات بیشتر در مورد روش‌های دفع گرما، به گزارش “تکنولوژی های مختلف در سرمایش مراکز داده” مراجعه شود.

نتیجه‌گیری

در روش های سنتی که برای سرمایش مرکز داده از سیستم های باز سرمایش سالنی استفاده شده، محدودیت‌های فنی و اجرایی در نسل بعدی مراکز داده مشاهده می‌شود. نیاز نسل بعدی مراکز داده به سازگاری با الزامات متغیر، به پشتیبانی قابل اطمینان از توان  مصرفی بالا و متغیر، و به کاهش مصرف برق و دیگر هزینه های عملیاتی، مستقیما به توسعه‌ی استراتژی های سیستم بسته در سرمایش سالنی، ردیفی و رک بسته منجر شده است. با این توسعه، امکان دستیابی به ظرفیت عملیاتی 3kW و یا بالاتر در رک، را فراهم می‌آورد. روش سنتی سرمایش سالنی مزایای بسیاری برای صنعت ایجاد کرده و همچنان به عنوان گزینه‌ای کارآمد و عملی در نصب ظرفیت‌های کمتر و مصارفی که در آن تغییرات تکنولوژی IT در حداقل بوده، به شمار می‌رود.

سیستم بسته‌ی سرمایش سالنی، ردیفی و رک انعطاف پذیری، قابلیت پیش‌بینی ، TCO کاهش یافته و دسترسی بهینه‌ی مورد نیاز برای نسل بعدی مراکز داده فراهم می آورد. کاربران باید بدانند که محصولاتی که توسط تامین‌کنندگان ارائه شده، از این روش ها استفاده خواهند کرد. تصور می‌شود که بسیاری از مراکز داده از ترکیبی از این سه روش، استفاده خواهند کرد.  سرمایش رک، در مواردی که در آن، ظرفیت‌های بسیار بالا، Pod های پرمصرف گسسته ، و یا جانمایی ساختارنیافته از محرک‌های کلیدی به شمار رفته، کاربرد دارد. سیستم باز سرمایش سالنی یک روش موثر در مصارف کم‌ظرفیت و یا مصارفی با تغییرات محدود و اندک، به شمار می‌رود. سیستم بسته‌ی سرمایش سالنی و ردیفی، برای بیشتر کاربران با تکنولوژی‌های جدید سرورهای پرظرفیت، بهترین حالت تعادل را در میان عواملِ قابلیت بالای پیش‌بینی، توان مصرفی بالا و سازگاری در بهترین TCO کلی، فراهم می کند.

 

[1] – White Paper 55, The Different Types of Air Distribution for IT Environments

[2] – White Paper 46 “Cooling Strategies for Ultra-High Density Racks and Blade Servers”

[3] – White Paper 49, Avoidable Mistakes that Compromise Cooling Performance in Data Centers and Network Rooms

[4] – White Paper 135, Impact of Hot and Cold Aisle Containment on Data Center Temperature and Efficiency

[5] – White Paper 120, Guidelines for Specification of Data Center Power Density

[6] – hot aisle containment

[7] – White Paper 59, The Different Technologies for Cooling Data Centers