اثر مثبت “کابل‌کشی زیر سقف” بر صرفه‌جویی در انرژی مراکز داده

مقدمه

با وجودی که استفاده از کف کاذب در نقش پلنومی برای تامین هوای سرد به ورودی‌های سرور، از منظر بهره‌وری انرژی، اقدام بسیار موفقی نبوده، اما همچنان یکی از روش‌های متداول در تجهیزات سرمایش مرکز داده محسوب می‌شود. هوای سرد توسط فن های دستگاه هواساز به زیر کف کاذب فرستاده می‌شود. اگرچه، به جز این روش، گزینه‌های دیگری نیز وجود دارد. بسیاری از مراکز داده‌ی جدید امروزی از هزینه‌ها کف کاذب صرف‌نظر کرده و به جای آن، تجهیزات را بر روی سطح زمین قرار می‌دهند. در این مراکز داده، سرورها با استفاده از دستگاه‌های تهویه مطبوع ردیفی in-row، سقفی یا سالنی و راهروی گرم بسته، خنک می‌شوند. رویکرد قرارگیری تجهیزات بر زمین یا کف سازه ای، موجب اشاعه کابل‌کشی زیر سقف شد و بسیاری از مراکز داده به کار با این کابل‌کشی‌ها، آشنایی یافتند.

در هر دو حالت، صاحبان مراکز داده باید راه حلی برای نحوه‌ی جایگیری کابل‌های برق و شبکه بیابند. مراکز داده‌ای که بر توزیع سرمایش از طریق کف کاذب وابسته هستند، معمولا کابل‌های برق و شبکه را زیر کف کاذب جای می‌دهند. در این حالت، این کابل‌ها از طریق سوراخ‌هایی که برای عبور کابل، در پشت هر رک ایجاد شده، برق هر یک از رک‌های فاوا را تامین می‌کند. این دریچه‌های عبور کابل، به هوای سرد اجازه داده تا از ورودی سرورهای فاوا در جلوی رک گذشته و با هوای گرم تهویه شده از پشت رک، ترکیب شود. چنین طراحی، به بروز نقاط پرحرارت، انسداد زیرکف کاذب و بهره‌وری کمتر در سیستم سرمایش می‌انجامد.

این مقاله، تاثیر کابل‌کشی زیر کف کاذب بر سرمایش و مصرف برق را مورد تحلیل قرار داده و در انتها، این طور نتیجه می‌گیرد که با قرار دادن کابل‌های شبکه و برق در سینی کابل سقفی، می‌توان مصرف برق در پمپ‌ و فن سرمایش را تا 24% کاهش داد.

هدررفت انرژی در کابل‌کشی زیر کف

روش کابل‌کشی زیر کف، از سه طریق به هدررفت انرژی منجر شده:

• مسدود کردن مسیر هوا به دلیل کابل‌ها
• Bypass هوا از طریق دریچه‌های مورد نیاز برای عبور کابل
• Bypass هوا از طریق دریچه‌های دستگاه توزیع برق یا PDU

مسدود کردن مسیر هوا به دلیل کابل‌ها

وقتی کابل‌های جدید شبکه یا برق به فضای زیر کف اضافه شده، به ندرت کابل‌های بلااستفاده‌ی قدیمی را از این فضا خارج می‌کنند. در نتیجه، برای به حداقل رساندن ریسک از کار افتادن تجهیزات، این کابل‌های بلااستفاده در همان فضا رها می‌شوند. این تجمع کابل‌ها مسیر جریان هوا را مسدود کرده که این، به بروز نقاط پرحرارت در مرکز داده منجر خواهد شد.

یک راه‌کار ساده‌ آنست که بر تعداد دستگاه‌های تهویه مطبوع افزوده شده- البته نه به منظور ظرفیت بالاتر برای سرمایش- تا توان فن بالا رفته و فشار استاتیک افزایش یابد تا بر این انسداد زیر کف کاذب، غلبه شود. در طول زمان، این تجمع کابل‌ها زیر کف کاذب، پنهان می‌شود. اما به طور بالعکس، کابل‌کشی سقفی در دید قرار گرفته و احتمال نگهداری و مدیریت درست آن در طول چند سال‌ بیشتر است.

Bypass هوا از طریق دریچه‌های مورد نیاز برای عبور کابل

در کابل‌کشی زیر کف لازم است که کابل‌ها از تایل‌های کف و سپس از زیر رک فاوا، عبور کند. برای عبور این کابل‌ها، نیاز است تا دریچه‌هایی ایجاد شود که ابعادشان در تایل، 20×20cm(8×8 in) بوده و تنها نیمی از سطح دریچه‌ را کابل می پوشاند. سطح باقی مانده معمولا باز بوده و در نتیجه، به هوای سرد اجازه داده تا به راهروی گرم (البته با فرض جانمایی راهروی گرم/راهروی سرد) رسوخ کند.

راهروی گرم باید در اصل فضایی برای محصور کردن و هدایت گرم‌ترین هوای مرکز به دستگاه هواساز اتاق کامپیوتر(CRAH) باشد. نشت هوای خنک به راهروی گرم، موجب شده تا دمای هوای بازگشتی به CRAH کاهش یافته، که در نتیجه‌ی آن، ظرفیت CRAH در دفع گرما، هدر رود. به عنوان مثال، یک دستگاه CRAH با دمای هوای بازگشتی 27°C/80°F حدودا 70kW ظرفیت دفع گرما دارد. هرچند اگر دمای هوای بازگشتی تا 22°C/72°F کاهش یابد، این ظرفیت در دفع گرما نیز تا 43Kw خواهد رسید. این هدررفت ظرفیت ناشی از bypass هوا، ممکن است به بروز نقاط پرحرارت منجر شده که گاهی برای برطرف کردن آن، به چند دستگاه اضافی CRAH نیاز است.

Bypass هوا از طریق دریچه‌های تابلو توزیع برق یا PDU

بیشتر PDUها، حداکثر دارای چهار پنل 42 پورت هستند و عملا قادر به تغذیه 168 مدار رک‌های فاوا خواهد بود. علاوه بر این هادی‌ها، برق PDU را نیز هادی‌های ورودی بزرگی تامین می‌کنند. نصب و حذف این هادی‌ها نیازمند دریچه‌ای به ابعاد 0.8-1.5m²(9-16 ft²) در زیر PDU می‌باشد. این هوای bypass شده در اطراف هادی‌ها، همان تاثیر منفی مطرح شده در bypass هوا از طریق دریچه‌های عبور کابل، را بر بهره‌وری سیستم سرمایش خواهد داشت. (به شکل 2 مراجعه کنید.)

صرفه‌جویی‌های انرژی ناشی از کابل‌کشی سقفی

صرفه‌جویی‌های انرژی مرتبط با کابل‌کشی سقفی ناشی از هدررفت کمتر فن‌ها و پمپ‌هاست. با افزایش دمای آب رفت چیلر، می‌توان صرفه‌جویی‌ها در هزینه‌ی انرژی چیلر را بهتر درک کرد. برای ارزیابی صرفه‌جویی‌های حاصل از انتقال کابل‌های برق و شبکه، به سینی سقفی کابل، یک مرکز داده‌ی فرضی شبیه‌سازی شده است. در این تحلیل، از فرضیات زیر استفاده شده است:

• ظرفیت مرکز داده – 1 MW
• سیستم سرمایش – آب خنک
• فن‌های دور ثابت CRAH
• دمای ورودی رک با کابل‌کشی زیر کف – 18°C(65°F)
• دمای ورودی رک با کابل‌کشی سقفی – 20°C(68°F)
• متوسط ظرفیت رک – 2 kW/rack
• ∆T در تجهیزات فاوا – 11°C(20°F)
• تعداد رک‌های فاوا – 500
• متوسط سطح مقطع برای عبور کابل به ازای در هر رک – 300cm²(0.33ft²) – منظور شده هرچند که در بسیاری از موارد دهانه های متداول به مساحت 400 سانتی متر مربع هم کاملا اشغال می شوند.
• سطح کلی برش خورده عبور کابل برای کل رک ها– 15m² (167 ft²)
• حداقل جریان هوای مورد نیاز برای IT – 56,652 L/s(120,038 CFM)
• گردش مجدد هوای گرم – 5% ار جریان هوای مورد نیاز IT
• متوسط CFM در جلوی هر رک – 113 L/s(240 CFM)
• مجموع فضای خالی از 25% کل تایل های سوراخ‌دار – 09 m² (1 ft²)
• متوسط سرعت هوا در جلوی هر رک – 73 m/minute(240 ft/minute)

در این تحلیل، یک مرکز داده‌ی 1MW با مصرف 100% فرض شده که دارای 500 رک فاوا یا متوسط توان مصرفی 2Kw در رک است. در جدول 1، نشت هوای مرتبط با سطح باز تایل به عنوان درصدی از کل جریان هوای مورد نیاز IT، محاسبه شده است. به نظر می رسد که دریچه‌های عبور کابل ، بیشترین تاثیر را بر نشت هوای سرد در مرکز داده با سرمایش کف کاذب دارد.

جدول 1: سطح باز تایل با کابل‌کشی زیر کف در برابر کابل‌کشی سقفی به عنوان درصدی از کل جریان هوای مورد نیاز IT

مکان	زیر کف		سقف
	m2(ft2)	% نشت	m2(ft2)	% نشت
ورودی کابل به رک‌ها	15	33%	0(0)	0%
زیر PDUها	2(20)	4%	0(0)	0%
پشت CRAHها	8(88)	18%	6(65)	13%
مجموع	25	55%	6(65)	13%

 

انتقال کابل‌های برق و DATA به زیر سقف، نشت کلی هوا را تا 13% کاهش می‌دهد. این کاهش چشمگیر در نشت موجب افزایش در دمای هوای بازگشتی به CRAH شده، که در نهایت ظرفیت سرمایش هر دستگاه CRAH را بالا برده و در نتیجه از تعداد دستگاه‌های مورد نیاز کاسته می‌شود. جدول 2 شرایط طراحی را که برای سناریوهای کابل‌کشی زیر کف و سقفی شبیه‌سازی شده، نشان می‌دهد. دماهای هوای ورودی رک و هوای رفت و برگشت CRAH، بر اساس معادلات تعدیل انرژی تعیین شده که نشت هوای سرد و گرم را نیز لحاظ کرده است. در این تحلیل، تعداد دستگاه‌های CRAH از 42 به 31 کاهش یافته است. این کاهش به صرفه‌جویی تقریبی 24% در برق مصرفی فن و پمپ منجر خواهد شد.

این تحلیل مزایای حاصل از کاهش انسداد در مسیر هوای زیر کف کاذب را در بر نمی‌گیرد. با برداشتن کابل‌های بلااستفاده از فضای زیر کف، صرفه‌جویی‌های انرژی مطرح شده، نیز افزایش می‌یابد. علاوه بر صرفه‌جویی انرژی، با حذف هزینه‌ی 11 دستگاه CRAH، صرفه‌جویی چشمگیری نیز در هزینه‌ی سرمایه(تقریبا 90,000$) حاصل می‌شود. در انتها باید افزود در هر دوسناریوی مورد تحلیل، دمای آب سرد رفت یکسان در نظر گرفته شده است. در شرایطی که چیلر به مرکز داده اختصاص داشته، دمای آب خنک می‌تواند افزایش یافته که در نتیجه، بهره‌وری چیلر و صرفه‌جویی کلی نیز افزایش می‌یابد.

جدول 2: خلاصه‌ای از نتایج تحلیل

	زیر کف	سقفی
هوای ورودی رک	18.3°C	20.0°C
هوای رفت CRAH	17.7°C	19.4°C
هوای بازگشتی CRAH	23.0°C	29.6°C
اختلاف دما در CRAH	5.3°C (9°F)	10.2°C
تعداد دستگاه‌های CRAH	42	31
مصرف برق فن	160 kW	118 kW
مصرف برق پمپ	20 kW	19 kW
مصرف کلی برق	180 kW	137 kW
% صرفه‌جویی برق	24%

 

سینی‌های ماژولار کابل

حتی با اجرای کابل‌کشی زیر سقف نیز هنوز ریسک مواجه شدن با انبوهی از کابل های  در هم گره خورده را خواهد داشت. در صورت بروز این مشکل، دیگر نمی توان کابل جدیدی نصب کرد چرا که کابل بلااستفاده‌ی قبلی را نمی‌توان از میان انبوهی از کابل‌های موجود جدا کرد. سینی‌های کابل تحت تاثیر وزن کابل‌ها خم شده و ریسک بروز خرابی یا توقف در عملکرد تجهیزات افزایش می‌یابد.

به عنوان مثال، ردیفی از رک‌های پر از سرور و تجهیزات شبکه را در نظر بگیرید.کابل‌های متصل به پنل‌ها و سرورها بر بالای رک‌ها و داخل سینی کابل قرار گرفته است. با فرسودگی و خرابی اتصالات, ارتباط بین دو نقطه قطع می‌شود. در این صورت، یافتن یا حذف کابل مشکل‌ساز غیرممکن بوده چرا که نمی‌توان کابل خراب را در میان انبوهی از کابل‌های در هم تنیده شناسایی کرد. در این شرایط، معمولا کابل جدید بین دو نقطه‌ی قطع اتصال قرار داده شده اما کابل خراب قبلی در همان فضا رها می‌شود. پس از گذشت زمانی طولانی، این روش در عین افزایش تعداد کابل‌ها، توده‌ای از کابل‌ها بر جا گذاشته که در آن 80% کابل‌ها خراب و بلااستفاده رها شده‌اند.

به تدریج، تکیه‌گاه سینی کابل‌ها دیگر نخواهد توانست بار فزاینده‌ ناشی از وزن را تحمل کرده و به نصب پایه‌ها و تکیه‌گاه‌های بیشتری نیاز خواهد بود. علاوه بر آن، تمامی کابل‌ها به هم بسته شده اند و حذف یکی از کابل های بسته کار ساده ای نیست.

راه حل این مشکل آنست که کابل‌ها در سینی‌هایی سازمان‌دهی شوند که در ترازهای مختلف نصب شده باشند.(به شکل 3 و4 مراجعه شود.) سامان‌دهی سینی‌های کابل با تراز چندگانه، به کارکنان مرکز داده این امکان را داده تا برای مکان، یکپارچه‌سازی و حذف کابل‌ها، برنامه‌ریزی کرده و ترتیبات لازم را فراهم کنند. اگر یک “کابل بلااستفاده” باید برداشته شود، این کابل نباید با دیگر کابل‌ها گره خورده یا در میان آن‌ها، پنهان بماند. برداشتن یک کابل از یک مجموعه کابل کوچک بسیار ساده می‌باشد.

با تغییر مرکز داده، تحهیزات نیز اضافه یا کم شده و اجزای جدیدی افزوده می‌شوند. این تغییرات به اصلاحات مداوم در کابل‌کشی می‌انجامد. در نتیجه، باید سیستم سینی کابل را به نحوی طراحی کرد که با چنین تغییراتی انطباق یابد. پایه ها و اتصالات سینی ها باید به گونه ای باشند که با سیستم سینی های قبلی و جدید سازگار بوده و به راحتی قابل تعویض باشند.

نتیجه‌گیری

وقتی توده‌ی کابل‌ها مانعی در مسیر جریان هوای زیر کف کاذب ایجاد کرده، و عبور کابل‌های از تایل‌های کف کاذب اجازه‌ دهد هوای سرد گریخته و با هوای گرم ترکیب شود، مقدار قابل توجهی انرژی در مرکز داده هدر می‌رود. شبیه‌سازی و تحلیل‌ها نشان داده، که با جای دادن کابل‌های برق و شبکه در سینی‌های سقفی کابل، می‌توان مصرف برق فن و پمپ را تا 24% کاهش داد.

می‌توان کابل‌کشی را زیر سقف اجرا کرده و در نتیجه از طریق اقدامات بهبودیافته‌ی نگهداری کابل‌ها، در انرژی صرفه‌جویی کرد و قابلیت اطمینان را ارتقا داد. با اجرای کابل‌کشی ساختاریافته و کابل‌های برق در سینی‌های سقفی کابل، مزایای متعددی حاصل می‌شود.پلنوم کف کاذب، اگر با کابل‌ها پر نشده باشد، ممانعت کمتری در جریان هوا ایجاد کرده و هوای کمتری نیز نشت خواهد کرد چرا که هیچ دریچه‌ای برای عبور کابل، در کف کاذب ایجاد نشده است. در نتیجه، فن‌ها به انرژی کمتری نیاز دارند تا سرورها را خنک کنند. تصمیم به اجرای کابل‌کشی زیر سقف به صرفه‌جویی در هزینه‌های کف کاذب و غیر لازم دانستن آن کمک می کند!

با ظهور تکنیک اجرای سیستم‌های سینی سقفی در سطوحی چندگانه، تکنولوژی سینی‌های سقفی کابل در سال‌های اخیر بسیار پیشرفت کرده است. این سیستم‌ها امروزه ماژولار ساخته شده و بسیار انعطاف‌پذیرتر شده تا با محیط دینامیک و متغیر مرکز داده، سازگاری داشته باشند.