اندازه گیری و مدیریت جریان هوا در دیتاسنتر

اندازه گیری و مدیریت جریان هوا

موضوع مقاله ی پیش رو  اندازه گیری و مدیریت جریان هوا برای بهبود کارایی خنک سازی و استفاده از انرژی در دیتاسنتر ها با کف کاذب می باشد.

اخیرا، رشد گسترده در تراکم مصرف برق دیتاسنتر ها و مقیاس کاری آن ها باعث شده که چالش های جدی برای سیستم های خنک کننده ایجاد شود. در یک طرف، عاملین دیتاسنترها تلاش می کنند تا منابع خنک سازی را افزایش دهند تا در اثر افزایش گرما، در سرور مشکلی ایجاد نشود. در طرف دیگر، آن ها در تلاش هستند تا هزینه های انرژی خودشان را کاهش دهند؛ زیرا سیستم های خنک کننده بخش زیادی از انرژی دیتاسنتر ها را مصرف می نمایند. در میان تمام راهکار های خنک سازی دیتاسنتر ها، خنک سازی با استفاده از هوا، رایج ترین روش خنک سازی در صنعت دیتاسنتر می باشد که به دلیل سهولت مورد استفاده قرار می گیرد. اما، کارایی خنک سازی این روش به دلیل تراکم هوایی کم و گرمای ویژه پایین، همیشه مورد سوال بوده است. در این مقاله، ما یک مرور کلی برای تلاش های انجام شده به منظور بهبود کارایی خنک سازی هوایی، ارائه می دهیم. تحقیقات موجود در این زمینه بر اساس مکان هایی که می توان از دیدگاه چرخه جریان هوا اجرا کرد، دسته بندی شده اند. همچنین موضوعات اندازه گیری گرمایی را هم در این مقاله بررسی می کنیم. امیدواریم که این مقاله بتواند به محقق ها و مهندسان کمک کند تا بتوانند سیستم های خنک سازی هوای دیتاسنتر را طراحی و کنترل نمایند.

تکنیک های مختلف برای کاهش مصرف انرژی در دیتاسنتر ها، یکی از مهم ترین حوزه های تحقیقاتی دهه های اخیر بوده است. با وجود ظهور تکنولوژی های مختلف در زمینه ی صرفه جویی در انرژی در سال های اخیر، به نظر می رسد که افزایش در تعداد و سایز دیتاسنتر ها به دلیل افزایش نیاز رایانشی، قابل توقف نیست. در نتیجه، گرایش کلی مصرف انرژی در دیتاسنتر ها همواره در حال افزایش می باشد. بر اساس یک گزارش توسط شورای دفاعی منابع ملی (NRDC)، مرکز داده های ایالات متحده احتمالا در سال 2020 حدود 140 میلیارد kWh برق مصرف می کنند. هزینه برای برق ارزان تر از خرید سرور های جدی می باشد. برای کاهش تاثیرات زیست محیطی ایجاد شده در اثر افزایش بیش از حد انرژی در دیتاسنتر ها، راهکارهای مختلفی ارائه شده است که اینترنت انرژی یکی از روش های امید بخش است؛ زیرا این روش میتواند انرژی های تجدید پذیر و پاک مختلف را با عملکرد سریع، یکپارچه نماید.

 

مصرف کنندگان عمده برق در مراکز داده سیستم فناوری اطلاعات (IT) و سیستم خنک کننده هستند. در حالی که اولی بهره وری محاسباتی مورد نیاز را ارائه می دهد و دومی اغلب به عنوان یک سیستم ثانویه یا کمکی در نظر گرفته می شود؛ زیرا هدف آن فقط حذف گرما از اتاق ماشین آلات می باشد. متأسفانه، سیستم خنک کننده برای کار به 50٪ از کل انرژی مصرفی مرکز داده نیاز دارد. علاوه بر این، تنظیم آن نیز تأثیر قابل توجهی بر روی مصرف انرژی سیستم IT دارد. مکانیسم های مدیریت حرارتی نیز برای بهبود کارایی خنک سازی و کاهش هزینه سرمایش ضروری هستند. علاوه بر این، این فرآیند ها همچنین اقدامات کلیدی برای جلوگیری از تخریب قابلیت اطمینان و تخریب حرارتی سیستم محسوب می شوند.

برای اپراتورهای مرکز داده راه حل های مختلفی برای خنک سازی در دسترس است که بدون شک روش خنک کننده هوا، روش اصلی مورد استفاده در این صنعت می باشد.

جایی که جریان هوا از سیستم هوای اتاق کامپیوتر (CRAH)  شروع می شود از چندین مولفه مانند فضای زیر طبقه، کاشی های دارای منفذ، راهروی سرد، طبقه سرور ها، راهروی گرم عبور کرده و در نهایت دوباره به CRAH باز می گردد. چگونگی اندازه گیری و مدیریت میزان هوای مطبوع در این زمینه بسیار حائز اهمیت می باشد. به طور دقیق تر، ما ابتدا روش ها و ابزار اندازه گیری میزان فشار هوا را بررسی می کنیم و سپس کارهای موجود را برای دو بخش کنترل کلیدی، یعنی تأمین دمای هوا و سرعت فن بررسی خواهیم کرد. سرانجام، تکنیک های مدیریت جریان هوا در هر جز سیستم در چرخه بررسی می شود.

سیستم های خنک کننده دیتاسنترها و مروری بر چرخه های جریان هوا

دیتاسنترهایی که در مقیاس گسترده ساخته شده اند، توسط سیستم های آب سرد خنک می شوند که شامل سه حلقه هستند که این موضوع در شکل 1 نشان داده شده است.

اندازه گیری و مدیریت جریان هوا,چرخه جریان هوا,سیستم های خنک کننده,

 

اکنون به توضیح این 3 حلقه خواهیم پرداخت:

  • حلقه های راهروی هوا:

حلقه های راهروی هوا با استفاده از تراورس های CRAH از پلنوم زیر کف ساخته شده اند. به دلیل تفاوت فشار بین پلنوم و اتاق ماشین آلات، این هوا از تایل هایی که منفذ دار هستند خارج می شوند. رک هایی که میزبان تجهیزات IT می باشند نیز در سبک راهروهای داغ و سرد طراحی شده اند که در آن هوای سرد از ورودی رک ها رو به روی راهروی سرد به سمت سرور ها مکیده می شود و سپس بعد از جذب کردن گرمای ایجاد شده توسط سرور ها دوباره به راهروهای داغ باز می گردد. هوای داغ سپس توسط CRAH از طریق مسیر های باز جمع آوری شده و یا با استفاده از مسیر های اختصاصی دریافت می شود و سپس توسط فرآیند انتقال هوای گرم با استفاده از آب سرد، به هوای سرد بازگشت داده خواهد شد. حلقه جریان هوا تحت تاثیر فن های مختلفی انجام می شود، مانند دمنده های VRAH، فن های کاشی، فن های رک، فن های سرور و غیره.

  • حلقه آب خنک شده با استفاده از خنک کننده های CRAH:

آب سرد تولید شده توسط جریان دستگاه های خنک کننده وارد سیم پیچ های خنک کننده CRAH می شود که این کار با کمک پمپ انجام شده و بعد از گرم شدن دوباره وارد خنک کننده خواهد شد. در این سیستم خنک کننده، گرما در آب گرم وارد حلقه چگالنده ثانویه می شود. یک مخزن ذخیره سازی معمولا برای دریافت مقدار اضافی از آب گرم مورد استفاده قرار گرفته که به عنوان یک منبع خنک سازی موقتی برای شرایط اورژانسی استفاده می شود، مانند قطع برق و مشکل در خنک کننده و غیره.

  • چگالنده های برج خنک کننده :

این حلقه مسئول انتقال گرما به خارج جو با انتقال گرما به جو خارجی به صورت تبخیر از برج های خنک کننده می باشد. در صورتی که محیط خارجی مناسب باشد، این دستگاه های خنک کننده را می توان خاموش کرده تا انرژی کمتری صرف شود.

به این نکته توجه داشته باشید که در بعضی از طراحی های پیشرفته ی دیتاسنترها، حلقه خنک کننده با استفاده از آب را  می توان با استفاده از آب سرد از منابع طبیعی انجام داد تا موجب بهبود کارایی انرژی شد.

به عنوان مثال: دیتاسنترهای مورد استفاده در فیسبوک در لولا سوئد و دیتاسنترهای مورد استفاده گوگل در هامینا واقع در فنلاند معمولا از آب رودخانه ها و اقیانوس های نزدیک استفاده می کنند تا آب سرد مورد نیاز خودشان را به دست بیاورند. پروژه مایکروسافت نیز با نام ناتیک دیتاسنترهای خود را در زیر اقیانوس قرار داده است تا بتواند از ظرفیت خنک سازی گسترده آب دریا استفاده نماید.

مشکلات در خنک سازی هوا

عامل اصلی در مشکلات خنک سازی، مخلوط شدن تأمین هوای سرد و هوای گرم برگشتی می باشد. دلیل این اختلاط مضر هوا را می توان به سه جنبه نسبت داد: عبور جانبی هوای سرد، گردش مجدد هوای گرم و فشار منفی. اگرچه تلاش های زیادی از طرف دانشگاه و صنعت برای مقابله با این مسائل انجام شده است.

در قسمت زیر ما در مورد جزئیات بیشتر در مورد ناکارآمدی های خنک کننده هوا بحث خواهیم کرد.

الف) عبور جانبی هوای سرد

عبور جانبی (بای پس) هوای سرد نتیجه غلظت بالای هوا، تأمین بیش از حد، نشت و غیره می باشد. وجود بای پس حجم کلی هوای مورد نیاز برای سرورهای خنک کننده را افزایش می دهد و از این رو مصرف انرژی دستگاه های متحرک هوا افزایش می یابد. اگر طرح مرکز داده و سیستم توزیع هوا به خوبی مهندسی نشده باشد،

تا 62٪ بای پس را شاهد خواهیم بود. نظرسنجی انجام شده همچنین نشان داد که بیش از 50٪ هوای سرد به دلیل نشت ساختاری در اکثر مراکز داده از تایل های سوراخ دار به صورت جانبی عبور کرده است. برخی اقدامات ساده مانند درز بندی مهمترین مسیرهای نشت می تواند به میزان قابل توجهی بای پس را کاهش دهد.

بای پس در سیستم های راهرو باز بسیار شدید است. یک مطالعه اندازه گیری روی مرکز داده راهرو باز نشان داد که میانگین هوای سرد که از سرورها عبور می کند 50٪ می باشد.

جدا از فضای کوچک زیر، بالا و بین درها، مهمترین کانال نشت در ساختار مهار، شکاف زیر رک ها خواهد بود. البته تولیدکنندگان رک اقدامات گسترده ای را برای کاهش نشت از طریق این کانال ها ابداع کرده اند.

دیفرانسیل فشار، نقش مهمی در کاهش بای پس دارد. حدود 10٪ هوای تأمین شده به راهروی سرد قفسه ها در دیفرانسیل فشار راهرو 6: 2 دور می زند. شخصی به نام تاچل ایوانز و همکارانش اختلاف دیفرانسیل فشار را تغییر دادند. آنها همچنین نشان دادند که با یک دیفرانسیل فشار مناسب، مرکز داده می تواند تا 16٪ در انرژی خنک کننده صرفه جویی کند. یک روش موثر برای کنترل دیفرانسیل فشار، تنظیم سرعت فن است. مشخص شد که کاهش سرعت فن CRAH منجر به کاهش بای پس از 13: 4٪ به 4: 6٪ می شود.

ب) گردش هوای گرم

گردش مجدد هوای گرم هنگامی رخ می دهد که منبع تأمین هوای سرد وجود داشته باشد. در این حالت، هوای گرم از قسمت عقب رک دوباره به ورودی سرور برمی گردد و با هوای سرد تامین کننده مخلوط می شود. در نتیجه دمای ورودی سرور افزایش می یابد. برای تأمین نیاز به دمای ورودی سرور، به تنظیمات دمای پایین تر برای هوای خروجی CRAH و آب سرد نیاز است. این امر باعث کاهش عملکرد خنک سازی و افزایش مصرف انرژی می شود.

در سیستم های راهرو باز، گردش مجدد غالباً در بالای رک هایی یافت می شود که فقط بخشی از هوای سرد تأمین کننده بتواند به آن ها برسد. گردش مجدد، یکنواختی توزیع دمای ورودی رک را از بین می برد، به عنوان مثال در بالای قفسه در جه حرارات بالاتر مشاهده می شود.

از دیگر مکان هایی که گردش مجدد وجود دارد، می توان به انتهای راهروهای باز سرد و سرورهای غیر برابر و غیره اشاره نمود.

مکانیسم های مدیریت حرارتی,اندازه گیری و مدیریت جریان هوا,چرخه جریان هوا,

دو راه حل ساده برای جلوگیری از چرخش مجدد:

1) افزایش حجم هوای سرد تامین کننده

2) نصب سیستم های مهار کننده.

با این حال، پیاده سازی این راه حل ها به مهندسی دقیق نیاز دارد، زیرا اگر سیستم به خوبی کنترل نشود، تخریب عملکرد ظاهر می شود. به عنوان مثال، اگر سیستم های مهار نصب شده باشند، یک کنترل فشار ضعیف ممکن است منجر به عبور میزان هوای کم از سرورها شود. در موارد شدید، هوای معکوس غیر منتظره را می توان یافت حتی اگر فن های سرور عملکرد خوبی داشته باشند.

ج) فشار منفی

روش های فعلی صنعتی معمولا بر اساس تدارک هوای سرد کار می کنند تا گردش هوای گرم رخ ندهد. در عین حال که دما در بالای رک ها کاهش پیدا می کند، این روش معمولا باعث می شود که کارایی خنک سازی سرور ها در قسمت های پایین نزدیک به تایل های متخلخل به دلیل فشار منفی ایجاد شده و توسط پدیده ای با نام وانتوری کاهش پیدا کند. تاثیر ونتوری در واقع کاهش فشار در شرایطی است که جریان هوا از منفذ های کوچک خارج می شود (مانند تایل های متخلخل). در رابطه با افزایش فشار هوا، حجم تامین هوا افزایش پیدا می کند اما سطح مقطع کاشی های متخلخل تغییر پیدا نمی کند. در نتیجه، سرعت جریان هوا از کاهشی ها بالاتر می شود و فشار منفی ایجاد خواهد شد.  اگر شکاف بین دندانه و کف به خوبی مهر و موم نشده باشد، برای مراکز داده با استاندارد کف کاذب، گردش مجدد زیر رک ناشی از فشار منفی در سیستم های راهرو باز و مشاهده می شود.

در واقع فشار منفی تأثیر خود را نه تنها در پایین رک، بلکه در هر دهانه ای که هوای سرد با سرعت زیاد از آن عبور می کند نشان می دهد.

کنترل دما در دیتاسنترها

در دستورالعمل حرارتی منتشر شده توسط انجمن مهندسان گرمایشی، برودتی و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE) شرایط محیطی IT مرکز داده در یک کلاس توصیه شده و چهار کلاس مجاز طبقه بندی شده است. بیشترین کدهای قابل مشاهده در این دستورالعمل در مقایسه با نسخه های قبلی آن افزایش دمای ورودی رک است.

در این بخش، ما به طور خلاصه مسائل مربوط به تأمین کننده کنترل دمای هوا را مرور می کنیم.

پیکربندی رک ها

قرار دادن خودسرانه رک ممکن است به طور قابل توجهی بر الگوی هوا تأثیر بگذارد و نقاط داغ غیر منتظره و سایر موارد گرمایی را ایجاد نماید. بنابراین، تقریباً همه مراکز داده از طرح راهروهای سرد و گرم  برای سازماندهی رک های سرور خود استفاده می کنند.

چگالی توان رک تأثیر غیر مستقیم بر جریان هوا دارد. چگالی کم (14 کیلووات در رک) به هوای سرد کمتری نیاز دارد. در نتیجه، به دلیل سرعت کم جریان هوا، هوای موجود در تایل های سوراخ دار ممکن است به سختی به بالای قفسه برسند و از این رو گردش مجدد هوای گرم اتفاق می افتد.

برعکس، سرعت جریان هوا باید برای رک ها با چگالی توان بالا (10 کیلووات) افزایش یابد. در اینجا ممکن است در رک پایین نقاط داغ ایجاد شود و هوای سرد بیشتری سطح قفسه را دور بزند.

چیدمان سرور در داخل رک ها نیز کاملاً بر عملکرد خنک کننده تأثیر دارد.

سیستم های خنک کننده,مکانیسم های مدیریت حرارتی,اندازه گیری و مدیریت جریان هوا,

جمع بندی و دیدگاه های آتی

مصرف زیاد انرژی سیستم های خنک کننده همیشه معمای اپراتورهای مرکز داده بوده است.

اگرچه مدیریت داده های هوای مرکز داده برای دهه ها مورد بررسی قرار گرفته است، اما می توان دریافت که تعداد زیادی از مقالات در این سال ها هنوز در حال ظهور هستند، که نشان می دهد درک ما از رفتارهای خنک کننده هوا بسیار مناسب نیست. ایده های جدیدی مانند طراحی جدید زیرساخت ها و روش های کنترل منابع خنک کننده ارائه شده است. در حالی که بعید است زیرساخت ها پس از ایجاد مرکز داده به دلیل هزینه یکپارچه سازی بالا تغییر کند، تکنیک های کنترل خنک کننده هوشمند سازگاری بالایی را نشان می دهند.

 

امیدواریم که محتوای خوانده شده مورد رضایت شما خوانندگان عزیز قرار گرفته باشد.

واحد تحقیق و توسعه کارنو در مقالات آینده اطلاعات جامع تری را در اختیار شما عزیزان قرار خواهد داد.