عمده تجهیزاتی که در ساختمان های پردازش داده ها و ارتباطات مخابراتی قرار می گیرند شامل کامپیوترها، سرورها، تجهیزات الکترونیکی و تاسیسات جانبی هستند. سیستم های تهویه مطبوع در چنین محیط هایی الزاماً باید بارهای محسوس داخلی بسیار زیاد که غالباً چندین برابر یک ساختمان اداری معمول هستند را دفع نمایند. همچنین این تجهیزات بایستی:
- قابلیت کارکرد در شرایط خاص و بحرانی را به صورت پیوسته داشته باشند.
- بتوانند کنترل شرایط محیطی فضا اعم از دما، رطوبت و تمیزی را به نحو احسن برقرار سازند.
- پتانسیل دفع گرمای ناگهانی ناشی از شرایط کارکرد خاص و مقطعی را دارا باشند.
طراحی تاسیسات تهویه مطبوع دیتا سنتر بایستی با این نگاه صورت گیرد که با بروز شدن تجهیزات الکترونیکی در سیکل های یک تا پنج ساله، دستگاه های انتخابی بایستی بتوانند گرمای تولیدی ناشی از دستگاه های جدید که نیازمند سرمای بیشتری هستند را تامین نمایند.
معیارهای طراحی سیستم سرمایش
سرمایش دیتاسنتر ها همانطور که گفته شدی یکی از مهم ترین و حیاطی ترین بخش های دیتاسنتر ها می باشد. ظرفیت سیستم های سرمایش با BTU (British Terminal Unit) اندازه گیری می شود. هر سرور و یا قطعه الکترونیکی موجود در دیتاسنتر تولید کننده بار حرارتی می باشد که بر اساس آن ظرفیت سیستم های سرمایش بدست می آیند.
انواع تجهیزاتی که برای کارکرد مناسب به تهویه مطبوع نیازمند هستند شامل:
- انواع سرورهای محاسباتی
- تجهیزات ارتباطی با سطوح چگالی متفاوت
- نوارهای ذخیره اطلاعات
- سرورهای ذخیره اطلاعات
- ایستگاه های کار (تک واحدی)
- سایر تجهیزاتی که روی رک یا کابینت نصب می شوند.
پرسنل هم وارد مجموعه های داده پردازی می شوند ولی حضور آنها عمدتاً گذراست و شرایط محیطی نیز غالباً با نیازمندی های تجهیزات تعیین می گردد. هر چند حضور افراد در ساختمان های نسبتاً کوچک بر میزان تهویه هوا (تعویض هوا) اثر گذار است.
شرایط محیطی
شرایط محیطی لازم برای تجهیزات مختلف بسته به نوع و سازنده این تجهیزات متفاوت است. مجمعی از سازندگان، چهار کلاس مختلف از شرایط استاندارد را برای چهار دسته از تجهیزات تدوین کرده اند. در برخی کاربردها از کلاس پنجمی که توسط نبز (NEBS) تعریف شده است در طراحی فضاهای دیتا سنتر معمولی استفاده می گردد. این کلاس عمدتاً شامل مراکز ارتباطی (مخابراتی) با کنترل محیطی نقطه شبنم، دما و رطوبت نسبی می باشد.
برای بدست آوردن شرایط طراحی سیستم سرمایش دیتاسنتر جدول هایی در استاندارد های مربوطه تعبیه شده است که با توجه به آن ها از روی نمودار های سایکومتریک می توان دمای خشک و رطوبت متناسب با کلاس طراحی را مشخص نمود و همچنین با استفاده از جداول سایکومتریک می توان رطوبت نسبی و نقطه شبنم را استخراج نمود.
چگالی هوا نیز بر قابلیت تجهیزات دیتاسنتر در خنک شدن اثر گذار است. راهنمای طراحی تاسیسات دیتاسنتر اشره (منتشر شده در سال 2004) پیشنهاد می کند که محصولات تولید شده جهت دیتاسنترها برای تا ارتفاع 3000 متری طراحی و تولید گردد، چرا که کاهش جریان جرمی و انتقال حرارت جابجایی در ارتباط با کاهش چگالی هوا در ارتفاعات بالاتر شدیدتر هستند. به منظور لحاظ نمودن این اثر، راهنما مقدار کاهشی را برای ماکزیمم دمای مجاز به صورت یک درجه کلوین به ازای هر 300 متر ارتفاع در ارتفاعات بالای 900 متر در نظر گرفته است.
دما
برای تجهیزاتی که در معرض دمای بالا در طول زمان و یا تغییر زیاد دمایی قرار می گیرند امکان رسیدن به مرحله خاموشی وجود دارد. شرایط دمایی مورد نیاز جهت فضاهای داخلی دیتاسنتر برای همه تجهیزات بین 20 تا 25 درجه سانتیگراد توصیه می شود. محدوده توصیه شده برای مراکز مخابراتی گسترده تر بوده و بین 18 تا 27 درجه سانتیگراد است. عملکرد در محدوده مجاز بایستی برای دوره های زمانی کوتاه نیز برقرار باشد، هر چند که طراحان و اپراتورهای مجموعه نیز باید حداکثر تلاش خود را در کارکرد پیوسته در محدوده مجاز بکار گیرند.
رطوبت
رطوبت نسبی بالا ممکن است عامل خرابی هدایتی آندی (CAF)، خرابی رطوبتی با گرد و غبار (HDF)، خرابی ماده نوار و خوردگی و فرسایش زیادی شود. در موارد شدید، تقطیر روی سطوح سرد تجهیزات نیز می تواند واقع شود. رطوبت نسبی پایین نیز باعث تخلیه الکترواستاتیک (ESD) شود که قابلیت تخریب بردهای الکترونیکی یا ایجاد اثرات نامطلوب را دارند. محصولات نواری در معرض رطوبت پایین دچار خرابی و مشکلاتی می شوند. به طور کلی ساختمان های دیتاسنتر باید به شیوه ای طراحی و نگهداری شوند که محدوده مجاز رطوبت رعایت گردد، ولی این مسئله نباید منجر به کاهش قابل توجه عمر مفید تجهیزات تهویه مطبوع گردد.
فیلتراسیون و آلایندگی
پیش از ورود به بحث فیلتراسیون در اتاق های داده پردازی و مخابراتی نیاز است هوای بیرون از ذرات و گازهای خورنده فیلتر شود وجود ذرات می تواند عاملی در جهت گذاشتن اثرات مخرب روی عملکرد دستگاه ها باشد، بدین سبب فیلتراسیون با کیفیت بالا به همراه نگهداری مناسب و تعمیرات به موقع بسیار حیاتی هستند. گازهای خورنده نیز می توانند فیلم (لایه) نازک فلز روی بردهای الکترونیکی را از بین برده و موجب ایجاد مقاومت بالا (الکتریکی) در ترمینال های اتصال شوند. به علاوه انباشتگی ذرات روی سطوح بردها مانعی در جهت خنک شدن آن ها می باشند.
مشخصه های بار های دیتاسنتر
بارهای سیستم تهویه مطبوع ساختمان های داده پردازی بایستی به شیوه ای مشابه سایر سیستم ها محاسبه گردند. مشخصه عمومی این ساختمان ها میزان فوق العاده بالایی بار محسوس و در نتیجه نسبت حرارت محسوس بسیار بالا می باشد. تجهیزات داده پردازی عمده ترین عامل تولید گرما و یا بار برودتی در فضا هستند. این گرما با تمرکز بالا، به صورت غیر یکنواخت و متغیر (در زمان) می باشند. اغلب این دستگاه ها مجهز به فن های دور متغیر هستند که بسته به نیاز حجم هوای مناسبی جهت زدایش گرمای تولیدی را به فواصل تیغه ها و بردهای الکترونیکی هدایت می کنند.
در مواقع بسیار کمی نیاز به گرمایش در اتاق های دیتاسنتر وجود دارد، چرا که میزان گرمای تولیدی تجهیزات بسیار بالاست ولی در زمان راه اندازی که تعداد دستگاه ها لزوماً زیاد نیست و یا به جهت شرایط آب و هوایی بسیار سرد ممکن است به طور مقطعی نیاز به گرمایش نیز احساس شود. همچنین به جهت کنترل رطوبت، بعضاً کویل های سرمایشی نیازمند گرمایش مجدد هستند. به این دلیل تجهیزات تهویه مطبوع دیتاسنتر باید مجهز به گرمکن باشند. همچنین به جهت از بین بردن خطرات ناشی از عدم تخلیه بارهای الکترواستاتیک، تجهیزات تهویه مطبوع باید مجهز به رطوبت زن هم باشند.
از جمله موارد دیگری که می بایست در طراحی سیستم سرمایش دیتاسنتر مورد توجه قرار گیرند می توان به: موقعیت دیتاسنتر، محدودیت ها، شرایط فیزیکی، مساحت، هزینه و … اشاره نمود.
سیستم های سرمایش دیتاسنتر ها بر اساس دو سیستم کلی عمل می کنند: سیستم سرمایش بر اساس هوا و سیستم های سرمایش بر اساس سیال های مایع.
سیستم های سرمایش بر اساس هوا (Air Cooled System):
این روش برای استفاده در دیتاسنتر کوچک و متوسط استفاده می شود. این روش کاملاً استاندارد بوده و نام دیگر آن DX می باشد. در این روش خنک سازی توسط هوا انجام می شود.
مزایا:
- هزینه پایین جهت نصب و راه اندازی
- هزینه نگهداری پایین
معایب:
- دشواری در نصب
- نگهداری دشوار
- بدلیل کمبود فشار جهت پرتاب هوای خنک انتقال هوا به صورت صحیح صورت نمی پذیرد
- گرد و غبار و آلایندگی تصفیه نمی شود
در دیتاسنتر های کوچک با تعداد 5 الی 20 رک از سیستم های خنک کننده بر اساس هوا استفاده می شود. توجه شود که استفاده از این سیستم ها نیازمند آن است که محاسبات دقیق و جامعی در مورد مصرف الکتریکال دیتاسنتر صورت پذیرد. کندانسورها در این روش بر روی سقف و یا دیوارهای جانبی دیتاسنتر نصب می شود.
سیستم های خنک سازی بر اساس آب سرد (Chilled Water System):
جهت سرمایش از سیالات مایع برای دفع حرارت کمک گرفته می شود. آب سرد نقش خنک کننده را ایفا می کند، چیلر ها از این سیستم های سرمایش می باشند. در این روش از سرمایش تجهیزاتی همچون چیلر های معمولی و کندانسور ها در بیرون از محیط قرار می گیرند.
مزایا:
- امکان سرمایش برای ظرفیت های بالا
معایب:
- هزینه نگهداری و راه اندازی بالا
روش های کاهش هزینه های سیستم سرمایش دیتاسنتر
استفاده از گردش هوای آزاد در فصول سرد یا هوای خنک
هنگامی که دمای هوای بیرون به اندازه کافی پایین باشد با ایجاد یک جریان هوا از بیرون به داخل ساختمان، حرارت تولیدی توسط فشار مثبت هوای سرد یا خنک ورودی به صورت طبیعی از ساختمان خارج می شود. در این حالت با خاموش یا کم کردن ظرفیت خنک کاری دستگاه خنک کننده، در مصرف انژری صرفه جویی خواهد شد. همچنین می توان در مناطقی که شب های سردی دارند، این گردش هوا را ایجاد کرد.
استفاده از دستگاه های خنک کننده راندمان بالا
برای مثال معمولاً چیلر های امروزی (مانند چیلر آبی و چیلر هوایی سرمایشی) مجهز به الکترو موتور های دور متغیر (Variable Frequency Drive) برای بهبود راندمان می باشند. معمولاً چیلر دیتاسنتر با ظرفیت بیش از نیاز فعلی طراحی و انتخاب می شود تا در آینده و با رشد سیستم های پردازش داده، پاسوخگوی نیاز های سرمایش آن باشد. بنابراین دستگاه چیلر می تواند با چند کمپرسور ترکیبی انتخاب شود تا در حالت کم باری بتوان تعدادی از آن ها را بصورت دوره ای از مدار خارج نمود تا طول عمر سیستم افزایش و نیز به همان مقدار نیاز درخواستی، چیلر سرمایش ایجاد کند. این کار یک مزیت مهم دیگر نیز دارد که در صورت از کار افتادن یکی از کمپرسور های چیلر، فرآیند خنک کاری متوقف نمی گردد و سیستم به خوبی به کار خود ادامه می دهد که در واقع قابلیت اعتماد به سیستم افزایش پیدا می کند.
برای سرمایش دیتاسنتر علاوه بر چیلر از دستگاه های دیگری مانند درای کولر، مینی پیلر هوا خنک، برج خنک کننده و … نیز استفاده می شود.
استفاده از دینامیک سیالات CFD
با استفاده از ابزارها و نرم افزارهای دینامیک سیالات می توان جریان هوا را در اطراف دستگاه های دیتاسنتر آنالیز کرد و طرح های گوناگونی را برای چرخش هوای سرد ایجاد شده توسط پیلر ارائه داد زیرا تحلیل CFD، دما، فشار و جریان هوای نقاط مختلف را تحت شرایط مختلف کار نشان می دهد.