Các trung tâm dữ liệu hiện đại có nhu cầu năng lượng cao, nhưng một phần lớn điện năng không dành cho máy chủ mà dành cho hệ thống làm mát, để ngăn chặn tình trạng quá nhiệt. Hệ thống làm mát trung tâm dữ liệu bao gồm các thiết bị, công cụ, kỹ thuật và quy trình để duy trì nhiệt độ hoạt động lý tưởng. Nhiệt độ không nên dưới 10°C hoặc vượt quá 27.7°C, và lý tưởng nhất là từ 20°C đến 21.6°C. Nếu vượt quá giới hạn nhiệt độ, chip máy chủ có thể bị hỏng, dẫn đến thiệt hại lớn về chi phí và hoạt động.
Thiết bị IT tiêu thụ điện và sinh ra nhiệt như là “sản phẩm thải”. Trong một bài viết trước, tôi đã đề cập đến việc điện năng chiếm phần lớn hoạt động của trung tâm dữ liệu, và hạ tầng làm mát chính là nơi tiêu thụ điện lớn nhất, chiếm đến 40% tổng công suất. Nhiệt sinh ra từ máy chủ ngày nay lớn gấp mười lần so với 10 năm trước, gây ra những thách thức về làm mát.
Có hai phương pháp chính:
- Làm mát bằng không khí: Dùng quạt và tản nhiệt để thổi không khí qua bề mặt.
- Làm mát bằng chất lỏng: Dùng nước hoặc chất làm lạnh để truyền nhiệt từ thiết bị.
- Làm mát bằng nước: Dùng nước dẫn nhiệt qua ống mà không tiếp xúc trực tiếp với linh kiện. Mặc dù hiệu quả, nhưng nguy cơ rò rỉ là một thách thức.
- Làm mát ngâm chất lỏng: Đặt linh kiện vào dung dịch dẫn nhiệt nhưng không dẫn điện, như phương pháp của Green Revolution Cooling (GRC).
Trước khi xem xét chi tiết, cần hiểu các nguyên lý cơ bản:
- Nén: Khí nén thì nóng, chất lỏng không nén được.
- Dòng chảy nhiệt: Nhiệt chảy từ nơi nóng đến nơi lạnh.
- Dòng chảy chất lỏng: Chất lỏng chảy từ nơi áp suất cao đến thấp.
Các thành phần chính trong hệ thống chiller:
Nhiệt thải từ máy cần được làm mát bởi chiller, kết hợp với các thiết bị như quạt, ống dẫn và hệ thống làm lạnh.
Chiller là máy làm mát sử dụng chu trình làm lạnh cơ bản để giảm nhiệt độ của thiết bị trong trung tâm dữ liệu. Chiller tạo ra nước lạnh với nhiệt độ khoảng từ 8 - 15°C (46 – 59°F). Nước lạnh này sau đó được bơm qua các đường ống đến các đơn vị xử lý không khí trong phòng máy tính (CRAH), nơi giúp duy trì nhiệt độ môi trường IT lý tưởng.
Chiller sử dụng chu trình làm lạnh bằng nén hơi hoặc hấp thụ để làm mát chất lỏng. Nguyên lý hoạt động dựa trên ba nguyên tắc cơ bản:
- Khi chất lỏng bị đun nóng, nó hóa hơi thành khí, và khi khí bị làm mát, nó ngưng tụ thành chất lỏng.
- Giảm áp suất sẽ hạ điểm sôi, tăng áp suất sẽ tăng điểm sôi.
- Nhiệt luôn chảy từ nơi nóng đến nơi lạnh.
Có ba loại chiller chính: Chiller làm mát bằng nước (hiệu suất cao), Chiller làm mát bằng glycol (sử dụng glycol chống đông), và Chiller làm mát bằng không khí.
Tháp giải nhiệt là thiết bị giúp loại bỏ nhiệt thải bằng cách làm mát dòng nước, thông qua quá trình "làm mát bay hơi". Chiller lấy nhiệt từ chất lỏng bằng chu trình nén hơi hoặc hấp thụ, sau đó chất lỏng này được dẫn qua bộ trao đổi nhiệt để làm mát không khí hoặc thiết bị. Tháp giải nhiệt giúp giảm ô nhiễm nhiệt cho các nguồn nước tự nhiên và tái sử dụng nước tuần hoàn. Nước được làm mát tiếp xúc với không khí, làm tăng nhiệt độ và độ ẩm của không khí, sau đó không khí này được thải ra môi trường.
Tháp giải nhiệt giúp giảm ô nhiễm nhiệt đối với các nguồn nước tự nhiên và cho phép tái sử dụng nước tuần hoàn. Nó loại bỏ nhiệt thải từ vòng nước ngưng tụ ra môi trường bằng cách làm mát dòng nước. Nước mát ở đáy tháp được bơm trở lại vòng nước ngưng tụ qua hệ thống bơm. Các thiết bị làm mát bay hơi như tháp giải nhiệt cung cấp nhiệt độ nước thấp hơn so với các thiết bị làm mát bằng không khí hoặc hệ thống khô, từ đó giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn về mặt chi phí và năng lượng.
Hệ Thống Điều Hòa Không Khí Cho Phòng Máy (CRAC)
Hệ thống điều hòa không khí cho phòng máy (CRAC) là một thiết bị chuyên biệt được thiết kế để duy trì nhiệt độ, độ ẩm và phân phối không khí tối ưu trong các phòng mạng và trung tâm dữ liệu. Những hệ thống này rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của thiết bị CNTT, vốn rất nhạy cảm với điều kiện môi trường.
Các Tính Năng Chính của Hệ Thống CRAC:
-
Kiểm Soát Nhiệt Độ Chính Xác: Hệ thống CRAC cung cấp khả năng điều chỉnh nhiệt độ chính xác, điều này rất quan trọng để bảo vệ thiết bị điện tử khỏi việc quá nhiệt. Chúng có thể duy trì nhiệt độ trong khoảng hẹp, thường từ 18°C đến 27°C.
-
Quản Lý Độ Ẩm: Ngoài việc kiểm soát nhiệt độ, hệ thống CRAC cũng quản lý mức độ ẩm để ngăn ngừa ngưng tụ và tĩnh điện, cả hai đều có thể gây hại cho thiết bị máy tính. Mức độ ẩm thường được giữ trong khoảng 40% đến 60% độ ẩm tương đối.
-
Phân Phối Không Khí: Các đơn vị CRAC được trang bị quạt giúp phân phối không khí đều trong phòng, thúc đẩy hiệu quả làm mát và ngăn ngừa các điểm nóng.
-
Chu Trình Lạnh Trực Tiếp (DX): Nhiều hệ thống CRAC sử dụng chu trình lạnh trực tiếp, tương tự như các hệ thống điều hòa không khí gia đình. Thiết kế này có nghĩa là máy nén, chịu trách nhiệm cho chu trình lạnh, được đặt bên trong thiết bị, loại bỏ sự cần thiết phải có hệ thống nước lạnh tập trung.
-
Quản Lý Chất Lạnh: Thiết bị tuần hoàn chất lạnh để duy trì nhiệt độ của các cuộn dây, hiệu quả chuyển giao nhiệt từ thiết bị sang môi trường xung quanh.
-
Vận Hành Tự Độc Lập: Nhiều hệ thống CRAC được thiết kế để hoạt động độc lập, cung cấp khả năng làm mát cục bộ trực tiếp cho thiết bị mà chúng phục vụ. Điều này có thể nâng cao hiệu quả làm mát và giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng so với các hệ thống tập trung.
Tầm Quan Trọng của Hệ Thống CRAC
Trong các môi trường như trung tâm dữ liệu, nơi các máy chủ và thiết bị mạng tạo ra nhiệt lượng lớn, duy trì một môi trường khí hậu ổn định là rất quan trọng cho hiệu suất hoạt động. Một hệ thống CRAC không hoạt động có thể dẫn đến việc quá nhiệt, gây ra hỏng hóc phần cứng, mất dữ liệu và tăng chi phí hoạt động. Do đó, việc bảo trì và theo dõi thường xuyên các hệ thống CRAC là rất cần thiết để đảm bảo chúng hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy.
Có nhiều cách để bố trí các đơn vị CRAC. Một cách lắp đặt CRAC đã thành công là quá trình làm lạnh không khí và phân phối nó qua sàn nâng. Không khí lạnh sẽ được thổi lên qua các phần lỗ thoát khí, tạo thành các lối đi lạnh. Không khí lạnh chảy qua các giá đỡ thiết bị, nơi nó hấp thụ nhiệt trước khi thoát ra từ phía sau các giá đỡ. Không khí ấm thoát ra sẽ hình thành các lối đi nóng phía sau các giá, và không khí nóng sẽ trở lại các ống hút của CRAC, được đặt ở trên sàn.
Bố Trí CRAC Qua Sàn Nâng
-
Sàn Nâng: Sử dụng sàn nâng cho phép không khí lạnh được phân phối hiệu quả hơn. Các ô thông khí trên sàn giúp không khí lạnh di chuyển lên trên từ dưới.
-
Lối Đi Lạnh và Nóng: Thiết kế này tạo ra hai khu vực riêng biệt: lối đi lạnh ở phía trước, nơi không khí lạnh được phân phối, và lối đi nóng phía sau, nơi không khí nóng thoát ra. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình làm mát và giảm thiểu sự pha trộn giữa không khí lạnh và nóng.
-
Quá Trình Làm Mát Hiệu Quả: Khi không khí lạnh đi qua các giá đỡ thiết bị, nó hấp thụ nhiệt từ các thiết bị điện tử, làm giảm nhiệt độ của chúng. Không khí nóng sau đó thoát ra từ phía sau và trở về các ống hút của CRAC, nơi nó được làm mát lại.
-
Tối Ưu Hóa Hiệu Suất Năng Lượng: Cách bố trí này không chỉ cải thiện hiệu quả làm mát mà còn giúp tiết kiệm năng lượng, vì CRAC có thể hoạt động hiệu quả hơn khi không khí lạnh và nóng được phân chia rõ ràng.
Tầm Quan Trọng của Việc Bố Trí CRAC Hợp Lý
Việc bố trí các đơn vị CRAC theo cách này giúp duy trì điều kiện môi trường ổn định trong các trung tâm dữ liệu, từ đó đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị. Các kỹ sư thiết kế hệ thống thường cân nhắc các yếu tố như lưu lượng không khí, vị trí của thiết bị và khả năng tiếp cận để tối ưu hóa hiệu quả làm mát và giảm chi phí vận hành.
Thiết Bị Xử Lý Không Khí Phòng Máy (CRAH)
Thiết bị xử lý không khí phòng máy (CRAH) là một thiết bị thường được sử dụng trong các trung tâm dữ liệu để xử lý nhiệt lượng do thiết bị phát sinh. Khác với hệ thống điều hòa không khí cho phòng máy (CRAC), sử dụng hệ thống làm lạnh cơ khí để làm mát không khí đưa vào trung tâm dữ liệu, CRAH sử dụng quạt, cuộn làm lạnh và hệ thống làm mát bằng nước để loại bỏ nhiệt. CRAH tương tự như một thiết bị xử lý không khí làm lạnh bằng nước thường thấy trong các tòa nhà văn phòng cao tầng.
Nguyên Lý Hoạt Động của CRAH
-
Làm Mát Bằng Nước: Làm mát được thực hiện bằng cách thổi không khí qua cuộn làm lạnh chứa nước lạnh. Nước lạnh này được cung cấp cho các thiết bị CRAH từ một nhà máy làm lạnh, còn được gọi là chiller.
-
Điều Chỉnh Tốc Độ Quạt: Các thiết bị CRAH có thể được trang bị bộ điều khiển tốc độ quạt (VFD) để điều chỉnh tốc độ quạt, duy trì áp suất tĩnh nhất định, cho dù là dưới sàn hay trong ống dẫn trên cao.
Sự Khác Biệt Giữa Xử Lý Không Khí và Điều Hòa Không Khí
Hiểu rõ cách không khí lưu thông trong trung tâm dữ liệu cũng cần phải nhận biết sự khác biệt giữa xử lý không khí và điều hòa không khí. Ai cũng biết rằng chi phí làm mát hoặc sưởi ấm một ngôi nhà là một trong những chi phí cao nhất liên quan đến hóa đơn điện. Điều này cũng đúng với các trung tâm dữ liệu. Làm mát một trung tâm dữ liệu, nơi chứa thiết bị phát sinh nhiệt lượng lớn, là rất tốn kém. Vì lý do này, các trung tâm dữ liệu đã chuyển sang sử dụng phương pháp gọi là tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng không khí từ bên ngoài.
Tiết Kiệm Năng Lượng
Khi nhiệt độ bên ngoài nằm trong một ngưỡng nhất định, không khí sẽ được "xử lý" và hút vào cơ sở, rồi được đẩy xuống dưới sàn áp lực. Không khí đã được xử lý sẽ lưu thông qua trung tâm dữ liệu như không khí điều hòa truyền thống. Tuy nhiên, trong kịch bản này, các cơ sở có thiết bị CRAH thực sự đang sử dụng không khí “miễn phí”, do đó, chi phí làm mát cho cơ sở giảm đáng kể.
Hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc vào khí hậu. Tại nhiều thị trường ở châu Âu và Mỹ, công nghệ này có thể được sử dụng khoảng 60% thời gian trong năm (trong các tháng mùa đông). Điều này giúp tiết kiệm chi phí điện năng khổng lồ, từ đó giảm PUE (Power Usage Effectiveness) và giảm chi phí trên mỗi kilowatt cho bạn. Nhìn chung, việc sử dụng xử lý không khí và tiết kiệm năng lượng bằng không khí thay vì điều hòa không khí truyền thống là một bước tiến lớn cho ngành công nghiệp và các khách hàng của nó.
Tiết Kiệm Nước Bằng Hệ Thống Economizer (Water-Side Economizer)
Sử dụng hệ thống economizer này, không có thay đổi đáng kể nào trên sàn của trung tâm dữ liệu. Bộ xử lý không khí, sàn nâng và quạt vẫn di chuyển không khí như bình thường. Sự thay đổi diễn ra ở phía sau trong quá trình sản xuất không khí lạnh và loại bỏ nhiệt thải. Những người dùng có cơ sở hạ tầng nước lạnh hiện có có thể thực hiện "làm mát miễn phí" thông qua một bộ trao đổi nhiệt bổ sung được gọi là Tiết Kiệm Nước Bằng Hệ Thống Economizer.
Nguyên Lý Hoạt Động của Water-Side Economizer
-
Công Nghệ Làm Mát Bằng Nước: Đối với các trung tâm dữ liệu có nhà máy làm lạnh nước bằng nước hoặc không khí, water-side economizer sử dụng khả năng làm mát bay hơi của tháp làm mát để sản xuất nước lạnh và có thể được sử dụng thay cho máy làm lạnh trong các tháng mùa đông.
-
Điều Kiện Vận Hành: Hoạt động của water-side economizer phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Không khí bên ngoài phải đủ lạnh để làm mát nước ngưng tụ, cho phép trao đổi nhiệt đúng cách giữa hai vòng.
-
Kết Hợp Hoặc Không Kết Hợp: Water-side economizer có thể được tích hợp với máy làm lạnh hoặc không tích hợp. Water-side economizer tích hợp là lựa chọn tốt hơn vì chúng có thể làm mát trước nước trước khi nó đến máy làm lạnh. Water-side economizer không tích hợp hoạt động thay cho máy làm lạnh khi điều kiện cho phép.
-
Dự Phòng Làm Mát: Water-side economizer cung cấp khả năng dự phòng làm mát vì chúng có thể cung cấp nước lạnh trong trường hợp máy làm lạnh ngừng hoạt động. Điều này giúp giảm rủi ro ngừng hoạt động cho trung tâm dữ liệu.
-
Tiết Kiệm Chi Phí: Trong thời gian hoạt động của water-side economizer, chi phí cho nhà máy nước lạnh có thể giảm tới 70%.
Tầm Quan Trọng của Water-Side Economizer
Việc áp dụng water-side economizer không chỉ giúp tiết kiệm chi phí vận hành mà còn nâng cao tính khả dụng và độ tin cậy cho trung tâm dữ liệu. Khi kết hợp với hệ thống làm lạnh hiện có, các giải pháp này cung cấp một cách hiệu quả để duy trì điều kiện môi trường ổn định mà không cần phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống.
Tiết Kiệm Không Khí Bằng Hệ Thống Economizer (Air-Side Economizer)
Tiết kiệm không khí bằng hệ thống economizer (xem hình ảnh dưới đây) đưa không khí bên ngoài vào một tòa nhà và phân phối nó đến các máy chủ. Thay vì tái tuần hoàn và làm mát không khí, không khí thải từ các máy chủ được hướng ra ngoài. Nếu không khí bên ngoài đặc biệt lạnh, hệ thống economizer có thể trộn không khí này với không khí thải để nhiệt độ và độ ẩm của nó nằm trong khoảng mong muốn cho thiết bị. Hệ thống economizer này được tích hợp vào một hệ thống xử lý không khí trung tâm với ống dẫn cho cả việc hút vào và thoát ra; bộ lọc của nó giúp giảm lượng bụi bẩn hoặc các chất ô nhiễm được đưa vào trung tâm dữ liệu.
Lợi Ích của Air-Side Economizer
-
Tiết Kiệm Năng Lượng: Vì các trung tâm dữ liệu cần được làm mát 24/7, 365 ngày một năm, các hệ thống economizer không khí có thể có lợi ngay cả trong khí hậu nóng, nơi chúng có thể tận dụng nhiệt độ không khí mát mẻ vào buổi tối hoặc mùa đông.
-
Thí Nghiệm Từ Intel: Intel IT đã thực hiện một thử nghiệm chứng minh khái niệm sử dụng hệ thống economizer không khí để làm mát máy chủ bằng 100% không khí bên ngoài với nhiệt độ lên đến 90°F (32°C). Intel ước tính rằng một cơ sở 500kW sẽ tiết kiệm được 144,000 USD hàng năm và một cơ sở 10MW sẽ tiết kiệm được 2.87 triệu USD hàng năm. Hơn nữa, công ty không phát hiện sự khác biệt đáng kể về tỷ lệ hỏng hóc khi sử dụng không khí bên ngoài so với hệ thống HVAC.
-
Quản Lý Độ Ẩm: Một số yếu tố cần xem xét là các hệ thống điều khiển rất quan trọng cho hoạt động của hệ thống economizer không khí và cần được bảo trì đúng cách. Việc kiểm soát độ ẩm quá mức có thể làm giảm tiết kiệm đạt được từ hệ thống economizer. Ở một số khu vực địa lý, không khí có thể rất lạnh nhưng lại rất khô, và hệ thống có thể tiêu tốn năng lượng quá mức để làm ẩm không khí. Người dùng sẽ cần xem xét các khuyến nghị của ASHRAE, nghiên cứu về khí hậu xung quanh của họ và sở thích độ ẩm của họ trước khi xem xét triển khai. Nếu các khoảng độ ẩm mong muốn quá hạn chế, mức tiết kiệm năng lượng ròng từ economizer có thể bị giới hạn. Việc quản lý và điều khiển đúng cách là rất quan trọng để đảm bảo rằng khối lượng không khí, nhiệt độ và độ ẩm chính xác được đưa vào.
Tiềm Năng Tiết Kiệm Năng Lượng
Hệ thống economizer không khí và nước đều mang lại tiềm năng tiết kiệm năng lượng đáng kể bằng cách sử dụng môi trường xung quanh để bổ sung hoặc thay thế điều hòa không khí cơ học. Tùy thuộc vào vị trí, môi trường, thiết kế trung tâm dữ liệu và cơ sở hạ tầng hiện có, việc triển khai một chiến lược “làm mát miễn phí” có thể cực kỳ thách thức. Mục tiêu của việc tiết kiệm là giảm tải cho hệ thống hoặc vận hành ít hơn.
Giờ Economizer Tăng Thêm
Chức năng cơ bản của máy làm lạnh là loại bỏ năng lượng nhiệt từ trung tâm dữ liệu bằng cách nén và giãn nở một chất làm lạnh để giữ cho nước lạnh ở nhiệt độ cung cấp nhất định, thường là 45°F (7°C). Khi nhiệt độ ngoài trời thấp hơn nhiệt độ nước lạnh khoảng 19°F (11°C), máy làm lạnh có thể được tắt. Tháp làm mát giờ đây sẽ bỏ qua máy làm lạnh và loại bỏ nhiệt trực tiếp từ trung tâm dữ liệu.
Bằng cách tăng nhiệt độ cung cấp nước lạnh, số giờ mà máy làm lạnh có thể tắt (giờ economizer) sẽ tăng lên. Ví dụ, có thể có 1000 giờ mỗi năm khi nhiệt độ ngoài trời thấp hơn ít nhất 19°F (11°C) so với nhiệt độ nước lạnh 45°F (7°C). Nhưng nếu nước lạnh được tăng lên 55°F (13°C), số giờ economizer có thể tăng lên đến 3700 giờ.
Kết Luận
Với những thông tin trên, chúng ta đã đề cập đến tất cả các thiết bị cơ khí quan trọng liên quan đến cơ sở hạ tầng làm mát của trung tâm dữ liệu.
