• مقالات تخصصی

روشهای کاهش مصرف انرژی در دیتاسنتر

سیستم خنک کننده یک مرکز داده برای عملکرد صحیح تجهیزات فناوری اطلاعات ضروری است: دستگاه های پردازش و ذخیره سازی اطلاعات گرمای زیادی تولید می کنند، بنابراین برای حفظ شرایط عملیاتی بهینه، نیاز به حذف این گرما است.

انرژی مصرفی در مراکز دیتا در سراسر جهان، سالانه 400 ترا وات/ ساعت(TW/h)  تخمین زده شده است که حدود 2 الی 3 درصد کل مصرف برق جهان است. در نتیجه‌ برای این سطح شگفت انگیز از مصرف انرژی، به راه حل های صرفه جویی در مصرف انرژی، به طور فزاینده‌ای مورد نیاز است. در حال حاضر راه‌حل‌های فناورانه در سیستم‌های خنک کننده دیتاسنتر  CRAC(Computer Room Air Cooling) یا خنک کننده‌های CCU ( Close Control Unit) به طور گسترده‌ای بکار گرفته می‌شود.

توسعه مداوم فناوری در این بخش و تمرکز دائم بر صرفه جویی انرژی در تکامل راه‌حل های تهویه مطبوع منعکس شده است: کنترل توزیع هوا تا نصب تهویه مطبوع در نزدیکی منابع گرما (جهت حذف موثر گرما از منبع تولید آن) همچنین استفاده از تجهیزات با راندمان بالا نمونه‌هایی از آن می‌باشد.

علاوه بر این، می توان از واحدهای هواساز برای ارائه هوای بیرون به صورت فری‌کولینگ یا خنک‌سازی رایگان( free cooling) استفاده کرد و حتی امکان کاهش بیشتر دمای هوا با استفاده از مرطوب کننده‌های آدیاباتیک (خنک کننده تبخیری) هم وجود دارد.

محصولات CAREL با تکنولوژی روز دنیا جهت استفاده در مراکز دیتا و مخابراتی

نتایج صرفه جویی در مصرف انرژی:

صرفه جویی در انرژی جهانی: مصرف 68 کیلو وات برای هر 100 لیتر آب تبخیر شده در ساعت است که با مصرف انرژی  و افت فشار بسیار کم (30Pa) اتفاق می افتد.

ماموریت بحرانی: در راه‌حل‌هایی که در آن خدمات به صورت مستمر ارائه می‌گردد، برای افزایش قابلیت اطمینان جهت برنامه های کاربردی، ایجاد افزونگی[1] (Redundancy) ضروری است.

انعطاف‌پذیری: می توان از پیشنهادات صرفه جویی در مصرف انرژی در همه برنامه ها، از جمله مقاوم سازی برای بهبود PUI (Power Utility Interface) مراکز دیتای موجود هم استفاده کرد.

خنک کننده تبخیری و رطوبت‌زنی آدیاباتیک

این راه‌حل یک روش خنک‌سازی مراکز داده با بالاترین بهره‌وری انرژی و کمترین تاثیر زیست محیطی است. نمودار زیر شرایط آب و هوایی را نشان می دهد که در آن خنک کننده تبخیری، در صورت ترکیب با واحد بازیابی حرارتی مکانیکی، این فرصت را می دهد که (دیتاسنتر) به دما و رطوبت محیطی منطبق با توصیه‌های ASHRAE برسد و مصرف انرژی خنک کننده را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

افزونگی ترجمه واژه انگلیسی Redundancy است. معمولا برای افزایش قابلیت اطمینان سیستم‌ها از یک عضو موازی در حال کار استفاده می‌شود که از آن به عنوان افزونگی یاد می‌شود.

منحنی سایکرومتریک و امکان استفاده از فری‌کولینگ (Free Cooling)

منطقه سبز تیره (FC) نشان دهنده شرایطی است که در آن امکان استفاده از خنکسازی با فری‌کولینگ (Free Cooling) وجود دارد، منطقه سبز (منطقه سبز روشن) (FC+MIX) شرایطی را توصیف می کند که در آن لازم است به منظور کنترل دما، از هوای خارجی مخلوط با هوای برگشتی، استفاده ‌شود.

در منطقه سبز پایین (FC+MIX+HMIDIFICATION) نیاز است که برای رسیدن به حداقل رطوبت تعیین شده توسط  ASHRAE یک رطوبت‌زن آدیاباتیک هم اضافه شود.

ناحیه آبی (DEC) مقدار اولیه شرایط هوای خارجی را مشخص می کند که برای رسیدن به نقطه دمایی مورد نظر، فقط استفاده از خنک کننده تبخیری مستقیم یا DEC (Direct Evaporative Cooling) مناسب است.

ناحیه زرد کمرنگ یا IEC (Indirect Evaporative Cooling) خنکسازی با رطوبت‌زن تبخیری غیرمستقیم را نشان می‌دهد. با استفاده از تبادل حرارتی بین هوای خارجی و هوای داخلی در حال گردش؛ در منطقه زرد پررنگ (IEC+MECHANICAL Cooling) نیاز به مشارکت بیشتر خنک‌کننده مکانیکی است.

زمانی که ورود هوای بیرونی به یک مرکز داده مجاز نیست، رطوبت‌زنی IEC سهم رطوبت‌زنی DEC در سناریو‌های قبلی را پوشش خواهد داد.

– مزایای رطوبت زنی:

حذف گردو غبار: با استفاده از رطوبت‌زنهای آدیاباتیک (اسپری پرفشار آب اتمایز شده)‌ در خنک‌سازی تبخیری، گرد و غبار به مرکز داده وارد نمی شود.

کنترل دما و رطوبت: خنکسازی تبخیری هوا، می‌تواند یک راه حل منطقی و کارآمد برای خنک کردن هوا  باشد در حالی که همزمان می‌تواند رطوبت را هم کنترل کند.

– فری کولینگ  مستقیم به همراه رطوبت زنی تبخیری غیر مستقیم (DEC)از نوع آدیاباتیک:

این راه‌حل استفاده از هوای بیرون را بهینه می کند، از طریق سرمایش تبخیری مستقیم (Direct Evaporative Cooling) دما را در تابستان و رطوبت را در زمستان به صورت یک واحد یکپارچه، کنترل می‌کند. این سیستم شامل یک AHU است که هوای بیرون را در تابستان برای فری کولینگ به همراه خنک کننده تبخیری مستقیم در زمانی که شرایط هوای خارجی اجازه می دهد، به داخل وارد می‌کند. در این روش تقریبا هوای مرطوب و خنک فراهم می‌شود.680 وات بر لیتر(W/L) خنک‌کنندگی فقط با مصرف 4 وات بر لیتر(W/L) برق به دست می‌آید. این فرآیند از آنجایی که شامل مراحل میانی تبادل حرارتی نمی شود، کارآمدترین روش خنک‌کنندگی است.

هوا به راهروهای سرد تحویل داده می شود و از طریق پنجره مشبک (نصب شده در کف) یا دیفیوزر توزیع می شود. سپس فن برگشتی هوا را از راهروی هوای گرم بیرون می کشد. یک دمپر اختلاط هوا، حداقل دمای رفت (Supply) را با مخلوط نمودن تدریجی هوای چرخشی کنترل می‌کند.

در زمستان، به صورت دقیق از کنترل رطوبت در هوای رفت اطمینان حاصل می‌شود و این کار فقط با مصرف برق 4 وات در لیتر با مصرف 750 وات در لیتر در رابطه با رطوبت‌زن‌های بخار قابل مقایسه است.

خنک کننده تبخیری و رطوبت‌زنی آدیاباتیک

برای این گونه از سیستم‌ها استفاده از رطوبت زن Humifog شرکت کرل یک راه حل ایده‌آل است. اتمایز کردن آب با فشار بالا به همراه کنترل اینورتری، راندمان بالای جذب را تضمین می‌کند و از این طریق دما و رطوبت به دقت کنترل می‌شود. این راه‌حل با داشتن نازل‌هایی به صورت اسلیو و مستر به همراه یک واحد پمپ، اجازه می‌دهد تا نرخ جریان مناسبی (از اسپری آب اتمایز شده) برای خنک‌سازی در تابستان و رطوبت‌زنی در زمستان تأمین شود.که با داشتن انعطاف پذیری بالا، از سیستم‌های مبتنی بر محدودیت نصب، به ویژه در پیکر بندی گردشی، متمایز است.

– فری کولینگ  غیرمستقیم به همراه رطوبت زنی تبخیری غیر مستقیم (IEC):

این راه حل فری‌کولینگ را به حداکثر می رساند و به دلیل مشکلات مانند آلاینده‌ها و یا زمانی که سطح رطوبت بالاست و نمی‌توان رطوبت‌زنی مستقیم تبخیری انجام داد، خنکسازی تبخیری غیر مستقیم، بدون وارد کردن هوای بیرون به مرکز داده ، اجرا می شود.

این راه‌حل شامل یک هواساز(AHU) است که هوا را به گردش در می آورد، خنک کردن هوا از طریق یک واحد بازیابی (معمولا یک مبدل دمایی از نوع  Cross Plate) که در آن جریان هوای داخلی با جریان هوای بیرون تبادل دما می‌کند، انجام می‌گیرد. این جریان هوا از سمت “ثانویه” و از طریق واحد بازیابی حرارت بدون ورود به داخل مرکز داده، جریان دارد و با خنکسازی تبخیری، دمای هوای سمت ثانویه کاهش می‌یابد، در حالی که همزمان با افزایش رطوبت آن تا حداکثر 95% ، خنکسازی هوای در گردش را تضمین می‌کند. در صورت نیاز  یک کویل خنک کننده DX می تواند ظرفیت خنک کنندگی تکمیلی، همچنین مقدار افزونگی (Redundancy) مورد نیاز را تضمین کند.

هوا به راهروهای سرد تحویل داده می شود و از طریق دریچه مشبک یا دیفیوزر توزیع می شود. سپس فن برگشتی هوا را داخل راهروهای گرم می کشد.

KEC (رطوبت زن آدیاباتیک شرکت CAREL) به دلیل ظرفیت رطوبت زنی متغیر و انعطاف پذیری آن، یک سیستم ایده آل برای این نوع از یونیت‌ها است.

به دلیل نصب آسان، متناسب با طرح سازنده می توان آن را تطبیق داد. ظرفیت تولید متغیر (رطوبت)، از طریق تطبیق با تغییرات در دما و سرعت جریان هوای کمکی، کنترل دمای رفت(Supply) را تضمین می‌کند.

با استفاده از یک فلومتر می توان بر مصرف آب نظارت و آن را بهینه نمود و WUE (Water Usage Effectiveness ) را بهبود داد.

فری کولینگ غیرمستقیم به همراه دستگاه رطوبت زن تبخیری غیرمستقیم

– رطوبت‌زنی آدیاباتیک برای سیستم های هوای در گردش:

این روش یک راه حل برای کنترل رطوبت در هر یک از دو سیستم‌ سنتی، مثل سیستم های خنک‌کننده دیتاسنتر و سیستم های رطوبت زنی مستقیم(IEC) یا ترکیبی از هر دوی آنها است.

این سیستم می تواند شامل هر یک از روش های معمول خنک‌سازی CRAC یا واحدهای IEC که در آن هوا  در گردش است یا ترکیبی از هر دو فناوری باشد، به طوری که با ویژگی افزونگی (Redundancy) یا کاهش مصرف انرژی در دوره های خاصی از سال همراه باشد.

این سیستم‌ها، هوای تازه بیرون را به داخل نمیآورند، بنابراین اغلب برای نصب در مناطقی که کیفیت هوای بیرون(outdoor) ممکن است بواسطه آلاینده های بالقوه خورنده باعث ایجاد مشکلاتی شود، انتخاب می‌شوند. در تأسیسات معمول، رطوبت زدایی توسط کویل‌ها (DX یا CW) انجام می شود. با این وجود، در جانمایی جدید مراکز دیتا، به عنوان مثال راهروهای گرم و راهروهای سرد منجر به پذیرش دمای بالاتر هوای رفت و در نتیجه کاهش رطوبت زدایی می‌شود. به دلیل نفوذ هوای بیرون یا پدیده رطوبت‌زدایی در طول مدت عملیات، رطوبت نسبی کاهش می یابد. بنابراین الزامات رطوبت‌زنی کمتر می‌شود که این نتیجه به عنوان محدودیت‌های قابل قبول جدید برای تجهیزات در نظر گرفته می‌شود.

دستگاه رطوبت زن Humisonic نشان دهنده راه حلی ایده آل برای این نوع سیستم ها است: به صورت فشرده و کم حجم(Package)، با کنترل تدریجی و مصرف مقدار کمی انرژی، سبب کنترل رطوبت و در عین حال صرفه جویی در مصرف انرژی می‌شود. نمونه‌هایی هم برای نصب در کانال که مناسب  برای AHU یا IEC در دسترس هستند و به صورت مستقل نصب و با فن هایی که به صورت مستقیم آب اتمایز شده را به اتاق می‌برند، کامل می‌شوند (Humisonic Direct).

اندازه میکروسکوپی قطرات آب، بطور کلی جذب بسیار سریع در فضای 3-2 متری را تضمین می کند؛ برای مثال در صورت نصب در یک فضای آزاد در نزدیکی یک درب، امکان انتشار رطوبت بهینه و کنترل دقیق را فراهم می کند.

رطوبت‌زنی آدیاباتیک برای سیستم های هوای در گردش

– خنک کننده غیرمستقیم “water side” یا بدون هوا + IEC

این راه حل برای صرفه جویی در مصرف انرژی از طریق خنک کننده تبخیری کاربرد دارد. هرچند که بدون اصلاح جریان هوا در داخل مرکز داده با استفاده از فن آوری خنکسازی سنتی(معمول)، مزایای آن با استفاده از کمپرسورهای BLDC به حداکثر می‌رسد.

این سیستم شامل CRAC (Computer Room Air Cooling) محیطی است، واحدهایی که دما و رطوبت هوای رفت یا اتاق سرور را کنترل می کنند. چیل بوستر بر روی dry cooler یا کندانسور نصب می‌شود، به صورت تبخیری هوای مصرفی را خنک می‌کند و با کاهش دمای گاز مبرد در مدار کاندنسینگ، به صورت  قابل توجهی در مصرف انرژی صرفه‌جویی می‌ شود. در سیستم های CRAC با اکونومایز (بهینه‌ساز) در بخش آبی وجود دارد، یعنی اینکه مجهز به یک کویل آبی هستند که با یک dry cooler بیرونی ترکیب می‌‍‌شوند، چیل بوستر سیکلی را که در آن فری کولینگ می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد، افزایش می‌دهد، بنابراین به طور قابل توجهی استفاده از خنک کننده مکانیکی کاهش می‌یابد.

تاثیر چیل بوستر بر کاهش مصرف انرژی

استفاده از کمپرسورهای با سرعت متغیر مبتنی بر فناوری BLDC ذخیره انرژی را به حداکثر می رساند، به عنوان خنک کننده ظرفیت متغیر، اجازه می دهد تا “فری کولینگ جزئی” وجود داشته باشد، به این معنی که حتی در شرایطی که هوای بیرونی نمی تواند 100٪ ظرفیت خنک کننده مورد نیاز را فراهم کند، فری کولینگ را می توان فعال کرد. در این شرایط کمپرسورهای متغیر باقیمانده ظرفیت خنک‌کنندگی مورد نیاز را تأمین می‌کنند. بنابراین، دوره زمانی که می‌توان در آن از فری کولینگ استفاده کرد، طولانی‌تر می‌شود. حتی وقتی فری‌کولینگ مستقیم به همراه دمپر هوای تازه بکار گرفته می‌شود، کنترل مداوم دمای رفت با کار کردن کمپرسور در سرعت‌های پایین، عموما راه‌حل کارآمدتری است.

طیف کاملی از راه حل های منحصر به فرد جهت صرفه جویی در انرژی برای مراکز داده توسط شرکت کارا روش صبا دفتر شرکت CAREL ایتالیا در ایران ارائه می‌گردد.

معرفی محصولات شرکت CARE در کاهش مصرف انرژی

جهت مطالعه تکمیلی به لینک زیر مراجعه نمایید :

سرمایش دیتا سنتر