Tính toán nhu cầu làm lạnh cho trung tâm dữ liệu (Data Center)
Tất cả các thiết bị điện tử khi hoạt động đều sinh ra nhiệt, và chúng ta cần ngăn chặn sự quá nhiệt làm cho thiết bị hư hỏng. Hấu hết các thiết bị công nghệ thông tin và các thiết bị khác trong trung tâm dữ liệu hoặc phòng máy tính được làm mát bằng không khí. Việc tính toán hệ thống làm mát đòi hỏi một sự hiểu biết về lượng nhiệt được sinh ra bởi thiết bị bên trong một không gian “đóng”, cùng với lượng nhiệt được sinh ra bởi các nguồn nhiệt thường gặp khác.
ĐO LƯỜNG NHIỆT PHÁT SINH
Nhiệt là một dạng năng lượng và được biểu diễn chung bằng các đơn vị như Joules, BTU, Tons và Calories. Thông thường, trị số phát sinh nhiệt của thiết bị được tính bằng BTU/giờ, Tons/ngày và Joules/giây (tương đương Watts). Không có lý do thuyết phục nào giải thích tại sao tất cả những đơn vị đo lường khác nhau này được sử dụng để biểu thị cùng một thứ, vậy mà còn có thể được sử dụng để biểu thị năng lượng và khả năng làm lạnh. Việc sử dụng lẫn lộn các đơn vị đo lường này có thể gây ra rất nhiều nhầm lẫn tai hại cho người dùng và các chuyên viên. May mắn thay, có một xu thế toàn cầu giữa các tổ chức thiết lập tiêu chuẩn để chuyển tất cả đo lường về năng lượng và khả năng làm lạnh về cùng một tiêu chuẩn, chính là đơn vị Watt. Các đơn vị cổ xưa như BTU và Tons sẽ dần rút lui theo thời gian.
Chính vì những lý do trên, bài viết này sẽ bàn luận thêm về khả năng cấp nguồn và làm lạnh với đơn vị Watt. Việc sử dụng Watts như là tiêu chuẩn chung là một sự tình cờ, bởi vì nó làm đơn giản hoá liên kết công việc với thiết kế trung tâm dữ liệu vốn sẽ được giải thích sau.
Ở khu vực Bắc Mỹ, chi tiết kỹ thuật về khả năng cấp nguồn và làm lạnh vẫn thường được cung cấp dưới các đơn vị cổ điển là BTU và Tons. Vì vậy, để các bạn dễ tham khảo, tôi xin cung cấp một vài tỉ lệ chuyển đổi đơn vị như sau:
BTU/giờ = Watt x 3.41 (hoặc Watt = BTU/giờ x 0.293)
Tons = Watt x 0.000283 (hoặc Watt = Tons x 3.53)
Năng lượng do máy tính và các thiết bị công nghệ thông tin khác truyền qua đường dữ liệu là không đáng kể. Bởi vậy, năng lượng tiêu thụ từ đường dây nguồn AC về cơ bản là được chuyển toàn bộ thành nhiệt. Việc này cho phép chúng ta xem như lượng nhiệt phát sinh của thiết bị IT (tính bằng Watt) đơn giản là bằng với chính công suất tiêu thụ của nó (tính bằng Watt). BTU/giờ, đôi khi được cung cấp trong datasheet của thiết bị, không cần thiết trong việc xác định lượng nhiệt phát sinh bởi thiết bị. Một lần nữa, lượng nhiệt phát sinh bằng chính công suất đầu vào.
Lưu ý: có một ngoại lệ cho nguyên tắc này là trường hợp Router VoIP. Có thể lên đến 30% nguồn tiêu thụ của router được truyền cho thiết bị đầu cuối, do đó tải nhiệt của router có thể thấp hơn lượng điện năng mà nó tiêu thụ.
XÁC ĐỊNH LƯỢNG NHIỆT PHÁT SINH CỦA MỘT HỆ THỐNG HOÀN CHỈNH
Lượng nhiệt phát sinh của toàn bộ hệ thống chính là tổng lượng nhiệt phát sinh của các thành phần bên trong đó. Hệ thống hoàn chỉnh bao gồm các thiết bị IT, cộng thêm các yếu tố khác như UPS, Power Distribution, Air Conditioning Unit, đèn chiếu sáng và cả con người. Các bạn đừng lo lắng khi thấy vấn đề có vẻ phức tạp, thật ra thì trị số phát sinh nhiệt của các yếu tố đó có thể được xác định dễ dàng thông qua các quy tắc đã được chuẩn hoá và đơn giản.
Phát sinh nhiệt của UPS và hệ thống phân phối nguồn bao gồm một tổn thất cố định và một tổn thất tỉ lệ thuận với nguồn hoạt động. Những tổn thất này là như nhau đối với các nhãn hiệu và model thiết bị hoặc xấp xỉ nhau mà không gây ra lỗi đáng kể. Hệ thống chiếu sáng và con người cũng có thể được ước lượng một cách dễ dàng với các giá trị tiêu chuẩn. Thông tin duy nhất được đòi hỏi để xác định tải lạnh cho hệ thống hoàn chỉnh là một vài giá trị có sẵn, ví dụ như diện tích sàn và trị số của hệ thống nguồn điện.
Bản thân thiết bị làm lạnh cũng tạo ra một lượng nhiệt đáng kể từ quạt và máy nén. Lượng nhiệt này được thải ra bên ngoài và không tạo nên một tải nhiệt bên trong data center. Tuy nhiên, nó vẫn làm giảm đi hiệu suất của máy lạnh và và thường được được tính vào khi máy lạnh được định cỡ.
Một phân tích nhiệt chi tiết sử dụng dữ liệu về phát sinh nhiệt của mọi yếu tố trong data center là có thể, nhưng một sự ước lượng nhanh sử dụng các quy tắc cơ bản cũng đem lại kết quả với sai số nằm trong giới hạn cho phép của phân tích phức tạp hơn. Ước lượng nhanh cũng có ưu điểm là nó có thể được thực hiện bởi bất kỳ ai mà không đòi hỏi phải đào tạo hay những kiến thức chuyên môn phức tạp.
Để tính toán nhanh tải nhiệt, chúng ta sử dụng bảng bên dưới, nó cho phép xác định tổng phát sinh nhiệt của trung tâm dữ liệu một cách nhanh chóng và đáng tin cậy.
(*): nếu hệ thống UPS thiết kế theo kiểu redundant thì không cộng vào công suất của các UPS dự phòng. Ví dụ: hệ thống gồm 2 UPS có công suất 25kW/UPS chạy redundant ở chế độ N+1 thì chỉ tính công suất là 25kW chứ không phải 50kW.
VÍ DỤ VỀ MỘT HỆ THỐNG TIÊU BIỂU
Chúng ta lấy ví dụ về một trung tâm dữ liệu rộng 5000ft² (465m²) có công suất 250kW với 150 tủ rack, số lượng nhân viên tối đa là 20 người. Trong ví dụ này, giả định rằng data center hoạt động ở mức 30% công suất. Tổng tải của thiết bị IT trong trường hợp này là 30% của 250kW, tức là 75kW. Dưới điều kiện thông thường, tổng phát sinh nhiệt của data center là xấp xỉ 105kW, cao hơn tải thiết bị IT khoảng 50%.
Trong ví dụ tiêu biểu này, tỉ lệ tham gia của các thành phần khác nhau vào tổng phát sinh nhiệt của data center được thể hiện theo biểu đồ bên dưới.
Ghi chú: tỉ lệ phát sinh nhiệt của UPS và thiết bị phân phối nguồn trong biểu đồ trên chỉ áp dụng trong trường hợp hệ thống hoạt động ở 30% công suất. Nếu hệ thống hoạt động ở 100% công suất, hiệu suất của hệ thống nguồn sẽ tăng lên và tỉ lệ góp phần phát sinh nhiệt của chúng sẽ giảm đi. Tổn thất đáng kể về hiệu suất này thật sự là lãng phí của một hệ thống quá cỡ (để hiểu thêm về vấn đề này, các bạn có thể tham khảo White Paper số 37 của hãng APC: “Avoiding Costs From Oversizing Data Center and Network Room Infrastructure”).
NHỮNG NGUỒN NHIỆT KHÁC
Các phân tích trước đây thường bỏ qua các yếu tố môi trường, ví dụ như ánh mặt trời chiếu qua cửa sổ hoặc nhiệt được dẫn vào từ vách ngoài. Nhiều trung tâm dữ liệu nhỏ và phòng máy tính không có vách hoặc cửa sổ tiếp giáp trực tiếp với môi trường ngoài (do nằm bên trong một toà nhà), do đó sẽ không có vấn đề nếu bỏ qua yếu tố môi trường. Tuy nhiên, đối với trung tâm dữ liệu lớn có vách hoặc mái phơi bày trực tiếp ra ngoài, các nguồn nhiệt bổ sung xâm nhập vào data center cần phải được loại bỏ bởi hệ thống điều hoà nhiệt độ.
Nếu phòng dữ liệu được đặt bên trong phạm vi của một thiết bị điều hoà nhiệt độ, các nguồn nhiệt khác có thể được bỏ qua. Nếu data center có vách và trần phơi bày ra ngoài một cách đáng kể, nhà tư vấn về HVAC (Heating/Ventilation/Air Conditioning) cần phải đánh giá lượng nhiệt bổ sung này và cộng nó vào tổng lượng nhiệt phát sinh của hệ thống đã được xác định như ở phần trên.
ĐỘ ẨM
Không chỉ kiểm soát nhiệt độ, một hệ thống điều hoà không khí cho trung tâm dữ liệu còn kiểm soát cả độ ẩm. Một cách lý tưởng, khi đã đạt được độ ẩm theo yêu cầu, hệ thống sẽ hoạt động với một lượng hơi nước không đổi trong không khí và không cần sự tác động về độ ẩm. Nhưng thật không may, trong hầu hết các hệ thống điều hoà không khí, chức năng làm lạnh không khí gây ra sự ngưng tụ hơi nước đáng kể, hậu quả là độ ẩm trong không khí sẽ bị giảm. Vì thế, việc làm ẩm bổ sung là cần thiết để duy trì độ ẩm ở mức được yêu cầu.
Việc làm ẩm bổ sung tạo ra thêm tải nhiệt trên hệ thống CRAC (Computer Room Air Conditioning), làm giảm khả năng làm lạnh của hệ thống một cách rõ rệt. Vì vậy cần phải xem xét yếu tố này khi tính toán công suất hệ thống.
Với các phòng máy tính nhỏ, một hệ thống điều hoà không khí có cách ly lượng khí hồi về với lượng khí cấp ra bằng cách sử dụng hệ đường ống có thể hạn chế được sự ngưng tụ hơi nước, do đó không cần phải bổ sung độ ẩm liên tục. Điều này cho phép tận dụng 100% công suất và đạt hiệu suất làm lạnh tối đa.
Đối với các trung tâm dữ liệu lớn với một lượng lớn không khí trộn lẫn với nhau, hệ thống CRAC phải cung cấp không khí ở nhiệt độ thấp để khắc phục ảnh hưởng tuần hoàn của không khí nhiệt độ cao thoát ra từ thiết bị. Điều này làm giảm độ ẩm không khí đáng kể và đòi hỏi sự làm ẩm bổ sung. Do đó, năng suất và hiệu suất của hệ thống điều hoà không khí bị giảm đi đáng kể, công suất của hệ thống CRAC phải được tính toán tăng thêm khoảng 30% so với bình thường.
Để hiểu thêm về vấn đề độ ẩm trong trung tâm dữ liệu, các bạn có thể tham khảo White Paper số 58 của hãng APC: “Humidification Strategies for Data Centers and Network Rooms”.
ĐỊNH CỠ HỆ THỐNG ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ
Một khi nhu cầu làm lạnh đã được xác định, chúng ta có thể định cỡ (sizing) một hệ thống điều hoà không khí. Những yếu tố sau đây, vốn đã được mô tả ở phía trên, cần được quan tâm;
· Mức tải lạnh của thiết bị (bao gồm cả thiết bị cấp nguồn).
· Mức tải lạnh của toà nhà.
· Mức độ ảnh hưởng của độ ẩm.
· Yếu tố redundancy.
· Nhu cầu tăng thêm trong tương lai.
KẾT LUẬN
Việc xác định nhu cầu làm lạnh của các hệ thống IT có thể quy thành một tiến trình đơn giản để bất kỳ ai cũng thực hiện được mà không cần phải đào tạo nhiều. Việc biểu thị tất cả đo lường của nguồn điện và làm lạnh bằng đơn vị Watt là yếu tố giúp đơn giản hoá tiến trình. Một nguyên tắc chung là công suất cực đại của hệ thống CRAC nên bằng 1.3 lần tổng công suất thiết bị IT cộng với các khoản dự phòng khác. Phương pháp này cho kết quả đúng với trung tâm dữ liệu có diện tích dưới 4000ft² (tương đương 372m²).
Đối với các trung tâm dữ liệu lớn hơn, chỉ đơn thuần dựa vào công suất tiêu thụ của thiết bị IT thì chưa đủ để chọn được hệ thống máy lạnh. Ảnh hưởng của các nguồn nhiệt khác như vách tường và trần nhà cùng với sự tuần hoàn của dòng khí là đáng kể và cần được xem xét cho từng trường hợp lắp đặt cụ thể.
Thiết kế của hệ đường ống dẫn khí hoặc sàn nâng kỹ thuật cũng tác động đáng kể lên hiệu suất chung của hệ thống, đồng thời tác động lớn đến tính chất đều của nhiệt độ bên trong trung tâm dữ liệu. Sự tuân theo kiến trúc hệ thống phân phối khí dạng mô-đun, đơn giản và được chuẩn hoá, kết hợp với phương pháp ước lượng tải nhiệt đơn giản đã được mô tả, có thể làm giảm đáng kể những đòi hỏi về kiến thức chuyên ngành trong việc thiết kế trung tâm dữ liệu.
