توضیح دقیق روش‌های خنک‌سازی مراکز داده و اصول کار آن‌ها

روش‌های سرمایشی متعددی وجود دارد که بر اساس رویکرد سرمایشی می‌توان آنها را به دو دسته سرمایش مکانیکی و سرمایش طبیعی تقسیم کرد. سرمایش مکانیکی خود به معماری‌هایی مانند سیستم‌های تهویه مطبوع انبساط مستقیم با خنک‌کننده هوا، سیستم‌های آب سرد با خنک‌کننده هوا، سیستم‌های آب سرد با خنک‌کننده آب و سیستم‌های آب خنک متمرکز تقسیم می‌شود. سرمایش طبیعی شامل فناوری‌هایی مانند سرمایش هوای تازه، مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای هوا، مبدل‌های حرارتی دوار، سرمایش تبخیری و سرمایش مایع است، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است.

I  سیستم انبساط مستقیم با خنک‌کننده هوا

کولر گازی از یک کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور تشکیل شده است. تحت عملکرد کمپرسور، مبرد درون سیستم گردش کرده و یک تغییر فاز دوگانه از مایع به گاز و بازگشت به مایع را تجربه می‌کند و یک چرخه تبرید را کامل می‌نماید، همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است. مبرد در اواپراتور گرما را از اتاق تجهیزات جذب کرده، می‌جوشد و به بخار تبدیل می‌شود. فشار مربوطه فشار تبخیر و دما دمای تبخیر نامیده می‌شود. کمپرسور به طور مداوم بخار تولید شده در اواپراتور را مکیده، آن را تا فشار تراکم فشرده کرده و سپس به کندانسور بیرونی می‌فرستد. مبرد تحت فشار تراکم به مایع تبدیل شده و گرمای آزاد شده را به هوای بیرون منتقل می‌کند.

۲ ویژگی‌های سیستم

سیستم صرفه‌جویی انرژی پمپ فلوئور عمدتاً از یک مخزن مایع، یک پمپ فلوئور و شیرهای لوله‌کشی تشکیل شده است. هنگامی که دمای محیط بیرون از دمای محیط داخل بالاتر است، سیستم کمپرسور به طور عادی کار می‌کند و سیستم پمپ فلوئور از کار می‌افتد. هنگامی که دمای محیط بیرون به زیر ۵ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، یعنی به طور قابل توجهی پایین‌تر از دمای محیط داخل است و به نقطه تنظیم کنترل سیستم می‌رسد، کمپرسور از کار می‌افتد و پمپ فلوئور شروع به کار می‌کند. مبرد پس از تبادل حرارت با هوای داخل در اواپراتور، مستقیماً وارد کندانسور هواخنک می‌شود تا با منبع سرد بیرون تبادل حرارت کند. مبرد که به حالت مایع سرد شده است، تحت تأثیر پمپ فلوئور به اواپراتور بازمی‌گردد تا به تبادل حرارت ادامه دهد و بدین ترتیب اثر صرفه‌جویی انرژی حاصل می‌شود، همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است. حالت‌های عملیاتی عادی شامل حالت کمپرسور، حالت پمپ فلوئور و حالت سرمایش ترکیبی است. در منطقه ژجیانگ، مقدار معمول PUE پس از استفاده از فناوری پمپ فلوئور حدود ۱.۴۳ است.

II سیستم تهویه مطبوع متمرکز با آب خنک‌شونده و آب سرد

۱ اصل سیستم آب سرد با خنک‌کنندگی آب

سیستم آب سرد با خنک‌کنندگی آب عمدتاً از یک چیلر آب‌خنک، مبدل حرارتی صفحه‌ای، سیستم گردش آب سرد، تجهیزات ترمینال، سیستم گردش آب خنک‌کننده و سیستم فن برج خنک‌کننده تشکیل شده است، همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است.

چیلر آب‌خنک، مبرد را از طریق کمپرسور به حالت مایع فشرده کرده و به اواپراتور می‌فرستد تا تبخیر شود. سیستم گردش آب سرد با استفاده از یک پمپ آب سرد، آب با دمای معمولی را به کویل اواپراتور می‌رساند تا با مبرد تبادل حرارت کند. آب با دمای معمولی به آب سرد با دمای پایین تبدیل می‌شود و سپس به کویل خنک‌کننده ترمینال فرستاده می‌شود تا گرما را از اتاق تجهیزات جذب کرده و دمای اتاق را کاهش دهد.

۲ ویژگی واحدهای چیلر آب‌خنک

با استفاده از خنک‌کاری آبی و واحدهای گریز از مرکز، راندمان بالا و ظرفیت زیادی ارائه می‌دهد. خنک‌کاری آبی از عیب عملکرد ضعیف خنک‌کاری که معمولاً در خنک‌کاری هوایی در تابستان دیده می‌شود جلوگیری می‌کند، عملکرد ایمن‌تر سیستم و بهره‌وری انرژی بهتر را تضمین می‌کند و برای سناریوهای با بار حرارتی بالا در مراکز داده مناسب است، همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده است.

۳ خنک‌کاری رایگان

پیکربندی سمت آب سرد نسبتاً پیچیده است. به عنوان مثال، پمپ‌ها می‌توانند به صورت تک‌مرحله‌ای یا دو مرحله‌ای طراحی شوند؛ روش تطبیق بین پمپ‌ها و چیلرها نیز متفاوت است و امکان طراحی چند چیلر به چند پمپ یا یک چیلر به یک پمپ وجود دارد. لوله‌کشی انتهایی می‌تواند از ساختارهای تک‌لوله، دو لوله یا شبکه حلقه‌ای استفاده کند و روش‌های ذخیره‌سازی سرما می‌توانند به صورت سری یا موازی در نظر گرفته شوند. رویکرد طراحی زیر یک پیکربندی معمول در مراکز داده فعلی است.

۱ اصل سیستم آب سرد با خنک‌کننده هوایی

کمپرسور چیلر هوا خنک با کمپرسور اسکرو یا کمپرسور سانتریفیوژ مغناطیسی طراحی شده است. ساختار سیستم فشرده است و عملکرد و نگهداری ساده می‌باشد، اما ظرفیت سیستم کمتر از چیلر آب خنک است. در زمان طراحی، توصیه می‌شود برای چیلر هوا خنک از کمپرسور مغناطیسی یا به عنوان جایگزین از کمپرسور اسکرو استفاده شود.

۲ سرمایش آزاد

ترکیب سیستم آب خنک‌کننده متمرکز نسبتاً ساده است و عمدتاً از یک برج خنک‌کننده بسته، پمپ آب، کندانسور پوسته-لوله و سیستم فشار ثابت تشکیل شده است. معماری نمونه در شکل ۱۰ نشان داده شده است. برای ایمنی سیستم، افزونگی و پشتیبان‌گیری نیز باید در نظر گرفته شود.

۳ ویژگی‌های سیستم آب خنک‌کننده متمرکز

مزایا: سیستم آب خنک‌کننده متمرکز فقط شامل سیستم آب خنک‌کننده است، بنابراین نسبتاً ساده بوده و سرمایه‌گذاری ساخت کمتری دارد. استفاده از برج خنک‌کننده بسته، مشکلات پیچیده نگهداری آب خنک‌کننده را حل می‌کند. استفاده از کندانسور پوسته-لوله، مشکل ورود آب به اتاق کامپیوتر را برطرف می‌کند.

به دلایل ایمنی، برخی مراکز داده گاهی از تهویه‌ی مطبوع با منبع سرمای دوگانه استفاده می‌کنند. تهویه‌ی مطبوع با منبع سرمای دوگانه به این معناست که سیستم تهویه دارای دو نوع سیستم تبرید متفاوت است. از آنجا که سیستم دارای دو نوع منبع سرمای متفاوت است، هیچ نقطه‌ی شکست واحدی وجود ندارد و سیستم با قابلیت اطمینان بالایی کار می‌کند. منابع سرمای دوگانه می‌توانند روش‌های مختلفی مانند آب سرد/آب سرد، آب سرد/خنک‌کننده‌ی مبرد و غیره را به کار گیرند. شکل ۱۱ یک واحد تهویه‌ی مطبوع با منبع سرمای دوگانه شامل سیستم مبرد و آب سرد را نشان می‌دهد. از آنجا که این واحد می‌تواند از خنک‌کاری تبخیری مستقیم یا آب سرد برای سرمایش استفاده کند، سیستم دارای قابلیت اطمینان بالایی است و نقطه‌ی شکست واحدی ندارد.

۶  فناوری خنک‌کاری مایع

با توسعه سریع تجهیزات با تراکم بالا در مراکز داده،خنک‌کنندگی در سطح سرور شروع به ظهور و استفاده کرده است که بارزترین نمونه آن فناوری خنک‌کنندگی مایع است. فناوری خنک‌کنندگی مایع شامل خنک‌کردن مستقیم تجهیزات با مایع است، جایی که مایع مستقیماً گرمای تولید شده توسط اجزای گرمایشی تجهیزات را دفع می‌کند. استفاده از خنک‌کنندگی مایع می‌تواند به دفع طبیعی گرما برای تجهیزاتی مانند سرورها دست یابد و آن را نسبت به سیستم‌های تبرید سنتی کارآمدتر و کم‌مصرف‌تر کند.

    هنگام استفاده از سیستم هوای تازه مستقیم، لازم است کیفیت هوای سالانه منطقه به طور کامل ارزیابی شود. از آنجایی که هوای بیرون حاوی اجزای مضر مانند گرد و غبار، دی‌اکسید گوگرد، سولفید هیدروژن و ازن است، ورود هوای تازه مستقیم خطر آلودگی اتاق تجهیزات و خوردگی کابینت‌ها را به همراه دارد. در عمل، باید اقدامات خاصی برای تصفیه هوا، مانند فیلتراسیون فیزیکی، فیلتراسیون شیمیایی و کنترل رطوبت، در نظر گرفته شود تا شرایط محیطی اتاق تجهیزات برآورده شود.

۲ سیستم مبدل حرارتی صفحه‌ای

با استفاده از یک مبدل حرارتی صفحهای برای جداسازی هوای بیرون به منظور تبادل حرارت، هوای خنکشده به داخل اتاق تجهیزات فرستاده میشود، همانطور که در شکل ۱۷ نشان داده شده است. از آنجایی که هوای بیرون نمیتواند مستقیماً وارد اتاق تجهیزات شود، مبدل حرارتی صفحهای برای استفاده در محیطهای دارای آلودگی هوا مناسب است. راندمان سرمایشی آن کمتر از سیستم هوای تازه است و برای محیطهای آلوده که سیستم هوای تازه مناسب نیست، کاربرد دارد. هنگامی که دمای بیرون بالا است، سرمایش مکانیکی مورد نیاز است.

۳ سیستم چرخ دوار

هوای خنکشده پس از رطوبتدهی میتواند برای خنک کردن اتاق تجهیزات استفاده شود. در کاربردهای عملی، میتوان آن را با سیستم هوای تازه ترکیب کرد. هنگامی که دمای بیرون پایین است، از هوای تازه مستقیماً برای خنکسازی استفاده میشود. با افزایش دمای بیرون، سیستم رطوبتدهی فعال میشود؛ پس از تبخیر آب و کاهش دمای هوا، هوا وارد اتاق تجهیزات شده و آن را خنک میکند. این کار مدت زمان و کارایی خنکسازی طبیعی را افزایش میدهد و برای استفاده در مناطقی با کیفیت هوای خوب مناسب است، همانطور که در شکل ۲۰ نشان داده شده است. لازم به ذکر است که فرآیند تبخیر بر رطوبت داخل اتاق تجهیزات تأثیر میگذارد.

فناوری صرفهجویی در انرژی تبخیری غیرمستقیم

با جداسازی هوای بیرون از طریق یک مبدل حرارتی تبخیری، هوای بیرون نمی‌تواند مستقیماً وارد اتاق تجهیزات شود و این روش برای استفاده در محیط‌های دارای هوای آلوده مناسب است. اگرچه راندمان سرمایشی آن کمتر از فناوری تبخیر مستقیم است، اما آلاینده‌های بیرون وارد اتاق تجهیزات نمی‌شوند. همچنین، فرآیند تبخیر بر رطوبت اتاق تجهیزات تأثیری ندارد. اصل سرمایش در شکل ۲۲ نشان داده شده است. جزء اصلی تبخیر غیرمستقیم، ماژول تبخیر است و سازمان‌دهی جریان هوای آن از دو بخش تشکیل می‌شود: جریان هوای داخلی و جریان هوای بیرون.

نتیجه‌گیری

مراکز داده باید بر اساس عواملی مانند مقیاس ساخت، موقعیت جغرافیایی و شرایط آب‌وهوایی، روش‌های سرمایشی مناسب و رویکردهای سرمایش طبیعی را انتخاب کنند تا هزینه‌های سرمایش را به طور کامل کاهش داده و منافع اقتصادی را افزایش دهند.