سیستم انرژی بهره ور برای مراکز داده (مقاله ترجمه شده)

چکیده

یک مرکز داده  مکانی جهت نگهداری تجهیزات کامپیوتری است. تخمین زده می‌شود که هر دو سال نرخ حرارت تولید شده در مرکز داده دو برابر شده و در کنار آن ناتوانی در سرد کردن سیستم رو به افزایش است. در همین حال مصرف انرژی مرکز داده رو به رشد است و هزینه بالایی برای مصرف انرژی در سیستم سرمایش در مقایسه با تامین تجهیزات می‌گردد. در نتیجه تمایل به صرفه‌جویی انرژی در بخش سرمایش رو به فزونی است. در این مقاله، به سراغ دو سیستم اولیه سرمایش آزاد  به نام‌های صرفه‌جوی هوایی  و صرفه‌جوی آبی  رفتیم. یک سیستم سرمایش آزاد در زمانی که شرایط جوی متناسب با مقررات سرمایشی ASHRE باشد، هوای بیرون را که با زور وارد مرکز شده است مورد مصرف قرار می‌دهد. علاوه بر آن، با استفاده از ابزار تحلیل‌گر تجهیزات سرمایشی تریس بررسی و شبیه‌سازی تخمینی صورت گرفت. در این مطالعه، مصرف انرژی در یک مرکز داده با سیستم سرمایشی متداول مورد مقایسه با صرفه‌جوی هوایی و صرفه‌جوی آبی در سه منطقه مختلف شیکاگو ، آتلانتا  و فونیکس  قرار گرفت. با توجه به این مسئله که در هر سه منطقه هوای بیرون در بیشتر سال خنک می‌باشد. نتایج حاصل نشان داده است که استفاده از هر دو سیستم صرفه‌جوی کاهش مصرف انرژی و هزینه نسبت به سیستم‌ متداول را در پی دارد. استفاده از سیستم صرفه‌جو اجازه می‌دهد تا تحت شرایط مطلوب جوی، خنک‌کننده خاموش شده و یا مصرف انرژی آن کاهش یابد. نتایج نشان می‌دهند که صرفه‌جوی آبی همواره عملکرد بهتری نسبت به صرفه‌جوی هوایی دارد که باعث بهبود چشمگیر بازدهی و هزینه‌ها در مرکز داده می‌شود. نسبت کارایی  سیستم‌های متداول، صرفه‌جوی هوایی و صرفه‌جوی آبی به ترتیب 50%، 76% و 79% است که نشان می‌دهد سیستم‌های صرفه‌جو نسبت به سیستم متداول از لحاظ اقتصادی به صرفه‌تر هستند.

مقدمه

یک مرکز داده مکانی جهت نگهداری از تجهیزات مربوط به کامپیوتر نظیر سرور، ابزارهای ذخیره‌سازی و ابزارهای شبکه، تجهیزات پشتیبانی نیرو و کنترل‌کننده‌های محیطی همچون تهویه هوا، ضد حریق و ابزارهای امنیتی است. روز به روز مصرف انرژی یک مرکز داده در حال افزایش و هزینه برق مصرفی بیش از تامین تجهیزات است. در آزمایشگاه ملی لورنس برکلی  مطالعاتی روی نحوه مصرف انرژی چندین مرکز داده صورت گرفته است [1]. تخمین زده شده که تنها 30% از انرژی توسط تجهیزات IT، 40% انرژی صرف سیستم سرمایش و 30% دیگر در برق اضطراری و روشنایی است. هدف اولیه مدیریت انرژی در مرکز داده به حداقل رساندن مصرف انرژی و به حداکثر رساندن کارایی تجهیزات فعال است. بر اساس پیشنهاد سازمان مهندسی گرما، سرما و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE)[2] دمای یک اتاق مرکز داده باید در محدوده (C˚16 الی C˚24) و یا (F˚61 الی F˚75) و رطوبت نسبی در محدوده (40% الی 60%) باشد. ایجاد چنین محیطی با قرار دادن هر یک از تجهیزات در معرض هوای خنک قابل دستیابی است. از اینرو دمای هیچ یک از تجهیزات مرکز داده هرگز به بالای حداکثر دمای مجاز آن‌ها نخواهد رسید، در حالی که دمای اتاق و سطح رطوبت آن در محدوده ASHRAE قرار دارد.

در سیستم سرمایش سنتی [3] سرورها روی سطح بلندی با کاشی‌های سوراخ‌دار قرار می‌گیرند. قفسه‌ها به صورت ردیف‌های متوالی قرار گرفته که به دالان شکل گرفته بین دو ردیف مجاور راهرو می‌گویند. مسیر عبور هوای سرد، راهروی سرد و مسیر عبور هوای گرم، راهروی گرم نامیده می‌شوند. شکل 1 مقطعی از راهروهای سرد و گرم را به نمایش می‌گذارد. در این سیستم، هوا وارد بخش بالایی واحد CRAC (تهویه هوای اتاق کامپیوتر) شده و از روی پیچه‌های خنک‌کننده که به وسیله ادوات سرمایش سرد شده‌اند عبور می‌کند و هوای سرد به زیر محفظه‌ی هوا فرستاده می‌شود. فن‌های درون سرور هوای سرد را از میان کاشی‌های سوراخ‌دار به بالا کشیده و سپس هوای سرد توسط ردیف جلویی سرور جذب شده و هوای گرم حاصل از تجهیزات را به پشت این ردیف‌ها می‌فرستد. هوای گرم جدا شده بالا می‌رود و به ورودی واحد CRAC می‌رسد. این روش تنها در مراکز داده سطح پایین تا متوسط عملکرد مناسبی دارد و کارایی خوبی در مراکز سطح بالا نشان نمی‌دهد. علاوه بر این مخلوط شدن هوای سرد و گرم در بالا و اطراف قفسه‌ها به علت سرریز سیستم سرمایش باعث اتلاف انرژی می‌گردد.

کارهای مرتبط

مطالعات نشان می‌دهند که در مسائل مدیریت حرارتی همچون بهبود نرخ جریان هوا، افزودن فن‌های بیشتر نمی‌تواند از عهده نیروهای حرارتی زیاد برآمده و علاوه بر ایجاد سر و صدای بسیار[4] گران بوده و در نهایت باید روش‌های جایگزینی نظیر سیستم سرمایشی ردیف محور به کار گرفته شوند.

سیستم سرمایش صرفه‌ جوی آزاد

صرفه‌ جوی هوایی

در این بخش به بررسی سیستم صرفه‌جوی سرمایش آزاد می‌پردازیم که در زمان تناسب شرایط جوی با مقررات سرمایشی ASHRE از هوای بیرون استفاده می‌کند. سیستم صرفه‌جوی با تعلیق و یا کاهش زمان کار سیستم سردکن و تجهیزات مرتبط با آن می‌تواند تاثیر شگرفی بر مصرف انرژی بگذارد. شکل 2 نمایش سطح مقطعی از سیستم صرفه‌جوی هوایی که در آن واحد هواساز (AHU) به جهت استفاده از هوای بیرون در خارج از اتاق مرکز داده قرار گرفته است. جداکننده داخل اتاق هوای سرد و گرم را تفکیک کرده تا از آمیزش هوای سرد و گرم درون اتاق سرمایش مرکز داده جلوگیری نماید. یک نمایشگر دما درون AHUدمای بیرون را اندازه‌گیری می‌کند. وقتی که دمای بیرون برابر و یا کمتر از دمای هوای مورد استفاده برای خنک کردن تجهیزات باشد، فن بسیار کارآمد درون AHUهوای خارج را به داخل مرکز داده می‌کشد و هوای گرم حاصل از تجهیزات را به بیرون می‌راند. وقتی که مرکز داده 100% از هوای بیرون استفاده می‌کند، واحد سردکن و تجهیزات مرتبط با آن از کار می‌افتند. وقتی که دمای بیرون بیش از دمای مورد نیاز باشد، واحد سردکن باید وارد عمل شده تا تجهیزات را خنک کند. صرفه‌جوی هوایی می‌تواند مشکلاتی از قبیل ورود آلاینده‌ها به مرکز داده را به همراه داشته باشد که باعث آسیب رسیدن به عملکرد تجهیزات آن می‌شود. بنابراین فیلترهای به شدت کارآمدی مورد نیاز است تا از ورود غبار جلوگیری به عمل آورد که خود نیازمند مصرف انرژی اضافی می‌باشد. علاوه بر این برای انتقال 100% هوا از خارج به داخل سیستم نیازمند مصرف انرژی بیشتری برای فن می‌باشد. همچنین نیازمند به سیستم رطوبت‌زن نیز می‌باشیم، زیرا که رطوبت هوای بیرون در دمای پایین کافی نیست. اما این انرژی اضافه (1%) در برابر صرفه‌جویی حاصل از غیرفعال شدن واحد سردکن (30% الی 40%) بسیار ناچیز است.

جزئیات طرح

محیط آزمایش

انرژی مصرفی در حالت‌های مختلف با استفاده از برنامه انرژی شرکت تریس شبیه‌سازی شده است. نرم‌افزار شرکت تریس یک برنامه تحلیل نیرو، سیستم، انرژی و اقتصادی است که برای ساختمان‌هایی مشابه ویژگی‌های معماری، سیستم‌های CRAC ، کاربری ساختمان و یا زمان‌بندی و امکانات اقتصادی را از منظر انرژی و به صرفه بودن مقایسه می‌کند. این برنامه استانداردهای ASHRAE و بسته کتابخانه‌ها، مقالات gbXML (XMLساختمان سبز)، فایل‌های هواشناسی، الگوها، رویه نرخ تهویه 2010-1/62 ASHRAE، اطلاعات مدل‌سازی ساختمان (BIM) و موارد دیگری را پوشش می‌دهد.

نتیجه‌ گیری

طرح سیستم سرمایش صرفه‌جوی آزاد در مراحل ابتدایی آن است. در مناطق مختلف جهان صرفه‌جوی‌ها در مراکز داده نصب و مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌اند. در این تحقیق سه منطقه مختلف شیکاگو، آتلانتا و فونیکس جهت ارزیابی صرفه‌جویی قابل دستیابی به استفاده از صرفه‌جوها در نظر گرفته شدند. در حالی که استفاده از هر دو صرفه‌جوی هوایی و آبی به سردکن اجازه خاموش شدن و کاهش بار انرژی مصرفی آن در شرایط مناسب آب و هوایی را می‌دهند، نتایج بیان می‌دارند که صرفه‌جوی آبی عملکرد بهتری نسبت به صرفه‌جوی هوایی دارد. این امر باعث بهبود قابل توجه بازدهی سیستم سرمایش و هزینه‌های مرکز داده است. صرفه‌جویی حاصل از صرفه‌جوها به اقلیم منطقه بستگی دارد به طوری که در هوای سردتر ساعات کار صرفه‌جوی افزایش می‌یابد. بر اساس نتایج، سیستم صرفه‌جوی بیشترین صرفه‌جویی را در شیکاگو و کمترین آن را در آتلانتا به همراه دارد. نسبت عملکرد سیستم‌های سنتی، صرفه‌جوی هوایی و صرفه‌جوی آبی به ترتیب 2 = PUEو یا 50% = DCE، 32/1 = PUEو یا 76% = DCE و 27/1 = PUEو یا 79% = DCE می‌باشد که نشان‌دهنده صرفه‌جویی بیشتر با استفاده از سیستم‌های صرفه‌جوی نسبت به سنتی می‌باشد.

این مقاله در سال 2011 در نشریه آی تریپل ای و در کنفرانس بین المللی فناوری و علم رایانش ابری، توسط گروه مهندسی نرم افزار منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله سیستم انرژی بهره ور برای مراکز داده در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.