سرمایش دیتا سنتر

اتاقهای مرکز داده(دیتاسنتر)، کنترل روم ها، سوئیچ روم ها و دستگاههای خاص صنعتی و دائم کار جهت حفظ کارایی خود نیاز به تجهیزات خاصی جهت خنک کاری دارند که ضمن حفظ دمای لازم نسبت به تنظیم رطوبت و دما با حساسیت بیشتری کار کنند که این دستگاهها شامل دستگاههای دائم کار اشنایدر الکتریک می باشد.

1-سیستم های تهویه مطبوع در فضاهای پردازش داده ها و دفاتر الکترونیکی

عمده تجهیزاتی که در ساختمان های پردازش داده ها و ارتباطات مخابراتی قرار می گیرند شامل کامپیوترها، سرورها، تجهیزات الکترونیکی و تاسیسات جانبی هستند. سیستم های تهویه مطبوع در چنین محیط هایی الزاماً باید بارهای محسوس داخلی بسیار زیاد که غالباً چندین برابر یک ساختمان اداری معمول هستند را دفع نمایند. همچنین این تجهیزات بایستی:

•قابلیت کارکرد در شرایط خاص و بحرانی را به صورت پیوسته داشته باشند.

•بتوانند کنترل شرایط محیطی فضا اعم از دما، رطوبت و تمیزی را به نحو احسن برقرار سازند.

•پتانسیل دفع گرمای ناگهانی ناشی از شرایط کارکرد خاص و مقطعی را دارا باشند.

طراحی تاسیسات تهویه مطبوع دیتا سنتر بایستی با این نگاه صورت گیرد که با بروز شدن تجهیزات الکترونیکی در سیکل های یک تا پنج ساله، دستگاه های انتخابی بایستی بتوانند گرمای تولیدی ناشی از دستگاه های جدید که نیازمند سرمای بیشتری هستند را تامین نمایند.

معیارهای طراحی

انواع تجهیزات داده پردازی که برای کارکرد مناسب به تهویه مطبوع نیازمند هستند شامل:

•انواع سرورهای محاسباتی

•تجهیزات ارتباطی با سطوح چگالی متفاوت

•نوارهای زخیره اطلاعات

•سرورهای ذخیره اطلاعات

•ایستگاه های کار (تک واحدی)

•سایر تجهیزاتی که روی رک یا کابینت نصب می شوند.

پرسنل هم وارد مجموعه های داده پردازی می شوند ولی حضور آنها عمدتاً گذراست و شرایط محیطی نیز غالباً با نیازمندی های تجهیزات تعیین می گردد. هر چند حضور افراد در ساختمان-های نسبتاً کوچک احتمالاً بر میزان تهویه هوا (تعویض هوا) اثر گذار است.

نگاه کلی

شرایط محیطی لازم برای تجهیزات مختلف بسته به نوع و سازنده این تجهیزات متفاوت است. مجمعی از سازندگان، چهار کلاس مختلف از شرایط استاندارد را برای چهار دسته از تجهیزات تدوین کرده اند. در برخی کاربردها از کلاس پنجمی که توسط نبز (NEBS ) تعریف شده است در طراحی فضاهای دیتا سنتر معمولی استفاده می گردد. این کلاس عمدتاً شامل مراکز ارتباطی (مخابراتی) با کنترل محیطی نقطه شبنم، دما و رطوبت نسبی می باشد.

مشخصات و الزامات محیطی

در جدول شماره (1) شرایط مجاز برای کلاس های 1 و 2 و همچنین کلاس نبز تعیین شده است. شکل A-1 شرایط دما و رطوبت پیشنهادی برای کلاس های مورد نظر را روی چارت سایکرومتریک نشان می دهد. در تصویر B-1 نیز شرایط حداقلی را برای این کلاس ها بیان می-دارد. لازم به ذکر است که دمای نقطه شبنم و رطوبت نسبی نیز در این اشکال مشخص شده-اند.

چگالی هوا نیز بر قابلیت تجهیزات دیتاسنتر در خنک شدن اثر گذار است. راهنمای طراحی تاسیسات دیتاسنتر اشره (منتشر شده در سال 2004) پیشنهاد می کند که محصولات تولید شده جهت دیتاسنترها برای تا ارتفاع 3000 متری طراحی و تولید گردد، چرا که کاهش جریان جرمی و انتقال حرارت جابجایی در ارتباط با کاهش چگالی هوا در ارتفاعات بالاتر شدیدتر هستند. به منظور لحاظ نمودن این اثر، راهنما مقدار کاهشی را برای ماکزیمم دمای مجاز به صورت یک درجه کلوین به ازای هر 300 متر ارتفاع در ارتفاعات بالای 900 متر در نظر گرفته است.

دما

برای تجهیزاتی که در معرض دمای بالا در طول زمان و یا تغییر زیاد دمایی قرار می گیرند امکان رسیدن به مرحله خاموشی وجود دارد. شرایط دمایی مورد نیاز جهت فضاهای داخلی دیتاسنتر برای همه تجهیزات بین 20 تا 25 درجه سانتیگراد توصیه می شود. محدوده توصیه شده برای مراکز مخابراتی گسترده تر بوده و بین 18 تا 27 درجه سانتیگراد است. عملکرد در محدوده مجاز بایستی برای دوره های زمانی کوتاه نیز برقرار باشد، هر چند که طراحان و اپراتورهای مجموعه نیز باید حداکثر تلاش خود را در کارکرد پیوسته در محدوده مجاز بکار گیرند.

نرخ تغییرات دمایی

برخی تولیدکنندگان تجهیزات داده پردازی معیارهایی را برای نرخ تغییرات دمایی مجاز جهت جلوگیری از وارد آمدن شوک به داده ها و تجهیزات ارتباطی تعیین کرده اند. ماکزیمم تغییرات مجاز تعریف شده در کلاس های 1 و 2 به توصیه اشره 5 درجه کلوین در ساعت است. نرخ تغییرات رطوبت نیز برای محصولات نواری و ذخیره سازی حائز اهمیت زیادی است. تغییر مجاز شرایط محیطی معمول برای محصولات نواری به صورت 2 درجه کلوین در ساعت و 5 درجه رطوبت نسبی در ساعت تعیین گردیده است.

در مواقعی که بارهای بحرانی ایجاد می شوند و دما به صورت ناگهانی شروع به بالا رفتن می کند سیستم تهویه مطبوع ممکن است خاموش شود که باید تمهیدات ویژه ای در این سیستم ها برای چنین مواقعی در نظر گرفته شود. به این معنی که باید برنامه هایی به منظورکاهش دادن دماهای بالا و برطرف نمودن شوک های ناگهانی در نظر گرفته شود.

رطوبت

رطوبت نسبی بالا ممکن است عامل خرابی هدایتی آندی ) (CAF، خرابی رطوبتی با گرد و غبار ) (HDF، خرابی ماده نوار و خوردگی و فرسایش زیادی شود. در موارد شدید، تقطیر روی سطوح سرد تجهیزات نیز می تواند واقع شود. رطوبت نسبی پایین نیز باعث تخلیه الکترواستاتیک ) (ESD شود که قابلیت تخریب بردهای الکترونیکی یا ایجاد اثرات نامطلوب را دارند. محصولات نواری در معرض رطوبت پایین دچار خرابی و مشکلاتی می شوند. به طور کلی ساختمان های دیتاسنتر باید به شیوه ای طراحی ونگهداری شوند که محدوده مجاز رطوبت رعایت گردد، ولی این مسئله نباید منجر به کاهش قابل توجه عمر مفید تجهیزات تهویه مطبوع گردد.

فیلتراسیون و آلایندگی

پیش از ورود به بحث فیلتراسیون در اتاق های داده پردازی و مخابراتی نیاز است هوای بیرون از ذرات و گازهای خورنده فیلتر شود. در جدول (1) نیز حداقل الزامات مربوط به فیلتراسیون هوا در خصوص هوای برگشتی از فضای دیتاسنتر بیان شده است. وجود ذرات می تواند عاملی در جهت گذاشتن اثرات مخرب روی عملکرد دستگاه ها باشد، بدین سبب فیلتراسیون با کیفیت بالا به همراه نگهداری مناسب و تعمیرات به موقع بسیار حیاتی هستند. گازهای خورنده نیز می-توانند فیلم (لایه) نازک فلز روی بردهای الکترونیکی را از بین برده و موجب ایجاد مقاومت بالا (الکتریکی) در ترمینال های اتصال شوند. به علاوه انباشتگی ذرات روی سطوح بردها مانعی در جهت خنک شدن آن ها می باشند.

تعویض هوا

در اتاق های دیتاسنتر سیستم های تهویه مطبوع بایستی هوای بیرون را در حجم مناسبی به دو علت اصلی وارد فضاها کنند:

1- برقراری فشار نسبی مثبت نسبت به فضاهای اطراف

2-به جهت رعایت الزامات اشره 1/62

در اتاق های سرور ایجاد فشار مثبت به جهت جلوگیری از ورود آلاینده ها به داخل فضا از معیارهای طراحی است. غالباً افراد کمی در اتاق های کامپیوتر حضور دارند، ولی مطابق با استاندارد اشره باید حداقل میزان هوای تازه مورد نیاز جهت آسایش افراد تزریق شود. آلاینده-هایی که گاها در داخل فضا تولید می شوند می توانند از علل نیاز به میزان هوای تازه بیشتر به شمار روند.

آسایش انسانی

به جهت حضور حداقلی و گذرای افراد در اتاق های سرور به آسایش انسان در چنین فضاهایی توجه چندانی نشده است. اگرچه در مراکز مخابراتی بعضاً افراد به صورت دائمی هم حضور دارند، آسایش انسان هدف اصلی در چنین محیط های نیست. پرسنلی که در دیتاسنتر کار می-کنند باید شرایطی داخلی را کاملاً در نظر بگیرند و به طور متناسب لباس بپوشند. مثلاً در راهروی گرم و سرد ممکن است هوا مطلوب پرسنل نباشد. می توان در بخش های گرم از خنک کننده های موضعی قابل حمل استفاده نمود. عامل نگرانی دیگر سوختگی سطحی است که ممکن است در اثر برخورد با سطوح داغ به وجود آید. آستانه آسیب دیدن بافت های بدن انسان دمای 44 درجه سانتیگراد است و سطوح جراحات مختلفی ممکن است در دماهای بالاتر پدید آید.

مشخصه های بارهای دیتاسنتر

بارهای سیستم تهویه مطبوع ساختمان های داده پردازی بایستی به شیوه ای مشابه سایر سیستم ها محاسبه گردند. مشخصه عمومی این ساختمان ها میزان فوق العاده بالایی بار محسوس و در نتیجه نسبت حرارت محسوس بسیار بالا می باشد. تجهیزات داده پردازی عمده-ترین عامل تولید گرما و یا بار برودتی در فضا هستند. این گرما با تمرکز بالا، به صورت غیر یکنواخت و متغیر (در زمان) می باشند. اغلب این دستگاه ها مجهز به فن های دور متغیر هستند که بسته به نیاز حجم هوای مناسبی جهت زدایش گرمای تولیدی را به فواصل تیغه ها و بردهای الکترونیکی هدایت می کنند.

در مواقع بسیار کمی نیاز به گرمایش در اتاق های دیتاسنتر وجود دارد، چرا که میزان گرمای تولیدی تجهیزات بسیار بالاست ولی در زمان راه اندازی که تعداد دستگاه ها لزوماً زیاد نیست و یا به جهت شرایط آب و هوایی بسیار سرد ممکن است به طور مقطعی نیاز به گرمایش نیز احساس شود. همچنین به جهت کنترل رطوبت، بعضا کویل های سرمایشی نیازمند گرمایش مجدد هستند. به این دلیل تجهیزات تهویه مطبوع دیتاسنتر باید مجهز به گرمکن باشند. همچنین به جهت از بین بردن خطرات ناشی از عدم تخلیه بارهای الکترواستاتیک، تجهیزات تهویه مطبوع باید مجهز به رطوبت زن هم باشند[1].

2-بررسی تجهیزات تهویه مطبوع دیتا سنترها

ممکن است استقلال سیستم تهویه مطبوع اتاق کامپیوتر از سایر فضاهای ساختمان یک مزیت به شمار رود، لکن تهویه مطبوع این فضاها به طور مرکزی باعث وجود ظرفیت اضافه آماده به طور دائم می گردد. یک سیستم هواساز کامل بایستی سرمایش، تهویه، فیلتراسیون، رطوبت زنی و رطوبت گیری و همچنین گرمایش را در طول کل سال فراهم آورد.

سیستم های تهویه مطبوع اتاق کامپیوتر یا سی.آر.ای.سی ) (CRAC به طور خاص برای فضاهای نگهداری تجهیزات داده پردازی و یا مخابراتی تولید می گردند. همچنین این سیستم ها مطابق استاندارد ANSI/ASHRAE127 با عنوان ” شیوه آزمایش جهت رده بندی واحدهای تهویه مطبوع اتاق های کامپیوتر و دیتاسنتر” مورد آزمایش قرار می گیرند.

تصویر شماره1

سرمایش

واحدهای سی.آر.ای.سی در انواع ترکیب بندی به اشکال دارای کویل آب سرد، کویل دی.ایکس هوا خنک، کویل دی.ایکس آب خنک و کویل دی.ایکس گلیکول خنک تقسیم بندی می شوند. سیستم های دی.ایکس عموماً دارای چند کمپرسور با چند مدار تبرید مجزا هستند. همچنین این سیستم ها شامل فیلترهای هوا، رطوبت زن ها و سیستم کنترل یکپارچه با پنل های کنترل از راه دور می باشند. کویل های گرمایشی نیز می توانند مورد استفاده قرار گیرند. همچنین سیستم های سی.آر.ای.سی می توانند دارای کویل های پیش سرمایش پروپیلن گلیکول و خنک کننده های خشک برای استفاده از سرمایش ارزان باشند. بعضاً سیستم های سی.آر.ای.سی برای استفاده از ظرفیت اضافه دارای کویل آب سرد هستند و از ظرفیت کویل دی.ایکس به عنوان استندبای استفاده می کنند.

محل

واحدهای سی.آر.ای.سی معمولا داخل فضاهای دیتاسنتر قرار می گیرند، ولی امکان بیرون گذاشتن آنها و کانال کشی به داخل فضا وجود دارد. در این حالت سنسورها باید به شیوه ای شوند که باعث افزایش بیهوده زمان کارکرد دستگاه ها و در نتیجه هدر رفتن انرژی مصرفی نشوند.

کنترل رطوبت

رطوبت زن های واحد سی.آر.ای.سی عموماً شامل انواع بخار، مادون قرمز و التراسونیک هستند. در انتخاب هریک از این موارد قابلیت اطمینان و شرایط نگهداری بایستی مد نظر قرار گیرد. بهتر است کلیه رطوبت زن ها به واحدهای مرکزی منتقل شوند و آب نرم نیز با سختی صفر ذره در میلیون به آنها تزریق گردد. در فرایند رطوبت گیری نیز بعضاً به جهت سرمایش بیش از حد نیاز به گرمایش مجدد وجود دارد. این گرمایش توسط کویل های آبگرم و بخار و نیز کویل الکتریکی قابل تامین است. استفاده از گرمای تولیدی کمپرسور نیز به منظور گرمایش مجدد در برخی واحدها پیش بینی شده است.

تعویض هوا

در سیستم هایی که از واحدهای سی.آر.ای.سی استفاده می کنند. ممکن استفاده از هوای بیرون در سیستمی خاص که کلیه فضاها را پوشش می دهد مطلوب باشد. این سیستم خاص اغلب مجهز به سیستم کنترل فشار و رطوبت در اتاق کنترل بوده و بر مبنای نقطه شبنم کار می کند. در این صورت سیستم اولیه تنها بار محسوس فضا را کنترل می نماید. شکل صفحه بعد یک سیستم هوای بیرون مستقل به عنوان پیش تهویه در ترکیب با سیستم گردش هوای محیط را نشان می دهد [2].

تصویر شماره2

تصویر شماره3

3-بررسی ویژگی های تجهیزات مخصوص دیتاسنترهای امروزی

دما و رطوبت ثابت

تجهیزات پیشرفته الکترونیکی مممکن است در شرایط گسترده ای از دما و رطوبت قابلیت کارکرد داشته باشند، ولی مسئله ای که عمر این دستگاه ها و قابلیت کارکرد آنها را به اندازه قابل توجهی افزایش می دهد کنترل دما در رطوبت در سطحی ثابت است. برای جلوگیری از افزایش غیر مطلوب دما، باید به طور پیوسته حرارت ایجاد شده از فضا خارج شود. با وجود اینکه سیستم های الکترونیکی فقط گرمای محسوس تولید می کنند، برای جلوگیری از خطاهای محتمل باید به طور مداوم رطوبت تحت کنترل باشد. طراحی و سیستم کنترل دستگاه های تهویه مطبوع دقیق به گونه ایست که دما و رطوبت را در محدوده بسیار کوچکی نگه دارد تا در مواقع بروز نوسان های بارهای حرارتی دمای داخل ثابت نگه داشته شود. از قابلیت های ویژه دستگاه های مورد اشاره این است که در مواقعی که شرایط داخل به مرز بحرانی نزدیک می-گردد الارم های خاصی صادر می کند تا بهره بردار را از وضعیت به وجود آمده آگاه نماید.

تصویر شماره4

نسبت سرمایش محسوس به کل

مهمترین وظیفه سیستم تهویه مطبوع مراکز حساس از بین بردن حرارت واقعی ایجاد شده در فضا توسط تجهیزات می باشد. تجهیزات الکترونیکی فقط تولید گرمای محسوس می کنند. در نتیجه هرگونه رطوبت زدایی ناخواسته (سرمایش نهان) باعث اتلاف انرژی می شود. علاوه بر آن مقداری انرژی هم باید صرف بازگرداندن رطوبت از دست رفته به فضا گردد. به عبارتی در دو مرحله یعنی گرفتن و بازگردان رطوبت باعث تلفات شدید انرژی در تجهیزات متدوال می شود که این مسئله در تجهیزات تهویه مطبوع دقیق پیش بینی شده است.

فن دمنده

یکی از مهمترین اجزاء در سیستم های سردکننده اتاق های کامپپیوتر (مخابراتی) فن دمنده است، زیرا تنها قسمتی است که باید بدون وقفه در سرویس باشد و توقف چند دقیقه ای آن مشکلات جبران ناپذیری را پدید می آورد. این فن ها غالباً با دارا بودن موتورهای ای.سی ) (EC جریان مستقیم نسبت به دستگاه های مرسوم 60 درصد انرژی الکتریکی کمتری مصرف می-کنند. سیستم کنترل میکروپروسسوری دستگاه بسته به نیاز، دور فن را کنترل نموده و تا حدود 10 سال این فن ها بی نیاز از سرویس و تعمیرات خواهند بود.

مدارهای موازی

در بسیاری از کاربردها، بار فضا در طول روز و یا طی فصل های مختلف تغییرات زیادی دارد و در نتیجه مقدار سرمایش مورد نیاز در هر لحظه متفاوت خواهد بود. در این شرایط استفاده از دستگاهی که در بار جزیی راندمان بالا داشته باشد اهمیت ویژه ای دارد. در دستگاه های تهویه مطبوع مخابراتی دو کمپرسور به صورت موازی در یک سیکل کارکرده و باعث می شود که دو مرحله سرمایش در یک سیکل انجام شود. سطح انتقال حرارت اواپراتور برای هر دو کمپرسور طراحی شده است و هنگامی که یک کمپرسور به تنهایی در حال کار است از از مزیت کویل با سایز دو برابر استفاده می کند و این امر باعث بالا رفتن ضریب عملکرد در بار جزئی می شود.

هوادهی

ظرفیت پکیج یونیت های معمول به گونه ایست که به ازای هر تن در حدود 400 فوت مکعب دردقیقه هوا دهی دارند. در کاربردهای مربوط به فضاهای دیتا سنتر، نیاز به گردش هوای بیشتری وجود دارد، چرا که گردش بیشتر هوا سبب یکنواختی بیشتر در دمای نقاط مختلف شده و از شکل گیری نقاط داغ روی سطوح بردهای الکترونیکی و تیغه های سرورها جلوگیری می نماید. همچنین فن دمنده که در برخی رک ها برای گردش هوای خنک کف کاذب در فواصل تیغه ها پیش بینی می شود نیز معمولاً ظرفیتی بیش از میزان هوادهی پکیج های معمول دارد. از این رو طراحی پکیج یونیت های مخابراتی به گونه ایست که در حدود 550 الی 600 فوت مکعب در دقیقه به ازای هرتن برودت سرمایش هوا دهی در شرایط استاندارد دارند و این مشکل را برطرف می کنند.

کارکرد زمستانی

چیلرها، پکیج یونیت ها و دیگر تجهیزات برودتی که به منظور کارکرد در زمستان طراحی می شوند (و عمدتا با عنوان صنعتی معرفی می گردند) باید به گونه ای تجهیز گردند تا آسیبی از بابت دمای زیر صفر به آن ها وارد نشود. تجهیزات خاص دیتا سنتر که در کل روزهای سال بایستی در سرویس باشند به گونه ای طراحی می گردند تا غیر از کندانسور دستگاه سایر تجهیزات مدار تبرید در یونیت داخلی قرار گیرند. این مطلب از آن جایی حائز اهمیت است که کلیه تجهیزاتی که در یونیت داخلی قرار می گیرند در دمای استاندارد داخل کار می کنند و از دمای نامطلوب بیرون در فصول بسیار گرم و بسیار سرد سال محافظت می گردند. همچنین فن کندانسور در این دستگاه ها از نوع دور متغیر طراحی شده است تا در فصول سرد مانع از مادون سرد شدن مبرد شده و کنترل دما و رطوبت دمای داخل با دقت بیشتری صورت گیرد.

در پایان شایان ذکر است شرکت تهویه نیا از سال 2008 میلادی به عنوان نماینده انحصاری کمپانی اشنایدر الکتریک-یونیفلر- ایتالیا در زمینه سیستمهای تهویه دقیق(دیتاسنتری و صنعتی) و تهویه مطبوع(مسکونی ، تجاری و ….) تا کنون فعالیت داشته و به دلیل کیفیت بالای دستگاههای این برند و خدمات مناسب پس از فروش هم اکنون بیش از 95 درصد دیتاسنتر بانکهای ایران ، مراکز حساس مخابراتی و دیتاسنترهای مهم کشور در حال حاضر از این برند استفاده می کنند.

تصویر شماره5: مربوط به پروژه شرکت مرغک(پیشرفته ترین مرغداری حال حاضر در ایران)

تصویر شماره 6: مربوط به پروژه خانه گردان در منطقه دروس تهران

مراجع:

1.ASHRAE. 2007, Application, Chapter 17, “Data Processing and Electronic Office Areas”.

2.ASHRAE. 2009, “Design Considerations for Datacom Equipment Centers”.

3.کاتالوگ های فنی شرکت تهویه نیا (در خصوص تجهیزات شرکت یونیفلر)

تهیه کنندگان : مهندس سعید دیداری، مهندس امید قلهکی, مهندس محمد باقری طاری