Trong thập kỷ qua, đa số các công ty đã nhận thức được lợi ích của việc quản lý luồng khí bên trong Trung Tâm Dữ Liệu (TTDL) mà trong đó có cả các hệ thống nhốt khí. Khi nhiệt độ trung bình của các thiết bị trong mỗi tủ rack tăng lên, việc sắp xếp các tủ rack theo mô hình nhốt khí nóng/lạnh truyền thống không phải là một giải pháp hiệu quả. Các Hiệp hội đầu ngành đã xem hệ thống làm mát gián tiếp và trực tiếp bằng chất lỏng là một giải pháp khả thi cho các ứng dụng mật độ cao. Bên cạnh đó, họ vẫn sử dụng hệ thống nhốt khí cho các TTDL biết trước mật độ tủ rack và TTDL có mật độ tủ rack trung bình. Hơn nữa, hệ thống nhốt khí còn có thể được cải tiến từ mô hình nhốt khí nóng/lạnh, các ứng dụng tiết kiệm và các hệ thống làm mát bằng khí tự nhiên.
Bài viết này sẽ so sánh ba mô hình nhốt khí trong TTDL, và nêu ra một số điểm khác biệt quan trọng để phân biệt mô hình nhốt khí này với mô hình khác. Hiểu được những điểm khác biệt này sẽ giúp người dùng đưa ra quyết định lựa chọn mô hình nhốt khí hiệu quả nhất để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cho TTDL của mình.
Ba mô hình nhốt khí
Hệ thống nhốt khí sẽ tách biệt các luồng khí nóng và lạnh, giảm khối lượng khí di chuyển đến các thiết bị làm mát, giúp cải thiện độ hiệu quả và giảm chi phí cho hệ thống làm mát. Có ba mô hình nhốt khí cơ bản, với mỗi mô hình sẽ có những ưu điểm và thách thức cần được xem xét.
1.Tủ chứa máy chủ có ống thoát khí (Ducted Exhaust Cabinets-DEC): Là các tủ rack chứa máy chủ có gắn kèm một ống thoát khí dọc ở phía sau của nóc tủ như ở hình 1 thể hiện. Khí nóng thoát ra từ các máy chủ bên trong tủ rack sẽ bị tách biệt hoàn toàn với luồng khí lạnh trong phòng bởi các ống thoát khí dọc trên nóc tủ. Ống thoát khí này sẽ dẫn khí nóng hòa vào trong hệ thống dẫn khí chung trên trần nhà để quay về hệ thống làm mát hoặc thoát ra bên ngoài. Đây là giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất về chi phí để triển khai và chuyển đổi. Theo đó, với cách tiếp cận này ống thoát khí sẽ là đường dẫn khí nóng và toàn bộ không gian phòng sẽ là đường dẫn khí lạnh để làm mát thiết bị.
Các tủ rack có thể đặt ở bất cứ nơi đâu trong phòng và theo bất kỳ hướng nào, không nhất thiết phải sắp xếp theo mô hình nhốt khí nóng/lạnh truyền thống. Hơn nữa, khi triển khai các tủ rack này không đòi hỏi giới hạn độ thông thoáng, vị trí của các cột bê tông và kết cấu hỗ trợ trong tòa nhà sẽ không ảnh hưởng đến việc triển khai. Đồng thời, giải pháp này còn giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng sàn nâng.
Khí lạnh được phủ khắp nơi trong phòng, không bị giới hạn trong phạm vi mặt trước của tủ. Các thiết bị hỗ trợ được đặt ở bất kỳ đâu sẽ vẫn được làm mát hiệu quả. Nếu phòng có sàn nâng, các khí lạnh rò rỉ qua các tấm sàn nâng vào trong đường dẫn khí lạnh mà không bị lãng phí.
Tuy nhiên, giải pháp này vẫn gặp phải nhiều thử thách như phải có hệ thống dẫn khí trên trần nhà và bổ sung vòng đệm trên bộ xử lý luồng khí để tạo ra một chu trình khép kín hoàn toàn, các ống thoát khí phải đặt trên mỗi tủ rack và kéo dài đến hệ thống dẫn khí trên trần nhà. Một số thiết bị không đề cập đến tùy chọn ống thoát khí dọc mà đòi hỏi bên thứ ba phải cung cấp ống này. Ngoài ra, tốc độ của quạt trên bộ xử lý luồng khí phải được điều chỉnh phù hợp với các yêu cầu của thiết bị, việc này đòi hỏi một số thiết bị phải được nâng cấp với các quạt có tốc độ điều chỉnh được. Hơn nữa, điều kiện hoạt động tối ưu có thể đòi hỏi phải bổ sung thêm một số công cụ hoặc các bộ điều khiển HVAC.
2.Hệ thống nhốt khí nóng (Hot Aisle Containment-HAC): Mô hình phổ biến nhất trong các giải pháp nhốt khí đang được sử dụng hiện nay. Ở phương pháp này, một hệ thống ống dẫn và vách ngăn khí được thiết lập cho khí nóng, sử dụng loại cửa kín ở cả lối vào và ra như hình 2. Giải pháp HAC sẽ chứa và cô lập khí nóng thoát ra từ phòng, ngăn chặn chúng quay về và trộn lẫn vào luồng khí lạnh. Khí nóng thoát ra theo hệ thống ống dẫn nối với hệ thống thông khí trên trần nhà để về thiết bị làm mát.
Kiến trúc của HAC bao gồm hệ thống nhốt khí là lối đi nóng và toàn bộ phòng là lối đi lạnh. HAC loại bỏ nhu cầu sàn nâng, luồng khí lạnh có thể được truyền đi từ bất cứ đâu trong phòng, không giới hạn luồng khí lạnh phải đi vào từ mặt trước của tủ. Các thiết bị hỗ trợ có thể được đặt ở bất kỳ vị trí nào mà vẫn được làm mát hiệu quả. Nếu trong phòng có sàn nâng, khí lạnh thoát ra qua các lỗ sàn vẫn sẽ đi vào lối đi lạnh mà không bị lãng phí.
Tuy nhiên, việc triển khai và thay đổi đối với hệ thống HAC sẽ rất phức tạp và tốn kém hơn so với DEC. Các tủ rack phải được đặt sát nhau theo từng dãy, phải triển khai theo từng cặp (hai dãy tủ kết hợp với nhau) để tạo thành lối đi nóng, và chiều dài của dãy tủ rack trong một cặp phải bằng nhau, song song và thẳng hàng. Khoảng cách giữa hai dãy tủ rack có thể được yêu cầu để đảm bảo độ thông thoáng, và phù hợp với kích thước cửa tại hai đầu của dãy tủ rack.
Mô hình này đòi hỏi phải có hệ thống dẫn khí trên trần nhà. Khi đó, ống thoát khí phải đặt trên đường dẫn khí nóng và kéo dài đến hệ thống dẫn khí trên trần nhà. Ngoài ra, chính quyền địa phương có thể yêu cầu độ thông thoáng lớn hơn giữa ống dẫn và trần nhà tùy thuộc vào nhiệt độ bên trong ống dẫn. Họ xem hệ thống nhốt khí nóng như là một khu vực nguy hiểm, đòi hỏi phải bổ sung thêm các thiết bị an toàn và các bảng hiệu cảnh báo.
Hệ thống chứa có thể đạt đến mức nhiệt độ không thoải mái cho nhân viên. Ngoài ra, tốc độ của quạt trên bộ xử lý luồng khí phải được điều chỉnh phù hợp với các yêu cầu của thiết bị, việc này đòi hỏi một số thiết bị phải được nâng cấp với các quạt có tốc độ điều chỉnh được. Hơn nữa, điều kiện hoạt động tối ưu có thể đòi hỏi phải bổ sung thêm một số công cụ hoặc các bộ điều khiển HVAC.
3.Hệ thống nhốt khí lạnh (Cold Aisle Containment-CAC): Thường được sử dụng trong môi trường trung tâm dữ liệu, nơi luôn có hệ thống sàn nâng. Như hình 3 thể hiện, phần vách ngăn được thiết lập trên luồng khí lạnh, và được lắp kín bởi các cửa ở hai đầu. Mô hình này sẽ cô lập luồng khí lạnh, giữ chúng tách biệt với luồng khí nóng bên ngoài. Khi khí nóng thoát ra sẽ bay tự do trong không gian của lối đi nóng và quay về bộ xử lý của hệ thống làm mát.
CAC là giải pháp áp dụng dễ dàng cho các môi trường đang sử dụng mô hình nhốt khí nóng/lạnh, đặc biệt là các trung tâm dữ liệu sử dụng hệ thống sàn nâng để cung cấp luồng khí lạnh. Hệ thống nhốt khí là lối đi lạnh và toàn bộ phòng là lối đi nóng. Tuy nhiên, việc triển khai và thay đổi đối với hệ thống CAC sẽ phức tạp và tốn kém hơn so với DEC. Các tủ rack phải được đặt sát nhau theo hàng lối đi nóng/lạnh và được triển khai theo từng đôi dãy tủ rack để tạo thành lối đi lạnh. Hệ thống này có thể yêu cầu chiều dài của dãy tủ để đảm bảo các dãy tủ đúng kích thước quy định, song song và thẳng hàng; mặc dù vẫn có một số giải pháp triển khai trên các lối đi không đều nhau.
Thách thức của hệ thống nhốt khí này là không gian cho lối đi lạnh phải đủ lớn để đảm bảo độ thông thoáng và phù hợp với kích thước các cửa ở hai đầu của dãy tủ. Toàn bộ khí lạnh phải được truyền vào trong hệ thống nhốt khí thông qua sàn nâng hoặc hệ thống ống dẫn khí trên trần. Ngoài ra, kết cấu trần của hệ thống nhốt khí trên lối đi lạnh phải được xây dựng quanh các cột nhà và các kết cấu hỗ trợ khác. Các hệ thống máng trên trần có thể phải di chuyển và nâng lên trên các tủ rack để cung cấp không gian hiệu quả cho kết cấu của hệ thống chứa khí trên trần. CAC đòi hỏi hệ thống chữa cháy phải mở rộng đến không gian của các hệ thống nhốt khí, những sự thay đổi này sẽ làm gia tăng chi phí.
Các thiết bị hỗ trợ sẽ đặt trong không gian của lối đi nóng, dẫn đến hiệu suất giảm. Nếu trong phòng có sàn nâng, khí lạnh thoát ra qua các lỗ sàn sẽ đi vào lối đi nóng, làm giảm nhiệt độ của luồng khí quay về bộ phận làm mát, dẫn đến giảm hiệu quả của hệ thống làm mát. Ngoài ra, tốc độ của quạt trên bộ xử lý luồng khí phải được điều chỉnh phù hợp với các yêu cầu của thiết bị, việc này đòi hỏi một số thiết bị phải được nâng cấp với các quạt có tốc độ điều chỉnh được.
Lựa chọn hệ thống nhốt khí phù hợp
Các thí nghiệm của Intel và T-Systems vào năm 2010 tại Munich cho thấy không có một hệ thống nhốt khí nào hiệu quả cho tất cả các môi trường. Hiệu suất làm mát của cả ba hệ thống trên là gần như giống nhau. Tuy nhiên, theo mô phỏng tính toán động lực học chất lưu (CFD) gần đây cho thấy hiệu quả của hệ thống DEC và HAC sẽ cao hơn trong những điều kiện nhất định. Loại hệ thống nhốt khí được lựa chọn cho trung tâm dữ liệu nên dựa vào các yêu cầu kinh doanh và không gian kiến trúc cụ thể. Dù giải pháp nào được lựa chọn, hệ thống nhốt khí đều phải tách biệt được khí nóng và khí lạnh trong TTDL.
Tại sao bịt kín hiệu quả là quan trọng
Để tách biệt được nguồn cấp khí lạnh và khí nóng thoát ra, hệ thống nhốt khí cần phải được bịt kín, bao gồm việc bịt kín bên trong và xung quanh các tủ rack, giữa các tủ rack và các thành phần của hệ thống nhốt khí. Việc bịt kín hiệu quả sẽ ngăn chặn sự tuần hoàn khí bên trong, cũng như khả năng luồng khí xuyên qua các tủ khác, cho phép các bộ xử lý của hệ thống làm mát điều chỉnh để hỗ trợ sự dao động áp suất tối thiểu trong phòng và để duy trì mức chênh lệch áp suất nhỏ nhất giữa không gian mở và hệ thống nhốt khí.
Ngoài ra, việc bịt kín còn tối đa hóa hiệu quả sử dụng năng lượng. Vì bịt kín càng tốt, càng tăng khả năng giảm bớt tốc độ quay của quạt để đáp ứng khối lượng khí cấp theo yêu cầu từ máy chủ, qua đó sẽ tiết kiệm năng lượng tiêu hao giúp chi phí hoạt động thấp nhất. Do đó, khi lựa chọn một giải pháp nhốt khí phải tính đến hiệu suất của việc bịt kín. Các nhà cung cấp hệ thống nhốt khí thường mô tả hiệu suất bịt kín của hệ thống nhốt khí theo đơn vị phần trăm dựa vào khối lượng luồng khí đến mỗi tủ rack trong điều kiện áp suất hoạt động cụ thể. Khi so sánh những giá trị này nên biết rằng các điều kiện có thể không phù hợp. Khối lượng luồng khí nên duy trì bền vững tối đa trong toàn bộ phòng tại một mức áp suất tĩnh đã biết trước trong quá trình hoạt động.
Ngăn chặn tuần hoàn khí bên trong và xuyên qua các tủ khác
Việc quản lý luồng khí và giảm chi phí làm mát hiệu quả đòi hỏi phải loại bỏ sự xuyên qua của luồng khí ngay bên trong tủ hoặc xuyên qua tủ rack khác như hình 4 thể hiện. Sau đây là một số khuyến nghị quan trọng:
- Sử dụng tủ rack đáp ứng yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo luồng khí xung quanh thiết bị trong tủ.
- Sử dụng thanh lắp khoảng trống để bịt kín các không gian chưa sử dụng trong tủ rack nhằm ngăn chặn luồng khí thoát ra.
- Sử dụng rãnh ngăn nhiệt và bịt kín xung quanh các thiết bị để ngăn chặn sự tuần hoàn của khí nóng ở bên hông của thiết bị.
- Sử dụng giải pháp bịt kín xung quanh các lỗ cáp trong tủ và dưới sàn nâng.
- Sử dụng giải pháp bịt kín khe hở giữa các tủ rack để ngăn chặn luồng khí giữa các tủ đi vào hệ thống nhốt khí.
- Sử dụng các tấm chắn để ngăn chặn luồng khí dưới các tủ rack vào trong hệ thống nhốt khí.
Những bước trên nên ưu tiên thực hiện cho bất kỳ dự án hệ thống nhốt khí nào. Việc ngăn chặn luồng khí xuyên qua các tủ rack và khoảng mở trong sàn nâng là yếu tố quan trọng của bất kỳ giải pháp quản lý luồng khí hiệu quả nào và có thể giải quyết tạm thời vấn đề về làm mát mà không cần phải bổ sung thêm các ống thoát khí hoặc hệ thống nhốt khí. Hơn nữa, cần phải có quy trình và quy định cho nhân viên trong việc lắp đặt các thanh lắp khoảng trống khi thiết bị được tháo ra và trong việc bịt kín khi khoảng mở của sàn mới được tạo ra.
Quản lý áp suất
Thiết lập một giải pháp bịt kín tốt trong hệ thống nhốt khí không chỉ là vấn đề ngăn chặn sự rò gỉ khí của hệ thống chứa, mà còn đáp ứng yêu cầu quản lý toàn bộ áp suất của hệ thống nhốt khí, đặc biệt với hệ thống CAC. Một kiến trúc của hệ thống nhốt khí hoàn chỉnh nên bao gồm một hệ thống quản lý áp suất hiệu quả. Điều này có thể bao gồm việc cập nhật các bộ điều khiển HVAC.
Tác dụng của việc phân tích kỹ thuật
Khi những bước cơ bản để ngăn khí xuyên qua các tủ rack đã thực hiện xong và quyết định triển khai một hệ thống nhốt khí đầy đủ được đưa ra, mô phỏng CFD có thể được tạo ra để chứng minh hiệu quả của hệ thống nhốt khí mới sắp triển khai. Một số nhà sản xuất hệ thống nhốt khí có thể cung cấp các phân tích căn bản bao gồm một mô phỏng CFD của không gian chứa để mô tả tình trạng luồng khí, nhiệt độ trước và sau khi triển khai. Nó cũng có thể được sử dụng để ước lượng khoản chi phí tiết kiệm được nhờ vào việc giảm mức năng lượng tiêu hao của hệ thống làm mát.
Cuối cùng, một cuộc nghiên cứu kỹ thuật chính thức sẽ xem xét toàn bộ hệ thống làm mát, sự đóng góp của mỗi thành phần và sự tác động về kinh tế cho một dự án cụ thể. Nó cũng xem xét đến hiệu suất trong các điều kiện khác nhau. Một nghiên cứu kỹ thuật sẽ cung cấp nhiều thông tin dự toán chi tiết về việc nâng cấp hoặc thay đổi của bất kỳ dự án nào cần thực thi giải pháp nhốt khí.
Kết luận
Việc lựa chọn hệ thống nhốt khí cho TTDL dựa vào nhu cầu kinh doanh và các giới hạn kiến trúc cụ thể của doanh nghiệp. Như những gì đã chia sẻ, các hệ thống nhốt khí khác nhau sẽ có sự khác nhau về chi phí và các thành phần kết hợp, dựa vào từng dự án cụ thể mà yêu cầu khối lượng xây dựng khác nhau. Thế nên, dù hệ thống nhốt khí nào được lựa chọn thì yêu cầu của dự án trong việc giảm mức năng lượng sử dụng cho hệ thống làm mát là hết sức đáng kể.
Nguyễn Hữu Trọng Chấn - Tầm nhìn mạng số 37
Theo ICT TODAY
