Khi lựa chọn tủ rack cho TTDL, bạn cần phải biết mức độ đột lỗ nào là cần thiết. Có nhiều ý kiến xoay quanh vấn đề này, một số chuyên gia cho rằng tủ rack cần tỉ lệ đột lỗ 80% để giải nhiệt cho hệ thống tải mật độ cao với công suất 30kW trở lên/mỗi tủ, nhưng một số khác lại cho rằng tỉ lệ đục lỗ 64% là đủ. Công nghệ trong TTDL ngày nay phát triển với tốc độ chóng mặt và mỗi ngày lại có một khám phá mới chưa được biết đến trước đó, đó là lý do tại sao ngày càng có nhiều câu hỏi liên quan đến vấn đề này hơn là một con số cụ thể. Bài viết này sẽ cung cấp một số kiến thức giúp xác định tỉ lệ đột lỗ thích hợp nhất dành cho tủ rack trong TTDL của bạn.
Khi luồng khí đi qua tấm đột lỗ
Để phân tích đầy đủ về mức suy hao áp suất khi một luồng khí đi qua tấm thép được đột lỗ, đầu tiên chúng ta phải bắt đầu từ các nguyên tắc cơ bản. Tổn thất năng lượng khi qua tấm thép đột lỗ có liên quan trực tiếp đến vận tốc của luồng khí khi đi qua tấm thép đột lỗ đó và các tổn thất khác do ma sát (lượng suy hao rất nhỏ). Mối quan hệ này được thể hiện bằng phương trình Bernoulli rút gọn như bên dưới:
E1 = E2 + Ef
Với E1 = P1 + ½p1V 1 2 + p1gℎ 1: Năng lượng ban đầu của luồng khí.
E2 = P2 + ½p2V2 2 + p2gℎ2: Năng lượng của luồng khí sau khi qua tấm đục lỗ.
Ef = ½pfF V2 2 : Phần năng lượng bị tổn thất khi đi qua tấm đục lỗ.
Trong đó :E mức năng lượng ,P áp suất tĩnh ,p mật độ luồng khí,v vận tốc, g hằng số trọng lực , ℎ chiều cao, F hệ số suy hao
Ý nghĩa của phương trình Ef cho thấy sự suy hao áp suất khi đi qua tấm thép đột lỗ liên quan đến vận tốc di chuyển luồng khí qua tấm đột lỗ và hệ số suy hao F (liên quan đến kích thước và hình dáng của lỗ đột). Vận tốc luồng khí đi qua tấm đục lỗ được tính từ tỉ lệ thông khí ( FAR-Free Air Ratio) qua lỗ đục, phần diện tích đột lỗ, và thể tích tổng của luồng khí di chuyển qua tấm đó. Tóm lại, lượng năng lượng/áp suất mất mát của luồng khí khi đi qua tấm thép đột lỗ sẽ phụ thuộc vào 3 yếu tố chính:
• Diện tích phần đột lỗ là bao nhiêu?
• Độ thông thoáng của bề mặt đột lỗ?
• Hệ số suy hao của kiểu lỗ đột được chọn?
Trong khi đó, tỉ lệ thông khí của các loại cửa lưới được xác định theo tiêu chuẩn Hướng dẫn Thiết kế và Triển khai TTDL BICSI 002-2011 là :
AFCMD : Tỉ lệ thông khí của bề mặt cửa lưới
SD : Tổng diện tích phần đột lỗ
Fea : Tỉ lệ phần trăm phần đột lỗ
Ac : Chiều rộng của phần đột lỗ
Hrmu : Chiều cao của 1U (1.75in)
Nrmu : Số U của tủ rack
Những thông số kỹ thuật này được thực hiện với sự đơn giản hóa và giả định tối đa về luồng khí và vận tốc di chuyển của luồng khí khi đi qua lỗ đột trên cửa tủ với các thiết bị IT được lắp đầy bên trong. Ngoài ra, tiêu chuẩn BICSI cũng giả định rằng nếu lỗ đục chiếm 63% độ thông thoáng, thì ảnh hưởng của bề mặt đột lỗ đối với áp suất sẽ được giảm thiểu tối đa.
Nghiên cứu này của BICSI cho thấy các tác động của luồng khí khi đi qua cửa lưới, cũng như các yếu tố liên quan đến vận tốc của luồng khí, kích thước và kiểu lỗ đột, và lượng áp suất suy hao khi đi qua cửa lưới. Phân tích này không nhằm mục đích thay thế cho tỷ lệ thông khí, mà nhằm mục đích hiểu rõ hơn về tiêu chuẩn.
Xác định kích thước và kiểu lỗ đột phù hợp
Nhìn vào các phương trình trên chúng ta có thể thấy được cách mà lỗ đột, vận tốc, và các hệ số suy hao ảnh hưởng đến việc suy hao áp suất khi đi qua cửa tủ rack, và bây giờ chúng ta sẽ hiểu về các ảnh hưởng đó trong các ứng dụng thực tế. Bước đầu tiên để chọn lỗ đột phù hợp với ứng dụng là bạn phải hiểu được các yêu cầu về luồng khí cho các thiết bị chứa trong tủ. Ví dụ, bạn có 1 tủ rack chứa thiết bị IT với tổng tải 30 kW bao gồm server, switch và các thiết bị sinh nhiệt khác, bạn muốn thiết bị của bạn hoạt động tại nhiệt độ 30°F (16.7°C) và cần lưu lượng khí 3154 CFM (1.49 m3/s) để làm mát cho hệ thống tủ rack của bạn. Lưu ý CFM là đơn vị đo lưu lượng gió trong 1 phút (đơn vị tính theo m3/s), CFM càng lớn thì gió càng nhiều.
Bảng 1 Mối quan hệ giữa công suất, nhiệt độ và luồng khí làm mát cần thiết
Để mô phỏng thực tế vấn đề này, chúng tôi sử dụng công cụ IBM’s BladeCenter Power Configuration để chọn sản phẩm như trong các ứng dụng thực tế. Chúng tôi sử dụng 1 tủ rack 42U được lắp đầy bằng 4 thiết bị IBM Blade Center H Chassis với mỗi thiết bị chứa tối đa chứa 6 phiến PS702. Cấu hình này tiêu hao năng lượng tối đa là 21,3kW ở nhiệt độ 30°F (16.7°C), tương ứng lượng khí tiêu thụ tối đa 2288 CFM (1.08 m3/s). Điều quan trọng là đa số các công cụ sẽ cung cấp trực tiếp thông tin lượng CFM tiêu thụ của thiết bị IT cho chúng ta. Nếu bạn không có thông tin về lượng CFM cần thiết, bạn có thể tham khảo bảng bên dưới để ước lượng cho ứng dụng của mình.
Kế đến, chúng ta sử dụng thông số CFM phù hợp để xác định kiểu lỗ đột mà chúng ta cần và cân nhắc phần diện tích đột lỗ. Hình 1 cho chúng ta thấy một số kiểu đột lỗ phổ biến và tỉ số FAR tương ứng. Các loại lỗ đục thường có hình dạng và kích thước tùy thuộc vào ứng dụng mà ta sử dụng. Trong bài viết này, chúng ta lựa chọn các mẫu đột lỗ có số FAR từ 40% đến 80% để minh họa cho những phân tích.
Bây giờ, với thông tin phần diện tích đột lỗ và mức CFM cần thiết, chúng ta sẽ xác định vận tốc của luồng khí. Nếu chúng ta tiếp tục sử dụng thông tin yêu cầu 3154 CFM (1,49 m3/s) và phạm vi đột lỗ 2” x 6” (0.6mx1.8m), thì vận tốc tổng của luồng khí đi qua cửa tủ rack được tính toán là 263 LFM (1.3m/s) với LFM là đơn vị đo lưu lượng gió trong 1 phút (đơn vị tính theo m/s). Vận tốc này được tính bằng công thức sau:
Bảng 1 sẽ cung cấp thêm thông tin về kích thước và diện tích phần đột lỗ để bạn tham khảo và tra thông tin vận tốc luồng khí đi qua lỗ đột. Ở các phần sau, chúng ta sẽ sử dụng thông số vận tốc này để tính lượng áp suất thất thoát khi di qua lỗ đục.
Bây giờ, chúng ta có thể xác định thông số suy hao của áp suất khi đi qua bề mặt lỗ đột trên cửa tủ rack. Để thực hiện việc này, chúng ta cần phải biết rõ hệ số suy hao của các kiểu lỗ đột khác nhau. Điều này được thực hiện thông qua thực nghiệm với các mẫu lỗ đột khác nhau như thể hiện trong Hình 1. Một sơ đồ biểu thị mối quan hệ giữa vận tốc và áp suất theo tiêu chuẩn ACMA 210-99 được sử dụng để xem xét khả năng của nhiều mẫu khác nhau từ kiểu đột lỗ 40% đến 80%.
Nếu chúng ta vẫn sử dụng các thông số như ví dụ trên : phần diện tích đột lỗ 2” x 6” (0.6m x 1.8m), lưu lượng khí 3154 CFM (1.49m3/s) và công suất các thiết bị IT 30 kW thì vận tốc của luồng khí đi qua bề mặt vật liệu được đột lỗ là 263 LFM (1.3m/s). Bây giờ chúng ta sử dụng biểu đồ của và tham chiếu thông tin của mỗi loại lỗ đột tại vận tốc 263 LFM (1.3m/s), bạn sẽ thấy kiểu lỗ đột 40% có suy hao áp suất là 0.025”H20 (6.2Pa). Với kiểu lỗ đột 56% sẽ có mức suy hao áp suất là 0.015”H20 (3.7 Pa), còn kiểu lỗ đột 64% và 80% gần như là có cùng mức suy hao áp suất là 0.01”H20 (2.5 Pa).
Để hiểu được mức suy hao áp suất như thế nào là chấp nhận được, việc quan trọng là phải hiểu được cách hoạt động của quạt tản nhiệt của thiết bị IT. Ở tốc độ cao, quạt của thiết bị IT có thể vận hành với áp suất từ 0.6”H20 (149.5 Pa) đến 1.0”H20 (249 Pa) tùy thuộc vào mục đích thiết kế và vận hành của hệ thống, và chúng tôi đã xác định được 0.05”H20 (12.5 Pa) là điểm mốc mà tại đó áp suất khiến quạt của các thiết bị IT tiêu tốn thêm năng lượng, điểm mốc này được thể hiện bằng một đường ngang màu đỏ trong biểu đồ. Biểu đồ cho thấy, ngay cả kiểu lỗ đột 40% với mức suy hao áp suất 0.025”H20 (6.2 Pa) vẫn nằm dưới đường giới hạn hoạt động của quạt của thiết bị IT, và có tác động không đáng kể đến hiệu suất của thiết bị IT. Lưu ý quan trọng ở đây chỉ xét trường hợp áp suất đi qua lỗ đột trên một cửa duy nhất. Nếu tủ rack có 2 cửa trước và sau đều được đột lỗ thì các điều kiện về áp suất sẽ thay đổi.
Nếu chúng ta nhìn lại ví dụ trên nhưng tại nhiệt độ 20°F (11.1°C), sẽ dễ dàng thấy được lưu lượng CFM tiêu thụ trên mỗi tủ rack sẽ là 4731 CFM (2.2 m3/s) và 394 LFM (2.0 m/s), nhiều hơn gấp đôi yêu cầu lưu lượng luồng khí của hệ thống IBM BladeCenter. Nếu nhìn vào biểu đồ Hình 2, chúng ta sẽ có các mức suy hao áp suất khác nhau đối với từng kiểu lỗ đột như sau :
• Kiểu lỗ đột 40% gây suy hao áp suất là 0.08”H20 (20.0Pa)
• Kiểu lỗ đột 56% gây suy hao áp suất là 0.045”H20 (11.2Pa)
• Kiểu lỗ đột 64% gây suy hao áp suất là 0.034”H20 (8.5Pa)
• Kiểu lỗ đột 80% gây suy hao áp suất là 0.03”H20 (7.5Pa)
Hình 1: Mẫu đục lỗ thông dụng
Hình 2: Kết quả thử nghiệm mối liện hê giữa vận tốc và áp suất.
Ngay cả với trường hợp đặc biệt này, bạn có thể thấy chênh lệch mức suy hao áp suất giữa kiểu lỗ đột 80% và 64% thấp hơn 0.004”H20 (1 Pa), một con số rất nhỏ đối với các thiết bị IT. Từ 2 ví dụ trên, bạn có thể thấy được nếu thiết kế lỗ đột cho cửa tủ rack, với diện tích đột lỗ 2” x 6” (0.6m x 1.8m) và yêu cầu vận tốc luồng khí thấp hơn 263 LFM (1.3 m/s), thì ảnh hưởng do kiểu đột lỗ khác nhau không đáng kể. Và với trường hợp yêu cầu vận tốc luồng khí 394 LFM (2.0 m/s), kiểu lỗ đột từ 56% trở lên sẽ được chấp nhận và sự khác nhau giữa kiểu lỗ đột 64% so với 80% là không đáng kể.
Kết luận
Trong bài viết này, chúng tôi đã cũng cấp những thông tin phân tích cơ bản về cách tính sự suy hao áp suất khi đi qua lỗ đột trên cửa tủ. Chúng ta thấy được rằng sự suy hao áp suất không chỉ phụ thuộc vào kiểu đột lỗ, mà còn phụ thuộc vào tổng lượng khí đi qua lỗ đột và tổng diện tích đột lỗ. Các công cụ được cung cấp ở trên có thể giúp xác định sự suy hao áp suất khi đi qua bề mặt đột lỗ 40% đến 80% theo từng mức của tải IT. Ngoài ra, chúng ta cần phải hiểu rằng áp suất không phải yếu tố duy nhất khi lựa chọn tủ rack, mà cần phải xem xét đến nhiều yếu tố khác như khả năng bảo mật cho các thiết bị IT bên trong, kết cấu chịu lực và kiểu dáng công nghiệp. Hãy xem xét đến các yếu tố này nhằm cân bằng giữa các tính năng và hiệu suất để lựa chọn được giải pháp phù hợp và mang đến hiệu quả cao nhất.
Nguyễn Hữu Trọng Chấn
Theo Chatsworth
