Data Center là gì? Hệ thống HVAC trong Data Center

I. Data Center là gì?

Data Center (viết tắt: DC) hay còn gọi là trung tâm dữ liệu là một không gian hay khu vực riêng biệt bên trong 1 tòa nhà (building) hoặc 1 cụm tòa nhà (complex building) được sử dụng để chứa các hệ thống máy tính với các thành phần liên quan như hệ thống viễn thông, kho dữ liệu…

Tương tự như Data Center về kỹ thuật, mục đích sử dụng, phòng Server (phòng máy chủ) thường có quy mô nhỏ hơn và đơn lẻ với ít các yêu cầu kỹ thuật hơn. Chúng thường được lắp đặt kết hợp trong cùng tòa nhà mà chúng phục vụ.

Công nghệ thông tin ngày càng phát triển và nó đóng vai trò quan trọng trong tất cả các hoạt động của doanh nghiệp, truyền tải dữ liệu, thông tin liên lạc…do đó sự xuất hiện của các phòng Data Center với công suất lớn ngày một tăng lên để phục vụ cho nhu cầu phát triển của xã hội.

II. Phân loại các hệ thống và thiết bị HVAC trong Data Center

Data Center (DC) gồm 2 hệ thống lạnh cơ bản là:

• DX Split A/C System
• Central Chilled Water System

1. DX Split A/C System

Đây là kiểu hệ thống điển hình gồm 2 phần kết nối nhau, trong đó 1 phần đặt bên trong nhà (Indoor Unit) để điều hòa và 1 phần bên ngoài trời (Outdoor Unit) với mục đích giải nhiệt.

Kiểu Split System hầu hết được sử dụng cho các Data Center (trung tâm dữ liệu) cỡ trung bình và nhỏ hay các bạn cũng thường nghe với tên gọi phòng server (phòng máy chủ)

Phần bên trong nhà (Indoor Unit) trong Data Center là các thiết bị có tên gọi là Precision Air Conditioning Units (PACU) hoặc Computer Room Air Conditioning Unit (CRAC). Thiết bị này có chức năng kiểm soát được các điều kiện phòng như: nhiệt độ, độ ẩm với độ sai số rất thấp (±0,55oC; 3% RH)

Hệ thống DX Split A/C gồm 3 loại chính:

a) DX Split A/C System – Air Cooled

Đây là kiểu hệ thống sử dụng đường ống gas lạnh (môi chất lạnh) để vận chuyển từ CRAC đến các dàn giải nhiệt gió (Air Cooled Condenser). Do đặc điểm trên nên hệ thống này thường được sử dụng cho các Data Center vừa và nhỏ hoặc dự án nằm tại các khu vực thiếu nước hoặc giá nước đắt đỏ. Mặc dù CRAC đặt trong nhà và ACC đặt ngoài trời nhưng khoảng cách giữa 2 phần phải đặt gần nhau để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của đường ống gas kết nối giữa 2 phần.

b) DX Split A/C System – Water Cooled

Hệ thống này cũng gồm 2 phần trong và ngoài nhà. Tuy nhiên ở hệ này thì phần giải nhiệt sẽ là dàn ngưng và tháp giải nhiệt (Condenser/ Cooling tower). Các đường ống kết nối giữa 2 phần trong và ngoài nhà là đường ống nước lạnh với các thiết bị chính trên đường ống như bơm nước, bình giãn nở. Đối với hệ sử dụng nước lạnh để giải nhiệt với không khí thông qua tháp giải nhiệt sẽ có hiệu suất trao đổi nhiệt cao hơn, độ tin cậy tốt hơn bởi khả năng truyền nhiệt đối lưu của nước cao hơn không khí gấp nhiều lần. Do nước được vận chuyển thông qua bơm nên khoảng cách đặt giữa CRAC và ACC cho phép dài hơn, nên phù hợp cho các dự án trung bình và lớn.

c) DX Split A/C System – Evaporative Condenser

Tương tự như hệ thống water system nhưng ở kiểu hệ thống này thì chất tải lạnh là Glycol với thiết bị dàn giải nhiệt dạng khô (Dry cooler). Hệ thống này ít sử dụng và thường sử dụng cho các khu vực nhiệt độ ngoài trời xuống thấp dưới nhiệt độ đóng băng.

2. Central Chilled Water System

Đối với các Data Center (trung tâm dữ liệu) lớn hoặc rất lớn thì hệ thống lạnh thường là hệ Central Chilled water system vì chúng có hiệu suất cao hơn.

Điểm khác biệt chủ yếu của hệ thống loại này đó là các thiết bị Indoor Unit không dùng CRAC mà dùng các thiết bị tên gọi là Computer Room Air Handling (CRAH’s).

CRAH’s tương tự như AHU gồm các bộ phận như: van điều khiển, coil lạnh, lưới lọc, gia ẩm, gia nhiệt… Chúng cũng gồm 3 loại cơ bản như: Water cooled Chillers, Glycol cooled chillers, Air Cooled chillers. Nguyên lý hoạt động tương tự các hệ thống chiller thông thường.

Bên dưới là hình ảnh 2 hệ thống chiller cơ bản thường dùng đối với Data Center.

Hình 1

III. Chọn lựa kiểu hệ thống theo công suất và phân tích chi phí đầu tư, hoàn vốn

Để chọn lựa kiểu hệ thống cho phòng Data Center phù hợp chúng ta có thể tham khảo các khuyến cáo thông thường như sau:

1. Công suất < 80 ton: sử dụng CRAC, DX System

Hệ số năng lượng:
Tổng = 1,4kW/ton (công suất điện/ công suất lạnh)

2. Công suất > 80 ton và < 200 ton sử dụng Chilled water system, screw chillers

Hệ số năng lượng

• Water cooled/water screw chillers: 0,68 kW/ton;
• Condenser water pump: 0,026 kW/ton;
• Chilled water pump: 0,021 kW/ton;
• Cooling tower: 0,012 kW/ton; and
• Air handling unit: 0,086 kW/ton

Tổng = 0,83 kW/ton

3. Công suất >200 ton sử dụng chilled water systems, centrifugal chillers

• Centrifugal chiller: 0,48 kW per ton, variable speed drive;
• Condenser water pump: 0,021 kW per ton
• Chilled water pump: 0,021 kW per ton
• Cooling tower: 0,011 kW per ton; and
• Air handling unit: 0,098 kW per

Tổng = 0,68 kW per ton.

Tuy nhiên các giá trị trên không chắc chắn để có thể chọn 1 hệ thống lạnh phù hợp cho Data Center mà thực tế còn căn cứ vào nhiều yếu tố như chi phí đầu tư thiết bị, thời lượng hoạt động, giá điện, tuổi thọ sử dụng.

Ví dụ: Một trung tâm dữ liệu Data Center với 900 m². Bao gồm tất cả thiết bị lạnh (chỉ không bao gồm chiller). Hoạt động 8766 giờ/năm và thanh toán 0,09 USD/kW/h với 300 ton lạnh (1ton = 3,52kW lạnh) được phân tích so sánh như sau:

• Chi phí đầu tư ban đầu (First cost) = $/ton x 300 ton
• Chi phí chênh lệch so với phương án CRAC (DX) (Investment Premium)
• Chi phí vận hành hằng năm (Annual Operating costs) = 8766 x 0,09 x (kW/ton) x 300 ton
• Chi phí tiết kiệm hằng năm (Annual costs savings)
• Tỷ lệ hoàn vốn (ROI% – Return on Investment)
• Công thức: [(Benefits – Costs) / Costs] x 100

Ví dụ: Xem tổng chi phí bỏ ra ứng với 100% và ta có hệ số ROI% = 492%. Vậy % chênh lệch so với vốn = (492 – 100)/100) x 100 = 392%

IV. Hệ thống dự phòng

Khi thiết kế hệ thống điều hòa không khí và thông gió cho Data Center, chúng ta luôn có phương án chạy dự phòng khi có sự cố. Đó là lý do số lượng thiết bị chọn lựa luôn là n+1 với chế độ hoạt động Duty và Standby.

Ví dụ: Hệ thống với công suất 45 ton. Ta chọn (3n+1) sẽ là 3 bộ chạy chính 15 ton và 1 bộ dự phòng 15 ton.

Tuy nhiên bên cạnh việc chọn thiết bị dự phòng thì việc bố trí thiết bị giải nhiệt và trục riser chứa đường ống cũng phải cân nhắc khi xảy ra sự cố lỗi hệ cơ điện hoặc cháy.

Do đó để tốt nhất thì hệ thống thường được tách trục riser đi riêng để đảm bảo luôn đáp ứng được trong mọi tình huống.

Ngoài việc có hệ thống dự phòng thì hệ thống chính trong hầu hết các Data Center cũng sẽ tách thành 2 trục riser riêng và đấu nối nhau tạo thành 1 mạch vòng nhằm tăng khả năng hoạt động đáp ứng và tránh rủi ro sự cố.

Bên cạnh đó, hệ thống UPS trong Data Center cũng hết sức quan trọng. Hệ thống UPS mang 2 mục đích chính đó là:

• Cách ly thiết bị Datacom ra khỏi nguồn dây nhiễu loạn
• Để duy trì nguồn điện cung cấp cho Datacom trong thời gian máy phát điện khởi động hoặc để thực hiện việc tắt máy theo trình tự

Đối với các Data Center lớn hiện nay, khi nhiệt độ phòng không đảm bảo chỉ trong vòng vài giây đến một phút thì sẽ dẫn đến việc các hệ thống máy tính công suất rất cao dễ dàng bị shutdown. Do đó không nên sử dụng nguồn UBS để duy trì cho cả việc cấp nguồn Datacom lẫn hệ thống lạnh vì rất tốn kém và lãng phí.

Một giải pháp thường được xem xét sử dụng đó là thiết kế hệ thống chiller làm lạnh với lưu lượng nước đủ lớn bằng cách qua các bình trữ lạnh (thường được biết với tên gọi buffer tank) để có thể duy trì 1 khoảng thời gian ngắn khi máy phát điện được khởi động.

V. Hệ thống phân phối gió

Hệ thống phân phối gió trong phòng Data Center là hệ thống rất quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng và giải nhiệt thiết bị trong Data Center. Thông thường gồm 2 loại chính đó là hệ thống cấp gió từ sàn (Raised floor system) và hệ thống cấp gió từ trần (Overhead air distribution).

Từ hình ảnh 2 hệ thống phân phối gió trên ta dễ dàng nhận thấy hệ thống cấp gió từ sàn hiệu quả hơn rất nhiều so với hệ còn lại vì chiều gió đi theo đúng trạng thái của không khí nóng (sau khi giải nhiệt thiết bị) sẽ nhẹ hơn nên bay lên trên và được hồi về. Trong khi hệ thống cấp gió từ trần sẽ dễ dẫn đến việc gió hồi và gió lạnh ảnh hưởng nhiệt đến nhau trên đường hồi về. Đây là lý do hệ thống cấp gió từ sàn được sử dụng rất phổ biến ngày nay.

Bên cạnh đó để tăng tính hiệu quả cho gió hồi về theo hướng mong muốn, người ta bổ sung trần laphong và gắn các miệng gió hồi trên trần để hồi gió về mà không phải di chuyển trong phòng.

Đối với các hệ thống kiểu này để đảm bảo sự kiểm soát điều kiện không khí trong phòng Data Center tốt nhất người ta sẽ đặt các thiết bị CRAC ở phòng bên cạnh, điều này thuận cho việc bảo trì, kiểm tra theo dõi.

Một vấn đề cần lưu ý nữa đó là các tủ rack cần phải được bố trí phù hợp với chiều gió tại 2 mặt tủ rack và chiều cao luồng gió thổi phải đều từ dưới lên các khe tủ crack để đảm bảo giải nhiệt hiệu quả.

Hình trên thể hiện tủ crack với 2 trường hợp, nửa dưới được cấp gió lạnh đều các khe còn nửa trên thì cấp gió lạnh không đều dẫn đến việc gió nóng sẽ vòng lại các khe tủ crack gây ảnh hưởng thiết bị tủ.

Ngoài các yêu cầu kỹ thuật trên thì khi thiết kế phòng Data Center chúng ta cần quan tâm thêm rất nhiều các yếu tố kỹ thuật khác mà tôi có thể sẽ phân tích ở các phần tiếp theo như:

• Phân tích công suất nhiệt thiết bị, kết cấu phòng để tính tải lạnh
• Chất lượng không khí và yêu cầu gió tươi
• Xử lý không khí về nhiệt độ, độ ẩm
• Cân bằng áp suất dương không khí trong phòng so với các khu vực liền kề

Qua bài viết vừa rồi tôi tin rằng các bạn cũng đã hiểu phần nào về các hệ thống sử dụng trong Data Center và các kiến thức cơ bản về thiết kế chọn lựa hệ thống, hệ thống dự phòng, kiểu phân phối gió, bố trí thiết bị Data Center. qua đó hiểu được kiến thức thiết kế, tầm quan trọng và phạm vi ứng dụng đa dạng của hệ thống điều hòa không khí và thông gió trong kỹ thuật đời sống con người.