Giải pháp giải nhiệt cho các Datacenter

1.Hệ thống giải nhiệt bằng nước sử dụng Chiller. (Chilled water system)

Hệ thống sử dụng chiller lắp đặt toàn bộ vòng giải nhiệt trong một thiết bị chuyên biệt gọi là chiller (thay vì nằm trong CRAC như các hệ thống khác).  Chức năng của chiller là tạo ra nước lạnh khoảng 8^oC, dòng nước lạnh này sẽ được máy bơm, bơm theo các đường ống đi đến CRAH (Computer Room Air Handler) đặt bên trong phòng máy.

CRAH nhìn bên ngoài thì giống như CRAC nhưng hoạt động thì hoàn toàn khác, nó làm lạnh không khí bằng cách cho không khí đi qua các ống dẫn chứa nước lạnh tuần hoàn. Nhiệt từ bên trong phòng làm mát sẽ theo nước ra khỏi CRAH và đi đến chiller. Chiller sẽ tách nhiệt ra khỏi nước bằng cách sử dụng dàn ngưng và cooling tower tương tự như hệ thống water cooled.

Ưu điểm:

-       Hệ thống này đơn giản, CRAH giả rẻ, năng lực giải nhiệt tốt hơn rất nhiều so với hệ thống air-cooled với cùng diện tích chiếm dụng của thiết bị giải nhiệt.

-       Ống dẫn nước có thể đi được khoảng cách rất xa nên có thể sử dụng chung một hệ thống giải nhiệt cho nhiều phòng, khu vực khác nhau sử dụng chung 1 chiller.

-       Hiệu quả làm lạnh trên KW tiêu thụ cao (đối với các hệ thống công suất lớn) nhờ đó giảm chi phí vận hành.

-       Hệ thống chiller có độ tin cậy rất cao.

Nhược điểm:

-       Chi phí đầu tư ban đầu khá cao, đặc biệt đối với các hệ thống có nhu cầu nhỏ hơn 100KW.

-       CRAH thường thì làm giảm độ ẩm môi trường khá cao so với CRAC nên tốn kém trong việc kiểm soát độ ẩm cần thiết.

-       Tạo ra nguy cơ xuất hiện chất lỏng trong môi trường IT.

Ứng dụng:

-       Sử dụng chung với các hệ thống khác để giải nhiệt cho các data center từ trung bình đến lớn với yêu cầu độ khả dụng từ trung bình đến cao, đặc biệt thích hợp với các data center cỡ lớn.

2.Hệ thống giải nhiệt bằng nước (Water cooled system)

Hệ thống giải nhiệt sử dụng nước có cấu trúc tương tự như hệ thống sử dụng glycol, nghĩa là các thành phần của bộ làm mát đều được đặt bên trong CRAC. Tuy nhiên, có hai điểm khác biệt quan trọng sau:

-       Sử dụng nước để làm chất dẫn lưu nhiệt, thay vì dùng glycol

-       Nhiệt được thải ra ngoài khí quyển thông qua tháp giải nhiệt nước (cooling tower) thay vì bộ làm mát chất lỏng (fluid cooler) của hệ thống dùng glycol.

Trong hình vẽ cho thấy nước ấm từ hệ thống trao đổi nhiệt sẽ được đưa đến cooling tower, ở đây nước được giải nhiệt bằng cách cho rơi tự nhiên trên các vách hở của tháp. Quạt được sử dụng để tăng cường tốc độ trao đổi nhiệt cho nước.

Khi nước rơi xuống đáy của tháp sẽ đạt được một nhiệt độ mát cần thiết và được hệ thống bơm, bơm ngược lại bộ trao đổi nhiệt bên trong CRAC để tạo thành vòng tuần hoàn dẫn nhiệt từ bên trong phòng ra bên ngoài khu vực cần làm mát.

Hệ thống cooling tower và các thiết bị phụ trợ để tạo vòng trao đổi nhiệt trong hệ thống này thường thì không chỉ dành riêng cho nó mà có thể dùng cho hệ thống lạnh comfort hoặc hệ thống sử dụng chiller.

Ưu điểm:

-       Tất cả các thành phần đều được đóng gói trong 1 khối và kiểm tra từ nhà máy nên bảo đảm độ khả dụng cao.

-       Ống dẫn nước có thể đi được khoảng cách xa hơn so với ống gas trong hệ thống air-cooled và một hệ thống giải nhiệt gồm cooling tower và các ổng dẫn có thể sử dụng chung cho nhiều CRAC.

-       Do có thể sử dụng chung cooling tower, nên nếu có thể chia sẻ với tháp giải nhiệt có sẵn của tòa nhà thì sẽ giảm chi phí đầu tư.

Nhược điểm:

-       Chi phí đầu tư ban đầu khá cao cho tháp giải nhiệt, các máy bơm và hệ thống ống dẫn.

-       Chi phí vận hành và bảo trì cũng khá cao do phải thường xuyên làm vệ sinh và hóa chất xử lý nước.

-       Tạo ra nguy cơ xuất hiện chất lỏng trong môi trường IT.

-       Nếu sử dụng chung tháp giải nhiệt của hệ thống khác, có thể làm giảm độ tin cậy của hệ thống giải nhiệt dành riêng cho data center.

Ứng dụng:

-       Sử dụng chung với các hệ thống khác để giải nhiệt cho các data center từ trung bình đến lớn với yêu cầu độ khả dụng từ trung bình đến cao.

3.Hệ thống giải nhiệt bằng Glycol (Glycol cooled system)

Loại hệ thống này đặt tất cả các thành phần của hệ thống làm mát trong một khối (giống như loại self-contained ở trên) nhưng thay thế cuộn ngưng bằng một bộ trao đổi nhiệt (heat exchanger) có kích thước nhỏ hơn rất nhiều.

Bộ trao đổi nhiệt sử dụng Glycol (một hợp chất giữa nước và Ethylen glycol) để hấp thu nhiệt từ giàn lạnh và chuyển nó ra khỏi môi trường cần làm mát. Bộ trao đổi nhiệt và ống glycol luôn luôn nhỏ hơn dàn ngưng của hệ thống air-cooled 2 khối và nhỏ hơn hệ thống ống thoát của hệ thống air-cooled 1 khối bởi vì hợp chất glycol hấp thu và truyền nhiệt tốt hơn rất nhiều so với không khí.

Dòng glycol theo các ống dẫn đến một thiết bị được lắp đặt ngoài trời gọi là bộ làm mát bằng chất lỏng, nhiệt được giải nhờ gió tự nhiên được hệ thống quạt thổi xuyên qua các cuộn dẫn glycol của bộ làm mát này (fluid cooler). Một hệ thống bơm (gồm máy bơm, động cơ và khung bảo vệ) được dùng để tạo ra vòng tuần hoàn chất glycol giữa CRAC và Fluid cooler.

Ưu điểm:

-       Tất cả các thành phần đều được đóng gói trong 1 khối và kiểm tra từ nhà máy nên bảo đảm độ khả dụng cao trong khi chỉ cần không gian lắp đặt bằng với hệ thống air-cooled 2 khối thông thường.

-       Ống dẫn glycol có thể đi được khoảng cách xa hơn so với ống gas trong hệ thống air-cooled và một bộ fluid cooler cộng với hệ thống bơm có thể phục vụ cho nhiều CRAC khác nhau.

-       Ở các xứ lạnh, glycol trong bộ làm mát bằng chất lỏng có thể được làm lạnh ở nhiệt độ thấp dưới 10^oC do vậy có thể bỏ qua bộ trao đổi nhiệt trong CRAC và đi đến một cuộn đặc biệt gọi là cuộn tiết kiệm (economizer coil) .  Trong trường hợp này có thể tắt bộ làm lạnh và không khí được làm mát nhờ glycol lạnh trong cuộn tiết kiệm vì thế tiến trình này còn được gọi là “làm mát miễn phí” giảm đáng kể chi phí vận hành.

Nhược điểm:

-       Bổ sung một số thành phần như máy bơm, van điều tiết nên tăng chi phí đầu tư và lắp đặt so với hệ thống air-cooled.

-       Cần phải bảo dưỡng chất lượng và dung lượng glycol cho hệ thống.

-       Tạo ra nguy cơ xuất hiện chất lỏng trong môi trường IT.

Ứng dụng:

-       Phòng máy chủ và data center cỡ nhỏ đến trung bình với độ yêu cầu độ khả dụng vừa phải.

4.Hệ thống Air-cooled self-contained

Hệ thống điều hòa 1 khối được thiết kế dạng một khối duy nhất chứa tất cả các thành phần của hệ thống giải nhiệt. Nhiệt ra khỏi hệ thống này là một dòng khí nóng khoảng 49^oC được gọi là khí thải, dòng khí thải này phải được đẩy ra bên ngoài khỏi khu vực cần làm mát như hình sau:

Nếu hệ thống được lắp đặt trên trần giả và không thiết kế lắp đặt các ống xả hay miệng xả thì khí thải có thể được đẩy trực tiếp vào khoảng không của trần giả. Trong trường hợp này, hệ thống điều hòa không khí của tòa nhà phải có đủ năng lực để xử lý thêm phần nhiệt phát sinh do chính sự hoạt động của nó. Không khí làm mát dàn ngưng cũng nên được cấp từ bên ngoài để tránh tạo ra những khoảng chân không bên trong tạo điều kiện cho không khí chưa được điều hòa tràn vào.
Hệ thống điều hòa 1 khối thường giới hạn công suất dưới 15KW bởi vì nó cần không gian lớn (kích thước thiết bị) để chứa tất cả các thành phần của hệ thống giải nhiệt trong 1 khối và không gian để lắp đặt các ống xả khí nóng. Các hệ thống được lắp đặt ngoài trời bên trên tầng thượng các tòa nhà thì có thể có công suất cao hơn tuy nhiên không được ứng dụng phổ biến trong hệ thống lạnh chính xác.

Ưu điểm:

-       Chi phí lắp đặt thấp

-       Không cần lắp thêm bộ phận nào bên ngoài.

-       Tất cả các thành phần đều được đóng gói trong 1 khối và kiểm tra từ nhà máy nên bảo đảm độ khả dụng cao.

Nhược điểm:

-       Khả năng giải nhiệt thấp so với các hệ thống khác.

-       Khí vào và ra khu vực IT phải thông qua các hệ thống ống dẫn nên tốn chi phí xây dựng ống dẫn hoặc trần giả.

Vị trí sử dụng:

-       Data center cỡ nhỏ đến trung bình với độ yêu cầu độ khả dụng vừa phải hoặc dùng làm mát bổ sung cho những nơi có nhiệt lượng tập trung cao.

5.Giải nhiệt bằng không khí – 2 khối (Air cooled system)

Hệ thống giải nhiệt cho các phòng IT sử dụng công nghệ giải nhiệt bằng không khí được sử dụng rộng rãi và trở thành giải pháp thông dụng cho các phòng có kích thước nhỏ và trung bình. Hệ thống loại này thường được gọi là hệ thống lạnh DX  (DX viết tắt từ Direct Expansion). Trong một hệ thống air cooled 2 khối (người ta quen gọi là máy lạnh 2 cục), một nữa hệ thống sẽ được lắp đặt bên trong phòng thiết bị và một nữa được lắp đặt bên ngoài, phần bên trong còn gọi là CRAC (Computer Room Air Conditioner) gọi nôm na là dàn lạnh và phần bên ngoài gọi là dàn nóng. Kết nối giữa dàn nóng và dàn lạnh là các ống dẫn nhiệt chứa môi chất, nhiệt bên trong phòng IT sẽ được đẩy ra ngoài không khí thông qua vòng tuần hoàn của các môi chất này.

Hình mô tả hệ thống lạnh 2 khối, giải nhiệt bằng không khí.

Ưu điểm:
-       Giá rẻ
-       Dễ bảo trì
Nhược điểm:
-       Ống dẫn nhiệt phải được bao bọc bởi lớp cách nhiệt thật tốt.
-       Cần cân nhắc cẩn trọng về khoản cách và chênh lệch về cao độ giữa khu vực lắp đặt dàn nóng và dàn lạnh.
-       Ống dẫn nhiệt không thể đi quá xa vì không bảo đảm độ tin cậy và tính kinh tế.
-       Nhiều dàn lạnh (CRAC) không thể kết nối vào cùng một dàn nóng.
 Vị trí sử dụng:
-       Phòng đấu nối dây, phòng máy tính.
-       Data center cỡ nhỏ đến trung bình với độ yêu cầu độ khả dụng vừa phải.

Ghi chú: Loại này rất thông dụng tại thị trường Việt Nam nhưng sử dụng hiệu quả ở những nơi có khí hậu ôn hòa, mát mẻ vì  giải nhiệt là không khí vì vậy nếu nhiệt độ môi trường cao thì hệ thống này hoạt động không hiệu quả.

Ngọc Trung (Nguồn Johnnie Runner Blog)