أنظمة تبريد مراكز البيانات
مركز البيانات - طرق التبريد
يُعد تبريد مراكز البيانات مسألة استراتيجية تؤثر بشكل مباشر على كفاءة الطاقة والموثوقية والتأثير البيئي.تمنع الإدارة الحرارية المحسّنةارتفاع درجة حرارة معدات تكنولوجيا المعلومات وتقلل من استهلاك الطاقة وتقلل من مخاطر الانقطاعات.
بصفتناخبراء في ميكانيكا الموائع، نتفهم التحديات المعقدة المرتبطة بتبديد الحرارة في البنى التحتية الرقمية. وباستخدام نهج متكامل يجمع بين محاكاة CFD وتحليل الطاقة وتحسين تدفق الحرارة، نساعد مشغلي مراكز البيانات على تنفيذ حلول تبريد فعالة ومستدامة تلبي متطلبات الأداء والسلامة الحرارية الحالية.
مشاريع مركز البيانات لدينا :
مشكلة تبريد مراكز البيانات
إنتاج الحرارة بواسطة معدات تكنولوجيا المعلومات
تُعد مراكز البيانات بنى تحتية أساسية في العالم الرقمي، حيث تضم العديد من الخوادم ومعدات تكنولوجيا المعلومات التي تعمل باستمرار. هذا النشاط المتواصل يولد قدراً كبيراً من الحرارة.
يولد كل مكون إلكتروني، سواء كان معالجات أو وحدات ذاكرة أووحدات تخزين، حرارة أثناء التشغيل. هذه الحرارة هي نتيجة لفقدان الطاقة المتأصل في عمليات الحساب ومعالجة البيانات.
يمكن أن تصل كثافة الطاقة في مراكز البيانات الحديثة إلى عدة كيلووات لكل متر مربع، مما يؤدي إلى ارتفاع الناتج الحراري. ووفقًا لإحدى الدراسات، تستهلك مراكز البيانات ما يصل إلى 50 ضعفًا من الطاقة لكل وحدة مساحة أكثر من المباني التجارية العادية. في عام 2017، شكل استهلاكها 19% من الاستهلاك العالمي في القطاع الرقمي. يُترجم استهلاك الطاقة هذا مباشرةً إلى انبعاثات حرارية متناسبة.
عواقب سوء الإدارة الحرارية
يمكن أن يكون للإدارة الحرارية غير الكافية في مركز البيانات تداعيات كبيرة على المعداتوالبنية التحتية الشاملة. وتشمل العواقب الرئيسية ما يلي:
-
ارتفاع درجة حرارة المكونات الإلكترونية: يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة المفرط إلى حدوث أعطال وأخطاء في الحسابات، وفي نهاية المطاف، فشل الأجهزة. المكونات الإلكترونية مصممة للعمل ضمن نطاق درجة حرارة محددة؛ وتجاوز هذه الحدود يقلل من موثوقيتها وأدائها.
-
زيادة استهلاك الطاقة: يجب على أنظمة التبريد أن تعوض أي ارتفاع غير منضبط في درجة الحرارة، مما يزيد من عبء العمل وبالتالي يزيد من استهلاك الطاقة. وتشير التقديرات إلى أن أنظمة التبريد تمثل ما يقرب من 40% من إجمالي استهلاك الطاقة في مركز البيانات.
-
انخفاض عمر المعدات: يؤدي التعرض الطويل لدرجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع تقادم المكونات الإلكترونية، مما يقلل من عمرها التشغيلي ويزيد من تكاليف الاستبدال والصيانة.
-
زيادة التكاليف التشغيلية: بالإضافة إلى تكاليف الطاقة الإضافية، يمكن أن يؤدي سوء الإدارة الحرارية إلى تكاليف مرتبطة بانقطاع الخدمة والإصلاحات غير المتوقعة والحاجة إلى الاستثمار في حلول تبريد أكثر كفاءة.
أهداف نظام التبريد الفعال
لضمان التشغيل السلس لمراكز البيانات وتحسين أدائها، يجب أن يفي نظام التبريد الفعال بالأهداف التالية:
-
الحفاظ على درجة حرارة مستقرة ومتساوية: إن الحفاظ على درجة حرارة محيطة مثالية، تتراوح بشكل عام بين 18 و27 درجة مئوية، أمر بالغ الأهمية لضمان تشغيل المعدات بشكل صحيح. التوزيع المنتظم لدرجات الحرارة يمنع حدوث بقع ساخنة قد تتسبب في تعطل المعدات.
-
تحسين كفاءة الطاقة: يعد الحد من استهلاك الطاقة في أنظمة التبريد أمرًا ضروريًا لتقليل التكاليف التشغيلية لمركز البيانات والبصمة الكربونية. يمكن أن يساهم اعتماد تقنيات التبريد المتقدمة، مثل التبريد الحر أو التبريد السائل، في هذا التحسين.
-
الحد من البصمة البيئية: من خلال تقليل استخدام الموارد الطبيعية مثل المياه والطاقة، يمكن لمراكز البيانات أن تقلل من تأثيرها البيئي. على سبيل المثال، يعد استرداد الحرارة الزائدة واستخدامها لتدفئة المباني المجاورة نهجاً مستداماً.
ومن ثم، فإن الإدارة الحرارية لمراكز البيانات مسألة حاسمة تؤثر بشكل مباشر على أدائها واستدامتها وتأثيرها البيئي.
من الضروري تطبيق أنظمة تبريد مناسبة وفعالة إذا أردنا مواجهة التحديات التي تفرضها كثافة الطاقة المتزايدة للبنى التحتية الرقمية.
المبادئ الأساسية لتبريد مركز البيانات
الحاجة إلى التبريد المناسب
مراكز البيانات هي بنى تحتية أساسية لتخزين البيانات الرقمية ومعالجتها. ويؤدي تشغيلها المستمر إلى توليد كمية كبيرة من الحرارة، ويرجع ذلك أساساً إلى الكثافة العالية لمعدات تكنولوجيا المعلومات. لذلك فإن الإدارة الحرارية الفعالة أمر بالغ الأهمية لضمان أداء هذه المعدات وموثوقيتها وطول عمرها.
آليات انتقال الحرارة: التوصيل والحمل الحراري والإشعاع
يعتمد تبديد الحرارة في مركز البيانات على ثلاث آليات أساسية:
-
التوصيل: تتضمن هذه العملية انتقال الحرارة عبر المواد الصلبة، مثل المكونات الإلكترونية والهياكل المادية للخوادم. تنتشر الحرارة من المناطق ذات درجة الحرارة المرتفعة إلى المناطق ذات درجة الحرارة المنخفضة عن طريق التلامس المباشر.
-
الحمل الحراري: تنطوي هذه الآلية على حركة الحرارة عبر السوائل، وعادةً ما تكون هواء، والتي تدور حول المعدات. في مركز البيانات، يتم تفريغالهواء الساخن الناتج عن الخوادم واستبداله بهواءأكثر برودة، مما يسهل تبريد المكونات.
-
الإشعاع: تبعث الأسطح الساخنة للمعداتطاقة حرارية على شكل أشعة تحت الحمراء. وعلى الرغم من أن هذا النمط من الانتقال أقل غلبة من التوصيل والحمل الحراري، إلا أنه يساهم في التبديد الكلي للحرارة.
تنظيم تدفقات الهواء: الفصل بين الممرات الساخنة والباردة
تتمثل إحدى الاستراتيجيات الشائعة لتحسين التبريد في مراكز البيانات فيتنظيمها في ممرات ساخنة وباردة. وتهدف هذه التهيئة إلى فصل تدفقات الهواء الساخن والبارد لمنع اختلاطهما، وبالتالي تحسينكفاءة نظام التبريد.
-
الممرات الباردة: تتكون هذه الممرات من واجهات رفوف الخوادم، حيث يتم نفخ الهواء النقي لتبريد المعدات.
-
الممرات الساخنة: تقع في الجزء الخلفي من الرفوف، وهي تجمع الهواء الساخن الذي تطرده الخوادم بعد التبريد.
مركز البيانات محصور في الممر الساخن/الممر البارد
من خلال تبديل هذه الممرات وحصرها باستخدام الحواجز المادية أو أنظمة الاحتواء، نحد من اختلاط تدفقات الهواء. وهذا يساعد على الحفاظ على درجات حرارة أقل عندمداخل الخوادم ويقلل من الحمل على أنظمة تكييف الهواء. بالإضافة إلى ذلك، فإناستخدام الأرضيات المرتفعة ذات الألواح المثقبة يمكن أن يسهل التوزيع المنتظم للهواء البارد في الممرات الباردة.
درجات الحرارة والرطوبة الموصى بها في قاعة البيانات
إن الحفاظ على الظروف البيئية المناسبة أمر ضروري لضمان التشغيل السلس والمتانة لمعدات تكنولوجيا المعلومات. وتوفرالجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء (ASHRAE ) مبادئ توجيهية محددة في هذا الصدد.
-
درجة الحرارة: توصيASHRAE بنطاق درجة حرارة يتراوح بين 18 درجة مئوية و27 درجة مئوية للمعدات من الفئة A1 إلى A4. وهذا النطاق مصمم لتحقيق التوازن بين كفاءة الطاقة وموثوقية المعدات.
-
الرطوبة النسبية: يمكن أن تؤدي الرطوبة المنخفضة جدًا إلى تفريغ الشحنات الكهروستاتيكية، بينما يمكن أن تتسبب الرطوبة العالية جدًا في تكاثف المكونات وتآكلها. تقترحASHRAE الحفاظ على رطوبة نسبية تتراوح بين 20% و80%، مع نقطة ندى قصوى تبلغ 22 درجة مئوية.
من المهم ملاحظة أن هذه التوصيات قد تختلف تبعًا للخصائص المحددة للمعدات والمتطلبات التشغيلية. وبالتالي، فإن الرصد المستمر للظروف البيئية، باستخدام أجهزة الاستشعار وأنظمة الإدارة، أمر ضروري لاكتشاف أي انحراف وتصحيحه بسرعة.
يُعد فهم المبادئ الأساسية لانتقال الحرارةوتنظيم تدفقات الهواء بشكل استراتيجي والحفاظ على الظروف البيئية المثلى عناصر أساسية في ضمانكفاءة الطاقة وموثوقية مراكز البيانات.
أنظمة التبريد في غرفة الكمبيوتر
تكييف الهواء عن طريق وحدات تكييف الهواء بواسطة CRAC و CRAH
يشيع استخدام وحدات CRAC(مكيف هواء غرفة الكمبيوتر) و CRAH(معالج هواء غرفة الكمبيوتر) لتبريد مراكز البيانات.
-
وحدات CRAC: تعمل هذه الأنظمة بطريقة مشابهة لمكيفات الهواء المنزلية. فهي تستخدم ضاغطاً ومبرداً لتبريد الهواء المحيط. حيث يتم سحبالهواء الدافئ وتبريده عن طريق تمريره فوق ملف يحتوي على المبرد، ثم يعاد توزيعه في غرفة الكمبيوتر. عادةً ما تكون وحدات CRAC قائمة بذاتها ولا تتطلب توصيلات خارجية معقدة. وهي ملائمة بشكل خاص لمراكز البيانات الصغيرة والمتوسطة الحجم، مع أحمال تكنولوجيا المعلومات التي تقل عن 200 كيلوواط.
-
وحدات CRAH: على عكس وحدات CRACs، لا تستخدم وحدات CRAH ضاغطاً. فهي مزودة بمراوح وملفات مبردة بالماء المبرد من نظام إنتاج خارجي. يتم سحبالهواء الساخن وتمريره فوق الملفات المبردة ثم إعادته إلى الغرفة بدرجة حرارة أقل. وحدات التبريد بالتبريد بالهواء الساخن أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة لأنها تستخدم نظام تبريد مركزي. وهي مناسبة لمراكز البيانات الكبيرة التي تزيد أحمال تكنولوجيا المعلومات فيها عن 200 كيلوواط.
الأرضيات المرتفعة وإدارة التدفق
يعداستخدام الأرضيات المرتفعة ممارسة شائعة في تصميم مراكز البيانات لتحسين دوران الهواء وتحسين كفاءة التبريد.
تتكون هذه الأرضيات من ألواح معيارية موضوعة على هيكل معدني، مما يخلق مساحة فارغة بين الأرضية الأصلية والأرضية. تُستخدم هذه المساحة، التي تُسمى الجلسة الكاملة، كقناة لتوزيع الهواء المبرد.
فيما يتعلق بإدارة تدفق الهواء، يتم توجيهالهواء البارد تحت الأرضية المرتفعة وتوزيعه على الممرات الباردة من خلال بلاطات أو شبكات مثقبة. تقوم معدات تكنولوجيا المعلومات بسحب هذا الهواء البارد لتبريد مكوناتها الداخلية، ثم تطرد الهواء الدافئ إلى الممرات الساخنة. وبعد ذلك يتم التقاط الهواء الساخن بواسطة وحدات CRAC أو CRAH وتب ريد الهواء الساخن مرة أخرى. هذا الفصل بين الممرات الساخنة والباردة يقلل من اختلاط تدفقات الهواء، مما يحسنكفاءة الطاقة في نظام التبريد.
دوائر التبريد وتبديد الحرارة في مراكز البيانات
المبردات وأنظمة المياه المبردة
تلعب المبردات وأنظمة المياه المبردة دورًا محوريًا في تبريد مراكز البيانات، خاصةً في المنشآت كبيرة الحجم.
-
المبردات: تنتج هذه الأجهزة الديناميكية الحراريةالمياه المبردة باستخدام دورة ضغط وتمدد المبردات. يتم تبريدالماء إلى درجة حرارة تتراوح عموماً بين 6 درجات مئوية و12 درجة مئوية، ثم يتم إرساله إلى وحدات مناولة الهواء أو مبادلات حرارية أخرى لخفض درجة حرارة الهواء المحيط. يمكن تزويد المبردات بأنظمة التبريد الحر، مما يسمحباستخدام الهواء الخارجي عندما تكون الظروف الجوية مواتية، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة.
-
أنظمة المياه المبردة: في هذا النوع من الأنظمة، تدورالمياه المبردة التي تنتجها المبردات عبر شبكة من الأنابيب لتزويد وحدات التبريد بالتبريد المركزي أو مكيفات الهواء داخل الصفوف (InRow). يتم تركيب هذه الأخيرة على مقربة من رفوف الخوادم، مما يوفر تبريداً مستهدفاً وفعالاً. بعد امتصاص الحرارة من المعدات، تعودالمياه إلى المبردات لتبريدها مرة أخرى. تضمن هذه الحلقة المغلقة تبديداً مستمراً ومضبوطاً للحرارة.
تعتبر أنظمة التبريد التقليدية هذه ضرورية للحفاظ على الظروف الحرارية المثلى في مراكز البيانات. ويعتمد اختيارها وتنفيذها على عوامل مختلفة، مثل حجم المنشأة وكثافة الطاقة وقيود الميزانية وأهداف كفاءة الطاقة.
التبريد الحر: استخدام الهواء الخارجي والمبادلات الحرارية
يستغل التبريد الحر الظروف المناخية الخارجية لتبريد مراكز البيانات، مما يقلل من الاعتماد على أنظمة التبريد الميكانيكية التقليدية. ويمكن تنفيذ هذا النهج بطريقتين:
-
التبريد الحر المباشر: عندما يكونالهواء الخارجي بارداً بما فيه الكفاية، يتم تصفيته لإزالة الجسيمات غير المرغوب فيها وحقنالهواء مباشرةً في غرف الخادم. تكون هذه الطريقة فعّالة عندما تكون درجة الحرارة الخارجية أقل من درجة الحرارة الداخلية المطلوبة، بشكل عام حوالي 25 درجة مئوية. ومع ذلك، فإنها تتطلب مراقبة دقيقة لجودة الهواء والرطوبة لتجنب أي تأثير سلبي على المعدات.
-
التبريد الحر غير المباشر: في هذا التكوين، يقومالهواء الخارجي بتبريد سائل وسيط (مثلالماء) عبر مبادل حراري. ثم يدور هذا السائل داخل مركز البيانات لامتصاص الحرارة من المعدات دون أنيتلامس الهواء الخارجي مباشرة معالبيئة الداخلية. توفر هذه الطريقة تحكماً أفضل في الرطوبة وجودة الهواء، مع التمتع بمزايا الطاقة التي يوفرها التبريد الحر.
تعتمدفعالية التبريد الحر إلى حد كبير على الظروف المناخية المحلية. في المناطق ذات الشتاء البارد، يمكن أن تغطي هذه التقنية نسبة كبيرة من احتياجات التبريد، بينما في المناخات الأكثر دفئًا، سيكون استخدامها محدودًا أكثر.
التبريد الأديباتاتيكي والتبخر
يعتمد التبريد الأديباتاتيكي على مبدأ تبخر الماء، الذي يمتص الحرارة منالهواء المحيط، مما يقلل من درجة حرارته. في مركز البيانات، يتم تنفيذ هذه التقنية عن طريقترطيب الهواء الداخل أو من خلال مبادلات حرارية ثنائية الاستاتيكية، حيث يعمل تبخرالماء على تبريد سائل دائر.
تعتبر هذه العملية فعالة بشكل خاص في المناخات الجافة، حيث يتمتعالهواء بقدرة عالية على امتصاص الرطوبة، مما يحسن من التبريد.
من خلال تقليل الاعتماد على المبردات وأنظمة تكييف الهواء الميكانيكية، فإنه يقلل من استهلاك الطاقةويحسن منفعالية استخدام الطاقة (PUE ) لمركز البيانات.
ومع ذلك، تقل فعاليته عندماتكون الرطوبة المحيطة عالية، مما يحد من فائدته في مناطق معينة.
أحد التحديات الرئيسية للتبريد اللاهوائي هو إدارة الرطوبة. يمكن أن تؤدي الرطوبة الزائدة في الهواء إلى التكثيف، مما يؤثر على معدات تكنولوجيا المعلومات ويزيد من خطر تآكل المكونات الإلكترونية. وبالتالي، فإن التحكم الدقيق في الرطوبة ضروري لتجنب أي خلل حراري.
هناك جانب آخر يجب أخذه في الاعتبار وهو استهلاك المياه، والذي يمكن أن يكون كبيرًا اعتمادًا على تكوين النظام. ويثير هذا الاستخدام المتزايد للمياه قضايا بيئية وتنظيمية، لا سيما فيما يتعلقبالمنشآت المصنفة لحماية البيئة ( ICPE ) وخطرفرض ضريبة على الأنشطة الملوثة للمياه (Taxe sur les Activités Polluantes liées aux Rejets d’Eau). وتتطلب هذه القيود إدارة صارمة لمعالجة النفايات والمياه، بالإضافة إلى الامتثال للوائح المحلية، مما يجعل التبريد اللاهوائي مناسبًا فقط في ظل ظروف معينة يتم التحكم فيها جيدًا.
حلول وابتكارات متقدمة لتبريد مراكز البيانات
التبريد الهجين: مزيج من الهواء/الماء
تجمع أنظمة التبريد الهجين بين مزايا أنظمة التبريد الحر والتبريد الميكانيكي لتحسين كفاءة الطاقة. على سبيل المثال، يمكن للنظام الهجين استخدام التبريد الحر عندما تكون الظروف الخارجية مواتية والتحول إلى التبريد الميكانيكي عندما ترتفع درجة الحرارة الخارجية. تقلل هذه المرونة من استهلاك الطاقة مع ضمان درجة حرارة ثابتة داخل مركز البيانات.
مثال آخر على النظام الهجين هواستخدام المبردات الأديباتيكية مع وحدات التبريد الميكانيكية. في هذه الحالة،يتم تبريد الهواء أولاً عن طريق التبخير، ثم يقوم نظام ميكانيكي بضبط درجة الحرارة للوصول إلى المستويات المطلوبة. يقلل هذا النهج من الحمل على الأنظمة الميكانيكية، مما يطيل من عمرها ويقلل من تكاليف التشغيل.
التبريد بالسائل: الغمر والتلامس المباشر
معزيادة كثافة الطاقة في معدات تكنولوجيا المعلومات، يصل تبريد الهواء إلى حدوده القصوى من حيث الكفاءة. يوفر التبريد السائل بديلاً باستخدام السوائل لامتصاص الحرارة مباشرة من المكونات. وتُستخدم طريقتان رئيسيتان:
- التبريد بالغمر: يتم غمر الخوادم أو المكونات في سائل عازل غير موصل. يمتص هذا السائل الحرارة المتولدة، والتي يتم تبديدها بعد ذلك عبر مبادلات حرارية. هذه الطريقة تغني عن الحاجة إلى المراوح وتقلل بشكل كبير من الضوضاء واستهلاك الطاقة المرتبطة بالتبريد. كما أنها تسمح أيضاً بكثافة طاقة أعلى، مما يؤدي إلى تحسين المساحة المتاحة.
-
التبريد المباشر إلى الرقاقة: يتم تركيب ألواح التبريد مباشرة على المكونات الحرجة، مثل المعالجات. يدور سائل عبر هذه الألواح ويمتص الحرارة وينقلها إلى مبادل حراري. ويوفر هذا النهج تحكماً دقيقاً في درجة حرارة المكونات الرئيسية ويمكن دمجه في البنى التحتية الحالية بأقل قدر من التعديلات.
يوفر التبريد السائل مزايا كبيرة من حيثالكفاءة الحرارية وانخفاض استهلاك الطاقة. ومع ذلك، فإنه يتطلب استثمارًا أوليًا أعلى وصيانة متخصصة لإدارة السوائل والتأكد من أن الأنظمة محكمة الإغلاق.
التبريد على الرقاقة والتقنيات الناشئة
التبريدالمباشر إلى الرقاقة هو تقنية متقدمة يتم فيها دمج القنوات الدقيقة مباشرةً في رقائق أو وحدات المعالج. يدور سائل التبريد من خلال هذه القنوات الدقيقة، ويمتص الحرارة من مصدر توليدها. توفر هذه الطريقة تبديداً فعالاً للغاية للحرارة، وهو أمر ضروري للتطبيقات عالية الأداء مثل الحوسبة المكثفة أو الخوادم المخصصة للذكاء الاصطناعي.
وتشمل التقنيات الناشئة أيضًا أنظمة التبريد ثنائية الطور، حيث تتغير حالة سائل التبريد أثناء امتصاصه للحرارة، مما يوفر قدرة فائقة على تبديد الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، تجري الأبحاث لتطوير مواد تغيير الطور والسوائل النانوية.
تحليل مقارن لطرق التبريد
اختيار أفضل طريقة تبريد
تعتمدكفاءة الطاقةوالأثر البيئي لمراكز البيانات إلى حد كبير على أنظمة التبريد المستخدمة. ويحلل هذا القسم طرق التبريد المختلفة وفقًا لمعايير مثل فعالية استخدام الطاقة (PUE)، واستهلاك الطاقة،والبصمة البيئية، والقيود التقنية، والتكاليف المرتبطة بها، والأمن.
سلامة وموثوقية أنظمة التبريد
تحذير السلامة :
يعد الأمان معيارًا أساسيًا في إدارة مركز البيانات، حيث يمكن أن يؤدي أي عطل أو ارتفاع درجة الحرارة أو عطل إلى انقطاع الخدمة المكلفة وتعريض سلامة البيانات للخطر. لذلك يجب أن يضمن اختيار نظام التبريد موثوقية المعدات والحد من المخاطر المرتبطة بالأعطال الحرارية.
أحد المخاطر الرئيسية هو ارتفاع درجة حرارة المكونات بشكل مفرط، مما قد يؤدي إلى تدهور سابق لأوانه للمعدات ويتسبب في إيقاف التشغيل غير المتوقع. يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة المفرط إلىتوقف الخادم عن العمل أو، في أسوأ الحالات، إلى تلف الأجزاء الحساسة مثل المعالجات أو وحدات التخزين بشكل لا يمكن إصلاحه. لتجنب هذه الحوادث، يجب أن تكون أنظمة التبريد مصممة بآليات احتياطية، مما يتيح تعويض أي عطل من خلال تفعيل دائرة احتياطية.
وبالإضافة إلى الإدارة الحرارية، يجب أن تؤخذ المخاطر المرتبطة بتسرب السوائل في الاعتبار، خاصةً في أنظمة التبريد السائل. يتطلبإدخال سائل نقل الحرارة بالقرب من المكونات الإلكترونية مراقبة صارمة وبنى تحتية مناسبة لتجنب الحوادث. وغالبًا ما يتم دمج مستشعرات التسرب وأنظمة الاحتواء للكشف عن أي خللومنع السائل من إتلاف المعدات الحساسة.
محاكاة ارتفاع درجة الحرارة - دراسة الكشف عن الحرائق
مقارنة المخاطر :
على الرغم من أن طرق التبريد القائمة على الهواء أقل كفاءة في استهلاك الطاقة، إلا أنها تمثل مخاطر أقل على السلامة. فهيتتجنب تعريض الخوادم مباشرة للسوائل وتقلل من مخاطر الحوادث الناجمة عن الأعطال الميكانيكية. ومع ذلك، فإنها تتطلب صيانة منتظمة للمرشحات وأنظمة التهوية لمنعتراكم الغبار وضمان دوران الهواء على النحو الأمثل.
وأخيراً، يجب تقييم التقنيات الناشئة مثل التبريد اللاهوائي والتبريد الحر من حيث تأثيرها على الأمن العام لمركز البيانات. يمكن أن تشكلزيادة مستويات الرطوبة بسبب التبريد التبخيري مخاطر التكثيف، والتي يجب إدارتها من خلال أجهزة التحكم في الرطوبة. وبالمثل، فإناستخدام الهواء الخارجي للتبريد الحر يتطلب زيادة مراقبة جودة الهواء لتجنب تسرب الجسيمات والملوثات التي يمكن أن تلحق الضرر بالمكونات الداخلية.
معايير أداء الطاقة
فعالية استخدام الطاقة (PUE) هوالمؤشر الرئيسي لقياسكفاءة استخدام الطاقة في مركز البيانات. ويتم حسابه بقسمة إجمالي استهلاك الطاقة في مركز البيانات على الطاقة التي تستخدمها معدات تكنولوجيا المعلومات فقط. يشير PUE البالغ 1.0 إلى الكفاءة المثلى، حيث يتم تخصيص كل الطاقة لمعدات تكنولوجيا المعلومات. في فرنسا، يبلغ متوسط PUE 1.36، مما يعني أن نسبة كبيرة من الطاقة تستهلكها الأنظمة المساعدة، وخاصة التبريد.
طرق التبريد المختلفة لها تأثير مباشر على PUE:
-
تبريد الهواء: يمكن أن يؤدي استخدام تبريد الهواء بشكل تقليدي إلى ارتفاع معدل PUE بسبب استهلاك الطاقة لمكيفات الهواء والمراوح.
-
التبريد بالسوائل: توفر هذه الطريقة تبديدًا أكثر كفاءة للحرارة، مما يقلل من الحاجة إلى أنظمة تكييف الهواء المتعطشة للطاقة. تشير الدراسات إلى أنإدخال التبريد السائل يمكن أن يحسّن من معدل استهلاك الطاقة بنسبة تزيد عن 15%.
-
التبريد المجاني: من خلال استخدامالهواء الخارجي عندما تسمح الظروف المناخية بذلك، تقلل هذه التقنية بشكل كبير من استهلاك الطاقة المرتبط بالتبريد، وبالتالي تحسين معدل استهلاك الطاقة قبل الاستخدام.
الأثر البيئي
تتأثرالبصمة البيئية لمراكز البيانات بشدة باستهلاكها للطاقةوالمياه. وتؤدي أنظمة التبريد دوراً حاسماً في هذا الصدد:
-
استهلاك الطاقة: تستهلك أنظمة التبريد الهوائي التقليدية الكثير من الطاقة، مما يساهم في زيادة البصمة الكربونية. وعلى العكس من ذلك، تستهلك الحلول مثل التبريد السائل أو التبريد الحر طاقة أقل، مما يقلل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
-
استهلاك المياه: تستخدم بعض التقنيات، مثل التبريد اللاهوائي الماء لتبريد الهواء. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة موفرة للطاقة، إلا أنها تزيد من استهلاك المياه، وهو ما قد يمثل مشكلة في المناطق التي يكون فيها هذا المورد محدوداً.
-
إعادة التدوير الحراري: تستعيد بعض المنشآت الحرارة المتولدة لتدفئة المباني المجاورة، مما يحسن كفاءة الطاقة الإجمالية ويقلل من البصمة البيئية.
رسم توضيحي للأعمدة الحرارية في العديد من مباني مراكز البيانات، خلال موجة الحر، وأثناء إعادة التشغيل الطارئة للأنظمة من نوع المولدات.
القيود والقيود التقنية
خيار استراتيجي يتأثر بعدة عوامل:
لكل طريقة من طرق التبريد المستخدمة في مراكز البيانات مزايا محددة، ولكن لها أيضًا قيود وقيود تقنية من الضروري أخذها في الاعتبار قبل تنفيذها. يعتمد اختيار النظام على العديد من العوامل، بما في ذلك تكوين مركز البيانات، والظروف المناخية المحلية، وتكاليف التركيب والتشغيل، ومتطلبات كفاءة الطاقة.
التبريد بالهواء، وهو حل مجرب ولكنه يستهلك الكثير من الطاقة:
يعتمد التبريد بالهواء، وهو الطريقة الأكثر انتشارًا تاريخيًا، علىاستخدام مكيفات الهواء أو أنظمة تدوير الهواء القسري لإزالة الحرارة الناتجة عن الخوادم. وتكمن ميزتها الرئيسية في موثوقيتها وسهولة الوصول إليها، حيث إنها تقنية مجربة ومختبرة ومنتشرة على نطاق واسع وسهلة التركيب نسبياً. وعلاوة على ذلك، فإن تكاليف التركيب الأولية معتدلة، مما يجعلها حلاً جذاباً للبنى التحتية الصغيرة والمتوسطة الحجم.
ومع ذلك، فإن هذا النهج له قيود كبيرة، ليس أقلها انخفاض الكفاءة الحرارية عندما يتعلق الأمر بتبريد المعدات عالية الكثافة. فكلما زاد حمل تكنولوجيا المعلومات، زاد الطلب على نظام تبريد الهواء، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في استهلاك الطاقة. هذا الاعتماد على أنظمة التهوية الميكانيكية وتكييف الهواء له تأثير مباشر علىالبصمة الكربونية وتكاليف تشغيل مراكز البيانات.
تبريد سائل، كفاءة حرارية مثالية، ولكن بتكلفة عالية:
وبالنظر إلى هذه القيود، يبرز التبريد بالسوائل كبديل أكثر كفاءة، خاصة بالنسبة للبنى التحتية ذات الكثافة الحاسوبية العالية. وتوفر هذه العملية، التي تتضمن استخدام سائل نقل الحرارة لامتصاص الحرارة مباشرة في المكونات، كفاءة حرارية أكبر بكثير من التبريد بالهواء. ولا يقتصر الأمر علىتحسين تبديد الحرارة فحسب، بل إنه يقلل أيضًا من الاستهلاك الكلي للطاقة، نظرًا لأن دوران السوائل الموصلة للحرارة أكثر كفاءة منالهواء في نقل الحرارة.
والأكثر من ذلك، تستخدم بعض المرافق هذه الحرارة المهدرة لتشغيل أنظمة أخرى، مثل تدفئة المناطق، وبالتالي تحسين كفاءة الطاقةللبنية التحتية بأكملها.
غير أن هذه التكنولوجيا تطرح أيضاً تحديات كبيرة. فتكاليف التركيب أعلى بكثير، بسبب البنى التحتية المحددة المطلوبة لتدوير السوائل وإدارتها. وبالإضافة إلى ذلك، فإن صيانة هذه الأنظمة أكثر تعقيدًا من صيانة الحلول الهوائية، ويجب التحكم في مخاطر تسرب السوائل بشكل صارم لتجنب أي ضرر للمعدات الإلكترونية الحساسة.
التبريد الحر، يعتمد على الظروف المناخية :
التبريد الحر هو حل مثير للاهتمام لتقليل استهلاك الطاقة المرتبط بالتبريد من خلال استغلال الهواء الخارجي مباشرةً عندما تسمح الظروف المناخية بذلك. يحد هذا النظام من استخدام الأجهزة الميكانيكية كثيفة الاستهلاك للطاقة، مما يؤدي إلى تحسين فعالية استخدام الطاقة (PUE) وخفض تكاليف التشغيل.
ومع ذلك، تعتمد فعاليته إلى حد كبير على الخصائص المناخية لموقع مركز البيانات. في المناطق التي تكون فيها درجات الحرارة الخارجية مرتفعة للغاية في معظم أوقات السنة، تكونمساهمة التبريد الحر محدودة، مما يتطلبدمج أنظمة تبريد أخرى لضمان استمرارية الخدمة.
وبالإضافة إلى ذلك، تتطلب هذه العمليةتركيب أنظمة ترشيح متقدمة لمنع دخول الجسيمات والملوثات إلى غرف الكمبيوتر، مما قد يجعل تنفيذها أكثر تعقيداً.
التبريد الأديباتيكي واستهلاك المياه المراد مراقبته :
وأخيراً، يمثل التبريد الأديباتيكي بديلاً يجمع بين كفاءة الطاقة وخفض تكاليف التشغيل. ويعتمد هذا النظام علىتبخر الماء لتبريد الهواء المحيط، ويوفر هذا النظام أداءً ممتازًا، خاصةً في البيئات الجافة حيث يتم تحسينتأثير التبريد.
وتتمثل ميزتها الرئيسية في انخفاض استهلاكها للطاقة، مما يجعلها حلاً جذاباً لتقليل البصمة الكربونية لمراكز البيانات.
ومع ذلك، تعتمد هذه التقنية علىاستخدام المياه، وهو ما يثير تساؤلات من حيث إدارة الموارد المائية، لا سيما في المناطق الخاضعة لقيود المياه.
والأكثر من ذلك، تقل فعاليته عندما تكونالرطوبة المحيطة عالية جدًا، مما يحد من انتشاره في مناطق جغرافية معينة.
جدول المقارنة
يلخص الجدول التالي الخصائص الرئيسية لطرق التبريد المختلفة :
باختصار، تقدم كل طريقة تبريد توازنًا بين الأداء والتكلفة والقيود التشغيلية. ويعتمد اختيار الحل الأمثل على الاحتياجات المحددة لمركز البيانات والظروف البيئية والأهداف من حيث الاستدامةوكفاءة الطاقة.
تحسين تبريد مركز البيانات باستخدام EOLIOS
نهج عالمي لتحسين تبريد مراكز البيانات
يعدتحسين أنظمة التبريد قضية رئيسية لمراكز البيانات الحديثة، حيث تؤثركفاءة الطاقة والإدارة الحرارية تأثيراً مباشراً على تكاليف التشغيل واستدامة البنية التحتيةوالأثر البيئي.
لتحسين أداء المنشآت، تدعم EOLIOS الجهات الفاعلة في القطاع من خلال تقديم نهج متكامل يعتمد على أدوات المحاكاة الرقمية المتقدمة مثل CFD (ديناميكيات السوائل الحاسوبية).
تتيح هذه التقنية إمكانيةتحليلوتحسين تبديد الحرارةداخل غرف الكمبيوتر، بالإضافة إلىتفريغ الحرارة إلى الخارج، مما يضمن تبريداً أكثر كفاءة وأماناً.
الحد من استهلاك الطاقة من خلال تحسين التدفقات الحرارية
تتمثل إحدى الطرق الرئيسية لتحسينكفاءة الطاقة في مراكز البيانات فيتحسين تدفق الهواء والحرارةداخل غرف تكنولوجيا المعلومات. يمكن أن يؤدي سوء إدارة تدفق الهواء إلى حدوث مناطق ساخنة، مما يتطلب استهلاكاً مفرطاً للطاقة لتعويض الاختلالات الحرارية.
تتدخل EOLIOS من خلال إجراء دراسات CFD الداخلية، مما يجعل من الممكن رسم خريطة دقيقة لدوران الهواءوتحديد أوجه القصور في أنظمة التبريد.
يمكن استخدام هذه التحليلات لتنفيذ عدد من الإجراءات:
-
تحسين الممرات الساخنة والباردة للحد من إعادة تدوير الهواء الساخن وتحسين توزيع التبريد.
-
تحسين تخطيط وحدتي CRAC و CRAH بما يتماشى مع المتطلبات الفعلية لمعدات تكنولوجيا المعلومات.
-
تحديد النقاط الساخنة والتوصيات للتخفيف من حدتها من خلال إدارة أفضل لتدفق الهواء.
-
تكامل حلول احتواء الهواء، مثل الفواصل المادية بين الممرات الساخنة والباردة أو الأرضيات المثقوبة لتوزيع أفضل للتبريد.
تقلل هذه الإجراءات بشكل كبير من استهلاك الكهرباء لأنظمة تكييف الهواء، مما يزيد من كفاءة التبريد مع الحد من الحمل الحراري الزائد على معدات تكنولوجيا المعلومات.
تبديد الحرارة الداخلية باستخدام محاكاة CFD
في مركز البيانات، يجب إزالة الحرارة المنبعثة من الخوادم بكفاءة للحفاظ على درجة حرارة مستقرة وتجنب مخاطر الأعطال.
تُجري EOLIOS عمليات محاكاة CFD داخل الشركة، مما يتيح تصوراً تفصيلياً للتدفقات الحرارية والتدرجات الحرارية داخل غرف الكمبيوتر.
توفر هذه التحليلات فهماً متعمقاً للسلوك الحراري للبنى التحتية وتتيحتحسين عدد من الجوانب الرئيسية:
-
انخفاض إعادة تدوير الهواء الساخن، مما يؤثر سلباً علىكفاءة التبريد.
-
التحقق من صحة أنظمة التبريد وتحسينها، من خلال اختبار سيناريوهات مختلفة افتراضيًا قبل التنفيذ.
-
تحسين أداء وحدات مناولة الهواء، من خلال تعديل تكوينها لتبديد الحرارة بشكل متساوٍ.
يضمناستخدام المحاكاة بتقنية CFD أن تستند القرارات إلى بيانات دقيقة وموثوقة، مما يتيح خفض تكاليف الطاقة مع تحسين موثوقية وأمن البنى التحتية لتكنولوجيا المعلومات.
تبديد الحرارة الخارجية والتأثير البيئي
لا يقتصرإخلاء الحرارة الناتجة عن مراكز البيانات على الإدارة الداخلية لغرف تكنولوجيا المعلومات. فبمجرد استخلاص الحرارة من معدات تكنولوجيا المعلومات، يجب تبديدها بكفاءة إلىالخارج لتجنب أي تراكم حراري قديؤثر على أداء أنظمة التبريد.
تُجري EOLIOS عمليات محاكاة CFD خارجيةلتحسين تبديد الحرارة في البنى التحتية من خلال أخذ العديد من العوامل البيئية في الاعتبار:
-
دراسة التصريفات الحرارية إلى البيئة الخارجية، لتجنب تراكم الحرارة حول المباني.
-
تحسين موقع المبادلات الحرارية والمبرداتلتحسين تشتت الحرارة والحد من التأثير على أنظمة التهوية.
-
تحليل تدفقات الهواء الخارجي لتقليل تأثيرات إعادة الدوران وزيادة كفاءة أنظمة التبريد السلبي مثل التبريد الحر.
من خلال دمج تحليلات CFD هذه في تصميم مراكز البياناتوتشغيلها، من الممكن تقليل التأثير البيئي للمرافق مع تحسين كفاءتها الحرارية الإجمالية.
أمن البنية التحتية بفضل الإدارة الحرارية المتقدمة
بالإضافة إلى تحسين كفاءة الطاقة ببساطة، تعتبر السلامة الحرارية مشكلة رئيسية في مراكز البيانات. يمكن أن تؤدي الإدارة غير الفعالة للتبريد إلى الأعطال وفقدان البيانات وانقطاع الخدمة المكلفة.
تدمج EOLIOS السلامة الحرارية كمعلمة رئيسية في دراسات CFD، مما يجعل من الممكنتوقع ومنع المخاطر المرتبطة بأعطال نظام التبريد. بفضل عمليات المحاكاة الدقيقة، من الممكن :
-
تحديد نقاط الفشل المحتملة المرتبطة بالتغيرات في درجات الحرارة.
-
تقييم تأثير عطل نظام التبريد، وذلك لتنفيذ حلول التكرار المناسبة.
-
تحسين إدارة تدفق الهواء في حالة الانقطاع الجزئي للتيار الكهربائي،لمنع ارتفاع درجة حرارة المعداتبسرعة.
تمنح هذه التحليلات مشغلي مراكز البيانات رؤية تنبؤية للمخاطر الحرارية وتمكنهم من تنفيذ استراتيجيات إدارة استباقية لضمان استمرارية الخدمة وحماية المعدات الحيوية.
نحو مراكز بيانات أكثر كفاءة واستدامة
وبفضل النهج الذي يجمع بين تحليل الطاقة والمحاكاة الداخلية والخارجية للتبريد بالتفريغ الكهرومغناطيسي (CFD) وتحسين السلامة، فإن EOLIOS قادرة على مساعدة الجهات الفاعلة في الصناعة على إيجاد حلول تبريد أكثر كفاءة واستدامة.
من خلال دمج هذه الأدوات الهندسية المتقدمة في مرحلة التصميم أو أثناء مرحلة التشغيل، من الممكن :
-
تقليل استهلاك الطاقة وتحسين PUE للبنى التحتية.
-
تحسين تخطيط معدات التبريد لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة.
-
الحد من التأثير البيئي للحرارة المهدرة من خلال التحكم في تبديد الحرارة.
-
زيادة سلامة المنشآت من خلال توقع الأعطال الحرارية.
لم يعدالتحسين الحراري لمراكز البيانات يقتصر على خيار تكنولوجي بسيط. فبفضل دراسات CFDوخبرة EOLIOS، يمكن للمشغلين تحويل الإدارة الحرارية إلى رافعة للكفاءة والأداء، مما يضمن التشغيل الأمثل والآمن للبنى التحتية لتكنولوجيا المعلومات الخاصة بهم.
