GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐIỀU HÒA CHÍNH XÁC PHÒNG MÁY CHỦ

1. Lịch sử phát triển điều hòa Chính xác:

Thiết bị điều hòa mô hình hiện nay đã có lịch sử phát triển hơn 100 năm qua. Một cải tiến lớn so với các thiết bị làm mát hàng thế kỷ trước là dùng quạt, hầm làm mát …, các thiết bị điều hòa hiện nay sử dụng mô hình của Carrier năm 1902 trong đó sử dụng cơ cấu bay hơi của môi chất và tương tác trao đổi với không khí qua các ống của bộ trao đổi nhiệt. Từ những năm 1930 các hệ thống điều hòa bắt đầu được tinh gọn và đưa vào sử dụng trong các tòa nhà làm việc ở Mỹ và phổ biến dần trên thế giới.

Với nhu cầu kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ chính xác phục vụ trong các trạm điều khiển viễn thông từ những thập niên 1960 đã xuất hiện các hệ thống điều hòa chuyên dụng để kiểm soát độ ẩm, nhiệt độ cho các môi trường này. Sự ra đời của hệ thống máy chủ tập trung “mainframe” của IBM thập kỷ 1970 đánh dấu một bước đột phát vĩ đại của nhân loại với kỷ nguyên của máy tính. Khái niệm Trung tâm dữ liệu (TTDL) được hình thành và nhu cầu sử dụng các hệ thống điều hòa chuyên dụng cho trung tâm dữ liệu được ra đời, với chức năng riêng biệt làm mát cho các thiết bị máy tính chuyên dụng, nhiệt độ thời điểm đó kiểm soát ở mức 21oC +/-1oC và độ ẩm luôn luôn ở mức 50% một cách nghiêm ngặt.

Nhờ vào sự phát triển của rất nhiều công nghệ bao gồm các công nghệ điều khiển chính xác, các hệ thống máy nén hiện đại, các mô hình biến tần, quạt, bơm … của các hãng như Comperland, Mitsubishi Electric, Carrier … các hệ thống điều hòa được nhiều hãng khác nhau cung cấp trên thị trường như Stulz, Uniflair (Schneider brand), Climaveneta (Mitsubishi Electric), APC (Schneider brand)…

2. Sự cần thiết của điều hòa Chính xác:

Trung tâm dữ liệu là nơi tập trung những thiết bị quan trọng và tỏa ra một lượng nhiệt rất lớn vì các thiết bị này hoạt động 24h/ngày, 365 ngày/năm. Việc điều hòa không khí cho trung tâm dữ liệu là điều không thể thiếu được.

Đối với những lĩnh vực công nghệ thông tin, viễn thông, ngân hàng, bệnh viện…. việc bảo vệ các thiết bị vận hành ổn định trong trung tâm dữ liệu để đảm bảo hệ thống hoạt động 24/7 là rất quan trọng. Để đạt được những thông số kỹ thuật về độ an toàn mạng, an ninh và điều khiện môi trường tiêu chuẩn, các Data Center cần được trang bị giải pháp điều hòa Chính xác, báo cháy báo khói, hệ thống giám sát môi trường, hệ thống camera giám sát..

Các thiết bị này cần phải vận hành trong môi trường thông thoáng và được làm mát thường xuyên với độ chính xác cao. Nếu môi trường hoạt động không đảm bảo về nhiệt độ, độ ẩm,.. hệ thống máy chủ, hệ thống Switch core, hệ thống tổng đài, hệ thống SAN.. sẽ bị ảnh hưởng dẫn đến hoạt động không đảm bảo có thể dẫn đến hư hỏng. Data Center là mạch máu của mỗi công ty, nếu sự cố xẩy ra thì chi phí sửa chữa và thay thế rất cao và làm gián đoạn đến tất cả hoạt động của Doanh Nghiệp.

Vậy tiêu chuẩn điều hòa không khí loại thông thường truyền thống không thích hợp cho hệ thống Data Center được, do vậy hệ thống Data Center phải sử dụng giải pháp điều hòa chính xác để đảm bảo nhiệt độ ổn định cho các thiết bị hoạt động ổn định an toàn.

Hệ thống điều hòa Chính Xác có những đặc điểm nổi bật:

Hệ thống điều hòa chính xác (PAC) được xây dựng nhằm đảm bảo cá thông số về nhiệt độ, độ ẩm, độ sạch, độ rung và tự động điều chỉnh chính xác các thông số cung câp bên trong Data Center trong mọi điều kiện thay đổi của môi trương bên ngoài.

Về phương thức phân phối và tuần hoàn luồng khí lạnh, không khí lạnh của hệ thống điều hòa chính xác  được cấp từ dưới sàn lên thông qua hệ thống sàn nâng kỹ thuật và được hồi lưu thông qua các cửa thông gió trên tường hoặc hệ thống hút trên trần phòng Data Center. Đay là phương án đơn giản, tiên tiến hiệu quả dành cho các Data Center không cần các đường ống hồi gió, cấp gió, tiết kiệm được chi phí và không gây đọng sương trên đường ống, tránh gây tổn hại đến các thiết bi. Ngoài ra công nghệ điều hòa Chính xác mới thường thôi ngang.

 Điều hòa không khí cho Data Center luôn phải duy trì ở mức độ 22⁰C ± 1⁰C và độ ẩm 50% ± 3% RH. Đây là điều kiện lý tưởng để các thiết bị hoạt động tối ưu nhất.

3. Một số thuật ngữ phổ thông

• Sensible Heat (Nhiệt hiện): được hiểu là phần công suất được phát ra nhằm mục đích thay đổi nhiệt độ (gây tăng giảm nhiệt độ).
• Latent Heat (Nhiệt ẩn): được hiểu là phần công suất được phát ra để phực vụ sự thay đổi trạng thái (khí qua lỏng …). Quá trình này không gây ra sự tăng/giảm nhiệt độ (ẩn).
• Total Cooling Capacity (Tổng công suất lạnh): được hiểu là tổng công suất của điều hòa gồm cộng cả hai nhiệt ẩn và nhiệt hiện cùng lúc.
• Net/Gross (Công suất thực/Công suất toàn phần): Thông thường điều hòa khi phát ra công suất lạnh sẽ bị mất đi một phần do các yếu tố nội tại của điều hòa (như quạt, lọc gió …) nên công suất toàn phần của điều hòa sẽ lớn hơn khá nhiều so với công suất phát ra
• SHR (Sensible Heat Ratio) (Hệ số nhiệt hiện): là chỉ số được tính bằng Công suất nhiệt hiện chia cho công suất toàn phần.
• EER (Energy Efficiency Ratio) ( Hệ số hiệu suất năng lượng điều hòa): thường được tính bằng công suất lạnh/ công suất điện tiêu thụ của điều hòa được xác lập ở một điều kiện chuẩn cố định. Thông thường sẽ có hai kiểu đơn vị là Btu/kW hoặc KW/KW.
• Air Flow (Lưu lượng gió): được tính theo đơn vị m3/giờ (hoặc/phút) với tổng dung tích gió được thổi ra từ hệ miệng hệ thống điều hòa ứng với một áp suất cụ thể.

Cấu tạo mô hình điều hòa thông dụng trong TTDL

Mô hình điều hòa thông dụng nhất trong TTDL phổ biến là mô hình máy điều hòa thổi sàn với cấu trúc tủ đứng và giải nhiệt bằng dàn nóng giải nhiệt ngoài trời.

Luồng khí nóng của tải nhiệt tỏa ra từ phía sau lưng thiết bị được điều hòa hút về từ phía bên trên, tái xử lý, tách ẩm tách bụi và làm lạnh sau đó được thổi phía dưới sàn và luồng khí lạnh được thổi ngược lên mặt trước của thiết bị.

Một số kiến trúc gió thổi và biến thể trong điều hòa chính xác

Kiến trúc gió thổi dưới sàn và một số biến thể phổ biến để chỉnh các góc gió cho phù hợp với hạ tầng mặt bằng TTDL. 

Loại kiến trúc gió: thổi trên – hút ngang (Không dùng sàn nâng kỹ thuật và phòng có độ cao dưới 3m.

• Kiến trúc gió: Thổi trên – hút ngang dưới sàn (phù hợp với phòng có diện tích vừa và lớn)
• Kiến trúc gió: Hút ngang bên dưới và thôi ngang bên trên (phòng nhỏ không có sàn nâng kỹ thuật)
• Kiến trúc gió: Hút trên và thổi ngang bên dưới: (Phù hợp với phòng vừa và lớn)

Có thể sử dụng điều hòa thương mại:

Không phải tất cả các phòng máy tính nhỏ đều thích hợp sử dụng điều hòa thương mại – dân dụng thông thường.

Khi công suất điện tiêu thụ trong phòng máy chủ là nhỏ dưới 3kW, có thể cân nhắc sử dụng các điều hòa dân dụng – thương mại thông thường khi các máy chủ thuộc về các hệ thống ít quan trọng hơn, và có thể chấp nhận gián đoạn hoặc bị giảm một phần hiệu năng khi nhiệt độ cao. Việc sử dụng các máy điều hòa này sẽ đem lại hiệu quả kinh tế hơn do giá thành hợp lý với phân khúc.

Khuyến nghị: Khi sử dụng máy điều hòa thương mại – dân dụng, trong các phòng máy tính nhỏ cần lưu ý bố trí phù hợp không gian lắp đặt hợp lý: gồm các hướng thoát nước, rủi ro máy lạnh chảy nước, ngăn ngừa bụi lọt vào phòng vì các máy lạnh dân dụng – thương mại không được thiết kế để làm vệ sinh, sửa chữa an toàn so với các hệ thống máy lạnh chuyên dụng. Các máy lạnh dân dụng và thương mại cần nâng cao tần suất bảo trì và kiểm tra định kỳ (có thể gắn thêm các hệ thống theo dõi hoặc máy dự phòng) do không được thiết kế để chạy suốt 24/24 trong nhiều tháng, hay nhiều năm.

Các phòng máy thường xuyên không có người giám sát vận hành thì không nên trang bị các hệ thống làm mát dân dụng do tiềm tàng các nguy cơ rò rỉ rước, cháy nổ, hư hỏng đột ngột không được dự báo trước.

Ảnh hưởng của môi trường bên ngoài:

Phần lớn các hệ thống điều hòa sẽ bị sụt giảm công suất lạnh khi môi trường bên ngoài có độ ẩm thấp hoặc nhiệt độ đặc biệt cao. Việc thiết bị có thể chạy được ở nhiệt độ cao không có ý nghĩa bằng tại nhiệt độ cao đó, thiết bị có thể duy trì được công suất tối thiểu bao nhiêu và sẽ có sự khác biệt rõ ràng với từng dòng máy, loại dàn nóng và phương thức lắp đặt. Một số nơi có thể gây sụt giảm 70-80% công suất khi nhiệt độ môi trường lên trên 40oC.

Khi lựa chọn thiết kế, người kỹ sư phải đảm bảo nếu nhiệt độ cao kéo dài tại khu vực lắp đặt, hệ thống điều hòa phục vụ cho TTDL phải giữ được công suất đảm bảo mức tối thiểu thiết kế. Nhiệt độ cao ở đây có thể được hiểu bao gồm cả 2 yếu tố “nền nhiệt không khí cao” hoặc” do bức xạ xung quanh (nắng chiếu thẳng dàn nóng)/hoặc nguồn nhiệt từ các hệ thống khác cộng vào. Gió thổi ngược dàn nóng trong điều kiện thời tiết nóng cũng sẽ làm giảm công suất của điều hòa, cần tính đến các yếu tố này tránh các hậu quả bất lợi. 

Các máy phải vận hành trong điều kiện khắc nghiệt sẽ nhanh chóng hư hỏng hơn so với các điều kiện vận hành tiêu chuẩn. Bên cạnh đó hiệu suất lạnh sẽ bị tụt giảm và gây giảm công suất lạnh phát ra của thiết bị.

Khuyến cáo: Đối với các nước có mùa hè nóng kéo dài, công suất của điều hòa vẫn phải giữ mức tốt thiểu ở nhiệt độ môi trường nóng 40oC liên tục. Thiết kế lắp đặt dàn nóng tránh phả hơi vào nhau và phải có cơ cấu che nắng gắt vào dàn nóng. Các khu vực có khí hậu biển phải thiết kế phủ lớp chống ăn mòn giàn nóng do tiếp xúc thường xuyên với tác nhân ăn mòn mạnh.

Thiết kế cho TTDL tập trung chọn công suất nhiệt:

Điều hòa sẽ cung cấp một phần công suất dưới dạng nhiệt ẩn để thực hiện quá trình khử ẩm nếu độ ẩm của TTDL có độ ẩm thường xuyên cao hơn cài đặt trong một thời gian. Kể cả khi điều hòa được lựa chọn để vận hành với hệ số nhiệt hiện =1 (tức không có nhiệt ẩn), điều hòa vẫn sẽ tự cung cấp một phần công suất để khử ẩm tự nhiên nếu độ ẩm tụt ngoài dải thiết kế, hoặc thậm chí kích hoạt mạch khử ẩm chủ động.

Khi kích hoạt mạch khử ẩm chủ động, điều hòa sẽ tăng công suất máy nén, và kích hoạt bộ phận sấy nóng để hoàn trả độ ẩm và nhiệt độ về trạng thái ổn định. Chế độ khử ẩm chủ động vốn tiêu tốn điện năng cao hơn so với các chế độ khác của điều hòa.

Khuyến nghị: Trừ khi môi trường bên ngoài trung tâm dữ liệu có độ ẩm thấp hơn 50% trong thời gian rất dài, phần lớn người thiết kế phải lựa chọn hài hòa cả công suất nhiệt hiện và nhiệt ẩn, mức phổ biến nên lựa chọn là con số từ 5-10% công suất toàn phần phải là công suất nhiệt ẩn. Khi đó điều hòa sẽ hạn chế kích hoạt mạch khử ẩm chủ động vốn tiêu tốn điện năng hơn rất nhiều so với chế độ vận hành thông thường.

Thiết kế điều hòa cho TTDL không cần quan tâm đến lưu lượng gió

Điều này là sai. Lưu lượng gió của máy điều hòa thực ra phản ánh chính xác công suất cấp lạnh của máy điều hòa đến thiết bị.

Với một phòng máy chủ nhỏ, có công suất dưới 30kW, đôi khi chúng ta sẽ không cần quá bận tâm đến lưu lượng gió do máy điều hòa có công suất quạt đủ sức thổi đến mọi ngóc ngách của phòng.

Tuy nhiên khi thiết kế cho một trung tâm dữ liệu lớn, vì lưu lượng gió tối đa của máy lạnh sẽ là một con số giới hạn nên các yếu tố cần phải cân nhắc sẽ bao gồm:

Tính toán đủ lưu lượng cấp đến các vùng khác nhau của TTDL bao gồm phần bị hao hụt, mất mát trên đường vận chuyển xa.

Tính toán phân bổ đủ đến các khu vực cần thiết. Chẳng hạn một thiết bị điều hòa tạo ra 100m3/giờ, khi cấp đến hai khu vực khác nhau, mỗi khu vực cần 50m3/giờ thì về lý thuyết là máy điều hòa đó cấp là đủ. Nhưng nếu vì lý do phân phối khu vực đó lại bị cấp dư đến 80m3/giờ thì khu vực ở xa khuất còn lại sẽ chỉ còn 20m3/giờ. Nên khu vực ở xa sẽ bị nóng cục bộ.

Tính toán khả năng điều chỉnh lượng nhiệt đủ nhanh của hệ thống điều hòa. Nếu dung lượng điều hòa thấp, hoặc quá sát với ngưỡng cần thiết thì hệ thống sẽ mất nhiều thời gian để ổn định nhiệt độ. Thông thường TTDL sẽ vẫn phát ra nhiệt khi mất điện nguồn. Máy điều hòa sẽ tạm ngưng hoạt động, tuy nhiên UPS sẽ vẫn nuôi các hệ thống thiết bị vận hành sinh nhiệt, nên TTDL sẽ nóng lên rất nhanh. Khi có điện (máy phát/lưới) phục hồi hệ thống phải được thiết kế để kịp kéo toàn bộ TTDL xuống ngưỡng an toàn trước khi TTDL bị quá nhiệt gây tắt máy chủ và các thiết bị trọng yếu.