Data Center Evaporative Cooling: Cách làm mát trung tâm dữ liệu phổ biến

Data Center Evaporative Cooling (Swamp Cooling) là gì?

Data Center Evaporative Cooling, hay còn được gọi là Swamp Cooling, là một phương pháp làm mát không khí trong trung tâm dữ liệu (data center). Phương pháp tận dụng sự thay đổi nhiệt độ khi nước tiếp xúc với luồng khí chuyển động và bắt đầu bốc hơi, chuyển thành thể khí. 

Evaporative Cooling (làm mát bằng bay hơi) về cơ bản hoạt động với một chiếc quạt lớn hút khí ấm qua các tấm lọc được làm ẩm bằng nước. Khi nước trong các tấm lọc bay hơi, không khí được làm lạnh và đẩy ra trung tâm dữ liệu. Nhiệt độ được kiểm soát thông qua điều chỉnh luồng khí của bộ làm mát.

Chất lượng của Evaporative Cooling được đánh giá dựa trên khối lượng không khí ấm/mát có thể trao đổi trong một phút và dựa trên lượng năng lượng cần để chạy. EC hoạt động tốt nhất ở vùng khí hậu khô; độ ẩm càng thấp thì càng dễ bay hơi khỏi tấm lót.

Data Center Evaporative Cooling (Swamp Cooling) là phương pháp khá mới đối với trung tâm dữ liệu. Không giống như máy điều hòa không khí (AC), máy làm mát bằng bay hơi được ưa chuộng hơn khi không sử dụng chất làm lạnh gây nguy hiểm cho môi trường. Bên cạnh đó, phương pháp này tiết kiệm năng lượng hơn, chi phí vận hành, bảo trì thấp hơn và chi phí lắp đặt rẻ hơn.

Tại sao Data Center cần được làm mát?

Trung tâm dữ liệu (Data center) chứa các máy chủ cho phép doanh nghiệp truy cập và truyền dữ liệu quan trọng. Với nhu cầu truyền dữ liệu tức thì đang không ngừng tăng cao, hầu hết các doanh nghiệp hiện nay đều dựa vào các trung tâm dữ liệu bên ngoài thay vì sử dụng các trung tâm dữ liệu tại chỗ của riêng họ do vốn bỏ ra có thể lớn và khá tốn kém để vận hành. Việc giữ cho trung tâm dữ liệu luôn mát mẻ là điều tối quan trọng để đảm bảo mọi thứ hoạt động chính xác và không có sự cố. Nhưng tại sao một trung tâm dữ liệu cần được làm mát?

Thiết bị máy tính chuyên dụng được thiết kế để xử lý lượng lớn dữ liệu mỗi giây, do đó, nó tỏa ra một lượng nhiệt rất lớn. Đơn như máy tính cá nhân, khi bạn sử dụng trong một thời gian dài hay xử lý những tác vụ nặng nhọc, máy tính sẽ nóng lên và dần chậm hơn. Trong khi đó, bên trong trung tâm dữ liệu là một lượng lớn máy tính nên nó tỏa ra mức nhiệt rất cao, đặc biệt là khi nếu trung tâm đó hoạt động 24/7. 

Nhiệt độ quá nóng có thể gây hại rất lớn đến máy chủ và nếu xảy ra bất kỳ sự cố nào gây hỏng hóc, cần sửa chữa hay thay thế, điều này có thể gây ra sự chậm trễ đáng kể cho các doanh nghiệp trong việc truy cập dữ liệu. Máy tính quá nóng cũng có thể gây ra nguy cơ hỏa hoạn. Đây là lý do tại sao công đoạn làm mát rất quan trọng đối với hoạt động của một trung tâm dữ liệu. Việc duy trì nhiệt độ của trung tâm dữ liệu có thể ngăn chặn những sự cố và giữ mọi thứ hoạt động trơn tru.

Một số phương pháp làm mát trung tâm dữ liệu phổ biến

Hot Aisle/Cold Aisle

Đây là phương pháp đầu tiên và phổ biến nhất trong lĩnh vực làm mát bằng không khí. Mục đích của phương pháp là tách không khí lạnh ra khỏi không khí nóng, bằng tạo ra hệ thống đối lưu, trong đó các tủ tự làm mát. Tuy nhiên phương pháp này không phải lúc nào cũng hiệu quả, song nó yêu cầu một lượng khí lạnh lớn được bơm vào. Đó là lý do khiến nhiều trung tâm dữ liệu chuyển sang những phương pháp khác.

Cold or Hot Air Containment

Đây là phương pháp làm mát bằng không khí, là phiên bản cải tiến hơn của Hot Aisle/Cold Aisle. Phương pháp tách và chứa các máy chủ để không khí nóng và lạnh không bị trộn lẫn. Cold or Hot Air Containment hoạt động khá tốt, tuy nhiên vẫn không thể tránh được hạn chế về điểm nóng.

In-rack heat extraction

Đây là một phương pháp làm mát trung tâm dữ liệu bằng không khí khác. Mục tiêu cuối cùng của phương pháp là loại bỏ không khí nóng thông qua lắp đặt các máy nén (compressors) và hệ thống điều hòa trung tâm Chiller trong tủ rack. 

Water-cooled racks and servers

Tủ rack và máy chủ được làm mát bằng nước là phương pháp làm mát bằng chất lỏng đầu tiên. Trong phương pháp này, nước được sử dụng để làm mát mặt nóng của tủ để hạ nhiệt. Do tính chất dẫn điện nên nước sẽ không tiếp xúc trực tiếp với các thiết bị, mà chúng được chứa trong các bể, sau đó chảy qua các đường ống máy bơm tháp giải nhiệt (cooling tower pumps). Sau đó, nước sẽ chạy dọc theo các máy chủ, phía sau một vách ngăn phân cách. Nước lạnh có chức năng hạ nhiệt các bộ phận bên trong. Phương pháp này hoạt động tốt, nhưng nguy cơ rò rỉ khiến nhiều nhà quản lý trung tâm dữ liệu lo ngại khi sử dụng nó.

Liquid Immersion Cooling

Phương pháp làm mát dựa trên chất lỏng mới nhất là Liquid Immersion Cooling (làm mát ngâm trong chất lỏng). Trong phương pháp này, chất lỏng làm mát chảy qua các phần nóng của máy chủ để làm mát nó. Các máy chủ nổi hoàn toàn trên chất lỏng điện môi. Mặc dù chất lỏng điện môi không dẫn điện nhưng nó có thể làm hỏng các linh kiện nếu không được sử dụng đúng cách.

StatePoint Liquid Cooling

Một cải tiến mới trong làm mát dựa trên chất lỏng đang được Facebook và Nortek Air Solutions triển khai, là StatePoint Liquid Cooling (SPLC), một hệ thống làm mát gián tiếp. Điểm khác biệt của hệ thống làm mát này là các lớp lót ngăn cách có thể sử dụng cho cả thời tiết lạnh lẫn thời tiết nóng ẩm để tạo ra nước và sau đó làm mát không khí bên trong trung tâm dữ liệu. Facebook ước tính hệ thống này có thể cắt giảm 20% lượng nước sử dụng cho quá trình làm mát.

Data Center Evaporative Cooling (Swamp Cooling)

Evaporative Cooling là một phần của công nghệ làm mát bằng không khí, dù phương pháp này có liên quan đôi chút đến nước, nhưng lại rất khác so với làm mát bằng chất lỏng. Năng lượng duy nhất mà hệ thống Evaporative Cooling cần là cho quạt và máy bơm nước. Nó không cần đến máy nén, trong khi hầu hết các hệ thống làm mát khác đều sử dụng. Data Center Evaporative Cooling (Swamp Cooling) rất đơn giản và tiêu thụ ít năng lượng. Chi phí của hệ thống làm mát này hợp lý hơn so với hầu hết các hệ thống làm mát của trung tâm dữ liệu, trung bình bằng khoảng 25% so với Hệ thống điều hòa không khí HVAC truyền thống. 

Nhược điểm của phương pháp này được thể hiện ngay trong chính cái tên Swamp Cooling của nó (làm mát đầm lầy). Loại hệ thống này mang lại độ ẩm cao hơn cho trung tâm dữ liệu và điều này thường không tốt cho các thiết bị máy tính. Đây là lý giải tại sao phương pháp này lại hoạt động tốt nhất ở vùng khí hậu khô hoặc độ ẩm thấp để độ ẩm được cân bằng. Làm mát bằng bay hơi là một cách tuyệt vời để các trung tâm dữ liệu giảm đáng kể mức sử dụng năng lượng tổng thể.

Mô hình Data Center Evaporative Cooling mới hoạt động như thế nào?

Damena Agonafer, giáo sư kỹ thuật cơ khí và khoa học vật liệu tại Đại học Washington, St. Louis, đã phát triển một hệ thống làm mát bằng bay hơi độc đáo. Thiết kế của ông là giải pháp làm mát bằng hơi nước đầu tiên sử dụng cảm biến với các trụ cực nhỏ. Tấm lót giữ lại chất làm lạnh - một thành phần quan trọng của hệ thống, bởi nước không thể sử dụng an toàn trong các ứng dụng điện - và cuối cùng loại bỏ nhiệt nhanh hơn hệ thống làm mát hơi truyền thống.

Chất làm lạnh điện môi có sức căng bề mặt thấp nên nó có thể “làm ẩm” mọi bề mặt tiêu chuẩn. Agonafer nhận định rằng việc thương mại hóa công nghệ này có thể mở đường cho những bước phát triển mới của trung tâm dữ liệu và các ứng dụng sử dụng nhiều năng lượng khác như trong chăm sóc sức khỏe.

Các loại Evaporative Cooling

Có 2 loại Evaporative Cooling là:

• Làm mát bằng bay hơi trực tiếp: là sự tiếp xúc giữa độ ẩm, khí được làm mát và khí được điều hòa. Trong đó, không khí khô, ấm được chuyển thành không khí ẩm, mát, với nhiệt được sử dụng để làm bay hơi nước. 
• Làm mát bằng bay hơi gián tiếp: sử dụng thông qua bộ trao đổi nhiệt. Không khí ẩm được thoát ra bên ngoài, trong khi không khí được điều hòa, làm mát được đẩy vào bên trong tháp. 
• Làm mát bằng bay hơi hai giai đoạn: Evaporative Cooling được chia thành 2 giai đoạn là “gián tiếp - trực tiếp”. Bắt đầu bằng quá trình trao đổi nhiệt gián tiếp, để không khí thoát ra ít ẩm hơn, sau đó là giai đoạn trực tiếp. Phương pháp này có thể giảm độ ẩm trong trung tâm dữ liệu từ 10-20%.

Lợi ích Data Center Evaporative Cooling 

Data Center Evaporative Cooling (Swamp Cooling) mang lại lợi ích cao nhất tại vùng khí hậu ấm và khô. Không khí ngoài trời với nhiệt độ cao và độ ẩm thấp thì càng dễ hạ từ 10°C-15°C. Hoạt động trong môi trường như vậy quanh năm thì Evaporative Cooling càng tiết kiệm năng lượng. Ngược lại, các khu vực có nhiệt độ lạnh và/hoặc độ ẩm cao hơn sẽ ít khả năng làm mát bằng bay hơi hơn.

Cân nhắc khi sử dụng Data Center Evaporative Cooling

Evaporative Cooling là một cách tuyệt vời để cải thiện Hiệu quả sử dụng điện năng PUE, nhưng vẫn có một số điều bạn cần cân nhắc. Bay hơi trực tiếp là phương án khả thi và ít tốn kém, nhưng nó mang đến độ ẩm cao. Còn bay hơi gián tiếp thì đắt hơn và có thể yêu cầu cài đặt tùy chỉnh.

Đầu tiên, theo các tiêu chuẩn ASHRAE, độ ẩm tương đối là khoảng 20% - 80%. Thứ hai, để tránh gây ô nhiễm không khí, hệ thống lọc nước là thiết bị cần thiết cho Data Center Evaporative Cooling (Swamp Cooling). Và cuối cùng, nguồn nước là một mối đe dọa thường trực, nhất là tại vùng khí hậu khô hạn, vấn đề thiếu nước có thể làm tăng chi phí làm mát lên cao chóng mặt. 

Tóm lại, Data Center Evaporative Cooling là một giải pháp thay thế cho máy điều hòa không khí trong trung tâm dữ liệu, góp phần bảo vệ tầng ozone và tiết kiệm đáng kể năng lượng để hoạt động. Trên đây là bài viết về Data Center Evaporative Cooling (Swamp Cooling), hy vọng qua đây, bạn đọc đã có thêm những kiến thức hữu ích về lĩnh vực công nghệ!