دانلود رایگان ترجمه مقاله سیستم خنک کننده رایگان کارآمد انرژی (آی تریپل ای ۲۰۱۱)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

در این طرح دو سیستم آب چگالنده به کار رفته است. آب چگالنده در صرفه‌جوی کنار آبی به منظور پیش-سرمایش هوای برگشتی به مرکز داده استفاده شده است. هوای سرد شده مقدماتی سپس به منبع آب سرد فرستاده شده تا این هوا را تا دمای مورد نظر خنک کند. این صرفه‌جوی تفکیک شده نیازمند به سرمایه‌گذاری اولیه بیشتری است.
ژائو پینگ وو [۸] کنترل حرارتی مرکز داده را با استفاده از لوله‌های انتقال حرارت و بر پایه مخازن یخ و آب سرد پیشنهاد می‌کند. به کارگیری این دو نوع مخزن می‌تواند در به حداقل رساندن بار حرارتی وارد بر واحدهای سردکن و بنابراین در کاهش برق مصرفی و هزینه‌ها موثر باشد.
اخیراً طراحی مراکز داده با استفاده از صرفه‌جوی‌ها [۹] به مبحث مهمی در تحقیقات صنعتی و دانشگاهی تبدیل شده است. یوسوکه اوداگاوا تحقیقاتی در معرفی سیستم‌های سرمایش آزاد و تخمینی از عملکرد آن‌ها بر اساس شبیه‌سازی ارائه نموده است. وی مقایسه‌ای بین سیستم منبع حرارتی با آب سرد مرکزی و صرفه‌جوی کنار هوایی انجام داده است که بر اساس نتایج تحقیقاتش صرفه‌جوی می‌تواند مصرف انرژی را کاهش بخشد.
طبق گزارش آرمان شهابی [۱۱] با استفاده از صرفه‌جوی کنار آبی و کنار هوایی برای مراکز داده در اقلیم‌های مختلفی از کالیفرنیا صرفه‌جویی در مصرف انرژی محقق شده است. در نتایج بیان شده است که صرفه‌جویی انرژی با استفاده از صرفه‌جوی‌های کنار هوایی بر صرفه‌جوی کنار آبی برتری دارد. با این وجود تغییرات وابسته به موقعیت مکانی متفاوت است.
گزارش منتشر شده توسط مهندسین رامسی در همکاری با شرکت گاز و برق پسیفیک [۱۲] طرح نوینی از مراکز داده با صرفه‌جوی‌ها را به بحث گذاشته است. در مراکز داده، پیش از استفاده از صرفه‌جوی کنار هوایی سیستم‌های تهویه هوای قابل حمل نیز به کار گرفته شده‌اند.

۳٫ سیستم سرمایش صرفه‌جوی آزاد
الف. صرفه‌جوی هوایی
در این بخش به بررسی سیستم صرفه‌جوی سرمایش آزاد می‌پردازیم که در زمان تناسب شرایط جوی با مقررات سرمایشی ASHRE از هوای بیرون استفاده می‌کند. سیستم صرفه‌جوی با تعلیق و یا کاهش زمان کار سیستم سردکن و تجهیزات مرتبط با آن می‌تواند تاثیر شگرفی بر مصرف انرژی بگذارد. شکل ۲ نمایش سطح مقطعی از سیستم صرفه‌جوی هوایی که در آن واحد هواساز (AHU) به جهت استفاده از هوای بیرون در خارج از اتاق مرکز داده قرار گرفته است. جداکننده داخل اتاق هوای سرد و گرم را تفکیک کرده تا از آمیزش هوای سرد و گرم درون اتاق سرمایش مرکز داده جلوگیری نماید. یک نمایشگر دما درون AHU دمای بیرون را اندازه‌گیری می‌کند. وقتی که دمای بیرون برابر و یا کمتر از دمای هوای مورد استفاده برای خنک کردن تجهیزات باشد، فن بسیار کارآمد درون AHU هوای خارج را به داخل مرکز داده می‌کشد و هوای گرم حاصل از تجهیزات را به بیرون می‌راند. وقتی که مرکز داده ۱۰۰% از هوای بیرون استفاده می‌کند، واحد سردکن و تجهیزات مرتبط با آن از کار می‌افتند. وقتی که دمای بیرون بیش از دمای مورد نیاز باشد، واحد سردکن باید وارد عمل شده تا تجهیزات را خنک کند. صرفه‌جوی هوایی می‌تواند مشکلاتی از قبیل ورود آلاینده‌ها به مرکز داده را به همراه داشته باشد که باعث آسیب رسیدن به عملکرد تجهیزات آن می‌شود. بنابراین فیلترهای به شدت کارآمدی مورد نیاز است تا از ورود غبار جلوگیری به عمل آورد که خود نیازمند مصرف انرژی اضافی می‌باشد. علاوه بر این برای انتقال ۱۰۰% هوا از خارج به داخل سیستم نیازمند مصرف انرژی بیشتری برای فن می‌باشد. همچنین نیازمند به سیستم رطوبت‌زن نیز می‌باشیم، زیرا که رطوبت هوای بیرون در دمای پایین کافی نیست. اما این انرژی اضافه (۱%) در برابر صرفه‌جویی حاصل از غیرفعال شدن واحد سردکن (۳۰% الی ۴۰%) بسیار ناچیز است.
سیستم صرفه‌جوی آبی نمایش داده شده در شکل ۳ شامل برج خنک‌کننده و فن‌هایی به منظور داخل کشیدن هوای بیرون در زمان تناسب شرایط جوی با نیازهای سیستم سرمایش است. آب توسط برج خنک‌کننده و به کمک هوای بیرون سرد می‌شود و با استفاده از اثر ترمودینامیکی فعالیت واحد سردکن را متوقف کرده و یا کاهش می‌دهد. این آب خنک از طریق مبادل حرارتی که بین مرکز داده و برج خنک‌کننده قرار دارد، وارد کویل سرمایش درون واحد CRAC شده و باعث کاهش فعالیت تبخیرکننده می‌شود. این امر در نهایت منجر به کاهش نیاز به سرمایش مکانیکی و کاهش هزینه مصرف انرژی در مرکز داده می‌شود. صرفه‌جوی آبی بهترین عملکرد را در شرایط آب و هوایی فصل بهار و یا زمستانی سرد دارد. این شرایط موجب مشکل یخ زدن آب در برج خنک‌کننده در زمان‌های افت دمای بسیار زیاد می‌شود که در نتیجه نیازمند به انرژی اضافی برای به حرکت در آوردن فن‌ها و به داخل کشیدن هوای بیرون خواهد شد.

ب. مطالعه قوانین
شرح قوانین حاکم بر کار شبیه‌سازی مطابق زیر است.

کل انرژی مصرفی در مرکز داده
هر عضو (Ei) در مرکز داده هوا را با دمای ورودی Tin(i) به داخل می‌کشد و در حالی که هوای گرم‌تر خروجی با دمای Tout(i) را بیرون می‌راند با مصرف انرژی Pin حرارت بیشتری تولید می‌کند. بر اساس تعریف معادله (۱) مقدار کل انرژی مصرفی (P) یک مرکز داده با استفاده از مجموع انرژی مصرفی تک تک اجزاء آن (Ei) قابل محاسبه است.

محاسبه رطوبت نسبی
رطوبت نسبی (RH) که با استفاده از معادله (۵) محاسبه می‌شود برابر با نسبت فشار بخار آب حقیقی بر فشار بخار آب اشباع در یک دمای مشخص است. معمولاً برای RH به جای استفاده از نسبت، شکل درصدی آن به کار می‌رود. Ps فشار بخار اشباع برابر است با (۲۶۹۴/۱۷*(۳/۲۳۸+t) /t)exp*78/610) که p فشار بخار آب است.

انرژی رطوبت‌زنی و رطوبت‌زدایی
نیاز به رطوبت‌زنی و رطوبت‌زدایی واحدهای CRAC توسط سطح RH مورد نظر در فضای مرکز داده و مقدار انرژی و بخار ورودی در مدخل‌ها مشخص می‌شود. از آنجا که نگهداری از ورودی سرور در سطح پیشنهادی ASHRAE ضروری است، هنگامی که هوای بیرون برای استفاده داخل مرکز داده در محدوده مورد نظر نباشد، باید رطوبت از هوا گرفته و یا به آن اضافه شود. اگر نیاز به رطوبت‌زدایی باشد، هوای مرطوب باید تا دمایی پایین‌تر از نقطه شبنم‌زدن سرد شود. برای رطوبت‌زنی، بخار به هوای منبع در ورودی CRAC فرستاده شده و سپس تا دمای عملیاتی مرکز داده سرد می‌شود.

نسبت کارآیی
سودمندی مصرف انرژی (PUE) به صورت نسبت کل انرژی مصرفی در یک مرکز داده به انرژی مصرف شده توسط تجهیزات IT موجود در مجموعه تعریف می‌شود. انرژی کل مجموعه به صورت نیروی اندازه‌گیری شده با کنتور، یا نیروی اختصاص داده شده به مرکز داده می‌باشد. منظور از انرژی تجهیزات IT انرژی مختص یافته به تجهیزاتی است که جهت اداره، پردازش، ذخیره‌سازی و یا مسیردهی اطلاعات درون مرکز داده به کار می‌روند. بازدهی مرکز داده (DCE) به صورت معکوس PUE تعریف می‌شود.
PUE =(مصرفی انرژی کل)/(ITتجهیزات انرژی)%۱۰۰ ×
DCE =(ITتجهیزات انرژی)/(مصرفی انرژی کل) %۱۰۰ ×

۴٫ جزئیات طرح
الف. محیط آزمایش
انرژی مصرفی در حالت‌های مختلف با استفاده از برنامه انرژی شرکت تریس شبیه‌سازی شده است. نرم‌افزار شرکت تریس یک برنامه تحلیل نیرو، سیستم، انرژی و اقتصادی است که برای ساختمان‌هایی مشابه ویژگی‌های معماری، سیستم‌های CRAC ، کاربری ساختمان و یا زمان‌بندی و امکانات اقتصادی را از منظر انرژی و به صرفه بودن مقایسه می‌کند. این برنامه استانداردهای ASHRAE و بسته کتابخانه‌ها، مقالات gbXML (XML ساختمان سبز)، فایل‌های هواشناسی، الگوها، رویه نرخ تهویه ۲۰۱۰-۱/۶۲ ASHRAE، اطلاعات مدل‌سازی ساختمان (BIM) و موارد دیگری را پوشش می‌دهد.
نیازهای سیستم: پردازشگر پنتیوم سه، ۵۰۰ مگابایت فضای خالی دیسک، ۱ گیگابایت حافظه RAM، وضوح تصویر ۶۰۰ x 800 و یا بیشتر، سیستم عامل ویندوز ۲۰۰۰/XP/ویستا. برای هر حالت، مدل مساحت ۱۲۰۰۰ فوت مربع مرکز داده با یک سرور MW 3 و با تراکم متوسط مرکز داده ۲۵۰ وات در هر فوت مربع را فرض نموده است.
جهت ارزیابی صرفه‌جویی انرژی در مرکز داده، مقادیر رطوبت و دما [۱۳] در هر سه منطقه نشان‌دهنده هوای نسبتاً خنکی برای کل سال می‌باشند. این موقعیت‌های جغرافیایی به عبارتی شیکاگو، آتلانتا و فونیکس از این جهت انتخاب شده‌اند که در طی فصل زمستان هوای بیرون بخش زیادی از نیاز یک مرکز داده را پاسخگو خواهد بود.
مصرف انرژی به صورت مجموع بار وارد شده توسط تجهیزات IT، رطوبت‌زنی، پمپ، استفاده از سردکن، فعالیت فن، مبدل و روشنایی ساختمان محاسبه شده است. در هر سه حالت محدودیت‌های پیشنهادی برای رطوبت قراردادی ASHRAE (2008 ASHRAE) فرض شده است. در جدول ۱ پارامترهای پایه مانند رطوبت نسبی، دمای هوای رفت و برگشتی CARC، دمای آب سرد ورودی و حداکثر مقادیر دما در راهروی سرد برای سیستم‌های متداول، صرفه‌جوی آبی و هوایی داده شده است.