Dylunio Systemau Oeri Hylif Effeithlon ar gyfer Canolfannau Data

 

I Cydrannau System Oeri'r Ganolfan Ddata

 

Mae'r rhan fwyaf o'r ynni trydanol a ddefnyddir gan offer TG yn cael ei drawsnewid yn wres gwastraff. Er mwyn sicrhau bod yr offer TG yn gweithredu o fewn ystod tymheredd priodol, mae gan ganolfannau data systemau oeri a disipiad gwres, gan gynnwys oeryddion, tyrau oeri, ac unedau aerdymheru manwl gywir, sy'n tynnu gwres gwastraff o'r ganolfan ddata. Dangosir y broses trosglwyddo gwres yn Ffigur 1. Mae pwyntiau defnydd ynni allweddol yn cynnwys oeryddion, tyrau oeri, pympiau, ac unedau aerdymheru manwl gywir.

 

▲ Ffigur 1: Trosglwyddo Gwres mewn Canolfannau Data

 

Ar hyn o bryd, y prif gyfryngau trosglwyddo gwres mewn canolfannau data yw aer neu ddŵr. Mae gan ddŵr, sydd â chynhwysedd gwres penodol o bwysau cyson o 1.004 kJ/(KgK) a chynhwysedd gwres penodol o 4200 kJ/(KgK), gapasiti trosglwyddo gwres tua 1,000 gwaith yn fwy nag aer. Felly, mae defnyddio dŵr fel cyfrwng oeri yn ddull arbed ynni effeithiol wrth ddylunio systemau oeri. Er mwyn gwella effeithlonrwydd ynni systemau oeri, defnyddir mesurau megis rheiddiaduron effeithlonrwydd uchel a chludiant aer manwl gywir i ddal a throsglwyddo gwres.

 

Mewn aerdymheru manwl gywir, mae oeri wedi esblygu o lefel ystafell i ystafelloedd data modiwlaidd ac oeri ar lefel rac, gan symud yn agosach at y ffynhonnell wres a lleihau'r defnydd o ynni wrth gludo oeryddion. Mae cynhyrchu ffynonellau oeri wedi symud ymlaen o oeri aer i oeri dŵr ac oeri naturiol, gan wella effeithlonrwydd trosglwyddo gwres allanol.

 

 

Mae systemau oeri traddodiadol yn cynnwys systemau rheoli annibynnol a strategaethau gweithredu ar gyfer aerdymheru manwl gywir, oeryddion, a thyrau oeri, gan wneud y gorau o effeithlonrwydd yn lleol. Fodd bynnag, mae angen gwella effeithlonrwydd oeri cyffredinol o hyd.

 

Gellir cyflawni gwelliannau systematig trwy reolaeth o'r dechrau i'r diwedd a rheolaeth fanwl gywir ar gasglu gwres, paratoi ffynhonnell oeri, a throsglwyddo gwres allanol, a thrwy hynny leihau defnydd pŵer y system oeri.

 

 

II Dyluniad System Oeri Hylif o'r Dechrau i'r Diwedd

 

1. Dyluniad Oeri Hylif Lefel Bwrdd

Gyda'r twf esbonyddol yn y galw am bŵer cyfrifiadurol, mae integreiddio a defnydd pŵer CPUs a GPUs wedi cynyddu'n sylweddol, gyda defnydd pŵer un sglodion yn cyrraedd 300W. Mae heatsinks sglodion traddodiadol ac atebion oeri aer wedi dod ar draws tagfeydd oeri. Gan mai'r sglodyn yw'r ffynhonnell wres, y brif her i system oeri'r ganolfan ddata yw tynnu gwres yn effeithlon o'r tu mewn i'r sglodyn.

 

O safbwynt afradu gwres, yn gyntaf rhaid i'r gwres a gynhyrchir gan y sglodion gael ei drosglwyddo i'r heatsink lefel bwrdd. Bydd atebion heatsink mwy effeithlon yn hwyluso gwell casglu gwres.

 

Ar gyfer sglodion sengl gyda defnydd pŵer o dan 200W ac offer TG gyda defnydd pŵer o dan 20kW fesul rac, gellir parhau i ddefnyddio aer fel y cyfrwng trosglwyddo gwres. Mae heatsinks pibell gwres a heatsinks siambr anwedd (VC), ynghyd â deunyddiau TIM dargludedd thermol uchel (fel dalennau graffit / graphene), yn lleihau'r ymwrthedd thermol rhwng y sglodion a'r sylfaen heatsink yn effeithiol, gan wella effeithlonrwydd y heatsink.

 

Ar gyfer sglodion sengl gyda defnydd pŵer yn fwy na 200W ac offer TG gyda defnydd pŵer yn fwy na 20kW fesul rac, nid yw aer bellach yn ddigonol fel y cyfrwng trosglwyddo gwres, a rhaid defnyddio oerydd hylif ar gyfer oeri. Ar hyn o bryd mae technoleg plât oer wedi'i oeri â hylif yn ddatrysiad aeddfed ar gyfer oeri sglodion lefel bwrdd. Mae plât oer wedi'i oeri â hylif yn cynnwys cysylltwyr mewnfa ac allfa, gorchudd uchaf, a phlât sylfaen, sy'n cael eu cysylltu trwy bresyddu gwactod i ffurfio siambr cyfnewid gwres hylif wedi'i selio. Mae'r siambr yn cynnwys siambrau dosbarthu a sianeli llif lled amrywiol, sy'n rheoli llif hylif ac yn cynyddu cynnwrf, gan wella galluoedd oeri lleol a dileu mannau poeth a achosir gan sglodion pŵer uchel. Dangosir y strwythur mewnol yn Ffigur 2.

 

▲ Ffigur 2: Trawstoriad o Blât Oer Wedi'i Oeri â Hylif

 

Mae gan wahanol fathau o fyrddau o fewn yr un rac lefelau pŵer amrywiol a mannau poeth, ond mae'r pwysau cyflenwad wrth gysylltydd mewnfa'r llinell gyflenwi hylif yr un peth yn gyffredinol, sy'n ei gwneud yn ofynnol i siambr ddosbarthu'r plât oer reoli'r sbardun. Ar gyfer byrddau â defnydd pŵer sglodion is, mae sbardun yn lleihau llif yr oerydd. Yn ymarferol, mae platiau oer wedi'u hoeri â hylif yn gorchuddio'r CPU, y cof, a chydrannau pŵer uchel eraill, ond mae cydrannau fel gwrthyddion a chynwysorau, nad ydynt wedi'u gorchuddio, yn cynhyrchu gwres gweddilliol sy'n gofyn am oeri ffan. Mae hyn yn arwain at gyfuniad o oeri hylif ac aer o fewn y system, gan adael lle i wella effeithlonrwydd oeri.

 

Trwy ddefnyddio deunyddiau TIM i gwmpasu'r holl gydrannau yn ystod dylunio plât oer, gellir cyflawni oeri hylif 100% yn dechnegol, ond mae hyn yn cynyddu cost a chymhlethdod y plât oer. Wrth fynd ar drywydd oeri effeithlon, rhaid ystyried y buddsoddiad cost cychwynnol hefyd. Os yw'r mathau o fyrddau nod yn unffurf, gellir ystyried bwrdd wedi'i orchuddio'n llawn, gyda chostau cychwynnol yn cael eu gwrthbwyso trwy raddio cynhyrchu, gan sicrhau cydbwysedd rhwng arbedion ynni a buddsoddiad.

 

 

Yn nodweddiadol, defnyddir dŵr wedi'i ddadïoneiddio fel yr oerydd mewn oeri hylif oherwydd ei gynhwysedd gwres penodol uchel, gan ganiatáu ar gyfer amsugno gwres cyflym tra nad yw'n cyrydol, ac felly nid yw'n effeithio ar ddibynadwyedd piblinellau. Mae oeri hylif plât oer yn anuniongyrchol, ac nid yw'r sglodyn yn cysylltu'n uniongyrchol â'r oerydd hylif, gan arwain at ddibynadwyedd uchel a thechnoleg aeddfed.

 

Fodd bynnag, mae ymwrthedd thermol yn bodoli rhwng y sglodion a'r oerydd hylif, gan arwain rhai gweithgynhyrchwyr i hyrwyddo atebion oeri trochi. Mewn oeri trochi, mae offer TG yn cael ei foddi mewn hylif sy'n cylchredeg, gyda'r sglodyn yn cysylltu'n uniongyrchol â'r oerydd, gan leihau ymwrthedd thermol wrth leveraging newid cyfnod i gael gwared ar fwy o wres, gan ei wneud yn fan problemus newydd mewn oeri hylif. Defnyddir hylifau fflworin yn gyffredin fel oeryddion mewn oeri trochi, ond mae eu cost uchel yn rhwystr i ddefnydd masnachol ar raddfa fawr.

 

2. Oeri Hylif Rack-Lefel

Mewn canolfannau data, trefnir offer TG gan raciau, sy'n gartref i offer gwybodaeth canolfan ddata fel gweinyddwyr, dyfeisiau storio, a switshis rhwydwaith. Er bod oeri lefel bwrdd yn tynnu gwres o ddyfeisiau TG unigol, mae oeri ar lefel rac yn casglu ac yn trosglwyddo'r gwres i'r awyr agored. Mae cydrannau allweddol oeri hylif lefel rac yn cynnwys manifolds mewnfa ac allfa, unedau monitro, synwyryddion tymheredd, falfiau solenoid, a falfiau gwirio, fel y dangosir yn Ffigur 3.

 

▲ Ffigur 3: Ffurfweddiad Oeri Hylif Lefel Rack

 

Mae'r Manifold yn cysylltu'n allanol â'r uned ddosbarthu oeri hylif lefel ystafell ac yn fewnol trwy gysylltwyr cyflym â chysylltwyr mewnfa ac allfa'r plât oer wedi'i oeri â hylif, gan hwyluso trosglwyddo gwres y system i'r tu allan i'r rac.

Prif swyddogaethau'r falf solenoid a'r falf wirio yw rheoli llif hylif a chyfyngu ar faint y methiant i un rac pe bai gollyngiad.

 

Prif rôl y synhwyrydd tymheredd yw monitro tymheredd y dŵr mewnfa ac allfa yn barhaus. Trwy ddefnyddio'r gwahaniaeth tymheredd rhwng y dŵr mewnfa ac allfa, mae'n rheoli agoriad y falf solenoid, a thrwy hynny reoli llif y dŵr a sicrhau bod y gwres a'r llif yn cyfateb.

Mae'r system oeri hylif yn defnyddio dŵr deionized fel yr hylif gweithio, na fydd yn ddamcaniaethol yn achosi cylchedau byr.

 

Fodd bynnag, mae gan fyrddau cylched neu gydrannau electronig gronynnau llwch yn aml, a phan ddaw dŵr deionized i gysylltiad â'r bwrdd cylched, gall achosi cylched byr. Dyma un o'r prif rwystrau a phryderon wrth weithredu oeri hylif. Er mwyn mynd i'r afael â mater gollyngiadau plât oer, defnyddir mesurau megis rheoli ansawdd, monitro micro-ollwng, ac atal gollyngiadau mawr sydyn.

 

Rhennir rheolaeth ansawdd yn gamau cymhwyso cynhyrchu a gosod. Yn y cam cynhyrchu, sicrheir dibynadwyedd y broses, mae 100% o blatiau oer yn cael profion pwysau, a defnyddir uwchsain ar gyfer samplu ar hap a chanfod diffygion. Rhaid dilysu ffitiadau cyswllt cyflym ar gyfer mewnosod effeithiol a dibynadwyedd hirdymor. Yn y cam gosod, rhaid i'r pibellau eilaidd gael eu fflysio'n lân cyn eu gosod i atal amhureddau rhag achosi rhwystrau mewn ffitiadau cyswllt cyflym, jamiau gwanwyn, neu fethiannau cylch rwber, a thrwy hynny atal gollyngiadau yn ystod y llawdriniaeth. Nod y mesurau uchod yw atal gollyngiadau cymaint â phosibl.

 

 

Os bydd plât oer yn datblygu micro-gollyngiad, rhaid ei ganfod a sbarduno larwm i annog personél cynnal a chadw i'w atgyweirio'n brydlon. Mae dau ddull canfod: mae un yn defnyddio synhwyrydd trochi dŵr, sy'n cael ei osod ar yr hambwrdd diferu. Prif swyddogaeth yr hambwrdd diferu yw hwyluso canfod gollyngiadau ac atal hylif rhag gollwng y tu allan i'r rac, gan leihau lledaeniad namau.

 

Er bod canfod synhwyrydd trochi dŵr yn aeddfed ac yn ddibynadwy, mae angen i'r hylif sy'n gollwng gronni yn yr hambwrdd diferu ar ôl llifo ar hyd y bwrdd caledwedd a'r ffitiadau rac, ac erbyn hynny gall cyfanswm yr hylif sy'n gollwng fod yn sylweddol ac efallai ei fod eisoes wedi niweidio'r bwrdd. a chydrannau yn ystod y llif.

 

Y dull arall yw monitro amser real. Mae sylwedd olrhain â phwynt berwi isel yn cael ei gymysgu i'r hylif gweithio, ac os bydd gollyngiad, mae synhwyrydd nwy sydd wedi'i gynnwys yn y bwrdd yn ei ganfod. Mae gollyngiadau sydyn ar raddfa fawr yn brin ond yn cael effaith fawr. Er mwyn atal digwyddiadau o'r fath, gosodir falfiau gwirio wrth fewnfa ac allfa'r manifold ar y rac. Mae'r falfiau gwirio hyn yn cau'n awtomatig pan ganfyddir gwahaniaeth pwysau sylweddol.

 

3. Dyluniad Oeri Hylif Lefel Ystafell

Mae oeri ar lefel ystafell wedi'i gynllunio i drosglwyddo'r gwres a dynnwyd o'r raciau i'r awyr agored. Mae'r datrysiad oeri hylif lefel ystafell yn cynnwys ystafell ddata modiwlaidd wedi'i oeri â hylif, oeryddion, pympiau dŵr, tyrau oeri, pibellau, a mwy, fel y dangosir yn Ffigur 4.

 

▲ Ffigur 4: Cyfluniad Oeri Hylif Lefel Ystafell

 

Yn nodweddiadol, mae ystafell ddata modiwlaidd wedi'i hoeri â hylif yn cynnwys dwy uned ddosbarthu oeri hylif wrth gefn (CDUs), 10-20 raciau TG, 1-2 cyflyrwyr aer lefel rhes, ac offer cyflenwad pŵer, fel y dangosir yn Ffigur 4.

 

Mae'r uned ddosbarthu oeri hylif (CDU) yn gyfrifol am ddosbarthu'r hylif gweithio ymhlith raciau oeri hylif TG, gan ddarparu dosbarthiad llif ochr eilaidd, rheoli pwysau, ynysu corfforol, a swyddogaethau gwrth-anwedd. Yn ystod y gweithrediad gwirioneddol, mae'r CDU yn cyflenwi llif a thymheredd penodol o ddŵr oeri i'r raciau oeri hylif TG, sy'n mynd i mewn i'r platiau oer wedi'u hoeri â hylif trwy'r manifold, yn tynnu'r gwres a gynhyrchir gan broseswyr a chydrannau allweddol, ac yn dychwelyd yr oeri wedi'i gynhesu dŵr i uned cyfnewid gwres canolraddol y CDU. Yna caiff y gwres ei ryddhau i'r biblinell ddŵr dychwelyd awyr agored, ac mae'r rhan hon o'r gwres yn cael ei ollwng i'r amgylchedd awyr agored trwy oeryddion neu oeryddion sych, gan gwblhau'r broses rheoli gwres ar gyfer y gweinyddwyr sydd wedi'u hoeri â hylif.

 

Mae'r CDU yn rheoleiddio tymheredd a llif yr oerydd sy'n mynd i mewn i'r platiau oer wedi'u hoeri â hylif, a thrwy hynny ddarparu oeri i'r raciau TG a dosbarthu pŵer oeri. Mae'r uned cyfnewid gwres mewnol hefyd yn chwarae rhan wrth ynysu'r gylched cyflenwad hylif rhwng yr ystafell ddata modiwlaidd a'r amgylchedd awyr agored. Oherwydd ei rôl hollbwysig, mae'r CDU fel arfer yn defnyddio ffurfwedd diswyddo 1+1. Mae'r CDU yn rheoli llif yr oerydd hylif trwy ganfod tymereddau dŵr y fewnfa a'r allfa a'r pwysau cyflenwi ac addasu cyflymder y pwmp dŵr cyflenwi.

 

 

Ar hyn o bryd, nid yw'r rhan fwyaf o systemau rheoli CDU yn cysylltu â'r synwyryddion tymheredd o fewn y raciau, gan arwain at reolaeth gymharol fras. Er mwyn mynd i'r afael â'r mater hwn, mae rhai ceisiadau wedi disodli CDUs canolog gyda CDUs dosbarthedig, sy'n cael eu hintegreiddio i'r raciau. Fel hyn, mae addasiadau llif CDU yn gwbl seiliedig ar statws gweithredol ac amrywiadau defnydd pŵer y rac. Mae CDUs canolog yn addas ar gyfer senarios gyda nifer fawr o raciau wedi'u hoeri â hylif y gellir eu cyfuno mewn ystafell ddata fodiwlaidd, tra bod CDUs wedi'u dosbarthu yn fwy addas ar gyfer sefyllfaoedd gyda dim ond 2-3 raciau wedi'u hoeri â hylif, gan wneud y defnydd yn haws.

 

 

III Casgliad

 

O dan arweiniad nodau carbon deuol, mae gan ganolfannau data genhadaeth ddeuol: ar y naill law, trwy weithrediadau dwys a graddedig, maent yn darparu pŵer cyfrifiadurol digonol ar gyfer yr economi ddigidol. Mae'r defnydd eang o raciau dwysedd uchel a sglodion pŵer uchel, sy'n cael ei yrru gan effeithlonrwydd pŵer cyfrifiadurol y ganolfan ddata, wedi achosi i oeri aer traddodiadol ddod ar draws tagfeydd. Ar y llaw arall, trwy ddefnyddio cyfnewidwyr gwres effeithlonrwydd uchel, oeri hylif, ac oeri naturiol o oeryddion sych, gall canolfannau data leihau eu defnydd o ynni eu hunain.

 

Ar ôl mabwysiadu oeri hylif, mae effeithlonrwydd oeri wedi'i wella'n sylweddol, gyda defnydd ynni systemau oeri wedi'i leihau o 37% i tua 10%, gan arwain at arbedion ynni sylweddol a gostyngiad carbon. Os bydd 50% o ganolfannau data newydd ledled y wlad yn mabwysiadu oeri hylif, gellir arbed 45 biliwn kWh o drydan bob blwyddyn, a 3 miliwn o dunelli o CO.₂ gellir lleihau allyriadau.