Đồ án: Tính toán kiểm tra hệ thống máy lạnh chính xác cho Data Center FPT

Đồ án tốt nghiệp tính toán hệ thống máy lạnh chính xác cho data center FPT. Tài liệu phân tích chi tiết về tải nhiệt, chọn thiết bị và lắp đặt.

• Tác giả: Phạm Quốc Quân
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng An Quốc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt
• Đề tài: Tính toán kiểm tra hệ thống máy lạnh chính xác cho Data Center FPT
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Máy Lạnh Chính Xác cho Data Center

Hệ thống máy lạnh chính xác là giải pháp điều hòa không khí hiện đại được thiết kế đặc biệt cho các data center và phòng máy chủ. Không giống như các hệ thống điều hòa truyền thống, máy lạnh chính xác có khả năng kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm với độ chính xác cao, đảm bảo môi trường hoạt động tối ưu cho các thiết bị điện tử. Theo đồ án tốt nghiệp của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, hệ thống CRAC (Computer Room Air Conditioning) được áp dụng rộng rãi cho các trung tâm dữ liệu như FPT. Các yêu cầu kỹ thuật khắt khe về kiểm soát nhiệt độ, duy trì độ ẩm ổn định, và lọc không khí sạch là những nhân tố quan trọng để tính toán máy lạnh chính xác. Việc tính toán nhiệt tải dựa trên các nguồn phát nhiệt bao gồm thiết bị IT, đèn chiếu sáng, con người, và tác động từ môi trường bên ngoài.

1.1. Vai trò của Máy Lạnh Chính Xác trong Data Center

Máy lạnh chính xác đóng vai trò then chốt trong việc duy trì hiệu suất hoạt động của các thiết bị tính toán. Với hoạt động liên tục không ngừng nghỉ, hệ thống phải đảm bảo kiểm soát nhiệt độ trong phạm vi ±2°C. Độ ẩm cũng được quản lý trong khoảng 45-55% RH để tránh tĩnh điện và ăn mòn thiết bị. Khối lượng không khí lưu thông được tính toán để đạt năng suất lạnh thích hợp, tối ưu hóa công suất tiêu thụ và giảm chi phí vận hành.

1.2. Sự Khác Biệt so với Hệ thống Điều hòa Thông thường

Khác biệt cơ bản nằm ở nét khác biệt của hệ thống máy lạnh chính xác là khả năng kiểm soát độc lập nhiệt độ và độ ẩm. Hệ thống CRAC sử dụng dàn lạnh và dàn nóng tiên tiến, kết hợp với bộ sấy tách ẩm để đạt nhiệt độ đọng sương chính xác. Lọc không khí với chuẩn cao đảm bảo khả năng lọc không khí hiệu quả, bảo vệ thiết bị IT khỏi bụi và tạp chất.

II. Tính Toán Nhiệt Tải cho Data Center FPT

Tính toán nhiệt tải là bước cơ bản nhất trong thiết kế hệ thống máy lạnh cho data center. Theo đồ án nghiên cứu, nhiệt hiện và nhiệt ẩn được tính toán từ nhiều nguồn khác nhau. Nhiệt hiện truyền qua mái (Q1) tính dựa trên bức xạ mặt trời và độ chênh lệch nhiệt độ. Nhiệt hiện truyền qua vách (Q2) và nền (Q3) phụ thuộc vào vật liệu xây dựng và điều kiện môi trường. Nhiệt hiện tỏa do đèn chiếu sáng (Q4), máy móc (Q5), và con người (Q6h, Q6a) cũng được tính kỹ lưỡng. Nhiệt do lọt không khí vào phòng (Q7) được xác định từ số lượng người vào ra và cách động mở cửa. Hệ số nhiệt hiện RSHF và hệ số nhiệt hiện hiệu dụng ESHF được sử dụng để kiểm tra năng suất lạnh của hệ thống.

2.1. Các Nguồn Phát Nhiệt Chính

Các nguồn phát nhiệt bao gồm: (1) Nhiệt từ thiết bị IT - nguồn phát nhiệt lớn nhất; (2) Nhiệt tỏa từ đèn chiếu sáng với mức độ phụ thuộc vào công suất đèn; (3) Nhiệt từ con người bao gồm nhiệt hiện qua da và quần áo, nhiệt ẩn qua hơi nước; (4) Nhiệt truyền qua bao che (mái, vách, nền) phụ thuộc vào vật liệu, độ đen bề mặt kết cấu, và điều kiện thời tiết bên ngoài.

2.2. Phương Pháp Tính Toán Kiểm Tra

Tính toán kiểm tra sử dụng đồ thị ẩm để xác định các thông số trạng thái không khí. Các quá trình cơ bản trên đồ thị ẩm bao gồm: quá trình sưởi ấm không khí đẳng dung ẩm, quá trình làm lạnh và khử ẩm, và quá trình tăng ẩm bằng nước và hơi. Nhiệt độ không khí sau giàn lạnh được xác định dựa trên hệ số đi vòng của dàn lạnh và điều kiện vào ra của máy.

III. Thiết Kế Sơ Đồ Tuần Hoàn và Lựa Chọn Thiết Bị

Sơ đồ tuần hoàn một cấp là cấu hình phổ biến nhất cho hệ thống máy lạnh chính xác. Sơ đồ này gồm máy nén xoắn ốc, dàn nóng, dàn lạnh, bình tích lỏng, phin lọc, và bộ sấy tách ẩm. Lựa chọn thiết bị dựa trên công suất tính toán, năng suất lạnh yêu cầu, và điều kiện hoạt động. Dàn lạnh được chọn dựa trên catalog kỹ thuật, đảm bảo nhiệt độ đọng sương thích hợp và hiệu suất trao đổi nhiệt cao. Dàn nóng T-60 là lựa chọn phổ biến với cấp bảo vệ IP cao. Chọn đường kính ống dựa trên bảng chi tiết và yêu cầu lưu tốc nước phù hợp.

3.1. Thành Lập Sơ Đồ Điều hòa Không Khí

Thành lập sơ đồ bắt đầu từ việc xác định các điểm trên ẩm đồ: điểm trạng thái không khí phòng (điểm A), điểm không khí trở về (điểm B), điểm không khí được cấp (điểm S). Hệ số nhiệt hiện trong tổng (εhf), hệ số nhiệt hiện phòng RSHF, và hệ số hiệu dụng ESHF được sử dụng để định vị các điểm này trên đồ thị ẩm.

3.2. Tính Toán Công Suất và Kiểm Tra Năng Suất

Tính toán công suất dựa trên tổng nhiệt tải đã xác định. Năng suất lạnh của hệ thống phải lớn hơn hoặc bằng tổng nhiệt hiện và nhiệt ẩn. Biểu diễn các quá trình trên ẩm đồ giúp kiểm chứng tính đúng đắn của thiết kế. Chọn dàn lạnh và dàn nóng phù hợp để đạt năng suất lạnh yêu cầu với hiệu suất cao nhất.

IV. Tiêu Chuẩn Lắp Đặt và Yêu Cầu Phòng Máy Chủ

Tiêu chuẩn xây dựng phòng máy chủ cho data center bao gồm nhiều khía cạnh kỹ thuật. Chọn điểm làm phòng máy chủ phải đảm bảo không ngập nước, cách xa nguồn nhiễu. Hệ thống sàn nâng được yêu cầu để lắp đặt hệ thống đường ống và cáp điện dưới sàn. Hệ thống nguồn điện với UPS đảm bảo cấp điện liên tục. Hệ thống chữa cháy không dùng nước sử dụng khí, bảo vệ thiết bị IT. Yêu cầu lắp đặt đường ống tuân theo tiêu chuẩn để tránh rò rỉ và hiệu suất thấp. Thiết kế kiến trúc, thiết kế môi trường, và thiết kế phần điện phải đồng bộ.

4.1. Các Yêu Cầu Cơ Sở Hạ Tầng

Sàn nâng phải đáp ứng tiêu chuẩn chịu tải, thường từ 500-1000 kg/m². Hệ thống dây cáp được lắp dưới sàn nâng, riêng biệt với ống máy lạnh. Hệ thống chống sét là bắt buộc để bảo vệ thiết bị khỏi sét. Hệ thống giám sát camera và cửa ra vào kiểm soát an ninh. Hệ thống tủ Rack được sắp xếp để tối ưu lưu thông không khí và năng suất lạnh.

4.2. Lắp Đặt Hệ Thống Máy Lạnh và Thiết Bị Phụ

Lắp đặt hệ thống tuân theo yêu cầu lắp đặt đường ống chi tiết, đảm bảo độ dốc, tránh siphon. Thiết bị cấp ẩm được lắp để điều chỉnh độ ẩm khi cần. Chọn đường kính ống dựa trên lưu tốc nước tối ưu (1,2-2,4 m/s). Bảng chi tiết khối lượng cung cấp vật tư và thi công lắp đặt giúp quản lý dự án hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, với việc công nghệ thông tin phát triển vượt bậc đã làm cho thị trường xuất hiện thêm hai mảng nhu cầu lớn là những đường truyền internet nhanh, ổn định hơn và mang tính cá nhân hóa như lưu trữ website, email,… Lượng nhu cầu ngày một tăng cao này đẩy đến sự phát triển không ngờ của hệ thống data center, dẫn đến ngày càng nhiều hệ thống được xây dựng với những yêu cầu nghiêm ngặt về nhiệt độ và độ ẩm, từ đó tạo ra tiềm năng cho việc phát triển hệ thống điều hòa không khí cho máy lạnh chính xác của hệ thống data center. Nhưng vấn đề mấu chốt là thiết kế sao cho phù hợp với từng phân khúc thị trường, tối ưu hóa hiệu quả sử dụng và đáp ứng được các tiêu chuẩn về nhiệt độ, độ ẩm. Từ đó là nền tảng để xác định việc đầu tư xây dựng hiệu quả, tiết kiệm cho các doanh nghiệp.

Đó chính là lí do nhóm chúng em quyết định chọn đề tài: Tính toán, thiết kế hệ thống điều hòa không khí của máy lạnh chính xác cho hệ thống Data Center của tòa nhà FPT”. Khái niệm Điều hòa không khí hay điều hòa nhiệt độ là duy trì không khí trong phòng ổn định về nhiệt độ, độ ẩm, độ sạch, và thay đổi thành phần không khí và áp suất không khí. Điều hòa không khí cưỡng bức thông qua thiết bị làm lạnh hoặc làm nóng, quạt gió, phun ẩm, hút ẩm làm khô, tạo khí ôxi, ion âm,. Đối với điều hoà làm lạnh không khí thì hệ thống làm lạnh không khí gồm có một dàn ống, bên trong dàn ống này cho bay hơi một loại chất lỏng dễ bay hơi (gọi là gas lạnh), khi chất lỏng bay hơi trong dàn bay hơi ở nhiệt độ thấp sẽ thu nhiệt của không khí trong phòng (được quạt gió thổi qua dàn bay hơi).

Không khí nóng trong phòng bị mất nhiệt sẽ lạnh đi và nhiệt độ trong phòng sẽ thấp xuống. Hơi do gas lạnh bay hơi tạo thành theo đường ống tới cửa hút của 1 máy nén và được nén lên áp suất cao, nhiệt độ cao, sau đó tới dàn ngưng tụ đặt bên ngoài phòng lạnh. Hơi nén trong dàn ngưng tụ có nhiệt độ cao nên dễ dàng truyền nhiệt cho không khí bên ngoài (được quạt gió thổi qua), còn bản thân hơi nóng bên trong dàn bị mất nhiệt sẽ ngưng tụ thành chất lỏng chảy qua đường ống mao dẫn (hoặc qua van tiết lưu) để hạ 4 Đồ án tốt nghiệp áp suất & nhiệt độ chất lỏng xuống thấp rồi đi vào dàn bay hơi trong phòng lạnh, khép kín chu trình làm việc của máy điều hòa không khí nhiệt. Vai trò và ứng dụng của điều hoà không khí Điều hoà không khí tạo ra và giữ ổn định các thông số trạng thái của không khí trong không gian hoạt động của con người luôn nằm ở vùng cho phép, để cho con người luôn cảm thấy dễ chịu nhất.

Ngoài ra điều hoà không khí còn đáp ứng việc đảm bảo các thông số trạng thái của không khí theo điều kiện của công nghệ sản xuất. Trong công nghiệp ngành điều hoà không khí đã có bước tiền nhanh chóng. Ngày nay người ta không thể tách rời kỹ thuật điều hoà không khí với các ngành khác như cơ khí chính xác, kỹ thuật điện từ và Vi điện từ, kỹ thuật phim ảnh, máy tính điện từ, kỹ thuật quang học. Để đảm bảo chất lượng của sản phẩm.

thiết bị làm việc bình thường cần có những yêu cầu nghiêm ngặt về các điều kiện và thông số của không khí như thành phần độ ẩm. độ chứa bụi và các loại hoá chất độc hại khác. 5 Đồ án tốt nghiệp Chương 2. Giới thiệu về hệ thống CRAC Thiết bị điều hòa không khí trong phòng máy tính - computer room air conditioning (CRAC) là một thiết bị theo dõi và duy trì nhiệt độ, phân phối không khí và độ ẩm trong phòng mạng hoặc trung tâm dữ liệu.

Các đơn vị CRAC đang thay thế các đơn vị điều hòa không khí đã được sử dụng trong quá khứ để làm mát các trung tâm dữ liệu. Theo xu hướng thị trường công nghiệp, máy tính lớn và giá đỡ máy chủ có thể nóng như một tháp lò nướng bánh cao 7 feet, vì vậy việc kiểm soát nhiệt độ là một phần quan trọng trong cơ sở hạ tầng của trung tâm dữ liệu. 1: Mô phỏng phòng dữ liệu FPT Có nhiều cách khác nhau mà các đơn vị CRAC có thể được thiết lập. Một thiết lập CRAC đã thành công là quá trình làm mát không khí và được phân phối qua tầng cao.

Không khí thổi lên qua các sàn nâng có đục lỗ tạo thành lối đi lạnh. Không khí lạnh chảy qua các tủ RACK nơi nó tỏa nhiệt trước khi thoát ra từ phía sau tủ RACK, Không khí thoát ấm tạo thành các lối đi nóng phía sau giá đỡ, và không khí nóng quay trở lại cửa hút CRAC, được đặt phía trên sàn nhà. 6 Đồ án tốt nghiệp Trung tâm Dữ liệu yêu cầu một hệ thống điều hoà không khí có khả năng điều khiển nhiệt độ và độ ẩm chính xác trong khoảng chấp nhận được sau đây: + Vùng nhiệt độ: 22 độ C+/-1 độ + Vùng độ ẩm: 50% +/-5% + Hiệu quả làm lạnh: >85% hoặc lớn hơn. Hệ thống điều hòa không khí sẽ chạy liên tục trong 24giờ/ngày, với hệ thống phụ (N+1) sử dụng cho dự phòng.

Hệ thống làm mát cho Trung tâm dữ liệu là hệ thống làm lạnh chính xác. Với hệ thống lạnh chính xác này sẽ giúp ngăn chặn một cách tối đa luồng khí lạnh và khí nóng trộn lẫn vào nhau, đảm bảo các máy chủ hoạt động liên tục trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm tốt nhất. Đảm bảo về môi trường, nhiệt độ và độ ẩm trong phòng Data Center. Tạo ra cấu trúc làm mát thông minh có khả năng dự báo, dễ dàng quản lý mạng lưới, tự động khởi động lại hệ thống và thông bào những hiểm họa có thể xảy ra.

Hệ thống làm mát trên cao, cung cấp nguồn mát trực tiếp tới 30kW vào nguồn nóng, cung cấp khả năng làm lạnh cho bộ phần trần hoặc giá treo, những bộ phận đòi hỏi nhiều không gian. Hoạt động hiệu quả trong môi trường mật độ cao, hệ thống làm mát tương thích với nhiều dòng thiết bị nâng cao hiệu quả của toàn hệ thống, mang lại hiệu quả năng lượng, làm lạnh nhanh và bảo vệ an toàn dữ liệu. Hệ thống làm mát mới có khả năng tối đa hóa không gian sàn sẵn có cho các thiết bị CNTT, đáp ứng mối quan tâm về nước làm mát trong data center, tăng cường hiệu quả hơn 30-50% so với việc làm mát theo sàn của các data center truyền thống. Phân loại Hiện nay có hai phương pháp làm mát Trung tâm dữ liệu thông dụng là làm mát tập trung thổi âm sàn và làm mát trực tiếp (InRow Cooling).

Giải pháp làm mát trực tiếp được thiết kế trên cơ sở hoạt động như sau: + Các thiết bị làm mát trực tiếp cho các điểm nóng trong tủ Rack gọi là InRow System được đặt kế bên tủ Rack. Điều này giúp cho hiệu suất làm lạnh cao hơn do cơ chế làm lạnh trực tiếp, thiết kế theo dạng Module dễ dàng bảo trì hoặc thay thế + Khả năng kiểm soát và tự động điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm + Các InRow được cung cấp nguồn làm lạnh từ CDU Hình 2. 2: Mô hình hệ thống làm mát trực tiếp 2. Giải pháp làm mát thổi âm sàn được thiết kế trên cơ sở hoạt động như sau: + Các thiết bị làm mát thổi khí lạnh dưới sàn nâng và đi lên làm mát thiết bị trên tủ Rack thông qua các tấm sàn lỗ.

Khí nóng được đẩy lên cao và đưa về thiết bị làm lạnh. + Khả năng kiểm soát và tự động điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm. 8 Đồ án tốt nghiệp Hình 2. 3: Mô hình hệ thống làm mát thổi âm sàn Điều hòa không khí chính xác là một trong những nền tảng của một hệ thống hỗ trợ quan trọng, được thiết kế riêng cho các hệ thống máy chủ, trung tâm dữ liệu, nghành viễn thông, công nghệ thông tin, ngân hàng, tổng đài….So với hệ thống mạng lưới trung tâm dữ liệu đơn lẻ trong quá khứ, mạng lưới thông tin liên lạc ngày nay trên toàn thế giới đã là một tổ hợp trung tâm phức tạp và các hệ thống dữ liệu không ngừng phát triển được kết nối với nhau.

Và với quy trình nhiệm vụ quan trọng, hoạt động liên tục đảm bảo độ chính xác truyền dữ liệu với 100% thời gian hoạt động, các yêu cầu về độ bền và hiệu suất làm việc chưa bao giờ là thỏa mãn. Ưu điểm so với các hệ thống điều hòa khác 2. Hoạt động liên tục không ngừng nghỉ. Hệ thống lạnh dân dụng, thương mại có thể được yêu cầu để hoạt động chỉ trong những tháng mùa hè hay trong giờ làm việc bình thường.

Nhưng đối với các trung tâm dữ liệu truyền thông, yêu cầu hệ thống lạnh phải chạy 24h mỗi ngày, 365 ngày mỗi năm, vì vậy các thiết bị làm lạnh phải có khả năng đáng tin cậy cho dù nhiệt độ môi trường bên ngoài giao động cao hoặc thấp. Do yêu cầu như vậy, hiệu suất về năng lượng là rất cần thiết. 9 Đồ án tốt nghiệp Không giống như các hệ thống điều hòa không khí thương mại chung, các đơn vị điều hòa không khí chính xác được thiết kế chế tạo đặc biệt có thể hoạt động liên tục để bảo vệ các trung tâm dữ liệu, bảo vệ các thiết bị đắt tiền. Yêu cầu phải ít bảo trì, đảm bảo điều khiển chính xác về nhiệt độ và độ ẩm.

Các loại điều hòa không khí tiêu chuẩn thông thường sẽ không hiệu quả và nhanh chóng hư hỏng dưới áp lực vận hành liên tục như vậy. Đặc tính giải nhiệt của các thiết bị điện tử Đối tượng làm lạnh của điều hòa chính xác là các thiết bị điện tử và đối tượng làm lạnh chính của máy lạnh tiêu chuẩn là con người. Do các thiết bị điện tử không hấp thụ độ ẩm hay phát sinh độ ẩm, điều hòa không khí lựa chọn cho trung tâm dữ liệu nên chủ yếu là làm lạnh và không cần khử ẩm quá nhiều, vì vậy máy lạnh chính xác sẽ không tốn nhiều năng lượng cho việc khử ẩm nên hiệu suất làm lạnh cao hơn máy lạnh thông thường. Trong quá trình làm lạnh, máy điều hòa tiêu chuẩn vừa làm lạnh và khử ẩm không khí.