Giải pháp làm mát Data Center hiệu quả của Daikin

Giải pháp làm mát trung tâm dữ liệu (Data Center) hiệu quả và tiết kiệm năng lượng của Daikin

Trong kỷ nguyên chuyển đổi số, trí tuệ nhân tạo (AI) và điện toán đám mây, các trung tâm dữ liệu (Data Center) ngày càng đóng vai trò quan trọng trong hạ tầng công nghệ thông tin. Cùng với sự gia tăng mật độ máy chủ và công suất xử lý, nhu cầu làm mát liên tục, ổn định và tiết kiệm năng lượng đang trở thành một trong những thách thức lớn nhất đối với các nhà thiết kế và vận hành trung tâm dữ liệu.

Daikin giới thiệu các giải pháp làm mát tích hợp dành cho Data Center, kết hợp hệ thống Chiller hiệu suất cao, thiết bị xử lý không khí CRAH, công nghệ quản lý luồng khí, mô phỏng CFD và hệ thống điều khiển thông minh nhằm nâng cao độ tin cậy, tối ưu hiệu suất và giảm chi phí vận hành.

1. Tại sao hệ thống làm mát đóng vai trò quan trọng trong Data Center?

Khác với hệ thống điều hòa không khí thông thường, hệ thống làm mát Data Center phải hoạt động liên tục 24/7, đáp ứng phụ tải nhiệt lớn và duy trì điều kiện môi trường phù hợp cho máy chủ, thiết bị lưu trữ và hạ tầng mạng.

Nếu hệ thống làm mát hoạt động không hiệu quả, trung tâm dữ liệu có thể gặp phải các vấn đề như:

• Xuất hiện các điểm nóng (Hot Spots) gây quá nhiệt thiết bị.
• Không khí nóng tuần hoàn trở lại cửa hút máy chủ.
• Tiêu thụ điện năng lớn, làm tăng chi phí vận hành.
• Giảm tuổi thọ và độ tin cậy của thiết bị CNTT.
• Tăng nguy cơ gián đoạn dịch vụ do sự cố nhiệt độ.

Theo tài liệu Daikin, năng lượng dành cho hệ thống làm mát thường là một trong những thành phần tiêu thụ điện lớn nhất của Data Center, chỉ sau tải thiết bị CNTT. Tại những trung tâm dữ liệu có thiết kế làm mát kém hiệu quả, điện năng tiêu thụ cho làm mát thậm chí có thể vượt quá điện năng của các máy chủ.

Do đó, tối ưu hệ thống làm mát không chỉ giúp giảm chi phí điện mà còn góp phần quan trọng vào khả năng vận hành ổn định và phát triển bền vững của Data Center.

2. Tiêu chuẩn ASHRAE về nhiệt độ và độ ẩm trong Data Center

Một trong những cơ sở quan trọng khi thiết kế hệ thống làm mát trung tâm dữ liệu là hướng dẫn ASHRAE Thermal Guidelines for Data Processing Environments do Ủy ban kỹ thuật TC 9.9 của ASHRAE phát triển.

Theo phiên bản thứ năm được cập nhật năm 2021, đối với các nhóm thiết bị làm mát bằng không khí A1–A4, dải nhiệt độ không khí tại cửa hút thiết bị CNTT được khuyến nghị là:

Thông số	Giá trị khuyến nghị
Nhiệt độ không khí tại cửa hút máy chủ	18–27°C
Độ ẩm tương đối tối đa	70% RH khi đáp ứng điều kiện về khí gây ăn mòn
Giới hạn RH trong môi trường có nguy cơ ăn mòn cao	50% RH
Điểm sương giới hạn dưới	-9°C DP
Điểm sương giới hạn trên	15°C DP

Các giới hạn độ ẩm và điểm sương cần được áp dụng đồng thời theo điều kiện môi trường và phân loại thiết bị.

Đáng chú ý, giới hạn độ ẩm tương đối tối đa đã được mở rộng từ 60% lên 70% trong điều kiện nồng độ khí ô nhiễm gây ăn mòn đủ thấp.

Bên cạnh đó, tài liệu cũng đề cập đến nhóm H1 dành cho thiết bị CNTT mật độ cao. Nhóm này có dải nhiệt độ khuyến nghị 18–22°C, với việc phân loại thiết bị phụ thuộc vào nhà sản xuất CNTT.

Điểm quan trọng trong thiết kế: Nhiệt độ cần được kiểm soát tại cửa hút máy chủ (Server Inlet), thay vì chỉ căn cứ vào nhiệt độ trung bình trong phòng Data Center.

3. Chỉ số PUE – Thước đo hiệu quả năng lượng của Data Center

Power Usage Effectiveness (PUE) là chỉ số được sử dụng rộng rãi để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng của trung tâm dữ liệu.

Công thức:

PUE = Tổng năng lượng tiêu thụ của Data Center / Năng lượng tiêu thụ của thiết bị IT

Ví dụ, nếu một Data Center có tải CNTT là 1.000 kW và tổng công suất tiêu thụ tại cùng thời điểm là 1.500 kW, tỷ số công suất tương ứng là 1,5. Khi tính PUE chính thức, cần sử dụng năng lượng đo được trong cùng kỳ theo phương pháp đo áp dụng.

PUE càng gần 1 thì tỷ lệ năng lượng sử dụng cho các hệ thống phụ trợ càng nhỏ.

Theo dữ liệu Uptime Institute được trích dẫn trong catalogue Daikin, PUE trung bình của các trung tâm dữ liệu được khảo sát vào năm 2022 đạt khoảng 1,55.

Đối với Data Center chủ yếu sử dụng công nghệ làm mát bằng không khí, tài liệu đưa ra khoảng PUE mục tiêu 1,2–1,5, tùy thuộc điều kiện khí hậu và yêu cầu dự án.

Đáng chú ý, tiêu chí Singapore Green Mark for New Data Centres 2019 đánh giá hiệu quả tại nhiều mức tải CNTT:

Cấp chứng nhận	PUE tại 25% tải IT
Green Mark Gold	1,60
Green Mark GoldPLUS	1,55
Green Mark Platinum	1,50

Việc xem xét PUE tại 25%, 50%, 75% và 100% tải IT đặc biệt quan trọng vì trung tâm dữ liệu không phải lúc nào cũng hoạt động ở mức tải thiết kế.

4. Tối ưu phân phối luồng khí trong phòng máy chủ

Quản lý luồng khí (Airflow Management) là một trong những giải pháp quan trọng nhất để nâng cao hiệu quả làm mát Data Center.

4.1. Hệ thống sàn nâng (Raised Floor System)

Đây là phương án truyền thống, sử dụng khoảng trống dưới sàn nâng để cấp không khí lạnh tới khu vực trước tủ rack.

Không khí nóng thoát ra phía sau máy chủ và được đưa trở lại thiết bị làm mát.

Giải pháp này đã được ứng dụng rộng rãi nhưng cần kiểm soát tốt áp suất dưới sàn, vị trí tấm sàn đục lỗ và hiện tượng rò rỉ không khí.

4.2. Phân phối không khí từ trần (Overhead Air Distribution)

Không khí lạnh được cấp qua hệ thống ống gió hoặc khoang trần, sau đó phân phối đến các lối đi lạnh của máy chủ.

Phương án này cho phép linh hoạt trong bố trí hệ thống, đặc biệt đối với những công trình không sử dụng sàn nâng.

4.3. Làm mát toàn phòng kết hợp hành lang nóng kín

(Flooded Room Air Distribution with Hot Aisle Containment)

Đây là giải pháp được Daikin nhấn mạnh cho các Data Center quy mô lớn.

Không khí lạnh được cấp trực tiếp vào không gian phòng máy mà không cần hệ thống ống gió phân phối có áp suất cao. Không khí nóng từ các máy chủ được thu gom trong hành lang nóng kín và đưa về thiết bị làm mát thông qua khoang hồi gió.

Phương án này có những ưu điểm đáng chú ý:

• Giảm tổn thất áp suất trên đường phân phối gió.
• Hạn chế sự hòa trộn giữa luồng khí nóng và lạnh.
• Giảm điện năng tiêu thụ của quạt.
• Tạo điều kiện bố trí hệ thống làm mát cho máy chủ mật độ cao.
• Nâng cao hiệu quả phân phối không khí trong Data Hall.

5. Công nghệ Hot Aisle Containment và Cold Aisle Containment

Để hạn chế sự hòa trộn giữa không khí nóng và lạnh, các Data Center hiện đại thường sử dụng giải pháp cô lập hành lang máy chủ.

Cold Aisle Containment – Hành lang lạnh kín

Không khí lạnh được tập trung trong hành lang phía trước tủ rack, tách biệt với không khí nóng ở phía sau.

Giải pháp này thường được kết hợp với hệ thống cấp gió qua sàn nâng, mặc dù cũng có thể sử dụng hệ thống cấp gió từ trần.

Hot Aisle Containment – Hành lang nóng kín

Không khí nóng thải ra từ máy chủ được thu gom trong một hành lang kín và dẫn trực tiếp về hệ thống làm mát.

Phần còn lại của phòng Data Center chủ yếu là không gian không khí lạnh.

Theo Daikin, giải pháp Hot Aisle Containment kết hợp với hệ thống phân phối không khí toàn phòng và thiết bị CRAH dạng Fan Wall là một cấu hình đáng chú ý đối với các Data Center yêu cầu hiệu suất năng lượng cao.

6. Mô phỏng CFD – Công cụ quan trọng khi thiết kế Data Center

Computational Fluid Dynamics (CFD) là phương pháp mô phỏng động lực học chất lưu, được sử dụng để phân tích sự phân bố nhiệt độ, vận tốc không khí và áp suất trong Data Center.

Thông qua CFD, kỹ sư có thể:

• Xác định các điểm nóng trong phòng máy.
• Phân tích hiện tượng tuần hoàn không khí nóng (Recirculation).
• Phát hiện hiện tượng không khí lạnh đi tắt về thiết bị làm mát (Bypass).
• Tối ưu vị trí bố trí tủ rack và thiết bị CRAH.
• Đánh giá ảnh hưởng của thay đổi mật độ và công suất máy chủ.
• So sánh các phương án phân phối không khí trước khi triển khai thực tế.

Việc ứng dụng CFD ngay từ giai đoạn thiết kế giúp giảm nguy cơ lựa chọn thiết bị quá công suất hoặc bố trí không khí không hợp lý.

Daikin cũng đưa dịch vụ mô phỏng và phân tích CFD vào danh mục giải pháp làm mát tổng thể dành cho trung tâm dữ liệu.

7. Free Cooling – Tận dụng điều kiện môi trường để tiết kiệm năng lượng

Free Cooling là phương pháp tận dụng điều kiện nhiệt độ môi trường bên ngoài để giảm thời gian vận hành hệ thống làm lạnh cơ học.

Hai nhóm giải pháp chính được giới thiệu trong catalogue gồm:

Air-side Free Cooling

Tận dụng không khí ngoài trời để làm mát trực tiếp hoặc gián tiếp cho Data Center.

Các phương án có thể kết hợp trao đổi nhiệt không khí–không khí và làm mát bay hơi (Evaporative Cooling).

Giải pháp gián tiếp cho phép khai thác không khí bên ngoài mà không cần đưa trực tiếp luồng không khí đó vào phòng máy.

Water-side Free Cooling

Sử dụng điều kiện môi trường thuận lợi để làm mát hệ thống nước thông qua tháp giải nhiệt, bộ trao đổi nhiệt hoặc các cấu hình Chiller tích hợp Free Cooling.

Hiệu quả của Free Cooling phụ thuộc rất lớn vào điều kiện khí hậu tại địa điểm xây dựng.

Catalogue Daikin đưa ra một ví dụ phân tích hệ thống làm mát không khí gián tiếp tại Quảng Châu, Trung Quốc. Theo mô hình trong tài liệu, hệ thống có hơn 55% số giờ vận hành không cần chạy máy nén và COP cả năm khoảng 5,49.

Đây là kết quả của một ví dụ tính toán cụ thể, không phải mức hiệu quả mặc định cho mọi Data Center.

8. Giải pháp Chiller hiệu suất cao của Daikin dành cho Data Center

Daikin giới thiệu nhiều dòng thiết bị làm lạnh có thể ứng dụng cho trung tâm dữ liệu, bao gồm:

• Chiller giải nhiệt nước sử dụng công nghệ ổ từ (Magnetic Bearing).
• Chiller giải nhiệt gió với máy nén trục vít hoặc công nghệ máy nén khác.
• Các giải pháp sử dụng môi chất lạnh có chỉ số GWP thấp.
• Chiller kết hợp công nghệ biến tần VSD.
• Hệ thống Chiller Plant được tối ưu điều khiển và vận hành.

Công nghệ Chiller ổ từ (Magnetic Bearing)

Chiller ổ từ là một trong những công nghệ nổi bật trong giải pháp Data Center của Daikin.

Thông qua công nghệ ổ từ và điều khiển tốc độ máy nén, thiết bị có thể đạt hiệu suất cao, đặc biệt tại các chế độ phụ tải một phần.

Theo các bảng hiệu suất minh họa trong catalogue, một cấu hình Chiller giải nhiệt nước ổ từ sử dụng R134a đạt mức tiêu thụ điện khoảng 0,21–0,29 kW/RT trong những điều kiện vận hành được nêu.

Với các cấu hình Chiller ổ từ sử dụng môi chất lạnh HFO có GWP thấp, tài liệu giới thiệu các mức hiệu suất rất cao tùy điều kiện vận hành.

Đặc biệt, hệ thống Chiller Plant tích hợp điều khiển tối ưu được Daikin giới thiệu với mức hiệu suất mục tiêu khoảng 0,3–0,45 kW/RT.

Các con số này cần được hiểu là kết quả hoặc mục tiêu của những cấu hình cụ thể, không phải thông số bảo đảm cho toàn bộ các dòng Chiller của hãng.

Khả năng khởi động lại nhanh sau sự cố điện

Độ tin cậy là yếu tố đặc biệt quan trọng trong Data Center.

Catalogue giới thiệu các công nghệ Ride Through và Rapid Restart trên một số dòng Chiller của Daikin.

Theo các kịch bản có sử dụng nguồn UPS được nêu trong tài liệu, một số cấu hình có thể phục hồi công suất làm lạnh đáng kể trong khoảng 180 giây sau khi khởi động lại hoặc được cấp điện trở lại.

Khả năng thực tế phụ thuộc dòng thiết bị, cấu hình nguồn điện, hệ thống điều khiển và điều kiện vận hành.

9. Fan Wall CRAH – Giải pháp xử lý không khí hiệu quả cao

Fan Wall CRAH (Computer Room Air Handler) là thiết bị xử lý không khí chuyên dụng cho phòng máy chủ, sử dụng nhiều quạt EC bố trí thành cụm.

Công nghệ này giúp nâng cao khả năng điều chỉnh lưu lượng gió và hiệu quả vận hành tại các mức tải khác nhau.

Daikin giới thiệu giải pháp EC Fan Wall CRAH kết hợp hệ thống điều khiển tích hợp, phù hợp với thiết kế Hot Aisle Containment và Flooded Room Air Distribution.

Một cấu hình minh họa trong catalogue có các thông số:

Thông số	Giá trị
Lưu lượng không khí	55.000 m³/h
Tổng công suất làm lạnh	220,52 kW
Nhiệt độ nước vào/ra dàn coil	21/29°C
Lưu lượng nước	6,58 l/s
Tổn thất áp suất phía nước	10,35 kPa

Đây là dữ liệu của một ví dụ lựa chọn thiết bị, dùng để tham khảo phương án kỹ thuật.

Khi kết hợp CRAH với hệ thống quản lý luồng khí phù hợp, Data Center có thể cải thiện hiệu quả làm mát và hạn chế các điểm nóng không mong muốn.

10. iPlant Manager – Hệ thống điều khiển và tối ưu trạm Chiller

Bên cạnh thiết bị làm lạnh, Daikin giới thiệu nền tảng iPlant Manager (iPM) nhằm giám sát và tối ưu hiệu suất hoạt động của toàn bộ Chiller Plant.

Hệ thống tích hợp các chức năng:

• Giám sát hiệu suất Chiller Plant theo thời gian thực.
• Phân tích dữ liệu và phát hiện lỗi FDD (Fault Detection and Diagnostics).
• Điều khiển, tự động hóa và tối ưu trình tự vận hành thiết bị.
• Đo lường và xác minh hiệu quả năng lượng (Measurement & Verification).
• Theo dõi, hiệu chỉnh và tối ưu hệ thống liên tục.
• Cung cấp dashboard và báo cáo vận hành định kỳ.

Đặc biệt, catalogue minh họa kiến trúc điều khiển Master/Standby với các bộ điều khiển chính và dự phòng, mạng truyền thông dự phòng và các gateway kết nối đến Chiller, bơm, tháp giải nhiệt cùng những thiết bị hiện trường.

Kiến trúc này hướng đến yêu cầu về độ tin cậy và khả năng dự phòng của trung tâm dữ liệu.

Việc tối ưu không chỉ dừng ở từng thiết bị Chiller mà được mở rộng tới toàn bộ hệ thống, bao gồm bơm nước lạnh, bơm nước giải nhiệt, tháp giải nhiệt và chiến lược điều khiển.

11. Những nguyên tắc quan trọng khi thiết kế hệ thống làm mát Data Center

Từ các hướng dẫn kỹ thuật trong catalogue, có thể rút ra một số nguyên tắc đáng chú ý cho kỹ sư HVAC và đơn vị tư vấn thiết kế:

• Thứ nhất, thiết kế theo yêu cầu thực tế của thiết bị CNTT. Nhiệt độ, độ ẩm và phân phối không khí phải đáp ứng điều kiện tại cửa hút máy chủ, phù hợp với phân loại và khuyến nghị của nhà sản xuất.
• Thứ hai, ưu tiên quản lý luồng khí. Ngăn chặn Hot Spots, Bypass và Recirculation trước khi xem xét tăng công suất làm lạnh.
• Thứ ba, tối ưu hiệu suất tại phụ tải một phần. Data Center có thể vận hành trong thời gian dài ở các mức phụ tải thấp hơn thiết kế, vì vậy cần đánh giá hiệu suất trên nhiều điểm tải.
• Thứ tư, tối ưu đồng bộ toàn bộ Chiller Plant. Hiệu suất cao của riêng Chiller chưa đủ; cần xem xét điện năng của bơm, tháp giải nhiệt, quạt và hệ thống điều khiển.
• Thứ năm, sử dụng công cụ mô phỏng và giám sát. CFD, đo lường năng lượng, phân tích dữ liệu và hệ thống quản lý hạ tầng là những công cụ quan trọng để duy trì hiệu quả vận hành.
• Thứ sáu, chú trọng khả năng dự phòng và khôi phục sau sự cố. Hệ thống làm mát phải được thiết kế phù hợp với yêu cầu về tính sẵn sàng, độ tin cậy và cấu hình dự phòng của trung tâm dữ liệu.

12. Kết luận

Sự phát triển mạnh mẽ của điện toán đám mây, AI và hạ tầng số đang đặt ra những yêu cầu ngày càng cao đối với hệ thống làm mát trung tâm dữ liệu.

Xu hướng thiết kế hiện đại không còn đơn thuần là lựa chọn các thiết bị làm lạnh có công suất lớn, mà chuyển sang tối ưu toàn diện từ kiến trúc phân phối không khí, hệ thống Chiller Plant, công nghệ điều khiển cho đến khả năng giám sát hiệu suất theo thời gian thực.

Thông qua giải pháp làm mát tích hợp, Daikin đưa ra một cách tiếp cận kết hợp Chiller hiệu suất cao, CRAH dạng Fan Wall, quản lý hành lang nóng/lạnh, CFD và hệ thống điều khiển iPlant Manager.

Đối với kỹ sư HVAC, tư vấn thiết kế MEP và đơn vị vận hành Data Center, việc nắm vững các nguyên tắc này là cơ sở quan trọng để xây dựng những trung tâm dữ liệu có độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng và vận hành bền vững trong dài hạn.