دليل هندسة ودمج نظام احتواء مراكز البيانات الوحدوية

لماذا يحتاج نظام احتواء مراكز البيانات الوحدوية إلى أكثر من حواجز مادية

نظام احتواء مركز بيانات وحدوي هو أكثر من ألواح السقف والأبواب وحواجز الجوانب. وهدفه الرئيسي هو إدارة تدفق هواء التغذية إلى معدات تكنولوجيا المعلومات وإعادة هواء العادم الساخن إلى معدات التبريد. ويمكن أن يؤدي سوء الإدارة إلى انحراف هواء التبريد عن معدات تكنولوجيا المعلومات و/أو اختلاط هواء العادم الساخن بهواء التغذية. ونتيجةً لذلك، قد تظهر بقع ساخنة على رفوف المعدات الفردية، مع بقاء مركز البيانات ككل في حالة تبريد كافية. وعند تصميم مراكز البيانات الوحدوية، يجب دمج جميع المعدات بدقة لضمان تناسقها داخل المساحة المُعرَّفة. ويجب أن يُصمَّم نظام احتواء مركز البيانات الوحدوي لإدارة تدفق الهواء الساخن والبارد، مع ضمان إمكانية وصول فنيي مركز البيانات إلى المعدات لأغراض تركيب الكابلات واستبدال المعدات وصيانتها. كما ينبغي أن يسهِّل النظام تدفق الطوارئ لمُقدِّمي الاستجابة الأولية عند وقوع حادث. ويجب أن يُصمَّم الاحتواء بحيث يعمل بالتناغم مع تدفق الهواء الفعلي وأبعاد رفوف الخوادم ومواقع المعدات ووحدات التبريد. وشركة زِتْمْمْدْسْ هي شركة متخصصة في مراكز البيانات الوحدوية، وتطبِّق في تصاميم مراكز بياناتها احتواء ممرات الهواء الساخن أو البارد. وتدمج شركة زِتْمْمْدْسْ أنظمة الاحتواء هذه مع عناصر أخرى لمراكز البيانات الوحدوية مثل الرفوف وأنظمة التبريد وتوزيع الطاقة وكبت الحرائق وأنظمة التحكم/المراقبة. وهذه الشركة ’يكون هذا النهج مفيدًا عندما تواجه تصاميم مراكز البيانات الوحدية قيودًا في المساحة وتحتاج إلى المرونة لزيادة القدرة الحاسوبية.

ويعتمد ذلك على عوامل عديدة، منها طريقة تشغيل النظام ووضعه التشغيلي. ويشمل ذلك كيفية تركيب الأختام بين الألواح، وتوازن تدفق الهواء والتحكم في التبريد، وترتيب المعدات وكيفية تشغيل النظام. والهدف هو خلق بيئة حرارية مستقرة وقابلة للتنبؤ بها، وليس مجرد إغلاق صفٍّ من الرفوف.

التصميم الإنشائي، وختم الألواح، والتفاصيل العملية للتركيب

يتطلب تصميم نظام احتواء مركزي للبيانات قائم على الوحدات أخذ عوامل عديدة بعين الاعتبار، ولا يقتصر الأمر على وزن الألواح فحسب. ويجب على المهندسين التفكير في أماكن تركيب العناصر الداعمة، وحركة الأبواب، ومحاذاة الألواح، والفتحات المخصصة للوحدات التحكمية والكابلات، والأحمال الناتجة أثناء التركيب والصيانة، والألواح والمكونات المعلَّقة من الأعلى أو المُعلَّقة بشكل معلَّق، وسهولة صيانة المفاصل والأقفال الخاصة بلوحات الوصول. كما تتطلب الظروف الزلزالية وأحكام السلامة من الحرائق الخاصة إجراء مراجعة أكثر شمولاً لهيكل النظام ووصلاته وعناصر دعمه وتوزيعه. ولا يوجد توزيع واحد لأنظمة الاحتواء يلبي جميع متطلبات المواقع. ولذلك، يجب على المهندسين تحليل الفراغات والتقاطعات عند السقف، والغلاف الخارجي، ورؤوس الخزائن والمعدات وطرفَيها.

تتيح الفتحات غير المغلقة خلط الهواء العائد مع الهواء الداخل، ما يقلل من فعالية احتواء الحرارة. ومن غير المقبول عرقلة أنظمة التهوية المطلوبة أو وصول فرق الصيانة وأنظمة السلامة في المبنى. ولتحقيق التوازن بين هذه المتطلبات المتضاربة، لا بد من إشراك مورِّد نظام الاحتواء، والمهندسين المختصين بالتبريد والكهرباء، ومهندس حماية المنشآت من الحرائق، وغيرهم من الأطراف المعنية في مرحلة مراجعة التصميم. أما في مراكز البيانات الوحدية المُدمَجة بالمصانع، فيمكن تقييم بعض هذه التكاملات مسبقاً قبل الشحن، مما يساعد في الحد من الحاجة إلى تعديلات طارئة في موقع التركيب.

يجب تقييم نظام العزل لمراكز البيانات الوحدوية، عند تسليمها إلى الموقع، من حيث استمرارية الإغلاق وتشغيل الأبواب ومحاذاة الألواح وتثبيتها وسلامة المختومات وغيرها، قبل تركيب الرفوف. ويجب أن تكون التكوين النهائي للرفوف متوافقًا مع أنظمة الحماية من الحرائق وأنظمة السلامة الأخرى في المبنى. ومن الأفضل افتراض أن مجموعة المكونات الفردية المترابطة والمتكاملة لا تضمن تلقائيًّا توافق النظام الكلي مع المتطلبات.

استخدام تحليل تدفق الهواء والديناميكا الحرارية الحاسوبية لاكتشاف المخاطر الحرارية قبل النشر

تتضمن طريقة التحليل الديناميكي للسوائل الحاسوبية (CFDIM) أدوات متنوّعة لمحاكاة أنظمة التبريد وتحسينها، ومن بينها الممرات الباردة لمراكز البيانات. وتتيح هذه الأدوات للمهندسين تحديد المواضع التي يحتمل ظهور «النقاط الساخنة» فيها أكثر ما يكون، وكيف تتوزَّع تيارات الهواء في مركز البيانات ككل. ويجب على المهندسين إدخال تفاصيل كثيرة جدًّا في محاكاة التحليل الديناميكي للسوائل الحاسوبية للحصول على نتائج دقيقة. فعلى سبيل المثال، إذا افترض النموذج أنّ أحمال الحرارة موزَّعة بالتساوي على جميع الخزائن، بينما توجد في الواقع خزائن قليلة تحتوي عدَّة خوادم عالية الكثافة، فإنّ هذا النموذج لن يُجسِّد بدقة السيناريو الذي يحتمل أن يؤدي إلى العطل. وباستخدام نماذج التحليل الديناميكي للسوائل الحاسوبية، يستطيع المهندسون محاكاة سيناريوهات واقعية مثل انحراف تيار الهواء عن مساره المقصود أو وجود خزائن غير ممتلئة بالكامل. كما يمكنهم تحديد تدفق الهواء عبر الخزائن وكذلك عبر مسارات الإمداد والإرجاع. وباستخدام هذه الأدوات، يستطيع المهندسون تقييم أداء النظام في ظل أقصى الظروف التشغيلية المتوقَّعة، ومعرفة ما سيحدث في حال تعطُّل وحدة تبريد واحدة. وتساعد هذه الأدوات أيضًا في تحديد مواضع «النقاط الحرارية الساخنة» في مركز البيانات.

يوضّح الفصل المخصّص لمراكز البيانات ومرافق الاتصالات في دليل الجمعية الأمريكية لمهندسي التبريد والتدفئة والتكييف (ASHRAE) أنّ استخدام طريقة ديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD) يساعد في التنبؤ بأداء أنظمة التبريد. ومع ذلك، فإنّ ذلك يتوقّف على دقّة نموذج ديناميكا الموائد الحاسوبية (CFD) في تمثيل المساحة والأجهزة التي تؤثّر في تدفّق الهواء. وهذه محدوديّةٌ جوهريّة. فالمحاكاة المعقّدة جدًّا والمفصّلة بصريًّا لا تكون موثوقةً تلقائيًّا لمجرّد استخدامها حزمة برمجيّة متقدّمة. تخيل إجراء مراجعة هندسيّة لمركز بيانات حافة وحدويّ (modular edge data center). ففي هذا المركز، يحمل رفّان من الرفوف حرارةً أعلى بكثيرٍ من باقي الرفوف، وقد طُلب تنفيذ نظام احتواء (containment) لمعالجة هذه المشكلة.

يجب إجراء مقارنات مفيدة بين خريطة الحرارة للرفوف ومكان وحدات التبريد. ويجب تحليل إعادة التدوير بالقرب من قمة الرفوف وبالقرب من نهايات الصفوف. ويجب تحليل ما إذا كانت تدفقات الهواء الداخلة تصل إلى مداخل الخوادم فعلاً. ويجب تعديل نظام العزل استناداً إلى النتائج المتوقعة، والتحقق من هذه التعديلات مقابل النتائج المقاسة أثناء مرحلة التشغيل والاختبار. وإذا استُعلم عن حساسات درجة الحرارة المركَّبة عند مداخل رفوف نموذجية وعن إنذارات وحدات التبريد، فيمكن للفريق تقييم ما إذا كانت الظروف المُنمَّذة تمثِّل الظروف الفعلية أم لا.

دمج تبريد الصفوف مع هندسة العزل

يجب دمج احتواء الحرارة والتبريد في نظام واحد لإدارة الحرارة. ويمكن لنظام الاحتواء المعياري لمراكز البيانات أن يفصل هواء التغذية عن الهواء الساخن الخارج، لكنه لا يراعي نقص سعة التبريد أو اتجاه تدفق الهواء الخاطئ أو تصميم وحدات التحكم غير الملائم. وتُوفِّر سلسلة وحدات التبريد «إتش إم» من شركة «زي تي إم إم دي سي» المُركَّبة بين صفوف الخوادم تبريدًا دقيقًا، ما يقلل المسافة التي يجب أن يقطعها هواء التغذية. وقد صُمِّمت هذه الوحدات لتطبيقات مراكز البيانات متوسطة وكثيفة الكثافة، ويمكن تهيئتها إما بنظام التوسع المباشر أو بماء التبريد، حسب النموذج المختار. وتشير ورقات المواصفات المنشورة إلى نطاق تبريد يتراوح بين ١٥ و٦٢,٦ كيلوواط للنماذج «زي تي إتش إم١٢آر» إلى «زي تي إتش إم٦٠آر»، وبين ٣٢,٩ و٦١,٤ كيلوواط للنماذج التي تعمل بماء التبريد «زي تي إتش إم٣٠آرسي» إلى «زي تي إتش إم٨٠آرسي». أما الاختيار الفعلي فيجب أن يستند إلى النموذج المحدد وظروف التشغيل والمتطلبات التبريدية والحمل الحراري المتوقع في الموقع.

المراوح الكهربائية المُتحكَّم بها تدريجيًّا والمُزودة بضواغط ذات تردد متغيِّر متوفرة في بعض الطرازات، وتأتي مزوَّدة بشاشة لمسية مقاس ٧ بوصات. ويمكن ربط هذه المراوح عبر حافلة الـCAN للتحكم الجماعي في ما يصل إلى ٣٢ وحدة، وهي تمتلك خصائص تدعم التشخيص والصيانة. وتتوافر إمدادات طاقة مزدوجة وأجهزة استشعار لتسرب المياه كخيارات إضافية. وتتميَّز هذه الوحدات بطابعها الوحدوي (المودولاري)، ويمكن تهيئتها لتوجيه تدفق الهواء من الأعلى أو الأمام أو الجانب، مع ضرورة تحديد التهيئة بناءً على مداخل ومخارج الهواء الخاصة بالمعدات وتصميم الحصر (الاحتواء). وعند دمج هذه الوحدات، يجب أيضًا أخذ مواقع وحدات التبريد وتنسيق مسافات الصيانة بعين الاعتبار، فضلًا عن إدارة المكثَّفات والاتصالات الكهربائية وأجهزة الاستشعار وأنظمة التحكم.

يجب على المهندسين تحديد كيفية استجابة نظام التبريد لتغيرات الحمل المعلوماتي (IT load)، وما إذا كان نظام المراقبة قادرًا على اكتشاف درجات حرارة الدخول غير الطبيعية وتنبيهات التبريد وأعطال الاتصال. وخلال مراجعة التصميم، يتأكد المهندسون من إمكانية إجراء الصيانة على الرفوف دون إحداث اضطراب في المعدات المجاورة، ومن كفاية مسارات تدفق الهواء. ويجب التحقق من النظام النهائي عبر فحوص وظيفية وتشغيله في الموقع بدلًا من افتراض أن النظام يعمل كما هو مقصود به عند السعة التبريدية الاسمية.

التكامل بالمصنع، والتشغيل الأولي، والتحقق من الأداء على المدى الطويل

يجب تقييم نظام احتواء مركزي للبيانات القابل للتعديل والموثوق به في جميع مراحل التصميم، والدمج بالمصنع، والشحن، وتشغيل الموقع. وخلال مرحلة الدمج بالمصنع، يجب أن يشمل الفحص تقييم أبعاد فتحات الألواح والوصلات، ومحاذاة المفاصل وإغلاق الأبواب، ومسافات الوصول الآمن، وواجهات أجهزة الاستشعار ووحدات التبريد، وتوجيه الكابلات، واتساق التخطيط المُجمَّع مع الرسومات المعتمدة، واختبار تشغيل نظام الاحتواء ونظام التبريد. وفي حال توفير هذه الأنظمة كوحدة واحدة، فيجب أن يتناول خطة الاختبار الوظائف التي يمكن إثباتها قبل الشحن، وكذلك الوظائف التي تعتمد على ظروف الموقع وحالة أنظمة تكنولوجيا المعلومات المدمجة. ويمكن اختبار عمليات التبريد الأساسية والتحكم فيها قبل الشحن، لكن درجة حرارة الغرفة النهائية وتوزيع تدفق الهواء قد يعتمدان على ظروف الموقع. وبعد التركيب، يجب أن يشمل التشغيل التقييمَ المحكم لختم الألواح وعملية فتح الأبواب، وتشغيل وحدات التبريد، ومدى انخفاض درجة حرارة هواء الدخول إلى الخزائن ضمن الحدود المحددة لمعدات تكنولوجيا المعلومات. ويجب إجراء الفحوص الحرارية كلما أمكن ذلك، كما يجب توثيق ظروف التشغيل ذات الصلة. وإذا كان للموقع عدة أوضاع تشغيل مختلفة، فيجب إنجاز عملية التشغيل في أشد هذه الظروف طلبًا.

يحدّد معهد أب تايم استراتيجيات رئيسية لإدارة وتحسين أنظمة تبريد مراكز البيانات. وتركّز هذه الاستراتيجيات على إدارة تدفق الهواء، والمراقبة، والمنهجية. وهي ذات صلة عند تقييم مراكز البيانات الوحدوية، ومع أن مركز البيانات الوحدوي المصمَّم جيدًا قد يكون أكثر كفاءةً مقارنةً بالبناء التقليدي، فإن العديد من المبادئ نفسها لا تزال قابلة للتطبيق. ومن المستحسن أيضًا الاحتفاظ بالوثائق مثل الرسومات المعتمدة، وجداول معدات التبريد، وسجلات الاختبارات، ومواقع أجهزة الاستشعار، وإعدادات الإنذارات، وتعليمات الصيانة.

توجد العديد من الأمثلة الواقعية التي أدى فيها افتراض تحقيق الأداء الأمثل للنظام بعد تغيُّر في درجة الامتلاء إلى ظهور مشكلاتٍ أصبحت واضحةً فورًا بعد الترقية إلى رفٍّ مختلف. وخلال تقييم مراكز البيانات المعيارية، فإن التخطيط القائم على الحصر والخاصة بكل تركيبةٍ معينةٍ لنظام التبريد، إضافةً إلى التبرير المرافق له، وتوثيق المكونات الأساسية، وسجلات الفحص من المصنع، وإجراءات التشغيل الأولي، وتعريفٍ واضحٍ لمسؤوليات العميل، تُعَدُّ كلُّها أدلةً قيِّمةً جدًّا يقدِّمها المورِّد. ZTMMDC وسلسلة HM للتبريد داخل الصف هي بعض المنتجات التي قد تساعد في المشاريع التي تتطلب حلاً معياريًّا ومتكاملًا لمراكز البيانات والتبريد. وفي جميع الحالات، لا بدَّ من مقارنة الأداء الفعلي للنظام بالتصميم والمعدات المركَّبة وظروف التشغيل والاختبارات التي أُجريت.

الأسئلة المتكررة

السؤال ١: ما الوظيفة التي يؤديها نظام الحصر المعياري لمراكز البيانات؟

يُفصِل بين مسارات تدفق الهواء الداخل والخارج لتقليل الخلط غير المرغوب فيه، ومساعدة توصيل هواء التبريد إلى مداخل الخوادم، وإدارة هواء العادم الساخن. ويعتمد أداؤه على ترتيب الرفوف، ودرجة الإحكام، وتصميم نظام التبريد، وضوابط التشغيل.

السؤال الثاني: هل عزل الممر الساخن أفضل من عزل الممر البارد؟

لا يفوق أحد الترتيبين الآخر بشكل عام. فالاختيار الأمثل يعتمد على بنية نظام التبريد، وترتيب الرفوف، ومتطلبات الصيانة، وتصميم أنظمة الحماية من الحرائق، وكيفية تشغيل المنشأة.

السؤال الثالث: لماذا تحليل ديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD) مفيد لمراكز البيانات الوحدوية؟

يمكن لتحليل ديناميكا الموائع الحاسوبية اكتشاف النقاط الساخنة المحتملة، وتدفقات الهواء المُهمَلة، ودوران هواء العادم قبل النشر. وتعتمد تنبؤاته على دقة النموذج الهندسي، وبيانات حمل الحرارة، وافتراضات تدفق الهواء، والتحقق المناسب منها.

السؤال الرابع: كيف يدعم التبريد الموضعي داخل الصف عزل المسارات؟

يُركَّب معدات التبريد في صفوف التبريد بالقرب من رفوف الخوادم. وعند التنسيق السليم مع أنظمة العزل وتوجيه تدفق الهواء، يمكن أن يساعد ذلك في التعامل مع أحمال الحرارة المحلية ويقلل من انتقال الهواء غير الضروري.

السؤال ٥: ما الذي يجب على المشترين التحقق منه قبل قبول النظام؟

راجع التخطيط المعتمد، وإغلاق الألواح، وتشغيل الأبواب، والسعة التبريدية، وتكوين تدفق الهواء، ووظائف المراقبة، وسجلات الاختبارات المصنعية، ونتائج التشغيل الأولي في ظل ظروف تشغيل تمثيلية. ظروف تشغيل تمثيلية.