استاندارد ASHRAE؛ اهمیت به کارگیری این استاندارد در دیتاسنتر!

امروزه دیتاسنترها 1 تا 1.5 درصد از کل انرژی مصرفی در سراسر جهان را به خود اختصاص داده‌اند. پیش‌بینی می‌شود تا سال 2030، این مصرف به 3 تا 13 درصد افزایش پیدا کند. با افزایش مصرف انرژی، هزینه‌ها نیز افزایش می‌یابد. برای جلوگیری از هزینه‌های غیرضروری، بهروش‌های نظارت بر محیط‌ زیست باید اعمال شود. استاندارد Ashrae دستورالعمل‌هایی را برای دیتاسنترها توسعه داده که شامل استراتژی‌هایی برای بهروش‌هایی است که مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. بخش‌های مختلف صنعت داده روی رویکردهای کاهش انرژی با یکدیگر همکاری کرده‌اند.

این همکاری منجر به توسعه راه‌حل‌های عملی و منسجمی برای بهره‌وری انرژی شد که از نظر فنی قابل دستیابی هستند. این راه‌حل‌ها سپس مبنایی برای توسعه کدها و استانداردهای آینده شد.

کمیته فنی 9.9 انجمن مهندی گرمایش، تبرید و تهویه مطبوع آمریکا (Ashrae) در سال 2008 کتابی را تحت عنوان «بهروش‌هایی برای بهره‌وری انرژی تاسیسات دیتاکام» منتشر کرد که تمام جنبه‌های محیط‌های فناوری، دیتاسنترها و تجهیزات الکترونیکی را پوشش می‌دهد. Ashrae از آن زمان تاکنون چندین کتاب در مورد کاهش انرژی دیتاسنتر منتشر کرده است.

گذشته از چالش افزایش بهره‌وری انرژی، دیتاسنترها باید با چندین تهدید فیزیکی و محیطی مقابله کنند:

• درجه حرارت
• رطوبت
• نشت آب
• امنیت
• خرابی CRAC و واحد تهویه هوای معمولی

فراهم آوردن شرایط آسایش حرارتی و کیفیت هوای مطلوب در فضاهای داخلی، از دغدغه های اصلی مهندسان تاسیسات ساختمان به شمار می رود. استانداردهای ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) به عنوان یک مرجع معتبر بین المللی، مجموعه ای از الزامات و توصیه ها را برای دستیابی به این هدف ارائه می دهند. این استانداردها در سراسر جهان به کار گرفته شده و نقش بسزایی در طراحی، اجرا و بهره برداری از سیستم های تهویه مطبوع، تبرید و گرمایش ایفا می کنند.

در این مقاله جامع، به بررسی ماهیت استانداردهای ASHRAE، انواع مهم آن ها، کاربردها و مزایای استفاده از آن ها در پروژه های ساختمانی خواهیم پرداخت. با مطالعه این مطلب، دانش خود را در زمینه طراحی سیستم های تاسیساتی کارآمد و ایجاد شرایط آسایش مطلوب برای ساکنین بنا ارتقاء خواهید بخشید.

استاندارد Ashrae چیست؟

انجمن مهندسان گرمایش، تهویه، تهویه مطبوع و تبرید آمریکا (ASHRAE) یک سازمان پیشرو در زمینه توسعه استانداردهای مربوط به سیستم های ساختمان و تأسیسات است. این استانداردها بر راحتی، سلامت، بهره وری انرژی و ایمنی در محیط های ساخته شده تمرکز دارند.

کمیته فنی ASHRAE 9.9، مسئول توسعه و نگهداری استانداردهای مربوط به تاسیسات حیاتی، مراکز داده و فضاهای فناوری است. استاندارد اصلی در این زمینه، ANSI/ASHRAE Standard 90.4-2019، با عنوان «استاندارد انرژی برای مراکز داده» شناخته می شود.

نقش ASHRAE 90.1 در دیتاسنترها

در حالی که ASHRAE 90.4 بر الزامات خاص مربوط به مصرف انرژی در مراکز داده تمرکز دارد، ASHRAE 90.1 نیز نقش مهمی ایفا می کند. این استاندارد الزامات کلی را برای صرفه جویی در انرژی در ساختمان ها از جمله:

• پوسته ساختمان (دیوارها، سقف، پنجره ها): ASHRAE 90.1 به دنبال بهبود کارایی پوسته ساختمان برای کاهش اتلاف حرارتی و برودتی ناخواسته است. این امر به کاهش بار کلی بر روی سیستم های تهویه مطبوع در مراکز داده کمک می کند.
• تجهیزات غیر فناوری اطلاعات (IT): ASHRAE 90.1 الزاماتی را برای بهبود بهره وری انرژی سایر تجهیزات در ساختمان، مانند سیستم های روشنایی، سیستم های گرمایش آب گرم و سیستم های تهویه مطبوع فضاهای اداری، تعیین می کند. این الزامات به کاهش مصرف کلی انرژی در تاسیسات مرکز داده کمک می کند.

بنابراین، ASHRAE 90.1 به عنوان یک نقطه شروع کلی برای صرفه جویی در انرژی در جنبه های ساختمانی و غیرمرتبط با IT در مراکز داده عمل می کند.

 استاندارد Ashrae 90.4

در سپتامبر 2016، سازمان Ashrae استاندارد 2016-9.4 را که مدت‌ها در انتظار آن بودیم، منتشر کرد. در پیش‌گفتار این استاندارد، چندین گزاره مهم وجود دارد که انتظارات را مطابق با اهداف و فلسفه استاندارد ارائه می‌کند. بسیاری از عناصر که بخش فنی صنعت دیتاسنتر شامل نوآوری به‌کارگیری مهندسی و تحلیل را مجسم می‌کنند، در نظر گرفته شده است. در بخشی از این استاندارد آمده «استاندارد جدید Ashrae 90.4 به‌گونه‌ای توسعه یافته است که نوآوری در صنعت دیتاسنتر را محدود نمی‌کند؛ بلکه معیارهایی را هم برای کمک به اطمینان از صرفه‌جویی در انرژی ارائه می‌دهد».

همچنین، با توجه به روش‌های مختلف در سراسر صنعت برای انطباق با Ashrae 90.1، کمیته پروژه استانداردهای دائمی Ashrae 90.4، استاندارد جدیدی مشابه استاندارد 90.1 به‌صورت کد توسعه داده شد.

قالب استاندارد Ashrae 90.4 تعیین مسیر انطباق با بهره‌وری انرژی مخصوص دیتاسنترها است، در حالی که الزامات انطباق برای سایر عناصر همچنان در استاندارد 90.1 موجود است. به گفته Ashrae، روسای کمیته‌های مسئول استاندارد 90.1 و استاندارد 90.4 با اعضای کمیته استانداردهای Ashrae ملاقات خواهند کرد تا هرگونه تضاد در حوزه بین این دو استاندارد را برطرف کنند.

بنابراین، Ashrae 90.4 برای الزامات انطباق برای عناصری به‌غیر از دیتاسنتر به Ashrae 90.1 ارجاع می‌کند. این عناصر شامل موارد زیر هستند:

•         پوسته ساختمان
•         نورپردازی
•         راندمان تجهیزات خنک‌کننده مکانیکی
•         گرمایش آب سرویس
•         سایر معیارهای تجهیزات

مسلما مهم‌ترین جنبه در Ashrae 90.4 این است که استاندارد طراحی مبتنی بر عملکرد است که در آن بازده انرژی سیستم‌های مکانیکی و الکتریکی پیشنهادی بر اساس استاندادی که به‌طور ضعیف حول شاخص اثربخشی مصرف انرژی ساخته شده است، قضاوت می‌شود.

PUE توسط گرین گرید توسعه داده شد؛ این استاندارد توضیح می‌دهد که ماموریت آن هدایت اکوسیستم‌های ICT پاسخگو، موثر، منابع کارآمد و سرتاسری است.

اهداف استاندارد دیتاسنتر ASHRAE

استانداردهای دیتاسنتر 90.4 بر دستیابی به اهداف زیر تمرکز دارد:

• کاهش مصرف انرژی: این هدف اصلی استاندارد است. با تعیین الزامات برای طراحی و عملکرد سیستم های الکتریکی و مکانیکی، استاندارد به دنبال کاهش مصرف کلی انرژی در مراکز داده است.
• انعطاف پذیری در طراحی: استاندارد 90.4 رویکردی مبتنی بر عملکرد را اتخاذ می کند. این رویکرد به طراحان و اپراتورهای مراکز داده انعطاف پذیری بیشتری برای انتخاب فناوری های مختلف و استراتژی های عملیاتی برای دستیابی به سطوح مورد نیاز بهره وری انرژی می دهد.
• قابلیت اطمینان عملیاتی: در حالی که استاندارد بر بهره وری انرژی تأکید می کند، همچنین بر اهمیت قابلیت اطمینان عملیاتی در مراکز داده تاکید دارد. الزامات استاندارد به گونه ای طراحی شده اند که اطمینان حاصل شود که اقدامات مربوط به صرفه جویی در انرژی، بر عملکرد و در دسترس بودن تجهیزات فناوری اطلاعات تأثیر منفی نگذارد.

استاندارد 90.4 الزامات مختلفی را برای طیف وسیعی از جنبه های یک مرکز داده تعیین می کند. برخی از این موارد کلیدی عبارتند از:

• بار حرارتی تجهیزات (MLC): این معیار حداکثر میزان گرمایی است که تجهیزات فناوری اطلاعات در مرکز داده تولید می کند. استاندارد 90.4 محدودیت هایی را برای MLC بر اساس منطقه آب و هوایی تعیین می کند.
• اتلاف انرژی الکتریکی (ELC): این معیار تلفات انرژی الکتریکی در سیستم توزیع برق مرکز داده را اندازه گیری می کند. استاندارد 90.4 محدودیت هایی را برای ELC بر اساس ظرفیت کلی مرکز داده تعیین می کند.
• سیستم های خنک کننده: استاندارد 90.4 طیف وسیعی از الزامات را برای سیستم های خنک کننده در مراکز داده تعیین می کند. این الزامات بر روی استفاده از فناوری های خنک کننده کارآمد، مانند خنک کننده ردیفی (row cooling) و خنک کننده مستقیم هوا (direct air cooling) و همچنین کنترل دقیق دما و رطوبت در داخل مرکز داده تمرکز دارد.
• سیستم های توزیع برق: ، استاندارد 90.4 الزاماتی را برای سیستم های توزیع برق در مراکز داده تعیین می کند. این الزامات بر استفاده از ترانسفورماتورهای با تلفات پایین، سیستم های مدیریت کابل کشی کارآمد و سایر اقدامات برای کاهش تلفات انرژی در توزیع برق تمرکز دارد.
• مدیریت انرژی: استاندارد 90.4 الزاماتی را برای پیاده سازی یک برنامه مدیریت انرژی در مرکز داده تعیین می کند. این برنامه باید شامل نظارت بر مصرف انرژی، شناسایی فرصت های صرفه جویی در انرژی و اجرای اقدامات لازم برای بهینه سازی عملکرد انرژی مرکز داده باشد.
• منابع انرژی تجدیدپذیر: استاندارد 90.4 تشویق به استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر برای تامین انرژی مراکز داده می کند. این استاندارد الزاماتی را برای ادغام منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی یا بادی در طراحی و عملیات مرکز داده تعیین می کند.

مقایسه PUE و ASHRAE 90.4

معیار اولیه مورد استفاده در صنعت دیتاسنتر PUE است. در سال 2016 به استاندارد ISO تبدیل شد. نسخه 90.1 استاندارد Ashrae  اغلب در بسیاری از کدهای ساختمانی ایالتی یا محلی در ایالات متحده گنجانده شده است. با این حال، با توجه به لحن دستوری آشکار دستورالعمل‌های Ashrae 90.1، استاندارد انرژی 90.4 برای دیتاسنترها به‌منظور رسیدگی به این موضوع معرفی شد.

PUE یک معیار طراحی نیست. این استاندارد با هدف اندازه‌گیری خط مبنا و بهینه‌سازی بهره‌وری انرژی عملیاتی توسعه پیدا کرد. اما در مراحل قبل از ساخت‌وساز در طراحی ساختمان به آن اشاره می‌شد. این استاندارد همچنین به‌عنوان یک کولوکیشن در عملکرد قراردادی SLA یا برنامه‌های هزینه انرژی استفاده شود.

در همین حال، ASHRAE 90.4 عمدتا به‌عنوان یک استاندارد طراحی به‌کار می‌رود که هنگام ارائه طرح‌های تایید قبل از ساخت دیتاسنتر استفاده می‌شود. همچنین به ارتقای ظرفیت تسهیلات در حد 10 درصد یا بیش‌تر می‌پردازد.

از نظر اندازه‌گیری داده و محاسبه انرژی، 2016-90.4 پیچده‌تر از شاخص PUE است. یکی از نکات منفی شاخص PUE این است که دارای ضریب تنظیم جغرافیایی نیست. از آنجایی که انرژی سیستم خنک‌کننده اغلب درصد قابل توجهی از مصرف انرژی در یک تاسیسات را نشان می‌دهد، دیتا سنترهایی که به‌طور مشابه ساخته می‌شوند اما در موقعیت جغرافیایی متفاوتی قرار دارند، PUE متفاوتی را منعکس می‌کنند.

تلفات زنجیره برق ناشی از محاسبه بهره‌وری انرژی سیستم خنک‌کننده در استاندارد 90.4 تفکیک شده است. این اطلاعات، محدودیت‌ها و مجموع حداکثر تلفات الکتریکی را در سراسر زنجیره برق از هدر رفت در دستگاه برق، از طریق سیستم توزیع و در نهایت پریزهای برق که به تجهیزات فناوری اطلاعات انرژی می‌دهند، نشان می‌دهد.

مولفه بار مکانیکی (MLC) یا بخش مربوط به محاسبه سیستم خنک‌کننده، مکان را به‌عنوان عاملی در برآورده شدن انطباق با انرژی سیستم خنک‌کننده نشان می‌دهد. جدولی با مناطق آب‌وهوایی ایالات متحده در استاندارد ASHRAE 169 با ضریب انطباق حداکثر سالانه MLC مربوطه، فهرست شده است.

کدام استاندارد برای سیستم خنک کننده دیتاسنتر مناسب است؟

تا همین اواخر، این یک کار چالش‌برانگیز بود؛ زیرا استانداردهای صنعت مورد استفاده برای ارزیابی کارایی انرژی دیتاسنترها و امکانات سرور ناسازگار بودند. برای ایجاد یک قانون حاکم برای اندازه‌گیری کارایی انرژی HVAC دیتاسنتر، اثربخشی مصرف برق (PUE) در سال 2010 معرفی شد.

با این حال، PUE به‌عنوان یک شاخص عملکرد (نه استاندارد طراحی) عمل می‌کرد و هنوز هم نتوانست به اجزای طراحی مربوطه رسیدگی کند؛ بنابراین مشکل همچنان باقی مانده است. این امر باعث شد تا انجمن مهندسین گرمایش، تبرید و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE)، یکی از سازمان‌های اصلی که مسئول تدوین دستوالعمل‌هایی برای جنبه‌های مختلف طراحی ساختمان است، استاندارد جدیدی ایجاد کند که برای صنعت دیتاسنتر کاربردی‌تر باشد.

استانداردهای دیتاسنتر ASHRAE ابداع شده، یعنی Ashrae 90.4 چندین سال است که در حال توسعه بوده و در سپتامبر 2016 منتشر شده است. این استاندارد Ashrae کاملا مورد نیاز جامعه دیتاسنترها بوده است.

به گفته Ashrae، این استاندارد جدید HVAC ویژه دیتاسنتر، علاوه بر سایر مواردی که ارائه می‌کند، حداقل الزامات بازده انرژی دیتاسنترها را برای طراحی و ساخت، ایجاد طرحی برای بهره‌برداری و تعمیر و نگهداری و برای استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر در محل یا خارج از محل تعیین می‌کند.

به‌طور کلی، این استاندارد جدید حاوی توصیه‌هایی برای طراحی، ساخت، بهره‌برداری و نگهداری از دیتاسنتر هاست. این استاندارد دیتاسنتر به صراحت نیازهای منحصربه‌فرد کولینگ دیتاسنترها را فارغ از ساختمان‌های استاندارد مورد توجه قرار می‌دهد. بنابراین، جنبه‌های حیاتی‌تر و خطرات مربوط به عملکرد دیتاسنترها را یکپارچه می‌کند.

برخلاف معیار بهره‌وری انرژی (PUE)، محاسبات در استاندارد Ashrae 90.4 بر اساس مولفه‌های نماینده مرتبط با طراحی است. سازمان‌ها باید کارایی و تلفات را برای عناصر مختلف سیستم‌ها محاسبه کرده و آن‌ها را برای ارائه به‌صورت یک عدد واحد ترکیب کنند. این عدد برابر یا کمتر از حداکثر ارقام منتشر شده برای هر منطقه‌ی آب‌وهوایی باشد.

تاثیر دینامیک سیالات محاسباتی یا CDG در به کارگیری استاندارد Ashrae 90.4اتا

هر تعداد از استراتژی‌های مختلف طراحی سیستم خنک‌کننده یا تغییرات چیدمان کف می‌تواند بر نتایج تاثیر بگذارد؛ در نتیجه راندمان را تغییر دهد، نقاط تمرکز گرما ایجاد کند یا میزان زیرساخت مورد نیاز برای طراحی را تغییر دهد.

دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) روشی را برای ارزیابی طرح‌های جدید یا تغییرات در طرح‌های موجود قبل از اجرای آن‌ها ارائه می‌دهد که مطابق با استانداردهای دیتاسنتر Ashrae است.

استراتژی‌های طراحی برای کاهش مصرف انرژی در دیتاسنترها

طراحی یک دیتاسنتر جدید یا تغییر یک دیتاسنتر موجود، برای به حداکثر رساندن راندمان خنک‌کننده می‌تواند یک کار چالش‌برانگیز باشد. استراتژی‌های طراحی برای بهبود بهره‌وری انرژی یک دیتاسنتر عبارتند از:

تعیین موقعیت دیتاسنترها بر اساس شرایط محیطی (موقعیت جغرافیایی، آب‌وهوا و …)

تصمیمات طراحی بر اساس توپولوژی زیرساخت (زیرساخت فناوری اطلاعات و استانداردهای رده)

تطبیق بهترین استراتژی‌های سیستم خنک‌کننده

بهبود پیکربندی سیستم خنک‌کننده دیتاسنتر یک فرصت کلیدی برای مهندس طراحی HVAC است تا مصرف انرژی را کاهش دهد. برخی از استراتژی‌های خنک‌کننده متفاوتی که طراحان و مهندسان برای حفظ انرژی دنبال می‌کنند عبارتند از:

دستگاه‌های تهویه مطبوع و تهویه هوا

متداول‌ترین انواع آن، دستگاه‌های تهویه مطبوع (AC) یا دستگاه‌های تهویه هوای اتاق کامپیوتر (CRAH) هستند که هوای سرد را در جهت مورد نیاز برای حذف هوای گرم از محیط اطراف، می‌دمند.

راهرو گرم/راهرو سرد

هوای سرد (یا راهرو) به جلوی رک‌های سرور منتقل می‌شود و هوای گرم از قسمت پشتی رک‌ها خارج می‌شود. هدف اصلی در اینجا مدیریت جریان هوا به‌منظور صرفه‌جویی در انرژی و کاهش هزینه خنک‌کننده است.

مهار راهروی گرم/راهروی سرد

مهار راهروهای گرم یا سرد عمدتا برای جداسازی هوای سرد و گرم داخل اتاق و حذف هوای گرم از محفظه‌های اصلی انجام می‌شود.

خنک‌کننده مایع

سیستم‌های خنک‌کننده مایع یک راه جایگزین برای دفع گرما از سیستم ارائه می‌کنند. این رویکرد شامل تهویه مطبوع یا مبرد هایی با آب سرد نزدیک به منبع گرماست.

خنک‌کننده سبز

خنک‌کننده سبز (یا رایگان) یکی از فناوری‌های پایدار مورد استفاده در دیتا سنترها است. این روش می‌تواند به‌سادگی باز کردن یک پنجره محافظت شده با فیلترها و لوورها باشد تا امکان استفاده از تکنیک‌های خنک‌کننده طبیعی فراهم شود. این روش باعث صرفه‌جویی بسیار زیادی در پول و انرژی می‌شود.

بهترین روش برای نظارت بر دما و رطوبت مراکز داده

دیتاسنترها باید در یک منطقه دمای ایمن کار کنند تا عملکرد خود را حفظ کنند. یک سرور با دمای بیش از حد بالا، می‌تواند باعث خرابی شود که ممکن است به هزاران دلار ضرر مالی منجر شود. به همین دلیل است که بسیاری از مدیران ترجیح می‌دهند دیتاسنترهای خود را خنک کنند. با این حال، اگر دیتاسنترها فقط یک درجه به منطقه امن دمایی مشخص شده نزدیک‌تر باشند، حدودا 4 درصد در هزینه انرژی صرفه‌جویی می‌کنند.

به‌جای استفاده از سطوح PUE به‌عنوان تنها شاخص، برای دمای عملیاتی بهینه سرورها باید از ASHRAE TC 9.9 استفاده کرد. Ashrae توصیه می‌کند که سه حسگر را در هر رَک قرار دهید. برای نظارت دقیق‌تر بر سطوح دمای اطراف، این حسگرها باید در بالا، وسط و پایین رک قرار بگیرند. در همین حال، یک حسگر نیز در پشت محفظه اصلی می‌تواند داده‌های قابل توجهی را در راهروهای سرد یا گرم ارائه دهد.

برای افزایش بیش‌تر کارایی و جلوگیری از خرابی، شاخص‌های هوای خروجی محفظه اصلی رک، دمای داخلی و دمای سرور نیز باید ردیابی شوند. اعداد ثبت شده به مهندس مسئول کمک می‌کند تا مسائل را قبل از اینکه منجر به قطعی پرهزینه و قابل توجه شود، به‌صورت بی‌درنگ حل کند.

سطح رطوبت نیز باید طبق دستورالعمل Ashrae کنترل شود. رطوبت بالا می‌تواند منجر به افزایش سطح میعان شود و در نتیجه کمبود برق و خرابی تجهیزات را به‌دنبال داشته باشد. در مقابل، زمانی که سطح رطوبت خیلی کم است، دیتاسنترها ممکن است با تخلیه الکترواستاتیکی (ESD) مواجه شوند.

برای رسیدگی به این مسائل، مدیران باید از افزایش غیرقابل کنترل دما که منجر به خارج شدن سطوح رطوبت از محدوده مشخص شده می‌شود، جلوگیری کنند. سطح رطوبت دیتاسنتر و اتاق سرور اختصاصی باید بین 40 تا 50 درصد رطوبت نسبی (rH) حفظ شود. این محدوده به جلوگیری از وقوع ESD کمک می‌کند، خطر خوردگی ناشی از تراکم بیش از حد را کاهش می‌دهد و در کل طول عمر تجهیزات IT را افزایش می‌دهد.

جمع‌بندی

استاندارد دیتاسنتر ASHRAE 90.4 یک ابزار مهم برای بهبود بهره وری انرژی در مراکز داده است. این استاندارد با ارائه الزامات و دستورالعمل های جامع، به طراحان و اپراتورهای مراکز داده کمک می کند تا مراکز داده ای کارآمد و پایدار ایجاد کنند. با اتخاذ رویکردی مبتنی بر عملکرد، استاندارد 90.4 انعطاف پذیری را برای نوآوری و استفاده از آخرین فناوری های صرفه جویی در انرژی فراهم می کند. رعایت استاندارد 90.4 نه تنها منجر به صرفه جویی قابل توجه در هزینه های انرژی می شود، بلکه به کاهش ردپای کربن مراکز داده و ارتقای عملیات پایدار کمک می‌کند.