ควบคุมสภาวะอากาศ Data Center ให้ประหยัดพลังงาน

การควบคุมสภาวะอากาศ Data Center เป็นการลงทุนเพิ่มจากอุปกรณ์ไอทีที่ใช้พลังงานมาก เมื่อมาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับ Data Center ได้กำหนดช่วงสภาวะอากาศที่ยอมรับสำหรับการทำงานของ Data Center กว้างพอ จึงทำให้สามารถออกแบบควบคุมการลงทุนและการใช้พลังงานของระบบควบคุมสภาวะอากาศได้ ปรากฎการณ์ธรรมชาติที่ช่วยในการลดอุณหภูมิจากการเปลี่ยนสถานะของน้ำสามารถนำมาใช้ในการประหยัดพลังงานนี้ได้แก่ Evaporative Cooling และหอผึ่งน้ำ (Cooling Tower)

Evaporative Cooling คือกระบวนการที่อากาศมีอุณหภูมิลดลงเนื่องจากการถ่ายเทความร้อนให้น้ำทำให้น้ำเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำเพิ่มความชื้นในอากาศ หรือการเปลี่ยนจากความร้อนสัมผัสของอากาศเป็นความร้อนแฝงของอากาศชื้น อากาศเมื่อมีอุณหภูมิลดลงจะสามารถใช้ระบายความร้อนได้ แต่เมื่ออากาศมีความชื้นสูงขึ้นจะมีผลกระทบต่อความสุขสบายและกิงกรรมอื่นๆ จึงต้องพิจารณาการใช้งานเป็นกรณีไป

หอผึ่งน้ำ เป็นกระบวนการเดียวกัน Evaporative Cooling แต่เป็นด้านน้ำที่มีอุณหภูมิสูงกว่าและมีปริมาณมาก การระเหยของน้ำบางส่วนที่ผิวสัมผัสจะดึงความร้อนจากน้ำส่วนที่ไม่ระเหยทำให้อุณหภูมิของน้ำต่ำลง สามารถใช้น้ำที่ได้เพื่อการแลกเปลี่ยนความร้อน ข้อได้เปรียบคือน้ำมีความจุความร้อนสูงกว่าอากาศทำให้ได้อุณหภูมิที่ต่ำกว่าการใช้อากาศมาแลกเปลี่ยนความร้อน

มาตรฐานสภาวะอากาศสำหร้บ Data Center

มาตรฐานที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมสภาวะอากาศสำหรับ Data Center ได้แก่ ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers) ซึ่งเป็นหน่วยงานมาตรฐานด้านวิศวกรรมที่ยอมรับทั่วโลกในด้านระบบปรับอากาศ ASHRAE ออกข้อกำหนดสำหรับ Data Center ครั้งแรกในปั 2004 และปรับปรุ่งแก้ไขมาตลอดเพื่อความเหมาะสมสำหรับการทำงานของ Data Center

NEBS (Network Equipment Building Systems) เป็นหน่วยงานของผู้ประกอบการด้านระบบโทรคมนาคม ได้ออกข้อกำหนดทางเทคนิก ควบคุมมาครฐานที่บริษัทในอเมริกาเหนือใช้ออกแบบ การติดตั้งอุปกรณ์ต่างๆและทดสอบรับรองเพื่อความเชื่อมั่น ความมั่นคง และความคงทนของระบบ

มาครฐานอื่นๆได้แก่ ETSI (the European Telecommunication Standards Institute) เป็นหน่วยงานควบคุมมาตรฐาน Data Center ในสหภาพยุโรป มีลักษณะเดียวกับ NEBS และ ANSI (American National Standards Institute) เช่นเดียวกันแต่มีมาตรฐานไม่ครอบคุมเท่าของ NEBS แต่มาตรฐานบางอย่างเช่นการป้องกันอัคคีภัย NEBS ก็นำของ ANSI มาใช้

ASHRAE thermal guidelines

ตารางที่ 1.แสดงการแบ่งลักษณะสภาวะอากาศตามการใช้งาน เครื่องจักร อุปกรณ์ และลักษณะการควบคุมสภาวะอากาศ แบ่งออกเป็น 6 ระดับ A1-A4 เป็นสภาวะอากาศสำหรับ Data Center ระดับ B และ C เป็นสภาวะอากาศสำหรับการใช้งานแบบอื่นๆ สภาวะอากาศสำหรับ Data Center 4ระดัยขึ้นกับตวามต้องการในการใช้งาน ระดับ A1 สำหรับงานของกิจการที่เป็นเจ้าของเอง ต้องการตวามเชื่อมั่น ความมั่นคง และความคงทนของระบบ ส่วนระดับอื่นๆจะต่างกันตามความต้องการของเจ้าของกิจการซึ่งจะอธิบายในภายหลัง

ารางที่ 1. ASHRAE Environmental Classes (2011)

สภาวะอากาศก่อนเข้าอุปกรณ์ไอทีแสดงในตารางที่ 2. แบ่งออกเป็นค่าแนะนำและค่าที่ยอมรับได้ จุดน้ำค้างสูงสุดกำหนดเพื่อป้องกันปัญหาการเกิดการกลั่นตัวของน้ำที่อุปกรณ์และวัสดุที่นำเข้าออกจากพื้นที่อื่นๆ ในทำนองเดียวกับค่าอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์เมื่อไม่เปิดอุปกรณ์ใช้

ค่าสภาวะอากาศแนะนำเป็นค่าเพื่อตวามเชื่อมั่น ความมั่นคง และความคงทนของระบบไม่ใช่ค่าบังคับซึ่งจะเลือกสภาวะอากาศแบบใดขึ้นการตัดสินใจของเจ้าของกิจการ และรูปที่ 1.แผนภูมิไซโครเมตริกแสดงสภาวะอากาศจากค่าในคาราง

ตารางที่ 2. สภาวะอากาศที่เข้าอุปกรณ์ไอที ASHRAE 2015 thermal guideline

รูปที่ 1 แผนภูมิไซโครเมตริกแสดงสภาวะอากาศที่เข้าอุปกรณ์ไอที ASHRAE 2015 thermal guideline

การใช้พลังงานเพื่อควบคุมสภาวะอากาศจะน้อยลง เมื่อให้อุณหภูมิอากาศเข้าอุปกรณ์ไอทีสูงขึ้น แต่ความเสียหายของอุปกรณ์ฯจะมากขึ้นตามอุณหภูมิอากาศ สามารถคาดการณ์ความไม่เชื่อมั่น (Reliability X-factor) ซึ่งได้จากข้อมูลระยะเวลาที่ไม่สามารถใช้อุปกรณ์ฯเมื่อใช้อุณหภูมิอากาศเช้าอุปกรณ์ฯตามที่ต้องการจากประวัติการทำงานของแต่ละเครื่องเทียบกับระยะเวลาที่ไม่สามารถใช้อุปกรณ์ฯเมื่ออุณหภูมิอากาศเข้าอุปกรณ์ฯที่ 20 C เป็นค่าอ้างอิงตามรูปที่ 2. ส่วนเส้นประในรูปได้จากการต่อเส้นโดยประมาณซึ่งไม่ใช่ค่าจากประวัติการใช้งาน เจ้าของกิจการต้องตัดสินใจระหว่างเงินที่ต้องลงทุนเพิ่มขึ้นกับระบบควบคุมสภาวะอากาศเพื่อเพิ่มความเชื่อมั่นของอุปกรณ์ฯกับค่าพลังงานที่ประหยัดได้เมื่อให้อุณหภูมิอากาศเข้าอุปกรณ์สูงขึ้นตามต้องการ

รูปที่ 2.ความไม่เชื่อมั่น (Reliability X-factor) ของ server มีความเสียหายมากขึ้นตามอุณหภูมิอากาศเข้าอุปกรณ์ฯ

NEBS thermal related requirements

NEBS กำหนดสภาวะอากาศของห้องตามการใช้งานของระบบโทรคมนาคมในตารางที่ 3.

ตารางที่ 3. สภาวะอากาศที่เข้าอุปกรณ์ไอที NEBS thermal related requirements

- CO (Central Offices) เป็นอาคารขนาดใหญ่ซึ่งบริษัทโทรศัพท์ติดคั้งอุปกรณ์ PSTN (Public Switched Telephone Network) ต่างๆ ใช้การปรับอากาศควบคุมอุณหภูมิ 23 - 27 C เมื่อเกิดปัญหากับระยยปรับอากาศยอมให้อุณหภูมิเป็น -5 – 49 C ในช่วงเวลาสั้นๆ

- MSC (Mobile Switching Centers) ติดตั้งอุปกรณ์โทรศัพท์ไร้สายที่ไม่เกี่ยวข้องกับ PSTN การควบคุมสภาวะอากาศเหมือนกับ CO

- Data Centers เป็นอาคารที่ติดตั้งอุปกรณ์ไอที ได้แก่ คอมพิวเตอร์ server, router ซึ่งไม่ใช่อุปกรณ์ PSTN แต่รวมถึงเครือข่ายโทรศัพท์ไร้สายซึ่งใช้ IP telephone และ IP Multimedia Systems (IMS) และอื่นๆ จะควบคุมสภาวะอากาศที่อุณหภูมิ 18 – 22 C โดยยอมให้สูงถึง 35 C ในช่วงเวลาสั้นๆ

- ตู้สำหรับติดตั้งภายนอกมักจะป้องกันสภาวะอากาศภายนอกมิให้เข้าภายในตู้ด้วยการซีล ความร้อนที่เกิดจากอุปกรณ์ภายในตู้ทำให้อุณหภูมิกาศภายในตู้สูงกว่าภายนอก การควบคุมอุณหภูมิภายในจึงต้องใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนระบายความร้อนให้อากาศภายนอก อุปกรณ์ที่ใช้ในตู้จึงต้องเป็นอุปกรณ์ที่มีความทนทานต่ออุณหภูมิและความชื้นสูงกว่าปกติ เช่นอุปกรณ์ที่ผลิตใช้ทางการทหาร

Evaporative Cooling และหอผึ่งน้ำ

เพิ่อลดอุณหภูมิของอากาศจะต้องไห้น้ำระเหยให้อากาศมีโดยไม่ใช้ความร้อน (Adiabatic) แต่ทำให้ความชื้นในอากาศสูงขึ้น อุปกรณ์ที่ใช้ระเหยน้ำประกอบด้วยแผ่นกระจายน้ำ หัวฉีดละอองน้ำ (Atomizing nozzlr) และหัวสั่นน้ำ (Ultrasonic nebulizer).

รูปที่ 3.แสดงการคิดตั้งอุปกรณ์ระเหยน้ำแบบต่างๆโดยไม่เพิ่มความร้อนให้อากาศ แผ่นกระจายน้ำ (Wetted Media) ทำด้วยแผ่นพลาสติกเหมือน Fill ในหอผึ่งน้ำหรือแผ่นเซลลูโลสซึ่งใช้ในโรงเลี้ยงไก่ ใช้ปั๊มน้ำส่งน้ำมากระจายที่ด้านบนของแผ่นให้น้ำไหลลงมาตามแผ่นทำให้มีพื้นที่ผิวของน้ำมาก เมื่ออากาศไหลผ่านช่องระหว่างแผ่นก็จะคายความร้อนให้น้ำและแผ่นทำให้อุณหภูมิอากาศลดลงและรับไอน้ำที่ระเหยมากับอากาศทำให้มีความชื้นสูงขึ้น

การระเหยน้ำค้วยการฉีดละอองน้ำขนาด 10-15 ไมครอน โดยใช้ปั๊มน้ำความดันสูงประมาณ 70 บาร์ ผ่าน Atomizing nozzle ละอองน้ำขนาดเล็กนี้จะรับความร้อนจากอากาศและเปลี่ยนเป็นไอน้ำขณะที่อยู่ในอากาศ ซึ่งต้องมีระยะทางมากพอให้ละอองน้ำเปลี่ยนเป็นไอน้ำได้หมด หัวสั่นน้ำใช้คลื่นอูลตราโซนิกถ่ายเทพลังงานให้โมเลกุลน้ำมีพลังงานเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลหลุดจากผิวน้ำมาในอากาศ มีขนาด1-5 ไมครอนซึ่งเล็กกว่าละอองน้ำจากหัวฉีดทำให้ใช้พื้นที่ในการเปลี่ยนเป็นไอน้ำน้อยกว่ามาก

รูปที่ 3. อุปกรณ์สำหรับการระเหยน้ำโดยไม่ใช้ความร้อน

ประสิทธิภาพการระเหยน้ำขึ้นกับ ความเร็วลมและความหนาของแผ่นกระจายน้ำตามตัวอย่างในรูปที่ 4.อุณหภูมิอากาศต่ำสุดที่สามารถลดได้เท่ากับอุณหภูมิกระเปาะเปียกของอากาศก่อนการระเหยซึ่งเท่ากับประสิทธิภาพอิ่มต้ว (Saturation efficiency) 100% อุณหภูมิอากาศที่ผ่านแผ่นกระจายน้ำจึงคำนวณได้จากสมการที่ 1. โดบมีอุณหภูมิกระเปาะเปียกเท่าเดิม

CDBa = CDBb - Effy x (CDBb - CWB)………………………………………………………………………………(1.)

เมื่อ

CDB คืออุณหภูมิกระเปาะแห้ง

CWB คืออุณหภูมิกระเปาะเปียก

Effy ค์อประสิทธิภาพการระเหย

a, b คือหลังและก่อนระเหยน้ำ

รูปที่ 4.ประสิทธิภาพการระเหยน้ำของแผ่นเซลลูโลสความหนาและความเร็วลมต่างๆกันและลักษณะของแผ่นเซลลูโลส(จาก Celpad)

การควบคุมการระเหยด้วยการฉีดละอองน้ำและการสั่นน้ำใช้การคำนวณจากแผนภูมิไซโครเมตริกเพื่อหารอัตราการระเหยน้ำให้กับอากาศให้ระเหยได้หมด ปัจจุบันนิยมใช้แผ่นกระจายน้ำเนื่องจากมีต้นทุนต่ำและใช้พลังงานน้อยกว่าวิธีอื่นๆ ซึ่งถ้าต้องการลดการใช้พื้นที่ของอุปกรณ์ระเหยน้ำ สามารถใช้หัวสั่นน้ำปล่อบละอองน้ำโดยตรงตามรูปที่ 5 อากาศจ่ายขึ้นจากใต้พื้นยกซึ่งเข้าใน Cold aisle ผ่านอุปกรณ์ที่ใช้หัวสั่นน้ำสร้างละอองน้ำขนาดเล็ก 1-5 ไมครอน ซึ่งสามารถระเหยได้หมดก่อนที่จะเข้าตู้อุปกรณ์ไอที ทำให้ใช้พื้นที่น้อยมาก

รูปที่ 5. พื้นที่ Data Center ที่ติดตั้งอุปกรณ์หัวสั่นน้ำ (Ultrasonic nebulizer) ระเหยน้ำโดยตรงจึงใช้พื้นที่น้อย

หอผึ่งน้ำสามารถเลือกขนาดไห้ระบายความร้อนจากน้ำได้อุณหภูมิน้ำออกจากหอผึ่งน้ำใกล้เคียงกับอุณหภูมิกระเปาะเปียกของอากาศ จึงเหมาะสำหรับใช้น้ำจากหอผึ่งน้ำระบายความร้อนให้อากาศเพื่อจ่ายเข้าอุปกรณ์ไอทีสำหรับ Data Center แบบปิดด้วยคอยล์ในเป่าลมเย็น ทำให้ความชื้นภายในอากาศไม่เพิ่มขึ้น

แนวทางการเลือกสภาวะอากาศ

NEBS เป็นหน่วยงานที่ทำงานทางด้านเครือข่ายโทรคมนาคมโดยเฉพาะ ส่วน ASHRAE เป็นหน่วยงานวิชาการด้านวิสวกรรมปรับอากาศที่ทำงานโดยแต่งตั้งคณะผู้เชี่ยวชาญเพื่อกำหนดข้อแนะนำสำหรับการออกแบบสภาวะอากาศสำหรับ Data Centers โดยเฉพาะ มีทางเลือกเพื่อการประหยัดพลังงานและคำแนะนำในการตัดสินใจ จึงมีการใช้ในการออกแบบถึงจะไม่เป็นกฏที่ใช้บังคับเป็นทางการ

ธุรกิจขนาดยักษ์ซึ่งใช้เซิฟเวอร๋ของตัวเองจำนวนมาก เป็นผู้ให้บริการคลาวน์ มีเซิฟเวอร์และแอป มี high bandwidth ได้แก่ เฟสบุ๊ค กูเกิล ไมโครซอฟท์ และอื่นๆ อาจใช้ไฟฟ้าถึง 10 MW การประหยัดค่าพลังงานของระบบปรับสภาวะอากาศจึงเป็นสิ่งที่สำคัญมาก ในปัจจุบันจึงใช้ Evaporative Cooling

ธุรกิจที่ใช้อุปกรณ์ร่วมกัน ให้เช่าเซิฟเวอร์ แร็ก หรือบริการคลาวน์ มีขนาดใหญ่แต่เล็กกว่าธุรกิจขนาดยักษ์ ได้แก่ อีควินิกส์ คอร์ไซท์ ร็อกเปซ์ และอื่นๆ ซึ่งต้องการให้ความเชื่อมั่นแก่ผู้เช่า การควบคุมอุณหภูมิและความชื้นจึงเป็นสิ่งสำคัญ ในปัจจุบันจึงใช้ Evaporative Cooling เฉพาะที่มีขนาดใหญ่มากเท่านั้น เพราะมีอุปกรณ์มากพอสำหรับการทำงานทดแทนกัน

ธุรกิจที่เป็นเจ้าของเซิฟเวอร์และแอปของตัวเอง ควบคุมการใช้และบำรุงรักษาเอง ทั้งธุรกิจขนาดเล็กหรือใหญ่ ใช้ไฟฟ้า10kW-1MW จะต้องมีค่าใช้จ่ายในการลงทุน(CAPEX, Capital expenditure) สูง และค่าใช้จ่ายในการใช้งาน (OPEX,Operation expenditure) สูงเทียบกับขนาดธุรกิจ จึงต้องคุมอุณหภูมิและความชื้นเป็นพิเศษเพื่อความเชื่อมั่น ความมั่นคง และความคงทนของอุปกรณ์ ไม่สามารถใช้ Evaporative Cooling ได้

ขอบเคลือข่าย (The network edge) คือพื้นที่ติดตั้งอุปกรณ์หรือที่ซึ่ง local network ทำงานร่วมกับอินเตอร์เน็ต เป็นอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อและเป็นที่เริ่มเข้าสู่เคลือข่าย เป็นพื้นที่สำคัญที่ต้องมีความปลอดภัยซึ่งผู้ควบคุมเตลือข่ายจะบริหารและแก้ไขปัญหาของเคลือข่าย เป็นพิ้นที่ที่ไม่สามารถใช้ Evaporative Cooling ได้

ธุรกิจขนาดยักษ์ซึ่งใช้เซิฟเวอร๋ของตัวเอง และธุรกิจที่ใช้อุปกรณ์ร่วมกันสามารถใช้ Evaporative Cooling แต่ก็ต้องมีคอยล์ทำความเย็นเสริมซึ่งจะทำงานมากหรือน้อยขึ้นกับสภาวะอากาศภายนอก มาตรฐาน ASHRAE กำหนดจุดน้ำค้างไว้เนื่องจากจุดน้ำค้างด้านบนที่กำหนดจะป้องกันไม่ให้เกิดหยดน้ำที่อุปกรณ์เมื่อนำอุปกรณ์จากห้องที่เย็นกว่าจุดน้ำค้างเข้ามาในห้อง และจุดน้ำค้างที่กำหนดด้านล่างป้องกันไม่ให้เกิดไฟฟ้าสถิตย์ซึ่งจะทำให้อุปกรณ์ฯเสียหาย

การเลือกระบบควบคุมสภาวะอากาศ

การควบคุมสภาวะอากาศทางเข้าอุปกรณ์ไอทีควบคุมได้ 2 แบบ คือระบบเปิด(นำอากาศภายนอกเข้าโดยตรง)และระบบปิด (หมุนเวียนอากาศภายใน) จุดมุ่งหมายของการใช้ Evaporative Cooling และหอผึ่งน้ำคือเพื่อการประหยัดพลังงานในการควบคุมสภาวะอากาศเข้าอุปกรณ์ไอที ภูมิอากาศของสถานที่ติดตั้งเป็นสิ่งที่สำคัญที่จะใช้ตัดสินใจในการเลือกใช้วิธีการควบคุมสภาวะอากาศ ประเทศในภูมิอากาศหนาวหรือแห้งสามารถประหยัดพลังงานได้มากด้วยการใช้อากาศภายนอกและการลดอุณหภูมิอากาศด้วยการระเหยแล้วส่งเข้ามาใช้ในอาคารโดยตรง ในบทความนี้จะใช้ภูมิอากาศของกรุงเทพเป็นตัวอย่างสำหรับการเลือกระบบควบคุมสภาวะอากาศ

กรุงเทพมีอุณหภูมิกระเปาะแห้งสูงสุดขณะที่อุณภูมิกระเปาะเปียกเฉลี่ยสูงสุดในเดือนพฤษภาคม และอุณภูมิกระเปาะเปียกสูงสุดขณะที่อุณหภูมิกระเปาะแห้งเฉลี่ยสูงสุดในเดือนเมษายนตามตารางที่ 4. โดยใช้ค่าที่ 0.4%ของจำนวนข้อมูลที่นำมาใช้เปรียบเทียบ ซึ่งเมื่อนำไปเขียนในไซโครเมตริกตามรูปที่ 6.

ตารางที่ 4.อุณภูมิกระเปาะแห้ง/กระเปาะเปียกสูงสุด และอุณภูมิกระเปาะเปียก/กระเปาะแห้งเฉลี่ยสำหรับการออกแบบ รายเดือนของกรุงเทพฯ (2005 ASHRAE Handbook - Fundamentals (SI))

รูปที่ 6.แผนภูมิไซโครเมตริกแสดงสภาวะอากาศ ASHRAE 2015 thermal guideline และอุณหภูมิสูงสุดของกรุงเทพ

จากรูปที่ 6. จะเห็นได้ว่าในช่วงเวลาที่ร้อนที่สุดอุณหภูมิอยู่ในขอบเขตของ ASHRAE A3 แต่ในช่วงเวลาที่มีความชื้นสูงที่สุดจะอยู่นอกขอบเขตสภาวะอากาศสำหรับ Data Center ของ ASHRAE การใช้อากาศภายนอกจ่ายเข้า Data Center โดยตรงนอกจากต้องมีที่กรองอากาศเพื่อควบคุมปริมาณฝุ่นละอองและก๊าซซึ่งอาจมีผลต่ออุปกรณ์ไอทีแล้ว ยังต้องมีคอยล์ทำตวามเย็นเพิ่อลดจุดน้ำค้างเมื่อภาวะอากาศภายนอกมีความชิ้นสูง

เซิฟเวอร์ถูกออกแบบปรับปรุงให้มีคุณภาพดีขึ้นทุกๆปีทำให้สามารถใช้กับอุณหภูมิสูงขึ้นจากเดิมและสามารถลดอัตราการระบายอากาศลงได้ ในปัจจุบันการออกแบบพัดลมระบายความร้อนของเซิฟเวอร์ยอมให้มีอุณหภูมิอากาศเข้า/ออกตามตารางที่ 5. จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิอากาศที่ออกจากเซิฟเวอร์สูงกว่าอากาศภายนอก สามารถใช้การแลกเปลี่ยนความร้อนในระบบปิดได้

ตารางที่ 5.อุณหภูมิอากาศเข้าเซิฟเวอร์และแนวโน้มการออกแบบอุณหภูมิอากาศออกจากเซิฟเวอร์(ปี ค.ศ.2020)

การควบคุมสภาวะอากาศแบบปิด อากาศจะหมุนเวียน ทำให้ความร้อนที่ใช้ปรับสภาวะอากาศเท่ากับความร้อนที่เกิดจากเซิฟเวอร์ทั้งหมด การลดอุณหภูมิสามารถใช้คอยล์ทำความเย็นโดยใช้น้ำเย็นซึ่งอุณหภูมิสูงกว่าจุดน้ำค้าง หรือน้ำจากหอผึ่งน้ำซึ่งประหยัดพลังงานมากกว่าการใช้ระบบน้ำเย็น ตามรูปที่ 7.ทั้งนี้ขึ้นกับอุณหภูมิอากาศที่จะปรับเพื่อจ่ายให้เซิฟเวอร์ หรือใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนโดยใช้อากาศเย็นจาก Evaporative Cooling แบบ Indirect ซึ่งให้อุณหภูมิอากาศระบายความร้อนสูงกว่าระบบน้ำเย็นและหอผึ่งน้ำ และต้องการพื้นที่มากกว่าร่คาสูงกว่า

รูปที่ 7. การติอตั้งอุปกรณ์ควบคุมสภาวะอากาศแบบปิด

การควบคุมสภาวะอากาศแบบเปิด อากาศภายนอกหลังจากปรับสภาพแล้วจะจ่ายเข้าเซิฟเวอร์ อากาศออกจากเซิฟเวอร์ซึ่งมีอุณหภูมิสูงขึ้นจะถูกระบายทิ้งไปทำให้พลังงานที่ต้องใช้ปรับสภาวะอากาศลดลงได้ สำหรับสภาวะอากาศของกรุงเทพฯ เมื่ออากาศความชื้น/จุดน้ำค้างสูงกว่าสภาวะอากาศ ASHRAEการปรับสภาพอากาศภายนอกต้องใช้คอยล์ทำความเย็นเพื่อปรับลดจุดน้ำค้าง เมื่อจุดน้ำค้างของอากาศภายนอกอยู่ในขอบเขคตาม ASHRAE สามารถจ่ายอากาศเข้ามาได้โดยไม่ต้องใช้คอยล์ทำความเย็นยกเว้นเมื่อต้องการลดความไม่เชื่อมั่น (Reliability X Factor)

การลดอุณหภูมิไม่สามารถใข้ Evaporative Cooling โดยตรงได้ ต้องใช้อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนโดยใช้อากาศเย็นจาก Evaporative Cooling แบบ Indirect เพราะจะทำให้ความชื้น/จุดน้ำค้างสูงขึ้นเกินขอบเขตตาม ASHRAE การลดอุณหภูมิอาจใช้คอยล์ทำความเย็นโดยมีน้ำเย็นซึ่งอุณหภูมิสูงกว่าจุดน้ำค้าง หรือน้ำจากหอผึ่งน้ำซึ่งประหยัดพลังงานพลังงานมากกว่าการใช้ระบบน้ำเย็น ตามรูปที่ 8. อากาศระบายความร้อนจาก Evaporative cooling มีอุณหภูมิสูงกว่าสูงกว่าน้ำจากหอผึ่งน้ำจึงมีข้อจำกัดในการระบายความร้อนมากกว่า ใช้พิ้นที่ในการติดตั้งที่เตรื่องเป่าลมเย็นและท่อลมมากกว่า รวมมีราคาสูงกว่า

รูปที่ 8. การติอตั้งอุปกรณ์ควบคุมสภาวะอากาศแบบเปิด

เปรียบเทียบการทำงาน

เพื่อเปรียบเทียบการทำงานของวิธีการควบคุมสภาวะอากาศแบบเปิดและแบบปิดของ Data Center ในกรุงเทพฯ ให้ Data Center ตัวอย่างมีพื้นที่ 100 ตรม. มีภาระความร้อน 2000 วัตต์/ตรม. ความร้อนที่ต้องระบายออกทั้งหมดเท่ากับ 200 kW

การควบคุมสภาวะอากาศแบบปิด รายการที่ 1. เมื่อต้องการอุณหภูมิตามค่าแนะนำ และ รายการที่ 2.และ 3. ต้องการอุณหภูมิต่ำกว่าที่จะใช้น้ำจากหอผึ่งน้ำ จึงต้องใช้ระบบน้ำเย็นแต่อุณหภูมิคอยล์ทำความเย็นสูงจึ้นทำให้ใช้พลังงานน้อยลง รายการที่ 4.และ 5. สามารถใช้น้ำจากหอผึ่งน้ำระบายความร้อนได้จึงใช้พลังงานน้อยที่สุด

ตารางที่ 6. การใช้ไฟฟ้าเพื่อควบคุมสภาวะอากาศแบบปิดสำหรับ Data Center ที่ให้ความร้อน 200 kW

การควบคุมสภาวะอากาศแบบเปิด ในขณะที่อากาศภายนอกมีความชื้น/จุดน้ำค้างสูงกว่าค่าแนะนำของ ASHRAE ต้องใช้คอยล์ทำความเย็นลดความชื้น/จุดน้ำค้างของอากาศ อากาศที่ออกจากคอยล์ทำความเย็นจะมีอุณหภูมิต่ำ เพื่อควบคุมอุณหภูมิอากาศจึงต้องใช้อากาศร้อนที่ออกจากเซิฟเวอร์ส่วนหนี่งกลับมาผสม ตามแผนภูมิไซโครเมตริกในรูปที่ 9. อากาศที่ผ่านคอยล์ทำความเย็นจึงน้อยลง ภาระความร้อนของคอยล์ทำความเย็นจึงน้อยลงด้วย

รูปที่ 9.แผนภูมิไซโครเมตริกแสดงการควบคุมสภาวะอากาศแบบเปิดเมื่อใช้คอยล์ทำความเย็นลดจุดน้ำค้าง

ตารางที่ 7. แสดงผลการคำนวณการใช้ไฟฟ้า-vการปรับสภาวะอากาศแบบเปิด เมื่ออากาศภายนอกมีความชื้น/จุดน้ำค้างอยู่ในขอบเขตของ ASHRAE แต่ต้องการควบคุมอุณหภูมิต่ำต้องใช้คอยล์ทำน้ำเย็นเพื่อลดอุณหภูมิได้ตาม รายการที่ 1-4 ถ้าต้องปรับอุณหภูมิสูงขึ้นสามารถใช้น้ำจากหอผึ่งน้ำได้โดยจะมีการใช้ไฟฟ้าใกล้เคียงกับตารางที่ 6. ราบการที่ 4. และ 5.

เมื่ออากาศภายนอกมึความชื้น/จุดน้ำค้างสูงกว่าขอบเขตของ ASHRAE จะต้องใช้ระบบน้ำเย็นซึ่งมีการทำงานตามรูปที่ 9. โดยมีอากาศที่ออกจากเซิฟเวอร์กลับมาผสม การใชไฟฟ้าตามรายการที่ 5. ถึงรายการที่ 8.

ตารางที่ 7.การใช้ไฟฟ้าเพื่อควบคุมสภาวะอากาศแบบเปิดสำหรับ Data C ที่ให้ความร้อน 200 kW

นอกกรอบมาตรฐาน

ผลการคำนวณโดยประมาณจากตารางที่ 6. และตารางที่ 7. สรุปได้ว่าสำหรับ Data Center ในกรุงเทพฯ การควบคุมสภาวะอากาศในกรอบมาตรฐานไม่สามารถใช้ Evaporative Cooling ได้เพราะในระบบเปิดจะมีช่วงเวลาที่ทำใหัมีจุดน้ำค้างสูงกว่ามาตรฐาน และในระบบปิดต้องเป็นแบบ Indirect ซึ่งjต้องลงทุนอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนและท่อลมทำให้มีต้นทุนสูงและใช้กับอุณหภูมิอากาศสูงเท่านั้น

การใช้น้ำจากหอผึ่งน้ำ ประหยัดพลังงานสำหรับการปรับสภาวะอากาศได้ดีกว่า Evaporative Cooling เพราะทำอุณหภูมิได้ต่ำกว่าแต่ใช้กับอุณหภูมิอากาศสูงเช่นเดียวกัน การใช้ระบบน้ำเย็นสามารถควบคุมอุณหภูมิได้ดีที่สุดแต่ใช้พลังงานมากที่สุด ทั้งระบบปิดและระบบเปิด ในภูมิอากาศหนาวและแห้งสามารถใช้ Evaporative Cooling ได้ทั้งระบบปิดและระบบเปิด ทั้งนี้ต้องวิเคราะห์ข้อมูลภูมิอากาศเพื่อการตัดสินใจ

จุดน้ำค้างสูงสุดในกรอบมาตรฐานเพื่อป้องกันความเสียหายของอุปกรณ์เนื่องจากการกลั่นตัวในอุปกรณ์ซึ่งอาจเกิดเมื่อย้ายอุปกรณ์เข้าออกเพื่อซ่อมแซมหรือจัดซื้อใหม่จากพื้นที่ที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าจุดน้ำค้างภายใน Data Center ถ้ามีขั้นตอนการทำงานเพิ่อป้องกันการกลั่นตัวได้ก็สามารถขยับค่าจุดน้ำค้างสูงสุดให้มากขึ้นได้ ทำให้สามารถออกแบบใช้ Evaporative Cooling ควบคุมสภาวะอากาศและจ่ายโดยตรงให้พื้นที่ Data Center ซึ่งเป็นระบบที่ประหยัดที่สุดและลงทุนน้อยที่สุดได้

เจ้าของกิจการที่เป็นเจ้าของและใช้ Data Center สำหรับงานที่ต้องการลดค่าพลังงานอย่างมาก เช่นการขุดบิทคอยน์อาจยอมให้ใช้ Evaporative Cooling ควรขอข้อมูลของอุปกรณ์เมื่อทำงานในสภาวะอากาศที่มีความชื้นสูง หรือข้อมูลความเสียหายของอุปกรณ์จากเจ้าของกิจการที่เกิดขึ้นเพื่อเปรียบเทียบกับความไม่เชื่อมั่น (Reliability X Factor) ตามมาตรฐาน

สรุป

การออกแบบระบบควบคุมสภาวะอากาศ Data Center ควรอ้างอิงมาตรฐาน ASHRAE และข้อมูลภูมิอากาศของสถานที่ตั้ง สภาวะอากาศร้อนที่สุด และความชื้นสัมพัทธ์สูงสุดช่วยในการเลือกระบบควบคุมสภาวะอากาศ ซึ่งอาจต้องเป็นระบบผสมเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นระบบที่ประหยัดพลังงานสูงสุดอาจเป็นระบบที่ซับซ้อนและควบคุมได้ยาก ต้องใช้บุคคลากรที่มีคุณภาพและค่าใช้จ่ายบำรุงรักษาสูง

การออกแบบนอกกรอบมาตรฐานด้วยระบบเปิดที่ใช้ Evaporative Cooling เป็นระบบที่ประหยัดพลังงานสูงสุด ลงทุนน้อยที่สุด ค่าบำรุงรักษาน้อยที่สุด แต่จะต้องได้รับคำแนะนำจากเจ้าของกิจการ ต้องแน่ใจว่าเจ้าของกิจการเข้าใจข้อดี/ข้อเสีย ความทนทานของอุปกรณ์เมื่ออากาศมีความชื้นสูง และผลที่จะเกิดต่อกิจการ

เอกสารอ้างอิง

1. Magnus Herrin, “Thermal Guidelines and Temperature Measurements in Data Centers”, September 15,2020,

2. ASHRAE Technical Committee (TC) 9.9 Mission Critical Facilities, Data Centers, Technology Spaces, and Electronic Equipment, ASHRAE 2016, “Data Center Power Equipment Thermal Guidelines and Best Practices”

3. Ian Seaton; Data Center Consultant; ”What is the Difference Between ASHRAE’s Recommended and Allowable Data Center Environmental limits? – Part 4”; https://www.upsite.com/blog/what-is-the-difference-between-ashraes-recommended-and=allowable-data-center-environmental-limits-part-4/

4. Majid Safavi “Thermal Design And NEBS Compliance”; https://www.electronics-cooling.com/2006/02/ thermal-design-and-nebs-compliance/