ระบบแช่เย็นด้วยของเหลวในระบบฐานข้อมูล
รูปที่ 1 การอุปโภคพลังงานไฟฟ้าในแต่ละส่วน
เป็นที่ยอมรับว่าปัจจุบันมีความสะดวกสบายในเรื่องของการติดต่อสื่อสารหรือส่งข้อมูลผ่านอุปกรณ์ไอทีมากขึ้น (IT devices) ผ่านระบบอินเตอร์เน็ตมากยิ่งขึ้น ทำให้สามารสื่อสารและส่งข้อมูลกันได้ง่ายขึ้นได้โดยไม่ต้องเสียเวลาเดินทาง เมื่อระบบเหล่านี้มีการพัฒนาและเติบโตจึงเกิดการระบบจัดเก็บฐานข้อมูล (Big data) และได้มีการพัฒนาขึ้นเรื่อย ๆ ควบคู่กันทำให้สามารถเข้าถึงและรองรับการเก็บข้อมูลขนาดใหญ่ได้ไม่ว่าจะเป็นในหน่วยงานภาครัฐหรือว่าเอกชนก็ตาม
อย่างไรก็ตามเมื่อคิดการอุปโภคพลังงานไฟฟ้าในแต่ละส่วนแล้ว พบว่าพลังงานไฟฟ้าที่เกิดจากการใช้อุปกรณ์ไอทีและฐานข้อมูลเป็น 44% พลังงานไฟฟ้าที่เกิดจากระบบระบายความร้อนหรือหล่อเย็นอุปกรณ์ไอทีและฐานข้อมูลเป็น 40% พลังงานไฟฟ้าด้านอื่น ๆ ได้แก่ การป้องกันข้อมูล แสงสว่าง หรือแม้กระทั่งการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าเป็น 16% ดังรูปที่ 1 เพื่อเป็นประโยชน์แก่อุตสาหกรรมและตระหนักถึงความแป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นบทความนี้จะมากล่าวถึงการลดพลังงานระบบระบายความร้อนหรือหล่อเย็นในระบบจัดเก็บฐานข้อมูลเป็นหลัก [1]
โดยทั่วไปแล้วระบบระบายความร้อนในระบบจัดเก็บฐานข้อมูลจะแบ่งออกเป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ คือ Free cooling system และ Liquid cooling system ดังรูปที่ 2 โดย Free cooling จะเป็นการใช้น้ำและอากาศมาระหล่อเย็นระบบฐานข้อมูล ส่วน Liquid cooling system จะเน้นไปที่สารหล่อเย็นเป็นหลัก
รูปที่ 2 ระบบระบายความร้อนในระบบจัดเก็บฐานข้อมูล
1. ระบบระบายความร้อนแบบ Free cooling systems จะแบ่งเป็นระบบที่ใช้อากาศ (Air-side economizers) และระบบที่ใช้น้ำ (Water-side economizers) ระบบระบายความร้อนที่ใช้อากาศจะแบ่งเป็นการนำอากาศมาใช้แบบทางตรงและทางอ้อมซึ่งแต่ละแบบจะมีข้อดีและข้อจำกัดการใช้ที่แตกต่างกัน ดังนี้
1.) ระบบที่ใช้อากาศทางตรง (Direct air-side economizers) โดยการใช้อากาศทางตรงจะเป็นการนำอากาศที่ร้อนขึ้นจากการหล่อเย็นภายในระบบฐานข้อมูลมาทำการแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศที่เข้าเย็น ซึ่งอากาศที่โดนแลกเปลี่ยนความร้อนแล้วจะถูกวนกลับไปใช้ซ้ำภายในห้องควบคุมระบบจัดเก็บฐานข้อมูล ดังรูปที่ 3a.) นอกจากนี้ภายในห้องควบคุมจะมีหน่วย CRAC (Computer room air conditioning) ที่ด้านในมีสารหล่อเย็นบรรจุอยู่เพื่อช่วยในการแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศ
ข้อดี ประหยัดพลังงาน การติดตั้งระบบไม่ยุ่งยาก
ข้อเสีย เหมาะกับประเทศหรือสถานที่ที่มีฝุ่นหรือมลภาวะน้อย ไม่เหมาะกับกับอากาศที่มีความชื้นมาก
2.) ระบบที่ใช้อากาศทางอ้อม (Indirect air-side economizers) เป็นการนำเอาอากาศด้านนอกมาแลกเปลี่ยนกันภายใน Heat exchanger ดังรูปที่ 3b.) โดยประเภทของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างอากาศสามารถแบ่งออกได้เป็นหลายแบบไม่ว่าจะเป็น Haet pipe และ Heat wheel ขึ้นอยู่กับลักษณะพื้นที่ และกำลังฟ้าที่ใช้เดินระบบในอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตาม Haet wheel จะให้ประสิทธิภาพดีกว่าซึ่งระบบระบายควมร้อนแบบนี้จะมีประสิทธิภาพมากกว่าระบบระบายความร้อนทางตรง เนื่องจากสามารถป้องกันการปนเปื้อนระหว่างอากาศได้
ข้อดี ไม่เกิดการปนเปื้อนกันระหว่างอากาศภายในและภายนอก
ข้อเสีย Heat wheel จะอาศัยพื้นที่ในการติดตั้งเครื่องมากกว่า Heat pipe
รูปที่ 3 a.) ระบบระบายความร้อนจากอากาศทางตรง b.) ทางอ้อม [1, 2]
ต่อมาเป็น Free- cooling system ที่ใช้น้ำมาเป็นตัวหล่อเย็นกับอากาศภายในระบบ CRAH ซึ่งจะเป็นตัวควบคุมอากาศภายในห้อง การทำให้น้ำเย็นจะต้องติดตั้ง Air-cooling Chiller หรือ/และ cooling Tower system ภายด้านนอกอาคารเพื่อใช้ในการหล่อเย็นน้ำที่เกิดจากการแลกเปลี่ยนความร้อนกับอากาศภายในระบบ CRAH (Computer Room Air Handler) ระบบนี้จะให้ประสิทธิภาพดีกว่าแบบใช้อากาศ เนื่องจากน้ำมีค่าการนำความร้อนที่มากกว่าอากาศจึงทำให้เกิดการถ่ายโอนความร้อนได้ดี เราสามารถจัดประเภทระบบหล่อเย็นได้ ดังนี้
รูปที่ 4 ระบบหล่อเย็นน้ำด้วย Air-cooled system [1]
1.) ระบบหล่อเย็นน้ำด้วย Air-cooled system เป็นการนำอากาศจากด้านนอกเข้ามาใช้ในการหล่อเย็นระบบน้ำภายใน CRAH unit โดยอากาศจากภายนอกและน้ำจะแลกเปลี่ยนความร้อนกันในระบบ CRAH หลังจากนั้นอากาศที่ร้อนขึ้นจะกลับเข้าสู่ Dry cooler เพื่อทำให้เย็นลงอีกครั้งนึง โดยบางรูปแบบอาจจะมีการเพิ่ม Air-cooled chiller เพื่อเป็นการทำให้อากาศเย็นมากขึ้นทำให้เพิ่มประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อนของระบบ ดังรูปที่ 4ข้อดี ลดการใช้เครื่องมือที่ทำให้เย็นด้วยระบบอื่น ๆ เช่น condenser หรือ tower coolingข้อเสีย ต้องมีสภาพอากาศที่เหมาะสม คือ อากาศควรมีความชื้นน้อยเพื่อสามารถแลกเปลี่ยนความร้อนได้ดีขึ้น
2.) ระบบหล่อเย็นน้ำด้วย Cooling tower Systemการระบายความร้อนโดยใช้ Cooling tower ระบบนี้จะมีการใช้ Cooling tower Chiller และ Plate heat exchanger เพื่อทำให้น้ำเย็นก่อนนำไปแลกเปลี่ยนกับน้ำอากาศภายใน Computer Room Air Handle (CRAH) ลักษณะของระบบหล่อเย็นนี้จะคล้ายกับระบบ Air-cooled system แค่เปลี่ยนตรงอากาศที่ใช้หล่อเย็นเป็นน้ำข้อดี การใช้ Cooling tower จะช่วยลดพลังงานในระบบ Chiller ไม่ให้ทำความเย็นมากจนเกินไป สามารถใช้ได้ในระบบอุตสาหกรรมที่มีกำลังไฟฟ้ามากกว่า 100,000 kWh ขึ้นไปในทุกภูมิอากาศข้อเสีย มีค่าใช้จ่ายในการดำเนินระบบมาก ไม่เหมาะกับอุตสาหกรรมที่มีกำลังไฟฟ้าน้อย ๆ
รูปที่ 5 ระบบหล่อเย็นน้ำด้วย Cooling tower System [1]
2. ระบบระบายความร้อนแบบ Liquid cooling systems หรือการแช่เย็น ในที่นี้จะเป็นการแช่แบบทางอ้อม (Indirect immersion cooling) และการแช่แบบทางตรง (Direct immersion cooling)
รูปที่ 6 การแช่แบบทางอ้อมโดยใช้ Cold pate หรือ pipe [3]
รูปที่ 7 การแช่แบบทางอ้อมโดยใช้ Heat pipe cooling [1]
รูปที่ 8 ระบบ Single-phase immersion cooling [4]
การแช่แบบทางอ้อมจะเป็นการใช้แผ่น cold plate หรือ pipe รวมถึงการใช้ระบบที่ติดตั้ง Heat pipe cooling ซึ่งการใช้ cold plate หรือ pipe จะบรรจุสารทำความเย็นไว้ข้างใน Coolant distribution unit (CDU) เป็นตัวกลางที่ลำเลียงสารหล่อเย็น อีกทั้งระบบนี้อาจจะมีการใช้ Water blocks ซึ่งเป็นตัวกันไม่ให้น้ำเข้าในระบบทำความเย็นหรือ chiller ดังรูปที่ 6 โดยการแช่แบบทางอ้อมจะมีลักษณะการทำอยู่ 2 แบบ คือ Single- และ Two-phase cooling ซึ่งสามารถอธิบายได้ดังนี้
- Single-phase cooling คือ สารหล่อเย็นจะมีเฟสเป็นของเหลวทั้งหมดในตอนที่ลำเลียงเข้าสู่ Cold plate
- Two-phase cooling คือ สารหล่อเย็นที่ลำเลียงเข้าไปยังตัว Cold plate จะมีทั้งเฟสของเหลวและเฟส Boiling (ได้จากการเดือดของสารหล่อเย็นจนเกิดฟองอากาศเกิดขึ้น)การแช่แบบทางอ้อมผ่าน Cold plate จะใช้กับ Main chips เท่านั้น ส่วนอุปกรณ์อื่น ๆ จะใช้เป็นระบบ Air cooling แทน
ข้อดี เป็นระบบที่มีค่าใช้จ่ายไม่สูงมาก และไม่มีเสียงดังรบกวนเท่าระบบอื่น
ข้อเสีย ใช้ได้กับระบบ Single rack ที่มีกำลังไฟฟ้าน้อยกว่า 45 kWh ลงมา และยังต้องมีการปรับปรุงการกระจายความร้อนของตัว cold plate มากกว่านี้
ต่อมาเป็นอุปกรณ์ที่เรียกว่า Heat pipe cooling จะทำให้สารหล่อเย็นเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอและพาความร้อน โดยแหล่งความร้อนที่ใช้จะมาจากระบบโดยตรงจึงเรียกระบบนี้ว่า Passive two-phase cooling สารจะเปลี่ยนสถานะกลายเป็นไอในขั้นตอน Evaporation ทำให้เกิดการกระจายอัตราการไหลของความร้อนด้านในให้ดียิ่งขึ้น โดยสารที่ใช้ในระบบนี้ควรเป็นสารที่มีจุดเดือดไม่สูงมาก เช่น R141b NF SiO2-H2O น้ำ เมทานอล อะซิโตนและแอมโมเนีย ในส่วนของ Condenser นั้นจะใช้เอทานอลและน้ำเป็นสารหล่อเย็นเพื่อให้เกิดการกลั่นตัวกลับมาเป็นสถานะของเหลวเช่นเดิม ส่วนด้านนอกของ Rack จะใช้อากาศในการไหลเวียนระบายความร้อนปกติดังรูปที่ 7
ข้อดี เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนความร้อนได้ดี
ข้อเสีย ยุ่งยากซับซ้อนในการออกแบบระบบ
การแช่แบบทางตรง เป็นการใช้สารหล่อเย็นสัมผัสโดยตรงกับตัว Server และตัว Server นั้นจะถูกบรรจุอยู่ภายในตู้ (Cabinet) โดยสารหล่อเย็นจะทำหน้าที่ดูดความร้อนออกจากตัว Server และสารหล่อเย็นที่ถูกทำให้ร้อนขึ้นจะถูกส่งไปยัง Heat exchanger เพื่อทำให้สารเย็นขึ้นและกลับเข้าระบบต่อไป การแช่โดยตรงแบบนี้จะมีลักษณะการทำระบบคล้าย Indirect liquid cooling คือมีทั้งระบบ Single- และ Two-phase liquid immersion ดังรูปที่ 8
- Single-phase immersion cooling สามารถใช้งานกับ Single rack ที่ใช้กำลังไฟฟ้าไม่เกิน 100 kWh โดยสารหล่อเย็นที่ใช้ ได้แก่ Mineral oil, น้ำมันสังเคราะห์, e-Fluorinated ที่มีจุดเดือดสูงและต้องไม่นำไฟฟ้า
- Two-phase immersion cooling ระบบนี้จะมีการใช้ทั้งเฟสที่เป็นของเหลวและ Boiling เข้ามาช่วย โดยสารที่ระเหยกลายเป็นไอแล้วก็จะถูกควบแน่นกลับเข้ามาภายในระบบเหมือนเดิม สามารถใช้งานกับ Single rack ที่ใช้กำลังฟ้าได้มากถึง 110 kWh ดังรูปที่ 9 โดยสารหล่อเย็นที่ใช้ ได้แก่ FC-72, FC-87, PF-5060, HFE-7000, HFE-7100 และ HFE-7300 ที่มีจุดเดือดไม่สูงและไม่นำไฟฟ้า
รูปที่ 9 ระบบ Two-phase immersion cooling [5]
สารที่นำมาใช้ในการแช่เย็นด้วยของเหลวควรมีคุณสมบัติ ดังนี้ ไม่ติดไฟ (No flammability)ไม่นำไฟฟ้า (No electric conductivity)แรงตึงผิวต่ำ (Low surface tension)มีจุดเดือดและจุดเยือกแข็เหมาะสมสำหรับการใช้งาน (Suitability for use range)ค่าการนำความร้อนมาก (High thermal conductivity) ค่าการพาความร้อนมาก (High thermal convection)เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม (Eco-friendly)
โดยสารที่มีคุณสมบัติดังกล่าวมีดังนี้
อ้างอิง
[1] Xu, S., Zhang, H., & Wang, Z. (2023). Thermal Management and Energy Consumption in Air, Liquid, and Free Cooling Systems for Data Centers: A Review. Energies, 16(3), 1279.
[2] HAM, Sang-Woo, et al. Energy saving potential of various air-side economizers in a modular data center. Applied Energy, 2015, 138: 258-275.
[3] Zhang, Y., Fan, C., & Li, G. (2022). Discussions of Cold Plate Liquid Cooling Technology and Its Applications in Data Center Thermal Management. Frontiers in Energy Research, 10, 954718.
[4] Pambudi, N. A., Sarifudin, A., Firdaus, R. A., Ulfa, D. K., Gandidi, I. M., & Romadhon, R. (2022). The immersion cooling technology: Current and future development in energy saving. Alexandria Engineering Journal, 61(12), 9509-9527.
[5] Liu, C., & Yu, H. (2021). Evaluation and optimization of a two-phase liquid-immersion cooling system for data centers. Energies, 14(5), 1395.
