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]
รูปที่ 1 การอุปโภคพลังงานไฟฟ้าในแต่ละส่วน
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]
ต่อมเป็น 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
1.) ระบบหล่อเย็นน้ำด้วย Air-cooled system เป็นการนำอากาศจากด้านนอกเข้ามาใช้ในการหล่อเย็นระบบน้ำภายใน CRAH unit โดยอากาศจากภายนอกและน้ำจะแลกเปลี่ยนความร้อนกันในระบบ CRAH หลังจากนั้นอากาศที่ร้อนขึ้นจะกลับเข้าสู่ Dry cooler เพื่อทำให้เย็นลงอีกครั้งนึง โดยบางรูปแบบอาจจะมีการเพิ่ม Air-cooled chiller เพื่อเป็นการทำให้อากาศเย็นมากขึ้นทำให้เพิ่มประสิทธิภาพในการแลกเปลี่ยนความร้อนของระบบ ดังรูปที่ 4
ข้อดี ลดการใช้เครื่องมือที่ทำให้เย็นด้วยระบบอื่น ๆ เช่น condenser หรือ tower cooling
ข้อเสีย ต้องมีสภาพอากาศที่เหมาะสม คือ อากาศควรมีความชื้นน้อยเพื่อสามารถแลกเปลี่ยนความร้อนได้ดีขึ้น
รูปที่ 4 ระบบหล่อเย็นน้ำด้วย Air-cooled system [1]
2.) ระบบหล่อเย็นน้ำด้วย Cooling tower System
การระบายความร้อนโดยใช้ Cooling tower ระบบนี้จะมีการใช้ Cooling tower Chiller และ Plate heat exchanger เพื่อทำให้น้ำเย็นก่อนนำไปแลกเปลี่ยนกับน้ำอากาศภายใน Computer Room Air Handle (CRAH) ลักษณะของระบบหล่อเย็นนี้จะคล้ายกับระบบ Air-cooled system แค่เปลี่ยนตรงอากาศที่ใช้หล่อเย็นเป็นน้ำ
ข้อดี การใช้ Cooling tower จะช่วยลดพลังงานในระบบ Chiller ไม่ให้ทำความเย็นมากจนเกินไป สามารถใช้ได้ในระบบอุตสาหกรรมที่มีกำลังไฟฟ้ามากกว่า 100,000 kWh ขึ้นไปในทุกภูมิอากาศ
ข้อเสีย มีค่าใช้จ่ายในการดำเนินระบบมาก ไม่เหมาะกับอุตสาหกรรมที่มีกำลังไฟฟ้าน้อย ๆ
รูปที่ 5 ระบบหล่อเย็นน้ำด้วย Cooling tower System [1]
2. ระบบระบายความร้อนแบบ Liquid cooling systems หรือการแช่เย็น ในที่นี้จะเป็นการแช่แบบทางอ้อม (Indirect immersion cooling) และการแช่แบบทางตรง (Direct immersion cooling)
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
รูปที่ 6 การแช่แบบทางอ้อมโดยใช้ Cold pate หรือ pipe [3]
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
รูปที่ 7 การแช่แบบทางอ้อมโดยใช้ Heat pipe cooling [1]
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
รูปที่ 8 ระบบ Single-phase immersion cooling [4]
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
3M Novec 7000
3M Novec 7100
3M Novec 7200
3M Novec 7300
Inventec Thermasolv IM1
Inventec Thermasolv IM2
Inventec Thermasolv IM7
Inventec Thermasolv CF1
Inventec Thermasolv CF2
Inventec Thermasolv CF3
ติดต่อ
บริษัท ออแกนนิค เวลท์ (ประเทศไทย) จำกัด
โทร 02-183-8709 , 084-021-1717 , 095-952-9053
Line : @owt123
Email : cs@organic-wealth.com
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.
