كيف تساهم المراوح ذات التيار الكهربائي (EC) في غرف الخوادم في خفض معامل استخدام الطاقة (PUE)؟

معامل استخدام الطاقة (PUE) والتكلفة الخفية لتبريد الخوادم

كفاءة استهلاك الطاقة (PUE) هي النسبة بين إجمالي طاقة المنشأة وطاقة معدات تكنولوجيا المعلومات. وتبلغ قيمة PUE المثالية ١٫٠، أي أن كل واط من الطاقة يُستهلك في عمليات الحوسبة. أما في الواقع، فإن معظم غرف الخوادم تعمل عادةً ضمن النطاق من ١٫٦ إلى ٢٫٠. فأين تذهب الطاقة الزائدة؟ إنها تُستهلك في المراوح وأنظمة التبريد. ويُقدَّر أن ما نسبته ٣٠٪ إلى ٤٠٪ من إجمالي استهلاك الطاقة في مركز بيانات نموذجي يُخصص لتدوير الهواء وإزالة الحرارة. وقد زرتُ مئات غرف الخوادم، وبقي أمرٌ واحدٌ واضحٌ دائمًا: وحدات مراوح مكيفات الهواء القديمة والمنفاخات ذات السرعة الثابتة تُهدر كميات هائلة من الكهرباء. وأظهر لي أحد مدراء المرافق فاتورة الاستهلاك الشهرية الخاصة بهم، حيث بلغت تكلفة مراوح التبريد وحدها أكثر من تكلفة الخوادم نفسها في الأيام الحارة. وهذه هي التكلفة المخفية التي لا تظهر في ورقة المواصفات الفنية. ويبدأ خفض قيمة PUE بالتركيز على خفض استهلاك الطاقة للمراوح.

المراوح ذات التحكم الإلكتروني (EC) تقلل استهلاك الطاقة للمراوح بنسبة ٥٠٪ مقارنةً بالمراوح التقليدية التي تعمل بالتيار المتناوب (AC)

يُعَدُّ محرك التيار المتناوب ذو الحث العاملَ الأكبر في هدر طاقة المراوح. فهو يعمل بسرعة ثابتة ما لم تُضف إليه وحدة تحكم في التردد المتغير، والتي تتسبّب بدورها في خسائر طاقية. أما المحرك الإلكتروني المُبدِّل (EC)، فيستخدم مغناطيساتٍ دائمةً ووحدة تحكُّم مدمجةً داخله. وبذلك لا تحدث فيه أي خسائر في النحاس الخاص بالدوار. ووفقاً لدراسة أجرتها مختبر لورنس بيركلي الوطني، فإن استبدال محرك قطب مظلل أو محرك مكثفي (PSC) بمحرك إلكتروني مُبدِّل (EC) في تطبيقات المراوح يقلّل استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين ٤٠٪ و٦٠٪ لنفس كمية تدفق الهواء. وإليك مثالاً من أرض الواقع: كانت غرفة صغيرة لاستضافة الخوادم (Colocation) مزودةً بعشرين وحدة تبريد تستخدم في الأصل مراوح طرد مركزي تعمل بمحركات تيار متناوب، وكان استهلاك كل مروحة منها ٨٠ واطاً. وبعد تحديث هذه المراوح واستبدالها بمراوح إلكترونية مُبدِّلة (EC)، انخفض استهلاك الطاقة اللازم لتحقيق نفس كمية تدفق الهواء إلى ٣٨ واطاً فقط لكل مروحة. وهكذا انخفض إجمالي استهلاك طاقة المراوح من ١٦٠٠ واط إلى ٧٦٠ واطاً. وبلغت فترة الاسترداد أقل من سنة واحدة. وهذه ليست أرقاماً مخبرية، بل هي تخفيض فعلي في فاتورة الكهرباء.

ضبط سرعة المراوح بما يتناسب مع حمل الخوادم في الوقت الفعلي

الخوادم لا تعمل عند حملها الأقصى على مدار 24 ساعة في اليوم وطوال أيام الأسبوع. وتتفاوت كمية الحرارة التي تُنتجها حسب وقت اليوم، وطلب المستخدمين، والمهمات المعالَجة. أما المروحة ذات السرعة الثابتة فتعمل بنسبة 100% حتى عندما تكون الخوادم في وضع الخمول، ما يؤدي إلى تبريد مفرط للغرفة وهدرٍ في الطاقة. وتزود المراوح الإلكترونية (EC) عادةً بمدخل تحكم قياسي في السرعة يتراوح بين 0–10 فولت أو بتقنية تعديل عرض النبضات (PWM). ويمكنك ربط سرعة المروحة مباشرةً بمستشعر درجة الحرارة أو بإشارة حمل أنظمة تكنولوجيا المعلومات (IT). وقد عملتُ مع مزوِّد خدمات استضافة نصَّب مكيِّفات هواء غرف الحواسيب القائمة على المراوح الإلكترونية (EC). وحدَّد خوارزمية التحكم بحيث تحافظ على درجة حرارة ممر الهواء الساخن عند 80°ف بالضبط. وعندما انخفض نشاط الخوادم ليلاً، خفَّضت المراوح الإلكترونية سرعتها إلى 35%. والنتيجة؟ انخفض مؤشر الكفاءة الطاقية (PUE) لديهم من 1.8 إلى 1.45 خلال ستة أشهر. وبات نظام التبريد يكفُّ عن «الصراع مع نفسه». وأخبرني مدير المنشأة أن وحدة التبريد (chiller) الخاصة بهم أصبحت تعمل لفترات أقصر أيضاً، لأن المراوح الإلكترونية توفِّر فقط تدفق الهواء المطلوب.

كفاءة أفضل عند الأحمال الجزئية حيث تتواجد الخوادم غالباً

يصمِّم معظم مشغِّلي مراكز البيانات لأنظمة التشغيل عند أقصى حمل، لكن الخوادم تعمل في الواقع بنسبة ٤٠٪ إلى ٦٠٪ من سعتها في المتوسط. وعند هذه الظروف التشغيلية الجزئية، تصبح مراوح التيار المتناوب غير فعَّالة للغاية. فإذا استخدمت محركًا كهربائيًّا للتيار المتناوب مزوَّدًا بمحرِّك ترددي متغير، فإن هذا المحرِّك نفسه يستهلك ما نسبته ٣٪ إلى ٨٪ من القدرة المُصنَّفة على هيئة حرارة. كما أن كفاءة المحرك تنخفض بشكل كبير عند السرعات المنخفضة. أما محركات التيار المستمر (EC) فلا تعاني من هذه المشكلة؛ إذ تحافظ على كفاءة تزيد عن ٨٠٪ ضمن نطاق السرعات من ٢٠٪ إلى ١٠٠٪. وتنص قانون التشابه على أن طاقة المروحة تتغير بنسبة مكعب السرعة. وبالتالي فإن خفض السرعة بنسبة ٢٠٪ يؤدي إلى خفض الطاقة المستهلكة بنسبة تقارب ٥٠٪، ولكن ذلك يتحقق فقط إذا حافظ المحرك على كفاءته. ولا يمكن لمحركات التيار المتناوب تحقيق ذلك، بينما تستطيع محركات التيار المستمر (EC) فعل ذلك. وقد أكدت ورقة بيضاء صادرة عن اللجنة الفنية رقم ٩.٩ التابعة لجمعية مهندسي التبريد والتدفئة وتكييف الهواء (ASHRAE) والمُخصصة لتبريد مراكز البيانات أن صفوف المراوح المزودة بمحركات التيار المستمر (EC) توفر أفضل أداء عند الأحمال الجزئية لأنظمة تدفق الهواء المتغير. ولغرف الخوادم التي تعمل لمعظم ساعات اليوم عند أحمال متوسطة، تُعد المراوح المزودة بمحركات التيار المستمر (EC) الخيار الوحيد المنطقي.

التكامل الذكي مع احتواء ممرات الممرات الساخنة والباردة

حتى أفضل مروحة تفقد قيمتها إذا لم تُوجَّه تدفُّق الهواء بشكلٍ مناسب. وتستخدم غرف الخوادم الحديثة تقنية احتواء الممرات الساخنة والممرات الباردة. لكن الضغط الثابت يتغير مع انسداد الفلاتر ومع إضافة الخوادم أو إزالتها. وتتمتَّع المراوح الإلكتروستاتيكية (EC) بذكاء داخلي مدمج، فهي قادرة على استشعار الضغط الثابت وضبط سرعتها تلقائيًّا للحفاظ على القيمة المُحدَّدة مسبقًا. وقد شاهدتُ هذا التصرُّف عمليًّا في مركز بيانات مالي في شيكاغو. فكان لديهم عشرون وحدة تبريد مرتبة في صف واحد، وكل وحدة مزوَّدة بأربع مراوح إلكتروستاتيكية (EC) مرتبة على هيئة جدار هوائي. وأرسل نظام إدارة المبنى إشارة ضغط إلى كل مروحة. وعندما ظهرت بقعة حرارية بالقرب من رف خوادم عالي الكثافة، زادت سرعة أقرب المراوح الإلكتروستاتيكية (EC) بشكل فردي بدلًا من زيادة سرعة جميع المراوح معًا. وهكذا انخفض استهلاك طاقة التبريد السنوي بنسبة 35%، وتحسَّن مؤشر كفاءة استخدام الطاقة (PUE) من 1.65 إلى 1.32. ويوصي الدليل العملي الأفضل الصادر عن مجموعة «الشبكة الخضراء» (The Green Grid) بشأن إدارة الهواء بهذا النوع من التحكُّم المُقسَّم حسب المناطق والمعتمد على الطلب الفعلي. وتجعل المراوح الإلكتروستاتيكية (EC) هذا النهج عمليًّا، لأن كل مروحة مزوَّدة بوحدة تحكُّم خاصة بها.

عائد الاستثمار على المدى الطويل وإعداد تقارير الاستدامة

التكلفة الأولية هي الاعتراض المعتاد. فمروحة التيار المستمر (EC) تكلف أكثر من مروحة التيار المتردد (AC) ذات الحجم نفسه. لكن تكلفة الملكية الإجمالية تروي قصة مختلفة. فمروحات التيار المستمر (EC) تتعرّض لانقطاعات ميكانيكية أقل لأنها تعمل عند درجات حرارة أقل ولا تحتوي على مكثف بدء تشغيل أو مفتاح طاردي يُمكن أن يتعطل. كما أن محاملها المغلقة تدوم ٥٠٬٠٠٠ ساعة أو أكثر. والآن، انظر إلى وفورات الطاقة: ففي غرفة خوادم تحتوي على ٥٠٠ خادوم وتضم ٢٥ وحدة تبريد، وبافتراض أن متوسط استهلاك كل وحدة من طاقة المراوح يبلغ ٤٠٠ واط، فإن الاستبدال من مراوح التيار المتردد (AC) بمراوح التيار المستمر (EC) يوفّر نحو ٢٠٠٬٠٠٠ كيلوواط ساعة سنويًّا. وبمتوسط سعر تجاري للكهرباء قدره ١٢ سنتًا لكل كيلوواط ساعة، فإن هذا يعادل وفرًا سنويًّا قدره ٢٤٬٠٠٠ دولار أمريكي. علاوةً على ذلك، فإن خفض الانبعاثات الكربونية يبلغ نحو ١٤٠ طنًّا متريًّا من ثاني أكسيد الكربون سنويًّا، ما يُسجَّل مباشرةً في تقرير الاستدامة الخاص بك. أما بالنسبة للمشغلين الذين يحتاجون إلى أداءٍ مضمون وشراكة طويلة الأمد، فإن المورِّدين ذوي الخبرة مثل شركة Fanova يقدمون حلول مراوح التيار المستمر (EC) مدعومة بتقارير موثوقة من نفق الرياح، وخدمة مطابقة دقيقة، وضمان كامل لمدة ثلاث سنوات. وقد بدأت الشركة في تصنيع محركات التيار المستمر (EC) منذ عام ٢٠٠٣، وهي تقدّم الدعم لعملائها في ٨٠ دولة. وعندما يكون خفض مؤشر كفاءة استخدام الطاقة (PUE) هدفًا تجاريًّا حقيقيًّا وليس مجرد شعار، فإن شركة Fanova توفّر المهارات الهندسية والموثوقية في سلسلة التوريد اللازمة لتحقيق ذلك.