พัดลมแบบ EC ในห้องเซิร์ฟเวอร์มีส่วนช่วยลดค่า PUE ได้อย่างไร

ค่า PUE กับต้นทุนแฝงของการระบายความร้อนเซิร์ฟเวอร์

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานของศูนย์ข้อมูล หรือ PUE คืออัตราส่วนระหว่างพลังงานรวมที่ใช้ในสถานที่ตั้งทั้งหมดต่อพลังงานที่ใช้กับอุปกรณ์ไอที โดยค่า PUE ที่สมบูรณ์แบบคือ 1.0 ซึ่งหมายความว่าพลังงานทุกวาตถูกนำไปใช้ในการประมวลผลข้อมูลจริงๆ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ห้องเซิร์ฟเวอร์ส่วนใหญ่ทำงานอยู่ในช่วง 1.6 ถึง 2.0 พลังงานส่วนเกินนั้นถูกใช้ไปที่ไหน? คำตอบคือพัดลมและระบบระบายความร้อน ประมาณ 30% ถึง 40% ของพลังงานทั้งหมดที่ใช้ในศูนย์ข้อมูลทั่วไปจะถูกใช้เพื่อการไหลเวียนของอากาศและการกำจัดความร้อน ฉันเคยเดินสำรวจห้องเซิร์ฟเวอร์มาแล้วหลายร้อยแห่ง และสิ่งหนึ่งที่ชัดเจนเสมอคือ หน่วยพัดลมแอร์คอนดิชันเนอร์แบบเก่าและพัดลมที่หมุนด้วยความเร็วคงที่นั้นสิ้นเปลืองไฟฟ้าอย่างมาก ผู้จัดการสถานที่แห่งหนึ่งเคยแสดงใบแจ้งค่าสาธารณูปโภครายเดือนให้ฉันดู พบว่าเฉพาะค่าใช้จ่ายสำหรับพัดลมระบายความร้อนนั้นก็สูงกว่าค่าใช้จ่ายสำหรับเซิร์ฟเวอร์เองเสียอีกในวันที่อากาศร้อนจัด นี่คือต้นทุนที่ซ่อนอยู่ซึ่งคุณไม่สามารถมองเห็นได้จากแผ่นข้อมูลจำเพาะ (spec sheet) การลดค่า PUE เริ่มต้นจากการลดการใช้พลังงานของพัดลม

พัดลมแบบ EC ช่วยลดการใช้พลังงานของพัดลมลงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับพัดลมแบบ AC

ผู้ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานของพัดลมมากที่สุดคือมอเตอร์แบบเหนี่ยวนำกระแสสลับ (AC induction motor) ซึ่งหมุนด้วยความเร็วคงที่ เว้นแต่จะติดตั้งอุปกรณ์ควบคุมความถี่แปรผัน (variable frequency drive) ซึ่งเองก็มีการสูญเสียพลังงานอยู่ด้วย มอเตอร์แบบ EC หรือมอเตอร์ที่มีการเปลี่ยนทิศทางกระแสไฟฟ้าด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ (electronically commutated motor) ใช้แม่เหล็กถาวรและมีตัวควบคุมในตัว จึงไม่มีการสูญเสียพลังงานจากกระแสไหลผ่านขดลวดโรเตอร์ (rotor copper losses) ตามผลการศึกษาโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์ เบิร์กลีย์ (Lawrence Berkeley National Laboratory) การเปลี่ยนมอเตอร์แบบ shaded pole หรือแบบ PSC ไปเป็นมอเตอร์แบบ EC สำหรับใช้งานกับพัดลม จะช่วยลดการใช้พลังงานลงได้ 40% ถึง 60% โดยยังให้ปริมาณการไหลของอากาศเท่าเดิม ตัวอย่างจริงในโลกแห่งความเป็นจริงคือ ห้องเซิร์ฟเวอร์ขนาดเล็กที่ให้บริการแบบ colocation ซึ่งมีหน่วยทำความเย็น 20 ชุด เดิมใช้พัดลมแบบแรงเหวี่ยง (centrifugal fans) ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ AC โดยแต่ละพัดลมใช้พลังงาน 80 วัตต์ หลังจากเปลี่ยนมาใช้พัดลมแบบ EC แล้ว ปริมาณการไหลของอากาศเท่าเดิมกลับใช้พลังงานเพียง 38 วัตต์ต่อพัดลมเท่านั้น ดังนั้น กำลังไฟฟ้ารวมที่ใช้กับพัดลมจึงลดลงจาก 1,600 วัตต์ เป็น 760 วัตต์ และระยะเวลาคืนทุน (payback period) น้อยกว่าหนึ่งปี ตัวเลขนี้ไม่ได้มาจากห้องปฏิบัติการ แต่เป็นผลจากการลดลงจริงของค่าไฟฟ้า

การควบคุมความเร็วให้สอดคล้องกับภาระงานของเซิร์ฟเวอร์แบบเรียลไทม์

เซิร์ฟเวอร์ไม่ทำงานที่โหลดสูงสุดตลอด 24 ชั่วโมงต่อวัน เครื่องจะปล่อยความร้อนในปริมาณที่เปลี่ยนแปลงไปตามช่วงเวลาของวัน ความต้องการของผู้ใช้ และภาระงานที่ประมวลผล พัดลมแบบความเร็วคงที่จะหมุนที่ความเร็ว 100% แม้เมื่อเซิร์ฟเวอร์อยู่ในสถานะไม่ทำงาน ซึ่งทำให้ห้องเย็นเกินความจำเป็นและสิ้นเปลืองพลังงานโดยใช่เหตุ พัดลมแบบ EC มาพร้อมอินพุตควบคุมความเร็วมาตรฐานแบบ 0–10 โวลต์ หรือแบบ PWM คุณสามารถเชื่อมโยงความเร็วของพัดลมโดยตรงกับเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ หรือสัญญาณโหลดของอุปกรณ์ไอทีได้ ฉันเคยทำงานร่วมกับผู้ให้บริการโฮสติ้งรายหนึ่งที่ติดตั้งเครื่องปรับอากาศสำหรับห้องคอมพิวเตอร์ที่ใช้พัดลมแบบ EC พวกเขาตั้งค่าอัลกอริธึมการควบคุมให้รักษาอุณหภูมิในแนวร้อน (hot aisle) ไว้ที่ 80°F อย่างแม่นยำ เมื่อกิจกรรมของเซิร์ฟเวอร์ลดลงในช่วงกลางคืน พัดลมแบบ EC จะลดความเร็วลงเหลือเพียง 35% ผลลัพธ์ที่ได้คือ ค่า PUE ของพวกเขาลดลงจาก 1.8 เป็น 1.45 ภายในระยะเวลา 6 เดือน ระบบทำความเย็นจึงเลิกทำงานขัดแย้งกับตนเอง และผู้อำนวยการฝ่ายสถานที่ให้บริการแจ้งกับฉันว่า แชลเลอร์ (chiller) ของพวกเขาทำงานน้อยลงด้วย เนื่องจากพัดลมแบบ EC ส่งมอบปริมาณการไหลของอากาศตามที่จำเป็นเท่านั้น

ประสิทธิภาพในการทำงานที่โหลดบางดีขึ้น สำหรับพื้นที่ที่เซิร์ฟเวอร์ใช้งานส่วนใหญ่

ผู้ให้บริการศูนย์ข้อมูลส่วนใหญ่ออกแบบระบบเพื่อรองรับภาระงานสูงสุด แต่เซิร์ฟเวอร์โดยทั่วไปกลับทำงานที่ความจุเพียง 40% ถึง 60% โดยเฉลี่ย ภายใต้สภาวะการใช้งานที่ต่ำกว่าความจุเต็ม (part load) พัดลมแบบ AC จะมีประสิทธิภาพลดลงอย่างมาก หากคุณใช้อุปกรณ์ควบคุมความถี่แปรผัน (variable frequency drive) กับมอเตอร์ AC อุปกรณ์ดังกล่าวจะสูญเสียพลังงานเป็นความร้อน 3% ถึง 8% ของกำลังไฟฟ้าที่ระบุไว้ และเมื่อทำงานที่ความเร็วต่ำ ประสิทธิภาพของมอเตอร์จะลดลงอย่างรุนแรง ในทางตรงกันข้าม มอเตอร์ EC ไม่มีปัญหานี้ เนื่องจากสามารถรักษาประสิทธิภาพได้สูงกว่า 80% ตลอดช่วงความเร็วตั้งแต่ 20% ถึง 100% กฎความสัมพันธ์ (affinity law) ระบุว่า กำลังไฟฟ้าที่ใช้กับพัดลมเปลี่ยนแปลงตามกำลังสามของความเร็ว ดังนั้น การลดความเร็วลง 20% จะทำให้ลดการใช้พลังงานได้ประมาณ 50% — แต่ก็ต่อเมื่อมอเตอร์ยังคงรักษาประสิทธิภาพไว้ได้ ซึ่งมอเตอร์ AC ทำไม่ได้ แต่มอเตอร์ EC ทำได้ รายงานเชิงวิชาการ (white paper) จากคณะกรรมการเทคนิค 9.9 ของ ASHRAE ด้านการระบายความร้อนในศูนย์ข้อมูล ยืนยันว่า ชุดพัดลมแบบ EC ให้ประสิทธิภาพการทำงานที่ดีที่สุดภายใต้สภาวะการใช้งานที่ต่ำกว่าความจุเต็ม (part load) สำหรับระบบปรับอากาศแบบปริมาตรอากาศแปรผัน (variable air volume systems) ดังนั้น สำหรับห้องเซิร์ฟเวอร์ที่ทำงานส่วนใหญ่ในช่วงภาระงานปานกลาง การเลือกใช้พัดลมแบบ EC จึงเป็นทางเลือกที่สมเหตุสมผลเพียงทางเดียว

การผสานรวมอย่างชาญฉลาดกับระบบแยกแนวทางเดินร้อน-เย็น (Hot Aisle Cold Aisle Containment)

แม้พัดลมที่ดีที่สุดก็จะสูญเสียมูลค่าลง หากการไหลของอากาศไม่ถูกชี้นำไปในทิศทางที่เหมาะสม ห้องเซิร์ฟเวอร์สมัยใหม่ใช้ระบบควบคุมแนวทางเดินอากาศร้อน (hot aisle) และแนวทางเดินอากาศเย็น (cold aisle) อย่างไรก็ตาม ความดันสถิตจะเปลี่ยนแปลงไปตามการสะสมของฝุ่นบนตัวกรอง รวมทั้งเมื่อมีการเพิ่มหรือลดจำนวนเซิร์ฟเวอร์ พัดลมแบบ EC มีระบบอัจฉริยะในตัว สามารถตรวจวัดความดันสถิตและปรับความเร็วโดยอัตโนมัติเพื่อรักษาค่าที่กำหนดไว้ (setpoint) ฉันได้เห็นการทำงานจริงของระบบนี้ที่ศูนย์ข้อมูลทางการเงินแห่งหนึ่งในชิคาโก ซึ่งมีหน่วยทำความเย็นแบบวางเรียงเป็นแถวจำนวนยี่สิบหน่วย โดยแต่ละหน่วยประกอบด้วยพัดลมแบบ EC สี่ตัวจัดเรียงเป็นกำแพงพัดลม (fan wall arrangement) ระบบจัดการอาคาร (BMS) ส่งสัญญาณความดันไปยังพัดลมแต่ละตัว เมื่อเกิดจุดร้อน (hot spot) ใกล้กับตู้เซิร์ฟเวอร์ที่มีความหนาแน่นสูง พัดลมแบบ EC ที่อยู่ใกล้ที่สุดจะเพิ่มความเร็วขึ้นโดยอัตโนมัติเป็นรายตัว แทนที่จะเพิ่มความเร็วให้พัดลมทั้งหมดพร้อมกัน ทำให้พลังงานที่ใช้ในการทำความเย็นลดลง 35% ต่อปี และค่า PUE ดีขึ้นจาก 1.65 เป็น 1.32 คู่มือแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดด้านการจัดการอากาศของ The Green Grid แนะนำการควบคุมแบบแบ่งโซน (zoned control) ที่ตอบสนองตามความต้องการจริง (demand-based control) ดังกล่าว พัดลมแบบ EC ทำให้แนวทางนี้สามารถนำไปปฏิบัติได้จริง เนื่องจากพัดลมแต่ละตัวมีตัวควบคุม (controller) ในตัว

ผลตอบแทนจากการลงทุนในระยะยาวและการรายงานด้านความยั่งยืน

ต้นทุนเบื้องต้นมักเป็นข้อคัดค้านที่พบบ่อยที่สุด แฟนแบบ EC มีราคาสูงกว่าแฟนแบบ AC ที่มีขนาดเท่ากัน แต่เมื่อพิจารณาต้นทุนรวมตลอดอายุการใช้งาน (Total Cost of Ownership) จะเห็นภาพที่แตกต่างออกไป แฟนแบบ EC มีความล้มเหลวทางกลน้อยลง เนื่องจากทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า และไม่มีตัวเก็บประจุเริ่มต้น (start capacitor) หรือสวิตช์แบบเหวี่ยงหนีศูนย์ (centrifugal switch) ซึ่งอาจเสียหายได้ ตลับลูกปืนแบบปิดผนึกของแฟนแบบ EC สามารถใช้งานได้นานถึง 50,000 ชั่วโมงหรือมากกว่านั้น ทีนี้มาดูการประหยัดพลังงานกัน: สำหรับห้องเซิร์ฟเวอร์ที่มีแร็กจำนวน 500 ตัว ซึ่งใช้ระบบระบายความร้อน 25 หน่วย โดยแต่ละหน่วยใช้กำลังไฟสำหรับแฟนเฉลี่ย 400 วัตต์ การเปลี่ยนจากแฟนแบบ AC เป็นแฟนแบบ EC จะช่วยประหยัดพลังงานได้ประมาณ 200,000 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อปี ซึ่งเมื่อคำนวณตามอัตราค่าไฟฟ้าเชิงพาณิชย์เฉลี่ยที่ 12 เซนต์ต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง จะประหยัดค่าใช้จ่ายได้ถึง 24,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อปี นอกจากนี้ยังช่วยลดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ได้ประมาณ 140 ตันเมตริกต่อปี ซึ่งสามารถระบุไว้โดยตรงในรายงานความยั่งยืนขององค์กร สำหรับผู้ปฏิบัติงานที่ต้องการประสิทธิภาพการทำงานที่รับประกันได้และความร่วมมือระยะยาวอย่างมั่นคง ผู้จัดจำหน่ายที่มีประสบการณ์ เช่น Fanova สามารถจัดหาโซลูชันแฟนแบบ EC ที่มีรายงานผลการทดสอบในอุโมงค์ลมที่ผ่านการรับรองแล้ว บริการจับคู่พารามิเตอร์อย่างแม่นยำ และการรับประกันแบบครอบคลุมเป็นเวลาสามปี ทั้งนี้ Fanova ผลิตมอเตอร์แบบ EC มาตั้งแต่ปี ค.ศ. 2003 และให้การสนับสนุนลูกค้าในกว่า 80 ประเทศทั่วโลก เมื่อการลดค่า PUE เป็นเป้าหมายทางธุรกิจที่แท้จริง ไม่ใช่เพียงแค่คำขวัญ Fanova จึงพร้อมมอบความเชี่ยวชาญด้านวิศวกรรมและความน่าเชื่อถือของห่วงโซ่อุปทาน เพื่อทำให้เป้าหมายนั้นเป็นจริง