วิธีการจัดการการไหลของอากาศภายในระบบใต้พื้นยกของอาคาร

หลักการทำงานของช่องว่างใต้พื้น (underfloor plenum) ในฐานะห้องบรรจุอากาศภายใต้แรงดัน

ระบบจัดการอากาศในช่องว่างใต้พื้น (Underfloor plenums) ใช้พื้นที่ใต้แผ่นพื้นยกสูงเป็นห้องความดันเพื่อให้อากาศไหลผ่าน เมื่ออากาศถูกปรับสภาพในหน่วยควบคุมสภาพแวดล้อมแบบคอมพิวเตอร์ (CRAC units) แล้ว จะไหลเวียนผ่านบริเวณดังกล่าวในลักษณะที่สร้างสมดุลของความดันกับอากาศภายในห้องความดัน ด้วยการจัดวางช่องว่างใต้พื้นอย่างเหมาะสม ระบบจึงสามารถป้องกันไม่ให้เกิดจุดร้อน (hot spots) ด้านอุณหภูมิภายในห้องได้ โดยนำอากาศที่ผ่านการปรับสภาพไปยังตำแหน่งที่ต้องการผ่านแผ่นพื้นเจาะรู (perforated tiles) ที่ติดตั้งไว้อย่างมีกลยุทธ์ ระบบถูกออกแบบให้ทำงานภายใต้ช่วงความดันที่เหมาะสม และไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญต่ออัตราการไหลของอากาศ จึงสามารถให้ประสิทธิภาพในการทำความเย็นสูงสุด และสร้างสภาพแวดล้อมที่มั่นคงสำหรับการจัดการระบบไอที

หลักฟิสิกส์และประสิทธิภาพ: การจ่ายอากาศตามความต่างของความดันไปยังช่องรับอากาศของเซิร์ฟเวอร์

การระบายความร้อนแบบมุ่งเป้าทำงานตามหลักการของการเปลี่ยนแปลงความดันภายในช่องอากาศ (plenum) และที่ทางเข้าอากาศของเซิร์ฟเวอร์ ซึ่งอาศัยหลักการทางฟิสิกส์ที่แทบไม่มีผู้รู้จัก คือ หลักของแบร์นูลลี (Bernoulli's principle) เมื่อมีการสร้างความดันในช่องอากาศ (plenum) แล้ว อากาศจะไหลไปยังบริเวณที่มีความดันต่ำกว่า นั่นคือ ทางเข้าอากาศของเซิร์ฟเวอร์ ในกรณีของเรา ความเร็วของการไหลของอากาศเพิ่มขึ้นถึงร้อยละ 25 เมื่อเปรียบเทียบกับระบบระบายความร้อนแบบติดตั้งเหนือศีรษะ (overhead systems) แบบเดิม ความท้าทายอยู่ที่การจัดวางแผ่นพื้นแบบเปิด (tiles) บนพื้นศูนย์ข้อมูลให้สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของความดันอย่างเหมาะสม ศูนย์ข้อมูลที่มีความต่างของความดันในช่องอากาศ (plenum) เท่ากับ 0.05 นิ้วของคอลัมน์น้ำ โดยเฉลี่ย จะพบว่าอุณหภูมิที่ทางเข้าอากาศของเซิร์ฟเวอร์ลดลง 4 องศาเซลเซียส ซึ่งผลการวิจัยนี้ได้รับการยืนยันโดยสถาบัน Uptime Institute ในปี ค.ศ. 2022

พื้นแบบเปิด (Access Floors) ของเราที่มาพร้อมประสิทธิภาพในการระบายความร้อนด้วยการไหลของอากาศนั้นมีค่าที่วัดและประเมินผลได้ เราสามารถยกตัวอย่างผลการวัดความต่างของอุณหภูมิที่ 4.3°C ซึ่งสอดคล้องกับการจัดวางแผ่นพื้นแบบเจาะรู (perforated tile) อย่างมีกลยุทธ์

การควบคุมอุณหภูมิของอากาศที่เซิร์ฟเวอร์ดูดเข้าไปได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นด้วยการจัดวางแผ่นเจาะรูอย่างเหมาะสม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการจัดเรียงแผ่นเจาะรูสอดคล้องกับจุดร้อน (hot spots) บนชั้นวางเซิร์ฟเวอร์ อากาศเย็นสามารถไหลไปยังช่องรับอากาศของเซิร์ฟเวอร์ได้อย่างไม่มีสิ่งกีดขวาง และไม่ถูกสูญเปล่าจากการไหลเวียนซ้ำของอากาศร้อนที่ปล่อยออกมา เราประสบความสำเร็จในการบรรลุผลลัพธ์ที่สำคัญด้วยวิธีนี้ โดยวัดพบว่าความต่างของอุณหภูมิระหว่างอากาศที่ไหลเข้าและไหลออกจากระบบเซิร์ฟเวอร์ลดลง 4.3°C การปรับปรุงความต่างของอุณหภูมินี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรักษาประสิทธิภาพของระบบทำความเย็น เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างไอทีของบริษัทยังคงดำเนินต่อไป

การเพิ่มประสิทธิภาพโดยอาศัย CFD: การจำลองการไหลของอากาศแบบเรียลไทม์เพื่อลดค่า PUE

การใช้แบบจำลองพลศาสตร์ของไหลด้วยคอมพิวเตอร์ (CFD) ช่วยระบุตำแหน่งที่ความร้อนสะสมขึ้นอย่างไม่มีประสิทธิภาพได้อย่างแม่นยำ และแสดงให้เห็นถึงวิธีปรับปรุงสิ่งต่าง ๆ เช่น จำนวนรูเจาะบนแผ่นปูพื้น ตำแหน่งการวางแผ่นปูพื้น และการจัดแนวหน่วยระบายความร้อน งานวิจัยที่ดำเนินการโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอเรนซ์ เบิร์กลีย์ (Lawrence Berkeley National Lab) ในปี ค.ศ. 2024 ระบุว่า ค่า PUE ลดลงประมาณ 0.15 เมื่อใช้วิธีนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับการพึ่งพาแนวทางที่อาศัยการคาดเดา แม้การเปลี่ยนแปลงนี้อาจดูไม่มากนัก แต่ต้นทุนการระบายความร้อนที่เกี่ยวข้องจะลดลงประมาณ 18% ถึง 30% คุณค่าที่แท้จริงเกิดจากระบบที่ตรวจสอบและควบคุมปริมาตรการไหลของอากาศอย่างต่อเนื่องและเชิงรุก เพื่อให้สอดคล้องกับความต้องการของเซิร์ฟเวอร์ ซึ่งจะช่วยกำจัดจุดร้อน (hot spots) ที่ทำลายอุปกรณ์ และป้องกันไม่ให้อากาศร้อนไหลผ่านบริเวณที่เพิ่งระบายความร้อนใหม่ตามเป้าหมาย

การกำจัดจุดร้อนผ่านความสม่ำเสมอของการกระจายอากาศ

ระบบระบายความร้อนด้วยพื้นยกสูงสามารถขจัดจุดร้อน (thermal hotspots) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่ต้องใช้การระบายความร้อนมากเกินไป แต่อาศัยการกระจายอากาศอย่างสม่ำเสมอและตรงเป้าหมาย เมื่อออกแบบและติดตั้งอย่างถูกต้อง ระบบนี้จะป้องกันไม่ให้อากาศเย็นไหลลัดวงจร (short-circuiting) และไม่ให้อากาศร้อนไหลเวียนกลับ (recirculating) ซึ่งในที่สุดจะแก้ไขปัญหาจุดร้อนที่เกินขีดจำกัดอุณหภูมิของ ASHRAE ได้มากถึง 13.66

การเอาชนะปรากฏการณ์ชั้นอากาศร้อน-เย็น (thermal stratification) ด้วยการไหลของอากาศใต้พื้นอย่างสม่ำเสมอ

ปรากฏการณ์ชั้นอากาศร้อน-เย็น (thermal stratification) เกิดจากอากาศร้อนที่ปล่อยออกมาลอยตัวขึ้น ส่งผลให้เกิดการผสมผสานของอากาศที่จ่ายเข้ามาคุณภาพต่ำ การเคลื่อนที่ของอากาศใต้พื้นด้วยความเร็วประมาณ 2.5 เมตรต่อวินาที หรือเร็วกว่านั้น จะช่วยทำลายชั้นอากาศร้อน-เย็นเหล่านี้ ทั้งนี้จำเป็นต้องใช้มาตรการเสริมหลายประการเพื่อทำลายชั้นอากาศดังกล่าว หนึ่งในมาตรการคือการปิดผนึกช่องเดินสายเคเบิล (cable passthroughs) นอกจากนี้ การเติมช่องว่างที่ว่างเปล่าภายในตู้เซิร์ฟเวอร์ด้วยแผ่นปิด (blanking panels) ก็เป็นมาตรการสำคัญเช่นกัน มาตรการเหล่านี้จะรับประกันว่าอากาศเย็นจะถูกจ่ายผ่านแผ่นพื้นเจาะรู (perforated tiles) ตามที่ออกแบบไว้เท่านั้น

การจัดการการไหลของอากาศแบบรวมศูนย์: การปรับให้สอดคล้องกันระหว่างปริมาณอากาศที่ปล่อยออกมาจากหน่วย CRAC กับการจัดเรียงแผ่นพื้น (Tile)

การไหลของอากาศแบบเบี่ยงเบน (Bypass airflow) อาจลดความสามารถในการทำความเย็นของศูนย์ข้อมูลลงได้ถึง 25–40% เนื่องจากหน่วย CRAC จะลดปริมาณการไหลของอากาศต่ออากาศที่ผ่านการควบคุมอุณหภูมิแล้วแต่ยังไม่ไปถึงเซิร์ฟเวอร์ ผลจากการจำลองการไหลของของไหลด้วยคอมพิวเตอร์ (Computational fluid dynamics) แสดงให้เห็นว่าปัญหานี้สามารถแก้ไขได้ด้วยการจัดวางความพรุนของแผ่นพื้น (tile porosity) ให้สอดคล้องกับโซนอุณหภูมิของชั้นวางอุปกรณ์ (rack) โดยแผ่นพื้นที่มีความพรุนเกิน 56% มีแนวโน้มที่จะสูญเสียอากาศไปยังชั้นวางอุปกรณ์ที่มีความหนาแน่นสูงที่สุด นอกจากนี้ ทิศทางการไหลของอากาศจากหน่วย CRAC ควรจัดให้สอดคล้องกับตำแหน่งการวางแผ่นพื้นทั่วทั้งห้อง เพื่อเพิ่มความต่างของแรงดันในระบบให้สูงสุด ซึ่งเป็นปัจจัยหลักที่กำหนดประสิทธิภาพของระบบทำความเย็น

กลยุทธ์ที่สอดคล้องกันสำหรับการจัดการการไหลของอากาศในสภาพแวดล้อมที่ใช้พื้นยก (Raised Floor)

พื้นยก (Access floors) ให้โครงสร้างพื้นฐานสำหรับระบบทำความเย็นส่วนใหญ่ แต่จะทำงานร่วมกันได้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้นเมื่อใช้ร่วมกับกลยุทธ์การจัดการการไหลของอากาศที่ดี การจัดวางแบบทางเดินร้อน/ทางเดินเย็น (Hot aisle/cold aisle configurations) ไม่อนุญาตให้อากาศร้อนที่ไหลกลับผสมกับอากาศที่ป้อนเข้ามา ซึ่งช่วยให้อุณหภูมิทั่วทั้งทางเดินมีความสม่ำเสมอมากขึ้น การใช้แผ่นปิดช่องว่าง (blanking panels) อย่างเหมาะสม ร่วมกับระบบจัดการสายเคเบิลที่มีการปิดผนึกอย่างแน่นหนา จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการควบคุมแรงดันภายในช่องว่างใต้พื้น (plenum) และลดการสูญเสียพลังงานลงประมาณ 30% การใช้แผ่นพื้นยกอย่างสร้างสรรค์ โดยอิงจากเงื่อนไขปัจจุบันที่วัดได้จากแผนที่อุณหภูมิและการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ จะช่วยให้ระบบตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงได้ดีขึ้น
การรวมเทคนิคเหล่านี้เข้าด้วยกันจะช่วยลดค่าดัชนีประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (Power Usage Effectiveness: PUE) ลงประมาณ 0.15–0.3 คะแนน ซึ่งเป็นการปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของระบบทำความเย็นและสภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้จริง

ส่วน FAQ

พื้นยก (raised access floor) คืออะไร?
พื้นแบบยกสูงคือโครงสร้างพื้นที่ถูกยกขึ้นซึ่งใช้พื้นที่ด้านล่างสำหรับการเดินสายเคเบิล ระบบปรับอากาศ (HVAC) และโครงสร้างพื้นฐานอื่นๆ

ช่องลมใต้พื้นช่วยในการระบายความร้อนได้อย่างไร?
ช่องลมใต้พื้นคือห้องเก็บอากาศที่มีแรงดันซึ่งช่วยกระจายอากาศที่ผ่านการปรับสภาพอย่างสม่ำเสมอ เพื่อลดจุดร้อนและปรับให้สอดคล้องกับความต้องการในการระบายความร้อน
ข้อดีของการใช้แผ่นพื้นเจาะรูในพื้นแบบยกสูงคืออะไร?
แผ่นพื้นเจาะรูช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการระบายความร้อนโดยทำให้อากาศเย็นไหลเวียนได้ดีขึ้นไปยังช่องรับอากาศของเซิร์ฟเวอร์ จึงควบคุมอุณหภูมิรอบๆ เซิร์ฟเวอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

สามารถทำอะไรเพื่อหลีกเลี่ยงการแยกชั้นของอุณหภูมิในอากาศ (thermal stratification)?

การหมุนเวียนอากาศอย่างสม่ำเสมอภายใต้ระบบพื้น รวมทั้งการปิดรอยเปิดหรือช่องว่างที่ไม่ได้รับการปิดผนึก จะช่วยส่งเสริมการกระจายอากาศเย็นอย่างมีการควบคุมและสม่ำเสมอ

การไหลเวียนของอากาศแบบเบี่ยงเบน (bypass airflow) หมายถึงอะไร และจะป้องกันได้อย่างไร?

การไหลเวียนของอากาศแบบข้าม (Bypass airflow) คือ การที่อากาศที่ผ่านการปรับสภาพแล้วถูกส่งกลับไปยังหน่วยควบคุมสภาพแวดล้อมในห้องคอมพิวเตอร์ (CRAC units) ก่อนที่จะกระจายอย่างทั่วถึง และเพื่อหลีกเลี่ยงปรากฏการณ์นี้ จึงแนะนำให้ตั้งค่าทิศทางการปล่อยอากาศจาก CRAC ให้สอดคล้องกับการออกแบบโครงข่ายของแผ่นพื้นระบายอากาศ (grid design of the tiles)