יעילות אנרגטית במיזוג אוויר של מתקני תקשוב

תקן שהוא עתיר באמצעי מחשוב הינו מתקן שצורך אנרגיה חשמלית מרובה. ההספק הנצרך בקילו-וואטים בחוות שרתים או במעבדת פיתוח עתירת שרתים, גדול פי 100 ויותר למטר רבוע מצריכת האנרגיה של מתקן משרדי אופייני. בשוק הטכנולוגיה העילית קיימים ריכוזי מחשוב, לעיתים גדולים מאוד, לא רק בחוות שרתים אלא גם במעבדות פיתוח, ברצפות ייצור, במערכות תקשורת ובמערכות ביטחון. הריכוז הגבוה לעיתים נמצא באולם ייעודי ולעיתים במכולה, בארון חוץ אטום לסביבה, בארונות על רצפות ייצור, בחדרי ניתוח, בחדרים נקיים או במעבדות.

האתגרים הנובעים מקיום צרכני אנרגיה כה גדולים יחסית לשטח הרצפה נחלקים לשלושה תחומים עיקריים:

האתגר הראשון הוא הצורך לספק מיזוג אוויר אפקטיבי לציוד המחשוב.

האתגר השני הינו הצורך ברציפות תפקודית (או רציפות עסקית או רציפות מבצעית, תלוי ביישום).

האתגר השלישי הוא עלות האנרגיה החשמלית הנדרשת להפעלת השרתים והתשתית, בעיקר תשתית מיזוג האוויר. עלות האנרגיה החשמלית למיזוג אוויר יכולה להיות גבוהה מאוד והפוטנציאל לחיסכון הוא בדרך כלל משמעותי מאוד.

במקרים מסוימים קיים אתגר נוסף של אספקת האנרגיה החשמלית למתקן. אתגר כזה קיים כאשר המתקן הוא גדול מאוד יחסית לתשתית הקיימת או כאשר המתקן נדרש להיות ממוקם רחוק מאספקת הרשת (off-grid). אתגר זה יופיע במאמר ייעודי נפרד לנושא.

שימוש באנרגיה “מתחדשת” כגון אנרגיית השמש או אנרגית רוח, מטעין אנשים באנרגיות חיוביות (תרתי משמע) וגורם ללחלוחית בעיניהם של פוליטיקאים וארגוני סביבה למיניהם. תמיכה באנרגיה מתחדשת תמיד תהיה תקינה מבחינה פוליטית. אך קילו-וואט לקילו-וואט, מבחינה טכנו-כלכלית, התייעלות אנרגטית של שיטות קונבנציונליות יעלו כעשירית מאשר השקעה באנרגיה מתחדשת. במתקנים עתירי מחשוב נהוג למדוד את היעילות האנרגטית של המתקן באמצעות יחס הנקרא PUE, קיצור של Power Utilization Effectiveness. יחס זה מתקבל מחלוקת צריכת האנרגיה של כל המתקן (צריכה של ציוד תקשוב + מיזוג אוויר + תשתית אחרת) בצריכת האנרגיה של ציוד התקשוב בלבד. אם היחס הוא, לדוגמא, 2.5, הרי שעל כל קילוואט שצורך ציוד התקשוב, צורך המתקן עוד 1.5 קילו-וואט לתקורה של תשתיות כגון מיזוג אוויר.

בהנחה שהציוד עובד 24X7, כל קילו-וואט מיותר עולה כ-4,000 ₪ בשנה למשתמש בעלות הנהוגה בישראל. במתקן קטן בו ציוד המחשוב צורך כ-100 קילו-וואט, הרי שההפרש בין PUE שערכו 1.5 לבין 2.5 הוא כ 400,000 ₪ בשנה. במתקן של 1 מגה-וואט, כ-4,000,000₪ בשנה. ללא ספק סכומים שיש לתת עליהם את הדעת. מאחר וה”בזבזן” העיקרי של האנרגיה החשמלית הוא ציוד מיזוג האוויר, רצוי וחשוב לתת עליו את הדעת, כבר בשלב התכנון. כאשר שני הקריטריונים העיקריים הם זמינות (במקרים רבים 24X7 ,365 יום בשנה) ויעילות אנרגטית.

במתקנים יבילים כגון קרונות ומכולות המכילים ציוד תקשוב, אני נתקל לא פעם במתכננים שמעדיפים שימוש בציוד מיזוג אוויר מעין משרדי. מיזוג אוויר משרדי אינו מיועד לעבוד 24X7 והתפוקה הנדרשת כדי לקרר באופן אפקטיבי ציוד מחשוב (sensible cooling) מצריכה שימוש במזגן גדול יותר מהנדרש. הנוהגים המיטביים מכתיבים אם כך להשתמש בציוד מיזוג אוויר מדויק ייעודי לקירור ציוד ולא במערכות המיועדות לבית או למשרד.

לפיכך, לתכנון מיזוג האוויר במערכות תקשוב ו-IT יש משמעות כלכלית כבדה. מהם אם כך עקרונות התכנון המביאים ליעילות אנרגטית?

העקרונות המובילים הם:

 בחירת ציוד יעיל מבחינה אנרגטית.

 העלאת טמפרטורת העבודה קרוב לקצה הטווח המומלץ על ידי ארגון ASHRAE.

 הפרדת מעברי אוויר קר וחם.

 במערכות גדולות – שימוש בטמפרטורת הסביבה כדי לקרר את המים במערכת המיזוג במקום שימוש במדחסים.

Indirect Free Cooling.

בחירת ציוד מיזוג אוויר

הקריטריון המוביל פעמים רבות הוא מחיר ראשוני של המערכת. בדרך כלל, זו בחירה שנעשית מתוך חוסר הבנה של מכלול השיקולים הטכניים. אחד השיקולים העיקריים חייב להיות היעילות האנרגטית של המערכת. לשם כך יש מדד אובייקטיבי הקרוי Net Sensible Energy Efficiency Ratio או בקיצור NSEER. מדד זה הוא היחס שבין תפוקת הקירור המורגשת (Sensible cooling) לבין צריכת החשמל של היחידה. באמצעות מדד זה יכול מנהל הפרויקט להעריך את ההפרש בעלות צריכת החשמל לתקופת הייחוס הרלבנטית ולקבל החלטה כלכלית מושכלת המבוססת על עלות כוללת.

טמפרטורת העבודה

מסיבות היסטוריות, נוהגים מהנדסים ותיקים לקרר מתקני תקשוב יתר על המידה. קירור יתר זה עולה כסף רב בהוצאות חשמל. בניגוד לסברה המקובלת, קירור יתר אינו מוסיף לאורך חיי הציוד אלא להיפך. ארגון ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers) הוא האורים והתומים של תעשיית ה-IT בכל הנוגע למיזוג אוויר. בארגון זה חברים כל הארגונים המובילים את תעשיית המחשוב והתקשורת והמלצותיו נחשבות לתקן המקובל ברחבי העולם. בשל הצורך וחשיבות בהתייעלות אנרגטית, ממליץ היום הארגון שהטווח המומלץ של טמפרטורת האוויר הנכנס לשרתים יגיע עד 27 מעלות צלזיוס. הטווח המותר מגיע עד 32 מעלות.

הפרדת אוויר קר

בדרך כלל ציוד מחשוב יונק אוויר קר מלפנים ופולט אוויר חם אחורנית. מערכת מיזוג אוויר מתוכננת היטב יונקת אוויר חם מהאזור החם ופולטת אוויר קר אל קדמת השרתים. בנוסף, קיימת הפרדה פיזית שאינה מאפשרת לאוויר החם לחזור אל קדמת השרתים, תופעה הקרויה “קצר תרמי”. בחוות שרתים, קל ליישם הפרדה זו באמצעות הכלה של אוויר במעברים (Aisle Containment). בקרונות ובמכולות, יש להקפיד על כך הקפדת יתר למרות הקושי שבדבר.

קירור “חינמי”

גם דוברי עברית קוראים לכך Free Cooling. מדובר בשימוש בטמפרטורת הסביבה כדי לקרר את הנוזלים במערכת מיזוג האוויר במקום להשתמש במדחסים המונעים באנרגיה חשמלית. במתקנים של מאות קילו-וואטים, החיסכון מגיע למאות אלפי שקלים בשנה, גם באקלים הישראלי. באקלים באר שבע לדוגמא, ניתן להשתמש בטמפרטורת האוויר החיצוני 16% מהזמן במקום באנרגיה חשמלית. למען הסר ספק, לא מדובר בהכנסת אוויר מבחוץ אל המתקן אלא שימוש באוויר הסביבה במחליף חום חיצוני.

לסיכום, תכנון מתקדם ונבון של מערכות מיזוג אוויר חוסך באנרגיה חשמלית מרובה ובשל כך תורם להורדת עלויות התפעול והעלות הכוללת. באופן נדיר למדי, האינטרסים של המהנדס המתכנן, של איש הכספים ושל הארגונים הירוקים זהים.

הכותב הינו מנכ”ל חברת אלכסנדר שניידר, המתמחה באספקת פתרונות מיזוג אוויר למערכות מחשוב ותקשורת ואשר מייצגת את חברת אמרסון בישראל.