ระบบปรับอากาศและไอน้ำของดาต้าเซ็นเตอร์｜อธิบายข้อดีของการใช้วาล์วที่หนุนการประหยัดพลังงาน

ในระบบปรับอากาศของศูนย์ข้อมูล (Data Center) การควบคุมไม่ได้มีเพียงอุณหภูมิเท่านั้น แต่การควบคุมความชื้นก็เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้เพื่อให้เซิร์ฟเวอร์ทำงานได้อย่างเสถียร ในการปรับความชื้นและในบางส่วนของแหล่งความร้อนนั้น มีหลายกรณีที่มีการใช้ไอน้ำ และเพื่อจ่ายไอน้ำให้พอดีไม่ขาดไม่เกิน วาล์วจึงมีบทบาทสำคัญ โดยวาล์วลดความดันจะช่วยรักษาความดันให้เสถียร คอนโทรลวาล์วจะปรับอัตราการไหลให้สอดคล้องกับภาระ (load) และสตีมแทร็ปจะระบายคอนเดนเสท (น้ำที่กลั่นตัว) ออกได้อย่างรวดเร็ว จึงช่วยรักษาประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนไปพร้อมกับควบคุมปริมาณการใช้ไอน้ำให้ลดลงได้ง่ายขึ้น ผลลัพธ์คือการนำไปสู่การประหยัดพลังงานของระบบปรับอากาศและการเดินระบบที่มีเสถียรภาพ ซึ่งเป็นข้อดีหลักของการนำวาล์วมาใช้ในศูนย์ข้อมูล

ประเด็นสำคัญของบทความนี้

• ในระบบปรับอากาศของศูนย์ข้อมูล อาจมีการใช้ไอน้ำในการควบคุมอุณหภูมิและความชื้นหรือใช้เป็นแหล่งความร้อน การจ่ายไอน้ำอย่างเสถียรจึงเป็นกุญแจสำคัญของการประหยัดพลังงาน
• วาล์วลดความดัน คอนโทรลวาล์ว และสตีมแทร็ป เป็นต้น จะช่วยปรับความดัน อัตราการไหล และการระบายคอนเดนเสทให้เหมาะสมที่สุด อันมีส่วนช่วยรักษาประสิทธิภาพทางความร้อน
• ในสถานการณ์ที่ตัดสินใจได้ยาก เช่น “ไม่แน่ใจว่าขนาดท่อหรือความดันที่ตั้งไว้เหมาะสมหรือไม่” การจัดระเบียบเงื่อนไขให้ชัดเจนแล้วปรึกษาผู้ผลิตเพื่อคัดเลือกวาล์วเป็นวิธีที่มั่นใจได้

เหตุผลที่มีการใช้ไอน้ำในระบบปรับอากาศของศูนย์ข้อมูล

ระบบปรับอากาศของศูนย์ข้อมูลไม่ได้มีจุดประสงค์เพียงเพื่อลดอุณหภูมิห้องเท่านั้น แต่เพื่อรักษาสภาพแวดล้อมที่เหมาะสมกับอุปกรณ์เซิร์ฟเวอร์ให้คงที่อย่างเสถียร และในส่วนหนึ่งของสิ่งนี้ ก็มีบางกรณีที่นำไอน้ำมาใช้

การควบคุมอุณหภูมิและความชื้นเพื่อปกป้องสภาพแวดล้อมของเซิร์ฟเวอร์ และการเพิ่มความชื้นด้วยไอน้ำ

ในศูนย์ข้อมูล นอกจากอุณหภูมิแล้ว การควบคุมความชื้นก็สำคัญเช่นกัน หากความชื้นต่ำเกินไป ความเสี่ยงของความเสียหายจากไฟฟ้าสถิตจะเพิ่มขึ้น แต่หากสูงเกินไปก็อาจเป็นสาเหตุหนึ่งของการเกิดหยดน้ำเกาะ (condensation) และการกัดกร่อน โดยทั่วไปจึงแนะนำให้เดินระบบโดยรักษาให้อยู่ในช่วงที่กำหนด

เมื่อนำการเพิ่มความชื้นด้วยไอน้ำมาใช้ในการปรับความชื้นนี้ ในด้านหนึ่งจะทำให้การเพิ่มความชื้นที่สะอาดและตอบสนองรวดเร็วทำได้ง่าย แต่อีกด้านหนึ่งก็จำเป็นต้องมีกลไกที่จ่ายไอน้ำด้วยความดันที่เหมาะสมอย่างเสถียร เนื่องจากหากความดันของไอน้ำที่ส่งไปยังเครื่องเพิ่มความชื้นแปรปรวน ปริมาณความชื้นจะเสถียรได้ยาก การทำให้ความดันเสถียรด้วยวาล์วลดความดันจึงเข้ามามีบทบาท

กรณีที่ใช้ไอน้ำเป็นแหล่งความร้อนหรือใช้ประโยชน์จากความร้อนทิ้ง

บางสถานที่อาจนำเครื่องทำความเย็นแบบดูดซับ (absorption chiller) ที่ขับเคลื่อนด้วยไอน้ำมาผนวกเข้าเป็นแหล่งความร้อนของระบบปรับอากาศ หรืออาจใช้ประโยชน์จากไอน้ำและความร้อนทิ้งของอุปกรณ์อื่น การจัดวางในลักษณะนี้บางครั้งก็นำไปสู่การเกลี่ยจุดสูงสุดของการใช้ไฟฟ้า (peak) ให้ราบเรียบขึ้น แต่ความเหมาะสมในการนำมาใช้และผลลัพธ์นั้นแตกต่างกันไปตามการออกแบบอุปกรณ์และเงื่อนไขการเดินระบบ ไม่ว่ากรณีใดก็ตาม ความสามารถในการจ่ายไอน้ำได้อย่างเสถียรและพอดีไม่ขาดไม่เกินคือปัจจัยที่กำหนดความสามารถในการประหยัดพลังงาน

บทบาทของวาล์วที่ช่วยสนับสนุนการประหยัดพลังงาน

ในระบบปรับอากาศที่ใช้ไอน้ำ วาล์วหลายตัวจะแบ่งบทบาทหน้าที่กันคนละส่วน ซึ่งผลลัพธ์คือช่วยสนับสนุนการประหยัดพลังงานและการเดินระบบที่เสถียร ในที่นี้จะจัดระเบียบบทบาทหลักโดยแบ่งเป็น “การทำให้ความดันและอัตราการไหลเสถียร” และ “การรักษาประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อน”

ทำให้ความดันและอัตราการไหลเสถียร (วาล์วลดความดัน / คอนโทรลวาล์ว)

วาล์วลดความดันจะลดความดันไอน้ำที่สูงจากฝั่งแหล่งความร้อนให้เหลือเป็นความดันที่เหมาะกับอุปกรณ์ เช่น เครื่องเพิ่มความชื้นหรือเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และรักษาความดันฝั่งทุติยภูมิให้เสถียรแม้ภาระจะแปรปรวน เมื่อความดันเสถียร ปริมาณความชื้นและความสามารถในการแลกเปลี่ยนความร้อนก็จะเสถียร ทำให้ควบคุมความสูญเปล่าจากการจ่ายเกินได้ง่ายขึ้น

คอนโทรลวาล์ว (เช่น วาล์วไฟฟ้า) จะปรับอัตราการไหลของไอน้ำให้สอดคล้องกับความแปรปรวนของภาระในระบบปรับอากาศ เนื่องจากภาระของศูนย์ข้อมูลเปลี่ยนแปลงไปตามอัตราการทำงานและฤดูกาล การหรี่อัตราการไหลให้ตามภาระจึงมีประสิทธิภาพในการควบคุมการใช้ไอน้ำส่วนเกิน

รักษาประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อน (สตีมแทร็ป / วาล์วไล่อากาศ / วาล์วนิรภัย)

สตีมแทร็ปทำหน้าที่ระบายคอนเดนเสทที่สะสมอยู่ในท่อและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนออกอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ไม่ปล่อยไอน้ำเองออกไป หากคอนเดนเสทค้างอยู่ ประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนจะลดลง และยังอาจเป็นสาเหตุหนึ่งของค้อนน้ำ (water hammer) ได้ด้วย นอกจากนี้ หากแทร็ปชำรุดและปล่อยให้ไอน้ำรั่วอย่างต่อเนื่อง ก็จะนำไปสู่การสูญเสียพลังงานโดยตรง ดังนั้นการตรวจสอบการทำงานเป็นประจำจึงเป็นเกณฑ์อ้างอิงในการรักษาการประหยัดพลังงาน

วาล์วไล่อากาศจะระบายอากาศที่เข้าไปในท่อ เช่น ตอนเริ่มเดินระบบ ออกไป เนื่องจากอากาศขัดขวางการถ่ายเทความร้อน การกำจัดออกจึงช่วยยับยั้งการลดลงของประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อน ส่วนวาล์วนิรภัยมีบทบาทปกป้องอุปกรณ์จากความดันเกิน แม้จะไม่ได้เป็นการประหยัดพลังงานโดยตรง แต่ก็เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในฐานะเงื่อนไขเบื้องต้นที่รักษาระบบให้ปลอดภัยและเสถียร

คำถามที่พบบ่อย

Q1. ระบบปรับอากาศของศูนย์ข้อมูลจำเป็นต้องใช้ไอน้ำหรือไม่

A1. ไม่จำเป็น ขึ้นอยู่กับวิธีการเพิ่มความชื้นและการออกแบบแหล่งความร้อน กรณีที่นำการเพิ่มความชื้นด้วยไอน้ำหรือแหล่งความร้อนที่ขับเคลื่อนด้วยไอน้ำมาใช้ กลุ่มวาล์ว เช่น วาล์วลดความดันและสตีมแทร็ป จึงจะเข้ามาเกี่ยวข้อง

Q2. การเพิ่มความชื้นด้วยไอน้ำ กับแบบระเหย (evaporative) และแบบพ่นละอองน้ำ ต่างกันอย่างไร

A2. โดยทั่วไป การเพิ่มความชื้นด้วยไอน้ำจะตอบสนองเร็วและเพิ่มความชื้นได้สะอาด แต่ต้องมีแหล่งความร้อน ส่วนแบบระเหยและแบบพ่นละอองน้ำอาจได้เปรียบในด้านการประหยัดพลังงานในบางกรณี การคัดเลือกจึงพิจารณาจากเงื่อนไขด้านสภาพแวดล้อมและต้นทุน

Q3. วาล์วตัวใดที่ช่วยประหยัดพลังงานได้มากที่สุด

A3. ไม่สามารถสรุปเป็นตัวเดียวได้ หากเป็นการรักษาความดันให้เสถียรคือวาล์วลดความดัน หากเป็นการตามภาระคือคอนโทรลวาล์ว หากเป็นการรักษาประสิทธิภาพทางความร้อนคือสตีมแทร็ป แต่ละตัวมีบทบาทต่างกัน และเกิดผลได้จากการใช้ร่วมกัน

Q4. หากสตีมแทร็ปชำรุดจะเกิดอะไรขึ้น

A4. อาจเกิดการสูญเสียพลังงานจากการรั่วของไอน้ำ หรือมีความเสี่ยงที่คอนเดนเสทค้างจะทำให้ประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อนลดลงและเป็นสาเหตุหนึ่งของค้อนน้ำ เราขอแนะนำให้ตรวจสอบการทำงานเป็นประจำ

Q5. จะกำหนดความดันที่ตั้งของวาล์วลดความดันอย่างไร

A5. กำหนดจากความดันและอัตราการไหลที่อุปกรณ์ที่ใช้งานต้องการ รวมถึงเงื่อนไขของท่อ แม้จะมีเกณฑ์อ้างอิง แต่สุดท้ายแล้วการคัดเลือกที่สอดคล้องกับสเปกของอุปกรณ์คือเงื่อนไขเบื้องต้น

Q6. เมื่อเปลี่ยนวาล์วที่ติดตั้งอยู่เดิม สามารถเลือกสินค้าที่เทียบเท่าได้หรือไม่

A6. หากทราบเงื่อนไข เช่น ขนาดท่อ วิธีการเชื่อมต่อ ความดัน/อุณหภูมิ ในหลายกรณีก็สามารถคัดเลือกสินค้าที่เทียบเท่าได้ เมื่อไม่ทราบสเปก การจัดระเบียบเงื่อนไขแล้วปรึกษาผู้ผลิตจะทำให้มั่นใจได้

Q7. หากการต่อขยายทำให้ปริมาณการใช้ไอน้ำเพิ่มขึ้น ควรทบทวนที่จุดใด

A7. จุดที่ควรอ้างอิงคือ ความจุของวาล์วลดความดัน ความสามารถในการระบายของสตีมแทร็ป และขนาดท่อ เป็นต้น เราขอแนะนำให้ตรวจสอบความสมดุลของทั้งระบบ ไม่ใช่เพียงจุดใดจุดหนึ่งเท่านั้น

สรุปและการปรึกษา

เมื่อใช้ไอน้ำในระบบปรับอากาศของศูนย์ข้อมูล การทำให้ความดันเสถียรด้วยวาล์วลดความดัน การตามภาระด้วยคอนโทรลวาล์ว และการระบายคอนเดนเสทด้วยสตีมแทร็ป จะผสมผสานกัน นำไปสู่การประหยัดพลังงานที่ควบคุมปริมาณการใช้ไอน้ำไปพร้อมกับรักษาประสิทธิภาพการแลกเปลี่ยนความร้อน ก้าวแรกคือการจัดระเบียบให้ชัดว่าในระบบปรับอากาศของบริษัทท่านเอง ไอน้ำถูกนำไปใช้กับอุปกรณ์ใดและใช้อย่างไร

หากท่านมีข้อกังวล เช่น “ไม่สามารถตัดสินได้ว่าขนาดท่อหรือความดันที่ตั้งของวาล์วลดความดันที่ส่งไอน้ำไปยังเครื่องเพิ่มความชื้นเหมาะสมหรือไม่” “ทราบอัตราการไหลสูงสุด แต่ไม่ทราบอัตราการไหลต่ำสุด จึงเลือกวาล์วปรับอัตราการไหลไม่ได้” หรือ “ต้องการคัดเลือกสินค้าที่เทียบเท่ากับวาล์วที่ติดตั้งอยู่เดิม” ท่านสามารถจัดระเบียบเงื่อนไขแล้วปรึกษาทางเทคนิคและปรึกษาการคัดเลือกกับ Yoshitake ได้ เราสามารถนำเสนอการคัดเลือกวาล์วที่สอดคล้องกับเงื่อนไขการใช้งานของท่านได้