Ulepszona architektura centrów danych o wysokiej sprawności i gęstości

Ulepszona architektura centrów danych o wysokiej sprawności i gęstości White Paper 126 Wersja 1 by Neil Rasmussen > Streszczenie Infrastruktura zasilania i chłodzenia centrów danych na całym świecie generuje straty energii elektrycznej rzędu 60 000 000 megawatogodzin rocznie. Jest porcja energii, która nie wykonuje użytecznej pracy związanej z zasilaniem sprzętu. Stanowi to olbrzymie obciążenie finansowe dla branży oraz poważny problem z zakresu publicznej polityki ochrony środowiska. W tym dokumencie opisano podstawy nowej, dostępnej na rynku architektury, której wdrożenie zapewnia zwiększenie sprawności energetycznej centrów danych. Treści kliknij sekcję, aby ją wyświetlić Wstęp 2 Na co zużywana jest cała energia? Zoptymal-izowana architektura cen-trum danych Porównanie z podejściami tradycyjnymi Porównanie z innymi proponowanymi spo-sobami 3 5 8 19 Praktyczne ograniczenia wydajności 21 Wnioski 22 Zasoby 23

Wstęp Rysunek 1 Zużycie energii w centrum danych W typowym centrum danych do urządzeń komputerowych dociera mniej niż połowa pobieranej energii elektrycznej. Ponad połowę zużywają systemy zasilania, chłodzenia i oświetlenia. Na całkowite zużycie energii elektrycznej składają się dwa czynniki: (1) energia zużywana przez urządzenia komputerowe i (2) energia zużywana przez wyposażenie pomocnicze (rysunek 1). W niniejszym dokumencie główny nacisk położono na kwestię energii zużywanej przez wyposażenie pomocnicze, na którą składają się straty na wyposażeniu w torze zasilania oraz cała energia zużywana przez wyposażenie pomocnicze spoza toru zasilania. UŻYTECZNA Energia Moc zużywana przez sprzęt IT Zasilanie urządzenia POMOCNICZE Moc pobierana przez sprzęt pomocniczy Straty toru zasilania (= ciepło) Moc zużywana przez inne systemy pomocnicze Cel ograniczenie > W jaki sposób wysoka gęstość i zróżnicowane obciążenie zmniejsza sprawność centrum danych? Wysoka gęstość i dynamiczne obciążanie umożliwia zwiększenie sprawności, jeśli zostaną zastosowane inteligentne systemy zasilania i chłodzenia rzędowego. Bez odpowiedniego przeprojektowania systemów zasilania i chłodzenia wyniki są zwykle następujące: Strata sprawności chłodzenia z powodu zwiększenia mocy chłodzenia miejsc o podwyższonej temperaturze. Zmniejszone obciążenia i nadmierna wielkość mocy i chłodzenia powoduje to obniżenie sprawności, ponieważ mniejsze obciążenie oznacza obniżenie sprawności systemów zasilania i chłodzenia. Straty sprawności spowodowane nadmiernym lub niewłaściwie ukierunkowanym zasilaniem i chłodzeniem omówiono w dalszej części dokumentu. Dostawcy sprzętu komputerowego oferują nowe rozwiązania, takie jak wirtualizacja, która pozwalają zmniejszyć całkowitą ilość sprzętu wymaganego do wykonania określonej funkcji. Przekłada się to na zmniejszenie poboru mocy przez urządzenia IT. Niestety, równoczesna tendencja do zwiększania gęstości systemów komputerowych ze zróżnicowanymi okresami poboru mocy powoduje obniżenie sprawności elektrycznej systemów zasilania i chłodzenia w centrach danych (patrz ramka). W szeregu publikacji opisano już różne propozycje ograniczenia strat energii elektrycznej w centrach danych przez zwiększanie wydajności systemów zasilania i chłodzenia. Niektóre z tych rozwiązań, na przykład bezpośrednie połączenie instalacji wodnej z urządzeniami komputerowymi i układem dystrybucji zasilania prądem stałym, zapewniają coraz większą wydajność systemów, ale obecnie są niepraktyczne. W tym dokumencie przedstawiono udoskonaloną architekturę centrum danych dostępną i praktyczną w obecnej sytuacji. Dzięki niej można zmniejszyć o 50% pobór mocy w systemach zasilania i chłodzenia w stosunku do typowej instalacji. Opisana w tym dokumencie nowa architektura to nie tylko nowa konfiguracja fizyczna sprzętu czy większa sprawność poszczególnych urządzeń to całkowicie nowa konstrukcja systemu, stanowiąca połączenie najważniejszych elementów projektu centrum danych, takich jak: konstrukcja poszczególnych urządzeń dystrybucja zasilania Wszystkie te elementy można traktować jako stratę, jeśli zasilanie urządzeń komputerowych zostanie potraktowane jako użyteczna praca centrum danych. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 2

komunikacja pomiędzy elementami oraz koordynacja ich działania strategia chłodzenia planowanie systemów narzędzia do zarządzania Po połączeniu powyższych elementów w zintegrowany system zwiększenie sprawności może być olbrzymie. Na co zużywana jest cała energia? Energia elektryczna dostarczana do centrum danych jest następnie prawie w całości (w ponad 99,99%) tracona w postaci ciepła. (Reszta jest przekształcana przez sprzęt komputerowy na operacje obliczeniowe). Rysunek 2 Przepływ energii w centrum danych o architekturze 2N Warto zauważyć, że w tym przykładzie tylko około 30% energii elektrycznej wchodzącej do centrum danych rzeczywiście zasila urządzenia komputerowe (na rysunku 1 jest ona nazywana energią UŻYTECZNĄ), a reszta energii jest zużywana przekształcana na ciepło przez urządzenia systemu zasilania i chłodzenia oraz oświetlenie. (Niewielka część energii jest zużywana przez układy przeciwpożarowe i zabezpieczenia fizyczne. Nie została ona uwzględniona w tym schemacie). Sprawność tego centrum danych kształtuje się na poziomie 30% 30% całkowitej mocy wejściowej jest dostarczane do urządzeń komputerowych. 70% mocy wejściowej nie wykonuje użytecznej pracy na rzecz centrum danych (czyli zasilania urządzeń komputerowych) i z tego względu jest traktowane jako obniżenie sprawności (lub strata z punktu widzenia terminologii modelu sprawności). Aby zrozumieć metodę znacznego obniżenia tej straty (pamiętając, że w tym modelu strata dotyczy WSZYSTKICH urządzeń pomocniczych spoza toru zasilania), należy poznać pięć najważniejszych czynników: 1. Obniżenie sprawności związane ze sprzętem zasilającym 2. Obniżenie sprawności związane ze sprzętem chłodzącym 3. Zużycie energii przez oświetlenie 4. Nadmierna rozbudowa systemów zasilania i chłodzenia APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 3

5. Obniżenie sprawności, którego powodem jest konfiguracja Zasoby APC White Paper 113 Modelowanie sprawności elektrycznej centrów danych, a charakterystykę zużycia energii opisano poniżej Większość użytkowników zdaje sobie sprawę, że obniżenie sprawności związane z zasilaniem, chłodzeniem i oświetleniem to strata energii, jednak inne elementy z listy, które w większym stopniu decydują o obniżeniu sprawności, nie są do końca znane. Analizę pięciu powyższych czynników można znaleźć w dokumencie White Paper 113 firmy APC: Modelowanie sprawności elektrycznej centrów danych, a charakterystykę zużycia energii opisano poniżej. 1. Obniżenie sprawności związane ze sprzętem zasilającym Urządzenia takie jak zasilacze UPS, transformatory, przełączniki źródeł zasilania czy okablowanie zużywają podczas pracy pewną ilość energii elektrycznej (wydzielanej w postaci ciepła). Chociaż na tabliczkach znamionowych takich urządzeń podawane są wysokie współczynniki sprawności (sięgające 90% lub więcej), te informacje są mylące i nie można ich używać podczas obliczania strat energii w rzeczywistych instalacjach. Gdy stosuje się dwukrotnie więcej sprzętu w celu uzyskania nadmiarowości lub gdy sprzęt działa przy zastosowaniu mocy niższej od znamionowej, sprawność ulega znacznemu zmniejszeniu. Co więcej, ciepło powstające z tej energii traconej w sprzęcie zasilającym musi zostać przyjęte przez układ chłodzenia, co powoduje jeszcze większe zużycie energii elektrycznej w systemie klimatyzacji. 2. Obniżenie sprawności związane ze sprzętem chłodzącym Urządzenia takie jak uzdatniacze powietrza, wytwornice wody lodowej, chłodnie kominowe, skraplacze, pompy i suche chłodnice zużywają podczas chłodzenia pewną ilość energii elektrycznej (tzn. pewna część mocy wejściowej jest rozpraszana w postaci ciepła zamiast wykorzystania do pracy mechanicznej związanej z chłodzeniem). W rzeczywistości obniżenie sprawności (nadmiarowe ciepło) związane z urządzeniami chłodzącymi zwykle znacznie przekracza obniżenie sprawności (nadmiarowe ciepło) związane z urządzeniami zasilającymi. Gdy stosuje się dwukrotnie więcej urządzeń chłodzących w celu uzyskania nadmiarowości lub gdy sprzęt działa przy zastosowaniu mocy niższej od znamionowej, sprawność ulega znacznemu zmniejszeniu. Z tego względu zwiększenie sprawności urządzeń chłodzących powoduje bezpośrednie zwiększenie sprawności całego systemu. 3. Zużycie energii przez oświetlenie Oświetlenie powoduje pobór mocy i wydzielanie ciepła. Ciepło generowane przez oświetlenie musi zostać przyjęte przez układ chłodzenia, co powoduje jeszcze większe zużycie energii elektrycznej w systemie klimatyzacji, nawet jeśli temperatura zewnętrzna jest niska. Pozostawienie włączonego światła w centrum danych po opuszczeniu go przez pracowników lub w nieużywanym obszarze centrum danych oznacza nieuzasadniony pobór energii elektrycznej. Z tego względu zwiększenie sprawności oświetlenia lub włączanie go tylko w razie potrzeby powoduje bezpośrednie zwiększenie sprawności całego systemu. 4. Nadmierna rozbudowa Nadmierna rozbudowa to jeden z najważniejszych czynników strat energii elektrycznej, który jednocześnie jest dla użytkowników najtrudniejszy do rozpoznania i oceny. Nadmierna rozbudowa urządzeń zasilających i chłodzących ma miejsce, gdy projektowana wartość obciążenia systemu zasilania i chłodzenia przekracza moc obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe. Może to mieć miejsce w wyniku wystąpienia wszystkich lub niektórych z następujących czynników. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 4

oszacowano zbyt duże obciążenie generowane przez urządzenia komputerowe i do takiego obciążenia dostosowano systemy zasilania i chłodzenia; obciążenie generowane przez urządzenia komputerowe jest zwiększane stopniowo, ale systemy zasilania i chłodzenia dostosowano do przyszłego, większego obciążenia; konstrukcja systemu chłodzenia jest niewystarczająca i wymaga zastosowania nadmiarowej architektury w celu zapewnienia właściwego chłodzenia urządzeń komputerowych. Zrozumiałe jest, że instalowanie zbyt dużej liczby urządzeń zasilających i chłodzących jest marnotrawstwem z punktu widzenia inwestycji, jednak nie zawsze zdajemy sobie sprawę, że taka nadmiarowość może znacznie obniżyć sprawność elektryczną całego systemu i powodować nadmierne zużycie energii elektrycznej. Powodem obniżenia sprawności elektrycznej przez nadmiarową architekturę urządzeń zasilających i chłodzących w centrach danych jest znacznie obniżona sprawność urządzeń przy niskim obciążeniu. Niektóre urządzenia elektryczne, na przykład okablowanie, charakteryzują się większą sprawnością przy niższych obciążeniach, ale większe urządzenia, takie jak wentylatory, pompy, transformatory czy inwertery mają przy niższych obciążeniach mniejszą sprawność (spowodowaną stałymi stratami występującymi nawet bez obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe). Informacji o tym pogorszeniu sprawności nie można bezpośrednio znaleźć w specyfikacjach producenta, ponieważ zawierają one przeważnie dane dotyczące sprawności przy optymalnym (zwykle wysokim) obciążeniu. Zasoby APC White Paper 113 Modelowanie sprawności elektrycznej centrów danych Więcej szczegółowych informacji technicznych dotyczących wpływu nadmiernej rozbudowy na zużycie energii elektrycznej można znaleźć w dokumencie White Paper 113 firmy APC Modelowanie sprawności elektrycznej centrów danych. 5. Obniżenie sprawności, którego powodem jest konfiguracja Konfiguracja fizyczna urządzeń komputerowych ma duży wpływ na zużycie energii przez system chłodzenia. Niewłaściwa konfiguracja powoduje, że system chłodzenia musi przesyłać do urządzeń komputerowych większą niż wymagana ilość powietrza. Źle zaprojektowana konfiguracja powoduje także, że system chłodzenia wytwarza chłodniejsze powietrze, niż wymagają tego urządzenia komputerowe. Ponadto konfiguracja fizyczna może powodować konflikt w działaniu różnych urządzeń chłodzących, z których jedno osusza, a drugie nawilża powietrze. Taki stan znacznie obniża sprawność systemu i trudno go zidentyfikować. Obecny trend polegający na zwiększaniu gęstości mocy w nowych i istniejących centrach danych powoduje zintensyfikowanie strat. Powyższe problemy z konfiguracją występują w prawie wszystkich działających obecnie centrach danych i powodują niepotrzebne straty energii elektrycznej. Z tego względu zastosowanie architektury umożliwiającej optymalizację konfiguracji fizycznej urządzeń komputerowych może znacznie zmniejszyć zużycie energii. Zoptymalizowana architektura centrum danych W poprzedniej sekcji opisano pięć najważniejszych czynników wpływających na obniżenie sprawności centrum danych. Z omówienia wynika, że czynniki te są wzajemnie powiązane. Z tego względu właściwe podejście do zagadnienia optymalizacji musi uwzględniać centrum danych jako całość próby osobnego zoptymalizowania strat sprawności są mniej efektywne. Szczegółowa analiza czynników strat energii elektrycznej (obniżenia sprawności) prowadzi do wniosku, że straty centrum danych można znacznie ograniczyć, jeśli zintegrowany system zostanie opracowany zgodnie z następującymi zasadami: Urządzenia zasilające i chłodzące, które nie potrzebują zasilania, nie powinny być zasilane. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 5

Tam, gdzie jest to możliwe, należy eliminować nadmiarowość, tak aby urządzenia mogły działać w optymalnym obszarze krzywej sprawności. Urządzenia systemu zasilania, chłodzenia i oświetlenia powinny korzystać z zalet najnowszej technologii, która umożliwia minimalizację zużycia energii elektrycznej. Podsystemy, które muszą działać przy mocy niższej od znamionowej (w celu obsługi nadmiarowości), muszą być zoptymalizowane pod kątem sprawności uzyskiwanej przy obciążeniu częściowym, a nie całkowitym.w celu wykorzystania niewykorzystanych zasobów należy korzystać z narzędzi do zarządzania wydajnością centrów danych. Umożliwiają one zainstalowanie maksymalnej liczby urządzeń komputerowych w systemie zasilania z nadmiarowością i chłodzenia oraz pracę w najwyższym punkcie krzywej sprawności. Zoptymalizowana, zintegrowana konfiguracja fizyczna powinna być dostosowana w ramach systemu, a nie do charakterystyki pomieszczenia, w którym znajduje się system na przykład system chłodzenia rzędowego powinien być zintegrowany z szafami IT, niezależnie od systemu chłodzenia całego pomieszczenia. System powinien być wyposażony w urządzenia rozpoznające i ostrzegające o nieoptymalnym zużyciu energii elektrycznej, tak aby można było skorygować to zużycie. System powinien obejmować instalację i narzędzia umożliwiające pracę przy najwyższej sprawności oraz minimalizujące lub eliminujące możliwość nieoptymalnej konfiguracji lub instalacji. Na rysunku 3 przedstawiono dostępny w sprzedaży zintegrowany system centrum danych, który skonstruowano zgodnie z powyższymi zasadami. Rysunek 3 High-efficiency integrated data center system Wyposażone w ekran i połączone w sieci z centralnym systemem zarządzania System centrum danych przedstawiony na rysunku 3 charakteryzuje się niższym o 40% zużyciem energii elektrycznej w porównaniu do tradycyjnej konstrukcji. Ograniczenia strat opisanych w dalszej części dokumentu przedstawiono na rysunku 4. 1 Więcej informacji na temat ukrytej pojemności można znaleźć w dokumencie White Paper 150 firmy APC Szczegółowe informacje na temat niewykorzystanych zasobów zawiera dokument White Paper 150 firmy APC Zarządzanie wydajnością zasilania i chłodzenia w centrach danych. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 6

Obciążenie generowane przez urządzenia komputerowe Urządzenia pomocnicze Oświetlenie Nawilżacz Rysunek 4 Oszczędności uzyskane dzięki ulepszonej architekturze w podziale na podsystemy centrów danych Wytwornica wody lodowej Pompy Odprowadzanie ciepła CRAC Okablowanie systemu dystrybucji zasilania Rozdzielnica Generator Listwa zasilająca Zasilacz UPS Ulepszona architektura Przy obciążeniu znamionowym 50%: DCiE = 67,8% Podejście tradycyjne Przy obciążeniu znamionowym 50%: DCiE = 39,8% 0 USD 200 000 USD 400 000 USD 600 000 USD 800 000 USD 1 000 000 USD Roczny koszt energii elektrycznej (w USD) przy stawce 0,10 USD/kWh Przyrost sprawności udoskonalonego systemu przekłada się na znaczne obniżenie kosztów energii elektrycznej. Przy mocy obciążenia 1 MW i przeciętnym koszcie energii elektrycznej wynoszącym 0,10 USD/kWh oszczędności energii elektrycznej mogą wynieść nawet 9 000 000 USD w ciągu dziesięciu lat. Powyższe usprawnienia obliczono na podstawie następującej konfiguracji centrum danych: Moc projektowa: 2 MW Rzeczywiste obciążenie generowane przez urządzenia: 1 MW Zainstalowana i uruchomiona infrastruktura zasilania i chłodzenia: 2 MW Dwutorowy system zasilania od punktu doprowadzenia zasilania do urządzeń Uzdatniacze powietrza w systemie N+1 System wody lodowej z chłodnią kominową Średnia gęstość mocy: 7 kw na szafę Układ szaf z gorącymi/zimnymi przejściami Krzywe sprawności dla wszystkich urządzeń na podstawie rzeczywistych danych podanych przez producenta Zużycie i oszczędność energii są podane przy powyższych założeniach. Na przykład eliminacja nadmiarowości dwutorowego systemu zasilania lub uzdatniaczy powietrza w układzie N+1 może zwiększyć sprawność i zmniejszyć oszczędności. W pozostałej części tego dokumentu znajduje się szczegółowy opis oszczędności oraz związanych z nimi założeń. Wyrażając przyrost sprawności jako sprawność infrastruktury centrum danych (DCiE), dla konstrukcji opisanego powyżej tradycyjnego centrum danych przy obciążeniu rzędu 50% obciążenia znamionowego sprawność DCiE wynosi 39,8%, natomiast sprawność DCiE systemu o udoskonalonej architekturze wynosi 67,8% w identycznych warunkach działania. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 7

Porównanie z podejściami tradycyjnymi Opisane w poprzedniej sekcji ograniczenie strat (czyli zwiększenie sprawności) ma ogromny wymiar. We wcześniejszej części tego dokumentu określono pięć głównych czynników obniżenia sprawności występujących w tradycyjnych konstrukcjach. W jaki jednak sposób za pomocą zaproponowanej udoskonalonej architektury można osiągnąć znaczący wzrost sprawności? Jakie nowe technologie, konstrukcje i techniki przyczyniają się do tego? Jakie rodzaje danych mają wpływ na takie wyniki? Aby odpowiedzieć na te pytania, przyjrzymy się bliżej najważniejszym elementom, których połączenie stanowi o jakości nowej architektury: Skalowalne systemy zasilania i chłodzenia uniknięcie nadmiernej rozbudowy System chłodzenia rzędowego zwiększona wydajność chłodzenia Zasilacze UPS o wysokiej sprawności zwiększona sprawność energetyczna Układ dystrybucji zasilania 415/240 V (prąd przemienny) zwiększona sprawność energetyczna Napędy o zmiennej prędkości w pompach i wytwornicach wody lodowej zwiększona sprawność przy częściowym obciążeniu oraz podczas chłodnych dni Narzędzia do zarządzania wydajnością lepsze wykorzystanie mocy, chłodzenia i szaf Narzędzia do projektowania układu pomieszczenia optymalizacja układu pomieszczenia w celu poprawienia wydajności chłodzenia Niektóre z tych elementów można wdrożyć pojedynczo w celu podwyższenia sprawności. Warto jednak pamiętać, że integracja tych elementów z całą architekturą odpowiada za znaczną część wzrostu sprawności. Na przykład technologia chłodzenia rzędowego jest bardziej wydajna od tradycyjnego chłodzenia pomieszczeń, jednak aby wykorzystać jej potencjał, bardzo ważne jest wdrożenie z narzędzi do projektowania układu pomieszczeń, narzędzi do zarządzania wydajnością i skalowalnego systemu chłodzenia. Architekturę opisaną w tym dokumencie można wdrożyć w każdym centrum danych w dowolnym regionie geograficznym. Aby dodatkowo podnieść sprawność centrum danych, można zwiększyć wydajność układu chodzenia przez wykorzystanie niskich temperatur zewnętrznych w ramach chłodzenia z ekonomizerem lub darmowego chłodzenia. Powoduje to zwykle zwiększenie kosztów, które jednak zwracają się przy odpowiedniej temperaturze i wilgotności zewnętrznej. Technologie darmowego chłodzenia stanowią uzupełnienie podejścia opisanego w tym dokumencie, polegającego na korzystaniu z powietrza zewnętrznego w celu zmniejszenia nakładów energii elektrycznej w przypadku chłodzenia, co zwiększa sprawność centrum danych. W tym dokumencie bezpłatne chłodzenie nie jest uwzględniane w obliczeniach dotyczących zwiększenia sprawności czy oszczędności energii. Ilościowy udział poszczególnych elementów w zwiększaniu sprawności opisano w poniższych sekcjach. Skalowalne systemy zasilania i chłodzenia > Uniknięcie nadmiernej rozbudowy Sprawność centrum danych zależy od obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe. Przy mniejszych obciążeniach sprawność zawsze ulega obniżeniu i równa się zero przy braku obciążenia. Kształt tej krzywej jest podobny dla wszystkich centrów danych. Przykład przedstawiono na rysunku 5. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 8

Etap 2 instalacji Etap 3 instalacji Etap 4 instalacji Etap 5 instalacji Rysunek 5 Sprawność centrum danych w funkcji obciążenia urządzeń komputerowych: konstrukcje modułowe i niemodułowe Gdy % obciążenia jest poniżej wartości projektowej centrum danych, sprawność spada, a centrum danych uważane jest za nadmiernie rozbudowane w stosunku do tego obciążenia. Wiele centrów danych działa w takich warunkach czasami przez wiele lat zwykle dlatego, że skonstruowano je z myślą o hipotetycznym przyszłym obciążeniu, generowanym przez urządzenia, których jeszcze nie zainstalowano. Zasoby APC White Paper 113 Modelowanie sprawności elektrycznej centrów danych Przyczynę spadku sprawności centrum danych przy niskim obciążeniu opisano szczegółowo w dokumencie White Paper 113 firmy APC Modelowanie sprawności elektrycznej centrów danych. Przypomina to zjawisko obniżonej sprawności spalania w dużych silnikach spalinowych przy obniżonej mocy. W celu rozwiązania problemu zmniejszonej sprawności spowodowanej nadmierną rozbudową systemu urządzenia zasilające i chłodzące powinny być dostosowane wielkością do zmieniających się wymagań dotyczących obciążenia. Górna krzywa na rysunku 5 przedstawia sytuację, w której urządzenia zasilające i chłodzące są instalowane w pięciu etapach zamiast w jednym. Przy pełnym obciążeniu skalowalny system zasilania i chłodzenia nie ma żadnej przewagi nad drugim systemem, ale przy mniejszych obciążeniach jego sprawność znacznie wzrasta. Przy obciążeniu rzędu 20% 1/5 zainstalowanych urządzeń zasilających i chłodzących pracuje przy pełnej sprawności. Te warunki, zgodnie z rysunkiem 5, można osiągnąć tylko częściowo, ponieważ części infrastruktury chłodzenia, na przykład pomp chłodziwa, nie można instalować etapami. Wiele centrów danych działa przy poziomie obciążenia niższym od znamionowego dotyczy to szczególnie małych centrów danych lub centrów danych na wczesnym etapie cyklu eksploatacji. Użycie skalowalnego rozwiązania w zakresie zasilania i chłodzenia może znacznie zwiększyć sprawność i pozwolić na odłożenie nakładów inwestycyjnych oraz kosztów operacyjnych w czasie. Ponadto niektóre decyzje, dotyczące na przykład docelowej gęstości mocy w przyszłej strefie centrum danych, mogą zostać odłożone do przyszłego wdrożenia systemu IT. System chłodzenia rzędowego > Zwiększenie wydajności chłodzenia APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 9

W systemie chłodzenia rzędowego klimatyzatory znajdują się w rzędach sprzętu komputerowego, a nie na obwodzie pomieszczenia. Skrócenie ścieżki przepływu powietrza powoduje ograniczenie mieszania się gorących i zimnych strumieni, co zwiększa przewidywalność działania systemu dystrybucji powietrza. Przewidywalna dystrybucja powietrza do sprzętu komputerowego pozwala na bardziej precyzyjną kontrolę zmiennych wartości przepływu, które automatycznie dostosowują się do wymagań podłączonych urządzeń komputerowych. Podczas gdy wentylatory o stałej prędkości obrotów przyczyniają się do marnotrawstwa energii, wentylatory o prędkości zmiennej dostosowują się do wymagań chłodzenia urządzeń komputerowych. Ponadto w systemie chłodzenia rzędowego gorące powietrze jest przechwytywane z urządzenia komputerowego, zanim zmiesza się z chłodniejszym powietrzem z otoczenia. Takie rozwiązanie pozwala znacznie zwiększyć sprawność energetyczną stosowanych urządzeń CRAH. Na rysunku 6 przedstawiono podstawowy układ konstrukcyjny systemu chłodzenia rzędowego. Rysunek 6 Chłodzenie za pomocą urządzeń CRAC w układzie rzędowym z zastosowaniem krótszych ścieżek przepływu powietrza Przejście zimnego powietrza Przejście gorącego powietrz Przejście zimnego powietrza Na rysunku 7 przedstawiono wzrost wydajności architektury chłodzenia rzędowego w porównaniu z tradycyjnymi klimatyzatorami do pomieszczeń komputerowych (CRAC). Rysunek 7 Krzywe wydajności klimatyzatora do pomieszczeń komputerowych (CRAC), porównanie systemu chłodzenia rzędowego i tradycyjnego APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 10

Krzywe przedstawiają sprawność chłodzenia wyrażoną jako ciepło przetworzone na wyjściu klimatyzatora podzielone przez ciepło na wejściu (ciepło przetworzone + zużycie energii elektrycznej). Umożliwia to zbadanie sprawności klimatyzatorów do pomieszczeń komputerowych za pomocą typowej skali sprawności 0 100% 2. W idealnych warunkach sprawność klimatyzatora wynosiłaby 100%. Krzywa powyżej pokazuje, że typowe urządzenie CRAC ma sprawność 80% przy obciążeniu wynoszącym 70%, co oznacza, że 20% mocy wejściowej jest wykorzystywane na potrzeby wentylacji i nawilżania. Z kolei urządzenie CRAC w układzie rzędowym charakteryzuje się sprawnością 95% przy obciążeniu wynoszącym 70%. Oznacza to, że 5% mocy wejściowej jest przekazywane na zasilanie wentylacji i nawilżania. Stanowi to czterokrotnie mniejszą stratę sprawności. Powyższy wykres opiera się na następujących założeniach: konstrukcja z obiegiem wody lodowej, 4-poziomowa, podłoga podniesiona na wysokość 1 m na potrzeby systemu chłodzenia pomieszczenia, średnia moc na szafę wynosząca 10 kw. Powyższe dane dotyczą tylko urządzenia CRAH i nie uwzględniają wytwornicy wody lodowej, pomp i chłodni kominowej. Aby uzyskać ogólną sprawność chłodzenia centrum danych, urządzenia te można rozpatrywać osobno lub w połączeniu z urządzeniem CRAH. Należy pamiętać, że wytwornica wody lodowej i chłodnia kominowa zużywają energię elektryczną i obniżają sprawność całego systemu chłodzenia do wartości niższych od przedstawionych na rysunku. High-efficiency UPS > Improves power efficiency Dostępne technologie znacznie zwiększają sprawność uzyskiwaną przez systemy zasilaczy UPS. Na rysunku 8 przedstawiono porównanie niedawno wprowadzonych na rynek zasilaczy UPS o wysokiej sprawności z danymi dotyczącymi sprawności zasilaczy UPS opublikowanymi przez laboratorium Lawrence Berkley National Labs 3. 2 Sprawność urządzeń CRAH wyraża się zwykle w innych jednostkach, takich jak współczynnik wydajności czy moc obciążenia w watach na wat energii elektrycznej. Jednak parametry te trudno odnieść do codziennych sytuacji i nie są one wyrażane w powszechnie stosowanej postaci 0 100%, tak jak sprawność innych typów urządzeń. Różne metody mają wspólne podstawy matematyczne, a wyniki ich zastosowania są jednakowe. 3 Raport laboratorium LBNL na temat sprawności zasilaczy UPS: http://hightech.lbl.gov/documents/ups/final_ups_report.pdf, rysunek 17, strona 23 (dane z dnia 21 marca 2008). APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 11

Rysunek 8 Sprawność zasilaczy UPS w funkcji obciążenia (porównanie zasilaczy UPS najnowszej generacji z danymi historycznymi) Rysunek 8 pokazuje, że sprawność najnowszych systemów zasilaczy UPS jest znacznie większa w przypadku każdego obciążenia urządzeń komputerowych, a przyrost sprawności jest największy przy mniejszych obciążeniach. Na przykład przy obciążeniu rzędu 30% najnowsze systemy zasilaczy UPS uzyskują przyrost sprawności o 10% w porównaniu ze średnią sprawnością aktualnie zainstalowanych systemów zasilaczy UPS. W tym przypadku rzeczywista strata mocy zasilacza UPS może zostać ograniczona o 65%. Należy także pamiętać, że straty energii zasilacza UPS w postaci ciepła wymagają także zastosowania chłodzenia klimatyzatorem, co powoduje dalsze zużycie energii elektrycznej. Niektóre nowsze systemy zasilaczy UPS udostępniają ekonomiczny tryb działania, który umożliwia producentowi zasilacza zadeklarowanie wyższej sprawności. Ten tryb działania nie chroni jednak przed problemami z zasilaniem sieciowym i stosowanie go nie jest zalecane w przypadku centrów danych. Zasilacz UPS o wysokiej sprawności oraz dane dotyczące sprawności użyte w architekturze opisanej w tym dokumencie i przedstawione na rysunku 8 dotyczą zasilacza UPS online z podwójną konwersją, z zabezpieczeniem przed nieregularną charakterystyką zasilania wejściowego. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 12

Układ dystrybucji zasilania 415/240 V (prąd przemienny) > Zwiększenie wydajności zasilania Układ dystrybucji zasilania prądem przemiennym, o wysokiej sprawności, w którym zastosowano europejski standard 415/240 V zamiast północnoamerykańskiego standardu 208/120 V, zapewnia znaczny przyrost sprawności w instalacjach używanych w Ameryce Północnej. Przesyłanie energii do urządzeń wymagających napięcia 415/240 V zamiast 208/120 V eliminuje konieczność stosowania transformatorów obniżających napięcie w listwie zasilającej oraz związane z nimi straty. Oprócz przyrostu wydajności dzięki wyeliminowaniu listew zasilających zredukowano koszty okablowania miedzianego i obciążenie podłogi, a także uzyskano więcej miejsca na urządzenia komputerowe. Centra danych, w których stosowane są listwy zasilające z transformatorami, charakteryzują się zwykle redukcją sprawnością o 2 15%. Duża część strat występuje w centrach danych z nadmiarowymi torami zasilania i niskim obciążeniem generowanym przez urządzenia. Użycie układu dystrybucji zasilania prądem przemiennym o napięciu 415/240 V umożliwia uzyskanie większej sprawności tylko w krajach Ameryki Północnej w większości pozostałych krajów stosowany jest standard 400/230 V (prąd przemienny). Sprawność energetyczna opisana w tym dokumencie dotyczy konstrukcji stosowanych w Ameryce Północnej. Z tego względu w obliczeniach wzrostu sprawności uwzględniono brak transformatorów obniżających napięcie listwy zasilającej. Zasoby APC White Paper 128 Zwiększanie sprawności centrum danych przez zastosowanie ulepszonego układu dystrybucji zasilania o wysokiej gęstości Więcej informacji na temat układów dystrybucji zasilania prądem przemiennym o napięciu 415/240, o wysokiej sprawności, w północnoamerykańskich centrach danych znajduje się w dokumencie White Paper 128 firmy APC Zwiększanie sprawności centrum danych przez zastosowanie ulepszonego układu dystrybucji zasilania o wysokiej gęstości. Napędy o zmiennej prędkości w pompach i wytwornicach wody lodowej > Zwiększenie wydajności chłodzenia Pompy i wytwornice wody lodowej w sekcji chłodzenia centrum danych zwykle pracują w oparciu o silniki o stałej prędkości. Silniki w takich układach muszą być skonfigurowane pod kątem maksymalnego oczekiwanego obciążenia oraz najmniej korzystnych warunków zewnętrznych (wysokiej temperatury). Centra danych wykorzystują jednak zwykle tylko część mocy projektowej, a klimatyzator działa zazwyczaj w zwykłych, a nie w skrajnych warunkach otoczenia. Z tego względu wytwornice wody lodowej i pompy z silnikami o stałej prędkości przez większość czasu są obciążone bardziej niż jest to wymagane. Pompy i wytwornice wody lodowej wyposażone w napędy o zmiennej prędkości i odpowiednie układy sterowania umożliwiają zmniejszenie prędkości i zużycia energii oraz dostosowanie tych parametrów do aktualnego obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe oraz do warunków otoczenia. Poprawa zużycia energii zależy od warunków otoczenia, ale może wynieść nawet ponad 10% szczególnie jeśli centra danych nie pracują przy pełnym obciążeniu lub jeśli zainstalowano w nich nadmiarowy układ z wytwornicą wody lodowej lub pompą. Napędy o zmiennej prędkości w pompach i wytwornicach wody lodowej można traktować jako formę automatycznego dopasowania wielkości systemu. W niektórych przypadkach można uzyskać wzrost sprawności napędów o zmiennej prędkości, sterując poszczególnymi stopniami lub stosując kilka pomp i wytwornic wody lodowej z napędami o stałej prędkości. Systemy tego rodzaju mogą jednak wymagać przeprowadzenia poważnych prac inżynieryjnych i zwykle pozwalają uzyskać o ponad połowę mniejszy wzrost sprawności w porównaniu z napędami o zmiennej prędkości. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 13

Napędy o zmiennej prędkości w pompach i wytwornicach wody lodowej stanowią koszt dodatkowy w porównaniu z urządzeniami z napędami o stałej prędkości. W przypadku niektórych okresowych lub krótkotrwałych zastosowań oszczędność energii uzyskana w wyniku tej dodatkowej inwestycji może być niewystarczająca i nieopłacalna. W przypadku centrów danych działających w systemie ciągłym inwestycja może zwrócić się nawet w ciągu kilku miesięcy, w zależności od rodzaju centrum danych. Narzędzia do zarządzania wydajnością > Zwiększenie wykorzystania mocy, chłodzenia i objętości szaf Większość centrów danych nie wykorzystuje całej mocy, chłodzenia i objętości szaf. Podstawowym objawem w takiej sytuacji jest niska średnia gęstość mocy roboczej centrów danych. Gęstość mocy nowoczesnych urządzeń komputerowych wynosi od 5 do 20 kw na szafę, natomiast w przypadku tradycyjnych centrów danych średnia gęstość mocy wynosi 3 kw na szafę lub nawet mniej. Różnica ta oznacza, że fizyczne rozmiary centrów danych są większe niż jest to wymagane. Wiąże się to z występowaniem dłuższych ścieżek przepływu powietrza, większego stopnia mieszania się powietrza, dłuższego okablowania służącego do dystrybucji zasilania i większej instalacji oświetleniowej niż jest to w rzeczywistości wymagane. Główną przyczyną niższej gęstości mocy w centrach danych jest brak możliwości zarządzania zasilaniem, chłodzeniem i przestrzenią szaf w wydajny i przewidywalny sposób. W wyniku fizycznego rozproszenia urządzeń komputerowych obniża się sprawność systemów zasilania i chłodzenia. Efektywny system narzędzi i reguł umożliwia centrom danych pracę przy wyższej gęstości mocy i uzyskanie następujących korzyści związanych ze sprawnością: krótsze ścieżki przepływu powietrza, wymagające mniejszych nakładów mocy; mniejszy stopień mieszania się powietrza, umożliwiający uzyskanie wyższej temperatury odprowadzanego ciepła; wyższa temperatura odprowadzanego ciepła, pozwalająca na uzyskanie wyższej sprawności wytwornicy wody lodowej; wyższa temperatura odprowadzanego ciepła, pozwalająca na uzyskanie wyższej sprawności klimatyzatora; mniejsza długość okablowania, eliminująca straty na okablowaniu i listwach zasilających; identyczna infrastruktura zasilania i chłodzenia może zasilać większą liczbę urządzeń komputerowych. Oprócz problemów z pracą przy niskiej gęstości mocy większość centrów danych działa z zachowaniem marginesów bezpieczeństwa systemów zasilania i chłodzenia w zakresie od 15% do 50%. Margines bezpieczeństwa stanowi wyrażoną w procentach minimalną różnicę pomiędzy obciążeniem generowanym przez urządzenia komputerowe a wartościami znamionowymi urządzeń zasilających i chłodzących. Stosowanie marginesów bezpieczeństwa jest formą celowego określania nadmiarowości, które służy do ochrony systemu przed przeciążeniem lub przegrzaniem z powodu niedokładnego określenia parametrów działania systemu. Marginesy bezpieczeństwa stanowią więc środek zaradczy na nieprawidłowości w systemie. Marginesy bezpieczeństwa niosą ze sobą dwa czynniki obniżające wydajność systemu centrum danych. Po pierwsze, znacznie zwiększają koszty inwestycyjne, ponieważ wymuszają kupno sprzętu (w celu uzyskania dodatkowej sprawności), którego nie można użyć. Po drugie, powodują obniżenie sprawności centrum danych przez wymuszenie działania poza maksimum sprawności wynikającym z krzywej sprawności. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 14

Efektywny system zarządzania wydajnością zawiera narzędzia i reguły umożliwiające pracę centrów danych przy wyższej gęstości mocy i uzyskanie mniejszych marginesów bezpieczeństwa z zachowaniem prawidłowego poziomu ochrony. Korzyścią z zastosowania takiego rozwiązania jest uzyskanie 5% wzrostu sprawności całej infrastruktury, a także oszczędności inwestycyjne związane z większą gęstością mocy (kolejne 5 10%). System umożliwiający zastosowanie większej ilości sprzętu komputerowego przy identycznej infrastrukturze zasilania i chłodzenia oznacza zwiększenie oszczędności inwestycyjnych i energetycznych. Można przedstawić matematyczny dowód na to, że przyrost sprawności elektrycznej związany z dołożeniem obciążenia w ramach istniejącej infrastruktury zasilania i chłodzenia jest większy niż całkowita sprawność centrum danych. Oznacza to, że bardziej opłaca się dodawać kolejne urządzenia w istniejącym niż w nowym centrum danych. Zasoby APC White Paper 150 Zarządzanie wydajnością zasilania i chłodzenia w centrach danych Omówienie podstaw i działania efektywnego systemu zarządzania wydajnością zasilania i chłodzenia można znaleźć w dokumencie White Paper 150 firmy APC Zarządzanie wydajnością zasilania i chłodzenia w centrach danych. Na rysunku 9 przedstawiono dostępny w sprzedaży system zarządzania wydajnością: Przejście na poziom rzędów lub szaf Ilustracja rozmieszczenia urządzeń w pomieszczeniu centrum danych Rysunku 9 Przykład ekranu roboczego dostępnego w sprzedaży systemu zarządzania wydajnością urządzeń zasilających i chłodzących Kontrola średniego i szczytowego poboru mocy za pomocą pomiaru rzeczywistego zużycia Narzędzia do projektowania układu pomieszczenia > Optymalizacja układu pomieszczenia pod kątem sprawności chłodzenia Wiele strat sprawności centrów danych wynika ze sposobu instalacji urządzeń zasilających i chłodzących w systemie. Nawet jeśli zostaną zastosowane urządzenia zasilające i chłodzące o wysokiej sprawności, często uzyskuje się niską sprawność ogólną. Jednym z głównych powodów występowania tego problemu jest fizyczne rozmieszczenie urządzeń chłodzących i komputerowych. Cechy układu pomieszczenia zoptymalizowanego pod kątem sprawności: zminimalizowana długość ścieżek przepływu powietrza, gwarantująca obniżenie mocy wentylatorów; APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 15

zminimalizowany opór ścieżek przepływu powietrza, gwarantujący obniżenie mocy wentylatorów; powrót gorącego powietrza wydmuchiwanego z urządzeń komputerowych bezpośrednio do klimatyzatora w celu zmaksymalizowania wymiany ciepła; właściwa lokalizacja klimatyzatorów zapewniająca równoważenie przepływu powietrza i dostosowywanie do wymagań urządzeń komputerowych. Niektóre z tych warunków są zapewniane przez konstrukcję urządzeń chłodzących, takich jak systemy chłodzenia rzędowego. Największy wpływ na optymalne działanie ma jednak rozmieszczenie urządzeń komputerowych i klimatyzatorów. Optymalne rozmieszczenie urządzeń zależy od rodzaju centrum danych, kształtu i rozmiaru pomieszczenia, docelowej gęstości mocy w pomieszczeniu oraz innych czynników zależnych od lokalizacji. Aby utworzyć optymalny układ w pomieszczeniu, należy stosować się do pewnych reguł i wyników złożonych obliczeń. Na szczęście te reguły i obliczenia można zautomatyzować dzięki narzędziom do projektowania wspomaganego komputerowo. Na rysunku 10 przedstawiono narzędzie do projektowania rozmieszczenia klimatyzatorów w centrum danych. Rysunek 10 Narzędzie do optymalizowania rozmieszczenia klimatyzatorów w pomieszczeniach Ogólny wzrost sprawności po zastosowaniu nowej architektury Połączenie omówionych elementów ulepszonej architektury pozwoli uzyskać redukcję zużycia energii o 40% w porównaniu z konstrukcjami tradycyjnymi, które opisano we wcześniejszej części dokumentu. Wyszczególnienie oszczędności dla podsystemów centrum danych przedstawiono wcześniej na rysunku 4. Przedstawiona na rysunku 11 całkowita sprawność infrastruktury centrum danych (DCiE miara sprawności ustalona przez konsorcjum Green) jest wyrażona w postaci krzywej będącej funkcją obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe. Rysunek 11a przedstawia wielkość DCiE jako funkcję obciążenia w centrach danych o wysokiej dostępności i dwutorowej architekturze zasilania wyposażonego w N+1 uzdatniaczy powietrza. Rysunek 11b przedstawia te same dane, ale dla typowego centrum danych bez nadmiarowości systemu zasilania lub chłodzenia. Wnioski wynikające z porównania obu wykresów: APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 16

W przypadku tradycyjnych centrów danych nadmiarowość systemów zasilania i chłodzenia powoduje obniżenie całkowitej sprawności infrastruktury centrum danych (DCiE) o około 5%. Nadmiarowość systemów zasilania i chłodzenia ma niewielki wpływ na sprawność systemów o ulepszonej architekturze. Etapowe wdrażanie modułowych urządzeń zasilających i chłodzących powoduje największy wzrost sprawności w przypadku centrów danych z nadmiarowymi systemami zasilania i chłodzenia, szczególnie przy niskim obciążeniu. Zwiększenie sprawności w sposób opisany w tym dokumencie podlega wpływom różnych czynników, w zależności od rodzaju centrum danych. Czynniki te to między innymi: obniżony sufit, umożliwiający powrót powietrza w tradycyjnym centrum danych; działające przeciwstawnie klimatyzatory umieszczone w różnych punktach obwodu pomieszczenia; brak układu tworzącego przejścia gorącego/zimnego powietrza; energooszczędne oświetlenie; zasilanie uzdatniaczy powietrza za pośrednictwem zasilaczy UPS; niezrównoważona wydajność systemów zasilania i chłodzenia; pełna dwutorowa architektura zasilania z uzdatniaczami powietrza; pełna dwutorowa architektura zasilania z wytwornicami wody lodowej; wytwornice wody lodowej lub systemy DX z glikolem; płytka, podniesiona podłoga (0,5 m lub mniej); duże obciążenia generowane przez urządzenia pomocnicze (przestrzeń dla obsługi, centra sieciowe); wysoka temperatura i/lub wilgotność; znaczna długość instalacji rurowej z chłodziwem. Czynniki te nie zostały uwzględnione podczas opracowywania danych na potrzeby tego dokumentu. Można je jednak mierzyć, modelować i analizować. Modele, techniki i rodzaje analiz użyte w tym dokumencie można zastosować do określonego, istniejącego lub planowanego, centrum danych. Na przykład są one uwzględniane w usłudze oceny sprawności energetycznej centrum danych (Data Center Energy Efficiency Assessment Service) oferowanej przez firmę APC by Schneider Electric. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 17

Rysunek 11a Dwutorowa architektura zasilania z uzdatniaczami powietrza w systemie N+1 Rysunek 11b Jednotorowa architektura zasilania z uzdatniaczami powietrza w systemie N APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 18

Porównanie z innymi proponowanymi sposobami Wiele hipotetycznych sposobów podwyższania sprawności zasilania nie zostało uwzględnionych w proponowanej architekturze opisanej w tym dokumencie. Sprawność centrum danych będą mogły w przyszłości poprawić zmiany w architekturze dotyczące układu dystrybucji zasilania prądem stałym oraz instalacji rurowej z chłodziwem połączonej z serwerami. Warto ocenić, jaki wzrost sprawności w porównaniu z opisaną w tym dokumencie architekturą o wysokiej sprawności można uzyskać, stosując te sposoby. Układ dystrybucji zasilania prądem stałym Zmiana konwencjonalnego układu dystrybucji zasilania prądem przemiennym na układ dystrybucji zasilania prądem stałym prawdopodobnie mogłaby znacznie ograniczyć straty energii elektrycznej w centrach danych. Korzyści wynikałyby z wyeliminowania transformatorów obniżających napięcie w listwie zasilającej, wymiany zasilaczy UPS na przetworniki AC- DC oraz instalacji nowego sprzętu komputerowego, który oprócz prądu przemiennego mógłby obsługiwać prąd stały o wysokim napięciu na wejściu. Korzyści te przedstawiono w ujęciu ilościowym w tabeli 1. Tabela 1 Wzrost sprawności centrum danych wynikający z zastosowania układu dystrybucji zasilania prądem stałym w porównaniu z konstrukcją konwencjonalną oraz z opisaną w tym dokumencie architekturą o wysokiej sprawności Element układu dystrybucji prądu stałego Oszczędności w porównaniu z konstrukcją konwencjonalną Oszczędności w porównaniu z opisaną w tym dokumencie architekturą o wysokiej sprawności Eliminacja transformatorów 5% 10% brak Zastąpienie zasilacza UPS przetwornikiem AC-DC Nowy sprzęt komputerowy obsługujący prąd stały o wysokim napięciu na wejściu 5% 15% brak 4% 2% CAŁKOWITY WZROST SPRAWNOŚCI 13-28% 2% Tabela 1 pokazuje, że układ dystrybucji zasilania prądem stałym zapewnia znaczny wzrost sprawności w porównaniu z konwencjonalnym centrum danych zasilanym prądem przemiennym, ale niewielki wzrost sprawności w porównaniu z opisaną w tym dokumencie architekturą o wysokiej sprawności. Oto główne przyczyny, dla których architektura opisana w tym dokumencie uzyskuje prawie identyczną sprawność, jak hipotetyczna architektura obsługująca prąd stały o wysokim napięciu: W obydwu systemach wyeliminowano straty energii elektrycznej na transformatorach obniżających napięcie w listwie zasilającej. Nowe systemy zasilaczy UPS o wysokiej sprawności obsługujące prąd przemienny uzyskują taką samą sprawność, jak systemy wysokonapięciowe z przetwornikami AC- DC. W obu systemach zastosowano zasilacze obsługujące wysokie napięcie, co przyczynia się do wzrostu sprawności. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 19

Zasoby APC White Paper 63 Porównanie układów dystrybucji zasilania prądem przemiennym i stałym w centrach danych Zasoby APC White Paper 127 Porównanie ilościowe wysokiej sprawności układów dystrybucji zasilania prądem przemiennym i stałym w centrach danych Układ dystrybucji zasilania prądem stałym zapewnia niewielki wzrost sprawności w porównaniu do architektury opisanej w tym dokumencie. To rozwiązanie znajduje się jednak dopiero na etapie badań, nie zostało jeszcze wprowadzone na rynek i nie ma dla niego zatwierdzonych norm. Natomiast rozwiązanie opisane w tym dokumencie jest zgodne z regulacjami prawnymi na całym świecie i jest aktualnie dostępne na rynku. Pełne omówienie różnych typów układów dystrybucji zasilania prądem stałym oraz szczegółowa analiza ilościowa z porównaniem sprawności układów zasilania prądem przemiennym i stałym znajdują się w dokumencie White Paper 63 firmy APC Porównanie układów dystrybucji zasilania prądem przemiennym i stałym w centrach danych oraz w dokumencie White Paper 127 firmy APC Porównanie ilościowe wysokiej sprawności układów dystrybucji zasilania prądem przemiennym i stałym w centrach danych. Instalacja rurowa z chłodziwem połączona z serwerami Wiele strat sprawności w obecnych centrach danych jest spowodowanych problemami z przepływem powietrza. Dystrybucja energii elektrycznej jest przewidywalna, ponieważ energia ta jest przekazywana ze źródła energii bezpośrednio do sprzętu komputerowego za pomocą okablowania. Inaczej wygląda sprawa chłodzenia powietrzem, które przemieszcza się z klimatyzatorów do urządzeń komputerowych niewidzialną, a często również nieprzewidywalną ścieżką. Planując zwiększenie sprawności układu chłodzenia, można przyjąć założenie, że bezpośrednie połączenie ścieżki przepływu chłodziwa z urządzeniami komputerowymi, podobnie jak ma to miejsce w przypadku ścieżek przepływu zasilania, doprowadzi do zwiększenia przewidywalności, a być może również sprawności systemu. Model sprawności systemu z bezpośrednim połączeniem chłodziwa z serwerami pokazuje, jak znaczny wzrost sprawności można uzyskać w porównaniu z konwencjonalnymi rozwiązaniami. Z analizy tabeli 2 wynika jednak, że instalacja rurowa z chłodziwem połączona bezpośrednio z serwerami wykazuje niewielki wzrost sprawności w porównaniu do systemu chłodzenia rzędowego o wysokiej sprawności. Większy wzrost sprawności uzyskany w przypadku zastosowania systemu chłodzenia rzędowego niż w przypadku układu z bezpośrednim połączeniem instalacji jest oczywisty, jeżeli weźmie się pod uwagę, że system chłodzenia rzędowego dostarcza chłodziwo znacznie bliżej do urządzeń. Tabela 2 Wzrost sprawności centrum danych wynikający z zastosowania instalacji rurowej z chłodziwem połączonej z serwerami w porównaniu z konstrukcją konwencjonalną oraz opisaną w tym dokumencie architekturą o wysokiej sprawności Element bezpośrednio połączonej instalacji rurowej Wyższa temperatura powracającego chłodziwa Oszczędności w porównaniu z konstrukcją konwencjonalną Oszczędności w porównaniu z opisaną w tym dokumencie architekturą o wysokiej sprawności 5% brak Straty na wentylatorach 10% 5% Straty na pompach -5% -2,5% CAŁKOWITY WZROST SPRAWNOŚCI 10% 2,5% Niestety nie ma jeszcze na rynku urządzeń komputerowych bezpośrednio połączonych z instalacją chłodzącą. Ponadto z takim rozwiązaniem wiązałyby się znaczne koszty i problemy z niezawodnością. Tymczasem opisana w tym dokumencie architektura o wysokiej sprawności umożliwia w dużej mierze uzyskanie korzyści charakterystycznych dla instalacji chłodzą- APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 20

cej połączonej z serwerami, tyle że przy wykorzystaniu chłodzonych powietrzem urządzeń komputerowych oraz innego sprzętu dostępnego obecnie na rynku. Praktyczne ograniczenia wydajności W przedstawionym wcześniej omówieniu pięciu czynników strat w centrach danych, czyli niepotrzebnych strat sprawności i przypadków nieoptymalnej konfiguracji urządzeń, wskazano obszary wymagające ulepszenia. Powstaje pytanie, jakim praktycznym ograniczeniom podlega eliminowanie strat sprawności. Czy na przykład istnieją prawa fizyki lub zasady inżynierii, które nie pozwalają na uzyskanie dalszych oszczędności energii? Okazuje się, że nie ma żadnych teoretycznych ograniczeń w zakresie zmniejszania strat związanych z urządzeniami niekomputerowymi w centrach danych. Z tego względu całość energii elektrycznej zużywanej przez urządzenia zasilające i chłodzące oraz oświetlenie należy traktować jako stratę (jest to zasilanie urządzeń POMOCNICZYCH na rysunku 1). Na przykład w centrum danych wykorzystującym naturalną konwekcję powietrza zewnętrznego w połączeniu z układami nadprzewodników można teoretycznie uzyskać zerowy poziom strat i przekazywać całość energii wejściowej do urządzeń komputerowych. Obecnie istnieją jednak praktyczne ograniczenia sprawności systemów zasilania i chłodzenia podyktowane dostępnością technologii oraz kwestiami budżetowymi. Najbardziej znaczącymi praktycznymi barierami na drodze do zwiększania sprawności systemów zasilania I chłodzenia, oprócz ograniczeń dotyczących ulepszonej architektury opisanej w tym dokumencie, są ograniczenia związane z systemami chłodzenia. Pompowanie i transport ciepła za pośrednictwem chłodziwa i klimatyzatorów jest stabilną i sprawdzoną technologią. W nadchodzących latach spodziewamy się dalszej optymalizacji oraz integracji tych systemów. W przypadku tradycyjnych systemów klimatyzacji spodziewany jest wzrost sprawności wynoszący 5% w porównaniu do systemów opisanych w tym dokumencie. Technologie darmowego chłodzenia i wykorzystujące je systemy klimatyzacji mogą wykazywać wzrost sprawności rzędu 5 10%, w zależności od położenia geograficznego. Po uwzględnieniu spodziewanego wzrostu sprawności technologii klimatyzacyjnych pozwoli to uzyskać całkowitą sprawność infrastruktury centrum danych (DCiE) na poziomie 88% w porównaniu ze sprawności rzędu 73% uzyskiwaną przez architekturę opisaną w tym dokumencie. APC by Schneider Electric White Paper 126 Wersja 1 21