Как узнать реальный КПД и повысить энергоэффективность ЦОД
Как сэкономить электроэнергию и увеличить энергоэффективность ЦОД
Как сэкономить электроэнергию и увеличить энергоэффективность ЦОД
К 2025 году дата-центры будут потреблять пятую часть всей вырабатываемой в мире электроэнергии, а пока они расходуют до 200 тераватт-часов электроэнергии ежегодно. Каждый ЦОД функционирует как единый организм, который объединяет сотни энергопотребителей. Половина или чуть меньше электроэнергии уходит на питание IT-оборудования, остальное – на системы жизнеобеспечения: охлаждения, увлажнения, освещения, безопасности и т.п.
Когда потребление электричества растет большими темпами, владельцам ЦОД приходится искать способы, с помощью которых можно снизить потребление электроэнергии, увеличить энергоэффективность и при этом если не сократить, то сохранить на прежнем уровне расходы на обслуживание. Чтобы понять, как это сделать, начнем с расчета КПД дата-центра.
Как определить КПД дата-центра
Под КПД обычно понимают долю ресурсов, которая трансформируется в желаемый результат. Математически результат выглядит как отношение полезного «выхода» к общему и умноженное на 100. При расчете КПД дата-центра «входом» будет общая потребляемая электроэнергия, а «выходом» – мощность, которую потребляет IT-оборудование:
В идеальном случае вся мощность, которая поступает на ЦОД, будет соответствовать нагрузкам ИТ-оборудования. В реальных условиях часть электроэнергии уйдет другим потребителям, которые перечислены в начале статьи.
Что включает в себя полезная нагрузка в модели КПД дата-центра
Когда говорят о КПД дата-центра, нагрузку делят на полезную и неполезную. Полезной в этой модели будет питание ИТ-оборудования. Получается, что не полезной нагрузкой можно назвать работу остальной инженерной инфраструктуры.
Но и ее польза очевидна: без системы кондиционирования компьютерное оборудование быстро остановится из-за перегрева, средства безопасности предотвратят кражу данных, а без освещения невозможно заниматься администрированием и техобслуживанием.
С другой стороны, ЦОД изначально создается с одной целью – предоставить вычислительные мощности. А охлаждение, противопожарная защита и прочее – побочные продукты, которые помогают слаженной работе инженерной инфраструктуры. В контексте КПД дата-центра их считают теми самыми потерями, которые можно и нужно минимизировать доступными способами.
Пример распределения энергетических потоков в ЦОД
Посмотрим, как распределяются энергетические потоки в среднестатистическом дата-центре. Допустим, в нем два контура питания, резервирование, выполненное по схеме N+1 и система кондиционирования. Типичная нагрузка – не более 30 % от максимальной. В этом случае электроэнергия будет распределяться следующим образом:
IT-оборудование – 30 %;
охлаждение – 33 %;
ИБП – 18 %;
КВКЗ – 9 %;БРП – 5 %;
увлажнение – 3 %;
освещение – 1 %;
генератор – 1 %.
В таких условиях КПД работы ЦОД составит 30 %, но его можно повысить, если:
доработать конструкцию некоторых устройств в составе инженерной инфраструктуры;
тщательно подбирать номинальную мощность компонентов инфраструктуры;
внедрять новые технологии, сокращающие энергопотребление потребителей второго плана.
Как избежать погрешностей при определении КПД
Для расчета эффективности работы ЦОД используют значения КПД, заявленные производителями оборудования, используемого для вычислений, охлаждения и второстепенных задач. Этот способ простой, но ошибочный, так как не показывает достоверный КПД (обычно он получается завышенным), не позволяет обнаружить проблему и приступить к поиску ее решений.
Почему так происходит? Когда производители рассчитывают КПД для системы электропитания, они делают это по стандартной формуле: находят процентное отношение выходной мощности к входной. В системах кондиционирования другой принцип – там считают коэффициент производительности, или отношение отведенного тепла к входной мощности.
Если изучить параметры КПД систем электропитания и охлаждения, получится, что у разных производителей они будут очень похожими, так как обычно используют усредненные результаты. Если взять их для реальных расчетов, легко переоценить потери электроэнергии.
Альтернативой будут расчеты на основе фактических замеров, когда энергопотребление всех единиц IT-оборудования суммируется и делится на полную входную мощность дата-центра. Но и здесь нужно учитывать, что КПД электропитания и кондиционирования – величины не стабильные и меняются по мере роста/снижения ИТ-нагрузки. А сама ИТ-нагрузка ощутимо ниже номинальной мощности компонентов, из которых состоит инженерная инфраструктура.
Как повысить КПД дата-центра
Больше всего энергии тратится на потери холостого хода, которые растут по мере падения нагрузки. Чуть меньше приходится на пропорциональные (их доля постоянна) и квадратичные потери (уменьшаются с падением нагрузки). Детальный анализ помогает найти источники всех потерь, а затем реализовать мероприятия по повышению КПД дата-центра.
Снизить энергопотребление IT-оборудования
Чтобы уменьшить энергопотребление, дата-центры переходят на экономичные платформы с серверами, у которых высокая плотность мощности, их еще называют блейд-серверами. При этом тепловыделение и потребляемая мощность остаются на прежнем уровне (последняя иногда даже возрастает), но оборудование для вычислений занимает намного меньше места. В среднем при замене традиционных серверов на блейд-серверы потребление электроэнергии снижается на 20 %.
Также в этом помогут другие замены: одноядерных и однопроцессорных систем на многопроцессорные и многоядерные, серверов с высоким напряжением на серверы со средним или низким напряжением, накопителей 3,5 дюйма на более быстрые, компактные и экономичные 2,5-дюймовые.
Еще один способ уменьшить энергопотребление ИТ-оборудования – отказаться от избыточной модели, которую применяют в строительстве традиционных ЦОД. В этом помогает переход на адаптивную модульную архитектуру, в которой мощность серверов, систем хранения данных и других ресурсов можно наращивать плавно, по мере увеличения нагрузки. Модульный подход позволяет сократить потери на 50 % не только за счет устранения избыточности, но и благодаря тому, что модульными компонентами управляет специализированное ПО (DCIM).
Этот софт в режиме реального времени анализирует энергопотребление, автоматически распределяет нагрузку между IT-оборудованием и отключает неработающие устройства. Собранные данные DCIM обрабатывает и превращает в полезные рекомендации: например, может рассчитать оптимальную скорость работы вентиляторов в системе охлаждения.
Использовать эффективные ИБП
Электроэнергия нужна источникам бесперебойного питания для работы преобразователей-инверторов, электронных компонентов, автоматики и т. п. Эффективность ИБП напрямую зависит от его КПД, который определяют отношением общей мощности системы, включая ИБП, к мощности, потребляемой нагрузкой. В современных ИБП коэффициент полезного действия варьируется от 0,75 до 0,98. Между КПД и уровнем нагрузки ИБП прямая зависимость: чем выше нагрузка, тем больше значение КПД.
Это значит, что для повышения общего КПД дата-центра необходимо использовать ИБП с максимально высоким КПД или же перейти на модульные решения, в которых номинальная мощность легко регулируется включением/выключением отдельных силовых модулей. Также важно обеспечить ИБП оптимальные климатические условия, так как с повышением температуры его КПД снижается.
Минимизировать потери в линиях передач и системах распределения
Потери в линиях передач и системах распределения объясняются тепловыми потерями и токами утечки, которые зависят от совокупности многих факторов. Основные из них – длина, величина сопротивления и геометрия линий передач. Чуть меньше влияет надежность изоляции, качество соединений и контактов. Чтобы минимизировать эти потери, можно сократить длину кабельных линий, перейти на кабели с жилами высокой проводимости (у них минимальное сопротивление) или заменить их шинами.
Определенный эффект можно получить, если надежно заизолировать участки утечки тока и в целом уменьшить количество соединений. Даже если вы оставите минимум механических соединений, их все равно необходимо регулярно проверять пирометром или тепловизором, чтобы оперативно находить зоны высокого тепловыделения. Лучшей альтернативой резьбовым соединениям будет сварка или пайка. И, конечно, электромонтажное и электроустановочное оборудование в ЦОД должно быть высокого качества.
Повысить эффективность работы системы кондиционирования
В некоторых дата-центрах на системы охлаждения уходит до 40 % потребляемой электроэнергии. Так как отказаться от них и даже снизить мощность невозможно, приходится искать другие пути, например, сокращать потери холода. В этом помогает система «холодных» и «горячих» коридоров. Благодаря панелям-заглушкам холодные воздушные потоки не контактируют с горячими. А если нет теплообмена, потери холода будут в разы ниже.
Можно не снижать потери холода, а сделать акцент на энергоэффективности кондиционеров. В дата-центре точно стоит отказаться от бытовых агрегатов, в которых на производство 1 кВт холода используется до 0,4 кВт энергии, в пользу прецизионных, в которых этот показатель не превышает 0,25 кВт. Загрязненный теплообменник способен на 7–12 % уменьшить коэффициент теплопередачи, потому ни в коем случае нельзя пропускать очередное техобслуживание холодильного агрегата.
Чтобы получить максимум холода на единицу потраченной электроэнергии, можно выполнить еще несколько простых рекомендаций: точно настроить режим работы, выбрать оптимальные зоны для установки датчиков температуры, теплоизолировать стены и потолки в помещениях.
Более радикальные методы повышения эффективности системы кондиционирования можно реализовать на этапе проектирования дата-центра. В них закладывают возможность активной циркуляции воздуха за счет особой конструкции: такой ЦОД обязательно имеет вытянутую продолговатую форму, а на его крыше располагается дополнительная секция, создающая повышенную тягу для отведения теплого воздуха на улицу.
И совсем экзотическим выглядит способ, когда для охлаждения используют воду из расположенного рядом водоема. Но здесь нужен не только водоем, но и определенные климатические условия. В любом случае, если правильно подойти к оптимизации системы охлаждения, потери на нее можно сократить до 30 %.
Чтобы сэкономить потребление электроэнергии и повысить энергоэффективность ЦОД, используйте все перечисленные способы или комбинируйте их, учитывая особенности проекта здания, климатические условия, размеры бюджета и другие факторы.
Нужна консультация?
Оставьте свой номер и мы вам перезвоним
Готово!
Заявка на консультацию отправлена
Заявка на участие в партнерской программе
Готово!
Заявка на консультацию отправлена
Хотите узнать цену? Оставьте свой номер, и мы вам перезвоним
