Google do tohto retrofit projektu, zameraného na optimalizáciu prúdenia vzduchu v miestnosti a na zníženie využívania klimatizačných jednotiek, investoval spolu 25 000 dolárov. Investícia 25 000 dolárov do nového riadiaceho systému pre klimatizácie a do plastových závesov priniesla úsporu 67 000 dolárov ročne. Rekonštrukcia prebiehala bez akéhokoľvek výpadku prevádzky.
Osvedčené postupy: Meranie výkonu, optimalizácia prúdenia vzduchu a zvýšenie teploty
Meranie výkonnosti
Prvým krokom k riadeniu účinnosti POP, resp. dátového centra, je nepretržité meranie spotreby energie zamerané na dve hodnoty:
- Energia výpočtových zariadení: energia spotrebovaná servermi, úložiskami a sieťovými prvkami
- Režijná energia zariadení: distribúcia elektrickej energie, chladenie a osvetlenie
Účinnosť spotreby energie (PUE) je výsledok vychádzajúci z týchto dvoch typov energie. Inými slovami, PUE je meradlo, ktoré hovorí, ako efektívne dodáva budova energiu do IT zariadení. Ideálne PUE je 1,0 a znamená, že neexistuje žiadna režijná energia – každý watt energie vstupujúci do budovy putuje priamo do počítačového vybavenia a nikam inam.
PUE = (Energia IT vybavenia + Režijná energia budovy) / Energia IT vybavenia
PUE je potrebné merať dlhodobo, inak by sa výsledky nedali efektívne vyhodnotiť. Google vo svojich výpočtoch používa štvrťročné a ročné merania výkonu. Meranie v časovom rozmedzí niekoľkých hodín nie je užitočné a neprináša žiadne významné zníženia spotreby energie.
Optimalizácia prúdenia vzduchu
V typickom dátovom centre je zvyčajne výpočtová technika organizovaná do radov so vstupnou „studenou uličkou“, kde vstupuje studený vzduch do rackov, a výstupnou „teplou uličkou“, z ktorej vystupuje horúci vzduch. Klimatizačné jednotky pre dátové centrá (CRAC) pumpujú studený vzduch do studenej uličky. Vzduch prúdi cez počítačové vybavenie, sieťové prvky a teplou uličkou sa vracia späť do CRAC jednotky. Chladenie predstavuje najobjemnejšiu položku režijných nákladov prevádzky.
Najdôležitejším krokom optimalizácie prúdenia vzduchu je zabrániť zmiešavaniu studeného a teplého vzduchu. Existuje viac riešení. Kreatívne a jednoduché riešenia, ako blokovať a presmerovať prúdiaci vzduch, môžu výrazne znížiť potrebný výkon chladenia. Inštalácia zaslepovacích panelov v prázdnych rackoch a utesnenie medzier medzi výpočtovou technikou dokáže jednoducho pomôcť chladeniu.
Je dôležité odstrániť horúce miesta, aby sa v miestnosti dosiahol rovnomerný teplotný profil. Lokálne horúce miesta predstavujú pre výpočtovú techniku problém a zbytočne aktivujú jednotky CRAC. Správne umiestnenie snímačov tepla a použitie počítačového modelovania pomáha rýchlo identifikovať a odstrániť horúce miesta.
Zvýšenie teploty
Dlho sa tradovalo, že výpočtová technika musí fungovať v priestoroch s nízkymi teplotami od 15 °C do 21 °C. Avšak Americká spoločnosť pre kúrenie, chladenie a klimatizáciu (ASHRAE) na základe analýz odporúča teplotu studenej uličky až 27 °C. Táto teplota nemá žiadny škodlivý vplyv na počítačové vybavenie. Väčšina výrobcov počítačov technicky definuje špecifikácie práce zariadení pri teplote 32 °C, čiže priestor na teplotné korekcie existuje. Väčšina CRAC jednotiek je nastavená na odvlhčenie vzduchu až do 40 %-nej relatívnej vlhkosti a zároveň aj na ohrev vzduchu v prípade nízkej teploty. Zvýšenie teploty a vypnutie odvlhčovania a ohrevu poskytlo značné úspory. Zvýšená teplota studenej uličky umožňuje jednotkám CRAC pracovať oveľa efektívnejšie aj pri vyšších teplotách na vstupe. Tiež môžu využívať viac dní „chladenia zdarma“ v prípadoch, kedy mechanické chladenie nie je potrebné zapínať, a v prípadoch, že prevádzka má efektívnu správu vody a vzduchu. Jednoduché zvýšenie teploty z 22 °C na 27 °C v jednej 200 kW sieťovej miestnosti ušetrí ročne tisíce dolárov na nákladoch na energiu.
Prístupové body POP
Pri retrofite museli pracovať s tým, čo sa už v miestnosti nachádzalo. To znamenalo žiadne masívne navyšovanie kapitálu, a navyše, miestnosť musela zostať v aktívnej prevádzke počas celej doby rekonštrukcie. Zamerali sa na maximalizáciu účinnosti zariadení, ktoré sa už v prevádzke nachádzali. Vďaka niekoľkým drobným vylepšeniam a presným meraniam boli schopní nájsť významné úspory energie.
Východiskovým bodom bola typická Tier III+ dátová miestnosť s nasledujúcou konfiguráciou:
- Napájanie: UPS jednotky s projektovaným maximálnym zaťažením 250 kW
- Chladenie: štyri 111 kW CRAC jednotky
- Racky: komerčne dostupné zariadenia od dodávateľov vrátene optických prepínačov, sieťových switchov, napájacích zdrojov a vyrovnávaním záťaže.
Termostaty jednotiek CRAC boli nastavené na 22 °C pri 40 %-nej relatívnej vlhkosti vzduchu. V tom čase bolo zaťaženie výpočtovej techniky iba 85 kW, aj keď návrh predpokladal zaťaženie 250 kW počítačového a sieťového vybavenia. Žiadne pokusy o optimalizáciu prúdenia vzduchu neprebehli. V tejto konfigurácii bola miestnosť podchladená, predimenzovaná a nevyužitá. Počiatočné meranie prinieslo vysokú úroveň PUE, až 2,4 bodu.
Okamžité zlepšenie
Ešte pred realizáciou väčších zmien uskutočnili jednu malú zmenu. Aby mohli zlepšiť PUE, bolo potrebné merať výkon chladenia. Ich cieľom bolo dosiahnuť vypnutie niekoľkých CRAC jednotiek. Po inštalácii snímačov teploty a analýze prúdenia vzduchu vytvorili pomocou CFD metód teplotné modely, na ktorých simulovali prúdenie vzduchu. Na počítačovom modeli bolo vidieť, ako väčšina studeného vzduchu výpočtovú techniku obchádza – prúdi cez otvory v podlahe do studenej uličky a ponad stroje ústi priamo do teplej uličky.
Snímače teploty lokalizovali aj horúce miesta v miestnosti. Racky s výkonným počítačovým vybavením spotrebovali asi 5,6 kW na rack a produkovali viac tepla ako racky s nízkou spotrebou energie alebo racky s nižšou hustotou techniky. Keďže všetky výkonné racky boli koncentrované v jednej časti miestnosti, tá bola podstatne teplejšia ako iné časti.
Pre optimalizáciu chladenia a zníženia spotreby energie sa vykonali tieto okamžité kroky:
1. krok: Stanovenie kľúčových monitorovacích bodov (tzv. CMP)
Účinné meranie zmeny teplôt v miestnosti si vyžadovalo definovanie kľúčových monitorovacích bodov, v ktorých potrebovali presné merania teploty. Medzi tieto body patril UPS systém (menovitá teplota zariadenia musela byť pod 25 °C), vstupné a výstupné teploty z klimatizačných jednotiek.
2. krok: Optimalizácia vetracích otvorov
Výstupy vetracích otvorov studeného vzduchu presunuli od rackov z nízkou spotrebou k rackom s vysokým výkonom, čím výrazne znížili vznik horúcich miest. Vďaka výstupom z CMP boli schopní nájsť a efektívne usporiadať vetracie otvory.
3. krok: Zvýšenie teploty a rozsahu relatívnej vlhkosti
Pôvodné nastavenie jednotiek CRAC bolo 22 °C pri relatívnej vlhkosti vzduchu 40 %. Podľa odporúčaní ASHREA nastavili okolitú teplotu na 27 °C a rozšírili odporúčaný rozsah vlhkosti na 20 – 80 % relatívnej vlhkosti.
4. krok: UPS systém
UPS systém si vyžadoval teplotu maximálne 25 °C. Avšak vzduch z jednotiek CRAC nemohol mať nižšiu teplotu. Aby UPS systém nemal vysokú teplotu, použili uzatváracie závesy (kompatibilné s NFPA 701) na izolovanie UPS. Tieto závesy sú podobné plastovým závesom používaným v komerčných chladničkách.
5. krok: Zlepšenie regulácie CRAC jednotiek
Klimatizačné jednotky nemohli nahradiť úplne, preto sa rozhodli zlepšiť reguláciu chladenia. Znížili citlivosť jednotky na zmeny teploty a relatívnej vlhkosti, čím zabránili zbytočnému zapínaniu a vypínaniu. Zakázali odvlhčenie a ohrievanie a zvýšili čas potrebný na aktiváciu chladenia. Po týchto zmenách pokleslo PUE z 2,4 bodu na 2,2.
Studené uličky
Pôvodným cieľom modernizácie bolo nastavenie chladenia efektívnejšie tak, aby mohli vypnúť niekoľko CRAC jednotiek, čím by ušetrili energiu. Museli však zlepšiť efektivitu prúdiaceho studeného vzduchu do studenej uličky zvýšením teplotného rozdielu medzi teplou a studenou uličkou. Do jednotky CRAC sa potom vracal iba najteplejší vzduch.
Google skúmal niekoľko spôsobov, ako izolovať studenú uličku od teplej. Najprv chceli inštalovať nad studenú uličku špeciálne veko. Lenže toto riešenie si vyžadovalo úpravu požiarneho systému. Namiesto toho uzavreli studené uličky pomocou záslepiek prázdnych miest v racku a pridali chladiace závesy na koncoch studených uličiek. Následne pridali pozdĺž celej studenej uličky chladiace závesy v 3-metrových rozostupoch. Po utesnení studenej uličky dosiahli pokles PUE na 2,0 bodu.
Rozšírenie nasávania teplého vzduchu jednotiek CRAC
CFD simulácie poukázali na dva konkrétne problémy s nasávaním horúceho vzduchu:
- Horúci vzduch z husto osídleného racku prúdil priamo do nasávania CRAC jednotky a vykazoval falošné zvýšenie teploty teplej uličky. Chybné údaje o zvýšenej teplote zapínali klimatizáciu oveľa častejšie ako bolo nutné.
- Na inom mieste sa priamo nad vzduchovým výstupom z CRAC jednotky miešal horúci a studený vzduch a opäť znižoval účinnosť.
Najjednoduchšie riešenie sa ukázalo ako najefektívnejšie. Pridali plechové obaly, ktoré zvýšili výšku nasávania o 1,2 metra, čo viedlo k lepšiemu prúdeniu horúceho vzduchu a vytvoreniu kompaktnejšej teploty.
Táto optimalizácia znížila počet klimatizačných jednotiek na polovicu. Dve CRAC jednotky dokázali udržať požadovanú teplotu studenej uličky. Porovnaním analýz v tomto bode s prvotnou analýzou je vidieť, že studená ulička je chladnejšia a teplá ulička je zhruba na rovnakej teplote – pri zvýšenej teplote a so zapnutou polovicou klimatizačných jednotiek. Dodatočne nainštalovali pohybové snímače, ktoré riadili osvetlenie v priestoroch. Tieto zmeny priniesli ďalší pokles PUE na 1,7 bodu.
Pridanie centrálneho riadenia klimatizačných jednotiek CRAC
Technici uvažovali, akým spôsobom by mohli dynamicky ovládať viacero CRAC jednotiek súčasne. Ak by stačila iba jedna jednotka, ostatné by zostali vypnuté. Ak by jedna jednotka náhle prestala fungovať, automaticky by sa zapla iná. Realizácia si vyžadovala centrálne riadenie CRAC jednotiek. Centrálne riadenie prepojili pomocou existujúceho centrálneho systému riadenia budov s CRAC jednotkami. Teraz dokážu zapínať klimatizáciu na základe vyťaženia vybavenia v miestnosti a môžu udržiavať požadovanú 2N redundanciu.
Centrálne riadenie rozdelilo chladenie miestnosti energeticky proporcionálnejšie. Inštalácia tohto systému zvýšila účinnosť, znížila nároky na údržbu a zvýšila redundanciu chladiaceho systému. Teraz na chladenie využívajú obvykle jednu alebo dve jednotky. Nižšie využitie jednotiek znamená menej údržby a vyššiu životnosť. Nové nastavenie počíta aj s redundanciou – ak jedna jednotka zlyhá, iná sa okamžite zapne. Lokálne riadenie jednotlivých CRAC jednotiek nechali zapnuté. V prípade, ak by centrálne riadenie zlyhalo, klimatizácia v miestnosti bude fungovať na starých lokálnych regulátoroch. Konečné úpravy priniesli PUE vo výške 1,5 bodu.
Úspory energie a návratnosť investícií
Úspory energií
V sieťovej miestnosti sa znížili prevádzkové náklady z 1,4 bodu na 0,5 na každý watt energie počítačového vybavenia. Všetky úpravy zrealizovali bez akýchkoľvek prevádzkových prestojov alebo teplotných výkyvov.
Zoznam vykonaných zmien je pomerne krátky:
- Pridané monitorovanie teploty
- Optimalizácia prúdenia vzduchu
- Zvýšenie teploty a relatívnej vlhkosti
- Zablokovanie studených uličiek pomocou závesov
- Implementácia zaslepovacích dosiek a bočných panelov na blokovanie prúdenia studeného vzduchu cez voľné rackové pozície
- Zväčšenie nasávacích otvorov CRAC jednotky
- Pridanie centrálneho riadenia CRAC jednotiek
Počítačová simulácia analýzy prúdenia vzduchu ukázala, že vzduch prúdi priamo cez počítačové vybavenie. Zmeny vykonané na jednom POP aplikovali rovnako na ostatné dátové centrá a zaznamenali ďalšie zlepšenia. Počas 18-tich mesiacov kontrolovali každú sekundu PUE, čiže každá hodnota PUE obsahovala v priemere 86 400 dátových bodov. Výsledky zostali konzistentné pre každú prevádzku, kde aplikovali spomínané zlepšenia.
Analýza návratnosti nákladov
Modernizácia energetickej efektívnosti dátového centra je dobrým príkladom, kde idú ruka v ruke šikovné technické zručnosti a ochrana životného prostredia. V tomto projekte viedli kapitálové investície v hodnote 25 000 dolárov k ročnej úspore energií 670 MWh. Ročne sa teda ušetrí 67 000 dolárov na nákladoch na energiu. Každé zlepšenie malo návratnosť menšiu ako rok a ušetrilo tisíce dolárov počas celej doby životnosti zariadení.
