BME OMIKK ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 45. k. 7 8. sz. 2006. p. 81 87. Racionális energiafelhasználás, energiatakarékosság Adatfeldolgozó központok energiafelhasználása Az adatfeldolgozó központok alapterületre vetített éves fajlagos energiafelhasználása 10 30- szorosa egy átlagos irodaépületének, ezért e létesítmények fontos célpontjai lehetnek az energiatakarékossági fejlesztéseknek. Összeállításunk 22 amerikai adatfeldolgozó központ tapasztalatait ismerteti az általuk elért energiamegtakarítást és a járulékos előnyöket illetően. Tárgyszavak: számítóközpont; adatfeldolgozó központ; légkondicionálás; vízhűtés. Mivel az adatfeldolgozó központok alapterületre vetített éves fajlagos energiafelhasználása 10 30-szorosa egy átlagos irodaépületének, e létesítmények fontos célpontjai lehetnek az energiatakarékossági fejlesztéseknek. Tekintettel arra, hogy e központok folyamatosan üzemelnek, igényeik mindig részét képezik az erőművek csúcsidőszaki terhelésének, amit aztán megfelelő időszakos tarifák érvényesítésével be is hajtanak rajtuk a szolgáltatók. A következő összeállításban 22 adatfeldolgozó központ tapasztalatait ismertetjük az általuk elért energiamegtakarítást és járulékos előnyöket illetően. Hatékony kimaradásmentes rendszerek és információtechnológiai berendezések Számítóközpontok energiahatékonyságát úgy lehet a legjobban javítani, ha csökkentik az áram átalakításához kapcsolódó hőveszteséget az információtechnológiai (IT) berendezésekben és a központ infrastruktúrájában is. Az akkumulátorokra támaszkodó hagyományos kettős átalakítású szünetmentes tápellátó rendszerekben (uninterruptible power supply, UPS) a hálózati villamos teljesítményt egyenáramúra, majd váltakozó áramúra alakítják. Az eköz- 81
ben keletkező tetemes hő elvezetéséhez megfelelő hűtésre van szükség. E helyzetet csak súlyosbítja, hogy az áramátalakítás hatásfoka az UPS-rendszerek gyenge leterheltsége esetén nagymértékben csökken márpedig ez a legjellemzőbb állapot itt, mivel az üzemeltetők igyekeznek fenntartani a redundanciát, a terhelést pedig közel 40 százalékos szinten tartják. Jobb hatásfokú UPS-rendszerrel az áramfogyasztás rögtön 20 30%-kal mérsékelhető. A fűtés, szellőztetés és légkondicionálás teljesítményigényének megfelelő csökkentésével (új létesítményeknél) további beruházási költségmegtakarítás és kapacitástartalék érhető el. Hasonló jelenség tapasztalható a szerverek és más, rendszerint többszöri teljesítmény-átalakítás mellett működő informatikai berendezések belsejében is, mivel az ismétlődő váltakozó áramról egyenáramra, majd az ezt követő többszöri egyenáramú átalakítás e berendezések tápegységeiben hozzájárul a teljesítményveszteséghez. A levegőkezelés optimalizálása A számítástechnikai tevékenységek gyorsütemű bővülésével a kisebb adatkezelő központok és a nagyobb, korszerű IT-berendezésekkel is ellátott digitális centrumok koncentrált hőterhelése egyre nő. A hatékony levegőelosztás ezért egyaránt jelentősen befolyásolja mind a berendezések energetikai hatékonyságát, mind a megbízhatóságát egyaránt. Az IT-berendezések, illetve a fűtés, a szellőzés és a légkondícionálás által felhasznált energia mennyiségét egybevetve kitűnik, hogy egyes számítóközpontok jobban működnek a többieknél (1. ábra). E teljesítményértékelési módszer szerint a nagyobb arány arra utal, hogy számítástechnikai célokra több villamos energiát használnak fel, mint hűtésre. Más szavakkal, ezekben a centrumokban a kisegítő rendszerek hatékonyabban vonják el a hőt az IT-berendezésektől. A legjobb és a legrosszabb központ közötti ötszörös eltérés több tényező együttes hatására utal, beleértve a hűtés módját és elosztását is, noha a jó hatásfokú és hatékony hűtés szempontjából a levegőellátás a meghatározó. A hideg levegő elosztása és a hulladékhő öszszegyűjtésének javítása vagy optimalizálása sokféle tervezési és üzemeltetési módszer alkalmazását igényli. A léghűtés javítása gyakran a következő problémák megoldását igényli: a forró levegő rövidre záródása a szerver egyes egységei fölött vagy körül; a lehűtött levegő rövidre záródása és viszszavezetődése a légkondícionáló berendezésbe az emelt padozatban kialakított nyílásokon, köztük kábellyukakon és nyílásokkal ellátott burkolólapokon keresztül; az emelt padozat nyílásokkal ellátott burkolólapjainak elmozdulása; 82
a számítóközpont sorszáma 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 az IT-berendezések által felhasznált teljesítmény aránya a HVAC-rendszerekhez viszonyítva az emelt padozat alatti csöveknél és kábelkö- 1. ábra A számítóközpontok fűtési, szellőző és a légkondicionáló (HVAC) rendszereinek hatékonysága kedvezőtlen módon elhelyezett számító- géphűtő egységek; nem elég magas mennyezet vagy alulmére- tezett csatorna a felmelegedett levegő viszszavezetéséhez; tegeknél gyakran előforduló légelzáródások; nyílások képződése a szerver egyes egységeiben a forró részektől a hidegebbek felé, vagy megfordítva; nem megfelelő légáram az IT-berendezések egyes egységein keresztül azok konstrukciójával összefüggésben; IT-berendezések oldaláról vagy a tetejéről kiáramló levegő a légcsatornák be- vagy kimeneténél; Nem megfelelő alacsony vagy túl nagy nyomás a padozat alatt. E problémák kezelésénél az IT-berendezésekhez táplált hűtő levegő és az általuk kibocsátott hő ártalmas keveredésének kiküszöbölése az általános cél. Jól megtervezett rendszerben a levegő elosztása hozzájárulhat az üzemeltetési költségek csökkentéséhez, mérsékelheti a fűtés, a szellőzés és a légkondicionálás céljait szolgáló beruházások nagyságát, fokozott hulladékhő-hasznosítást tehet lehetővé, illetve a berendezések túlmelegedésével összefüggő meghibásodások miatti üzemkimaradások mérséklésével javíthatja a megbízhatóságot. A gyakori levegőellátási problémák kezelésénél a következő megoldások javasolhatók: hideg és forró szigetek kialakításával, amikor két-két számítógép-részegység hőt kibocsátó, illetve hideg oldalait egymás felé fordítják (2. ábra); 83
hűtési nyomószellőztetés fizikai elválasztás forró sziget hideg sziget forró sziget emelt padozat 2. ábra Tipikus hideg és forró szigetek -megoldás. A hideg levegő szétosztása fentről vagy lentről egyaránt megoldható a padozat alatti rendszerek nyílásainak betömése; a berendezések nem kihasznált tereinek kiiktatása; a számítógéptermek léghűtő egységeinek és a padozat nyílásainak gondos elhelyezése, gyakran erre alkalmas számítógépes áramlási modellek segítségével; a felhevült levegő összegyűjtése felül, magasan elhelyezett nyomószellőztetés vagy légelvezető csatorna segítségével, és hatékony visszajuttatása a légkezelő egységbe, lehetőleg akadálymentes áramlási feltételek biztosítása. Pénzmegtakarítás hűtéssel Az adatkezelő központok IT-berendezéseiben az év folyamán gyakorlatilag állandó a hűtési terhelés. Megfelelő, általában párologtatásos vízhűtő tornyok beállításával a belső hűtéshez közvetett módon hideg víz nyerhető ha kint nincs túl hideg, vagy éppen éjszaka van. E takarékos hűtési módszer olyan égövön alkalmazható, ahol az éves nedves átlaghőmérséklet egy évben legalább 3000 órán át meghaladja a 26 C-ot. Megtakarítás (akár a vízfelhasználás 75%-áig) a külső hőmérséklettől és a berendezés konstrukciójától függően a hűtőberendezésbe lépő víz előhűtésével vagy a kompreszszoros hűtés kiküszöbölése révén érhető el, 84
nemkülönben a megbízhatóság javulásának és a hűtőberendezés ritkább karbantartásának köszönhetően. Lehet takarékoskodni levegős előhűtőkkel is. Egyes adatkezelő központok rutinszerűen élnek is ezzel a lehetőséggel, mások viszont a gépterembe a külső levegővel kerülő szennyeződés és hő miatt nem tartják ezt jó megoldásnak. Az Amerikai Fűtési, Hűtési és Légkondicionálási Társaság (ASHRAE) ezért kézikönyv kiadását tervezi e probléma kezelésének segítésére. A jelenlegi gyakorlat szerint a kereskedelemben kapható szabványos levegős előhűtők a helyi klíma és légszennyezés előzetes felmérése nélkül nem alkalmazhatók. A hőmérséklet és a páratartalom ingadozásai miatt, valamint az esetleges szilárd részecske és/vagy gáznemű szennyező anyagok miatt szükségessé váló légszűrést vagy más megoldást kell megfontolni. Egyébként a nagyszámítógépek és a tárolt mágnesszalagok idejéből a páratartalomra vonatkozóan fennmaradt szigorú előírások ma már elhagyhatók vagy enyhíthetők, miután az adatkezelő központokban ez a hatás általában csekély. Egyes számítóközpontokban a páratartalmat csak a kondicionált levegőben szabályozzák, miközben párologtatóik hűtik a levegőt. Úgy lehet elkerülni a szükségtelen kiegészítő légnedvesítést, ha a légkondicionáló berendezések hűtőtekercseit úgy állítják be, hogy az azokban áramló víz hőmérséklete nagyobb legyen 23,5 C-nál. Hatékony levegőellátás Kedvező üzemeltetési viszonyokat többnyire azokban az adatfeldolgozó központokban tapasztaltak, ahol központosított a légkondicionálás. A hagyományos, több felhasználót elkülönítve kezelő rendszerekhez viszonyítva e megoldás főbb előnyei a következők: a központosított légkondicionáló rendszerek nagyobb motorokat és ventilátorokat alkalmaznak, amelyek általában jobb hatásfokúak; mivel a központosított légkondicionáló rendszerekben alkalmazott hajtóegységek működési frekvenciája módosítható, jobban képesek alkalmazkodni a változó üzemi feltételekhez, kihasználva azt, hogy a szerverek egyes szekciói csak ritkán vannak teljes terhelés alatt; a központosított rendszer ki tudja aknázni a fölös vagy éppen kihasználatlan kapacitások előnyeit, ezzel is javítva a hatékonyságot; a központosított légkondicionáló rendszereknél kevésbé valószínű, hogy egymás rovására fognak működni, mint az gyakran 85
előfordul a független vagy nem összehangolt rendszerek esetében; központosított légkondicionáló rendszerekben a hűtést gyakran vízzel végzik, ami jóval hatékonyabb a számítógéptermekben alkalmazott víz- és léghűtésnél; egyetlen központosított rendszer kevesebb karbantartást igényel, mint az elosztott. Mindig a megfelelő méretekben Az adatkezelő központok többségének villamosenergia-szükségletét meglehetősen pontatlanul szokták becsülni a tervezők, ezért azok (a tervezetthez képest) csak gyenge kihasználtsággal működnek, hovatovább aktív életkoruk teljes időszakában. Bár az IT-berendezések áramszükségletét nem lehet pontosan megtervezni, az elektromos és a mechanikus rendszereket úgy kell méretezni, hogy azok hatékonyan működjenek a nagy adatterhelés mellett és a viszonylag csendes időszakokban is. Tartalék kapacitás, illetve a várható csúcsterheléssel is számoló méretek alkalmazásával javítható az egész rendszer hatékonysága. A szellőzőcsatornák, a nyomószellőztetés és a csővezetékek mechanikai túlméretezése jelentős mértékben javíthatja az üzemeltetés költséghatékonyságát, és rugalmas működést tesz lehetővé. Változtatható sebességű motorok alkalmazása a hűtőkben, a hűtött és kondenzált vizet mozgató szivattyúkban és a hűtőventilátorokban jelentős mértékben javítják e készülékek különböző teljesítmény melletti működését, különösen, ha az energiafelhasználás minimalizálását szolgáló, összehangolt szabályozást is alkalmaznak a rendszerben. A túlméretezés hatása hatékony tervezési technikákkal, köztük átlagos hűtési hőmérsékletgörbék, és a víz másodlagos hűtőhatásának hasznosítása segítségével kompenzálható. A hűtőtorony energiafelhasználása csak kis hányadát képezi a létesítmény teljes energiaigényének. Túlméretezésükkel a hűtők és a másodlagos hűtési energiát hasznosító rendszerek működése számottevő mértékben javítható. Mindezek együttes érvényesítése A legjobban bevált gyakorlat követése nem a jobb technológia és üzemeltetési módszerek egyszerű behelyettesítését jelenti szerepe van itt a tervezőknek és a döntéshozóknak is, többek között a következők érvényesítésével: az energiagazdálkodás integrálása olyan funkciókkal, mint például a kockázatkezelés, a költségszabályozás, a minőségbiztosítás, az alkalmazottak elismerése és oktatása, valamint az életciklus-szemléletű költségelemzés alkalmazása döntéshozatali eszközként; 86
a tervező szándékait megtestesítő dokumentumok összeállítása valamennyi fontos, érintett szereplőre kiterjedően, együtt kezelve az összetartozó csapatokat, világosan meghatározva és érvényesítve a kulcsfontosságú tervezési döntések mögötti racionális elképzeléseket; a legjobb gyakorlatra épülő, számszerűsített célkitűzések alkalmazása; energetikai szempontú optimalizálási eljárások érvényesítése már a tervezés kezdeti szakaszában az építési és üzemeltetési költségek minimalizálása, a túlzott/ki nem használt biztonsági tartalék elkerülése és a viszonylag pontos előzetes költségbecslés érdekében; integrált nyomon követési, mérési és szabályozó rendszer alkalmazása a létesítmény tervezése során, a működő létesítmények teljesítményének értékelése, nyomon követve működésüket és feltárva a kínálkozó lehetőségeket; általános próbaüzemeltetési (minőségbiztosítási) eljárás beiktatása újonnan épülő, vagy felújítás előtt álló objektumok esetében; rendszeres helyreállítási fázisok beiktatása a létesítményszintű karbantartási programba; a helybeni villamosenergia-termelés esetleges bevezetésének értékelése, beleértve a kapcsolt hőt is hasznosító technológiákat; el kell érni, hogy a létesítményt üzemeltetők kivétel nélkül megismerjék az objektum berendezéseit és az energiahatékonyság szempontjából helyes üzemeltetés módjait. Összeállította: dr. Balog Károly Irodalom [1] Tschudi W; Mills E. stb.: Data-center energy use. = HPAC Engineering, 78. k. 3. sz. 2006. p. 45 51. [2] Lawrence Berkeley National Laboratory: Data center energy management a self-paced training website. = http://hightech.lbl.gov/dctraining/top.html 87