W jaki sposób wentylatory EC w pomieszczeniach serwerowych przyczyniają się do obniżenia wskaźnika PUE?

Wskaźnik PUE i ukryte koszty chłodzenia serwerów

Wskaźnik wykorzystania energii (Power Usage Effectiveness, PUE) to stosunek całkowitego zużycia energii w obiekcie do energii zużywanej przez sprzęt informatyczny. Idealna wartość PUE wynosi 1,0, co oznacza, że każdy wat energii jest przeznaczony na obliczenia. W rzeczywistości większość pomieszczeń serwerowych osiąga wartości PUE w zakresie od 1,6 do 2,0. Dokąd więc uchodzi nadmiarowa energia? Do wentylatorów i systemów chłodzenia. W typowym centrum danych od 30% do 40% całkowitego zużycia energii przypada na przepływ powietrza i usuwanie ciepła. Przebywałem w setkach pomieszczeń serwerowych i jedna rzecz zawsze była oczywista: stare jednostki wentylatorowo-chłodnicze (fan coil units) oraz wentylatory o stałej prędkości obrotowej marnują ogromne ilości energii elektrycznej. Kierownik obiektu pokazał mi kiedyś ich miesięczne rachunki za energię – same wentylatory chłodzące kosztowały ich więcej niż serwery, nawet w upalne dni. To ukryty koszt, którego nie widać w arkuszu specyfikacji technicznej. Obniżenie wskaźnika PUE zaczyna się od ograniczenia zużycia energii przez wentylatory.

Wentylatory EC zmniejszają zużycie energii przez wentylatory o połowę w porównaniu do wentylatorów AC

Największym źródłem strat energii przez wentylatory jest silnik indukcyjny prądu przemiennego. Działa on z ustaloną prędkością, chyba że zainstaluje się napęd o zmiennej częstotliwości, który sam w sobie generuje straty. Silnik EC (elektronicznie komutowany) wykorzystuje magnesy stałe oraz wbudowany sterownik. Nie występują w nim straty miedziowe wirnika. Zgodnie z badaniem przeprowadzonym przez Lawrence Berkeley National Laboratory wymiana silnika z cieniowanym biegunem lub silnika z kondensatorem rozruchowym (PSC) na silnik EC w aplikacji wentylatorowej pozwala zmniejszyć zużycie energii o 40–60% przy tej samej wydajności przepływu powietrza. Oto przykład z życia codziennego: mała sala serwerowa typu colocation z dwudziestoma jednostkami chłodzącymi pierwotnie używała wentylatorów odśrodkowych z silnikami prądu przemiennego. Każdy z tych wentylatorów pobierał 80 W mocy. Po modernizacji na wentylatory EC ta sama wydajność przepływu powietrza wymagała już tylko 38 W mocy na wentylator. Łączna moc wszystkich wentylatorów spadła z 1600 W do 760 W. Okres zwrotu inwestycji wyniósł mniej niż rok. To nie są dane laboratoryjne – to rzeczywiste obniżki w rachunkach za energię elektryczną.

Sterowanie prędkością dostosowane w czasie rzeczywistym do obciążenia serwerów

Serwery nie pracują na pełnym obciążeniu przez całą dobę. Ich wydajność cieplna zmienia się w zależności od pory dnia, zapotrzebowania użytkowników oraz wykonywanych zadań obliczeniowych. Wentylator o stałej prędkości obraca się z maksymalną prędkością (100 %) nawet wtedy, gdy serwery są bezczynne, co prowadzi do nadmiernego chłodzenia pomieszczenia i marnowania energii. Wentylatory EC są wyposażone w standardowy wejściowy sygnał sterujący prędkością o zakresie 0–10 V lub PWM. Możliwe jest bezpośrednie połączenie prędkości wentylatora z czujnikiem temperatury lub sygnałem obciążenia IT. Współpracowałem z dostawcą usług hostingowych, który zainstalował klimatyzatory do pomieszczeń komputerowych z wentylatorami EC. Algorytm sterowania został skonfigurowany tak, aby utrzymywać temperaturę gorącego kanału dokładnie na poziomie 80 °F. Gdy aktywność serwerów spadła w nocy, wentylatory EC zmniejszyły prędkość obrotów do 35 %. Jaki był rezultat? Wskaźnik PUE firmy spadł z 1,8 do 1,45 w ciągu sześciu miesięcy. System chłodzenia przestał działać wbrew sobie. Dyrektor obiektu poinformował mnie, że chłodnica również pracowała rzadziej, ponieważ wentylatory EC dostarczały wyłącznie niezbędnego strumienia powietrza.

Lepsza wydajność przy częściowym obciążeniu tam, gdzie serwery przebywają najdłużej

Większość operatorów centrów danych projektuje je pod kątem obciążenia szczytowego, ale serwery w praktyce pracują średnio z wykorzystaniem mocy na poziomie 40–60%. W tych warunkach częściowego obciążenia wentylatory prądu przemiennego stają się bardzo nieefektywne. Zastosowanie przemiennika częstotliwości do silnika prądu przemiennego powoduje, że sam przemiennik zużywa od 3% do 8% mocy znamionowej w postaci ciepła. Ponadto przy niskich prędkościach sprawność silnika gwałtownie spada. Silniki prądu stałego (EC) nie mają tego problemu – utrzymują sprawność powyżej 80% w zakresie prędkości od 20% do 100%. Prawo podobieństwa mówi nam, że moc wentylatora zmienia się z sześcianem prędkości. Dlatego redukcja prędkości o 20% daje przybliżoną redukcję mocy o 50%. Jednak tylko wtedy, gdy silnik zachowuje wysoką sprawność. Silniki prądu przemiennego nie są w stanie tego zapewnić, natomiast silniki EC tak. Biały dokument Komitetu Technicznego ASHRAE nr 9.9 dotyczący chłodzenia centrów danych potwierdza, że układy wentylatorów EC zapewniają najlepszą wydajność przy częściowym obciążeniu w systemach o zmiennej objętości przepływu powietrza. W pomieszczeniach serwerowych, które przez większość czasu pracują przy średnim obciążeniu, wentylatory EC są jedynym rozsądnym wyborem.

Inteligentna integracja z systemem zawierania gorących i zimnych przejść

Nawet najlepszy wentylator traci na wartości, jeśli przepływ powietrza nie jest odpowiednio kierowany. Nowoczesne sale serwerowe wykorzystują systemy zawierania gorących i zimnych przejść. Jednak ciśnienie statyczne zmienia się w miarę zanieczyszczania się filtrów oraz dodawania lub usuwania serwerów. Wentylatory EC są wyposażone w wbudowaną inteligencję. Mogą one mierzyć ciśnienie statyczne i automatycznie dostosowywać prędkość obrotową w celu utrzymania zadanej wartości. Widziałem to w działaniu w centrum danych finansowych w Chicago. Zainstalowano tam dwadzieścia jednostek chłodzących ustawionych w rzędzie, z czego każda wyposażona była w cztery wentylatory EC ułożone w konfiguracji ściany wentylatorowej. System zarządzania budynkiem przesyłał sygnał ciśnienia do każdego wentylatora. Gdy pojawiło się miejsce nagrzewania się („gorący punkt”) w pobliżu stojaka serwerów o wysokiej gęstości, najbliższe wentylatory EC zwiększyły indywidualnie swoją prędkość obrotową, zamiast zwiększać prędkość wszystkich wentylatorów jednocześnie. Roczne zużycie energii na cele chłodzenia zmniejszyło się o 35%, a wskaźnik PUE poprawił się z 1,65 do 1,32. Najlepsze praktyki Green Grid w zakresie zarządzania powietrzem zalecają właśnie tego typu sterowanie strefowe, oparte na rzeczywistym zapotrzebowaniu. Wentylatory EC czynią takie rozwiązanie praktycznym, ponieważ każdy z nich posiada własny sterownik.

Długoterminowy zwrot z inwestycji (ROI) i raportowanie z zakresu zrównoważonego rozwoju

Koszt początkowy to najczęstsza wątpliwość. Wentylator EC jest droższy niż wentylator prądu przemiennego (AC) o tej samej wielkości. Jednak całkowity koszt posiadania przedstawia inną historię. Wentylatory EC rzadziej ulegają awariom mechanicznym, ponieważ pracują przy niższych temperaturach i nie zawierają kondensatora rozruchowego ani przełącznika odśrodkowego, które mogłyby ulec uszkodzeniu. Ich uszczelnione łożyska wytrzymują 50 000 godzin lub więcej. Przejdźmy teraz do oszczędności energii. W pomieszczeniu serwerowym z 500 szafami rack, w którym działa 25 jednostek chłodzących, z których każda zużywa średnio 400 watów mocy wentylatora, zamiana wentylatorów AC na EC pozwala zaoszczędzić około 200 000 kilowatogodzin rocznie. Przy średniej komercyjnej cenie energii elektrycznej wynoszącej 12 centów za kWh oszczędność ta wynosi 24 000 USD rocznie. Dodatkowo redukcja emisji dwutlenku węgla wynosi około 140 ton metrycznych CO2 rocznie – dane te można bezpośrednio wpisać do raportu z zakresu zrównoważonego rozwoju. Dla operatorów, którzy potrzebują gwarantowanej wydajności oraz długoterminowego partnerstwa, doświadczeni dostawcy, tacy jak Fanova, oferują rozwiązania z wentylatorami EC wraz z weryfikowanymi raportami z tunelu aerodynamicznego, precyzyjną usługą dopasowania oraz trzyletnią pełną gwarancją. Produkuje silniki EC od 2003 roku i obsługuje klientów w 80 krajach. Gdy obniżenie wskaźnika PUE stanowi rzeczywisty cel biznesowy, a nie tylko hasło marketingowe, Fanova zapewnia niezawodność inżynieryjną i łańcucha dostaw niezbędną do jego osiągnięcia.