Как вентиляторы с электронным коммутатором (EC) в серверных помещениях способствуют снижению показателя PUE?

Показатель PUE и скрытые затраты на охлаждение серверов

Эффективность использования электроэнергии (PUE) — это отношение общего энергопотребления объекта к энергопотреблению ИТ-оборудования. Идеальное значение PUE равно 1,0, что означает, что каждый ватт потребляемой мощности направляется на вычисления. На практике большинство серверных помещений работают при значениях PUE от 1,6 до 2,0. Куда уходит избыточная энергия? На вентиляторы и системы охлаждения. Примерно 30–40 % общей потребляемой мощности типичного центра обработки данных приходится на перемещение воздуха и отвод тепла. Я побывал в сотнях серверных помещений, и одно становится очевидным всегда: устаревшие блоки кондиционирования с вентиляторами и вентиляторы постоянной скорости расходуют колоссальное количество электроэнергии. Руководитель объекта однажды показал мне их ежемесячный счёт за коммунальные услуги: только на вентиляторы охлаждения в жаркие дни тратилось больше средств, чем на сами серверы. Это скрытая стоимость, которую вы не видите в технической спецификации. Снижение PUE начинается с оптимизации энергопотребления вентиляторов.

Электронные коммутаторные (EC) вентиляторы снижают энергопотребление вентиляторов вдвое по сравнению с вентиляторами переменного тока (AC)

Наибольший вклад в потери энергии вентилятора вносит асинхронный двигатель переменного тока. Он работает на фиксированной скорости, если только не добавить преобразователь частоты, который сам имеет потери. Электронно-коммутируемый (EC) двигатель использует постоянные магниты и встроенный контроллер. Потери в обмотке ротора из меди отсутствуют. Согласно исследованию Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, замена экранированного полюса или конденсаторного двигателя на EC-двигатель в вентиляторных приложениях снижает энергопотребление на 40–60 % при том же расходе воздуха. Вот реальный пример. В небольшом серверном помещении для колокации с двадцатью охлаждающими блоками изначально использовались центробежные вентиляторы с двигателями переменного тока. Каждый вентилятор потреблял 80 Вт. После модернизации на EC-вентиляторы тот же расход воздуха требовал лишь 38 Вт на вентилятор. Общая мощность вентиляторов снизилась с 1600 Вт до 760 Вт. Окупаемость составила менее одного года. Это не лабораторные данные — это реальное сокращение суммы в счете за электроэнергию.

Регулирование скорости в реальном времени в соответствии с нагрузкой сервера

Серверы не работают на полной нагрузке 24/7. Их тепловыделение варьируется в зависимости от времени суток, спроса пользователей и выполняемых вычислительных задач. Вентилятор постоянной скорости работает на 100 % даже тогда, когда серверы простаивают, приводя к избыточному охлаждению помещения и потере энергии. Вентиляторы EC оснащены стандартным входом управления скоростью в диапазоне 0–10 В или по ШИМ. Скорость вентилятора можно напрямую связать с датчиком температуры или сигналом нагрузки ИТ-оборудования. Я сотрудничал с хостинг-провайдером, который установил кондиционеры для серверных помещений на базе вентиляторов EC. Алгоритм управления был настроен так, чтобы поддерживать температуру в «горячем» проходе строго на уровне 80 °F. Когда ночью активность серверов снижалась, вентиляторы EC замедлялись до 35 % от номинальной скорости. Результат? Их коэффициент энергоэффективности (PUE) снизился с 1,8 до 1,45 за шесть месяцев. Система охлаждения перестала «бороться сама с собой». Директор объекта сообщил мне, что чиллер также стал работать реже, поскольку вентиляторы EC подавали только необходимый объём воздушного потока.

Повышенная эффективность при частичной нагрузке там, где серверы работают большую часть времени

Большинство операторов центров обработки данных проектируют инфраструктуру с учётом пиковой нагрузки, однако серверы в среднем работают на 40–60 % своей мощности. При таких частичных нагрузках вентиляторы переменного тока становятся крайне неэффективными. Если использовать преобразователь частоты для двигателя переменного тока, сам преобразователь потребляет от 3 % до 8 % номинальной мощности в виде тепла. А при низких скоростях вращения КПД двигателя резко падает. Электродвигатели постоянного тока (EC) не имеют этой проблемы: они сохраняют КПД выше 80 % в диапазоне скоростей от 20 % до 100 %. Закон подобия гласит, что потребляемая вентилятором мощность изменяется пропорционально кубу скорости вращения. Таким образом, снижение скорости на 20 % даёт примерно 50 %-ное снижение потребляемой мощности — но только при условии, что КПД двигателя остаётся высоким. Двигатели переменного тока этого обеспечить не могут, а EC-двигатели — могут. В белой книге Технического комитета ASHRAE 9.9 по системам охлаждения центров обработки данных подтверждается, что массивы EC-вентиляторов обеспечивают наилучшую эффективность при частичных нагрузках в системах с переменным расходом воздуха. Для серверных помещений, работающих большую часть времени при средней нагрузке, EC-вентиляторы являются единственным логичным выбором.

Интеллектуальная интеграция с системой изоляции «горячего» и «холодного» проходов

Даже самый лучший вентилятор теряет эффективность, если поток воздуха направляется неправильно. В современных серверных помещениях применяются системы изоляции «горячих» и «холодных» проходов. Однако статическое давление изменяется по мере загрязнения фильтров и при добавлении или удалении серверов. Вентиляторы с электронным коммутатором (EC) оснащены встроенным интеллектом: они способны измерять статическое давление и автоматически регулировать частоту вращения для поддержания заданного значения. Я наблюдал это на практике в финансовом центре обработки данных в Чикаго. Там использовались двадцать охлаждающих модулей, установленных в ряд, каждый из которых имел четыре EC-вентилятора, расположенных в виде вентиляторной стены. Система управления зданием передавала сигнал давления каждому вентилятору. При возникновении «горячей точки» рядом с серверной стойкой высокой плотности ближайшие EC-вентиляторы повышали обороты индивидуально, а не все вентиляторы одновременно. Годовое энергопотребление на охлаждение снизилось на 35 %, а показатель PUE улучшился с 1,65 до 1,32. Руководство Green Grid по передовым методам управления воздушным потоком рекомендует именно такой зонированный контроль, основанный на текущем спросе. EC-вентиляторы делают его реализацию практически возможной, поскольку каждый вентилятор имеет собственный контроллер.

Долгосрочная рентабельность инвестиций и отчётность в области устойчивого развития

Первоначальная стоимость — это обычное возражение. Электронный коммутаторный (EC) вентилятор действительно стоит дороже, чем асинхронный (AC) вентилятор того же размера. Однако совокупная стоимость владения рассказывает иную историю. EC-вентиляторы реже выходят из строя по механическим причинам, поскольку работают при более низких температурах и не имеют пускового конденсатора или центробежного выключателя, которые могут выйти из строя. Срок службы их герметичных подшипников составляет 50 000 часов и более. Теперь рассмотрим экономию энергии. В серверной комнате на 500 стоек с 25 охлаждающими установками, каждая из которых потребляет в среднем 400 Вт на вентиляторы, переход от AC к EC позволяет сэкономить около 200 000 киловатт-часов в год. При средней коммерческой тарифной ставке на электроэнергию в 12 центов за кВт·ч это составляет ежегодную экономию в размере 24 000 долларов США. Кроме того, сокращение выбросов углерода составляет около 140 метрических тонн CO₂ в год. Эти данные напрямую включаются в ваш отчёт об устойчивом развитии. Для операторов, которым необходима гарантированная производительность и долгосрочное партнёрство, опытные поставщики, такие как Fanova, предлагают решения на базе EC-вентиляторов с подтверждёнными отчётами аэродинамических испытаний в аэродинамической трубе, услугой точного подбора и трёхлетней полной гарантией. Компания Fanova производит EC-двигатели с 2003 года и оказывает поддержку клиентам в 80 странах мира. Когда снижение показателя PUE является реальной бизнес-целью, а не просто слоганом, Fanova обеспечивает инженерную поддержку и надёжность цепочки поставок, необходимые для её достижения.