ENERGIEMONITORING IN RECHENZENTREN. HERAUSFORDERUNGEN & ERFAHRUNGEN

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1 ENERGIEMONITORING IN RECHENZENTREN HERAUSFORDERUNGEN & ERFAHRUNGEN Berlin, Green-IT-Tag,

2 GGC-Lab: Die Projektpartner Technische Universität Berlin Fachgebiet Informations- und Kommunikationsmanagement 2

3 GGC-Lab: Übersicht und Einflussfaktoren Hier: Energieeffizienz Lastmanagement 3

4 Agenda 1. Monitoring im Rechenzentrum Status und Trends 2. Energiemonitoring für Rechenzentren Herausforderungen 3. Praxisbeispiel GGC-Lab: Aufbau eines Energie- und Performance-Monitorings Planung Umsetzung Ergebnisse 4. Empfehlungen 4

5 1. Monitoring: Ein Rechenzentrum Zwei Welten Gebäudetechnik Kühlsystem IKT Legende Kälteanlagen Stromleitung Systemgrenzen Rück-/Freikühler Splitgeräte Stromversorgung NSUV Umluftkühler Leitungsnetze (Pumpen ) IKT-Systeme EVU Netzersatzanlage Transformator NSHV USV NSUV R-NSUV Server Speicher Eigenerzeugung Sonstiges Netzwerke NSUV MSR Abkürzungen: EVU = Energieversorgungsunternehmen NSHV = Niederspannungshauptverteilung R-NSUV = Rack-Niederspannungsunterverteilung USV = Unterbrechungsfreie Stromversorgung MSR = Mess-, Steuer- und Regelungstechnik Beleuchtung Brand-& Gefahrenschutz Sonstiges 5

6 1. Monitoring: bunte Landschaft im Rechenzentrum 6

7 1. Monitoring: Standards und Trends im RZ-Monitoring IKT-Systeme» Oft IP-basiertes Monitoring (SNMP) mit Fokus auf Performance und Verfügbarkeit» Häufig werden Agenten auf Zielsystem benötigt» Neuer Trend: Agentenloses Monitoring durch IPMI (z.b.: HP-ILO und WMI) Gebäudetechnik» Viele verschiedene Feldbusse (MODBUS, Profibus)» Trend zu IP-basiertem Monitoring (BACNet) 7

8 Agenda 1. Monitoring im Rechenzentrum Status und Trends 2. Energiemonitoring für Rechenzentren Herausforderungen 3. Praxisbeispiel GGC-Lab: Aufbau eines Energie- und Performance-Monitorings Planung Umsetzung Ergebnisse 4. Empfehlungen 8

9 2. Energiemonitoring für Rechenzentren Analyse von ausgewählten Systemen zum RZ-Monitoring Anbindung IT Anbindung GT Kostentransparenz Messsensoren Art Messsensoren Hersteller Datenexport Schnittstellen Datenexport-KPI Datenexport- Zeitauflösung Datenqualität Auswertung Visualisierung Avocent CA Tech. dezem IBM IT-Backbone JouleX Achtung: die Systeme sind nur bedingt vergleichbar. Nimsoft Cob-Web (prorz) Paessler PRTG Raritan - Power IQ Raritan - DC Track RiZone (Rittal) Speedikon DAMS Herausforderung: übergreifende Lösungen für IT und GT Quelle: Drenkelfort et al, 2012, GreenIT Cockpit Referenz 0% 25% 50% 75% 100% 9

10 2. Fazit: Energiemonitoring im Rechenzentrum» Die Qualität des Energiemonitorings hängt sehr stark vom umgesetzten Datenerhebungskonzept ab» Viele Anbieter von Energiemonitoringsystemen sind derzeit dabei, ihre Systeme zu erweitern und insbesondere die einfache Integration von Komponenten anderer Hersteller zu ermöglichen» Die große Herausforderung: Energieverbrauchsdaten und Performancedaten zusammenbringen! 10

11 Agenda 1. Monitoring im Rechenzentrum Status und Trends 2. Energiemonitoring für Rechenzentren Herausforderungen 3. Praxisbeispiel GGC-Lab: Aufbau eines Energie- und Performance-Monitorings Planung Umsetzung Ergebnisse 4. Empfehlungen 11

12 3.1 Planung: Definition der Zielgrößen Green Performance Indicator Framework (GPIF) Facility DCiE Energy el IT in / Energy total DC Data Center DCeP IT-Services / Energy all DC Energieeffizienz und Produktivität HVAC HVAC-EEP Energy el IT / Energy all HVAC in Power Provisioning PP-EE 1- Energy el PP/ Energy el DC IT IT-PEW IT Services / Energy el IT Chiller (CH) CH-EEP Energy th CH out / Energy el CH in UPS UPS-SE Energy el UPS out / Energy el UPS in Server - Serv-EEP tasks/ Energy el Server Re/Freecooler (RFC) RFC-EEP Energy th RFC / Energy el RFC in Transformator Trafo-EEP Energy el Trafo out / Energy el Trafo in Storage Stor-EEP IO or GB/ Energy el Storage Cooling Cycles (CC) CC-EEP Energy th CC out / Energy th CC in EPS EPS-EEP max Energy el EPS out / Energy el EPS in Network Net-EEP Gb/ Energy el Network CRAC/H CRAC/H- EEP Energy th CRAC/H out / Energy el CRAC/H in Power Distribut. (PD) PD-EEP 1 - Energy el PD/ Energy el PP Source: Schödwell et al 2012 On-Site Generation OSG-EEP Energy el OSG out / Energy fuel OSG in 12

13 3.1 Planung: Messkonzept Zielgrößen: Top-Down planen MP KS Kühlsystem Kälteanlagen Rück-/Freikühler Be-/Entfeuchter Kontinuierliche Messung für jeden Messpunkt: Qel = elektr. Energie Pel = elektr. Wirklasten Umluftklimagerät Stromversorgung Pumpen & Ventile IKT-System Notstromaggregat Server EVU Transformator Eigenerzeugung MP EVU MP EE NSHV MP USV USV Sonstiges MP IT1 PDU MP IT2 Speicher Netzwerk Telekommunikation Legende Stromleitung Systemgrenzen MP Messpunkt MP So Mess-, Steuer- und Regelungstechnik Beleuchtung Kleinverbraucher Brand- und Gefahrenschutz Abkürzungen EVU = Energieversorgungsunternehmen NSHV = Niederspannungshauptverteilung PDU = Power Distribution Unit USV = Unterbrechungsfreie Stromversorgung 13

14 3.1 Planung: Bestandsaufnahme Messtechnik Was wird bereits gemessen? i.d.r. sind Messgeräte im RZ vorhanden diese gilt es zu finden und zuzuordnen!!! 14

15 3.1 Planung: Raumbelegungsplan Was soll zusätzlich gemessen werden? Wo finde ich das, was zusätzlich gemessen werden soll? 15

16 3.1 Planung: Stromlaufplan Wo können die zusätzlichen Messungen am besten umgesetzt werden? 16

17 3.2 Umsetzung: Messkonzept Bsp. GGC-Lab Nr. Messkategorie Messpunkt (phys. Messgröße) Symbol Einheit Lasten-/Pflichtenheft erarbeiten Messintervall 1 Stromversorg. Wirkleistung P wirk,rzges W 2 min 2 Stromversorg. Wirkleistung P wirk,rzges W 2 min Kompressor Kälteanlage 1 RZ2 3 Stromversorg. Wirkleistung Phase 1 Phase1 W 2 min Kompressor Kälteanlage 1 RZ2 3 Stromversorg. Wirkleistung Phase 2 Phase2 W 2 min Kompressor Kälteanlage 1 RZ2 3 Stromversorg. Wirkleistung Phase 3 Phase3 W 2 min Messstelle (Ort des Messgeräts) Raum Gebäude RZ2, (NSHV-Raum) Gebäude RZ2, (NSHV-Raum) Gebäude RZ2, (NSHV-Raum) Gebäude RZ2, (NSHV-Raum) Gebäude RZ2, (NSHV-Raum) 80 Server EE Serv = Transactions/ Q el, serv [Tran/kWh el ] 82 - CPU EE CPU = Cycles CPU /Q el, CPU [Cycles/kWh el ] Ausl RAM = Space RAM, used /Space RAM, rated Messstelle (Ort des Messgeräts) - Bezeichnung Messgerät Janitza UMG 507E NSHV Feld 4 (Trafo1) (Nr.1) Janitza UMG 507E NSHV Feld 7 (Trafo2) (Nr.2) Schaltschrank NSHV Feld 9, Abgang Q26 Wandler 300 A Schaltschrank NSHV Feld 9, Abgang Q26 Wandler 300 A Schaltschrank NSHV Feld 9, Abgang Q26 Wandler 300 A 79 Stromversorg. Gesamtstrom USV-Aund für die Gebäude Detailplanung RZ2, Wirkleistung Phase 1 Versorgung für Raum 105 W 2 min (USV-A-Raum) Installation am Gesamtstrom USV-A- der Messstellen Gebäude RZ2, Wandler 150 A 79 Stromversorg. Wirkleistung Phase 2 Versorgung für Raum 105 W 2 min (USV-A-Raum) Installation am Wandler 150 A 79 Stromversorg. Gesamtstrom USV-A- Wirkleistung Phase 3 Versorgung für Raum 105 W 2 min Gebäude RZ2, (USV-A-Raum) Installation am Wandler 150 A 83 - RAM EE RAM = IO RAM /Q el, RAM [IO/kWh el ] Ausl Disk = IO disk, used/ IO disk, rated 88 - Fan EE AFR = AFR serv, fan /Q el, serv, fan [m³/kwh el ] - 90 Storage EE Stor = IO storage /Q el, storage [IO/kWh el ] Ausl storage = IO storage, used /IO storage, rated 93 Network EE Net = IO net /Q el, net [Tb/kWh el ] Ausl Net = IO net, used/ IO net, rated genug Zeit einplanen! 17

18 3.2 Ergebnisse: Lösung im GGC-Lab Unsere Lösung: Integration von IT und GT mit einem übergeordneten Tool 18

19 3.2 Ergebnisse: Effizienzmaßnahmen regio it 1 2a 2b 3b 4 5 kwel. Virtualisierung und Konsolidierung 3a Virtualisierung und neue Server 1 2a 3b 4 Power-Management bei Servern Abschalten einzelner Server Einhausung Kaltgang für einen Serverraum Abschalten einzelner Server 5 Umzug von Servern in neues RZ ca. 400 phys. Server ca. 120 virt. Server 2b ca. 500 phys. Server ca. 750 virt. Server Serverraumtemperatur u. Blindplatten 26 kw wurden eingespart: - über 100 neue physische Server und zusätzliche virtuelle Maschinen Einsparpotenzial von 15% bei den Energiekosten 19

20 Agenda 1. Monitoring im Rechenzentrum Status und Trends 2. Energiemonitoring für Rechenzentren Herausforderungen 3. Praxisbeispiel GGC-Lab: Aufbau eines Energie- und Performance-Monitorings Planung Umsetzung Ergebnisse 4. Empfehlungen 20

21 4. Empfehlungen (1) Geschäftsleitung, IT-Abteilung und Gebäudemanagement müssen von Beginn an zusammenarbeiten (2) Die passende Lösung suchen» Skalierbarkeit» Offene Schnittstellen» Professioneller Support: z.b. Expertise für IT und GT Nicht bei der Ist-Analyse sparen!!! (3) Kostentransparenz schaffen» Lasten- und Pflichtenheft erstellen!!! (4) Top-Down-Vorgehen bei der Planung Messstellen» Klein anfangen groß einsparen 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Marc Wilkens Wiss. Mitarbeiter TU Berlin, FG IuK-Management Experte für die Energieeffizienz in RZ Tel.: +49 (0) 30 / Fax: +49 (0) 30 / Web: 22

23 4. Empfehlungen: Literatur» Rechenzentren und Cloud Computing Ein aktuelles Handbuch für die Öffentliche Verwaltung, Hrsg. Zarnekow, Rehfeld, Wilkens; Loseblattwerk Heise Zeitschriften Verlag, 2012» Bewertung von Kennzahlen und Kennzahlensystemen zur Beschreibung der Energieeffizienz von Rechenzentren ; Wilkens, Drenkelfort, Dittmar, IZE Schriftenreihe Nr.3, 2012» Towards a holistic Multi-Level Green Performance Indicator Framework (GPIF) to improve the Energy Efficiency of Data Center Operation A Resource Usage-Based Approach ; Schödwell, Drenkelfort et al, Electronics Goes Green, 2012» Orientierungshilfe zur Leistungsdichte und Lastermittlung von Servern, Datenschränken und Rechenzentren ; Terrahe, Wilkens, Whitepaper eco Datacenter Expert Group, 2012» APC White Paper Reihe: Classification of Data Center Management Software Tools, White Paper 104» Avoiding Common Pitfalls of Evaluating and Implementing DCIM Solutions, White Paper

24 Back Up Folien 24

25 Level Data Center (DC) IT Power System (PS) Cooling System (CS) SS Energy Efficiency (EE) Metrics Active Capacity Utilization (ACU) Name, Metric Unit Source Unit Source DCeP = IT-Services/Q el, DC DCiE = Q el, IT/Q el, DC ERF = Q th, Re-Use/Q el, DC [ITS/kWh el] [-] [kwh th/kwh el] b.o. [62] [60, 61] [64] ACU DC = Ø(ACU IT+ACU PS+ACU CS) b.o. [65] Total IT DCeP = IT-Services/Q el, IT, in [ITS/kWh el] b.o. [62] ACU IT = Ø(ACU Serv+ACU Stor+ACU Net) b.o. [66] Server* - CPU** - RAM** - Disk*,** - NIC** - PSU** - Fan** - Board** EE Serv = OPS/ Q el, serv EE Serv = Transactions/ Q el, serv EE Serv = FLOPS/ Q el, serv EE CPU = Cycles CPU/Q el, CPU EE RAM = IO RAM/Q el, RAM EE Disk = IO serv, disk/q el, serv, disk EE Disk = Space serv, disk/q el, serv, disk EE NIC = IO NIC/Q el, NIC EE PSU = Q el, PSU, out/q el, PSU, in EE AFR = AFR serv, fan/q el, serv, fan EE Board = 1- Q el, board/q el, serv [OPS/kWh el] [Tran/kWh el] [Flops/kWh el] [Cycles/kWh el] [IO/kWh el] [IO/kWh el] [GB/kWh el] [Gb/kWh el] [-] [m³/kwh el] [-] [42-44] [50] [45] o.p. o.p. b.o. [46] b.o. [47] b.o. [48] b.o. [66] o.p. o.p. ACU Serv = Ø(ACU CPU + ACU RAM + ACU disk + ACU NIC) ACU CPU = CPU-Time used/cpu-time total ACU RAM = Space RAM, used/space RAM, rated ACU Disk = IO disk, used/io disk, rated ACU Disk = Space disk, used/space disk, rated ACU NIC = IO NIC, used/io NIC, rated ACU PSU = Q el, PSU, out/q el, PSU, rated ACU Fans = Speed fan, used/speed fan, rated - ACU storage = IO storage, used/io storage, rated ACU storage = Space storage, used/space storage, rated - [42-44] [50] [45] o.p. o.p. b.o. [46] b.o. [47] b.o. [48] b.o. [66] o.p. - [46] [47] EE Storage* Stor = IO storage/q el, storage [IO/kWh el] [46] EE Stor = Space storage/q el, storage [TB/kWh el] [47] Network EE Net = IO net/q el, net [Tb/kWh el] [48,49] ACU Net = IO net, used/io net, rated [48,49] Total PS EE PS = 1- (Q el, PS, in/q el, DC, in) [-] o.p. ACU IT = Q el, dc, in/q el, trafo, rated o.p. UPS EE UPS = Q el, UPS, out/q el, UPS, in [-] ACU UPS = Q el, UPS, out/q el, UPS, rated PDU EE PDU = Q el,, PDU, out/q el, PDU, in [-] ACU PDU = Q el, PDU, out/q el, PDU, rated EPS EE EPS = Q el, EPS, in/q el, PS [-] o.p Trafo EE Trafo = Q el,, trafo, out/q el, trafo, in [-] o.p. ACU Trafo = Q el, trafo, out/q el, trafo, rated OSG EE OSG = Q el, OSG, out/q OSG, in [-] [67] ACU OSG = Q el, OSG, out/q el, OSG, rated [67] Total CS EER CS = Q th, CS, out/q el, CS [kwh th/kwh el] b.o. EE CS = 1- Q el, CS/Q el, DC [-] o.p. ACU CS = Q th, CS, used/q th, CS, rated Chillers - Airside - Compressor - Pumps - Fans - Waterside - Compressor - Pumps Re-/Free Cool. RC/FC - airside - Fans - waterside - Fans - Pumps Cool. Cycles*** - Pumps EER chil = Q th, chil/q el, chil EER chil includes Re-Cooling EER comp = Q th, chil, comp/q el, chil, comp EE LFR = LFR/Q el, pump EE AFR = AFR chil fan/q el, chil, fan EER Chil without Re-Cooling EER comp = Q th, comp/q el, comp EE LFR = LFR chiller, pump/q el, pump EER RC/FC = Q th, RC/FC/Q el, RC/FC EE AFR = AFR RC/FC, fan/q el, RC/FC, fan [kwh th/kwh el] [kwh th/kwh el] [m³/kwh el] [m³/kwh el] [kwh th/kwh el] [m³/kwh el] [kwh th/kwh el] [m³/kwh el] ACU chil = Q th, chil, out/q th, chil, rated ACU comp = Q th, chil, comp, out/q th, chil, comp, rated ACU pump = Speed pump,chil,used/speed pump,chil,rated ACU fan = Speed fan, chil, used/speed fan, chil, rated ACU comp = Q th, chil, comp, out/q th, chil, comp, rated ACU pump = Speed pump, used /Speed pump, rated Special for Free Cooling: ACU EC, full = hours used/8756 h ACU EC, part = hours used/8756 h ACU fan = Speed fan, used/speed fan, rated EE AFR = AFR RC/FC/Q el, RC/FC, fan EE LFR = LFR RC/FC/Q el, RC/FC, pump [m³/kwh el] [m³/kwh el] ACU fan = Speed fan, used/speed fan, rated ACU pump = Speed pump, used/speed pump, rated EER CC = Q th, CC/Q el, CC [kwh th/kwh el] EE LFR = LFR/Q el, pump [m³kwh el] ACU pump = Speed pump, used/speed pump, rated CRAH**** EER crah = Q th, crah/q el, crah [kwh th/kwh el] ACU crah = Q th, crah, out/q th, crah, rated - Fans EE AFR = AFR crah/q el, crah, fan [m³/kwh el] ACU fan = Speed fan, used/speed fan, rated - Humidifier EE Hum = water quantity/q el, hum [l/kwh el] o.p. - - CRAC**** EER crac = Q th, crac, out/q el, crac [kwh th/kwh el] ACU crac = Q th, crac, out/q th, crac, rated - DXcomp. EER DX = Q th, crac, comp/q el, crac, comp [kwh th/kwh el] ACU comp = Q th, comp, used/q th, comp, rated - Pumps EE LFR = LFR crac, pump/q el, pump [m³/kwh el] ACU pump = Speed pump, used/speed pump, rated - Fans EE AFR = AFR crac, fan/q el, crac, fan [m³/kwh el] ACU fan = Speed fan, used/speed fan, rated - Humidifier EE Hum = water quantity/q el, hum [l/kwh el] o.p Th. Stor. (TS) EE TS = Q th, TS, out/q th, TS, in [kwh th/kwh th] o.p. EE TS = Q th, TS, used/q th, TS, rated o.p. Humidifier RHD = Hum max - Hum min EE Air AM = T crac/h, in - T crac/h, out [ C] b.o. [68] EE Management AM, zu = 1/(T crac/h, out -T Serv, in) [-] b.o. [68] EE AM, ab =1/( T serv, out T crac/h, in) [-] b.o. [68] Total Sup. (SS) EE SS= 1- Q SS/Q DC [kwh el/kwh el] o.p Lightning EE Lights = Area DC/Q el, lights [m²/kwh] b.o [59] [59] 50 Kennwerte für das GPIF Quelle: Schödwell et al, Electronics Goes Green,

26 2. Energiemonitoring für Rechenzentren» Übergreifende Energiemonitoring-Lösungen erfassen vor allem den Strombedarf von IKT und Gebäudetechnik» Dabei erfassen Sie diesen direkt (Messtechnik) oder indirekt (Energieverbrauchsprofile)» Momentan: Energiemonitoringsystem schaffen, das Daten von Anlagen/Geräten/Komponenten verschiedener Hersteller aggregiert» Zukunft: Zusätzlich noch Performancemonitoring, d.h. Energiebedarfe mit Performance-Größen verknüpfen 26

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