Eine verbesserte Architektur für hocheffiziente Datencenter mit hoher Packungsdichte

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1 Eine verbesserte Architektur für hocheffiziente Datencenter mit hoher Packungsdichte Von Neil Rasmussen White Paper Nr. 126

2 Zusammenfassung Die Infrastrukturen der Stromversorgung und Kühlung von Serverräumen und RZ weltweit weisen jährliche Verluste von mehr als 60 Mio. Megawattstunden elektrischer Energie auf, die keinen nützlichen Beitrag zum Betrieb der IT-Geräte leistet. Dies stellt nicht nur eine enorme finanzielle Belastung für die Branche dar, sondern ist auch ein signifikantes Umweltproblem von öffentlichem Interesse. Das vorliegende Dokument beschreibt die Prinzipien einer neuen, im Handel verfügbaren Architektur für Serverräume und RZ, die bereits heute implementiert werden kann, um den elektrischen Wirkungsgrad dieser Einrichtungen drastisch zu verbessern. 2

3 Einführung In einem typischen Serverraum und RZ wird weniger als die Hälfte der aufgenommenen elektrischen Energie tatsächlich den IT-Lasten zugeführt. Über die Hälfte der elektrischen Energiekosten wird für Energie aufgewendet, die vom elektrischen Stromversorgungssystem, vom Kühlsystem und von der Beleuchtung verbraucht wird. Der Gesamtenergieverbrauch umfasst daher zwei große Bereiche: (1) die Leistungsaufnahme der IT-Lasten und (2) die Leistungsaufnahme der zusätzlichen Geräte (Abbildung 1). Der Schwerpunkt des vorliegenden Dokuments liegt auf der Leistungsaufnahme der zusätzlichen Geräte, darin eingeschlossen die Verluste der Stromversorgungsgeräte des Stromweges sowie die gesamte Leistungsaufnahme der zusätzlichen, nicht an der Stromversorgung beteiligten Geräte. Abbildung 1 Stromverbrauch in Serverräumen und RZ NÜTZLICHE Energie Leistungsaufnahme der IT-Lasten UNTERSTÜRZUNG der Stromversorgung Ziel ist die Reduzierung Leistungsaufnahme von zusätzlichen Geräten Strompfadverluste (= Wärme) Leistungsaufnahme von weiteren zusätzlichen Systemen Physikalische Infrastruktur Computerausrüster bieten neue Lösungen, wie z. B. Virtualisierung, an. Diese haben das Potenzial, die Gesamtzahl der IT-Geräte zu reduzieren, die für eine bestimmte Funktion erforderlich sind, und bieten eine Möglichkeit zur Reduzierung des Energieverbrauchs der IT-Lasten. Gleichzeitig bewirkt jedoch der Trend hin zu IT-Systemen, die mit höheren Leistungsdichten bei zeitvariabler Leistungsaufnahme betrieben werden, dass sich der elektrische Wirkungsgrad der Stromversorgungsund Kühlsysteme in Serverräumen und RZ verringert (siehe Textfeld). All dies kann als Verlust gelten, wenn die Stromversorgung der IT-Last als die nützliche Arbeit in Serverräumen und RZ betrachtet wird Wie wird der Wirkungsgrad von Serverräumen und RZ durch hohe Leistungsdichte und variierende IT-Last reduziert? Durch hohe Leistungsdichte und dynamische Belastung kann bei Unterstützung durch intelligente reihenbasierte Stromversorgung und Kühlung ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden. Ohne entsprechende Neugestaltung der Stromversorgung und Kühlung, die häufig nicht durchgeführt wird, ist folgendes typische Ergebnis möglich: Kühlungsverluste aufgrund stärkerer raumweiter Kühlung zur Bewältigung von Hotspots Reduzierte Betriebslasten und Überkapazität der Stromversorgung und Kühlung bewirkt eine Wirkungsgradabnahme, da eine geringere Last einen geringeren Wirkungsgrad der Stromversorgungs- und Kühlsysteme bedeutet Der Wirkungsgradverlust aufgrund überschüssiger oder fehlgeleiteter Energie und Kühlung wird an anderer Stelle in diesem Dokument erläutert. 3

4 Verschiedene Ansätze, den Energieverlusten in Serverräumen und RZ durch die Verbesserung der Stromversorgungs- und Kühlsysteme entgegen zu wirken, wurden in der Literatur beschrieben. Einige dieser Ansätze, wie beispielsweise direkte Wasserleitungsverbindungen zu IT-Geräten und Gleichstromverteilung, versprechen schrittweise Verbesserungen des Systemwirkungsgrades, sind jedoch heute nicht einsetzbar. Dieses Dokument stellt eine verbesserte Serverräume- und RZ-Architektur vor, die heute verfügbar und einsetzbar ist, und die den Energieverbrauch der Stromversorgungs- und Kühlsysteme in einer typischen Installation um mehr als 50 Prozent reduziert. Bei der neuen Architektur, die im vorliegenden Dokument beschrieben wird, handelt es sich nicht lediglich um eine physikalische Konfiguration von Geräten oder eine Wirkungsgradverbesserung einzelner Geräte, sondern um eine auf das gesamte System bezogene Umgestaltung, bei der die besten Elemente des RZ-Designs kombiniert werden: Konstruktionsdesign einzelner Geräte Leistungsverteilung Kommunikation und Koordination zwischen Komponenten Kühlstrategie Systemplanung Management-Tools Wenn alle diese Elemente zu einem integrierten System kombiniert werden, sind drastische Leistungsverbesserungen möglich. 4

5 Was wird aus der Energie? Der Energiefluss durch ein typisches RZ mit 2N-Redundanz ist in Abbildung 2 dargestellt. Energie tritt in Form von elektrischer Energie in das RZ ein, und fast die gesamte Energie (99,99 %+) verlässt das RZ in Form von Wärme. (Die restliche Energie wird von den IT-Geräten in Rechenarbeit umgewandelt.) Abbildung 2 Energiefluss in einem typischen RZ mit 2N-Redundanz Zu beachten ist, dass in diesem Beispiel nur etwa 30 Prozent der elektrischen Energie, die in die Anlage eintritt, für die Stromversorgung der IT-Last (in Abbildung 1 als NÜTZLICHE Energie bezeichnet) verwendet wird. Der Rest wird von den Stromversorgungs- und Kühlgeräten sowie der Beleuchtung verbraucht und in Wärme umgewandelt. (Ein nicht signifikanter Anteil der Energie wird von den Systemen für Brandschutz und physikalische Sicherheit verbraucht. Dieser Anteil wurde bei dieser Aufgliederung nicht berücksichtigt). Für dieses RZ gilt ein Wirkungsgrad von 30 Prozent, da 30 Prozent der gesamten Eingangsenergie für die IT-Last verwendet wird. 70 Prozent der Eingangsenergie verrichten daher keine nützliche Arbeit in den Serverräumen und RZ (Stromversorgung der IT-Lasten) und werden aus diesem Grund als Wirkungsgradverluste der Serverräume und RZ betrachtet (oder in der Terminologie eines Effizienzmodells als Verluste ). Um zu verstehen, wie diese Wirkungsgradverluste drastisch reduziert werden können denn die DIE GESAMTE nicht an der Stromversorgung beteiligte zusätzliche Leistungsaufnahme wird in diesem Modell als Wirkungsgradverlust betrachtet ist das Verständnis der folgenden fünf Hauptursachen erforderlich: 1 Wirkungsgradverluste der Stromversorgungsgeräte 2 Wirkungsgradverluste der Kühlgeräte 3 Leistungsaufnahme der Beleuchtung Diese tragen alle zur UNTERSTÜTZUNG der Energieversorgung in Abbildung 1 bei 4 Überdimensionierung der Stromversorgungs- und Kühlsysteme 5 Konfigurationsbedingte Wirkungsgradverluste Fünf Ursachen für elektrischen Wirkungsgradsverlust 5

6 Während die meisten Anwender problemlos verstehen, dass Wirkungsgradverluste der Stromversorgungs-, Kühl- und Beleuchtungsgeräte unwirtschaftlich sind, übertreffen die anderen Ursachen in der obigen Liste tatsächlich die Wirkungsgradverluste, werden jedoch weniger gut verstanden. Jede der obigen Ursachen wird in APC White Paper Nr. 113, Elektrisches Wirkungsgradmodell von Datencentern, ausführlich besprochen, ihre Leistungsaufnahmemerkmale werden nachfolgend erläutert: 1 Wirkungsgradverluste der Stromversorgungsgeräte Geräte, wie z. B. USV-Systeme, Transformatoren, Netzspannungsumschalter und Kabel, nehmen bei der Ausführung ihrer Funktion Leistung auf (die sich als Wärme manifestiert). Zwar geben die Typenschilder dieser Geräte möglicherweise Effizienzwerte an, die eindrucksvoll klingen, wie beispielsweise 90 Prozent oder höher. Diese Wertangaben sind jedoch irreführend und können nicht herangezogen werden, um die Energieverluste in realen Installationen zu berechnen. Wenn Geräte aus Redundanzgründen verdoppelt werden, oder wenn Geräte deutlich unter ihrer Nennleistung betrieben werden, verringert sich der Wirkungsgrad drastisch. Außerdem muss die Wärme, die von dieser verlorenen Energie in Stromversorgungsgeräten erzeugt wird, vom Kühlsystem gekühlt werden. Dadurch muss wiederum das Klimatisierungssystem noch mehr elektrische Energie aufnehmen. 2 Wirkungsgradverluste der Kühlgeräte Geräte, wie z. B. Lüftungsanlagen, Kühlaggregate, Kühltürme, Kondensatoren, Pumpen und Trockenkühltürme, nehmen etwas Leistung auf, während sie ihre Kühlfunktion ausführen (d. h. ein Teil der Eingangsleistung wird als Wärme abgegeben und leistet keinen Beitrag zur mechanischen Kühlarbeit). Tatsächlich ist der Wirkungsgradverlust (Abwärme) bei Kühlgeräten in der Regel sehr viel größer als der Wirkungsgradverlust bei Stromversorgungsgeräten. Wenn Kühlgeräte aus Redundanzgründen verdoppelt werden, oder wenn Geräte deutlich unter ihrer Nennleistung betrieben werden, verringert sich der Wirkungsgrad drastisch. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Kühlgeräte hat daher eine direkte positive Auswirkung auf den Wirkungsgrad des Gesamtsystems. 3 Leistungsaufnahme der Beleuchtung Beleuchtung verbraucht Strom und erzeugt Wärme. Die von der Beleuchtung erzeugte Wärme muss vom Kühlsystem gekühlt werden. Dadurch verbraucht die Klimaanlage selbst bei kühlen Außentemperaturen entsprechend mehr elektrische Energie. Wenn die Beleuchtung eingeschaltet bleibt, selbst wenn sich niemand im RZ befindet, oder wenn nicht genutzte Bereiche des RZ beleuchtet werden, wird unnötig elektrische Energie verbraucht. Aus diesem Grund haben Erhöhungen des Wirkungsgrades der Beleuchtung oder eine bedarfsgerechte Steuerung der Beleuchtung einen starken positiven Einfluss auf den Wirkungsgrad des Gesamtsystems. 6

7 4 Überdimensionierung Überdimensionierung ist eine der größten Ursachen für elektrische Verluste, sie ist jedoch für Anwender am schwierigsten zu verstehen oder zu bewerten. Von einer Überdimensionierung der Stromversorgungs- und Kühlgeräte spricht man, wenn der Nennwert des Stromversorgungs- und Kühlsystems größer ist als die IT-Last. Diese Situation kann in beliebiger Kombination der folgenden Faktoren auftreten: Die IT-Last wurde unterbewertet, und die Stromversorgungs- und Kühlsysteme wurden für eine zu große Last dimensioniert. Die IT-Last wird im Laufe der Zeit implementiert, die Stromversorgungs- und Kühlsysteme sind jedoch für eine zukünftige größere Last dimensioniert. Das Kühlsystem wurde unzureichend geplant, sodass eine Überdimensionierung der Kühlgeräte erforderlich ist, um die IT-Last ordnungsgemäß zu kühlen. Die Installation von übermäßig vielen Stromversorgungs- und Kühlgeräten ist unter dem Investitionsaspekt zwar unwirtschaftlich, dennoch ist es nicht offensichtlich, dass eine solche Überdimensionierung den elektrischen Wirkungsgrad des Gesamtsystems drastisch verringern und laufend einen übermäßigen Stromverbrauch verursachen kann. Der wichtigste Grund dafür, dass die Überdimensionierung von Stromversorgungs- und Kühlgeräten den elektrischen Wirkungsgrad von Serverräumen und RZ reduziert, besteht darin, dass der elektrische Wirkungsgrad vieler Stromversorgungs- und Kühlgeräte bei reduzierter Last drastisch abnimmt. Während einige elektrische Geräte und Vorrichtungen, wie z. B. Kabel, bei niedrigeren Lasten effizienter sind, weisen die meisten größeren Geräte, wie z. B. Lüfter, Pumpen, Transformatoren und Wechselrichter, bei niedrigeren Lasten einen verringerten Wirkungsgrad auf (durch feste Verluste, die bestehen bleiben, selbst wenn die IT-Last gleich Null ist). Dieser Wirkungsgradrückgang kann nicht ohne Weiteres anhand der Datenblätter der Hersteller bestimmt werden, da diese den Wirkungsgrad bei einer optimalen (in der Regel hohen) Last angeben. Eine ausführliche technische Erläuterung zur Quantifizierung der Auswirkungen von Überdimensionierung auf den elektrischen Stromverbrauch finden Sie in APC White Paper Nr. 113, Elektrisches Wirkungsgradmodell von Datencentern. 7

8 5 Konfigurationsbedingte Wirkungsgradverluste Die physikalische Konfiguration der IT-Geräte kann einen drastischen Einfluss auf den Energieverbrauch des Kühlsystems haben. Bei einer unzureichenden Konfiguration muss in den Serverräumen und RZ eine viel größere Luftmenge umgewälzt werden, als für die IT-Geräte erforderlich wäre. Bei einer unzureichenden Konfiguration muss das Kühlsystem außerdem kühlere Luft erzeugen, als für die IT-Geräte erforderlich wäre. Darüber hinaus können aufgrund der physikalischen Konfiguration verschiedene Kühleinheiten miteinander in Konflikt stehen, wobei die eine Einheit zur Befeuchtung und die andere Einheit zur Entfeuchtung eingesetzt wird. Dabei handelt es sich um einen typischen, nicht diagnostizierten Zustand, durch den der Wirkungsgrad drastisch reduziert wird. Der aktuelle Trend hin zu einer höheren Leistungsdichte in neuen und bestehenden Serverräumen und RZ verstärkt diese Wirkungsgradverluste in hohem Maße. Diese Konfigurationsprobleme bestehen in praktisch allen gegenwärtig betriebenen Serverräumen und RZ und verursachen unnötige Energieverluste. Aus diesem Grund kann eine Architektur, die die physikalische Konfiguration systematisch optimiert, den Energieverbrauch drastisch senken. Was bedeutet DCiE? Ein standardisiertes Maß für den Wirkungsgrad von Serverräumen und RZ DCiE = DatenCenter-Infrastruktur-Effizienz Der DCiE-Wert wird zunehmend zum Industriestandard- Maß für den Gesamtwirkungsgrad von Serverräumen und RZ, definiert als das Verhältnis der den IT-Lasten zugeführten Energie zur Gesamtenergie in den Serverräumen und RZ. Informationen zum DCiE-Wert und weiteren Maßeinheiten für den Wirkungsgrad von Serverräumen und RZ finden Sie in APC White Paper Nr. 157, Wahl einer Maßeinheit nach dem Industriestandard für den Wirkungsgrad von Serverräumen und RZ 8

9 Eine optimierte Architektur für Serverräume und RZ Im vorhergehenden Abschnitt wurden die fünf wichtigsten Ursachen für Wirkungsgradverluste in Serverräumen und RZ beschrieben. Bei näherer Betrachtung dieser Ursachen ist es offensichtlich, dass sie in Wechselbeziehung zueinander stehen. Ein effektiver Optimierungsansatz muss daher das gesamte Serverräume- und RZ-System einbeziehen. Versuche, die einzelnen Wirkungsgradverluste zu optimieren, sind weit weniger effektiv. Eine sorgfältige Analyse der Ursachen für elektrischen Verlust (Wirkungsgradverlust) führt zu dem Ergebnis, dass die Wirkungsgrade in Serverräumen und RZ erheblich verbessert werden können, wenn ein integriertes System auf der Grundlage der folgenden Richtlinien entwickelt wird: Stromversorgungs- und Kühlgeräte, die gegenwärtig nicht benötigt werden, sollten nicht mit Strom versorgt werden. Überdimensionierung sollte, wo immer möglich, reduziert werden, damit Geräte im optimalen Bereich ihrer Wirkungsgradkurve arbeiten können. Stromversorgungs-, Kühl- und Beleuchtungsgeräte sollten die neuesten Technologien nutzen, um den Energieverbrauch zu minimieren. Subsysteme, die unter ihrer Nennkapazität verwendet werden müssen (aus Redundanzgründen), sollten im Hinblick auf diesen Teillast-Wirkungsgrad optimiert werden, und nicht im Hinblick auf ihren Volllast-Wirkungsgrad. KONSTRUKTIONSPRINZIPIEN der neuen Architektur Als Anleitung zur Implementierung des Systems Mithilfe von Kapazitätsmanagement-Tools sollte ungenutzte Kapazität im RZ minimiert werden, sodass die Mehrzahl der IT-Geräte innerhalb der groben Hülle der Stromversorgung und Kühlung installiert werden kann und das System das Maximum seiner Wirkungsgradkurve erreicht. 1 Eine optimierte, integrierte physikalische Konfiguration sollte innerhalb des Systems inhärent sein und nicht von den Eigenschaften des betreffenden Raums abhängen. Beispielsweise sollte reihenbasierte Kühlung unabhängig von der raumbasierten Kühlung in die IT-Racks integriert werden. Das System sollte für die Erkennung und Warnung vor Bedingungen ausgestattet sein, die suboptimalen elektrischen Verbrauch verursachen, damit diese Bedingungen schnell korrigiert werden können. Das System sollte Tools für die Installation und den Betrieb sowie Regeln umfassen, die die Betriebseffizienz maximieren und die Möglichkeit einer suboptimalen Konfiguration oder Installation minimieren oder eliminieren. 1 Weitere Informationen zu ungenutzter Kapazität siehe APC White Paper Nr.150, Kapazitätsmanagement von Stromversorgung und Kühlung in Serverräumen und RZ 9

10 Ein im Handel erhältliches, integriertes Serverraum- und RZ-System mit Anwendung der obigen Richtlinien ist in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 3 Effektives integriertes Serverraum- und RZ-System Ausgestattet mit lokaler Anzeige und vernetzt mit einem zentralen Managementsystem Das Serverraum- und RZ-System in Abbildung 3 zeigt eine Reduzierung des elektrischen Verbrauchs um 40 Prozent gegenüber einem herkömmlichen Design. Die Reduzierungen der Verluste werden in Abbildung 4 noch weiter klassifiziert. 10

11 Abbildung 4 Kosteneinsparungen durch die verbesserte Architektur nach Subsystem IT-Last Zusatzgeräte Beleuchtung Luftbefeuchter Kühlaggregate Pumpen Wärmeabgabe Klimaanlage Verteilerkabel Schaltanlage Generator Verbesserte Architektur Bei 50 % Nennlast: DCiE = 67,8% Herkömmlicher Basiswirkungsgrad Bei 50 % Nennlast: DCiE = 39,8% PDU USV $0 $ $ $ $ $ $ pro Jahr Stromkosten bei $ 0,10/kWh Der Wirkungsgradgewinn des verbesserten Systems bewirkt eine drastische Reduzierung der Elektrizitätskosten. Bei einer IT-Last von 1 MW und durchschnittlichen Elektrizitätskosten von $ 0,10 pro kwh würden sich die Einsparungen an Stromkosten auf etwa 9 Mio. $ in einem Zeitraum von zehn Jahren belaufen. Die obigen Verbesserungen basieren auf Serverräumen und RZ mit folgender Konfiguration: Nennkapazität von 2 MW Ist-IT-Last von 1 MW Die gesamte Stromversorgungs- und Kühlungsinfrastruktur ist für 2 MW ausgelegt und onlinefähig Doppelte Stromversorgung zwischen Einspeisepunkt und Lasten N+1-Lüftungsanlagen Kühlwassersystem mit Kühlturm Mittlere Leistungsdichte von 7 kw pro Rack IT-Rack-Anordnung nach Warmluft-/Kaltluftkorridoren Wirkungsgradkurven für alle Geräte anhand vorhandener Herstellerdaten 11

12 Energieverbrauch und Einsparungen werden von diesen Voraussetzungen beeinflusst. Beispielsweise würde die Eliminierung von doppelter Stromversorgungsredundanz oder N+1-Lüftungsanlagen einen Anstieg der Wirkungsgrade und eine leichte Reduzierung der Einsparungen verursachen. Im Folgenden werden diese Einsparungen und die zugrunde liegenden Voraussetzungen ausführlicher untersucht. Wenn der Wirkungsgradgewinn als DCiE (Datencenter-Infrastruktur-Effizienz)-Wert ausgedrückt wird, hätte das oben beschriebene herkömmliche Rechenzentrum, das bei 50 Prozent der IT-Nennlast betrieben wird, einen DCiE-Wert von 39,8 %. Die verbesserte Architektur dagegen hätte bei gleichen Bedingungen einen DCiE-Wert von 67,8 %. Vergleich mit konventionellen Ansätzen Die im vorherigen Abschnitt beschriebene Reduzierung der elektrischen Verluste (erhöhter Wirkungsgrad) ist dramatisch. Weiter oben in diesem Dokument wurden die fünf Hauptursachen für Wirkungsgradverlust von konventionellen Konzepten aufgeführt. Auf welche Weise kann die vorgeschlagene verbesserte Architektur diese bemerkenswerten Wirkungsgradgewinne erreichen? Welche neuen Technologien, Konstruktionen und Verfahren tragen dazu bei? Und welche Daten unterstützen diese Gewinne? Zur Beantwortung dieser Fragen befassen wir uns näher mit den Hauptelementen, die zusammen die Verbesserungen der neuen Architektur ermöglichen: Skalierbare Stromversorgung und Kühlung zur Vermeidung von Überdimensionierung Reihenbasierte Kühlung zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Kühlung Leistungsstarke USV-Systeme zur Verbesserung des Energiewirkungsgrades KONSTRUKTIONSELEMENTE der neuen Architektur Technologie zur Implementierung der Konstruktionsprinzipien 415/240-V-Wechselspannungsverteilung zur Verbesserung des Energiewirkungsgrades Antriebe mit variabler Drehzahl für Pumpen und Wasserkühler zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei Teillast und an kühlen Tagen Kapazitätsmanagement-Tools zur Verbesserung der Auslastung der Stromversorgungs-, Kühl- und Rackkapazität Raumplanungs-Tools zur Optimierung des Raum-Layouts im Hinblick auf den Kühlwirkungsgrad Zwar können einige dieser Elemente separat implementiert werden, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Es ist jedoch wichtig, zu verstehen, dass es die Integration dieser Elemente in eine Gesamtarchitektur ist, die für einen signifikanten Teil des Wirkungsgradgewinns verantwortlich ist. So ist beispielsweise die Technologie der reihenbasierten Kühlung nicht nur eine weit effizientere Technologie als die konventionelle Raumkühlung, sondern sie unterstützt darüber hinaus in hohem Maße die kosteneffektive Implementierung von Raumplanungs-Tools, Kapazitätsmanagement-Tools und skalierbarer Kühlung. 12

13 Die im vorliegenden Dokument beschriebene Architektur kann in jedem Serverraum und RZ in jeder geografischen Region erfolgreich eingesetzt werden. Eine weitere Strategie zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Serverräumen und RZ besteht darin, die kühlen Außentemperaturen an einigen Standorten zu nutzen, um den Wirkungsgrad des Kühlsystems mithilfe von Energiesparmodi für die Kühlung oder freier Kühlung zu verbessern. Diese Ansätze bedeuten in der Regel zusätzliche Investitionen für das RZ, deren Amortisationszeit von den Außentemperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen abhängt. Technologien der freien Kühlung, d. h. die Nutzung kühler Außentemperaturen zur Reduzierung des Stromverbrauchs für die Kühlung und der dadurch erreichte Wirkungsgradgewinn, ergänzen die in diesem Dokument beschriebenen Ansätze. Freikühlung wird jedoch in diesem Dokument bei keiner der Berechnungen des Wirkungsgrades oder der Stromeinsparungen berücksichtigt. Welchen quantitativen Beitrag zum Wirkungsgradgewinn die einzelnen Elemente leisten, wird in den folgenden Abschnitten erläutert. Skalierbare Stromversorgung und Kühlung Zur Vermeidung von Überdimensionierung Der Wirkungsgrad von Serverräumen und RZ variiert entsprechend der IT-Last. Bei geringeren IT-Lasten nimmt der Wirkungsgrad ab und ist gleich Null, wenn keine IT-Last vorliegt. Die Form dieser Kurve ist für die verschiedensten Serverräume und RZ auffallend konsistent. Ein Beispiel ist in Abbildung 5 dargestellt. Abbildung 5 Der Wirkungsgrad von Serverräumen und RZ als Funktion der IT-Last bei modularem und nicht-modularem Aufbau im Vergleich Phase 2 installiert Phase 3 installiert Phase 4 installiert Phase 5 installiert 13

14 Wenn die prozentuale IT-Last weit unter dem Nennwert für die Serverräume und RZ liegt, verschlechtert sich der Wirkungsgrad, und die Serverräume und RZ werden für diese IT-Last als überdimensioniert betrachtet. Viele Serverräume und RZ werden unter diesen Bedingungen betrieben, manchmal jahrelang, und zwar im Allgemeinen aus dem Grund, weil sie für eine theoretische zukünftige IT-Last ausgelegt wurden, die noch nicht installiert ist. Warum sich der Wirkungsgrad von Serverräumen und RZ bei leichter Last verringert, wird ausführlich in APC White Paper Nr. 113, Elektrisches Wirkungsgradmodell von Datencentern erläutert. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit der Verringerung der Kraftstoffersparnis bei einem Kraftfahrzeug, das einen sehr großen Motor hat, der erheblich unter seinem Leistungswert betrieben wird. Um das Problem eines reduzierten Wirkungsgrades aufgrund von Überdimensionierung zu beheben, könnten die Stromversorgungs- und Kühlgeräte im Laufe der Zeit skaliert werden, um den IT- Lastanforderungen zu entsprechen. Die obere Kurve in Abbildung 5 zeigt, was geschieht, wenn Stromversorgungs- und Kühlgeräte in fünf Phasen anstatt zusammen als ein System implementiert werden. Bei Volllast bringt das skalierbare Stromversorgungs- und Kühlsystem keinen Wirkungsgradvorteil, bei geringeren Lasten wird der Wirkungsgrad jedoch drastisch gesteigert. Bei 20-prozentiger Last arbeitet das zu einem Fünftel implementierte Stromversorgungs- und Kühlsystem mit vollem Wirkungsgrad. Dieses in Abbildung 5 dargestellte Prinzip ist nur teilweise erreichbar, da ein Teil der Kühlinfrastruktur, wie beispielsweise Kühlmittelpumpen, möglicherweise phasenweise implementiert werden kann. Viele Serverräume und RZ werden unter dem vollen IT-Lastwert betrieben, insbesondere kleinere RZ oder RZ am Anfang ihres Lebenszyklus. Eine skalierbare Stromversorgungs- und Kühllösung kann den Wirkungsgrad in diesen Fällen steigern und einen Aufschub von Investitions- und Betriebskosten ermöglichen, bis diese wirklich erforderlich sind. Auch Entscheidungen, wie beispielsweise die anvisierte Leistungsdichte in einem zukünftigen RZ-Bereich, können bis zu einer zukünftigen IT-Implementierung aufgeschoben werden. Reihenbasierte Kühlung Zur Verbesserung des Kühlwirkungsgrades Bei der reihenbasierten Kühlung werden Klimaanlagen innerhalb der IT-Gerätereihen und nicht an der Raumbegrenzung positioniert. Die Verkürzung des Luftstromweges reduziert die Vermischung von Warmund Kaltluftströmen und verbessert dadurch die Berechenbarkeit der Luftverteilung. Eine berechenbare Luftverteilung an die IT-Geräte ermöglicht eine präzisere Steuerung der variablen Luftstromraten, die sich den Anforderungen der IT-Lasten in der Nähe automatisch anpassen. Im Gegensatz zu den Energieverlusten durch Lüfter mit konstanter Drehzahl drehen sich Lüfter mit variabler Drehzahl jeweils nur mit der Geschwindigkeit, die den Anforderungen der IT-Lasten entspricht. Außerdem wird bei der reihenbasierten Kühlung die warme Luft von der IT-Last aufgenommen, solange sie noch warm ist und bevor sie sich mit der Raumluft vermischen kann. Zusammen bewirken diese Effekte eine drastische Verbesserung des Wirkungsgrades der Lüftungsanlage im Computerraum. Die grundlegende Anordnung der reihenbasierten Kühlung ist in Abbildung 6 dargestellt. 14

15 Abbildung 6 Kühlung mithilfe von reihenbasierten Klimaanlagen mit kürzeren Luftstromwegen Warmluftkorridor Warmluftkorridor Kaltluftkorridor Die Wirkungsgradsteigerung bei reihenbasierter Kühlarchitektur gegenüber herkömmlichen Computerraum- Klimaanlagen ist in Abbildung 7 dargestellt. Abbildung 7 Wirkungsgradkurven von Computerraum-Klimaanlagen zum Vergleich von reihenbasierter Kühlung mit herkömmlicher Raumkühlung 15

16 Die Kurven stellen den Kühlwirkungsgrad als Klimaanlagenabgabe (verarbeitete Wärme) dividiert durch die Zufuhr (zu verarbeitende Wärme + elektrische Leistungsaufnahme) dar. Dadurch kann die Leistung der Computerraum-Klimaanlage mithilfe der üblichen Effizienzskala von % untersucht werden. 2 Im Idealfall hätte die Klimaanlage einen Wirkungsgrad von 100 %. Die obige Kurve zeigt, dass eine typische Computerraum-Klimaanlage einen Wirkungsgrad von 80 % bei 70 % IT-Last hat. Dies bedeutet, dass 20 % der Eingangsenergie für Lüftung und Befeuchtung aufgewendet wird. Im Gegensatz dazu weist die reihenbasierte Computerraum-Klimaanlage einen Wirkungsgrad von 95 % bei 70 % IT-Last auf. Dies bedeutet, dass nur 5 % der Eingangsenergie für Lüftung und Befeuchtung verbraucht wird. Dies ist eine vierfache Reduzierung der Verluste. Der obigen Kurvendarstellung liegen folgende Annahmen zugrunde: Kühlwasserkühlung, Tier-4-Design, ein Doppelboden von 90 cm- für die Lösung zur Raumkühlung und eine mittlere Leistung von 10 kw pro Rack. Diese Angaben beziehen sich nur auf die Lüftungsanlage. Kühlaggregat, Pumpen und Kühlturm wurden dabei nicht berücksichtigt. Die Geräte können separat oder in Kombination mit der Lüftungsanlage untersucht werden, um den Gesamtwirkungsgrad der Kühlung im RZ zu erhalten. Zu beachten ist, dass sowohl das Kühlaggregat als auch der Kühlturm Energie verbrauchen und deshalb der Wirkungsgrad des Gesamtkühlsystems auf Werte verringert wird, die niedriger sind als in der Abbildung dargestellt. Leistungsstarke USV-Systeme Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Stromversorgung Es sind Technologien verfügbar, die den durch USV-Systeme erreichbaren Wirkungsgrad erheblich steigern. Abbildung 8 zeigt Wirkungsgraddaten einer seit kurzem auf dem Markt erhältlichen leistungsstarken USV im Vergleich mit den von LBNL (Lawrence Berkley National Labs) veröffentlichten USV-Wirkungsgraddaten. 2 Die Wirkungsgrade von Computerraum-Lüftungsanlagen werden in der Regel in anderen Einheiten ausgedrückt, wie z. B. Leistungsfaktor oder Watt IT-Last gekühlt pro elektrischem Watt. Diese Bezeichnungen lassen sich jedoch nur sehr schwer mit alltäglichen Erfahrungen verbinden und werden nicht in der üblichen Skala von % ausgedrückt, die zur Angabe des Wirkungsgrades anderer Gerätetypen verwendet wird. Alle Methoden sind mathematisch verbunden und vermitteln dieselben Informationen. 3 LBNL-Bericht zum USV-Wirkungsgrad: Abbildung 17, Seite 23. Zugriff 21. März

17 Abbildung 8 USV-Wirkungsgrad als Funktion der Last zum Vergleich einer USV der neuesten Generation mit früher veröffentlichten Daten Abbildung 8 zeigt, dass der Wirkungsgrad des neuesten USV-Systems für jede IT-Last signifikant höher ist, und dass der Wirkungsgradgewinn bei geringeren Lasten am größten ist. Beispielsweise weisen die neuesten USV-Systeme bei 30 % Last eine Wirkungsgradsteigerung von 10 Prozent gegenüber dem Durchschnitt der aktuell installierten USV-Systeme auf. In diesem Fall reduzieren sich die tatsächlichen Leistungsverluste der USV nachweislich um 65 Prozent. Es ist wichtig, zu beachten, dass USV-Verluste (Wärme) ebenfalls von der Klimaanlage gekühlt werden müssen und dadurch weiterer Energieverbrauch entsteht. Einige neuere USV-Systeme bieten einen Sparmodus für den Betrieb an, was USV-Herstellern ermöglicht, höhere Wirkungsgradwerte anzugeben. Allerdings bietet dieser Modus nicht die vollständige Eliminierung von Problemen der Netzstromqualität und wird zur Anwendung in Serverräumen und RZ nicht empfohlen. Die leistungsstarke USV und die Wirkungsgraddaten, die mit der im vorliegenden Dokument beschriebenen und in Abbildung 8 dargestellten Architektur verwendet wurden, beziehen sich auf eine USV mit Online- Doppelwandlung und vollständiger Abschirmung vor Unregelmäßigkeiten des Eingangsstroms. 17

18 415/240-V-Wechselspannungsverteilung Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Stromversorgung Die effektive Wechselstromverteilung nach der Europäischen Norm mit 415/240 V anstatt nach dem aktuellen US-Standard mit 208/120 V ermöglicht in den USA signifikante Wirkungsgradverbesserungen. Wenn die Energieversorgung von IT-Lasten mit 415/240 V anstatt mit 208/120 V erfolgt, können PDU-Transformatoren und die damit verbundenen Verluste vermieden werden. Außer diesem Wirkungsgradgewinn bringt die Vermeidung von PDUs weitere Vorteile, wie die Reduzierung der Kosten für Kupferkabel, die Reduzierung der Flächenlast und die Verfügbarkeit von zusätzlicher Stellfläche für IT-Geräte. Serverräume und RZ mit transformatorbasierten PDUs weisen in der Regel einen Wirkungsgradverlust von 2 % bis 15 % auf, wobei die höherprozentigen Verluste in Serverräumen und RZ auftreten, die mit redundanten Strompfaden und geringeren IT-Lasten betrieben werden. Die Anwendung der 415/240-V-Wechselspannungsverteilung bringt nur in den USA Wirkungsgradvorteile, da in den meisten anderen Ländern weltweit diese Norm oder der ähnliche Standard von 400/230 V bereits angewendet wird. Die in diesem Dokument angeführten Basiswirkungsgrade basieren auf US-Designs, daher berücksichtigen diese Wirkungsgradgewinne auch den Effekt der Entfernung von PDU- Transformatoren. Weitere Informationen zur Anwendung der effektiven 415/240-V-Wechselspannungsverteilung in Serverräumen und RZ in den USA finden Sie in APC White Paper Nr. 128, Steigerung des Wirkungsgrades von Serverräumen und RZ durch verbesserte Leistungsverteilung bei hoher Dichte. Antriebe mit variabler Drehzahl für Pumpen und Wasserkühler Zur Verbesserung des Kühlwirkungsgrades Pumpen und Kühlaggregate in Serverräumen und RZ werden traditionell mit Elektromotoren mit fester Drehzahl betrieben. Die Motoren in solchen Umgebungen müssen für maximal erwartete Lasten und Worst- Case-Bedingungen, d. h. sehr warme Außentemperaturen, ausgelegt sein. Serverräume und RZ werden jedoch in der Regel nur mit einem Teil ihrer Nennkapazität betrieben und arbeiten während des Großteils ihrer Lebensdauer bei Außentemperaturen, die unter den Worst-Case-Bedingungen liegen. Kühlaggregate und Pumpen, die mit Motoren mit fester Drehzahl ausgestattet sind, arbeiten daher bei Betrieb mit einer größeren Kapazität, als eigentlich erforderlich wäre. Pumpen und Kühlaggregate, die mit Antrieben mit variabler Drehzahl und entsprechenden Steuerungen ausgestattet sind, können Drehzahl und Leistungsaufnahme reduzieren und der aktuellen IT-Last und den aktuellen Außentemperaturen anpassen. Die Energieeinsparungen variieren in Abhängigkeit der Bedingungen, können jedoch 10 Prozent oder mehr betragen, insbesondere bei Serverräumen und RZ, die nicht bei voller IT-Nennlast betrieben werden oder Redundanz im Bereich der Kühlaggregate oder Pumpen aufweisen. Antriebe mit variabler Drehzahl bei Pumpen und Kühlaggregaten können als eine Art automatische Dimensionierung betrachtet werden. 18

19 Ein Teil der Wirkungsgradgewinne bei Antrieben mit variabler Drehzahl kann durch Stufensteuerung oder den Einsatz mehrerer Pumpen und Kühlaggregate mit fester Drehzahl erreicht werden. Diese Systeme können jedoch einen erheblichen Technikaufwand erfordern und bringen in der Regel nicht einmal halb so große Wirkungsgradgewinne wie Antriebe mit variabler Drehzahl. Antriebe mit variabler Drehzahl für Pumpen und Kühlaggregate bedeuten zusätzliche Kosten im Vergleich zu Geräten mit fester Drehzahl. Bei saisonaler oder sporadischer Anwendung bringen die Einsparungen durch diese zusätzliche Investition möglicherweise nur eine geringe Rendite. Bei Serverräumen und RZ jedoch, die 365 Tage rund um die Uhr betrieben werden, kann die Amortisationszeit je nach dem konkreten Fall nur ein paar Monate betragen. Kapazitätsmanagement-Tools Zur Verbesserung der Auslastung der Stromversorgungs-, Kühl- und Rackkapazität Die meisten Serverräume und RZ nutzen nicht ihre volle Stromversorgungs-, Kühl- und Rackkapazität. Das Hauptsymptom dafür ist die geringe mittlere, im laufenden Betrieb erreichte Leistungsdichte. Während die Leistungsdichte moderner IT-Geräte im Bereich von 5-20 kw pro Schrank liegt, werden typische Serverräume und RZ durchschnittlich mit 3 kw pro Schrank oder weniger betrieben. Diese Differenz bedeutet, dass Serverräume und RZ in physikalischer Hinsicht viel größer sind als erforderlich, und längere Luftstromwege, stärkere Luftvermischung, längere Stromverteilungskabel und mehr Beleuchtungsaufwand aufweisen, als tatsächlich erforderlich ist. Der Hauptgrund dafür, dass Serverräume und RZ in der Regel bei niedriger Leistungsdichte betrieben werden, ist die mangelnde Fähigkeit, Stromversorgungs-, Kühl- und Rackraumkapazität auf effiziente und berechenbare Weise zu steuern. Die physikalische Verteilung der IT-Lasten bewirkt eine Reduzierung des Wirkungsgrades der Stromversorgungs- und Kühlsysteme. Mithilfe eines effizienten Systems von Tools und Regeln können Serverräume und RZ bei höheren Leistungsdichten betrieben werden. Dies bringt folgende Wirkungsgradvorteile: Kürzere Luftstromwege und dadurch weniger erforderliche Lüfterleistung Geringere Luftvermischung und dadurch höhere Wärmeabgabetemperaturen Höhere Wärmeabgabetemperaturen und dadurch verbesserter Wirkungsgrad der Kühlaggregate Höhere Wärmeabgabetemperaturen und dadurch höhere Kapazitätsauslastung der Klimaanlagen Kürzere Kabellängen und dadurch weniger Kabel- und PDU-Verluste Möglichkeit der Versorgung einer größeren IT-Last über dieselbe Stromversorgungsund Kühlinfrastruktur 19

20 Zusätzlich zu dem Problem ihres Betriebs bei geringer Leistungsdichte arbeiten die meisten Serverräume und RZ im Hinblick auf die Stromversorgung und Kühlung mit Sicherheitsspielräumen im Bereich von 15 bis 50 Prozent. Ein Sicherheitsspielraum ist die kleinste, zulässige prozentuale Differenz zwischen der IT-Last und den Nennwerten der Stromversorgungs- und Kühlgeräte. Sicherheitsspielräume sind eine Art absichtliche Überdimensionierung, wobei diese Überdimensionierung das System vor Überlastung oder Überhitzung schützen soll, die auf einem mangelnden Verständnis der Systemleistung basieren. Sicherheitsspielräume sind tatsächlich eine Möglichkeit, mangelnde Systemkenntnis zu kompensieren. Sicherheitsspielräume beeinträchtigen die Leistung eines Serverraum- und RZ-Systems hauptsächlich in zweierlei Hinsicht. Erstens erhöhen sie die Kapitalkosten für die Serverräume und RZ, weil sie den Kauf und die Installation von Geräten (Kapazität) erfordern, die nicht verwendet werden. Zweitens reduzieren sie den Wirkungsgrad der Serverräume und RZ, indem sie deren Betrieb unterhalb des höchsten Wirkungsgradpunktes auf der Lastkurve erfordern. Ein effektives Kapazitätsmanagementsystem umfasst Tools und Regeln, mit denen Serverräume und RZ bei höherer Dichte und mit kleineren Sicherheitsspielräumen (ohne Gefährdung der Sicherheit) betrieben werden können. Die Vorteile für ein System in der Praxis liegen im Bereich von 5 % des elektrischen Wirkungsgrades der gesamten Infrastruktur, zusätzlich zu den Kosteneinsparungen durch die höhere Leistungsdichte, die im Bereich von 5-10 % liegen können. Ein System, das den Betrieb einer erhöhten Anzahl von IT-Geräten innerhalb der vorhandenen Hülle der Stromversorgungs- und Kühlinfrastruktur erlaubt, ermöglicht nicht nur eine Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades, sondern auch der wirtschaftlichen Effizienz. Es kann mathematisch gezeigt werden, dass der in kleien Schritten vollzogene elektrische Wirkungsgrad, der sich dadurch ergibt, dass einer bestehenden Stromversorgungsund Kühlinfrastruktur ein weiteres Watt an IT-Last hinzugefügt wird, größer ist als der Gesamtwirkungsgrad der Serverräume und RZ. Dies bedeutet, dass es generell effizienter ist, einem bestehenden RZ ein weiteres Watt an IT-Last hinzuzufügen, als diese Leistung in einem neuen RZ unterzubringen. Eine Erläuterung der Prinzipien und Anwendung eines effektiven Kapazitätsmanagementsystems für Stromversorgung und Kühlung finden Sie in APC White Paper Nr. 150, Kapazitätsmangement von Stromversorgung und Kühlung in Serverräumen und RZ. 20

21 Ein Beispiel für ein im Handel erhältliches Kapazitätsmanagementsystem ist in Abbildung 9 dargestellt. Abbildung 9 Beispiel für eine Bildschirmanzeige eines im Handel erhältlichen Kapazitätsmanagementsystems für Stromversorgung und Kühlung Reihen- oder Rackbasiert Grafische Darstellung des Serverräume- und RZ-Grundrisses Übersicht über den durchschnittlichen und maximalen Stromverbrauch durch Messung der tatsächlichen Leistungsaufnahme Raumplanungs-Tools Zur Optimierung des Raum-Layouts im Hinblick auf den Kühlwirkungsgrad Viele elektrische Wirkungsgrade in Serverräumen und RZ hängen davon ab, wie die Stromversorgungsund Kühlgeräte zu einem vollständigen System zusammengesetzt werden. Selbst beim Einsatz von leistungsstarken Geräten für die Stromversorgung und Kühlung ergibt sich häufig ein niedriger Gesamtwirkungsgrad. Eine der Hauptursachen dieses Problems ist die physikalische Anordnung der Kühlgeräte und der IT-Geräte. Ein wirkungsgradoptimiertes Raum-Layout erfüllt folgende Bedingungen: Minimierte Weglängen für den Luftstrom zur Reduzierung der Lüfterleistung Minimierter Luftstromwiderstand zur Reduzierung der Lüfterleistung Rückführung der Abluft von IT-Geräten bei hoher Temperatur direkt in die Klimaanlage zur Maximierung der Wärmeübertragung Positionierung der Klimaanlagen im Hinblick auf die Ausgewogenheit zwischen Luftstromkapazitäten und den Anforderungen der Luftstromführung 21

22 Einige dieser Ziele werden durch die grundlegende Anordnung der Kühlgeräte, wie z. B. bei der reihenbasierten Kühlung, unterstützt oder erzwungen. Die Grundrissanordnung der IT-Geräte und der Klimaanlagen hat allerdings einen großen Einfluss auf die Optimierung. Der optimale Grundriss unterscheidet sich bei den verschiedenen Serverräumen und RZ und hängt von Form und Größe eines Raums, den anvisierten IT-Leistungsdichten innerhalb eines Raums sowie anderen standortabhängigen Faktoren ab. Um ein optimiertes Layout zu erreichen, müssen bestimmte Regeln befolgt und komplexe Berechnungen durchgeführt werden. Diese Regeln und Berechnungen können mithilfe von CAD-Tools automatisiert werden. Ein Beispiel für ein Serverraum- und RZ-Layout-Tool zur Optimierung der Klimaanlagenanordnung ist in Abbildung 10 dargestellt. Abbildung 10 Raum-Layout-Tool zur Optimierung der Klimaanlagenanordnung Gesamtwirkungsgradgewinn durch die neue Architektur Wenn die Elemente der verbesserten Architektur kombiniert werden, beträgt die gesamte Reduzierung des Stromverbrauchs rund 40 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Designs, wie bereits an anderer Stelle in diesem Dokument beschrieben. Die Aufgliederung der Einsparungen nach Serverraum- und RZ-Subsystem wurde in Abbildung 4 dargestellt. Der Gesamtwert der Datencenter-Infrastruktur-Effizienz (DCiE), eine von Green Grid eingeführte Maßeinheit, wird durch eine Kurve dargestellt, die als Funktion der IT-Last variiert (siehe Abbildung 11). 22

23 Abbildung 11a zeigt den DCiE-Wert als Funktion der Last in hochverfügbaren Serverräumen und RZ mit doppelter Stromversorgung und N+1-Lüftungsanlagen. Abbildung 11b zeigt die gleichen Daten, jedoch für normale Serverräume und RZ ohne Redundanz der Stromversorgung und Kühlung. Beim Vergleich der beiden Darstellungen wird Folgendes deutlich: Bei herkömmlichen Serverräumen und RZ bewirkt die Redundanz der Stromversorgung und Kühlung eine Reduzierung des DCiE-Werts um etwa 5 Prozent Die Redundanz der Stromversorgung und Kühlung hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Wirkungsgrad der verbesserten Architektur Die schrittweise Implementierung von modularer Stromversorgung und Kühlung bewirkt den signifikantesten Wirkungsgradvorteil bei Serverräumen und RZ mit redundanter Stromversorgung und Kühlung, insbesondere bei geringer Last Die in diesem Dokument beschriebenen Wirkungsgradgewinne werden durch viele andere Faktoren beeinflusst, die bei tatsächlichen Serverräumen und RZ variieren. Es handelt sich u. a. um folgende Faktoren: Abgehängte Decke für die Luftrückführung in herkömmlichen Serverräumen und RZ Unkoordinierte Positionierung von gegeneinander arbeitenden Klimaanlagen an der Raumbegrenzung Rackanordnung nicht nach Warmluft-/Kaltluftkorridoren Energie sparende Beleuchtung Stromversorgung der Lüftungsanlagen über die USV Unausgewogene Dimensionierung der Kühl- und Stromversorgungssysteme Lüftungsanlagen mit doppelter Stromversorgung Kühlaggregate mit doppelter Stromversorgung Integrierte Kühlaggregate oder DX-Systeme mit Glykol Niederiger Doppelboden (0,5 m oder weniger) Große zusätzliche Lasten (Raum für Mitarbeiter, Network Operations Center) Warmes und/oder feuchtes Klima Sehr lange Kühlleitungen Bei der Entwicklung der Daten in diesem Dokument wurde keiner dieser Faktoren berücksichtigt. Trotzdem können alle diese Faktoren quantifiziert, modelliert und analysiert werden. Die in diesem Dokument verwendeten Modelle, Verfahren und Analysen können für bestehende oder geplante Serverräume und RZ angewendet werden. Im Rahmen des von APC angebotenen Data Center Efficiency Assessment Service wird dies als normaler Schritt durchgeführt. 23

24 Abbildung 11 RZ-Wirkungsgradkurve der verbesserten Architektur 11a Lüftungsanlagen mit doppelter Stromversorgung und N+1-Redundanz 11b Lüftungsanlagen mit einfacher Stromversorgung und N-Redundanz 24

25 Vergleich mit anderen vorgeschlagenen Ansätzen Es gibt eine Reihe von hypothetischen Ansätzen zur Verbesserung der Stromversorgungs- und Kühleffizienz, die bei der hier beschriebenen und vorgeschlagenen Architektur nicht berücksichtigt wurden. Insbesondere wurden Gleichstromverteilung und direkte Kühlmittelleitungen zu Servern als Architekturänderungen vorgeschlagen, die eine mögliche Wirkungsgradsverbesserung von Serverräumen und RZ in der Zukunft bringen könnten. Es ist aufschlussreich, zu untersuchen, wie groß der mögliche zusätzliche Wirkungsgradgewinn dieser Ansätze im Vergleich zu der in diesem Dokument beschriebenen effizienten Architektur ist. Gleichstromverteilung Es wurde angedeutet, dass durch die Verwendung der Gleichstromverteilung anstelle der herkömmlicher Wechselstromverteilung die elektrischen Verluste signifikant reduziert werden könnten. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Vorteile durch die Eliminierung von PDU-Transformatoren, den Austausch einer USV durch einen Gleichspannungswandler und die Erstellung neuer IT-Geräte, die eine hohe Gleichspannungszufuhr zusätzlich zur oder anstelle der Wechselspannung erlauben, noch weiter verstärken. Diese Wirkungsgradgewinne sind in Tabelle 1 quantifiziert dargestellt. Tabelle 1 Verbesserung des Wirkungsgrades von Serverräumen und RZ durch Gleichstromverteilung im Vergleich zwischen herkömmlichem Design und der in diesem Dokument beschriebenen effizienten Architektur Gleichstromverteilungselement Einsparungen gegenüber herkömmlichem Design Einsparungen im Vergleich zu der in diesem Dokument beschriebenen effizienten Architektur Eliminierung von Transformatoren 5 %-10 % Keine Austausch einer USV durch einen Gleichspannungswandler 5 %-15 % Keine Neue IT-Geräte, die eine hohe Gleichspannungszufuhr erlauben 4 % 2 % GESAMTVERBESSERUNG 13 %-28 % 2 % 25

26 Tabelle 1 zeigt, dass die Gleichstromverteilung eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu herkömmlichen Serverräumen und RZ mit Wechselstromverteilung bietet, jedoch nur einen sehr geringen Vorteil im Vergleich zu der in diesem Dokument beschriebenen effizienten Architektur. Warum die in diesem Dokument beschriebene Architektur fast genau die gleiche Leistung erreicht wie die hypothetische Architektur mit Gleichstromverteilung hoher Spannung hat hauptsächlich folgende Gründe: Bei beiden Systemen werden elektrische Verluste durch PDU-Transformatoren vermieden Neue leistungsstarke USV-Systeme für Wechselstrom erreichen den gleichen Wirkungsgrad wie USV-Systeme mit hochohmigem Gleichrichter Bei beiden Systemen werden IT-Stromversorgungsgeräte mit einer höheren Eingangsspannung betrieben, wodurch sich ihr Wirkungsgrad verbessert Die Gleichstromverteilung mit hoher Spannung bietet einen geringen theoretischen Vorteil gegenüber der in diesem Dokument beschriebenen Architektur. Dieser Ansatz befindet sich jedoch noch in der Versuchsphase, ist noch nicht im Handel erhältlich, und es fehlen standardisierte Vorschriften. Der in diesem Dokument beschriebene Ansatz dagegen verfügt über weltweite Zulassungen und ist bereits im Handel erhältlich. Ausführlichere Informationen über die verschiedenen Arten der Gleichstromverteilung und eine detaillierte quantitative Analyse des Wirkungsgrades der Wechselstromverteilung im Vergleich zur Gleichstromverteilung finden Sie in APC White Paper Nr. 63, Vergleich von Wechselstromverteilung und Gleichstromverteilung in Serverräumen und RZ, und in APC White Paper Nr. 127, Quantitativer Vergleich zwischen effektiver Wechselstromverteilung und Gleichstromverteilung in Serverräumen und RZ. Direkte Kühlmittelleitungen zu Servern Viele Wirkungsgradverluste in modernen Serverräumen und RZ basieren auf Problemen mit dem Luftstrom. Die Verteilung der elektrischen Energie ist berechenbar, da sie von der Stromversorgung über spezielle Kabel direkt zu den IT-Geräten geleitet wird. Dies trifft für die Verteilung bei der Luftkühlung nicht zu, bei der die Luft einen unsichtbaren und häufig nicht nachvollziehbaren Weg von den Klimaanlagen zu den IT-Lasten zurücklegt. Zur Erreichung eines effizienteren Kühlsystems ist daher die Annahme logisch, dass durch eine direkte Verbindung zwischen Kühlmittelflüssigkeiten und IT-Lasten, analog dem Fluss der Energie, das System viel berechenbarer und möglicherweise effizienter werden könnte. Eine Modellierung des Wirkungsgrades von direkten Kühlmittelleitungen zeigt einen signifikanten potenziellen Wirkungsgradanstieg im Vergleich zu herkömmlichen Designs. Tabelle 2 zeigt jedoch, dass beim Vergleich mit der in diesem Dokument beschriebenen effizzienten Architektur mit reihenbasierter Kühlung durch direkte Kühlmittelleitungen nur sehr kleine potenzielle Gewinne erreicht werden. Es ist nicht erstaunlich, dass die reihenbasierte Kühlung den größten Teil der Wirkungsgradsteigerung ermöglicht, da bei der reihenbasierten Kühlung die Kühlmittelversorgung in größerer Nähe zu den IT-Lasten erfolgt. 26

27 Tabelle 2 Verbesserungen des RZ-Wirkungsgrades, die durch direkte Kühlmittelleitungen zu Servern erreicht werden können, im Vergleich zwischen herkömmlichem Design und der in diesem Dokument beschriebenen effizienten Architektur Direktleitungselement Einsparungen gegenüber herkömmlichem Design Einsparungen im Vergleich zu der in diesem Dokument beschriebenen Hochleistungsarchitektur Rückführung des Kühlmittels mit höherer Temperatur 5 % Keine Lüfterverluste 10 % 5 % Pumpverluste -5 % -2,5 % GESAMTVERBESSERUNG 10 % 2,5 % Im Handel sind keine IT-Geräte erhältlich, die für die Kühlung durch direkte Kühlmittelversorgung ausgelegt sind, und dies wird sich auch in absehbarer Zukunft nicht ändern. Darüber hinaus bestehen Kosten- und Zuverlässigkeitsfragen, die gelöst werden müssen. Die in diesem Dokument beschriebene effiziente Architektur kommt den Vorteilen der direkten Kühlmittelleitungen zu Servern fast gleich, erreicht diese Vorteile jedoch mit bestehenden luftgekühlten IT-Geräten und bereits heute einsetzbaren Systemen. 27

28 Praktische Leistungsgrenzen Im Rahmen der weiter oben erfolgten Untersuchung der fünf Ursachen für elektrische Verluste in Serverräumen und RZ unnötiger Wirkungsgradverlust und suboptimale Gerätekonfiguration werden Verbesserungsbereiche vorgeschlagen. Dadurch ergibt sich folgende Frage: Welches sind die praktischen Grenzen für die Reduzierung von Wirkungsgradverlusten, beispielsweise physikalische Grundgesetze oder praktische Konstruktionsprinzipien, die das Potenzial für Energieeinsparungen begrenzen. Erstaunlicherweise gibt es keine theoretische Begrenzung im Hinblick darauf, wie geringfügig Verluste im Nicht-IT-Bereich in Serverräumen und RZ sein können. Aus diesem Grund muss der gesamte Energieverbrauch durch Stromversorgungsgeräte, Kühlsysteme und die Beleuchtung als Verlust betrachtet werden (dies ist die UNTERSTÜTZUNG der Stromversorgung in Abbildung 1). Theoretisch möglich sind beispielsweise verlustfreie Serverräume und RZ, die die natürliche Konvektion der Außenluft in Kombination mit supraleitfähigen elektrischen Systemen nutzen, um den Eingangsstrom verlustfrei zu den IT-Lasten zu transportieren. Es gibt jedoch praktische Grenzen für die Stromversorgungs- und Kühleffizienz, die durch die Grenzen der verfügbaren Technologie und Budgetgrenzen bestimmt werden. Die größten praktischen Hindernisse für weitere Wirkungsgradsteigerungen der Stromversorgungs- und Kühlsysteme, außer den in Zusammenhang mit der verbesserten Architektur beschriebenen, stehen in Zusammenhang mit den Kühlsystemen. Das Pumpen und Transportieren von Wärme über Kühlmittelund Klimatisierungssysteme ist eine stabile und ausgereifte Technologie. Während von einer weiteren Optimierung und Integration dieser Systeme in den kommenden Jahren ausgegangen werden kann, ist bei herkömmlichen Klimaanlagen, zusätzlich den in diesem Dokument beschriebenen Wirkungsgradgewinnen, eine Steigerung von nur etwa 5 Prozent zu erwarten. Freie Kühlung sowie Klimaanlagen, die für die Nutzung von freier Kühlung ausgelegt sind, können je nach geografischen Standort einen weiteren Wirkungsgradgewinn von 5-10 Prozent bringen. In Kombination mit den erwarteten schrittweisen Leistungssteigerungen auf dem Gebiet der Klimatisierungstechnologie könnten DCiE-Werte im Bereich von 88 % erreicht werden, gegenüber 73 % bei der in diesem Dokument beschriebenen Systemarchitektur. 28