Energieeffiziente Rechnerräume GreenDataCenter Veranstaltungsreihe der ABGnova:»SophienHofAbende«- Energieeffizienz Dr.-Ing. Torsten Müller, Fraunhofer UMSICHT, Informationstechnik, 20.03.2013
Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT Gründung 1990 Betriebshaushalt 2011 24,8 Mio. (davon 9,8 Mio. Industrie) Mitarbeiter/innen 345 (198 Stammpersonal) DA-, Bachelor-, Masterarbeiter 35 Stud./wiss. Hilfskräfte 86 Praktikanten 11 Auszubildende 15 Spin-Offs 15 Projekte 300/Jahr Labor- und Technikumsflächen 4 500 m² Gesamtfläche 30 000 m² Institutsteil in Sulzbach-Rosenberg 1.7.2012 2 von 30
Fraunhofer Gesellschaft Itzehoe Lübeck Rostock 60 Institute ca. 80 Standorte in Deutschland 1,8 Mrd. Forschungsvolumen ca. 20 000 Mitarbeiter Bremerhaven Oldenburg Bremen Hannover Berlin Potsdam Teltow Braunschweig Magdeburg Cottbus Oberhausen Paderborn Halle Dortmund Schkopau Leipzig Duisburg Kassel Schmallenberg Dresden St. Augustin Erfurt Jena Aachen Freiberg Euskirchen Gießen Chemnitz Wachtberg Ilmenau Darmstadt Würzburg Bayreuth Erlangen Bronnbach St. Ingbert Kaiserslautern Fürth Nürnberg Saarbrücken Karlsruhe Pfinztal Ettlingen Stuttgart Straubing Freising Freiburg Augsburg Garching München Oberpfaffenhofen Kandern Prien Efringen- Holzkirchen Kirchen 3 von 30
Agenda Ausgangssituation Herausforderungen, Energieströme Allgemeines Kennzahlen, Messen, Rechnerraum/Rechenzentrum Projekt GreenDataCenter RZ-Indikator, Maßnahmenmatrix Maßnahmen Baulich, technisch, organisatorisch Was bringt es? Zusammenfassung
1. Ausgangssituation Herausforderungen im Bereich Rechenzentrum Anstieg der Energiekosten Zentralisierung der IT-Infrastrukturen Wachsende IT Nachfrage Dichte der Server erhöht sich laufend Höhere Anforderungen an die Verfügbarkeit Viele Rechenzentren/-räume sind älter als 7 Jahre Cloud Computing / Internet der Dinge / Mobile Anwendungen Knappe Energieversorgung in Ballungsgebieten 5 von 30
1. Ausgangssituation Anteile am Stromverbrauch im Rechenzentrum 12% 25% 10% 50% IT-Hardware Netzteile / Licht etc. USV Luftverteilung Kühlung 3% Quelle: Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) - Energieeffizienz lohnt sich. 6 von 30
2. Allgemein Kennzahlen PUE DCIE DCcE ScE ppue DPPE CADE CUE Power Usage Effectiveness Data Center Infrastructure Efficiency Data Center compute Efficiency (Aggregation aller ScE) Server compute Efficiency (Auslastung des Servers) Partial PUE (betrachten einzelne Komponenten, z.b. nur Kühlsystem), Zoneneinteilung (Vergleich von Zonen mit z. B. unterschiedlichen IT-Ausstattungen) Datacenter Performance Per Energy Corporate Average Data Efficiency Carbon Usage Effectiveness Gesamtmenge der CO 2 -Emissionen bezogen auf den Gesamtenergiebedarf im Rechenzentrum / IT-Energiebedarf 7 von 30
2. Allgemein PUE Verlässliche Vergleichsgröße? Aber: Richtiges Messen und genaue Betrachtung erforderlich Beispiel 1: Ausgangssituation E Gesamt 100 PUE = = = 2 E IT 50 Beispiel 2: Stromverbrauch IT erhöht, bei gleichem Gesamtstromverbrauch PUE = = = 1,67 E Gesamt 100 E IT 60 Beispiel 3: Stromverbrauch IT reduziert, bei reduziertem Gesamtstromverbrauch E PUE = Gesamt 80 = = 2,67 E IT 30 8 von 30
2. Allgemein Messstellen im Rechenzentrum 9 von 30
2. Allgemein Messen aber richtig Kritisches Auswahl und Bewertung von Messstellen Welche Art Verbraucher werden von der jeweiligen Messstelle versorgt? Ist eine eindeutige Zuordnung möglich? Kann eine Vermischung von Bilanzräumen hinreichend genau korrigiert werden? Identifizierung geeigneter Messstellen Beachtung der Witterungseinflüsse USV Andere Verbraucher Verlust W 10 von 30
2. Allgemein Rechenzentrum - Rechnerraum Merkmale Rechnerraum: < 50 m² (100 m²) < 30 Racks < 100 kva Merkmale größere Rechnerräume: 15 50 kva (bis 500 Arbeitsplätze) 18 30 m² Kühlkonzepte Merkmale Rechenzentrum: Homogenere Hardware Eigene Infrastruktur 11 von 30
3. GreenDataCenter Projektziele Auslegungshilfen zum Aufbau von Rechenräumen, insbesondere für die baulichen Voraussetzungen, die Auslegung der Stromversorgung und -verteilung sowie die Kühlung Hinweise zur korrekten Erfassung aller notwendigen Parameter Bewertungsmethoden der Energieeffizienz Beschreibung der wichtigen Einflussfaktoren und Bereitstellung von Optimierungshilfen zur Verbesserung der PUE Empirische Methoden zur Ermittlung des PUE bei nicht vorhandener dedizierter Messwertaufnahme von Leistungen Einbeziehung aller innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft mit dem Thema betrauter Stellen Argumentationshilfe für IT-Manager 12 von 30
3. GreenDataCenter RZ Indikator Bauliche Bedingungen Kältebereitstellung / Kühlung Elektrische Wirkungsgrade Organisation 0.. 9 0.. 9 0.. 9 0.. 9 W. X. Y. Z Stand Stand Bauliche Kältebereit- Bedingungen stellung / Kühlung 0: kein Handlungsbedarf, 9: Hoher Handlungsbedarf Stand Elektrische Wirkungsgrade Stand Organisation 13 von 30
3. GreenDataCenter Optimierungsstrang Eingangsdaten RZ Bauliche Maßnahmen Kältebereitstellung Kühlung Elektrische Wirkungsgrade Organisation Stromversorgung Bauliche Ausstattung Kühlung IT-Ausstattung Organisation Bewertung RZ Indikator 14 von 30
3. GreenDataCenter Maßnahmenmatrix Andere Kältebereitstellung Direktverdampfer Kaltwasser Nutzung Freie Kühlung 2.1.2 Konventionell 2.1.1 Kompressionskältemaschine Andere Verfahren Nutzung Freie Kühlung 2.2.3 Luftgekühlt 2.2.4 Wassergekühlt Nutzung Freie Kühlung 2.2.5 Keine Freie Kühlung 2.2.6 15 von 30
3. GreenDataCenter Maßnahmenmatrix Berücksichtigung von Wechselwirkungen einzelner Maßnahmen Nr. Maßnahme Nr. Maßnahme 1.1 Fenster abschatten 3.1.5 Reduzierung von Leckagen 1.2 Wände dämmen 3.1.6 Reduzierung von Druckverlusten 1.3 Wände begrünen 3.1.7 Optimierte Strömung im Rack 1.4 Sonstige Maßnahmen 3.1.8 Trennung von Geräte unterschiedlicher Lüftungsanforderungen 2.1.1 Direktverdampfer Konventionell 3.1.9 homogene Leistungsdichte 2.1.2 Direktverdampfer mit freier Kühlung 3.2.1 Im Luftkreislauf (Lüfterdrehzahl) 2.2.1 Kaltwasser Temperatur erhöhen 3.2.2 Dynamischer Einsatz der Klimatechnik (Ausschalten) 2.2.2 Leistungsregelung im Wasser- und Kältemittelkreislauf 3.3.1 Temperaturniveau anheben 2.2.3 Freie Kühlung Kaltwassersatz 3.3.2 Luftfeuchtigkeit Senken 2.2.4 Luftgekühlt 3.3.3 Befeuchtung optimieren 16 von 30
4. Maßnahmen Kühlkonzept - Rechnerraum Quelle: Stulz GmbH 17 von 30
4. Maßnahmen Kanalisierung der Kühlluft im Doppelboden Quelle: Daxten GmbH Quelle: Daxten GmbH 18 von 30
4. Maßnahmen Kühlkonzept - Rechnerraum Kabelmanagement 19 von 30
4. Maßnahmen Kühlkonzept - Rechnerraum Kaltgang 20 von 30
4. Maßnahmen Kühlkonzept - Temperatur Zulässiges Ambiente IKT-Systeme sind für den Betrieb in einem größeren Temperaturbereich zugelassen Quelle: ASHRAE 19 C 27 C 21 von 30
Maßnahmen Technisch Freie Kühlung Vollst. Freie Kühlung Küste: ~ 7.340 h Binnenland: ~ 6.750 h Gemischt Küste: ~ 1.240 h Binnenland: ~ 1.630 h Vollst. mech. Kühlung Küste: ~ 180 h Binnenland: ~ 380 h 22 von 30
4. Maßnahmen Kühlkonzept - Rack ohne Abdeckblech mit Abdeckblech Quelle: American Power Conversion (APC) 23 von 30
4. Maßnahmen Organisatorisch Werden die Server noch gebraucht? Asset-Management Können Server abgeschaltet werden? Verfügbarkeit An-/Abfahrvorgänge (Dokumentation, Zeitdauer) Beschränkung der Zugänglichkeit Keine Arbeiten im Rechnerraum/Rechenzentrum Anordnung der Server Strömungsrichtung, Wärmeentwicklung Virtualisieren Serveranordnung, Messeinrichtungen 24 von 30
5. Was bringt es? Beispiel Fallbeispiel der Vereinigung The Green Grid von 2011; White paper #39, www.thegreengrid.org Hauptmaßnahmen: Regelbare Ventilatoren zur Luftverteilung und neue effiziente Klimageräte Trennung von Warm- und Kaltgängen Messung der Temperatur an den Racks Erhöhung der Arbeitstemperatur Ergebnisse: Verbesserung PUE von 1,76 nach 1.6 Jährlicher Energieverbrauch gesenkt um 9.1 % Reduzierung der Leistungsaufnahme im Rechenzentrum Vorher Nachher Kosten: 500.000 $, Einsparung: 410.000 $/Jahr; Amortisierung in 15 Monaten 25 von 30
5. Was bringt es? Rechner - Deutsche Energie-Agentur GmbH (dena) http://tools.dena.de/index.php?id=69 26 von 30
6. Zusammenfassung Organisation verbessern Beteiligte Gruppen zusammenbringen Asset-Management, kontinuierliche Verbrauchsmessung etablieren Räumliche Trennung IT-Bereich und Infrastruktur Optimierung der Kühlung Zuführung des Kältemittels verbessern Bedarfsgerechte Kühlung Freie Kühlung einsetzen Planungen neuer Rechnerräume Bedarf => Modularer Aufbau Berücksichtigung von Redundanz, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit 27 von 30
Energieeffiziente Rechnerräume GreenDataCenter Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT Osterfelder Str. 3 46047 Oberhausen Tel. 0203 8598-0 Fax 0203 8598-1290 http://www.umsicht.fraunhofer.de
Allgemeine Literaturstellen BITKOM - Leitfaden Energieffizienz in Rechenzentren http://www.bitkom.org/de/publikationen/38337_53432.aspx BITKOM - Leitfaden zur Messung der Energieeffizienz (PUE) http://www.bitkom.org/de/publikationen/38337_74060.aspx Bundesverwaltungsamt - Vorgehensmodell für Rechenzentren http://www.bit.bund.de Dena - Leitfaden: Leistung steigern, Kosten senken: Energieeffizienz im Rechenzentrum. http://www.dena.de/ > Publikationen 30 von 30