Expertartikel

Datacenterinnovation – hur mätnoggrannhet möjliggör energieffektivitet

Keith Dunnavant, Munters & Anu Kätkä, Vaisala

Buildings and Indoor Air Quality

Industriell mätning

I följande artikel kommer Keith Dunnavant från Munters och Anu Kätkä från Vaisala att beskriva de senaste trenderna inom datacentersektorn och diskutera effekten av VVS-mätningar på energieffektivitet. Med stigande energikostnader och regeringar som snabbt söker möjligheter att minska utsläppen av växthusgaser har energieffektiviteten i datacenter hamnat i fokus för internationell granskning.

Båda författarna har lång erfarenhet och expertis inom energihantering vid datacenter. Munters är en global ledare inom energieffektiva och hållbara klimatkontrollösningar för verksamhetskritiska processer inklusive datacenter, och Vaisala är en global ledare inom väder-, miljö- och industriella mätningar.

Energianvändning i datacenter

"Strömanvändningseffektivitet" (PUE) som mått

Den globala efterfrågan på el är cirka 20 000 terawattimmar; IKT-sektorn (informations- och kommunikationsteknik) använder 2 000 terawattimmar och datacenter använder cirka 200 terawattimmar, vilket är 1 procent av totalen. Datacenter utgör därför en betydande del av de flesta länders energiförbrukning. Det har uppskattats att det finns över 18 miljoner servrar i datacenter globalt. Utöver sina egna strömkrav kräver dessa IT-enheter även stödjande infrastruktur såsom kylning, kraftdistribution, brandsläckning, avbrottsfri strömförsörjning, generatorer osv.

För att kunna jämföra energieffektiviteten i datacenter är det vanligt att använda "power usage efficiency" (PUE) som mått. Detta definieras som förhållandet mellan den totala energianvändningen i ett datacenter och den energi som endast används av IT. Optimalt skulle PUE vara 1, vilket skulle innebära att all energi går åt till IT och att den stödjande infrastrukturen inte förbrukar någon energi alls.

För att minimera PUE är målet därför att minska förbrukningen av den stödjande infrastrukturen såsom kyla och kraftdistribution. Den typiska PUE i traditionella äldre datacenter är cirka 2, medan stora, hyperskaliga datacenter kan nå under 1,2. Det globala genomsnittet var under år 2020 cirka 1,67. Det betyder att i genomsnitt 40 procent av den totala energianvändningen är icke-IT-förbrukning. PUE är emellertid ett förhållande och säger oss därför ingenting om den totala mängden energiförbrukning, vilket innebär att om IT-enheterna förbrukar en hög energinivå i jämförelse med kylsystemet kommer PUE att se bra ut. Det är därför viktigt att mäta även den totala strömförbrukningen samt IT-utrustningens effektivitet och livscykel. Dessutom bör man utifrån ett miljöperspektiv ta hänsyn till hur elen produceras, hur mycket vatten som förbrukas (både vid alstring av elen och på platsen för kylning) samt om spillvärme tas tillvara.

PUE-konceptet utvecklades ursprungligen av Green Grid år 2006 och publicerades som en ISO-standard år 2016. Green Grid är ett öppet industrikonsortium av datacenteroperatörer, molnleverantörer, teknik- och utrustningsleverantörer, anläggningsarkitekter och slutanvändare som arbetar globalt med energi- och resurseffektivitet i datacenterekosystem som strävar efter att minimera koldioxidutsläpp.

PUE är fortfarande den vanligaste metoden för att beräkna energieffektiviteten i datacenter. På Munters, exempelvis, utvärderas PUE på både topp- och årsbasis för varje projekt. Vid beräkning av PUE-mått beaktas endast IT-belastningen och kylbelastningen vid beräkningen av PUE. Detta kallas antingen partiell PUE (pPUE) eller mekanisk PUE (PUEM). Topp-pPUE (peak pPUE) används av elektriker för att fastställa maximala belastningar och för att dimensionera reservgeneratorer. Årlig pPUE används för att utvärdera, och jämföra med andra kylalternativ, hur mycket el som kommer att förbrukas under ett typiskt år. Även om PUE kanske inte är ett perfekt verktyg stöds det i allt högre grad av andra åtgärder såsom WUE (effektivitet för vattenanvändning), CUE (effektivitet för kolanvändning) såväl som metoder som kan öka relevansen av PUE, inklusive SPUE (Server PUE) och TUE (Total PUE).

Datacentertrender

Under det senaste decenniet har effektiva hyperskaliga datacenter ökat sin relativa andel av den totala energiförbrukningen för datacenter, medan många av de mindre effektiva, traditionella datacentren har stängts. Följaktligen har den totala energiförbrukningen ännu inte ökat dramatiskt. Dessa nybyggda hyperskaliga datacenter har designats för effektivitet. Vi vet emellertid att det kommer att finnas en växande efterfrågan på informationstjänster och datorintensiva applikationer, detta på grund av många nya trender såsom AI, maskininlärning, automation, förarlösa fordon och så vidare. Följaktligen förväntas energibehovet från datacenter att öka, och ökningsnivån är föremål för debatt. Enligt det bästa scenariot kommer, i jämförelse med nuvarande efterfrågan, den globala energiförbrukningen för datacenter att tredubblas till 2030, men en åttafaldig ökning tros vara mer sannolik. Dessa energiförbrukningsprognoser inkluderar både IT- och icke-IT-infrastruktur. Merparten av icke-IT-energiförbrukningen kommer från kylning, eller mer exakt, från avvisande av värmen från servrarna, och enbart kylkostnaden kan lätt representera upp till 25 procent eller mer av de årliga energikostnaderna totalt. Kyla är givetvis en nödvändighet för att bibehålla IT-funktionaliteten, och detta kan optimeras genom god design och effektiv drift av byggnadssystem.

En viktig trend på senare tid är en ökning av serverredets effekttäthet, där en del når så högt som 30 till 40 kilowatt och högre. Enligt forskning utförd av AFCOM, branschorganisationen för yrkesverksamma inom datacenter, fann 2020 års State of the Data Center-rapport att den genomsnittliga redestätheten hoppat till 8,2 kW per rede: från 7,3 kW 2019 och 7,2 kW 2018. Cirka 68 procent av de tillfrågade rapporterade att redestätheten har ökat under de senaste tre åren.

Förändringen mot molnberäkning ökar verkligen utvecklingen av hyperskaliga och samlokaliseringsdatacenter. Historiskt sett skulle ett 1-megawatts datacenter ha utformats för att möta behoven hos en bank, ett flygbolag eller ett universitet, men många av dessa institutioner och företag går nu över till molntjänster inom hyperskaliga, samlokaliserade datacenter. Som ett resultat av denna växande efterfrågan finns ett ökat krav på datahastighet, och naturligtvis betjänar alla dessa datacenter verksamhetskritiska applikationer, varför tillförlitligheten i infrastrukturen är mycket viktig.

Det finns också ett ökat fokus på edge-datacenter för att minska latens (fördröjning), samt mot införandet av vätskekylning för att tillgodose högpresterande kretsar och för att minska energianvändningen.

Temperatur- & fuktighetskontroll

En av de primära övervägandena för energieffektivitet inom luftkyld datacenterkylning är inneslutning av varmgång/kallgång. Tyvärr är inneslutningen fortfarande dåligt hanterad i många äldre datacenter, vilket leder till låg energieffektivitet. Nya datacenterbyggen tenderar å andra sidan att ta inneslutning på största allvar, vilket bidrar väsentligt till prestandan.

För många ligger tilluftstemperaturerna optimalt på mellan 24 °C och 25,5 °C ). Delta-T är dock mycket viktigt - temperaturskillnaden mellan den varma gången och den kalla gången. Vanligtvis är delta-T runt 10 till 12 °C°, men 14 °C är ett vanligt mål vid design av datacenter. Ökning av delta-T resulterar i dubbla fördelar genom att minska fläktmotorns energianvändning som krävs av kylsystemen, samt genom att öka potentialen för att ekonomisera värmeavvisningsstrategier.

"Ekonomisering" är den process genom vilken utomhusluften kan användas för att underlätta en del av datacentrets värmeavvisning. Ekonomiseringen kan ske direkt, där utomhusluft faktiskt förs in i kylsystemen och levereras till servrarna (efter lämplig luftfiltrering), eller indirekt, där återcirkulerande datacenterluft kasseras till omgivningen med hjälp av en luft-till-luft-värmeväxlare. Detta sänker kostnaderna och förbättrar effektiviteten och hållbarheten. För att bibehålla effektiviteten bör tryckfall på luftsidan förorsakade av filtrering emellertid minimeras. Om luft återcirkuleras inom datacentret utan införande av utomhusluft borde det därför vara möjligt att minska eller eliminera behovet av filtrering helt och hållet.

Kylning och ventilation kräver noggrann kontroll, och det är viktigt att installera högeffektiva fläktar, upprätthålla ett lätt övertryck i byggnaden samt kontrollera rumsfuktigheten. Till exempel bör påfyllningsluftsystem hålla utrymmets daggpunkt tillräckligt låg så att kylslingor endast vidtar förnuftig kylning utan att behöva hantera en latent belastning (avlägsnande av fukt från luften).

Det övergripande målet med värmeavvisningssystemet är att upprätthålla optimala förhållanden för IT-utrustningen, samtidigt som energianvändningen minimeras. Låg luftfuktighet kan till exempel öka risken för statisk elektricitet och hög luftfuktighet kan orsaka kondens, vilket är ett hot mot elektrisk och metallisk utrustning som skulle kunna öka risken för misslyckanden och förkorta livslängden. Höga luftfuktighetsnivåer i kombination med olika omgivande föroreningar har visat sig påskynda korrosion av olika komponenter i servrar.

Kylning är vital för att ta bort den värme som genereras av IT-utrustning – för att förhindra överhettning och fel. Enligt vissa studier kan en snabbt fluktuerande temperatur faktiskt vara mer skadlig för IT-enheterna än en stabil högre temperatur, så reglerslingan är viktig ur det perspektivet.

Den senaste IT-utrustningen kan vanligtvis fungera vid högre temperaturer, vilket gör att insugningstemperaturen kan höjas och möjligheten till frikyla och ekonomisering förbättras. Utomhusluft kan användas för att kyla inomhusluft antingen direkt eller indirekt (som nämnts ovan), och evaporativ eller adiabatisk kylning kan ytterligare förbättra effektiviteten hos ekonomiseringen. Dessa energibesparande tekniker har använts i stor utsträckning, och trenden går nu mot strategier för torr värmeavvisning som inte förbrukar vatten. När temperaturen på värmeutvinningsmediet (luft eller vätska) stiger, ökar potentialen för att spillvärme från datacenter kan användas effektivt, vilket till exempel tillåter användning i fjärrvärmenät. I Helsingfors samarbetar till exempel Microsoft och energikoncernen Fortum i ett projekt för att fånga upp överskottsvärme. Datacentret kommer att använda 100 procent utsläppsfri el och Fortum kommer att överföra den rena värmen från serverkylningsprocessen till bostäder, tjänster och affärslokaler som är anslutna till dess fjärrvärmesystem. Denna anläggning för spillvärmeåtervinning av datacenter kommer sannolikt att bli den största i sitt slag i världen.

Betydelsen av korrekt övervakning

I många moderna anläggningar förväntar man sig 99,999 procent drifttid, vilket motsvarar en stilleståndstid på bara några få minuter per år. De här extremt höga prestandanivåerna är nödvändiga eftersom de data och processer som hanteras av IT-infrastrukturen är så viktiga och värdefulla.

En nyckelegenskap inom datacenterdesign är leveransen av rätt temperatur till servrar, och detta kan endast uppnås om kontrollsystemet kan förlita sig på exakta sensorer. Större datahallar kan vara mer utmanande att övervaka eftersom de har större potential för rumsliga temperaturvariationer. Det är därför viktigt att det finns tillräckligt många temperatursensorer för att säkerställa att alla servrar övervakas.

Keith Dunnavant, Munters

Vissa servrar står nära en kylenhet medan andra står längre bort. En del står kanske nederst på en hylla och andra högre upp, så det finns potential för tredimensionell variation. Utöver ett tillräckligt antal sensorer är det därför också viktigt att luftflödet och kylningen fördelas optimalt i serverrummet. Genom en kombination av korrekt design och övervakning är det möjligt att effektivt styra kylning och luftflöde för att möta den erforderliga specifikationen.

För att kunna utvärdera effekterna av olika variabler på den genomsnittliga årliga energianvändningen har Munters modellerat sitt system som använder tre olika styrsystem på tre olika platser - var och en med ett ITE-datacenter på 1 megawatt:

Basscenariot har en designad tillförselstemperatur på 24 °C och en returtemperatur på 35 °C (delta-T = 11 °C).
I det andra fallet sänktes tillförsels- och returtemperaturerna med 1 °C (delta-T bibehölls).
I det tredje fallet sänktes bara returtemperaturen med 1 °C (delta-T reducerad).

Resultaten visade en lägre energianvändning i alla tre scenarier vid det mildare klimatet. Scenario #2 visade 1 till 2 procent ytterligare energianvändning genom att sänka tillförsels- och returtemperaturerna med bara 1 grad. Scenario #3 visade den mest signifikanta ökningen av energianvändning. Genom att sänka returtemperaturen med bara 1 °C (och därmed delta-T), ökade energianvändningen med 8 till 9 % på alla tre platserna. Denna stora effekt från en liten temperaturavvikelse framhäver vikten av både delta-T och sensornoggrannhet.

Oavsett vilka kylningsmetoder som används är det ytterst viktigt att kontrollera VVS-processer och inomhusförhållanden på ett tillförlitligt sätt. För att uppnå detta måste datacenteransvariga kunna förlita sig på kontinuerliga noggranna mätningar, detta eftersom kontrollslingans kvalitet bara kan motsvara mätningarna. Av denna anledning möjliggör högkvalitativa sensorer effektivt kontrollerade VVS-processer och en stabil inomhusmiljö. Sensorspecifikationen vid installationstillfället är dock inte nödvändigtvis en indikator på långsiktig prestandatillförlitlighet. Det verkliga värdet hos en sensor härleds över hela dess livscykel, detta eftersom frekventa krav på underhåll kan vara kostsamma, och som beskrivs i Munters-modellerna kan även små avvikelser i noggrannhet leda till höga energikostnader.

I de flesta fall är värdet av data i IT-infrastrukturen extremt högt - och ofta verksamhetskritisk - varför det skulle vara meningslöst att distribuera lågkostnadssensorer om det leder till höga underhållskostnader eller risker för högvärdig data. Användare bör därför söka hållbara mätinstrument som kan leverera tillförlitliga, stabila avläsningar på lång sikt, detta eftersom det är den livslånga tillförlitligheten som verkligen betyder något.

Mätteknik för krävande miljöer

Fokus på noggrannhet, tillförlitlighet och stabilitet hos mätanordningar har varit ett viktigt varumärkesvärde för Vaisala sedan dess grundande för över 86 år sedan. Dessa egenskaper är därför grundläggande komponenter i designuppdraget för varje Vaisala-produkt. För att demonstrera fördelarna med dessa egenskaper har Vaisala-sensorer verkat på planeten Mars i över åtta år och levererat problemfri data under svåra förhållanden ombord på NASA:s Curiosity-rover, och mer nyligen på Perseverance-rovern.

Datacenter representerar en mindre utmanande miljö än yttre rymden, men pålitliga sensorer är lika viktiga med tanke på den väsentliga tjänst som datacenter tillhandahåller till företag, ekonomier och samhällen över hela världen.

Läs mer

NASA:s Mars Rover innehåller Vaisalas mätteknik

Faktorer som påverkar valet av sensorer

1. Pålitlighet

Noggrannheten hos sensorn vid installationstillfället är självklart viktig, men det är vitalt att sensorn förblir korrekt under lång tid och levererar stabila avläsningar. Med tanke på det höga värdet i datacenter - och ofta deras avlägsna placering - bör sändarnas livslängd vara långt över normen. Tillverkaren bör därför ha erfarenhet inom branschen, tillsammans med ett rykte om tillförlitlig mätning i kritiska miljöer. Spårbara kalibreringscertifikat ger en garanti för att sensorer fungerade korrekt innan de lämnade fabriken, och bevisad tillförlitlighet gör att denna noggrannhetsnivå kan bibehållas på lång sikt.

Anu Kätkä, produktchef, Vaisala

2. Underhåll

Sensorer med höga underhållskrav bör undvikas - inte bara på grund av kostnaderna, utan också på grund av att sådana sensorer löper högre risker för fel. Dessutom kan sensorer som börjar avvika eller som tappar noggrannhet resultera i enorma energikostnader, vilket förklarats ovan. De höga nivåerna av drifttid som krävs av datacenter gör att eventuella underhållsåtgärder för övervakningsutrustning inte bör störa driften av datacentret. Följaktligen är instrument såsom Vaisalas med utbytbara mätprober eller moduler fördelaktiga, inte minst för att de gör att sensorer kan tas bort och kalibreras off-line. Obs! Om en mätprob eller modul byts ut, bör kalibreringscertifikatet också uppdateras. Helst bör det vara möjligt att utföra underhållsåtgärder på plats med verktyg från instrumentleverantören, och detta arbete bör utföras som en del av ett schemalagt underhållsprogram.

3. Hållbarhet

Ur ett sensorperspektiv tillåter den senaste tekniken användare att uppgradera bara mätdelen av en sensor istället för att ändra eller ta bort hela transmittern, och bidrar därmed till att undvika onödigt slöseri. Leverantörernas miljö- och hållbarhetsuppgifter bör beaktas när köpbeslut fattas. Detta gör det möjligt för hållbarhet att spridas genom leveranskedjorna och skapa en drivkraft för alla företag, stora som små. Hållbarhet står i centrum för både Munters och Vaisala. Munters har till exempel över 1,5 gigawatt kylutrustning för datacenter installerad globalt, vilket ger energibesparingar motsvarande två procent av Sveriges årliga energiförbrukning. Vaisala listades nyligen i Financial Times Topp 5-lista över europeiska klimatledande organisationer (European Climate Leaders) för 2022. Listan inkluderar europeiska företag som uppnådde den största minskningen av sina utsläpp av växthusgaser mellan 2015 och 2020.

Sammanfattning

Med kritiska data värda miljarder dollar som bearbetas och lagras i datacenter måste strömkrävande servrar hållas i idealiska temperatur- och luftfuktighetsförhållanden för att förhindra driftstopp. Samtidigt föreligger akuta krav på lägre utsläpp av växthusgaser, förbättrad energieffektivitet, lägre energikostnader och bättre PUE-åtgärder - allt i en tid med stigande energikostnader. Denna "perfekta storm" av pådrivande aspekter betyder att noggrann kontroll och optimering av VVS-processer är extremt viktig.

Om författarna

Keith Dunnavant är VP Sales på Munters och ansvarig för deras datacenterverksamhet i Amerika. Anu Kätkä är produktchef på Vaisala och ansvarig för Vaisalas globala VVS- och datacenterproduktområde.

Du kanske också gillar...

Expertartikel

Undvik att elda på datacentrets energikostnader

I följande artikel förklarar vi hur mer effektiva kylsystem kan införas på energikrävande datacenter. Vi berättar också om de dramatiska kostnadsbesparingar och förbättringar när det gäller miljöprestanda som kan uppnås genom noggranna mätningar.

Läs mer

Webbinarium

Datacenter blir gröna

Till vilken grad kan precisa VVS-mätningar påverka energiförbrukningen i kylsystem?

Registrera dig för att titta

Kundfall

Hålla datacenter svala

Ökande efterfrågan på databehandling och lagringskapacitet har lett till att stora företag investerar i nya anläggningar som förser ett allt större antal användare med webbaserade tjänster.

Läs mer

Frågor om Vaisalas lösningar för datacenter? Vi finns här för att hjälpa dig!

Kontakta oss