APC Wirkungsgrade im Rechenzentrum

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Wirkungsgrade im Rechenzentren realistisch beurteilen

Mehr Wirkung mit weniger Strom

Mit steigenden Energiepreisen entwickeln sich die Ausgaben für Strom zu einem relevanten Faktor für die Kalkulation von Rechenzentren und Serverräumen. Wer es schafft diesen Wert zu verringern, spart nicht nur viel Geld, sondern erspart auch der Umwelt eine Menge Belastung.

er Energiefresser in Rechenzentren und Serverräumen ist schnell gefunden: Die aufgenommene elektrische Leistung wird beinahe zu 100 Prozent in Wärme umgewandelt. Die Definition des Wirkungsgrads von Rechenzentren und Serverräumen ist einfach: Die Effizienz eines Geräts oder Systems wird durch den Anteil der elektrischen Nutzleistung zur konsumierten elektrischen Leistung bestimmt. Der Anteil der nutzbaren Leistung zur Gesamtleistung wird üblicherweise als Prozentzahl dargestellt.

Verheizt statt genutzt.

»Nutzbar« ist, was als das gewünschte Ergebnis für ein bestimmtes System erachtet wird. Das hängt nicht nur von der Art des Systems ab, sondern auch vom Kontext der Verwendung. Beispielsweise kann bei einer Glühbirne, die fünf Prozent Licht und 95 Prozent Wärme abgibt, von einem Wirkungsgrad von fünf Prozent als Glühbirne oder einem Wirkungsgrad von 95 Prozent als Heizkörper gesprochen werden, abhängig davon, ob sie als Lichtquelle oder Wärmequelle in einem Raum verwendet wird. Als »Nutzprodukt« gilt somit alles, was unter den jeweiligen Umständen für das System Sinn ergibt.

Im konkreten Fall bedeutet dies, dass Rechenzentren und Serverräume als elektrische Systeme modelliert werden müssen, deren »Gesamtleistung« der Stromverbrauch vom Versorgungsnetz ist und deren »nutzbares Ergebnis« die Strommenge ist, die für die Datenverarbeitung bereitgestellt, das heißt, die tatsächlich an die IT-Geräte geliefert wird.

Im Idealfall hätten Rechenzentren und Serverräume einen Wirkungsgrad von 100 Prozent. Dann würde die gesamte zugeführte Energie die IT-Geräte erreichen. Diese müssen jedoch angemessen untergebracht, mit Strom versorgt, gekühlt und geschützt werden, damit eine ordnungsgemäße Datenverarbeitung möglich ist. In der Praxis wird die elektrische Energie auch von anderen Geräten, die für den Betrieb von Rechenzentren und Serverräumen notwendig sind, verbraucht. Stromverbraucher sind zum Beispiel Transformatoren, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Verkabelung, Lüfter, Kompressoren, Klimaanlagen, Pumpen, Befeuchter und Beleuchtung. Einige dieser Geräte, wie die USV und die Transformatoren, sind mit den IT-Geräten in Reihe geschaltet, hängen also am selben Strompfad. Andere Geräte wie die Beleuchtung, Lüfter und Kompressoren sind mit den IT-Geräten parallel geschaltet, da sie zusätzliche Unterstützungsfunktionen in den Rechenzentren oder Serverräumen übernehmen.

Schnell wird klar, dass all diese »unterstützenden« Systeme – NCPI (Network Critical Physical Infrastructure) genannt – »Verlust« produzieren, denn sie dienen nicht dazu, Daten zu verarbeiten, sondern haben lediglich unterstützende Funktionen.

Wirkungsgrade effektiv steigern.

Betrachtet man die NCPI-Komponenten, lässt sich deren Wirkungsgrad steigern durch:
1. den Einbau von energieeffizienteren standardisierten Bauteilen in Verbindung mit einer modularen Bauweise. Wichtig ist es, ablaufkritische Bauteile im laufenden Betrieb austauschen zu können. Die Versorgung mit Ressourcen (Energie , Kühlmedium) beziehungsweise die zu erbringende Leistung sollte durch eine intelligente Softwarelösung justierbar, überwachbar und rapportierbar sein. Außerdem sollten Fehlerzustände innerhalb einer definierten Toleranz kontrolliert und unmittelbar eskaliert werden.

2. die Bildung aerodynamisch effektiver IT-Infrastrukturarchitekturen. Zeitgemäße Racktüren leisten durch ihren Perforationsgrad keinen nennenswerten Strömungswiderstand mehr. Racks werden in Reihen nach dem Kaltgang-Warmgang-Prinzip platziert. Eine überlegte Verteilung des unterschiedlich performanten IT-Equipments auf die Racks und eine durchdachte Verlegung der Strom- und Datenkabel und der Kaltwasserrohre sind ebenfalls positive Einflussgrößen. Ein Vermischen von gekühlter Luft und erwärmter Abluft wird durch entsprechende Abschottungsmaßnahmen konsequent vermieden.

Der Wirkungsgrad von Rechenzentren und Serverräumen ergibt sich aus der Summe der Stromverbrauchsdaten aller IT-Geräte dividiert durch die Gesamtleistungsaufnahme des Rechenzentrums oder Serverraums.

In der Praxis verlassen sich viele IT-Verantwortliche jedoch bei großen Komponenten wie USV und Klimaanlagen auf die Herstellerangaben zum Wirkungsgrad. Hier sollten in jedem Fall auch die Teillastwirkungsgrade beziehungsweise die auftretenden Verluste abgefragt werden, um eine korrekte Beurteilung zu ermöglichen.

Fehler in Modellen zur Wirkungsgradermittlung beruhen auf mehreren Ursachen: Zunächst gehen viele Planungen für Rechenzentren oder Serverräume von der Annahme aus, der Wirkungsgrad von Stromversorgungs- und Kühlanlagen sei konstant und unabhängig von der IT-Last. Tatsächlich jedoch beträgt bei sehr geringen Lasten der Wirkungsgrad fast null. Schon durch die Steuerlogik von Geräten, die unabhängig von der Last einen konstanten Strombedarf hat, kommt es zu Leerlaufverlusten. Werden diese Geräte dann mit niedriger Last betrieben – wie dies bei den meisten Rechenzentren der Fall ist – ist der Anteil dieses Verlusts besonders hoch und der Wirkungsgrad bleibt niedrig.

In der theoretischen Planung werden die Stromversorgungs- und Kühlkomponenten nahezu mit der projektierten Auslastung betrieben. Dass dies in der Praxis nicht funktioniert, hat mehrere Gründe:

Die IT-Last des Rechenzentrums (Auslastungsgrad) liegt weit unter der Nennleistung der versorgenden NCPI-Geräte.
Die versorgende Infrastruktur wurde absichtlich überdimensioniert, um einen Sicherheitsspielraum zum Bespiel für Erweiterungen zu erhalten.
Die Komponente wurde im Verbund mit gleichen oder ähnlichen Komponenten in einer hochverfügbaren, redundanten N+1- oder 2N-Konfiguration genutzt.
Die Komponente wurde überdimensioniert, um eine höhere Lastflexibilität zu erhalten.

Eine weitere wichtige Fehlerquelle bei der Modellierung des Wirkungsgrads von Rechenzentren und Serverräumen besteht in der Annahme, dass die Abwärme von Stromversorgungs- und Klimaanlagen (Wirkungsgradverlust) lediglich einen unbedeutenden Anteil an der IT-Last ausmacht und daher ignoriert werden kann. Tatsache ist jedoch, dass kein Unterschied zwischen der Abwärme der Stromversorgungs- und Klimaanlagen in einem Rechenzentrum und der Abwärme der IT-Geräte besteht. In beiden Fällen muss die Abwärme von einem Kühlsystem abgeleitet werden. Dies bedeutet eine zusätzliche Belastung für das Kühlsystem. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer Überdimensionierung mit den daraus resultierenden zusätzlichen Wirkungsgradverlusten. Um diese Verluste korrekt quantifizieren zu können, muss die Kühllast sowohl die IT-Geräte als auch sämtliche Stromversorgungs- und Kühlvorrichtungen berücksichtigen, die sich in dem klimatisierten Bereich befinden.

Das effizientere Modell.

Wer die Fallstricke und Denkfehler kennt, mit denen Rechenzentren und Serverräume häufig konzipiert und betrieben werden, kann diese leicht vermeiden und Lösungen mit höherer Effizienz entwickeln.

Dabei sind folgende Punkte zu beachten:

Die Modellierung der Komponenten muss unter Einbeziehung des Leerlaufverlusts erfolgen.
Die Minderauslastung aufgrund von N+1- oder 2N-Architekturen wird mit einbezogen.
Die Kühllast ist die Summe der Abwärmedaten der IT-Systeme und der internen Stromversorgungs- und Kühleinheiten.
Für eine gegebene Installation in Rechenzentren oder Serverräumen wird der Wirkungsgrad als eine Funktion der Last grafisch dargestellt, wobei vorausgesetzt wird, dass typische Rechenzentren und Serverräume weiter unter ihrer Nennleistung betrieben werden.

Die praktische Umsetzung des Modells ist einfach und sieht folgendermaßen aus: Zunächst gilt es die durchschnittliche Überdimensionierung für jede Art von Stromversorgungs- oder Kühlkomponente zu ermitteln. Dabei sind die Faktoren Lastflexibilität und Redundanz zu berücksichtigen. Dann sind für jede Komponentenart die Betriebsverluste zu ermitteln – unter Berücksichtigung von Eingangsleistung, Anteil an der Gesamtleistung für die Komponentenart auf Basis von Überdimensionierung und Leerlaufverlust. Des Weiteren ist der Verlust zu ermitteln, der aufgrund der Kühlung von Stromversorgungs- und Klimaanlagen im Rechenzentrum oder Serverraum durch das Kühlsystem anfällt. Anschließend werden alle Verluste addiert und als eine Funktion der IT-Last berechnet und dargestellt.

Optimierung durch korrekte Dimensionierung.

Der mangelnde Wirkungsgrad von Rechenzentren lässt sich primär auf die Überdimensionierung und veraltete USV-Technologien zurückführen, die nicht die heutige Arbeitsweise der IT-Verbraucher berücksichtigen. Daraus ergibt sich, dass skalierbare, an die IT-Last anpassbare Lösungen ein spürbares Potenzial für die Verringerung von unnötigem Stromverbrauch und übermäßigen Kosten bieten. Besonders wirksam ist die korrekte Dimensionierung zusammen mit der Virtualisierung der IT-Geräte und einer deutlich verbesserten Warmluftführung zwischen den IT-Geräten und den Kühl- und Klimaanlagen und damit erzielbarer Trennung zwischen Warm- und Kaltluft. Was daraus folgt, sind sehr hohe Einsparmöglichkeiten, die sich auf der Stromrechnung deutlich bemerkbar machen.

Francisco Alvarez

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Francisco Alvarez, Enterprise Sales Manager Germany & Austria bei APC by Schneider Electric

Wirkungsgrad

Quelle: APC by Schneider Electric

Ein typisches Rechenzentrum setzt weniger als ein Drittel der elektrischen Energiezufuhr für die IT direkt ein.

»Rechenzentren und Serverräume verbrauchen Schätzungen zufolge zwischen zwei und fünf Prozent der weltweit produzierten elektrischen Leistung.«

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