2010 9 Förstudie - Serverhallar Dec 2011
Förstudie – Energieffektivisering av serverrum Margot Bratt & Hans Isaksson, K-Konsult Energi AB Stockholm, december 2011 Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 Beställargruppen lokaler, BELOK, är ett samarbete mellan Energimyndigheten och Sveriges största fastighetsägare med inriktning på kommersiella lokaler. BELOK initierades 2001 av Energimyndigheten och gruppen driver idag olika utvecklingsprojekt med inriktning på energieffektivitet och miljöfrågor. Gruppens målsättning är att energieffektiva system och produkter tidigare kommer ut på marknaden. Utvecklingsprojekten syftar till att effektivisera energianvändningen samtidigt som funktion och komfort förbättras. Gruppens medlemsföretag är: Akademiska Hus Castellum/Brostaden Diligentia Fabege Fortifikationsverket Jernhusen Locum Lokalförsörjningsförvaltningen - LFF LFV Midroc Skolfastigheter i Stockholm - SISAB Specialfastigheter Statens Fastighetsverk Stena Fastigheter Vasakronan Västfastigheter Till gruppen är även knutna: Statens Energimyndighet Boverket Byggherrarna CIT Energy Management 2(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 FÖRORD Serverhallar är stora energislukare och många fastighetsföretag inom lokalsektorn hanterar sådana i sina byggnader. För byggnader med i övrigt låg energianvändning kan serverrummen bli den helt dominerande slutanvändaren av energi. Det är både elanvändning och behov av kyla som blir stora. Servrarna genererar en stor mängd värme som behöver kylas bort för att hålla temperaturen i rummet på lämplig nivå. I vissa fall finns även villkor för luftfuktigheten i rummet, vilket leder till ökad energianvändning och inte sällan till problem för de som sköter anläggningens drift. Enligt studier som genomförts av Energimyndigheten inom "Stegvis stil" åtgår 12,7 % av total elanvändning i lokaler och kontor till serverrum. Därutöver tillkommer el för kyla som står för 9,7 % av total elanvändning. För total energianvändning i landets samtliga serverhallar finns inga siffror, då kartläggning inte genomförts för de fristående serverhallar som ökar i allt större utsträckning. Syftet med förstudien är att identifiera de problem som kan hänföras till den stora energianvändningen i serverhallar och föreslå hur man kan gå vidare med frågorna inom BELOK, exempelvis genom att se över möjligheterna till teknikupphandling. I arbetet ingår att studera Energimyndighetens försök med likströmsmatning. En litteraturgenomgång skall dessutom göras för att identifiera om något tidigare arbete utförts inom området och i så fall vad. Hänsyn skall även tas till aktiviteter hos organisationen Grön IT. 3(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 SAMMANFATTNING Serverhallar är stora energislukare och många fastighetsföretag inom lokalsektorn hanterar sådana i sina byggnader. För byggnader med i övrigt låg energianvändning kan serverrummen bli den helt dominerande slutanvändaren av energi. Det är både elanvändning och behov av kyla som blir stora. Enligt studier som genomförts av Energimyndigheten inom "Stegvis stil" åtgår 12,7 % av total elanvändning i lokaler och kontor till serverrum. Därutöver tillkommer el för kyla som står för 9,7 % av total elanvändning. För total energianvändning i landets samtliga serverhallar finns inga siffror, då kartläggning inte genomförts för de fristående serverhallar som ökar i allt större utsträckning. För att energieffektivisera en serverhall och kringliggande anläggningar krävs ett systemperspektiv. Utgångspunkten bör vara att datorer och program på användarsidan är dimensionerade utifrån faktiskt behov och att hårdvara som installeras är energieffektiva, då det påverkar behov av serverkapacitet. Effektiviteten på servrar och nätaggregat är centrala då det främst är de som alstrar värme och ger upphov till behov av kyla. Avges mindre värme från servrarna, krävs mindre kyla. Sänks energiförlusterna i servrarna skapas mindre spillvärme. Det krävs mindre energi för att forsla bort värmen och kylsystemet kan arbeta svalare. Den värme som kylsystemet självt skapar, måste också kylas bort. Genom energieffektiviseringen minskar detta kylbehov. Därefter tas hänsyn till värmebehov i kringliggande byggnader och möjligheten att återvinna spillvärme till dessa. Det finns energieffektiv teknik på marknaden som leder till stora energi- och kostnadsbesparingar och som möjliggör ett systemtänkande. Dock är stor del av energiarbetet i serverhallar inriktat på att minska effektåtgången för kyla, med utgångspunkt från att det inte går att göra så mycket åt servrarnas verkningsgrad. Genom teknik med likströmsmatning till servrar kan förluster från nätaggregaten minskas. Onödiga mellansteg i kraftöverföringen tas bort vilket kan minska energianvändningen radikalt. I rapporten beskrivs energiflöden i en serverhall med utgångspunkt från olika tekniklösningar som finns tillgängliga på marknaden, arbete med standarder för energiprestanda i serverhallar samt exempel på organisationer som genomfört systemlösningar som minskat energianvändningen väsentligt. Exempelvis har Energimyndigheten genom strukturerat arbete på såväl användarsidan som i serverhallen minskat energianvändningen med 56 procent. De använder bl. a lösningar med likströmsmatning i kombination med solceller. Standarder för energiprestanda i serverhallar För att underlätta för beställare att upphandla - och mäta energiprestanda för funktioner för bl. a serverhallar, har SIS planer på framtagande av en sådan inom arbetet med ISO standard för Grön IT. Inom den Amerikanska myndigheten EPA, och Energy Star har arbete med att ta fram en standard, PUE, för att mäta främst elanvändning i serverhallar genomförts. Standarden saknar dock en hel del information för att kunna ge en bra bild över potentialen för att minska den totala energianvändningen för en serverhall från ett 4(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 systemperspektiv. Med utgångspunkt från delar av de begränsningar som finns i PUEtalet har en analys av förutsättningar för alternativa index till PUE-talet, Net Power Usage Effectiveness, NPUE, samt en ansats att beskriva en energideklaration för serverhallar gjorts inom ramen för ett examensarbete vid KTH1. Eftersom arbetet med ISO standard för serverhallar inte påbörjats ger det möjlighet för företag med intresse i frågan att delta i utformningen av denna. Det kan också vara av intresse för BELOK- gruppen att en energideklaration för serverhallar tas fram. Förslag till fortsatt arbete - Vad behöver utvecklas? Gemensam upphandling Ett antal projekt med likströmsmatning till servrar har genomförts och pågår. Dock har tekniken inte fått någon tydlig genomslagskraft på marknaden. För att öka marknadsacceptansen föreslås att en gemensam upphandling genomförs. Teknikupphandling Teknik för likströmsmatning av kylapparater är ett område som är intressant. Här finns idag ingen ”färdig produkt” på marknaden, men tekniken finns. Här skulle en teknikupphandling kunna genomföras. Dialog fastighetsägare/hyresgäst Problemen med hög energianvändning i serverhallar är gemensamma för fastighetsägarna och hyresgästerna som driver verksamheten i byggnaderna. I HyLok ingår ett antal myndigheter som hyr lokaler av fastighetsägare inom Belok. Standard efterfrågas av beställare inom HyLok som i en studie om serverhallar2 anger att de idag endast har tillgång till leverantörers uppgifter på energiprestanda vid upphandling av serverkapacitet och andra funktioner i serverhallar. De ser också gärna att en energideklaration utformas för området. Detta ligger också i linje med EU:s och Sveriges målsättning inom området. Upphandlingsrekommendationer Då det är troligt att det tar tid innan en standard-, upphandlingskrav-, eller energideklaration kommer att finnas tillgängliga, föreslås att ett informationsblad som ger råd vid upphandling av funktioner och hela serverhallar tas fram. Upphandlingsrekommendationer kan bl.a. utgöra underlag för dialog mellan fastighetsägare och hyresgäst samt ingå som del i gröna avtal. 1 ”Energieffektivitet i datahallar – En jämförelsemetod och deklaration för datahallar med avseende på energieffektivitet & miljöbelastning”, Anders Greijer, 2010. 2 Serverhallar – Erfarenheter av energieffektivisering hos medlemmar i Hylok, 2010 5(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 ENERGIFLÖDEN I SERVERHALLAR De stora energiflödena3 in i en serverhall är kylenergi och elenergi och flödet ut från serverhallen består av värme. Enkelt beskrivet ser det ut på följande sätt. Elenergi in i serverhallen ger energi till infrastrukturen som består av UPS, kylanläggning och övrig el som belysning och andra stödfunktioner. UPS-aggregaten ger el till datorerna och servrar. All elenergi som matas in i dessa kommer ut som värme. Datorer fungerar bäst i en relativt låg omgivningstemperatur, så det krävs kyla för att hålla temperaturen på en bra nivå. Kylan produceras som fjärrkyla, frikyla eller från en kylmaskin. Kylan matas via en kylbärare in i serverhallen från kylcentralen för att få önskad temperatur. I figuren nedan redovisas en övergripande beskrivning av energiflöden i en serverhall. I verkligheten är flöden ofta uppdelade på flera mindre flöden, dels för säkerhet i anläggningen och dels för att det krävs då det handlar om större anläggningar. Här redovisas de som sammansatta för att ge en tydligare bild. 3 ”Energieffektivitet i datahallar – En jämförelsemetod och deklaration för datahallar med avseende på energieffektivitet & miljöbelastning”, Anders Greijer, Examensarbete, KTH,2010. 6(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 Elförsörjning Elförsörjningen4 i en serverhall kan vara konfigurerad på olika sätt men är i huvuddragen densamma. Nedan följer en kort beskrivning av hur det fungerar. I grunden kommer kraftförsörjningen från elnätet, vid högspänning via en transformator, och sedan vidare till ett ställverk eller elcentral där elen fördelas till de olika delarna i anläggningen. I vissa anläggningar kommer elförsörjning från egna kraftverk, som dieselkraftverk. Ställverket matar anläggningens delar antingen direkt eller via UPS-enheter. UPS står för Uninterrubtible Power Supply och ger en obruten kraftmatning med hjälp av batterikraft. Aggregat omvandlar först växelspänningen från ställverket till likspänning och omvandlar sedan likspänningen tillbaka till växelspänning. Omvandlingarna har två funktioner, den ena är laddning, mestadels underhållsladdning, av batterierna och till detta krävs likspänning. Den andra funktionen är att omvandlingen jämnar ut spikar från elnätet vilket ger en stabilare och mer störningsfri matning av datorerna. Vanligtvis har man flera UPS-enheter för försörjningen av serverhallen. I huvudsak är det datorerna som får el från UPS-enheterna. Anledningen till att UPS används är att säkra att servrarna aldrig står utan el, samt att den mer stabila matningen ger servrar en längre livslängd. Vid strömavbrott från elnätet försörjs anläggningen av batterikraften från UPS-enheterna till dess att reservkraftanläggningen startar och kan mata ställverket med el. Reservkraften är oftast en eller flera dieseldrivna generatorer. UPS används också till icke kritiska system för att vid ett strömavbrott hinna stänga av servrarna i ordnad form. UPS-enheterna programmeras och stänger av systemen i rätt ordning. Övriga delar i anläggningen försörjs direkt från ställverket. Till dessa hör 4 ”Energieffektivitet i datahallar – En jämförelsemetod och deklaration för datahallar med avseende på energieffektivitet & miljöbelastning”, Anders Greijer, 2010 , Examensarbete, KTH, 2010. 7(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 kylanläggningen med kylmaskin, pumpar, styrsystem och fläktar, allmän el som belysning och övrig utrustning som behöver el. Den matning som krävs för ett värmeåtervinningssystem är till den värmeväxlare inklusive pumpar, vilka krävs för att systemet ska fungera. Systemen har ofta en inbyggd redundans för att säkerställa anläggningens funktion om någon del skulle sluta fungera. Den kan finnas i både kraftförsörjningen och i kylanläggningen. Kyla I huvudsak finns tre olika sätt att få kyla till anläggningen, kylmaskin, frikyla och externt producerad kyla, oftast fjärrkyla5. Många anläggningar använder en kombination av dessa. Frikyla från luft finns tillgänglig endast under delar av året, i det fallet behöver anläggningen kompletteras med antingen kylmaskin eller externt producerad kyla. Kylanläggning med kylmaskin består av två separata kretsar, även kallade den kalla och den varma sidan, eller köldbärarsidan och köldmediesidan. Den kalla sidan, köldbärarsidan, är en krets vilken går igenom kylmaskinens kalla sida via en pump till serverhallen för att leverera kyla. Den varma sidan, köldmedelssidan, är kopplad till kylmedelskylare, kyltorn eller annan lösning för att transportera bort värme. Värmen släpps ofta ut till omgivningen utan att tas tillvara. Här finns möjligheten att istället via en värmeväxlare ta ut värmen och kyla mediet innan det går tillbaka till kylmaskinen. 5 ”Energieffektivitet i datahallar – En jämförelsemetod och deklaration för datahallar med avseende på energieffektivitet & miljöbelastning”, Anders Greijer, Examensarbete, KTH, 2010. 8(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 Värmen som tas ut i värmeväxlaren kan återvinnas för att värma upp övriga delar av byggnaden, intilliggande byggnader, ledas ut i fjärrvärmenätet, nyttjas för tappvarmvatten eller annan process där värme behövs. Utöver värmeväxlare kan det finnas ett system med ytterligare en värmepump för att öka temperaturer på utgående värme. Här finns en stor potential till energibesparingar då denna värme sällan utnyttjas. De flesta större anläggningar har flera kylmaskiner inkopplade. En fördel med flera maskiner är att man vid låg belastning kan stänga ner en av dem och få högre verkningsgrad på de som fortfarande är i drift. En nackdel kan vara att det ofta är dyrare med flera maskiner med mindre kyleffekt än en med stor kyleffekt. En typisk temperaturskillnad i den kalla kretsen på en anläggning med kylmaskin är 5 grader, 7 grader på ingående till datahallen och 12 grader på returen från datahallen. Det finns en rad olika kylmaskiner på marknaden, med olika verkningsgrader och fabrikat. Deras effektivitet beror till stor del av kompressorns effektivitet och varierar med temperaturerna på den kalla och varma sidan. En kylanläggning med fjärrkyla består i princip alltid av en värmeväxlare där fjärrkylesystemet är kopplad på den ena sidan och kylkretsen för datahallen är kopplad på den andra sidan. En typisk temperaturskillnad för fjärrkyla är 10 grader, 8 på ingående från och 18 på returen till fjärrkylesystemet. Detta beror till stor del vad leverantören av fjärrkylan kräver. Frikyla är i princip alltid kombinerad med antingen fjärrkyla eller kylmaskin, i vissa fall båda två. Hur den är kopplad till systemet beror på hur resten av anläggningen ser ut. Frikylekretsen kan vara kopplad med värmeväxlare som fjärrkylan, den kan i vissa fall vara kopplad direkt på kylkretsen in till serverhallen. Den kan även vara kopplad på en krets via kylmaskinen, så att kylan kan späs på av kylmaskinen vid behov. Frikyla finns i flera olika former där den vanligaste är kall uteluft, som kan utnyttja upp till 5-8°C. Andra former av frikyla är att hämta kyla från berg, mark eller sjövatten. Kylsystemet bygger på att man kyler ner köldbäraren med antingen kylmaskinen, fjärreller frikyla. Den nedkylda köldbäraren pumpas ut till serverhallen där den tar upp värme från den uppvärmda luften. Det kan ske på olika sätt, men det vanligaste är att kyla ner luften i hela rummet. Detta sker med hjälp av klimataggregat vilka tar in den uppvärmda luften, oftast ovanifrån, och levererar den nedkyld tillbaka. 9(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 ENERGIEFFEKTIVA LÖSNINGAR Det finns energieffektiv teknik på marknaden som leder till stora energi- och kostnadsbesparingar. Här beskrivs olika tekniklösningar som finns tillgängliga på marknaden idag. Servrar Servrar drar i stort sett lika mycket el vare sig de nyttjas mycket, lite eller inte alls. Genomsnittsbeläggningen för en server är ca 10 %, men elanvändningen är konstant6. Genom nedan angivna åtgärder kan detta förhållande ändras. Virtualisering Virtualisering är en teknik för att fördela och bättre utnyttja serverkraften i en fysisk server. Tekniken bygger på att flera applikationer delar på en och samma fysiska server och delar på prestandan och kapaciteten. På detta sätt minskar den totala energianvändningen genom att varje fysisk server används på ett mer effektivt sätt vilket ökar verkningsgraden hos delar som nätaggregat och fläktar. Samtidigt minskar behovet av antal fysiska servrar vilken även det minskar det totala energibehovet. Bladservrar Genom att välja energieffektiva servermodeller, bladservrar, kan ca 20 - 30 % el sparas jämfört med vanliga servrar. Bladservrar är kompaktare och flexiblare än vanliga servrar. Genom sin form och hur de är placerade i racket kan flera blad dela på komponenter som fläktar och nätaggregat. Det finns organisationer som testar och klassificerar energieffektiva servrar, där det går att hitta tips vid inköp av nya servrar, en av dessa är Climate Savers Computing7. Nätaggregat De nätaggregat som driver servrarna är en källa till energiförluster, då de ofta drar el utan att servern är aktiv8. I en standardanläggning börjar man med att transformera ned inkommande kilovolt trefas till 400 volt i en jättetransformator. Elen tas därifrån till ett ställverk där den fördelas över anläggningen. Ställverket blir ganska varmt av de interna förlusterna. På tämligen heta kablar (35-40 grader är inte ovanligt) går elen upp till datorhallen där den matar en eller flera UPS-enheter. I UPS-enheten likriktas spänningen och laddar ackumulatorer. Från ackumulatorerna växelriktas spänningen tillbaka till 230 volt och går ut till servrarna. Inne i serverns nätaggregat likriktas den igen och switchas ned till fem och tolv volt, en s.k. AC/DCserver. Det är många steg, där vart och ett innebär en förlust. En nyckel till hög effektivitet är att inte ha omvandlare som arbetar vid låga effektivitetsnivåer. En växelströms-UPS håller normalt väldigt hög effektivitet, ungefär 89 procent, men det gäller bara om den nyttjas vid nästan full last. Vid lägre belastningar ligger den på betydligt lägre verkningsgrad på grund av att tomgångsförlusterna blir stora. Kopplas två UPS-enheter parallellt pga. krav på redundans kommer verkningsgradskurvan vara låg och 6 www.energystar.com www.climatesaverscomputing.org/ 8 Källa: Artikel Teknik, 2010-09-15, intervju med Stefan Lidström, Netpower Labs 7 10(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 tomgångsförlusterna blir en betydande del av effektanvändningen. Här finns en hel del energi att spara. Lösningar där flera servrar delar på samma nätaggregat gör att dessa används mer effektivt och vid en högre verkningsgrad. Den största besparingen görs om verkningsgraden i servrarnas nätaggregat kan höjas. Nätaggregat i form av DC/DC-omvandlare kan göras med högre verkningsgrad än AC/DC, eftersom de förra kan konstrueras med färre omvandlingssteg och färre komponenter. IBM och HP har sådana servrar. Den mest effektiva lösningen är likströmsmatning, se nedan. Likströmsmatning Elen in i en byggnad är växelström. För att överbrygga elavbrott används en UPS som innehåller batterier för backup. För att ladda de batterier som används så måste växelströmmen omvandlas till likström som kan ladda batterierna. Likströmmen från batterierna omvandlas återigen till växelström som matas in i servrarnas nätaggregat. Nätaggregaten i servrarna omvandlar i sin tur växelströmmen från UPS-enheten till likström som sedan driver processorer, minnen etc. i servrarna. Alla dessa omvandlingar mellan växel- och likström medför stora energiförluster. Genom att istället välja en UPS som levererar likström och servrar med likströmsnätaggregat så kommer omvandlingen från växelström till likström bara ske en gång och det medför att energiförlusterna minimeras. Se figur nedan9. Likström är ingen ny teknik10 i sig, alla världens telefonstationer och radiobasstationer använder likström och har gjort så i hundra år. Det som är nytt är att spänningen ökats 9 Källa: Stefan Lindström, Netpower Labs Källa: ERA 4 • 2007 10 11(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 från 48 volt till 380 volt för att på så sätt minska mängden koppar i kablarna. Tillförlitligheten i likströmssystem är samtidigt betydligt bättre än i växelströmssystem. En stor undersökning vid Lawrence Laboratories i Berkeley i Kalifornien pekar mot stora höjningar av både verkningsgraden och tillgängligheten när det gäller elförsörjning av serverhallar med likströmsteknik. Den pekar bl. a mot upp till 200 ggr färre avbrott jämfört med motsvarande växelströmssystem. Likströmstekniken har en rad fördelar över den vanliga växelströmstekniken med likoch växelriktare i flera led. Verkningsgraden är högre, tillförlitligheten och tillgängligheten likaså. Det beror på att ju färre steg man har, desto lägre blir omvandlingsförlusterna, och ju färre komponenter som behövs, desto mindre blir risken för att något går sönder. Dessutom blir elkvaliteten bättre genom att man slipper spänningsstörningar, och genom att man kan placera batterierna där det passar bäst i anläggningen. Tekniken kan också bli mycket intressant i distribuerade system med exempelvis produktion från solceller och bränsleceller med batterilagring. Nätaggregaten har ofta verkningsgrader på 65-75 %, även om ny norm anger att den ska vara 90 %. Vid likströmsmatning tas onödiga mellansteg i kraftöverföringen bort vilket kan minska energianvändningen med upp till 30 % i en anläggning. Jämfört med marknadens effektivaste nätaggregat anpassade för växelström kan lösningen med likströmsmatning spara 10 %. Även modern kylutrustning som har varvtalsreglerade pumpar och fläktmotorer kan köras på likström. I en framtid då ”produkter” för att likströmsmata kylapparaterna utvecklats kan än mer energi sparas. Internationellt arbete är på gång och det ser ut att finnas goda chanser till att likströmssystemen för spänningsområdet 300–400 V får en global certifiering för kontaktdon. Frikyla Vid tillgång till kall luft under längre perioder av året kan denna utnyttjas för att ta tillvara den kyla som finns i luften, kallad frikyla. Det går även att utvinna frikyla ur vattendrag och berggrund. Denna typ av kyla sparar mycket energi då den energi vilken krävs för att utvinna den är liten i jämförelse med den energi vilken går åt för att skapa kylan i en kylmaskin. Även de flesta fjärrkylesystem använder sig av någon form av frikyla. Denna form av ”gratiskyla” ger stora besparingar i form av elektrisk energiåtgång och kan med fördel kombineras med antingen kylmaskin eller fjärrkyla för den varma delen av året. Frikyla från luften utnyttjas vanligtvis upp till mellan 5 och 8 °C. Fläktar De fläktar som styr flödet av kyla i serverhallen finns i många olika varianter. De mest effektiva är de som distribuerar kyla nära värmekällan (servern) efter behov, det vill säga anpassar sig till det kylbehov vilket finns i det givna ögonblicket. Denna typ av varvtalsstyrda fläktar kan även finnas i de flesta typer av kylaggregat för serverhallar, de finns i cirkulationskylare vilka oftast är placerade i hallens periferi och i de kylaggregat 12(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 som är inbyggda i rackskåp, så kallade ”In-Row”-kylaggregat11. En del besparingar finns att göra vid användande av dessa typer av fläktar, då kylningen sker när den behövs och inte med ett konstant flöde. Kylmetod/rackkonfiguration De effektivaste kylmetoder är de som kyler direkt vid värmekällan. De konfigurationer där den varma eller kalla gången kapslas in ger en effektiv kylning. Med en inkapslad varm gång distribueras den luft som har värmts av datorerna direkt via kylaggregat (oftast In-row) till den kalla sidan. Detta sker med varvtalsstyrda fläktar så att kyleffekten regleras efter behov. Det finns en del lösningar på hur den varma luften distribueras till kylaggregaten, en viktig aspekt för att kyla effektivt är att inte blanda den kalla och den varma luften. Detta kan göras med inkapslingar, genom att täta glipor mellan, under och i racken, genom att via kanaler försöka leda den kalla till rackens insugssida eller varma luften till kylaggregaten. Lösningarna är många men de syftar alla till att minska behovet av kyla. Det finns även vinster att göra genom att dimensionera kylanläggningen för den aktuella lasten, en kylmaskin vilken går på halvfart har sämre verkningsgrad än en maskin som utnyttjar större del av kapaciteten. Kalla och varma gångar De senaste åren har lösningar med varma och kalla gångar son bygger på att den varma och kalla luften separeras introducerats i allt fler serverhallar. Det finns flera lösningar, varav följande tre är de mest frekventa. En bygger på att serverhallen delas upp i kalla och varma gångar, där insugsidan av racken vetter mot en kall gång och utblåssidan mot en varm, se figur nedan. På så sätt minskar blandningen av kall och varm luft och kylningen kan ske effektivare. De andra två bygger på att antingen den kalla eller varma luften kapslas in med väggar och tak mellan racken för att helt och hållet undvika att den varma och kalla luften blandas, se figurer nedan. Dessa två metoder har ofta rackmonterade klimataggregat integrerade i raderna med serverrack. På så sätt kan kylningen ske där den behövs, det blir en mindre mängd luft att kyla och variation i kylbehov regleras lättare med varvtalsstyrda fläktar i klimataggregaten. 11 http://www.apc.com/products/family/index.cfm?id=339 13(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 Kylaggregat ovanpå serverrack Ett antal andra lösningar för hur mer effektiv kyldistribution finns att tillgå. Ett exempel på detta är kylaggregat monterade ovanpå serverracken, dessa suger in den uppåtstigande varma luften från serverrackets utblåssida, kyler luften och blåser ut den på insugssidan. Dessa finns hos Emerson/Liebert och utnyttjar en del av luftens fysiska egenskaper, att kall luft sjunker och varmluft stiger. Schroff har ett system där ett kylaggregat sitter på sidan av serverracket och luften cirkulerar mellan rack och kylaggregat i ett inkapslat system. Ett annat exempel är lösningar där kylaggregaten sitter monterade i serverrackens dörrar, finns bland annat hos IBM. Dessa system är vanligtvis dyrare än att bygga upp ett system med varma och kalla gångar och kyldistribution under golvet, men de är vanligtvis mer flexibla och minskar driftskostnaden. Belysning El till belysning bör minimeras genom närvarostyrning. Posten är vanligtvis liten om den görs korrekt och blir ännu något mindre om energieffektiv och väl planerad belysning väljs med utgångspunkt från de behov som finns. Värmeåtervinning Den främsta formen av energi vilken går att återvinna i dessa typer av anläggningar är värme. I en datahall med kylmaskin transporteras vanligtvis värmen från maskinens varma sida till kylmedelskylare eller kyltorn där den kyls bort till omgivningen. Om denna värme istället leds via en värmeväxlare till en destination där den behövs, minskas behovet av energi från en process på annat håll. Återvinns värmen i egna lokaler sparar företaget pengar och säljs värmen till andra lokaler eller fjärrvärmenätet genererar den inkomster för företaget utöver de miljövinster vilka kan göras från det minskade totala energibehovet. 14(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 Temperaturnivå i datahallen De flesta serverhallar håller en relativt låg nivå på temperaturen i servrar, ofta runt 2023 °C. I en del datahallar, bland annat Googles12, har temperaturen höjts till upp mot 27 °C. Detta sparar en hel del energi i kylanläggningen, för varje grad temperaturen höjs sparas stora mängder energi. Googles rekommendation är att kontrollera tillverkarens uppgifter för serverarna, arbetstemperaturer och höja temperaturen i datahallen närmare denna nivå. Enligt dem klarar de flesta servrar en temperatur uppåt 25-27 °C. Denna åtgärd är lönsam, då frikyla kan utnyttjas under längre perioder på året och kylmaskinerna inte behöver arbeta lika mycket för att skapa kyla. Övervakning och kontroll av systemet Finns mätutrustning installerad i anläggningen kan denna övervakas och kontrolleras för att finna eventuella avvikelser eller delar i systemet där onödig energi går åt. Ett sådant system kan användas för att trimma in anläggningen för effektivt utnyttjande och analysera toppar och dalar för att åtgärda det vilket orsakar dessa och göra energi besparingar. 12 http://www.google.com/corporate/green/datacenters/best-practices.html 15(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 GODA EXEMPEL Test- och demoanläggningar för likströmsmatning - Compare Testlab Sedan 2009 har Compare Testlab i samarbete med Netpower Labs kört en test- och demoanläggningar för drift av serverhallar med likström vid Sätterstrand i Värmland. Testanläggningen är ett led i energiprojektet SÄPOS (Sätterstrand Power Sawings) - ett delprojekt som drivs av Compare inom ramen för det interregionala EU-projektet FEM (Förnybar energi, Energieffektivisering och Miljö). Ett syfte med etableringen är att driva ett antal dataservrar med likström för att testa och mäta hur stor energieffektiviseringen är jämfört med traditionell drift. Ett annat syfte är att erbjuda Compare-företag och andra aktörer möjligheten att testa likström som elförsörjning till sina produkter. Karlstads kommun, är en av kunderna. Likströmsmatningen för drift av serverhallar som utvecklats vid Netpower Labs bygger på den teknik för elförsörjning som används i telestationer. I dessa är kraven höga på bland annat tillgänglighet och lång reservdrifttid, tio timmar eller längre, vid elavbrott. Det här gäller för konventionell teleteknik. Vid Internettelefoni, som många använder nu, har man inte alls lika hög säkerhet. Där blir man oftast av med sin teleförbindelse direkt vid ett elavbrott, något som de flesta användare inte tänker på eller ens vet om. Skillnaden i synsätt beror på synen på elförsörjning i tele- respektive datorbranscherna. I telebranschen har elförsörjningen alltid varit en integrerad del av anläggningarna. I datorbranschen betraktar man den mer som en perifer del. Netpower Labs UPS: er har som alla andra en switchande likriktardel, men den levereras i moduler och det går att sätta in så många som det finns behov av13. Likriktarmodulerna är små, inte mer än 2500 watt, vilket gör det möjligt att sätta in precis så många att UPS-enheten arbetar vid effektivitetsmaximum. Sänks energiförlusterna i servrarna och den likströmsdrivna UPS-enheten skapas mindre spillvärme. Det krävs mindre energi för att forsla bort värmen och kylsystemet kan arbeta svalare. Den värme som kylsystemet självt skapar, måste också kylas bort. Den spillvärme som genereras blir till fjärrvärme vid testanläggningen i Sätterstrand. Flera stora dataföretag och datoranvändare intresserade av likströmtekniken för elförsörjning. Vid Intel, som är ett tongivande företag, visas ett stort intresse för den nya tekniken. Det statliga japanska televerket NTT har beställt en anläggning från Netpower Labs, liksom franska France Telecom. Årets Gröna Innovatör 2011 – Energimyndigheten Energimyndigheten vann det nyinstiftade priset Årets Gröna Innovatör i tävlingen Årets Gröna Datorhall 2011. Priset tilldelades för ”att de varit pionjärer vad gäller nya tekniska lösningar”. De har kombinerat solcellspaneler och via ett UPS-system som baserar sig på likström försörjs både servrar, SAN och switchar och därmed minskar energibehovet i serverhallen”. Systemet har utformats för att använda solpanelerna så 13 Källa: Artikel Teknik, 2010-09-15, intervju med Stefan Lidström, Netpower Labs 16(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 ofta det går och kan automatiskt växla mellan att ta kraften från solpanelerna eller elnätet. Kombinationen likströmsdrivna UPS: er och solcellspaneler är optimalt då solceller genererar likström, verkningsgraden vid överföring är 99 %. Energimyndigheten har minskat sin energianvändning med 56 procent mellan åren 2007 och 2010, trots en ökad belastning . Från att ha varit omkring 100 medarbetare, 2007, är man idag omkring 270 plus ytterligare ett 90-tal på Energimarknadsinspektionen. Solcellspaneler samkörs med likströmsmatade UPS-system14 Utöver likströmsförsörjning och solceller har 20 fysiska bladservrar som lagrar 40 TB data ersatt 70 fysiska servrar som lagrade 1 TB (1 miljard kB). Bladservrarna har en effekt på 7 – 9 kW och använder ca 70 MWh energi per år. Bladservertekniken innebär en besparing på mellan 20 – 30 procent jämfört med traditionella servrar. På varje fysisk server lägger man upp till 15 virtuella servrar, vilket innebär att man får ut mer kapacitet av varje server än om man använder många små fysiska servrar. De har också en ”hotsite” (backup i form av en nästan identisk kopia av den ursprungliga platsen) som använder lika mycket energi. På virtualiseringen sparas ca 100 000 kWh om året. Åtgärden kostar i installations och konverteringsjobb ca 30 000 kr. Dessutom tillkommer en licens för programvaran, som åstadkommer själva virtualiseringen, på ca 30 000 kr om året. Servrarna kyls med fjärrkyla som produceras med hjälp av värmepumpar som tar frikyla ur Eskilstunaån. Andra effektiviseringsåtgärder är system med kalla och varma zoner med täckplattor mellan enheterna i racken. Det finns också planer på att införa automatisk avstängning av fysiska servrar nattetid när belastningen är låg. 14 Bild: Stefan Lindström, Netpower Labs 17(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 Likströmsmatade UPS-system15 Personalen använder bärbara datorer och tunna klientdatorer. I de tunna klienterna ligger operativsystem och program i centrala servrar, vilket minskar energianvändningen och kostnaderna vid inköp av utrustning och programvara. Andra åtgärder är att utnyttja ny teknik i arbetsplatsutrustningen som känner av användning och användare. Kopplingslister med brytare stänger av all utrustning och intelligenta kopplingslister stänger av strömmen till kringutrustning. Likströmsmatning av UPS-aggregat i Gnesta På våren 2006 stod datorteknikerna i Gnesta kommun inför ett akut problem. Kylbehovet ökade snabbt i takt med antalet servrar i kommunens datorhall. Problemet med kylningen var akut, och de var tvungna att hitta en lösning16. Kylanläggningen var både sliten och otillräcklig. I serverhallen fanns det drygt 20 servrar, som matades med 230 V. Till servrarna fanns det också ett tiotal UPS-enheter för avbrottsfri strömförsörjning. Den avbrottsfria kraften hade bara en kort drifttid, högst 10 minuter, och den omfattade inte heller kylanläggningen. Den kritiska faktorn var egentligen tillgängligheten hos servrarna. De krävde god kylning, avbrottsfri kraft och en strömförsörjning som också hade ett bra skydd mot transienter. Den konventionella lösningen hade varit att byta till en större kylanläggning, som bara den skulle ha dragit 5 kW. Det okonventionella alternativet var ett regelrätt teknikskifte där kylningen och strömförsörjningen hanterades som en 15 16 Bild: Stefan Lindström, Netpower Labs ERA 4 • 2007 18(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 helhet. Lösningen blev att riva ut kylaggregatet och ersätta växelströmsmatningen på 230 V med en likströmsmatning på 350 V. Det gamla kylaggregatet ersattes med en enkel fläkt, driven med 48 V likström. Elanvändningen sjönk märkbart när omvandlingsförlusterna mellan växelström och likström försvann. Eftersom kylbehovet har minskat så kraftigt finns endast behov av en enda fläkt som drar in kalluft utifrån. Den gamla kylanläggningen används bara som reserv för varma sommardagar. Det går alldeles utmärkt att köra servrarna med likström, eftersom nätdelarna är av allströmstyp med ett brett inspänningsområde. Nu matas de från ett gemensamt stativ, som innehåller såväl likriktarna, 350 V DC för servrarna och 48 V DC för fläkten som transientskydd och en bank batterier för reservkraften. Eftersom det inte längre finns någon effektslukande kylanläggning har reservdrifttiden också blivit mycket längre än tidigare. Till och med nättransformatorn i stativet är okonventionell – det är en Hexaformer , en konstruktion som ger låga förluster genom att benen i järnkärnan är symmetriskt placerade17. Elförsörjningen med likström istället för växelström har minskat både elanvändningen och behovet av kylning, och samtidigt ökat tillgängligheten. Årets Gröna Datorhall 2011- H & M H&M fick priset för att ha uppnått högsta möjliga energieffektivitet och minimal miljöpåverkan i datorhallen18. Den nya anläggningen använder sig uteslutande av förnybar energi. Energianvändningen är betydligt lägre än i tidigare hallar bland annat tack vare en hög nyttjandegrad av servrar, genomtänkt placering och design i hallen, ny effektivare hårdvara samt användning av frikyla och möjlighet till värmeåtervinning. Dessutom arbetar H&M löpande med mätning och uppföljande återgärder för att optimera anläggningen ytterligare. Årets gröna datahall 2009 - SunGards serverhall SunGards datorhall19 som byggdes 2009 använder uteluften för sitt kylsystem, s.k. frikyla. Därmed halveras energianvändningen för att kyla bort värme jämfört med traditionella datorhallar. Det motsvarar nästan en miljon kronor i sänkta elkostnader årligen. Ett annat initiativ är att den är förberedd för att återvinna värme som servrar och övrig utrustning producerar. Överskottsvärmen kan i framtiden skänkas till omkringliggande fastigheter och hyresgäster när efterfrågan finns. Datorhallen har en kapacitet på cirka 750 kW och rymmer 300 rack. Målgruppen är kunder som behöver säkert utrymme och garanterad kraft- och kylförsörjning som ett komplement eller alternativ till en egen hall. Serverhallen drivs enbart via el som kommer från vindkraft, vilket även gäller för SunGards andra datorhall i Sverige (Stockholm). På årsbasis köper SunGard 5800 MWh el för att driva serverhallarna. Entreprenör har företaget Coromatic varit som uppför 50-60 datorhallar per år. 17 18 ERA 4/05: Ny transformator lanseras http://www.cdab.se/media/pressreleases/20110310_HM_far_pris_for_Arets_Grona_Datorhall_FINAL.pdf 19 http://www.sungard.se/PressandNyheter/PressRelease/Pages/SUNGARD%C3%96PPNARSVERIGESGR%C3%96NASTEDAT ORHALL.aspx 19(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 Årets Gröna Datorhall 2008 - Tekniska Verken i Linköping Tekniska Verken fick priset för att de systematiskt och strukturerat arbetar för att skapa långsiktigt hållbara lösningar för ett väl fungerande samhälle, med minsta möjliga belastning på miljön. De åtgärder som genomförts vid serverhallen är installation av klimataggregat från Emerson Network Power. Aggregaten har direktdrivna likströmsfläktar, så kallade EC-fläktar, som ger en omedelbar besparing på närmare 30 MWh per år, jämfört med traditionella alternativ. Kylaggregaten drivs av fjärrkyla via en absorbtionskylmaskin, vilket innebär att kylprocessen drivs av värme från fjärrvärmesystemet. Metoden att använda driv- och överskottsvärme skapar en låg driftskostnad samtidigt som man tillvaratar energin från till exempel hushållsavfall och andra bränslen. Dessutom har redundans genom så kallad N + 1 och andra aspekter vid design och dimensionering bidragit till en ökad verkningsgrad i anläggningen. HyLok I HyLok ingår ett antal myndigheter som hyr lokaler av fastighetsägare inom Belok, flera myndigheter har egna serverhallar. Under 2010 genomfördes en förstudie med syfte att dokumentera och sprida erfarenheter om arbete med energieffektivisering av serverhallar ”SERVERHALLAR‐ Erfarenheter av energieffektivisering hos medlemmar i HyLok”. I rapporten presenteras energieffektiviseringsåtgärder som genomförts vid Polisen, Kemikalieinspektionen, Naturvårdsverket, SMHI, Energimyndigheten och Skattemyndigheten. Den vanligaste åtgärden som genomförts vid tidpunkten är virtualisering. Därutöver har bl. a projekt genomförts för att optimera serverhallarnas användning av el och kyla, gamla servrar har ersatts med bladservrar och spillvärme återvinns. Strategiskt arbete för att minska energibehovet på användarsidan har också genomförts; t.ex. via högt ställda energikrav vid inköp av datorer. 20(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 MÄTMETODER OCH NYCKELTAL Det finns energieffektiv teknik på marknaden som leder till stora energi- och kostnadsbesparingar, men det saknas en standardiserad metod och nyckeltal för serverhallars energiprestanda. En sådan efterfrågas bl. a av beställare inom HyLok som i en studie om serverhallar20 anger att de idag endast har tillgång till leverantörers uppgifter på energiprestanda vid upphandling av serverkapacitet och andra funktioner i serverhallar. De har önskemål om att riktlinjer tas fram som gör det möjligt att jämföra/ställa krav på olika funktioner vid upphandling, samt att kunna följa upp energianvändningen på ett relevant sätt. De ser gärna att en energideklaration utformas för området. Den Amerikanska myndigheten Environmental Protection Agency, EPA, och Energy Star har arbetat med att ta fram en standard för att mäta främst elanvändning i serverhallar. I Sverige är standardiseringsarbetet i sin linda. SIS har påbörjat framtagande av en standard för Grön IT där serverhallars energiprestanda framgent kommer att vara en del. Nedan presenteras arbete som pågår för att ta fram mätetal, såväl internationellt som i Sverige, samt de krav och målsättningar som regeringen har satt upp för området. EPA/Energy Star Det mått för energiprestanda i serverhallar som fått genomslag inom databranschen idag är det s.k. PUE-talet, "Power Usage Effectiveness"21. Det är den Amerikanska myndigheten Environmental Protection Agency, EPA, och Energy Star som har initierat ett arbete med att ta fram en standard för att mäta främst elanvändning i serverhallar som omfattar: Effektiva nätaggregat som genererar mindre spillvärme och minskar kylbehovet i datahallen. Förbättrad elkvalitet Möjlighet att mäta faktisk elanvändning, processorutnyttjande och lufttemperatur Energisparfunktioner i olika drifttillstånd Tanken är att standarden ska fungera för både fristående datahallar och datahallar som är inrymda i kontor eller andra byggnader. Definitionen är framtagen i samarbete med the Green Grid22. PUE= 20 21 22 Total elenergi eller Elenergi för IT-utrustning Total effekt Effekt för IT-utrustning Serverhallar – Erfarenheter av energieffektivisering hos medar i Hylok, 2010 http://www.datacenterknowledge.com/archives/2009/04/22/epa-to-use-pue-in-data-center-energy-star/ www.thegreengrid.org 21(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 Jämförelsetalen kan enligt the Green Grid mätas på två olika sätt. Antingen i form av effekt eller i form av energi. De anger tre nivåer för hur insamling av mätdata skall ske23. Den enklaste nivån innebär att mätning sker av den totala effekten som går till ITutrustningen och den totala effekten för anläggningen. Det kan ske en gång i veckan eller i månaden. De mäts på ingående el i serverhallsanläggningen och på UPSenheterna. De två andra nivåerna kräver något mer mätutrustning, där effekt för utrustning som inte hör till själva serverhallen dras ifrån. Dessa två nivåer skall mätas med tätare intervaller. I dokumentet finns ett tips om att mäta energi istället för effekt vilket kan ge en bättre bild av förbrukningen. I det fallet är rekommendationen att mätningen sker under ett år. I de andra fallen rekommenderas en sammanställnig av siffrorna under en längre period. PUE-talet kan aldrig bli mindre än ett och bör aldrig bli större än två. Begränsningar i standardförslaget/PUE -talet Standarden beskriver endast förhållandet mellan kringutrustning (kyla, pumpar etc.) i serverhallen kontra servrarna, dvs. beräkningskapacitet är ej medtagen. Därutöver saknar standarden en hel del information för att kunna ge en bra bild över potentialen för att minska den totala energianvändningen för en serverhall från ett systemperspektiv. Det saknas kravnivå och kopplig till användarsidan som avgör behov för serverkapaciteten. Standarden omfattar inte heller krav på energiprestanda för servrar. Återvinning av spillvärme finns inte med och möjligheten att jämföra anläggningar med externt producerad kyla saknas. Det finns inte heller någon koppling till vilka utsläpp som genereras. Med utgångspunkt från delar av de begränsningar som finns i PUE-talet har en analys av förutsättningar för alternativa index till PUE-talet, NPUE, samt en ansats att beskriva en energideklaration för serverhallar gjorts inom ramen för ett examensarbete vid KTH24. Jämförelseindex – Net Power Usage Effectiveness, NPUE De stora förändringarna från PUE till NPUE kan sammanfattas som att NPUE mäter nettoenergiflödet till och från datahallen, PUE mäter endast elektrisk energi eller effekt till datacentret. NPUE mäter den energi vilken används under en period på 12 månader. Nettoenergiflödet till och från datahallen innehåller energi i andra former än elektrisk energi, såsom kylenergi i form av fjärrkyla till datahallen och värmeenergi som levereras från datahallen. 23 www.thegreengrid.org/en/Global/Content/White-papers/DCiE-Detailed-Analysis 24 ”Energieffektivitet i datahallar – En jämförelsemetod och deklaration för datahallar med avseende på energieffektivitet & miljöbelastning”, Anders Greijer, 2010. 22(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 Mätning– NPUE och energideklaration Inkommande el Mätning av den inkommande elenergin i anläggningen mäts vid inkommande elförsörjning i anläggningen. Den mäts på lågspänningssidan, före ställverk eller elcentral, oavsett om högspänning eller lågspänning köps in. Motiveringen till det är att den som köper in lågspänning betalar ofta ett något högre pris för elen och att det alltid finns en transformator någonstans i kedjan, samt att det underlättar något om alla mäter vid samma punkt. Den som köper in högspänning gör en liten förlust i transformatorn men betalar ett något lägre pris för sin el. För den som köper in högspänning kan det dock finnas ett värde i att mäta på högspänningssidan för att kunna kontrollera vad man betalar för och för att kunna se förbrukning och budgetera i förväg. Dessutom kan verkningsgraden i transformatorn beräknas och övervakas. Elenergin kan användas som den är i de fall den kommer från en extern leverantör. I de fall där den kommer från en egen generator beräknas energiinnehållet i den använda drivenergin, exempelvis diesel eller gas. Drivs generatorn av flödande energi såsom vind eller vatten räknas den elenergi som matas in i datacentret. Elenergi till IT-utrustning Mätning av den elenergi som åtgår i datahallens IT-utrustning sker på utgående el från UPS-enheterna antingen med de mätare som ofta finns inbyggda i dessa eller med en extern energimätare. I de anläggningar där energin kan mätas i ett enskilt rack eller på en enskild server kan dessa uppgifter samlas in, läggas samman och användas för ITutrustningens elanvändning. I vissa anläggningar finns även annan mindre utrustning kopplad till UPS. I detta fall bör det uppskattas hur stor denna del av energin denna utrustning står för. Om den överstiger förslagsvis 1 % av energin till IT-utrustningen bör den mätas separat och dras ifrån IT-energianvändningen. Externt levererad kyla Inkommande kyla bör mätas med en energimätare eller så kan värden om förbrukning från energileverantörens debiteringsunderlag användas. Dessa värden räknas sedan om utifrån leverantörens uppgifter om produktionsförhållanden. De flesta leverantörer kan bistå med uppgifter om en verkningsgrad för kylproduktionen och även uppgifter om utsläpp för sin produktion. Verkningsgraden skall bestå av ett värde liknande kylmaskinens COP, det vill säga hur mycket elenergi som åtgår för produktionen av kylenergin. I fallet fastighetskyla skall liknande uppgifter erhållas från fastighetsägaren, förutsatt att kylanläggningen mäts. I deklarationen räknas den levererade kylan in i anläggningen om till motsvarande elenergi för att producera kylenergin med uppgifterna om verkningsgrad från kylleverantören. Finns dessa ej att tillgå bör en standard för omräkning upprättas, utifrån uppgifter från ett flertal leverantörer. Vid en beräkning av viktat medelvärde på uppgifter från 5 leverantörer erhölls ett COP inklusive distribution på 8,52. Detta värde varierar dock stort mellan leverantörerna, så det bästa är att försöka 23(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 få fram ett värde från den lokala distributören. Förhoppningsvis kommer dessa uppgifter att finnas i Svensk Fjärrvärmes statistik framledes så att detta medelvärde kan uppdateras årligen. Återvunnen energi Mängden återvunnen energi mäts vid leveranspunkten ut från anläggningen. Om värmen går till egen fastighet mäts energin där den går ut från kylanläggningen och in i värmesystemet. Vid leverans till fjärrvärmesystem mäts den energin vilken levereras ut till detta system. Om det finns aggregat för att öka temperaturen innan den levereras till nästa system bör energiåtgången för dessa dras av från den levererade värmeenergin. Den återvunna värmeenergin räknas om till elenergi utifrån uppgifter om den aktuella kylmaskinens verkningsgrad. Denna bör mätas för att få riktiga uppgifter, alternativt används uppgifter från tillverkarens datablad. Att energin används till något behövligt syfte och ersätter energi producerad på annat ställe är upp till den enskilde anläggningsägaren att säkerställa och garantera. Kontroll av detta kan kanske finnas i ett senare skede om Energimyndigheten eller liknande instans hanterar certifiering av energieffektiviteten. Mätperiod För att undvika att fluktuationer i last och årstidsvariationer ger utslag på NPUE skall mätning ske över en period på ett år. Hur ofta mätvärden skall samlas in under året är upp till den enskilda anläggningsägaren, men desto oftare värden samlas in desto mer kontroll fås över energiflöden i den egna anläggningen. Om möjligt bör värden för energianvändningen samlas in en gång i timmen. Det ger dels ett bra värde att basera jämförelsen på och dels kan datahallsägaren analysera toppar och dalar för att internt effektivisera anläggningen. Det finns relativt enkla system på marknaden för att hantera mätvärden vilka även med enkel modifikation kan sammanställa aktuella NPUE-värden. Ett kalkylblad skapat i Excel är förberett av gruppen knutet till examensjobbet, för att kunna mata in värden och få ut NPUE-tal för den senaste 12-månadersperioden, det senaste kalenderåret och dessutom ett beräknat värde för en fullt utnyttjad anläggning. Det sista värdet finns med i jämförelsen för att kunna få en uppfattning om vilket värde en nybyggd anläggning kan komma att ha i ett senare skede. Detta kalkylblad innehåller även underlag för utsläpp från anläggningen beräknat från energiförbrukning och värden från energileverantören. Vilket tidigare nämnts kan fler indikatorer och internt användbara värden komma att finnas i större mätsystem framöver. Mätpunkter För att få en bättre kontroll på systemet och kunna optimera anläggningen både flödes-, funktions- och energimässigt krävs att fler mätpunkter loggas under längre perioder. Ett antal mätpunkter har identifierats som relevanta för detta. De övergripande mätpunkterna är markerade som EM, energimätare, för elflöden och som symbolen för flödesmätare för kyla och värmeflöden, symbolen är en ring med ett kryss i. Båda typer av mätare skall mäta energiflöden. 24(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 Då ingen anläggning är lik den andra är det svårt att specificera exakt var dessa mätpunkter placeras. Flera av delkomponenterna i anläggningen, exempelvis UPSaggregaten, är vanligtvis flera till antalet och behöver då mätas separat. Hur många energimätare som behövs får utredas för varje enskild anläggning där en kartläggning av energiflöden skall utföras. För övriga lösningar av kyla, värme och eldistribution, till exempel de fallen där andra delar av fastigheten delar på infrastrukturen för energiflöden med datahallen, skall dessa mätas upp separat. Den energi vilken faktiskt används i datahallen räknas med i det totala energiflödet. En del av komponenterna har inbyggda energimätare vilka kan används för att logga energiflöden, detta är vanligt i UPS-enheter, men kan även finnas i vissa serverrack och andra delar, såsom ställverk. Ur dessa mätpunkter kan man få ut verkningsgrader på kylproduktionen, UPS, ställverk och eventuell transformator. Den sista kräver en mätning på högspänningssidan på transformatorn, detta kan antingen erhållas via elleverantören eller via en separat mätare. Ytterligare punkter där mätning kan ske är direkt på serverracken eller på enskild server. Från dessa kan dels debitering ske av förbrukad energi till den enskilda kunden, dels kan en uppdelning göras av effektivitetsvärden och utsläpp, så att den enskilda kunden kan se sin specifika miljöpåverkan. Mätpunkterna ger nytta för kunden både som debiteringsunderlag och som underlag för att påverka energianvändningen i en effektivare riktning. 25(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 ENERGIDEKLARATION - SERVERHALLAR För att få en tydligare bild av serverhallens effektivitet och miljöpåverkan kompletteras NPUE med en deklaration vilken innehåller ytterligare några jämförande uppgifter. Dessa är uppgifter om miljöpåverkande utsläpp, i form av CO2, NOx och SOx, i huvudsak från den energi som används i serverhallen. Den innehåller en jämförelse av säkerheten hos infrastrukturen i anläggningen, vilken bygger på Tier-nivåer, samt en jämförelse av hur väl servrarna utnyttjas i datahallen. Under arbetet med att skapa ett enda tal för jämförelse av energieffektivitet visade det sig inte vara möjligt att få hela bilden från detta tal. Talet behöver kompletteras med åtminstone uppgifter för utsläpp för att kunna ge en bredare bild av serverhallens miljöpåverkan. Utifrån diskussion i arbetsgruppen som var knuten till examensjobbet togs en deklaration för energianvändande fram, skapad i ett Excelark. I denna första version av deklarationsblanketten finns en sida vilken är tänkt att redovisas för kunder, en sida för intern redovisning och två sidor för de indata som behövs. Nedan följer en kort beskrivning av blanketten och de olika sidorna. Den sida vilken är tänkt att presenteras för kunder innehåller i denna första version uppgifter om NPUE för den senaste 12-månadersperioden och för det senaste kalenderåret. Dessa två perioder kompletteras med uppgifter om beräknade värden på dessa tal för en fullbelagd anläggning. De har lagts till för att kunna få en uppfattning om hur effektiv en nybyggd eller inte fullt utnyttjad hall kan komma att vara då den når den beläggning vilken den är projekterad för. Den tillkom efter diskussion i arbetsgruppen där det visade sig att en del nybyggda hallar anger väldigt bra värden redan innan de öppnat för verksamhet, vilket i realiteten är en omöjlighet då värdet på NPUE borde vara oändligt om det inte finns någon IT-utrustning som använder energi. Under dessa diskussioner uppkom även hur man ska lösa redovisningen under det första året, det vill säga innan en hel 12-månadersperiod finns att uppge. I detta fall får hallen ange ett ”nuvärde” under fältet för senaste 12-månadersperioden vilket bygger på värden från då anläggningen öppnade till då uppgifterna redovisas. På denna sida redovisas även uppgifter om utsläpp för anläggningen i form av CO2, NOx och SOx. Den andra deklarationssidan innehåller uppgifter om total energi per server, virtualiseringsgrad, en uppgift om kapacitetsutnyttjande gällande serverplats, verkningsgrader för några ingående aggregat samt en energibalans baserad på en lathund från Energimyndigheten. Uppgiften om kapacitetsutnyttjande är en procentsiffra beräknad utifrån vilken total kapacitet hallen har i fråga om antal servrar och vilken kapacitet som utnyttjas för tillfället, alltså hur många servrar som finns installerade i nuläget. Denna uppgift tillsammans med total kapacitet för serverhallen ger dels en bild av en möjlig förbättringspotential för hallen, dels en uppgift till en presumtiv kund om tillräcklig kapacitet finns att tillgå i anläggningen för dennes behov. De verkningsgrader som finns angivna bygger på att anläggningen har fler mätpunkter för energi än vad som krävs för beräkning av NPUE. Anledningen till att dessa finns med är att det framledes ska finnas möjlighet för utbyggnad av energideklarationen med fler mätpunkter och en större möjlighet att kontrollera och övervaka anläggningen i det syftet. Energibalansen är baserad på en lathund från Energimyndigheten med syfte att kartlägga 26(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 energiförbrukningen i en anläggning.25 Förhoppningen med denna deklaration är att den i sin nuvarande form eller omarbetad skall kunna ingå i ett energimätningssystem, där värden från anläggningen automatiskt laddas upp till en webbsida där i första hand anläggningsägaren kan följa och övervaka energianvändningen och eventuellt vidta energibesparande åtgärder. I ett senare skede kan en annan del av denna webbsida användas av presumtiva kunder för att jämföra olika leverantörer av serverhallstjänster. ISO-STANDARD FÖR GRÖN IT Inom SIS pågår ett arbete med att ta fram en standard för Vägledning för Grön ITanvändning som syftar till att lyfta fram IT som verktyg för att minska organisationers miljöpåverkan. Serverhallars energiprestanda kommer att vara en del i standarden. Genom ett systematiskt arbete som knyter an till strukturen i miljöledningsstandarden ISO 14001:2 004 och förslag till konkreta åtgärder ges användaren stora möjligheter att "vitalisera" sitt miljöarbete genom effektiv IT användning. Standarden tar också upp hur man effektivt begränsar den miljöpåverkan som följer av själva IT-användningen. Arbetet är nyligen påbörjat och det är möjligt för nya organisationer att vara med och påverka utvecklingen av standarden. Kommitténs mål är att en fastställd svensk standard ska kunna publiceras i slutet av 2012. Genom sin tydliga koppling till ISO 14001:2 004 och praktiska rekommendationer förväntas den bli ett viktigt, ännu delvis outnyttjat, verktyg i miljöarbetet. Projektet startade under senhösten 2010 och kommittén har genomfört tre möten. Viktiga beslut har tagits kring standardens omfattning, begrepp och målgrupp. Projektets avgränsningar Standarden är inte certifierbar utan ska ses som ett stöd till den internationella miljöledningsstandarden ISO 14001:2 004. SVERIGES OCH EU:S MÅLSÄTTNING FÖR SERVERHALLAR Naturvårdsverket: Handlingsplan för IT för miljön Regeringen gav Naturvårdsverket i uppdrag att ta fram ett förslag till handlingsplan avseende IT för den offentliga sektorn som presenterades april 201026. Uppdraget avgränsades till de tre områden där staten bedöms ha stor potential att påverka; Anskaffning av miljöanpassad IT, IT drift och användning samt Mötes- och resepolicy. I arbetet har Naturvårdsverket samrått med Kammarkollegiet, E-delegationen och Statens energimyndighet. IT för grönare förvaltning Regeringen har beslutat om IT för en grönare förvaltning - agenda för IT för miljön 2010-201527. Den utgår från Naturvårdsverkets Handlingsplan för IT och innehåller mål och rekommendationer inom områdena anskaffning av IT, IT-drift och -användning 25 ” Handbok för kartläggning och analys av energianvändning” och finns att hämta på deras hemsida. IT för miljön – Förslag till handlingsplan, Naturvårdsverket 2010 27 IT för en grönare förvaltning - agenda för IT för miljön 2010-2015 finns tillgänglig på www.regeringen.se/gronit 26 27(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 samt resfria möten. Målet är att miljöanpassad IT ska användas för att minska statlig miljöbelastning. För drift i serverhallar anges bl. a följande åtgärder som lämpliga att arbeta med: Virtualisering av servrar Konsolidering av serverhallar Byte till bladservrar Återanvändning av spillvärme från serverhallar Tunna klienter Agendan riktar sig främst till de myndigheter som lyder under miljöledningsförordningen och som därmed årligen rapporterar sitt miljöarbete till Naturvårdsverket och berörda departement. I samband med att agendan beslutades fick också Naturvårdsverket i uppdrag att ta fram indikatorer för att kunna mäta efterlevnaden av målen. Uppföljning och mätning av resultat är viktigt för att kunna följa utvecklingen och eventuellt vidta ytterligare åtgärder på området IT för miljön. Miljöstyrningsrådet har fått i uppdrag ett tillgodose myndigheternas behov i samband med förordning (SFS 2009:893) om energieffektiva åtgärder för myndigheter. Att utarbeta kravspecifikationer för upphandling av servrar, eventuellt både i form av att köpa en fysisk produkt och i form av upphandling av tjänst, finns på deras ”att-göralista”. De deltar bland annat i arbetet med att ta fram en ISO – standard inom ramen för SIS arbete. Ekodesigndirektivet Större servrar är ännu inte en produktgrupp i ekodesigndirektivet, varför inga krav kommer att finnas vid försäljning inom EU inom de närmsta åren. Upphandlingskrav ENERGY STAR EU:s ENERGY STAR-program för energieffektiv kontorsutrustning har i dagsläget inga kriterier för större servrar. Svanen Svanen har kriterier för småskaliga servrar, men har inte resurser att utveckla internationellt erkända teststandarder för mätning, exempelvis av energianvändning. Man avvaktar och följer vad som händer hos "Energy Star" i USA. När de har färdiga kriterier för större servrar finns det en möjlighet att man tar in även dem. 28(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 SUTSATSER OCH DISKUSSION Serverhallar är stora energislukare och många fastighetsföretag inom lokalsektorn hanterar sådana i sina byggnader. För byggnader med i övrigt låg energianvändning kan serverrummen bli den helt dominerande slutanvändaren av energi. Det är både elanvändning och behov av kyla som blir stora. Enligt studier som genomförts av Energimyndigheten inom "Stegvis stil" åtgår 12,7 % av total elanvändning i lokaler och kontor till serverrum. Därutöver tillkommer el för kyla som står för 9,7 %. För total energianvändning i landets samtliga serverhallar finns inga siffror, då kartläggning inte genomförts för de fristående serverhallar som ökar i allt större utsträckning. För att energieffektivisera en serverhall och kringliggande anläggningar krävs ett systemperspektiv. Utgångspunkten bör vara att datorer och program på användarsidan är dimensionerade utifrån faktiskt behov och att hårdvara som installeras är energieffektiva, då det påverkar behov av serverkapacitet. Effektiviteten på servrar och nätaggregat är centrala då det främst är de som alstrar värme och ger upphov till behov av kyla. Avges mindre värme från servrarna, krävs mindre kyla. Sänks energiförlusterna i servrarna skapas mindre spillvärme. Det krävs mindre energi för att forsla bort värmen och kylsystemet kan arbeta svalare. Den värme som kylsystemet självt skapar, måste också kylas bort. Genom energieffektiviseringen minskar även detta kylbehov. Därefter tas hänsyn till värmebehov i kringliggande byggnader och möjligheten att återvinna spillvärme till dessa. Det finns energieffektiv teknik på marknaden som leder till stora energi- och kostnadsbesparingar och som möjliggör ett systemtänkande. Dock är stor del av energiarbetet i serverhallar inriktat på att minska effektåtgången för kyla, med utgångspunkt från att det inte går att göra så mycket åt servrarnas verkningsgrad. Genom teknik med likströmsmatning till servrar kan dock förluster från nätaggregaten minskas. Onödiga mellansteg i kraftöverföringen tas bort vilket kan minska energianvändningen radikalt. Tekniken med likströmsmatning har använts av ett antal organisationer och företag och ett testlab drivs vid Sätterstrand i Värmland med syfte att mäta, utvärdera och sprida kunskap om tekniken. Vid Energimyndigheten har likströmsmatning i kombination med solceller och strukturerat arbete på användarsidan minskat energianvändningen med 56 procent. Standarder för energiprestanda i serverhallar För att underlätta för beställare att upphandla - och mäta energiprestanda för funktioner för bl. a serverhallar, har SIS planer på framtagande av en sådan inom arbetet med ISO standard för Grön IT. Den Amerikanska myndigheten EPA, och Energy Star har initierat ett arbete med att ta fram en standard, PUE, för att mäta främst elanvändning i serverhallar. Standarden saknar dock en hel del information för att kunna ge en bra bild över potentialen för att minska den totala energianvändningen för en serverhall från ett systemperspektiv. Med utgångspunkt från delar av de begränsningar som finns i PUE-talet har en analys av 29(30) Förstudie - Energieffektivisering av serverrum, dec, 2011 förutsättningar för alternativa index till PUE-talet, Net Power Usage Effectiveness, NPUE, samt en ansats att beskriva en energideklaration för serverhallar gjorts inom ramen för ett examensarbete vid KTH28. Förslag till fortsatt arbete - Vad behöver utvecklas? ISO-standard Eftersom arbetet med ISO standard för serverhallar inte påbörjats ger det möjlighet för företag med intresse i frågan att delta i utformningen av denna. Det kan också vara av intresse för BELOK-gruppen att en energideklaration för serverhallar tas fram. Gemensam upphandling Ett antal projekt med likströmsmatning till servrar har genomförts och pågår. Dock har tekniken inte fått någon tydlig genomslagskraft på marknaden. För att öka marknadsacceptansen föreslås att en gemensam upphandling genomförs. Teknikupphandling Teknik för likströmsmatning av kylapparater är ett område som är intressant. Här finns idag ingen ”färdig produkt” på marknaden, men tekniken finns. Här skulle en teknikupphandling kunna genomföras. Dialog fastighetsägare/hyresgäst Problemen med hög energianvändning i serverhallar är gemensamma för fastighetsägarna och hyresgästerna som driver verksamheten i byggnaderna. I HyLok ingår ett antal myndigheter som hyr lokaler av fastighetsägare inom Belok. Standard efterfrågas av beställare inom HyLok som i en studie om serverhallar29 anger att de idag endast har tillgång till leverantörers uppgifter på energiprestanda vid upphandling av serverkapacitet och andra funktioner i serverhallar. De ser också gärna att en energideklaration utformas för området. Detta ligger också i linje med EU:s och Sveriges målsättning inom området. Upphandlingsrekommendationer Då det är troligt att det tar tid innan en standard-, upphandlingskrav-, eller energideklaration kommer att finnas tillgängliga, föreslås att ett informationsblad som ger råd vid upphandling av funktioner och hela serverhallar tas fram. Upphandlingsrekommendationer kan bl.a. utgöra underlag för dialog mellan fastighetsägare och hyresgäst samt ingå som del i gröna avtal. 28 ”Energieffektivitet i datahallar – En jämförelsemetod och deklaration för datahallar med avseende på energieffektivitet & miljöbelastning”, Anders Greijer, 2010. 29 Serverhallar – Erfarenheter av energieffektivisering hos medlemmar i Hylok, 2010 30(30)
© Copyright 2024