Modul 2 Monitoring spotřeby energie a analýza nákladů

1. Modul 2Monitoring spotřeby energie a analýza nákladů Verze 1.022. září 2011

2. Monitoring a vyhodnocení příkonu IT systémů, serveroven a datových center – obecný pohled Vyhodnocení spotřeby energie a energetické účinnosti Vyhodnocení nákladů na energie a úspor

3. Monitoring příkonu IT systémů, serveroven a datových center • Vyhodnocení spotřeby energie a energetické účinnosti • Systém monitoringu by se měl používat, ale měl by se rovněž pečlivě promyslet před svým spuštěním; • Je-li cílem měření získat spíše „správná data“ než pouze „větší množství dat“, pak budou posbírané údaje maximálně užitečné a použitelné pro posouzení provozního výkonu a provádění rozhodnutí; • Po sběru užitečných dat by se měly přijímat akce na nich založené. Sběr dat by měl pokračovat, aby se získala zpětná vazba o výsledcích provedených akcí; • Postavením základní linie, která ukazuje, kde se spotřebovává energie, by manažeři měli být schopni vytvořit energetický plán, který s efektivními náklady určí největší příležitosti pro dosažení energetických úspor.

4. Monitoring příkonu IT systémů, serveroven a datových center • Vyhodnocení výdajů za energie a úspor • Sběr energetických dat pomáhá kvantifikovat energetickou zátěž operací probíhajících v datovém centru • vyzdvihuje důležitost zlepšování energetické účinnosti; • usnadňuje dimenzování zařízení, aby bylo v souladu s energetickou bilancí. a dále pomáhá monitorovat a vyhodnocovat energetické úspory vyplývající z konkrétních kroků pro zlepšení energetické účinnosti; • Pokud provozovatelé datových center vidí konkrétní úspory, může je to motivovat k zavádění dalších úsporných opatření.

5. Vyhodnocení nákladů na energie a úspor • Monitorovací systémy jsou potřebné pro získávání dat z různých míst infrastruktury, ale bez náležitého softwaru/nástrojů pro interpretaci výsledků nejsou tato data užitečná; manažeři pro své rozhodování potřebují dostat informaci o tom, jaké kroky se musí udělat pro snížení spotřeby energie. • K dispozici je několik nástrojů, ale jako příklad zde prezentujeme bezplatný nástroj vyvinutý Ministerstvem energetiky USA v rámci programu „Ušetři energii teď“ (US Department of Energy Program Save Energy Now). Sada aplikací se jmenuje „DC Pro SW Tool Suite“. • “DC Pro” nástroje obsahují vyhodnocovací proces a nástroje pro hodnocení výkonnosti a sledování výkonu a také poskytují doporučení; • Nástroje jsou k dispozici zdarma na následujícím odkazu:http://www1.eere.energy.gov/industry/datacenters/software.html

6. Vyhodnocení nákladů na energie a úspor • „DC Profiling Tool“ je webová aplikace, která používá základní informace, jako například cenu energie a základní popis datového centra, k vygenerování profilu jím využívané energie. Aktuální využívání energie v datovém centru (MMBTU/rok) Využití energie datovým centrem Využití energie datovým centrem DCiE datového centra Venti-látory Osvětlení DC Ztráty el. distribuce IT zařízení Chlazení Ukázka výstupu webové aplikace “DC Pro Profiler Tool” pro datové centrum (Zdroj: DOE)

7. Vyhodnocení nákladů na energie a úspor • „Electrical Systems Tool“ je navržen pro vyhodnocení potenciálních úspor vyplývajících ze zlepšení energetické účinnosti v napájecím řetězci datového centra, jako jsou transformátory, generátory, nepřerušitelné zdroje napájení (UPS) a zařízení distribučních rozvaděčů; • Uživatelům umožňuje vidět, jak si stojí jejich datové centrum mezi dalšími datovými centry. Setrvačníková rotační UPS Klasická rotační UPS Dvojkonverzní UPS Delta konverzní UPS Ukázka grafu účinností UPS systémů podle velikosti zátěže, převzato z nástroje pro elektrické systémy. (Zdroj: DOE)

8. Metriky energetické účinnosti pro datová centra Efektivita využívání energie (PUE) Účinnost infrastruktury datového centra (DCiE) Efektivita opětovného použití energie (ERE) Analýza celkových nákladů na vlastnictví (TCO Analýza)

9. Metriky energetické účinnosti pro datová centra • Používání metrik je velmi důležité: “Pokud něco nemůžete měřit, nemůžete to ani zlepšit”. • Používání metrik může pomoci manažerům datových center lépe pochopit a zlepšit energetickou účinnost jejich existujících datacenter a také při rozhodování o budování nových datových center; • Navíc tyto metriky poskytují seriózní způsob pro měření vlastních výsledků proti srovnatelným IT subjektům (organizacím); • Přestože PUE je v následujícím textu ukázána jako upřednostňovaná metrika, je možné zvážit i několik dalších způsobů, které budou také prezentovány.

10. Metriky energetické účinnostipro datová centra: PUE • Efektivita využívání energie (Power Usage Effectiveness, PUE) • je měřítkem, jak efektivně datové centrum používá svoji energii; • udává, kolik energie se skutečně spotřebuje ve výpočetním zařízení (v porovnání ke chlazení a další podpůrné infrastruktuře); • PUE je poměr celkového množství energie spotřebované datovým centrem k energii dodané pro všechna výpočetní zařízení; • PUE byl vyvinut sdružením The Green Grid.PUE je reciproční hodnotou účinnosti infrastruktury datového centra (Data Center Infrastructure Efficiency, DCiE). • Ideální PUE je 1,0; • Vše, co v datovém centru není považováno za výpočetní zařízení (tj. osvětlení, chlazení aj.) spadá do kategorie celkový příkon datového centra. Celkový příkon datového centra (jeho spotřeba energie) Příkon IT zařízení (spotřeba energie IT zařízeními)

11. PUE datového centra společnosti Google Neustálé zlepšování PUE Průměr PUE za všechna datová centra Sledování PUE za 12 měsíců Čtvrtletní PUE Údaje PUE pro velká datová centra společnosti Google (Zdroj: Google)

12. Metriky energetické účinnosti pro datová centra: Úkolové uskupení pro DC metriky • Za účelem zaměření se na tyto nekonzistence při používání metrik se 13. ledna 2010 setkala skupina průmyslových lídrů, aby se shodli na způsobu měření účinnosti datových center, metrikách a konvencích pro reporting; • Mezi zastoupenými organizacemi byly: • 7x24 Exchange • ASHRAE • The Green Grid • Silicon Valley Leadership Group • Americké ministerstvo energetiky - U.S. Department of Energy - Save Energy Now and Federal Energy Management Programs • Americká agentura pro ochranu životního prostředí - U.S. Environmental Protection Agency’s ENERGY STAR Program • Americký výbor pro ekologické budovy - U.S. Green Building Council • Uptime Institute

13. Metriky energetické účinnosti pro datová centra: Úkolové uskupení pro DC metriky • Byly dojednány následující metodické principy: • Efektivita využívání energie (Power Usage Effectiveness, PUE) používající spotřebu energie ze zdroje je upřednostňovanou metrikou pro energetickou účinnost datových center; • Když se počítá PUE, měla by být spotřeba energie IT zařízeními měřena minimálně na výstupu UPS. Nicméně, průmysl datových center by měl progresivně zlepšit schopnosti měření v čase, aby se běžnou praxí pro IT zařízení stalo měření spotřeby energie přímo u IT zátěže; • Pro dedikované datové centrum bude celková energie v rovnici PUE zahrnovat všechny zdroje energie v bodě připojení veřejné sítě k majiteli či provozovateli datového centra; • Pro datová centra se smíšeným používáním bude celková energie veškerou energií, kterou vyžaduje provoz datového centra, podobně jako u dedikovaných datových center, a měla by obsahovat chlazení, osvětlení a podpůrnou infrastrukturu pro provoz datového centra.

14. Metriky energetické účinnostipro datová centra: PUE Kategorie měření PUE doporučené tímto úkolovým uskupením * Pro PUE kategorii 0 se měří odběr energie (kW)

15. Metriky energetické účinnostipro datová centra: DCiE • Účinnost infrastruktury datového centra (DCiE) • DCiE (Data Center infrastructure Efficiency) je metrika používaná pro určení energetické účinnosti datového centra; • Metrika, která je vyjádřena procentuálně; • Je kalkulována jako podíl příkonu IT k zařízení k celkovému příkonu datového centra; • DCiE byla rovněž vyvinuta organizací The Green Grid, pracovní skupinou zaměřenou na energetickou účinnost datových center. DciE Příkon IT zařízení (spotřeba energie IT zařízeními) DCiE Celkový příkon datového centra (jeho spotřeba energie)

16. Metriky energetické účinnostipro datová centra: PUE aDCiE (Zdroj: The Green Grid)

17. Metriky energetické účinnostipro datová centra: ERE • Efektivita opětovného použití energie (Energy Reuse Effectiveness, ERE) • Energie z datového centra se opětovně používá v ostatních částech objektu nebo okolních stavbách s užitečnými a prospěšnými výsledky; • Tyto koncepce postrádají metriku, v níž by se daly sledovat a porovnávat; • Efektivita využívání energie (PUE) je základní metrikou pro datová centra, ale tyto alternativní způsoby využívání odpadní energie nebere v úvahu; • Pro jejich započítání The Green Grid, LBNL a NREL navrhly a definovaly novou metriku: Účinnost opakovaného využití energie (Energy Reuse Effectiveness, ERE). PUE Chlazení + Napájení + Osvětlení + IT IT ERE Chlazení + Napájení + Osvětlení + IT – (Znovu využitá energie) IT

18. Metriky energetické účinnostipro datová centra: ERE Odpadní teplo Prostor mimo DC Chlad Absorpční chiller Veřejná síť Hranice datového centra (Zdroj: The Green Grid) Opětovné využití tepla jinde než v prostoru datového centra Obě metriky PUE aERE jsou platné metriky

19. Metriky energetické účinnostipro datová centra: ERE – nesprávné použití Odpadní teplo Chlad Absorpční chiller Veřejná síť Hranice datového centra (Zdroj: The Green Grid) Opětovné využití tepla uvnitř prostoru datového centra; PUE je správnou metrikou, která by se měla použít;Přínos absorpčního chilleru je v PUE zohledněn.

20. Metriky energetické účinnostipro datová centra: TCO • Analýza celkových nákladů na vlastnictví(TCO) • TCO vyžaduje pečlivou analýzu návratnosti a další procesy související s podnikatelským rozhodováním; • Porozumění nákladovým složkám TCO poskytuje velkou příležitost k řízení nákladů; • Tento TCO zahrnuje kapitálové náklady (CAPEX) a provozní výdaje (OPEX); • V obecném přehledovém formuláři mohou být celkové náklady (TCO) na vlastnictví IT a infrastruktury datového centra kalkulovány podle následujícího vzorce: • Velká datová centra v USA mohou dosáhnout 12 až 15 USD na Watt.

21. Metriky energetické účinnostipro datová centra: Kalkulační nástroj TCO Kalkulátor kapitálových nákladů na datové centrum (pořizovací cena infrastruktury DC)http://www.apcmedia.com/salestools/WTOL-7AXSAN_R1_EN.swf(Zdroj: APC)

22. Metriky energetické účinnostipro datová centra: Rozpad TCO Projektový management Napájecí zařízení Monitoring systému Prostor Chladicí zařízení IT rozvaděče Údržba Údržba Údržba Inženýring a instalace Elektrická energie Rozpad celkových nákladů na vlastnictví (TCO) do kategorií pro typický IT rozvaděč v datovém centru 2N s vysokou dostupností (Zdroj: APC)

23. Web prohlížeče Informační uzly Datové uzly Systém monitoringu a koncepce řízení Dohledový systém – Monitoring a řízení Koncepce měření a vyhodnocování dat na různých úrovních systému

24. Systém monitoringu a koncepce řízení • Při hodnocení potenciálních monitorovacích systémů by manažeři měli přezkoumat více faktorů, včetně následujících: • Schopnost sbírat data ze šech požadovaných zařízení; • Granularita sběru dat (+ jaká data jsou k dispozici při zhroucení systému); • Uživatelská přívětivost a snadnost integrace dat napříč zařízeními a časovými měřítky; • Škálovatelnost pro masivní použití a schopnost nasazení na mnoha lokalitách; • Přizpůsobitelnost pro nové potřeby měření; • Sledování trendů a analýza dat; • Integrace s řídicími systémy; • Schopnost detekovat problémy a upozornit obsluhu datového centra.

25. Dohledový systém - Monitoring • Monitoring proměnných IT systémů (jako jsou proměnné výkonu systému a spotřeby energie) je vždy důležitý bez ohledu na velikost systému; • K monitoringu fyzikálních veličin jako je spotřeba energie různých částí IT systému je nezbytné instalovat řádné prostředky (měřicí přístroje a senzory); • Většina datových center nebyla vybavena pokročilými elektroměry nebo jinými monitorovacími systémy; • Hlavní překážkou pro zlepšení energetické účinnosti jsou obtíže při sběru dat o elektrickém příkonu jednotlivých součástí datového centra a v mnoha datových centrech celkově chybějící sběr dat.

26. Dohledový systém - Monitoring • Systémy monitoringu mají schopnost zachycení dat při použití celého spektra senzorů; • Obvykle systémy používají centrální uzel zvaný„informační uzel“ a mnoho samostatných modulů zvaných „datové uzly“, které jsou umístěny blízko u měřeného bodu: Web prohlížeče Informační uzly Datové uzly Schéma typického monitorovacího systému (Zdroj: LBNL)

27. Dohledový systém - Monitoring • Při rozhodování, na jakou úroveň monitoringu se zaměřit, by měl manažer datového centra mít na mysli některé klíčové aspekty, například následující: • kapitálové náklady; • přesnost dat a rozlišení; • a konečně koncové použití monitorovaných údajů. • Doporučují se tři přístupy: • Minimální praktický monitoring; • Nejlepší praktický monitoring; • Špičkový monitoring.

28. Dohledový systém - Monitoring • Minimální praktický monitoring • Periodické bodové měření přenosnými přístroji; • Data se získávají ze zařízení, jedná se o výrobcem zpřístupněné údaje (vstupní napájení, odběr energie atd.); • Tento přístup bude vyžadovat určité množství lidské aktivity, spoléhá se na personál vykonávající manuální sběr dat a dále se spoléhá na informace poskytované výrobcem; • Nevyžaduje upgrade infrastruktury a investice do (trvale instalovaných) měřicích zařízení.

29. Monitoring • Nejlepší praktický monitoring • Údaje se zaznamenávají v reálném čase za pomoci potřebné přístrojové techniky; • Přístrojová technika nemusí být nutně softwarově podporována online; • Může být instalováno zařízení pro dlouhodobý monitoring; • Lidská účast na měření je nižší než v předchozím přístupu; • Úpravy v infrastruktuře by se měly očekávat, ale jen v omezeném rozsahu.

30. Monitoring • Špičkový monitoring • Data se sbírají v reálném čase použitím automatizovaných nebo permanentních záznamových systémů; • Použití online softwaru s rozsáhlými možnostmi sledovat trendy a analýzou; • Je potřeba provést několik úprav v infrastruktuře; • Je velmi pravděpodobné, že pro zavedení systému bude potřeba podpora konzultanta.

31. Monitoring

32. Monitoring • Velikost monitorovacího systému? • Rozsah systému závisí na celkovém počtu zařízení v místě instalace; • Musí mít potřebný počet „informačních uzlů“, aby poskytl požadovanou informaci k provedení kritické analýzy spotřeby energie; • Pro malé instalace (malá datová centra a serverovny): • Systém monitoringu se může skládat z jednoho nebo dvou zařízení pro sledování energie; • nebo může mít nulový počet permanentně instalovaných zařízení a používat pouze bodová periodická měření (minimální praktický monitoring).

33. Monitoring • Velikost monitorovacího systému? • Pro velké instalace (velká datová centra): • každý z „informačních uzlů“ může být vybrán ze širokého spektra monitorovacích prostředků dostupných na trhu • průtok vzduchu • teplota, vlhkost • požadavky na příkon • napětí, proud • spotřeba energieatd.

34. Monitoring Generátor Veřejná síť Automatický přepínač směru napájení Datové centrum Distribuční rozvaděč Distribuční rozvaděč Distribuční rozvaděč IT sál UPS Zátěže mimo datové centrum Nekritické zátěže Chladicí jednotky IT zátěže Blokové znázornění elektrického systému v objektu s datovým centrem (Zdroj: ASHRAE)

35. Monitoring Generátory Veřejná síť Transformátor vn Automatický přepínač směru napájení Transformátor nn Distribuční rozvaděč IT sál Sálový rozvaděč CRAC Zdroj chladu UPS IT zařízení Měřidlo Umístění klíčových měřicích bodů v datovém centru (Zdroj: ASHRAE)

36. Monitoring • Použití získaných dat? • Správné porozumění celkovým cílům měření je stejně tak důležité, jako samotné nasazení monitorovacího systému a získávání dat z měření v datovém centru; • Potenciální využití získaných dat může zahrnovat: • spotřebu energie za celek; • sledování trendů spotřeby energie v čase; • pochopení okamžitých energetických příkonů klíčových zařízení daného provozu; • rozúčtování spotřeby energie (billing); • výpočet indexů energetické účinnosti.

37. Technické prostředky pro monitoring a řízení Měřicí zařízení a senzory

38. Měření a regulace / Zařízení MaR • Systém monitoringu datového centra se skládá ze širokého spektra čidel (senzorů); • Tato čidla se používají pro měření klíčových proměnných jako teplota, rychlost průtoku, napětí, proud, tlak, vlhkost a dalších; • Jako část monitorovacího systému se také používají měřiče energie, které svoje informace sbírají vhodným softwarem a které také zobrazují agregované informace ze všech zařízení; • Při výběru čidel, která se použijí v monitorovacím systému, je potřeba vzít v úvahu několik aspektů klíčových specifikací: • rozsah měřicího zařízení, rozlišení a přesnost jsou nejdůležitější; • Například je nevhodné používat wattmetr s rozsahem měření od 0 do 1000kW pro čerpadlo, které z napájecí sítě odebírá pouze 20kW.

39. Měření a regulace / Zařízení MaR • Data získaná monitorovacím systémem se mohou analyzovat a akčním členům v datovém centru se mohou zasílat instrukce, kterými lze elektrická zařízení odpojovat nebo měnit jejich charakteristiky (ovládání zařízení datového centra); • Na trhu je široké spektrum senzorů používajících různé metody měření; • Nebude diskutován každý typ technologie, který lze použít, ale jen nejběžnější a pro použití v datovém centru spolehlivá řešení; • Všechna měřicí zařízení a čidla jsou vysvětlena v příloze této prezentace.

40. Subsystémy datového centra a klíčové veličiny, které se musí měřit

41. Účinný zdroj napájení a UPS

42. Spotřeba energie v datových centrech Řetězec napájení v datovém centru Datové centrum UPS Distribuční rozvaděče Kabeláž Přepínače Napájecí trasa k IT Energie pro IT Energie pro datové centrum Výpočty IT zařízení Chlazení Osvětlení SHZ, EPS, ACS Bezpečnost Dieselagregát Silové elektro- rozvaděče Energie pro podpůrné technologie UŽITEČNÝ VÝSTUP datového centra CELKOVÝ PŘÍKON daného provozu * *) DCPI = fyzická infrastruktura datového centra Zdroj: APC při Schneider Electric, 2010; Bílá kniha č.113,revize 2

43. Zdroje neefektivity v napájecím řetězci a službách Záložní zdroje (UPS systémy) Distribuční rozvaděče Transformátor rozvodné soustavy DISTRIBUCE ELEKTRICKÉ ENERGIE IT zátěž • nízký účiník • vysoké harmonické • zkreslení proudu • (THDi) • nízké vytížení • - neúčinné transformátory • nadměrné používání • (pozn.: relevantní pro USA) • nízký výkon zátěže • neúčinná topologie UPS • nízký vstupní účiník • vysoký záběrový proud • naddimenzované • transformátory • - neúčinné, vyšší ztráty Ostatní zátěže (chlazení, osvětlení atd.) Náhradní zdroj (dieselagregát) Ztráty na vedení (typicky) • naddimenzované • nadměrná redundance • nadměrný příkon pro • předehřevy • Světla • nevyužitá podlahová plocha • neexistující řízení osvětlení • Chlazení • vysoká teplota • v zóně serverů Zdroj: ASHRAE Prezentace Ušetři energii teď, 2009

44. Kaskádový efekt v účinnosti napájecího řetězce Serverový komponent 1W ušetřený zde Konverze DC-DC Konverze AC-DC ušetří dalších 0,18W zde Distribuce energie a 0,31W zde UPS a 0,04W zde Chlazení a 0,14W zde El. rozvaděč / Transformátor a 1,07W zde a 0,10W zde Zdroj: Bílé knihy Liebert

45. Jak stanovit účinnost napájecího řetězce The Green Grid poskytuje nástroj, který umožňuje analyzovat řetězec elektrické distribuce a vypočítávat a porovnávat účinnosti různých sestav a provozních režimů: • http://estimator.thegreengrid.org/pcee

46. Zaostřeno na téma UPS(Uninterruptible Power Supplies) Nepřerušitelné zdroje napájení (UPS) je možné rozlišit podle: • Jejich technologie: statická UPS(nemá žádné pohyblivé části na trase energie, pouze ventilátory pro chlazení; používá usměrňovač pro konverzi střídavého napájení na stejnosměrné (AC/DC) a invertor pro konverzi DC/AC a rotační UPS (používá motor nebo generátor;pro aplikace vyžadující bezvýpadkové překlenutí krátkodobých výpadků napájení;typicky nepoužívá baterie) • Jejich topologie: Pasivní standby (značení též „VFD“, závislé na napětí a kmitočtu sítě) Line interaktivní (značení též „VI“, nezávislé na napětí sítě) Dvojkonverzní (značení též „VFD“, nezávislé na napětí a kmitočtu sítě) • Jejich mechanismu uchování energie: elektrochemické baterie arotační (setrvačník)

47. Účinnost UPS v závislosti na topologii Zdroj: http://hightech.lbl.gov/documents/UPS/Final_UPS_Report.pdf

48. Účinnost UPS v závislosti na velikosti zátěže Účinnost APC Symmetra MW 1000kVA (Statická – delta konverze) APC Symmetra PX2 160kVA (Statická – dvojkonverzní) Průměrná rotační UPS 500-1000kVA Rotační 1 – 800kVA Rotační 2 – 800kVA Rotační 3 – 800kVA Rotační 4 – 1000kVA Rotační 5 – 500kVA Zátěž Zdroj: APC při Schneider Electric, 2010; Bílá kniha č. 92,revize 2

49. Minimální požadavky na průměrnou účinnost záložních zdrojů se střídavým výstupem navržené v EnergyStar UPS

50. Příklady nejlepší praxe a zkušenosti