RACIONÁLIS ENERGIAFELHASZNÁLÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG
3.8 1.5
Számítóközpontok energiaigénye Tárgyszavak: számítóközpont; energiaigény; túlméretezés; teljesítményfelvétel; teljesítménysűrűség; fogyasztás.
Bevezetés A tanulmány először közöl mért adatokat egy számítóközpont energiaigényéről, amit a korábbiakban gyakran 1000 W/m2-nek – a szokványos irodaépületek energiaigénye 10-szeresének – vettek. Ebből kiindulva egy nagyobb számítóközpont leköthetné egy erőmű teljesítményének zömét. A teljesítmény-túlbecslés növeli a beruházási költséget, túlzott erőművi és hálózati kapacitások épülnek ki, de nem lesznek kihasználva, ezért drágul a villamos energia. Ennek elkerülése végett fontos a létesítmények, ebben az esetben a számítóközpont, tényleges teljesítményfelvételének (a továbbiakban fogyasztás) meghatározása.
A túlzott becslések okai A tanulmány tíz okot talált a számítóközpontok energiafogyasztásának túlbecslésére. Érdekes ezeket számba venni. A fogalmak tisztázatlansága A számítóközpontokat általában W/m2-ben megadott ún. teljesítménysűrűséggel jellemzik, ami vonatkozhat számítóközpontban számítógépes eszközökkel zsúfolt állványokkal berendezett szobára vagy többféle funkciójú helyiségekből álló épületre. Ha például a számítógépes állvány 1000 W/m2 értékéből számítják ki az egész épület fogyasztását, a többszörös túlméretezés hibájába esnek, mert az épület legtöbb része (irodák, folyosók, hallok, pihenők, mellékhelyiségek) sokkal kevesebb teljesítményt vesz fel, mint a számítógépes helyiségek.
1
Névleges és tényleges fogyasztás eltérése Az épület fogyasztását sokszor a gépek adattábláján, gépkönyvében feltüntetett un. névleges (azaz legnagyobb elméleti) fogyasztások összegeként adják meg, holott annak a gépek legfeljebb 80%-át veszik föl (a számítógépek még kevesebbet). Adattábláikon és más hálózati berendezésekén is (útválasztók, kapcsolók, multiplexerek, mikroerősítők, hangátalakítók) a tényleges teljesítményfelvételüknek kb. háromszorosa szerepel. Ha ezek, és nem a tényleges fogyasztásuk szerint tervezik az épület villamosenergia-ellátó rendszerét, és annak ellátó (erőmű, transzformátor, távvezeték) hátterét, akkor a többszörös túlméretezés hibájába esnek. Beépített és tényleges hálózati teljesítmény Az épület villamos hálózatát gyakran a berendezések összeadott legnagyobb fogyasztására méretezik, ami a gyakorlatban soha nem fordulhat elő. Nincs olyan üzemviteli állapot, hogy minden gép egyszerre és ráadásul csúcsteljesítménnyel menjen. Ezért meg kell állapítani (a magyar tervezési gyakorlatban egyébként kötelező; fordító megjegyzése) az egyidejűségi tényezőt, ami 1-nél mindig kisebb viszonyszám, és azt fejezi ki, hogy a villamos berendezések együttes teljesítményének hányadrészére van szükség egyszerre. A másik buktató, hogy a villamos törvény szerint a hálózat csak 75%-ig terhelhető (pl. 20 A-es áramkörön csak 15 A-t szabad fogyasztani, ami annyit tesz, hogy minden áramkört legalább 33%-kal túl kell méretezni. A gépek és a hálózati teljesítmény lényeges eltérésének másik nyomós oka, hogy sokszor az épület terve és az épület jóval előbb elkészül, mint ahogy döntenek a benne elhelyezendő számítástechnikai eszközök összetételéről. Kettős energiaellátás A szerverekhez áramkimaradás kivédésére külön tartalékáramkör jár, azaz egy 6 A-es szerverhez két 6 A-es külön vezeték. Így például három szerverhez 3 x 2 x 6 A=36 A, azaz kerekítve 2 különálló 20A-es tápvezeték kell, ami több mint kétszeres túlméretezés, még akkor is, ha a szerverek a névleges 6 A-es teljesítménnyel működnének. Régi szerverek alkalmazása Az épülettervezők feltételezik, hogy a számítógépszobában a legújabb típusú kisméretű szerverek lesznek, amelyekből egy szabványos (kb. 1,8 m hosszú) állványon már 40 darab, ún. 1 U nagyságú szerver elfér. Egy mostani 1 U méretű szerver (1 U = 4,445 cm) annyi számítógépet kiszolgál, mint a régiekből 4 U vagy 5 U nagyságú szerver, ezért az új szerverekhez betervezett 2
állvány villamosenergia-ellátása 4–5-ször akkora lesz, mint a régié. A legtöbb számítóközpontot ennek ellenére még mindig a régi kisebb fogyasztású, 4–5szörös méretű régi szerverekkel telepítik be, ezért a villamos hálózat túlméretezett lesz. Állvány- és eszközkihasználás A szabványos állvány 40 U egységnyi helyén nincs mindig villamosenergia-fogyasztó eszköz. A vizsgált számítóközpontokban az állványok átlagosan 30%-ig voltak tele, 47%-ukban pedig egyáltalán nem volt villamos berendezés. Ezt a helyzetet az üzemeltetésiköltség- és a haszonszámítások már figyelembe is veszik, de a számítóközpont villamos teljesítményét a villamos tervezők gyakran 100%-os kihasználásból kiindulva számolják (tévesen). Nagy jövőbeni terhelések feltételezése Tizenöt számítógépgyártó 2000-ről 2005-re szerverekkel teli polcokat és kétszeresére növő fogyasztást jövendölt, de ebben a már bevezetésre került és egyre gyorsabban terjedő kis fogyasztású számítógépek, eszközök, szerverek és teljesítményszabályozott szerverek következtében nem valószínű, hogy igazuk lesz. Túlméretezett fűtés, szellőzés és légkondicionálás A számítástechnikai berendezések villamos teljesítményfelvételének túlbecslésével jár, hogy az általuk fejlesztett hőt is a ténylegesnél többnek feltételezik. Következésképpen a légkondicionálást túlméretezik, amely emiatt soha nem működhet a legkedvezőbb munkaponton, azaz legjobb hatásfokkal. A túl nagy villamos motorok nem kellő terhelése rontja a rendszerek hatásfokát, és pocsékolja a villamos energiát. Összegeződő biztonsági tényezők Az ipar nagyra tartja a biztonságot, ezért túlméretezi a gépeket, amelyekből persze túlméretezett villamos ellátó rendszerek állnak össze, főleg azért, mert a gépész, számítógépes, villamos tervező szakágak kellőképpen nem egyeztetnek. Túl sok létesítmény feltételezése A gazdaság lelassulása miatt a várhatóan épülő számítóközpontok számára és alapterületére vonatkozó előjelzések nagyon túlzottnak bizonyulnak, mi több, az is előfordul, hogy a statisztika ugyanazt a létesítmény kétszer is 3
leltárba veszi. A torz adatokból kiinduló villamosenergia-ellátó rendszerbővítés teljesítményfelesleget teremthet. A felsorolt okokból látható, hogy a meglévő számítóközpontok villamos energiaigénye a ténylegesnél többnek mutatkozik. A számítóközponttulajdonosok üzemeltetési körülményeiket, költségeiket bizalmasan kezelik, pl. tényleges villamosenergia-fogyasztásukról sem szívesen nyilatkoznak. Úgy érzik, az üres polcok léte csökkentené megbízhatóságukat. Így mostanáig nem álltak rendelkezésre megbízható adatok a számítóközpontok teljesítményfelvételéről.
Mérések a szilíciumvölgyi számítóközpontban E rész méréseken, villamos és gépészeti terveken, beruházási számokon, gépkönyveken és villanyszámlákon alapuló, így is csak megközelítő becslései képet adnak az számítóközpontban lévő sokféle eszköz villamosenergia-fogyasztásáról, bemutatják a számítóközpontok méretezésének sajátosságait és összetettségét. Általános ismertetés A szilíciumvölgyi számítóközpontot meglévő 11 645 m2-es épületbe telepítették be, hogy gyorsan beindulhasson. A számítógépterem ebből 2555 m2, 22%, volt (1. ábra). Az „egyéb terület” a szociális helyiségek (mosdó, WC-k, folyosók, előterek) együttes neve. A számítógépes szobákat bérbe adták, általában az állványok harmadrésze volt kihasználva (gépekkel betelepítve). A jól látható számítógépes berendezéseket a felmérési nyilvántartásba vették, a fülkékben lévő állványokét nem, mert azokhoz nem lehetett hozzáférni, viszont a bérlők polcos szekrényeiben lévőket igen, ezért a felmérés a kisebb bérlőket némileg nagyobb részaránnyal tartalmazza. Az állványok 47%-ában nem volt villamosenergia-fogyasztó, a többiben sokféle és különböző fogyasztású eszköz volt, az 1. táblázat szerinti számban és részarányban. 1. táblázat A szekrényes helyiségekben lévő berendezések jegyzéke Berendezés Szerver Kapcsoló Lemez Útválasztó Tűzfalak Egyéb Összesen
4
Mennyisége, db
Hely, U-ban kifejezve, 1 U = 4,45 cm
A polctér kihasználtsága
229 101 18 13 8 12 381
596 177 88 81 15 19 976
61% 18% 9% 8% 2% 2% 100%
35
31
százalék (%)
30
26
25
22
20 15
11
10 10 5 0
számítógép szoba
elsődleges használat
berendezésszoba
iroda
egyéb terület
helyiségek
1. ábra Az épület területmegoszlása A számítógépszoba teljesítményigényének meghatározása A berendezéseket fázisonként mért feszültségű és áramú háromfázisú elosztószekrény táplálta. A számítógépszobában lévő eszközök mért látszólagos fogyasztása 445 kW volt, amelyből 0,97 teljesítménytényezővel szorozva kapták a tényleges hasznos teljesítményt. A szoba fogyasztása 432 kW, teljesítménysűrűsége pedig 170 W/m2-re jött ki. Az elsődleges terület teljesítményfelvétele Az egész épület kb. 10%-át teszi ki az elsődleges terület. Az átlagos teljesítménysűrűségét villanyszámlák alapján állapították meg. Az együttes (a világítást, szellőzést és a fali dugaljakból levett teljesítményeket is tartalmazó) teljesítménysűrűsége 215 W/m2 volt. Az irodaterekben lévő számítógépek teljesítményfelvétele Egy irodai számítógép 55 W, egy közepes méretű képernyő 90 W hőt fejleszt működő (nem képernyőkímélő) állapotban. Persze nem dolgozik 24 órán át, s a hordozható számítógép kevesebbet fogyaszt. Egy irodai számítógépre összesen 145 W teljesítményt számítottak, és az irodaterületen dolgozó 12 gép 1740 W-os összteljesítményéből 1,3 W/m2-t kaptak az 1330 m2-es területre vetítve. Világítás A villamos tervek alapján a világítás teljesítménysűrűsége a számítógépszobákban 12 W/m2, a műhelyekben, géptermekben, a szokásosan kissé gyengébb megvilágításnak megfelelő, 8 W/m2 volt. A szokványos irodahelyi-
5
ségek világítási villamos teljesítményigénye 19 W/m2. Ezekből összesen a világításra kb. 117 kW teljesítményfelvétel adódott. Egyéb fogyasztók Közéjük tartoznak a másolók, faxok, szkennerek és a nyomtatók, átlagban kb. 1100, 30, 25 ill. 550 W (nagy irodai lézeres nyomtató) teljesítményfelvétellel. A teljesítménykímélő készenléti helyzet figyelembevétele nélkül ezek helyiségeire 3 W/m2-t vettek. Villamos elosztó és hálózati veszteségek A trafók és az elosztók alkotóelemein áthaladó villamos energia teljesítménytényezője 95 ill. 98%, ha teljes terheléssel működnek, mivel terhelésük a teljesnél jóval kisebb, a becslés a trafókon 7%, az elosztókon 5% (22 ill. 32 kW) összesen 55 kW veszteséggel számolt. Ehhez jön még a hálózati veszteség, az épület tűzvédelmi és riasztórendszerének, telefonhálózatának fogyasztása, amelyekkel már ez a tétel elérte a 100 kW-ot, amit a működő számítógépszobákra osztottak fel, mert főként a számítógépszobákat szolgálták ki. Központi fűtő, szellőztető és légkondicionáló egység A üzem 800 tonnás hűtője 320 tonna (40%-os) teljesítménnyel, 0,52 kW/t fajlagos teljesítményfelvétellel, azaz 166 kW teljesítménnyel dolgozott (volt egy ugyanakkora tartalék is). A hűtőtorony is csak 40%-kal ment, 22 kW-os motorja 2,2 kW-os munkapontján dolgozott, a keringtető szivattyú pedig 45 kW-tal, tehát az üzem összes teljesítményfelvétele 213 kW volt. Levegőellátás teljesítményfelvétele A számítógépszobák légkondicionálását 12 darab 50 tonnás és 6 darab 30 tonnás CRAC levegőellátó egység szolgálta ki (4 tartalék volt), átlagban 30%os terheléssel úgy, hogy az egységek ventillátorai állandóan működtek (teljesítményfelvételük mindkét egységben 7,5 kW). Egy egységnek a nedvességelvonóval és utánmelegítővel együtt teljesítményfelvétele mintegy 30 kW, de mivel csak 5 ilyen egység van, a többi csak hűt, a 18 üzemelő egység összteljesítmény-felvétele kb. 215 kW volt. Ehhez hozzászámítva az irodák saját légellátó egységeit, a teljes levegőellátó rendszerre 250 kW-tal lehet számolni. Együttes teljesítményigény A számítógépszobákat úgy alakították ki, hogy a számítógépek 646 W/m2 fajlagos teljesítményt vehetnének fel, holott a tényleges teljesítménysűrűség 6
csak 169 W/m2 volt (2. táblázat), ami nem tartalmazza az ellátó rendszerek teljesítményigényét. 2. táblázat Számítóközpont energiafogyasztási jellemzői Fogalom
Meghatározás
Eredmény, W/m2
A számítógépes berendezések által felvett teljesítmény Számítógépszoba teljesítménysűrűsége (Watt), osztva a számítógépszoba területével (m2)
169
Épület teljesítménysűrűsége
Az épület összes teljesítményfelvétele, osztva a teljes épület területével
118
Számítógépszoba együttes teljesítménysűrűsége
A számítógépes berendezések és az összes ellátó rendszerek, villamos elosztó, hálózat, fűtés, hűtés és világítás által felvett teljesítmény, osztva a számítógépszoba területével.
355
Az együttes teljesítményigény a 11 645 m2-es területre számolva a 3. és 4. táblázatból olvasható ki. Az adatokat az egyes épületrészek teljesítménysűrűségének és területének szorzatából képezték és összegezték, az eredmény 1374 kW. Ez kerekítve 1,4 MW, ami összhangban van az áramszolgáltatónak fizetett havi áramszámlákkal. 3. táblázat Teljesítménysűrűség felhasználók szerint a szilíciumvölgyi számítóközpontban Helyiségek
Számítógépszoba Elsődleges használat Berendezés szoba Irodák Egyéb terület Épület összesen
Közvetlen fogyasztás teljesítménysűrűsége, W/m2
Segédberendezések teljesítménysűrűsége, W/m2
Számítógép vagy elsődleges használat
Világítás
Egyéb
Kiegé- Központi Ventilátor, szítő hűtőlevegőelláberenüzem tás, nedvesdezések ségelvonás
2 555
169
12
0
39
51
83
355
1 170
215a
–
–
–
50
–
265
2 990
0
8
0
0
2
3
13
1 330 3 600
1 0
19 11
3 1
0 0
6 3
9 4
38 19
11 645
59
10
1
9
18
21
118
Alapterület, m2
Teljesítménysűrűség, W/m2
a
A 215 W/m2 az „elsődleges használat”-ban maradt épületrészek világítási, kiegészítő berendezések és ventillátorok teljesítménysűrűségét tartalmazza.
7
4. táblázat Felhasználók szerinti teljesítményfelvétel a szilíciumvölgyi 11 645 m2-es épületben Helyiségek
Közvetlen teljesítményfelvétel, Ellátó berendezések teljesítményfelvétele, kW kW
Számítógépszoba Elsődleges használat Berendezés szobák Irodák Egyéb terület Épület összesen
Összteljesítményfelvétel, kW
Számítógép vagy eredeti használat
Világítás
Egyéb
432
30
0
100
131
213
907
252
-
-
-
59
-
311
0
23
0
0
5
9
36
2 0
26 39
4 4
0 0
7 10
12 16
51 69
684
117
8
100
213
250
1374
Kiegészítő Központi berendezés hűtőüzem
Ventilátor, levegőellátás, nedvesség elvonás
A számítógépszoba fajlagos teljesítmény-felhasználásából a számítógépeké és eszközöké csak 48%, a többi a kiszolgáló eszközöké és berendezéseké (2. ábra). Ezeket az adatokat érdemes a számítóközpontok tervezésekor használni.
50 45 40 százalék (%)
35 30 25 20 15 10 5 0 számítógép és tartozékai
világítás
kiegészítő berendezések
központi hűtőterem
ventilátorok, levegőellátás, nedvességelvonók
teljesítm ény
2. ábra A számítógépszoba összteljesítmény-felvételének megoszlása 8
A teljesítményigény tervezésekor egész épületre vonatkozó teljesítménysűrűségből nem szerencsés kiindulni, mert az épület jellegétől, elrendezésétől függően nagyon eltérő lehet a teljesítménysűrűség. Más helyzet, ha a számítógépszoba egyetlen sűrűn betelepített helyiségben, földszintes vagy néhány szintes nagy kiterjedésű épület több helyiségében, elszórtan van. Mindkét esetben érzékelhetően más a számítógépszoba és az összes terület aránya, következésképpen a teljesítménysűrűség is. Ezért e tanulmány a számítógépterem teljesítménysűrűségéből indul ki (2. táblázat), ami a számítógépes eszközök, a villamos elosztók, a fűtés-hűtés és a világítás együttes teljesítményfelvétele osztva a számítógépszoba területével: 355 W/m2. Ezt az értéket jól igazolta az összehasonlítás a további 4 számítógépközpont villanyszámlájával, amely szerint a számítógépszobák teljesítménysűrűsége nem haladja meg a 420 W/m2 értéket. (Herczegh József) Mitchell-Jackson J.; Koomey J.: Data center power requirements: measurements from Silicon Valley. = Energy, 28. k. 8. sz. 2003. jún. p. 837–850. Mitchell-Jackson, J.; Koomey, G. J. stb.: National and regional implications of internet data center growth in the US. = Resources, Conservation and Recycling, 36. k. 3. sz. 2002. okt. p. 175–185. Wood, G.; Newborough, M.: Dynamic energy-consumption indicators for domestic appliances: environment, behaviour and design. = Energy and Buildings, 35. k. 8. sz. 2003. szept. p. 821–841.
Röviden… A primerenergia-szükséglet kissé csökken Németország primerenergia-szükséglete a munkacsoport előzetes számításai szerint 14 319 PJ, ami az előző évi felhasználáshoz képest 1,9%-os csökkenést jelent. Ennek magyarázatát az enyhébb tél, és 2002 kisebb gazdasági növekedése (2001-hez képest csak 0,2%) adja. Részletes áttekintést nyújt a következő táblázat: Energiahordozó
Kőolaj Földgáz Kőszén Barnaszén Atomenergia Víz- és szélenergia Külkereskedelmi áramszaldó Egyéb Összesen
Felhasznált primer energia 2001 2002 (PJ) (PJ) 5 369 5 577 3 113 3 124 1 885 1 928 1 659 1 630 1 800 1 873 132 111 3 –6 358 352 14 589 14 319
Részarány 2001 2002 (%) (%) 37,5 38,2 21,7 21,4 14,2 13,2 11,6 11,2 12,6 12,8 0,9 0,8 0,0 0,0 2,5 2,4 100,0 100,0
9
A fosszilis energiahordozók közül egyedül a barnaszén felhasználása növekedett 1,8%-kal 1659 PJ értékre. A megújuló energiák terén a szélenergia alkalmazásának növekedése jelentős az előző évhez képest: 50%. A vízenergia alkalmazása mintegy 2%-kal növekedett. Az egyéb energiahordozók – ezek között elsősorban a fa – felhasználása 2001-hez képest közel 2%-kal növekedett. (BWK das Energie Fachmagazin, 55. k. 3. sz. 2003. p. 14.)
10
