Быстрое развитие и расширяющееся распространение технологий обработки и передачи данных в последние годы привело к ошеломляющему росту парка ИТ-оборудования. Статистика показывает, что на центры обработки данных (ЦОД) по всему миру сейчас приходится 3 % мирового потребления электроэнергии. По оценкам IDC, стоимость оплаты электроэнергии в настоящее время достигает 25 % от стоимости оборудования в ИТ-индустрии. Это значение продолжает расти со скоростью 52 % в год. В отрецензированном отраслевыми экспертами отчете за 2016 год говорится, что если не произойдет существенного повышения эффективности, то ИКТ-индустрия будет потреблять 20 % мировой выработки электроэнергии. К 2025 г. на ее долю придётся до 5,5 % мировых углеродных выбросов. Больше будет приходиться только на США, Китай и Индию. Некоторые отраслевые аналитики полагают, что к 2025 году стоимость электроэнергии, потребляемой ЦОД во всём мире, превысит 100 млрд. долларов США, считая по сегодняшним тарифам. Поскольку ЦОД потребляют огромную мощность, правительства полностью осознают необходимость сокращения углеродных выбросов. В некоторых развитых городах центрам обработки данных стало трудно получать достаточно мощности. Например, муниципальная комиссия по экономике и информационным технологиям Пекина объявила о запрете строительства и расширения ЦОД. В настоящее время главным приоритетом развития ЦОД стала энергоэффективность. Поэтому возникает вопрос, как построить действительно экологичный и энерогоэффективный ЦОД, обеспечив при этом высокий уровень безопасности данных и технической готовности? В настоящее время появился ряд систем сертификации энергоэффективности ЦОД. Наиболее представительной из них является LEED.

 

Рейтинговая система зеленых зданий (LEED)

The Leadership in Energy & Environmental Design – это система добровольной сертификации, нацеленная на создание полного и точного стандарта для зеленых зданий, развитие и интеграцию зеленых технологий и предоставление практических указаний по зеленому строительству. В настоящее время LEED считается самым исчерпывающим и авторитетным стандартом в области экологически чистого строительства, зеленых зданий и экологической устойчивости среди современных нормативов в данной области.

Стандарт LEED основан на показателях, направленных на удовлетворение требований экологизации в целом. Он предлагает экологическую стратегию проектирования и эксплуатации зданий, снижающую выбросы вредных парниковых газов за счет сокращения энергопотребления и экономии материалов. LEED реализует разумное использование ресурсов и комплексный подход к проектированию зданий.

Рейтинговая система «зеленых» зданий LEED нацелена на обеспечение экологической устойчивости в течение всего жизненного цикла здания, включая его проектирование, строительство, отделку, эксплуатацию и снос. И здесь важное значение приобретает полная вовлечённость и взаимодействие проектировщиков, архитекторов, разработчиков строительных конструкций, электромеханического оборудования и систем освещения, ландшафтных дизайнеров, строителей и управленцев.

 

Компоненты рейтинговой системы LEED

Рейтинговая система LEED, включая ее техническую структуру, состоит из пяти основных аспектов и ряда критериев. Воздействие на окружающую среду оценивается по следующим критериям: интеграционный процесс (2 балла), местоположение и транспорт (18 баллов), эффективность использования воды (12 баллов), энергия и атмосфера (38 баллов), материалы и ресурсы (13 баллов), качество внутренней среды (17 баллов), инновации процесса проектирования (6 баллов) и региональные приоритеты (4 балла). Общая оценка является суммой баллов по каждому критерию. Всего имеется четыре возможных уровня сертификации – рейтингов экологичности: платиновый (≧80 баллов), золотой (≧60 баллов), серебряный (≧50 баллов) и бронзовый (≧40 баллов), (см. рис. 1).

▲ Уровни сертификации LEED

 

Ключевые элементы ЦОД, соответствующего требованиям LEED

Как было описано выше, рейтинг экологичности ЦОД подразумевает общую оценку его экологического воздействия на протяжении всего жизненного цикла, а не только анализ коэффициента использования энергии (PUE). Рейтинговая система LEED включает в себя следующие ключевые элементы:

• Максимальная энергоэффективность
  Максимизация энергоэффективности ЦОД и его систем необходима для уменьшения экологического воздействия и экономических убытков, вызванных чрезмерным энергопотреблением. Для сравнения годового потребления энергии с базовыми значениями, определенными в стандарте ASHRAE 90.1, и анализа мер по энергосбережению можно воспользоваться специальным программным обеспечением моделирования энергопотребления. Это позволяет спрогнозировать потенциальную экономию энергии и её влияние на расходы, связанные со всеми затрагиваемыми системами. Результаты расчетов основаны на процентном значении сэкономленной энергии. В отчете министерства энергетики США говорится, что ЦОД потребляет в 100 раз больше энергии, чем стандартный офис. Результаты измерений в реальных ЦОД показали, что среди нагрузок, не относящихся к ИТ-оборудованию, 97,8 % приходится на ИБП и системы кондиционирования воздуха. Таким образом, повышение эффективности кондиционеров и ИБП играет такую же важную роль, как повышение эффективности ИТ-оборудования.

• Управление энергией
  Контрольно-измерительные приборы должны быть установлены на постоянной основе и быть способными собирать данные автоматически. Пользователи должны иметь к ним удаленный доступ через веб-браузеры. Статистические данные по энергопотреблению должны сортироваться и анализироваться системой энергоменеджмента, чтобы помочь менеджерам определить особенности энергопотребления и определить источники потерь. Система также осуществляет мониторинг энергоэффективности с предоставлением отчетов за час, сутки, месяц и год. Данные должны сохраняться как минимум 18 месяцев, обеспечивая основу для непрерывной работы по повышению энергоэффективности.

• Возобновляемая энергия
  Для снижения расходов на энергию в рамках проекта можно воспользоваться системами с возобновляемыми источниками энергии. Оценка рассчитывается исходя из процентной доли энергии, полученной от возобновляемых источников.

• Экологически чистые материалы
  Использование экологически чистых хладагентов и других веществ, не наносящих ущерба окружающей среде, а также местных материалов, уменьшает экологический ущерб от углеродных и парниковых выбросов во время их производства и транспортировки. Другими словами, углеродные выбросы следует свести к минимуму.
  
  ▲ Экологически чистые хладагенты

• Управление строительством
  Для минимизации отходов в процессе строительства следует использовать безопасные строительные материалы, в том числе полученные в результате сноса старых построек, которые можно восстанавливать и использовать повторно. Необходимо поддерживать надлежащее качество воздуха на строительной площадке, пересмотреть способы работы с летучими материалами и управление материальными запасами.

• Ввод в эксплуатацию
  Для зеленых ЦОД требуется проверка их характеристик. Рекомендации ASHRAE определяют ввод в эксплуатацию как «ориентированный на качество процесс достижения, проверки и документирования того, что характеристики объектов, систем и собранных изделий соответствуют определенным целям и критериям». Выполнение процесса ввода в эксплуатацию подразумевает совместную работу владельца здания с проектировочной и строительной организациями. Этапы планирования, проектирования, строительства, тестирования характеристик систем вплоть до завершения строительства и перехода к управлению эксплуатацией должны соответствовать проектным требованиям владельца здания и исходным данным для проектирования. Ввод в эксплуатацию может улучшить энергоэффективность ЦОД.
  

• Управление работой
  После того, как объект и оборудование были приняты владельцем, ИТ-менеджерам следует организовать непрерывный мониторинг энергоэффективности помощью системы управления инфраструктурой ЦОД (DCIM) с поддержкой визуализации, чтобы сравнить реальные эксплуатационные показатели с проектными требованиями. Менеджеры также могут отслеживать особенности работы операторов, чтобы определить возможности уменьшения потерь энергии и продолжения оптимизации/регулировки системы.
  
  ▲ Система DCIM с поддержкой визуализации данных

 

Первый в мире немоноблочный ЦОД, сертифицированный по LEED V4

В марте 2018 г. ЦОД Delta в г. Уцзян первым в мире добился золотой сертификации LEED v4 ID+C. Планирование, проектирование и строительство велись на основе китайских национальных стандартов B+ и стандарта LEED для ЦОД. В дополнение к внедрению энергоэффективных решений была смонтирована система распознавания лиц для удовлетворения требований безопасности при управлении персоналом.

▲ ЦОД Delta в г. Уцзян

 

• Максимальная энергоэффективность – это главное для зеленого ЦОД
  Министерство промышленности и информационных технологий (MIIT) КНР призвало к тому, чтобы начиная с 2015 г. все новые ЦОД облачных вычислений имели коэффициент использования энергии (PUE) менее 1,5. За 2017 г. PUE ЦОД Delta в г. Уцзян составил 1,29, то есть на 41 % лучше требуемого MIIT. Это было достигнуто следующими методами:

  • Разделение холодных и горячих коридоров
    Разделение холодных и горячих коридоров – это, возможно, самый простой и наиболее эффективный способ энергосбережения (см. рис. 6). Он значительно уменьшает смешивание потоков горячего и холодного воздуха. Это устраняет вертикальный температурный градиент спереди стойки, который повышает температуру воздуха, поступающего в ИТ-оборудование, что уменьшает эффективность охлаждения и выводит оборудование из строя вследствие перегрева. В то же время, постепенное повышение температуры холодного коридора, осуществляемое путем эмпирического тестирования, позволяет снизить энергопотребления системы кондиционирования. Однако если температура превысит 25 °С, то это может привести к увеличению энергопотребления ИТ-оборудования и повысить вероятность его выхода из строя вследствие перегрева. Таким образом, поддержание температуры холодного коридора на уровне 25 °С может помочь оптимизировать энергопотребление кондиционеров.
    
    ▲ Разделение холодных и горячих коридоров
    

  • Размещение внутрирядных кондиционеров рядом с точками температурных максимумов
    Поток воздуха от модульного оборудования сетей передачи данных в основном направлен горизонтально, то есть так же, как и поток воздуха из внутрирядного кондиционера. Это сокращает расстояние до источников тепла и значительно уменьшает пути циркуляции воздуха, как показано на рис. 7. Уменьшение падения статического давления вентиляторов и утечек тепла из коридоров позволяет более эффективно устранять точки температурных максимумов.

  • Использование модульных системных компонентов
    Система организована по принципу ведущий-ведомый, где ведущий модуль получает значения температуры и влажности от множества ведомых модулей. Полученные средние значения затем используются для синхронного регулирования температуры и влажности.
    
    
    
    ▲ Потоки воздуха в системе с внутрирядными кондиционерами
    

  • Высокопроизводительные инверторные кондиционеры
    В процессе эксплуатации ЦОД часто требуется постепенно увеличивать парк ИТ-оборудования. Поэтому кондиционеры должны быть рассчитаны на подобную ситуацию и иметь запас мощности. Поэтому применение кондиционеров с регулируемой скоростью частоты вращения двигателей вентиляторов и компрессоров значительно увеличивает гибкость. Когда несколько внутрирядных кондиционеров одновременно работают при низких и средних нагрузках, высокоэффективные вентиляторы с двигателями типа ЕС могут вращаться медленнее. Частота вращения двигателя компрессора также может быть уменьшена для снижения расхода хладагента. Регулируя скорость вентиляторов по фактической нагрузке, можно сократить потребление (например, снижение скорости воздушного потока на 10 % приводит к снижению энергопотребления на 27 %) и добиться высокой эффективности при низких нагрузках.
    
    
    
    ▲ Высокопроизводительный инверторный кондиционер
    

  • Применение естественных ресурсов (новая энергосберегающая система ветровой вентиляции)
    Анализ климатических данных для г. Уцзян (см. Рис. 9) показал, что в течение половины года в Цод можно использовать новую систему ветровой вентиляции. Преимуществом использования этого природного ресурса является значительное сокращение энергопотребления. Новые ветровые вентиляторы применяются совместно с вентиляторами системы вентиляции и ПЛК для естественного охлаждения помещений (см. рис. 10 ). Применение новой системы ветровой вентиляции основано на температуре наружного воздуха, относительной влажности, тепловыделения и требований к микроклимату. Она запускается, когда температура наружного воздуха опускается ниже заданного значения. На это время внутрирядные кондиционеры можно отключить для минимизации энергопотребления.
    
    
    
    ▲ Распределение температуры воздуха в Китае в течение года
    
    
    ▲ Новая энергосберегающая система ветровой вентиляции
    

  • Высокоэффективные модульные ИБП
    В обычных ЦОД нагрузка составляет 30-40 % от мощности ИБП. КПД традиционных ИБП составляет примерно 87 %. КПД высокоэффективных модульных ИБП (DPH) достигает 95 %, что на 8 % больше, чем у традиционных. Для нагрузки в 100 кВт это означает экономию 70 000 кВтч в год. Модульные ИБП можно наращивать в соответствии с расширением парка ИТ-оборудования, чтобы они могли работать с максимальной эффективностью.
    
    
    ▲ Сравнение КПД высокоэффективного модульного ИБП (DPH) с традиционным
    

 

• Дальнейшая оптимизация зеленого ЦОД и системы DCIM с поддержкой визуализации
  Функция визуализации системы управления инфраструктурой ЦОД (DCIM) поддерживает управление по категориям, времени, организации и индикаторам. Отчет об использовании энергии может быть представлен в виде тренда, столбчатой или круговой диаграммы для быстрого предоставления информации о работе и обслуживании ИТ-оборудования, управлении активами и службами, включая управление кондиционированием воздуха и питанием, контроль микроклимата, а также данные систем охранной сигнализации и видеонаблюдения, контроль доступа и сведения об использовании полезных площадей. Интеллектуальный ЦОД с DCIM может автоматически регулировать свой микроклимат для поддержания нормальной работы ИТ-оборудования.
  
  
  
  ▲ Система DCIM поддерживает визуализацию данных

• Производство экологически чистой электроэнергии от солнечных батарей
  На крыше здания, в котором реализован проект, установлены солнечные панели пиковой мощностью 403,2 кВт (см. рис. 9). Каждый год они генерируют для завода и ЦОД 430 000 кВтч, что составляет примерно 4,05 % годового энергопотребления ЦОД. ЦОД и штаб-квартира Delta в Америке получают питание полностью от возобновляемых источников энергии.
  
  
  
  ▲ Солнечная энергоустановка

• Зеленая эксплуатация и техническое обслуживание – автоматическое обнаружение и диагностика отказа и проверка активов
  Если неисправность в центре обработки данных была вызвана сбоем питания или человеческим фактором, то ее довольно просто обнаружить и устранить. Но что если она произошла вследствие постепенного накопления ошибок в ходе рутинных операций? ЦОД обычно оборудован множеством датчиков, приводов и другого оборудования, поэтому объем собираемых данных очень велик. Если датчик выдает информацию каждую секунду, то за год это составит 30 млн. показаний. А для 100 датчиков количество показаний составит 3,1 млрд. Функция автоматического обнаружения и диагностики отказа (AFDD) системы управления инфраструктурой ЦОД (DCIM) преобразует эти данные в информацию, которая анализируется для предоставления отчетов менеджеру. Диагностика отказов ЦОД похожа на осмотр пациента врачом. Для обнаружения отказа или напоминания менеджеру о необходимости проведения технического обслуживания используются аналитические правила, основанные на различных показателях и накопленном опыте. Затем можно принять меры к повышению надежности ЦОД. Другой функцией является проверка активов. Цели проверки определяются системой, а сама проверка осуществляется по QR-коду, нанесенному на оборудование. При сканировании QR-кода мобильным телефоном соответствующие результаты проверки записываются системой для дальнейшего анализа. Эти данные также могут быть использованы на вышестоящем уровне управления для аудита. Подобная система сокращает количество печатной документации и ускоряет анализ.
  
  
  
  ▲ Пример экрана автоматического обнаружения и диагностики отказа
  
  
  ▲ Проверка активов с помощью мобильного телефона

 

Заключение

Уровень жизни постепенно улучшается, а технологии развиваются невиданными темпами. Энергосбережение для сохранения окружающей среды – это идея, которая должна объединить всех. Появление технологий IoT, AI, AR/VR, облачных вычислений, мобильной связи и больших данных позволило сделать создание зеленых центров обработки данных приоритетным направлением развития отрасли. Создание энергоэффективных ЦОД – это достаточно творческая задача, требующая отказа от традиционного мышления. Например, в ЦОД Foxconn в Гуйян, Китай, активно использует ресурсы матери-природы.

Для менеджеров ЦОД хорошая система DCIM должна представлять собой интегрированную платформу, которая упрощает управление благодаря автоматизации, визуализацию и раннему предупреждению об отказах с помощью функции AFDD.

Благодаря тому, что управление и анализ становятся более удобными, менеджеры могут находить и устранять причины низкой эффективности ИТ-оборудования и уменьшать углеродные выбросы, чтобы достигнуть конечной цели – оптимизации производительности и эффективного управления жизненным циклом ЦОД.