Rambler's Top100
Статьи ИКС № 11 2012
Евгений Петрович ВИШНЕВСКИЙ  13 ноября 2012

Как уменьшить счет за электроэнергию?

Какие метрики энергоэффективности наиболее точно отражают истинное потребление электроэнергии дата-центром и какое микроклиматическое оборудование помогает его уменьшить?

Евгений ВИШНЕВСКИЙ, технический директор United Elements Group, канд. техн. наукГосударственная политика в области электроэнергетики базируется на принципах, включающих поддержку и стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Одно из разрабатываемых направлений такого стимулирования – предоставление льготных тарифов крупным потребителям энергоресурсов, к каким, без сомнения, относятся и ЦОДы, если они принимают эффективные меры по энергосбережению. Получение льгот обусловливается добровольной подачей энергетических деклараций, содержащих прогноз величины и эффективности потребления энергетических ресурсов в течение календарного года. Представляемые энергетические декларации должны будут подтверждаться результатами автоматизированного учета расходуемой энергии, а также аудиторскими проверками. Таким образом, составление энергетических деклараций становится важным моментом деятельности современных ЦОДов.

С к о л ь к о   с т о и т   э л е к т р о э н е р г и я   с е г о д н я ?

Ответ на этот вопрос меняется от региона к региону (см. таблицу). Так, средний по России тариф в настоящее время равен 264,85 коп./кВт•ч, в то время как в Чукотском автономном округе 1 кВт•ч стоит в два с лишним раза дороже – 626,00 коп. При этом в субъектах РФ с развитой инфраструктурой (Московская, Нижегородская, Волгоградская области) средний тариф составляет 274,00 коп./кВт•ч, что сопоставимо со среднероссийским показателем.  

Кроме того, вместо фиксированных льготных тарифов в перспективе считается целесообразным введение системы тарифных планов, учитывающих режимы работы и особенности функционирования объекта. Например, во Франции действуют более 30 тарифов на электроэнергию, выбираемых в зависимости от энергоэффективности применяемого электрооборудования.

Метрики энергоэффективности

Энергетическая декларация предполагает детальный прогноз месячного, недельного, суточного и почасового расхода электроэнергии на год вперед, что позволяет объективно устанавливать лимиты расхода электроэнергии, оплачиваемой по льготному тарифу. Содержательность и достоверность энергетической декларации определяются набором и информационной насыщенностью используемых метрик энергоэффективности.

Традиционно общая энергоэффективность ЦОДа характеризуется параметрами PUE и DCE:


DCE = Энергопотребление ИТ-оборудования / Общее энергопотребление 

PUE = Общее энергопотребление /  Энергопотребление ИТ-оборудования
 
PUE = 1 / DCE

В большинстве действующих ЦОДов PUE > 3.

Главные потребители электроэнергии в ЦОДе – системы микроклиматической поддержки, включающие в себя системы холодоснабжения, кондиционеры точного контроля (Computer Room Air Conditioners, CRAC) и увлажнители воздуха. По оценкам Gartner, в сумме они потребляют порядка 45% электроэнергии дата-центра, причем львиная доля (33%) приходится на системы холодоснабжения (рис. 1). А вот освещение, которое часто рассматривается в качестве основного объекта программ энергосбережения, занимает в энергетическом балансе ЦОДа всего лишь около 1%. Таким образом, содержательность энергетической декларации сильно зависит от степени детализации энергетических характеристик систем микроклиматической поддержки ЦОДа и в особенности системы холодоснабжения.

Общепринятой метрикой энергетической эффективности систем охлаждения является холодильный коэффициент COP (Coefficient of Performance), представляющий собой безразмерное отношение холодопроизводительности к потребляемой мощности. В системе Си это отношение в единицах мощности имеет вид  W0 / W, где W0 – холодопроизводительность, а W – потребляемая мощность. В имперской системе единиц аналогичное отношение, выражаемое как BTU/hr   / W, обозначается EER (Energy Efficiency Ratio). Здесь BTU/hr – британская тепловая единица (British Thermal Unit) в час. Поскольку 1 BTU/hr соответствует 0,293071 Вт, имеем

EER = 3,412142×COP.

При этом EER > COP > 1, поскольку в основе производства холода лежит перенос тепла или фазовые переходы рабочего вещества из одного агрегатного состояния в другое, и результирующее количество переносимого (трансформируемого) тепла превышает расходы на его транспортировку или преобразование из одной формы в другую.

Однако указанные метрики недостаточно точно отражают истинные характеристики систем холодоснабжения, поскольку как COP, так и EER определяются в расчете на проектную (максимальную) нагрузку. В то же время большую часть времени система холодоснабжения работает на частичную нагрузку, при которой значения COP и EER значительно ниже. Поэтому наряду с точечными оценками, какими являются COP и EER при 100%-ной нагрузке, чрезвычайно важны соответствующие интегральные оценки. Ведущая европейская ассоциация, объединяющая национальные ассоциации производителей климатического оборудования и холодильной техники (Heating, Ven-tilation, Air Conditioning & Refrigeration, HVAC&R) разработала интегральную метрику – европейский сезонный холодильный коэффициент (European Seasonal Energy Efficiency Ratio, ESEER), характеризующий энергоэффективность систем охлаждения с учетом годового распределения нагрузки.

ESEER = 0,03×EER100% + 0,33×EER75% + 0,41×EER50% + 0,23×EER25%,

где EER100%, EER75%, EER50% и EER25% – значения энергетической эффективности соответственно при 100%, 75%, 50% и 25% нагрузки. Весовые коэффициенты определяют прежде всего годовой ход температуры окружающей среды, поэтому приведенная формула справедлива как в имперских единицах измерения, так и в системе Си.

Обращает на себя внимание тот факт, что с 100%-ной нагрузкой система холодоснабжения работает всего 3% времени в году, в связи с чем значения ESEER и EER сильно разнятся.

В США Институт кондиционирования воздуха, отопления и холодильной техники (Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute, AHRI) разработал аналогичную метрику (стандарт AHRI 550/5902003) – интегрированную величину эффективности при частичных нагрузках (Integrated Part Load Value, IPLV):

IPVL = 0,01×EER100% + 0,42×EER75% + 0,45×EER50% + 0,12×EER25%.

Метрики ESEER и IPLV различаются только весовыми коэффициентами. Например, в США доля времени работы систем охлаждения при 100%-ной нагрузке уменьшена до 1%. Необходимо отметить, что обе метрики ориентированы на территории, для которых они были разработаны (на страны Европы и США соответственно). Весовые коэффициенты, входящие в расчетные формулы, не отражают особенностей годового хода температур для разных климатических зон. Территория России простирается от субтропиков до Арктики, вследствие чего в отечественной практике применять для всех регионов одни и те же весовые коэффициенты, как это делается в метриках ESEER и IPLV, было бы не вполне корректно.

Характеристику годового энергопотребления целесообразно составлять на основе климатических данных для отдельного региона или местоположения конкретного объекта. Источником таких данных могут служить различные интернет-ресурсы, например «Архив погоды», размещенный на сервере «Погода России». Другим содержательным источником требуемой информации являются базы данных, поддерживаемые департаментом энергетики США в системе Energy Plus. Наиболее емкая база данных принадлежит частной независимой компании Meteonorm со штаб-квартирой в Берне (Швейцария). Исходная климатическая информация представлена в специальных массивах из 365 дневных рядов почасовых значений натурных метеорологических наблюдений. База Meteonorm ведется с 1961 г. и содержит данные, получаемые с 7400 метеостанций по всему миру, из которых более 500 станций находятся в России. Консолидация информации (см. Вишневский Е.П., Салин М.Ю., Чепурин Г.В. Расчет теплофизических характеристик атмосферного воздуха. «Сантехника, отопление, кондиционирование» № 11' 2009, с. 86. ) осуществляется по так называемому типичному метеорологическому году (typical meteorological year, TMY), состоящему из двенадцати типичных метеорологических месяцев (typical meteorological months, TMM), выбранных по последним годам метеорологических наблюдений. Отбор ТММ основан на статистическом анализе с использованием критерия Finkelstein-Sсhafer, в результате чего в состав TMY включаются месяцы из нескольких разных годов, наиболее близкие к средневзвешенному значению по многолетним наблюдениям.

Инновационные системы микроклиматической поддержки ЦОДа

Как уже отмечалось, на микроклиматическую поддержку приходится существенная часть общего энергетического баланса ЦОДа, поэтому за последние годы разработан целый ряд энергосберегающих инновационных систем. Уже используются на практике геотермальное охлаждение, тепловые насосы и другие современные системы холодоснабжения. Интерес представляют также системы испарительного и механического охлаждения, обоснованность выбора которых существенным образом зависит от теплофизических параметров атмосферного воздуха.

Системы испарительного охлаждения

Принципиальные вопросы технической реализации систем прямого адиабатического охлаждения (DEC, Direct Evaporative Cooling) и косвенного адиабатического охлаждения (IEC, Indirect Evaporative Cooling) в сочетании со свободным охлаждением FC (Free Cooling) подробно рассматривались автором в статье "Адиабатическое охлаждение воздуха в современном ЦОДе ". Частным случаем косвенного испарительного охлаждения является система с разделенными потоками SEC (Separated Evaporative Cooling), известная как KyotoCooling или, в отечественном исполнении, как FFC (Full Free Cooling). Особенностью данной системы является наличие раздельных контуров, в одном из которых прокачивается атмосферный воздух, предварительно адиабатически увлажняемый, а в другом осуществляется рециркуляция воздуха внутри помещения ЦОДа (рис. 2). Контуры разделены между собой теплообменником типа «воздух-воздух». В системах KyotoCooling и FFC используются роторные теплообменники. В принципе также возможно использование пластинчатых теплообменников, что при несколько пониженных показателях теплообмена обеспечивает улучшенные эксплуатационные качества.

Системы механического охлаждения

При создании систем механического охлаждения ЦОДа использование одновинтовых чиллеров с асимметричным управлением золотниками обеспечивает количественное регулирование производительности в широком диапазоне рабочих нагрузок без существенной потери энергетической эффективности. Асимметричное управление золотниками представляет собой сочетание дискретного и пропорционального регулирования, обеспечивая разбиение диапазона рабочих нагрузок на дискретно подключаемые поддиапазоны, которые выступают в качестве самостоятельных элементов общей системы количественного регулирования. Данное обстоятельство позволяет в ходе эксплуатации системы задействовать резервное оборудование для уменьшения нагрузки на основное путем реализации принципа «горячего» резервирования, сократив при этом энергопотребление системы и количество используемых агрегатов.

Количественные оценки энергосбережения

Системы испарительного охлаждения

Как было показано ранее, прямое DEC и косвенное IEC адиабатическое охлаждение вкупе со свободным охлаждением FC покрывают большую часть области теплофизических параметров атмосферного воздуха, имеющих место в природе. Исключение составляет ее небольшая часть, в которой температура атмосферного воздуха ниже температуры, поддерживаемой в помещениях ЦОДа, а влагосодержание атмосферного воздуха превышает влагосодержание воздуха ЦОДа (см. "Резервирование и оптимизация систем холодоснабжения ЦОДа" ).

Область теплофизических параметров атмосферного воздуха, покрываемая системой испарительного охлаждения с разделенными потоками SEC, состоит из двух частей – SEC_1 и SEC_2 (рис. 3). Область SEC_1 характеризует режим работы системы с включенным адиабатическим увлажнителем. Ее границы определяются снизу изолинией энтальпии, соответствующей поддерживаемому в помещениях ЦОДа значению, и изотермой, отражающей температуру воздуха в помещении ЦОДа, а справа – кривой насыщения паров воды. Область SEC_2 характеризует режим работы системы с выключенным увлажнителем. Ее границы определяются сверху изотермой, соответствующей температуре воздуха, поддерживаемой в помещении ЦОДа, а справа изолинией влагосодержания воздуха ЦОДа и кривой насыщения паров воды. Две области при этом остаются непокрытыми. Первая, большая, отвечает теплофизическим параметрам, когда температура атмосферного воздуха превышает, а его энтальпия не превосходит значений, поддерживаемых в помещении ЦОДа. Вторая, меньшая, область совпадает с ранее указанной зоной, не покрываемой системой DEC – IEC – FC.

Существование областей параметров атмосферного воздуха, не покрываемых системами испарительного охлаждения, делает необходимым использование в дополнение к ним механического охлаждения MC (Mechanical Cooling), осуществляемого парокомпрессионными чиллерами. Причем в случае использования системы SEC на систему механического охлаждения MC ложится нагрузка значительно большая, чем при использовании системы DEC – IEC – FC.

Системы механического охлаждения

Поскольку полная замена механического охлаждения испарительным не представляется возможной, то характеристики энергосбережения, обеспечиваемого парокомпрессионными чиллерами, остаются актуальными. Величина и надежность декларируемых оценок энергетической эффективности существенно зависят от используемых метрик, а также от климатических условий места размещения ЦОДа. Применение в метриках энергоэффективности весовых коэффициентов, вычисленных исходя из консолидированных метеоданных в формате TMY, позволяет получить более точную оценку, характеризующую годовое распределение нагрузки объекта.

Предположим, что требуется оценить энергетическую эффективность системы холодоснабжения ЦОДа на основе одновинтовых чиллеров мощностью 1640 кВт с асимметричным управлением золотниками. Расчеты показали, что оценки энергоэффективности, сделанные с учетом консолидированных метеоданных, на величину до десятков процентов отличаются от оценок по метрикам ESEER и IPLV (см. таблицу, оценки по метеоданным приведены для четырех городов России).

  

Учет местных климатических условий с использованием консолидированных метеоданных в формате TMY обеспечивает достоверную, надежную оценку энергетической эффективности, в частности для систем механического охлаждения MC, значительно отличающуюся от традиционно используемых метрик.  

Поделиться:
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!