Vi befinner oss i en tom datorhall. För ovanlighetens skull är det inte datorerna som är intressanta, utan det som är runt omkring. Driftbolaget Sungard har nyligen färdigställt en mycket energieffektiv datorhall för co-location i Sätra utanför Stockholm. Eller mera bestämt var det Sungard som skrev specifikationerna och svenska Coromatic som byggde själva hallen och ställde in all kylutrustning. Sedan tog Sungard över och sköter nu halldriften. Kunderna som ska ha sina maskiner inne i hallen får därefter själva sköta datordriften, eftersom Sungard inte är något regelrätt outsourcingbolag.
För att bli riktigt gröna har man fått ta till ett antal konstgrepp och skaffa mer utrustning än vad som i förstone kan tyckas försvarbart, men som vid närmare betraktan är mer än försvarbart.
Börja med att förstå grunden: Datorer har en verkningsgrad på noll. All elenergi man stoppar in kommer ut som värme och måste kylas bort. Kylningen drar dessutom energi som också måste kylas bort. En datorhall utan särskilda konstgrepp är absolut värdelös ur energisynpunkt. All energi man tar från elnätet kommer ut som värme i andra änden utan att ha gjort någon nytta alls (bortsett från det ägarna tjänat i hyra av kunderna).
Dividera effekter
PUE-talet (Power Usage Effectiveness) är ett överenskommet mått på datorhallens hela verkningsgrad. PUE är helt enkelt kvoten mellan inmatad effekt dividerad med den effekt IT-utrustningen förbrukar under en viss mättid (normalt ett år) med en minsta granularitet på mätningarna (så man inte mäter för sällan och får ett felaktigt medelvärde).
Sungards nya hall har ett PUE-tal på 1,3 vilket är mycket bra i sammanhanget. Maximal förbrukad effekt i hallen är 750 kilowatt, vilket betyder att vid full last matar man in sisådär 750 kilowatt till servrarna, men förbrukar totalt 975 kilowatt inklusive strömmen till apparaturen som för bort värmen, och inklusive all annan kringutrustning som exempelvis belysning.
Bra och dåliga hallar
Grön = Energisnål. Ett PUE-tal på 2 är tydligen inte ovanligt, fastän hiskeligt. Då åtgår bara hälften av den inmatade energin till servrarna medan resten förbrukas i stödfunktioner som kylning och fläktar. Med ett PUE på 1,3 har man lyckats få servrarna att dra 77% av energin och bara till exempel 12% åtgår till kylningen. Konstgreppen för att uppnå detta blir allt mer förfinade. Kylenheterna kör till exempel bara kompressorerna när det är absolut nödvändigt. För att minska belysningens inverkan, släcker den sig själv när ingen finns i lokalen, och även om lokalen är befolkad då och då måste man ”beställa” mera belysningstid för att systemet ska kunna minimera belysningen.
PUE Plus Pro
Energieffektivitet är bara en sida av saken. PUE-talet bestraffar inte den som bara kastar bort sin överskottsenergi. Undertecknad tycker det är fel att en så enkel formel som PUE ska såga de som lyckas ekonomiskt och ekologiskt, jäms med knäna, och ber härmed att få introducera PUE Plus Pro (PPP, enligt Städje et al. 2009). För närvarande anger Greengrid explicit att återanvändning av överskottsvärme inte ingår i PUE, men man funderar på saken. På samma sätt räknas inte heller om man skapat ineffekten själv, genom till exempel ett eget vindkraftverk.
PUE beräknas enkelt (nja, när du lyckats mäta upp alla ingående faktorer) som inmatad effekt (P[in]) dividerat med effekten som IT-utrustningen förbrukar (P[IT]), sålunda:
PUE = P[in] / P[IT]
PUE kan alltså aldrig bli mindre än ett och bör aldrig bli större än 2. Sungards hall i Sätra håller 1,3, men PUE-värden på 1,2 har observerats av Environmental Protection Agency i USA.
PPP kan däremot bli mindre än 1, nämligen om energin man kyler bort betalas av någon annan, eller om inenergin (inpris, $[in]) är billigare än utenergin (utpris, $[ut]). Samtidigt måste man ha med datorernas förbrukning, $[IT]. Skulle man lyckas sälja all utgående energi till samma pris som man själv köper den (vilket dock är utopiskt) blir PPP = 0, dvs pengarna flyter bara tvärs igenom anläggningen. Skulle man dessutom producera inenergin själv, kan PPP bli negativt och anläggningen går med vinst. PPP beräknas sålunda:
PPP = PUE x (($[in] – $[ut]) / $[IT])
PUE ska drivas nedåt så långt mot ett man kan komma. Prisfaktorerna i PPP förstärker liksom PUE och vrider godhetstalet negativt om anläggningen går med vinst.
N+1
De sju samurajerna, eller iallafall de sex UPS-erna körs enligt n+1-principen. Man kör bara precis så många UPS-er som behövs för att belasta dem till högsta verkningsgrad. De drivs omväxlande för att förslitas lika mycket. Längst bort finns två värmeväxlare med ”näsor" (mera om näsorna nedan).
Hur kommer man ned i lågt PUE? Hemligheten är att köra alla enheter med högsta verkningsgrad, vilket inträffar vid hög belastning. Om hallen inte är högt belastad, sjunker verkningsgraden på UPS:er och kylare och vid riktigt låga belastningar åtgår den mesta energin till tomgångseffekt i kringutrustningen.
Sungard har löst detta genom att till exempel ha sex UPS:er och bara köra så många som behövs för tillfället, plus en igång i reserv. Detta kallar man för ”n+1”. Man har också tre kylare, men kör bara de som behövs. För att inte en utrustning ska slitas hårdare än andra körs ändå alla apparater i ett roterande schema, givetvis omärkligt för de inkopplade servrarna.
Det är inte den billigaste metoden, men definitivt den effektivaste i längden.
Systemet i detalj
Så här flyter energin genom Sungards anläggning. 11-kilovoltsmatningen transformeras ned till 400 volt och körs genom UPS-erna, som kopplas in allt efter växande belastning. Datorerna står där och förbrukar all energin och ger absolut inget annat än värme i retur. Dessutom strålar belysningen in värme i lokalerna.
Värmeväxlarna i klimataggregaten överför värmen till kylmediet med en viss verkningsgrad, samtidigt som de producerar lite, men dock värme själv. Mediet för ut energin till kylarna som blåser bort den till den omgivande luften, om så är möjligt. Annars kopplas en kompressor in för att höja temperaturen, för att ändå slutligen blåsa bort den och kompressorns driveffekt, till den omgivande luften.
Coromatic har inte räknat med verkningsgraden i högspänningstransformatorn för att få PUE 1,3, men den är normalt mycket hög, gärna över 99%. Siffrorna gäller vid maximal belastning.
De tre kylmaskinerna Emerson Liebert Hiross HPC SBS045 på 487 kW kyleffekt vardera körs omväxlande för att slitas jämnt, men en av dem står alltid still i reserv.
Vi tittar in inuti godsakerna. Den gröna, avlånga burken är en kylkompressor, som förhoppningsvis inte ska behöva gå så ofta. De båda blåa maskinerna är cirkulationspumpar. Alla rör är svarta. Det är den termiska isoleringen i form av neoprengummi som ser ut så.
Kopplingen är tämligen enkel. Även en lekman kan se var varmvattnet kommer ut och kallvattnet åker tillbaka.
Returvattnet ska vara 18 grader och det är det, som du ser.
Frikyla
När kompressorkylningen inte behövs, för att utetemperaturen redan är tillräckligt låg, kyler man bara kylmediet med uteluften. På så sätt kör man kylenheterna med så hög belastning man kan, och stänger av de kylenheter, eller delar av kylenheter, som inte behövs och håller därmed hög verkningsgrad. Men förutsättningen för det är att man kan få så hög temperatur på returvattnet som möjligt.
Samtidigt ska man veta att det egentligen inte alls är nödvändigt att kylluften håller 12-15 grader inne i hallen. Servrar fungerar bra med 22 graders intemperatur. Alltihop är bara en fråga om att planera flödena så att de där 22 graderna faktiskt kommer fram dit de behövs.
Stockholm är inte riktigt optimalt för frikyla eftersom luften ofta är för varm här. Frikyla fungerar bara helt och hållet vid temperaturer på 5 grader eller lägre. Det är av den anledningen som Google köpt ett gammalt nedlagt finskt pappersbuk och har som datorhall: frikylan är garanterad.
Emellertid befinner vi oss i Stockholm och kan inte göra mycket åt det. Därför måste kompressorkyla användas under sommartiden. Men Sungard klappar inte på 100% kompressorkyla bara för att temperaturen blir 6 grader, utan växlar steglöst över från den ena till den andra typen för att köra kompressorn (och därmed slösa verkningsgrad) så lite som möjligt. Det är i den flytande övergången mellan de båda kyltyperna som det finns ett segment att göra vinst på.
Gradvis inkoppling ger vinst. Frikyla, alltså direkt fläktkylning av mediet med utomhusluften kan användas obehindrat upp till 5 graders omgivningstemperatur, varefter man blir tvungen att koppla in kompressorkyla. Sungard kopplar dock in kompressorer gradvis upp till 17 graders omgivningstemperatur, och det är just den gradvisa inkopplingen som ger en liten vinst vid mellantemperaturer.
En annan metod hade givetvis varit att bygga hallen i Umeå istället, eftersom det inte direkt råder någon brist på fiberkabel dit numera.
Kalla korridoren
Datorerna måste ställas upp optimalt för att kylningen ska bli som effektivast. De flesta datorer idag drar in kalluft framifrån och blåser ut den baktill. Därför bygger man upp kalla korridorer av rackskåp i hallen där luften kommer upp nedifrån och datorerna sitter med sina frontändor in mot korridoren från båda sidor. Varmluften åker ut baktill och där får man en varm korridor som man tar returluften ifrån. Skulle varmluften åka ut lite här och var skulle varm och kall luft blandas, med sämre verkningsgrad som följd.
Den metod med öppna korridorer som Sungard använder just nu fungerar bra med standardservrar à la pizzakartong, men skulle kunderna börja med rackskåp med bladservrar som förbrukar 10-20 kW per skåp kommer man att behöva täcka över den kalla korridoren och täta mellan rackarna med täckplåtar.
Den kalla korridoren i en av hallarna avslutas med en grå vägg av klimataggregat av typen Emerson Liebert Hiross HPM M77UC som kan kyla bort 67,5 kW stycket. Totalt har man 14 stycken. Fläktarna inuti är varvtalsstyrda (EC) och går inte mer än vad som precis behövs.
Aspirerande branddetektor enda möjligheten
Stratos rökdetektor och näsor. Det går fortare att suga i sig brandrök och sniffa på den än att vänta på att röken ska hinna fram till en rökdetektor monterad i taket, om den någonsin gör det. I vissa mätfall har man funnit att det alltid förblir en rökfri zon 30 centimeter under taket, och då skulle en takmonterad rökdetektor i princip aldrig larma.
Därför använder Sungard ett system med ”sniffande” rökdetektorer som drar in luften i hallen genom de röda rören och undersöker den. Rören är perforerade för att man ska komma åt luften överallt, men särskilda anläggningsdelar, som klimataggregaten, har särskilda ”näsor”.
Grönare än grönt
Sopsorteringen är också en del av gröneriet, om än inte så glamorös som kompressorerna och fläktarna. Den bidrar inte heller till PUE-talet, men naturen bli definitivt gladare om kunderna efter installationen sorterar pappkartongerna för sig och metalldelarna i de här tunnorna.
Reservgeneratorerna är 4 stycken på 550 kilowatt som köptes färdiginstallerade och bara ställdes på betongsocklar utanför huset. Längst till höger skymtar den 40-fotscontainer som innehåller dieseln. Den räcker för 24 timmars drift.
De blanka burkarna ovanpå är katalysatorer som ska ta de flesta föroreningarna ur röken. Det finns inga krav på att dylika anläggningar ska ha rökgasrening och det bidrar kanske inte till några matematiska värden, men gör definitivt hela installationen grönare.
Framtiden
Analysföretaget Gartner har presenterat beräkningar som visar att den globala IT-användningen idag står för ett lika stort koldioxidutsläpp som flygindustrin. Nästan en fjärdedel av dessa utsläpp, som är kopplade till kraftförsörjning, stod världens datorhallar för.
Konsultföretaget McKinsey rapporterade förra året siffror som pekar på att den globala användningen av IT år 2020 kommer att stå för 3 procent av utsläppen av växthusgaser, om inte IT-branschen blir bättre på att spara energi. Och visst är det slösaktigt att bara blåsa ut värmen i luften, så därför är hallen i Sätra förberedd för att värmen ska kunna återvinnas och skänkas till företagen runt omkring.
Fem gröna fördelar
>> Anläggningen drivs med 100% vindkraft från Eon, vilket sparar 713 ton CO2 per år mot billigaste el
>> Ett PUE-tal på 1,3 garanterar att 77% av energin faktiskt kommer servrarna till del
>> Kylning, UPS och generatorer körs enligt n+1-metoden för att hålla verkningsgraden hög
>> Skillnaden mot en hall med PUE 2 sparar 1 MSEK bara i el per år (totalt 5800 MWh/år)
>> Anläggningen är förberedd för värmeåtervinning
Så går du vidare
Sungard: www.sungard.se
Coromatic: www.coromatic.se
Green Grid och PUE: www.thegreengrid.org/en/Global/Content/white-papers/The-Green-Grid-Data-Center-Power-Efficiency-Metrics-PUE-and-DCiE
