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Modelli di efficienza elettrica delle sale CED

Revisione 2

A cura di Neil Rasmussen

Introduzione 2

Che cosa si intende per efficienza della sala CED

2

Alcuni errori comuni riguar-danti l'efficienza delle sale CED

5

Modelli validi per il calcolo dell'efficienza dei componenti

7

Effetti di un carico ridotto sull'efficienza dei componenti

10

Effetto del calore creato dalle apparecchiature di alimenta-zione e raffreddamento

11

Sintesi: un modello migliorato per l'efficienza delle sale CED

12

L'efficienza delle sale CED reali

13

fare clic su una sezione per accedervi

White Paper n. 113

I modelli convenzionali utilizzati per la valutazione

dell'efficienza elettrica delle sale CED risultano

estremamente imprecisi se riferiti alle installazioni

reali. Tipicamente, le stime delle perdite elettriche

vengono valutate sommando le inefficienze di vari

dispositivi elettrici, come ad esempio le apparecchia-

ture di alimentazione e di raffreddamento. Questo

documento mostra che i valori utilizzati comune-

mente per stimare l'inefficienza delle apparecchiature

sono piuttosto imprecisi. Descrive inoltre un modello

di efficienza semplice e più accurato che costituisce

una base razionale per l'identificazione e la quantifi-

cazione degli sprechi esistenti nelle apparecchiature

di alimentazione e di raffreddamento.

Sintesi

white papers are now part of the Schneider Electric white paper library produced by Schneider Electric’s Data Center Science Center [email protected]

Electrical Efficiency Modeling for Data Centers

Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper n. 113

Rev 2

Figure 1 – Electricity is a significant portion of TCO

$80,000 –

$150,000

10-yr TCOper rack

Electricity

What are the opportunities

for reducing this?

~~~~20%

Il costo totale di gestione (TCO, Total Cost Of Ownership) su 10 anni per un'infrastruttura

NCPI (Network-Critical Physical Infrastructure) di una sala CED tipica può essere di 80.000-

150.000 dollari per rack. Di questa somma, il costo per consumi di energia elettrica

costituisce una parte importante, pari a circa il 20% del costo totale1. Questo aspetto è

interessante se si considera che molta energia elettrica viene sprecata sotto forma di calore e

che una parte considerevole di questo spreco è evitabile. Secondo le stime, a livello

mondiale le sale CED consumano ogni anno 40.000.000.000 kW/ora di elettricità e la

riduzione degli sprechi associati a questo consumo costituisce un problema di rilievo

pubblico, come anche del resto una questione finanziaria non secondaria per gli operatori

delle sale CED.2

I modelli troppo semplicistici utilizzati tipicamente per descrivere l'efficienza delle sale CED

portano a sottostimare gli sprechi elettrici che vi si verificano. L'esigenza di migliorare

l'efficienza è pertanto più importante di quanto comunemente si creda. Questo documento

presenta un modello migliorato che permette di ottenere maggiore precisione nel calcolo

delle perdite delle sale CED e suggerisce le aree in cui sono possibi li miglioramenti energeti-

ci.

L'efficienza di un dispositivo o di un sistema è costituita dalla quota del suo ingresso di

alimentazione (elettricità, carburante o qualsiasi altro elemento che ne assicuri il funziona-

mento) che viene convertita per ottenere il risultato utile desiderato. Tutto ciò che non può

essere considerato un risultato utile è pertanto definito come spreco . Tale parte si ottiene dal

rapporto tra uscita utile e l'alimentazione totale in ingresso ed è generalmente espressa in

forma percentuale.

"Utile" viene definita qualsiasi cosa sia considerata un risultato desiderato per il particolare

sistema e può dipendere non solo dalla natura di quest'ultimo ma anche dal contesto in cui

viene utilizzato. A una lampadina che fornisca in uscita il 5% di luce e il 95% di calore, ad

esempio, può essere attribuita un'efficienza del 5% o del 95% a seconda che venga utilizzata

per illuminare o per riscaldare la stanza in cui si trova. L'"uscita utile" è costituita pertanto da

qualsiasi elemento sia appropriato per il sistema preso in considerazione.

Nel caso di infrastrutture fisiche di sale CED, l'ingresso è costituito da ll'elettricità e l'uscita

utile dall'alimentazione delle apparecchiature di elaborazione. In questo documento, la sala

CED è rappresentata come un sistema elettrico in cui l'"alimentazione totale in ingresso" è

1 Per ulteriori informazioni sugli elementi costitutivi del TCO, vedere il White Paper APC n. 6, Calcolo del Total Cost

of Ownership (TCO) dell'infrastruttura per sale CED. 2 http://www.eei.org/magazine/editorial_content/nonav_stories/2004-01-01-NT.htm (accesso 14 giugno 2006).

Introduzione

Electricity is a significant portion of TCO

Che cosa si in-tende per effi-cienza della sala CED



Rev 2

l'alimentazione consumata dalla rete e l'"usc ita utile" è la quantità di alimentazione fornita per

l'elaborazione, che può essere indicata dalla quantità di energia elettrica erogata alle

apparecchiature IT.3

La Figura 2 illustra questo modello generale di efficienza delle sale CED.

Se le sale CED fossero efficienti al 100%, tutta l'alimentazione fornita sarebbe messa a

disposizione dei carichi IT. In realtà, l'energia elettrica viene consumata in molti modi da

dispositivi diversi dai carichi IT, a causa dei requisiti pratici che prevedono per questi ultimi

condizioni di alloggiamento, alimentazione, raffreddamento e protezione che ne assicurino un

funzionamento appropriato. Tutte queste funzioni sono svolte dall'infrastruttura NCPI. Tra i

dispositivi non IT che consumano l'alimentazione della sala CED vi sono trasformatori, UPS

(Uninterruptible Power Supply, Gruppi di continuità), cablaggi elettrici, ventole, condizionatori

d'aria, pompe, umidificatori e illuminazione. Alcuni di questi dispositivi, come gli UPS e i

trasformatori, sono disposti in serie con i carichi IT (perché forniscono loro l'alimentazione),

mentre altri come l'illuminazione e le ventole si trovano in parallelo con i carichi IT perché

svolgono funzioni di supporto della sala CED. La Figura 3 illustra questi componenti interni

che partecipano al consumo dell'alimentazione nell'ambito del modello di efficienza delle sale

CED.

3 Il rapporto esatto tra l'energia elettrica e i risultati di elaborazione non rientra nell'ambito di esame di questo documento, tuttavia ai fini dell'analisi che vi viene svolta l'energia elettrica consumata dalle apparecchiature IT può

essere considerata una misura valida dell'elaborazione fornita. Allo stesso modo, i miglioramenti dell'efficienza

derivanti dalla riduzione dei consumi di alimentazione da parte delle apparecchiature IT in sé sono importanti ma,

anch'essi, esulano dallo scopo di questo documento.

CCoommppuuttiinngg

FFaacciilliittyy

TToottaall iinnppuutt

DDaattaa cceenntteerr

UUsseeffuull oouuttppuutt

Power delivered to the IT load is a measure of useful output for the data center

DDaattaa cceenntteerr

IT load

Total facility input

power Power

to IT

Data center efficiency is defined as the fraction of input power delivered to the IT load

====

Data Center

Power path

to ITPower

to IT

UPS

PDU

Cabling

SwitchesPower to

data centerComputing

Cooling

Lights

Fire

Security

Generator

Switchgear

IT

EquipmentPower to

secondarysupport

Data centerUSEFUL OUTPUT

FacilityTOTAL INPUT DCPI IT

Detail of power consumption in data center efficiency model

Efficienza dei centri dati = Alimentazione del carico IT

Alimentazione totale in ingresso nel centro dati



Rev 2

n un modello di efficienza, lo "spreco" è qualsiasi cosa diversa da quanto è stato definito

come uscita utile del sistema. Chiaramente, l'infrastruttura NCPI della sala CED svolge altre

funzioni utili oltre all'alimentazione del carico IT e tali funzioni sono denominate "supporto

secondario" nella Figura 3. Si potrebbe del resto osservare che anche l'uscita utile di questi

sottosistemi NCPI (raffreddamento o illuminazione, ad esempio) dovrebbe essere considera-

ta parte dell'"uscita utile" della sala CED.

Si tratta in realtà di fare riferimento al contesto in cui si opera. L'argomento di questa analisi

riguarda infatti l'efficienza complessiva della sala CED nella produzione di un'uscita utile che

è stata identificata nell'elaborazione. Le sale CED non vengono infatti costruite per raffred-

dare o per proteggere dagli incendi né per le altre funzioni peraltro importanti che vengono

svolte dall'infrastruttura NCPI. Le uscite dell'infrastruttura NCPI sono estremamente utili per

le attività interne della sala CED, perché facilitano la produzione e la protezione del l'uscita

utile che è l'elaborazione, tuttavia non costituiscono in sé un'"uscita utile" della sala CED

stessa né vi è alcun motivo di ritenere che debbano necessariamente consumare elettricità.

Le attività dell'infrastruttura NCPI che non rientrano nel percorso di alimentazione dovrebbero

essere considerate come un male necessario per supportare l'elaborazione della sala CED e

per questo motivo nell'ambito del modello di efficienza della sala CED vengono considerate

come "sprechi" e devono essere ridotte quanto più possibile. Tutto ciò consente di mettere in

gioco progetti alternativi e nuove tecnologie, tutti mirati a ridurre il consumo energetico

complessivo della sala CED. Vi sono, ad esempio, sale CED che si avvalgono di metodi di

raffreddamento "gratuiti", utilizzando l'aria esterna più fredda attraverso tecniche che si

basano su volani termici e sul raffreddamento piastra-telaio. In tal modo è possibile ridurre la

quantità di energia elettrica consumata per il raffreddamento, aumentando l'efficienza del la

sala CED.

L'"uscita utile" dei componenti stessi dell'infrastruttura NCPI avrà importanza fondamentale

più avanti in questo documento, nell'analisi dell'efficienza dei singoli componenti, un minimo

quadro di riferimento per l'efficienza nell'ambito della sala CED, al fine di ridurre le ineffi-

cienze interne (sprechi) anche nel modello più ampio dell'intera sala CED.

CRAC/CRAH 15%

Humidifier 3%

Chiller 23%

PDU 3%

UPS 6%

Lighting / aux devices 2%Switchgear / generator 1%

IT Equipment 47%

PUE = 2.13PUE = 2.13

Power flow in a typical data center



Rev 2

Virtualmente, tutta l'energia elettrica che alimenta una sala CED finisce per produrre calore.

La Figura 4 riporta uno schema che mostra la direzione dei flussi elettrici e di calore in una

tipica sala CED. Si tratta dell'analisi dell'alimentazione di una tipica sala CED con percorso di

alimentazione doppio altamente disponibile con N+1 unità CRAC operanti a un carico tipico

del 30% della capacità di progettazione. Casualmente, in questo esempio sia il carico sia

l'efficienza della sala CED hanno lo stesso valore del 30%, tuttavia si tratta di cose diverse.

Bassi valori di carico e di efficienza sono correlati, tuttavia questo aspetto sarà discusso più

avanti in questo documento.

Meno di metà dell'energia elettrica che alimenta una sala CED viene effettivamente erogata

ai carichi IT. In questo caso, si dice che la sala CED ha un'efficienza del 30%.

L'efficienza delle sale CED può essere aumentata in tre modi:

1. Miglioramento della progettazione interna dei dispositivi NCPI in modo che svolgano le

loro funzioni consumando meno energia.

2. Corrispondenza più precisa tra il dimensionamento dei componenti NCPI e il carico IT

effettivo (dimensionamento corretto), in modo che operino con maggiore efficienza.

3. Sviluppo di nuove tecnologie che riducano l'esigenza di energia elettrica volta ad

alimentare le funzioni di supporto NCPI, adottando ad esempio le tecniche di "raffred-

damento gratuito" descritte in precedenza.

Come si vedrà in seguito, il punto n. 2 offre le maggiori e le più immediate opportunità di

aumento dell'efficienza delle sale CED.

La Figura 5 illustra come, riducendo il consumo interno di alimentazione, sia possibile

aumentare l'efficienza delle sale CED.

L'efficienza delle sale CED potrebbe essere calcolata empiricamente sommando il consumo

di elettrico di tutte le apparecchiature IT e dividendo per l'alimentazione totale della sala

CED, tuttavia la tecnica più comune si basa sui valori di efficienza dichiarati dai produttori per

i componenti principali che lo compongono, come UPS e CRAC. Questo secondo sistema

può apparire più semplice, ma porta generalmente a sovrastimare in modo considerevole

l'efficienza e lascia in secondo piano informazioni che potrebbero contribuire a identificare

opportunità di risparmio sui costi elettrici.

Increasing data center efficiency

Alcuni errori comuni riguar-danti l'efficienza delle sale CED

==

Data Center

Power path

to IT Power

to IT

UPS

PDU

Cabling

SwitchesPower to

data centerComputing

Cooling

Lights

Fire

Security

Generator

Switchgear

IT

EquipmentPower to

secondarysupport

DCPI IT

Use less power hereUse less power here

Use less power hereUse less power here

Same power to IT loadSame power to IT load

Less input power neededLess input power needed



Rev 2

Efficiency

UPS

CRACCoefficient of performance

KWout

KWin

at full load=

KW heat removed

KWin=

Le aziende produttrici dichiarano i dati di efficienza delle apparecchiature di alimentazione e

di raffreddamento. Nel caso delle apparecchiature di alimentazione, l'eff icienza è espressa

tipicamente come percentuale dell'alimentazione in uscita rispetto a quella in ingresso,

mentre per le apparecchiature di raffreddamento l'efficienza viene espressa come parametro

correlato denominato "coefficiente di prestazioni" e indica il rapporto tra il calore rimosso e

l'alimentazione elettrica in ingresso.

I valori di efficienza dichiarati per dispositivi simili da parte di produttori diversi non presenta-

no differenze significative e ciò contribuisce a consolidare l'opinione sempl icistica secondo la

quale le perdite di efficienza di una sala CED possono essere calcolate sommando tra loro le

inefficienze dei vari componenti. Sfortunatamente, nel caso di sale CED reali questo approc-

cio non porta a risultati precisi. L'uso dei valori nominali di efficienza forniti dalle case

produttrici porta gli utenti e i progettisti a sovrastimare l'efficienza e di conseguenza a

sottostimare le perdite delle sale CED.

La Tabella 1 riporta tre errori comuni che determinano errori significativi nei modelli di

efficienza delle sale CED.

L'efficienza dei componenti di alimentazione e

di raffreddamento

è costante e non dipende dal carico IT

L'efficienza dei componenti, in particolare le unità CRAC e gli UPS, diminuisce in modo significativo con bassi livelli di carico IT

I componenti di alimentazione e di raffreddamento

funzionano a pieno carico rispetto ai valori di

progettazione o a valori simili

Il carico IT tipico è significativamente minore rispetto alla capacità di progettazione dei componenti NCPI che vengono utilizzati

Il calore prodotto dai componenti di alimentazione

e di raffreddamento non è significativo

Il calore prodotto dai componenti di alimentazione e di raffreddamento implica un carico importante per il raffreddamento e deve essere incluso nell'analisi delle inefficienze del sistema di raffreddamento

Manufacturers provide a single efficiency number for each component

1

2

3

Common misconceptions about data center efficiency



Rev 2

Questi importanti errori si integrano tra loro, in particolare in presenza di bassi carichi IT,

tipici della maggior parte delle sale CED. Per questo motivo, le perdite elettriche delle sale

CED sono normalmente sottostimate di un fattore due o anche più.

Fortunatamente, è possibile creare un modello semplice che tenga conto delle suddette

problematiche e fornisca stime di efficienza più attendibili.

Il miglioramento del modello utilizzato per il calcolo dell'efficienza complessiva delle sale

CED dipende da un'integrazione oculata nel modello stesso dei singoli componenti, ad

esempio gli UPS. Il metodo più diffuso si basa sulla caratterizzazione dei componenti di

alimentazione e di raffreddamento utilizzando un unico valore, tuttavia in caso di installazioni

di sale CED reali questa scelta si rivela inadeguata. L'efficienza effettiva di un componente,

ad esempio un UPS, non è costante ma è una funzione del carico IT. La Figura 7 mostra una

tipica curva di efficienza di un UPS.

L'efficienza dei componenti di alimentazione e di raffreddamento è costante e indipendente dal carico IT

Quando il carico scende a livelli molto ridotti, l'efficienza del dispositivo scende a zero, a

causa di alcune perdite, ad esempio riguardanti la logica di controllo, che sono indipendenti

dal carico. Questa perdita costante indipendente dal carico ha diverse denominazioni: perdite

per assenza di carico, perdite fisse, di derivazione, tara o perdi te parallele. In questo

documento si utilizzerà il termine "perdita per assenza di carico".

Modelli validi per il calcolo dell'ef-ficienza dei componenti

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Load % of full power rating

UP

S E

ffic

ien

cy

Typical efficiency of a UPS as a function of load



Rev 2

La Figura 8 presenta un'altra vista degli stessi dati riportati alla Figura 7. Si osservi con, con il

decrescere del carico, il consumo interno di alimentazione dell'UPS (cioè la "perdita"

mostrata dalla parte rossa di ogni barra) aumenta sempre più rispet to all'alimentazione totale,

riducendo così il valore percentuale dell'efficienza. Ciò è dovuto alla parte di perdite dovute

all'assenza di carico, che resta fissa indipendentemente dal carico. percentage value. This is

due to the no-load portion of the loss, which stays the same no matter what the load.

Per l'UPS descritto dai dati di cui alle Figure 7 e 8 si può affermare che l'efficienza è del 91%.

Questo valore, tuttavia, si riferisce all'efficienza a pieno carico, cioè allo scenario più

favorevole. In presenza di carichi ridotti, situazione in cui opera la maggior parte delle sale

CED, non si può più affermare che il dispositivo funziona con un'efficienza del 91%. Con un

carico, ad esempio, del 10%, lo stesso UPS presenta un'efficienza di solo il 60%. È evidente,

pertanto, che un modello di efficienza che si basi su un solo parametro in questo caso non è

adeguato.

Esaminando con attenzione la Figura 8 è possibile osservare che la perdita del dispositivo,

indicata dalla parte di colore rosso delle barre, aumenta con l'aumentare del carico. Ciò è

dovuto a una perdita aggiuntiva, oltre alla perdita per assenza di carico, proporzionale al

carico. Oltre ad essa, può essere presente un'ulteriore perdita, non mostrata dal grafico,

proporzionale al quadrato del carico, che generalmente non è significativa ma che può ridurre

ulteriormente l'efficienza in presenza di carichi elevati.

La Tabella 2 riporta i valori tipici di questi tre tipi di perdite per i vari tipi di apparecchiature

utilizzate nelle sale CED. Le perdite sono riepilogate nell'ultima colonna, che indica la perdita

totale del componente.

Most data centers operate in this range

UPS load% of full power rating

100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%

Power delivered to load

UPS internal power consumption (loss)91%

90%

90%89%

88%86%

84%80%

75%60%

0%

EFFICIENCY

No-load portion of loss stays constant from full load all the way down to zero load

No-load loss is present even at no load

Effect of internal UPS loss on efficien-cy



Rev 2

Dalla Tabella 2 si evince che caratterizzando ogni tipo di dispositivo in base a non più di due

parametri è possibile creare modelli più completi per i vari componenti utilizzati nelle sale

CED. Si noti che le perdite espresse in tabella sono riportate come percentuale del carico

completo nominale dell'apparecchiatura e che in caso di un carico effettivo minore del carico

completo, la percentuale delle perdite varia come segue:

Perdite per assenza di carico: la percentuale di perdita aumenta con il diminuire

del carico.

Perdite proporzionali: la percentuale di perdita è costante, indipendentemente dal

carico.

Perdite per legge del quadrato: la percentuale di perdita diminuisce con il diminuire

del carico.

L'efficienza tipica degli UPS, descritta alle Figure 7 e 8, non può essere rappresentata in

modo preciso da un unico parametro ed è stata quindi espressa in termini di perdite per

assenza di carico (4%) e perdite proporzionali (5%) alla Tabella 2.

+ + =

Perdite elettriche tipiche dei componenti NCPI espresse come frazione del carico totale nominale del componente



Rev 2

La sezione precedente ha illustrato come l'efficienza dei sistemi di alimentazione e di

raffreddamento scenda in modo significativo quando gli apparecchi vengono utilizzati a livelli

inferiori rispetto a quelli di progettazione. Ciò significa che qualsiasi analisi dell'efficienza

delle sale CED deve rappresentare in modo appro-

priato il carico come una frazione della capacità

prevista dal progetto.

I modelli di efficienza più semplici, che si basano su

un unico valore di efficienza per descrivere le

apparecchiature, non tengono conto del carico e in

essi il variare del carico non determina variazioni

dell'efficienza. È tuttavia un dato di fatto che nella

media delle sale CED le apparecchiature di alimentazione e di raffreddamento siano norma l-

mente funzionanti a livelli di molto inferiori rispetto alla capacità nominale. Il risultato è che

tali modelli finiscono per sopravvalutare in modo significativo l'efficienza delle sale CED reali.

Per ogni tipo di componente di alimentazione o di raffreddamento, vi sono almeno quattro

motivi per cui il componente viene utilizzato al di sotto della capac ità nominale:

Il carico IT della sala CED è semplicemente minore rispetto alla capacità progettata per

il sistema.

Il componente è stato intenzionalmente sovradimensionato per disporre di un margine

di sicurezza.

Il componente è utilizzato insieme ad altri simili in una configurazione N+1 o 2N.

Il componente è sovradimensionato per far fronte alla diversità del carico.

Il carico IT è minore della capacità progettata per la sala CED. I dati emersi dalle ricerche

sono chiari: in media, le sale CED operano al 65% al di sotto del valore di progetto. Questa

situazione è descritta in modo dettagliato White Paper n. 37, "Ottimizzare gli investimenti per

la realizzazione di infrastrutture per sale CED e apparati di rete". Le sezioni seguenti del

presente documento dimostreranno come la sottoutilizzazione costituisca un elemento

importante dell'inefficienza delle sale CED.

Il componente è stato sovradimensionato per disporre di un margine di sicurezza. Secondo

una pratica comune chiamata "derating", i componenti delle sale CED vengono sovradimen-

sionati per evitare che operino ai limiti della loro capacità. La scelta del derating non è

indispensabile, tuttavia un sovradimensionamento del 10-20% in fase di progetto è consiglia-

bile, per poter disporre di strutture con elevata disponibilità.

Il componente è utilizzato in una configurazione ridondante N+1 o 2N. Spesso, i dispositivi

vengono inseriti in configurazioni di tipo N+1 o 2N per migliorare l'affidabilità e/o permettere

la manutenzione dei componenti senza dover interrompere il funzionamento del sistema.

L'applicazione di configurazioni di questo tipo alle sale CED implica che il carico IT venga

distribuito su vari componenti NCPI, con conseguente riduzione del loro carico. In un sistema

2N, il carico su ogni singolo componente è meno della metà del valore di progetto. L'efficien-

za delle sale CED viene quindi fortemente ridotta dalla presenza di dispositivi in configura-

zione N+1 o 2N.

Effetti di un ca-rico ridotto sull'efficienza dei componenti

Ottimizzare gli investimenti per la realizzazione di infrastrutture per sale CED e apparati di rete

Related resource

White Paper n. 37

I componenti di alimentazione e di raffreddamento funzionano a pieno carico rispetto ai valori di progetta-zione o a valori simili



Rev 2

Il componente viene sovradimensionato per gestire la "diversità del carico". Si tratta di un

effetto poco evidente, che viene illustrato dall'esempio seguente. Si consideri una sala CED

con un carico di 1 MW supportato da un UPS da 1,1 MW. Tra l'UPS e i carichi IT vi sono 10

PDU (Power Distribution Unit, Unità di distribuzione dell'alimentazione) e ognuna alimenta

una parte dei carichi IT. Ci si potrebbe chiedere, a questo punto, quali sono i valori nominali

di ogni PDU e quali sono i rispettivi valori di funzionamento in presenza di un carico medio. A

prima vista, potrebbe sembrare che se ognuno di essi ha un valore nominale di 100 kW, il

progetto del sistema è corretto. Se ogni PDU funziona a pieno carico, inoltre, la sala CED è

in grado di supportare l'intero carico. Nella realtà, tuttavia, è praticamente impossibile

garantire il bilanciamento dei carichi tra le PDU. Il carico di ogni particolare PDU, infatti, è

determinato dalla natura dell'apparecchiatura IT che si trova nella parte della sala CED in cui

opera la PDU stessa. I carichi sulle varie PDU delle sale CED reali, in effetti, variano spesso

di un fattore 2. Se una PDU alimenta una sezione della sala CED che viene fisicamente

utilizzata per tutta la sua capacità ma non utilizza la piena capacità di alimentazione delle

PDU in questione, la parte restante di tale capacità è inutilizzabile anche se tutti gli altri 9

PDU risultano a pieno carico. In questa configurazione, l'unico modo per garantire la piena

capacità delle sale CED consiste nel sovradimensionare in modo considerevole la capacità

totale delle PDU. Tipicamente, tale sovradimensionamento risulta dell'ordine del 30-100%.

Come è stato mostrato negli esempi precedenti, tuttavia , il sovradimensionamento riduce

l'efficienza del sistema. La Figura 9 illustra la necessità di sovradimensionamento delle PDU

per supportare la diversità dei carichi.

Si tenga presente che lo stesso problema che porta al sovradimensionamento delle PDU

determina lo stesso effetto anche sui sistemi di gestione dell'aria.

Un altro errore importante commesso durante la modellazione dell'efficienza delle sale CED

consiste nell'assunto che il calore prodotto dalle apparecchiature di alimentazione e

raffreddamento (inefficienza) costituisca una parte

non significativa del carico IT e possa pertanto

essere ignorata. In effetti,

il calore generato dalle apparecchiature di

alimentazione e raffreddamento nelle sale CED non

Total IT load

1 MW

UPS

PDU

PDU

PDU

PDU

PDU

PDU

PDU

PDU

PDU

PDU

IT

IT

IT

IT

IT

1.1 MW

IT loads vary up to 2x

Any individual PDUmay need to handlemore than one-tenthof load (100 kW)

IT

IT

IT

IT

IT

Effect of load diversity on PDU sizing

Effetto del ca-lore creato dalle apparecchiature di alimentazione e raffreddamen-to

Il calore prodotto dai componenti di alimentazione e di raffreddamento non è significativo



Rev 2

è diverso dal calore generato dalle apparecchiature IT in sé e deve essere rimosso dal

sistema di raffreddamento. Ciò determina un carico aggiuntivo sul sistema di raffreddamento,

che deve pertanto essere sovradimensionato, creando ulteriori perdite di efficienza al suo

interno. Per gestire in modo appropriato queste perdite, il carico di raffreddamento deve

includere sia le apparecchiature IT sia le perdite degli eventuali dispositivi di alimentazione e

raffreddamento che si trovano nello spazio condizionato.

In base a quando descritto in precedenza, è possibile creare un modello migliorato per

l'efficienza delle sale CED. Tale modello deve presentare le seguenti caratteristiche:

I componenti vengono inseriti nel modello tenendo conto delle perdite per assenza di

carico, più le perdite proporzionali al carico più le perdite proporzionale al quadrato del

carico.

Si tiene conto del derating dovuto alla diversità dei componenti.

Si tiene conto della sottoutilizzazione che si verifica nelle configurazioni N+1 o 2N.

Il carico di raffreddamento include sia il carico IT sia il carico di calore determinato dai

componenti di alimentazione e raffreddamento presenti nei locali.

Per ogni singola installazione di sala CED, il modello fornisce la rappresentazione

grafica dell'efficienza come funzione del carico, tenendo presente che le sale CED t i-

piche operano ben al di sotto della capacità di progetto.

L'implementazione del modello è immediata e applica il seguente flusso generale:

Determinazione del grado medio di sovradimensionamento per ogni tipo di componente

di alimentazione e di raffreddamento, derating stabilito, fattori di diversità e di ridondan-

za.

Determinazione delle perdite operative per ogni tipo di componente che utilizza il carico

in ingresso, frazione del carico nominale per il tipo di componente basato su sovrad i-

mensionamento, perdita per assenza di carico e perdita proporzionale.

Determinazione delle perdite proporzionali aggiuntive dovute alla necessità che il siste-

ma di raffreddamento agisca anche sulle apparecchiature di alimentazione e di raffred-

damento stesse presenti nei locali della sala CED.

Somma di tutte le perdite.

Calcolo e inserimento in tabelle dei dati riguardanti le perdite come funzione del carico

IT della sala CED.

Un modello informatico basato su questi principi è stato implementato per calcolare il

consumo di energia nella metodologie di analisi del TCO delle sale CED elaborata da APC e

descritta nel White Paper n. 6, "Calcolo del Total Cost of Ownership (TCO) dell'infrastruttura

per sale CED".

Alcuni sottosistemi NCPI, ad esempio i condizionatori d'aria, possono presentare più modalità

di funzionamento, ognuna con efficienze diverse. Alcuni condizionatori d'aria, ad esempio,

dispongono di una modalità di risparmio per i periodi in cui la temperatura esterna è bassa, in

cui l'efficienza del sistema risulta notevolmente maggiore.

In questi casi, i dispositivi non possono essere inseriti nel modello utilizzando un'unica curva

dell'efficienza che si basi esclusivamente sui tre parametri descritti in questo documento, cioè

perdite per assenza di carico, perdite proporzionali e perdite per legge del quadrato. In

Sintesi: un mod-ello migliorato per l'efficienza delle sale CED

Calcolo del Total Cost of Ownership (TCO) dell'infra-struttura per sale CED

Related resource

White Paper n. 6



Rev 2

presenza di dispositivi che offrano più modalità è infatti necessario elaborare un modello di

efficienza basato su una tecnica diversa. Fortunatamente, questa tecnica è consolidata e

ampiamente utilizzata nella progettazione.

I dispositivi che alternano varie modalità operative possono essere inseriti in modelli che

prendano in considerazione un periodo di tempo prolungato utilizzando la semplice tecnica

dello "media nello spazio di stato”. A questo scopo, è necessario determinare i periodi di

tempo trascorsi nelle varie modalità e calcolare una media ponderata dell'uscita del sistema.

Questa tecnica si applica con facilità ai calcoli sull'efficienza e sulle perdite.

Per utilizzare il modello di efficienza descritto in questo documento con i dispositivi NCPI che

includono più modalità operative, è necessario determinare prima per ognuna di esse le

perdite fisse, proporzionali e per legge del quadrato. Si calcola successivamente la parte

riguardante la perdita complessiva su un periodo di tempo prolungato moltiplicando ogni

perdita in ogni modalità per la frazione di tempo che si stima venga trascorsa nella modalità

in questione. Una descrizione completa di un sistema con due modalità, ad esempio, richiede

tre curve dell'efficienza:

Curva dell'efficienza in modalità 1

Curva dell'efficienza in modalità 2

Curva dell'efficienza complessiva in base alla quantità di tempo trascorsa in ogni mod-

alità.

Applicando un modello più preciso per il calcolo dei consumi di energia delle sale CED, è

possibile formulare stime migliori riguardanti l'efficienza delle sale CED. Utilizzando valori

tipici per le perdite delle apparecchiature, il derating, la diversità dei carichi, il sovradimensi o-

namento e la ridondanza, è possibile quindi elaborare la curva dell'efficienza riportata alla

Figura 10.

Come si può vedere, questa curva dell'efficienza rispetto al carico è notevolmente diversa

dalle stime che utilizzano calcoli convenzionali basati sui valori pubblicati dalle aziende

produttrici a proposito dell'efficienza dei componenti. Una stima convenzionale dell'efficienza

L'efficienza delle sale CED reali

Efficiency of a typical data center using the improved model

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Fraction of the power capacity used

PU

E



Rev 2

delle sale CED descritta dalla Figura 10 fornisce un valore del 60-70% indipendentemente

dal carico. Il modello migliorato indica al contrario una diminuzione consistente dell'efficienza

delle sale CED, in particolare in livelli di carico contenuti, situazione in cui operano molte sale

CED reali.

Il modello mostra che per le sale CED con carichi molto ridotti gli effetti dell'inefficienza

possono essere molto gravi. Considerato una sala CED con carico di solo il 10% della

capacità nominale, ad esempio, per ogni dieci W forniti alla sala CED solo circa 1 W rag-

giunge effettivamente le apparecchiature IT. I restanti 9 W vengono persi in inefficienze

dell'infrastruttura NCPI.

Queste perdite costituiscono naturalmente anche dei costi finanziari. La Figura 11 mostra il

costo annuale dell'elettricità di una sala CED da 1 MW in funzione del carico IT. L'analisi si

basa su un percorso di alimentazione doppio altamente disponibile con unità CRAC in

configurazione N+1. Il costo dell'energia elettrica è ipotizzato a 0,10 dollari per kW/ora.

La Figura 11 mostra che il costo totale per l'elettricità di una sala CED da 1 MW è

compreso tra 600.000 e 1.700.000 dollari l'anno, a seconda del carico IT. Anche in

assenza di carico IT, il costo supera i 500.000 dollari l'anno, a causa delle inefficienze

dei sistemi di alimentazione e raffreddamento. A un livello di utilizzazione del 30%,

tipico delle sale CED reali, oltre il 70% dei costi di elettricità è provocata dalle ineff i-

cienze delle apparecchiature di alimentazione e raffreddamento.

Il modello mostra con chiarezza che i componenti principali dei costi elettrici sostenuti dalle

sale CED sono le perdite per assenza di carico dei componenti dell'infrastruttura, che

superano il consumo del carico IT in situazioni tipiche. Le analisi convenzionali, tuttavia,

ignorano completamente questo tipo di perdita e se si esaminano le specifiche di prodotto si

nota che i dati a questo proposito non sono inclusi abitualmente nella documentazione fornita

dai produttori delle apparecchiature di alimentazione e raffreddamento.

Un'analisi dei dati consente di identificare e stabilire rapidamente le priorità delle varie

opportunità, in modo da ridurre le perdite e migliorare l'efficienza operativa delle sale CED:

Come aumen-tare concreta-mente l'efficien-za delle sale CED

$0

$200,000

$400,000

$600,000

$800,000

$1,000,000

$1,200,000

$1,400,000

$1,600,000

$1,800,000

$2,000,000

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Fraction of Power Capacity Used

An

nu

al

Ele

ctr

ical

Co

st

Total Electrical Cost

DCPI Load Electricity

IT Load Electricity

Costo elettrico annuale per una sala CED tipica da 1 MW in funzione della quota di capacità di progetto utilizzata



Rev 2

L'opportunità maggiore è senza dubbio la riduzione del sovradimensionamento delle

sale CED adottando un'architettura adattabile e modulare che consenta all'infrastruttura

di alimentazione e di raffreddamento di crescere con il carico. Possibile riduzione delle

perdite: 50%.

Miglioramento dell'efficienza dei sistemi di raffreddamento. Possibile riduzione delle

perdite: 30%

Riduzione delle perdite per assenza di carico dei componenti di alimentazione e ra f-

freddamento delle sale CED. Possibile riduzione delle perdite: 10%

La Figura 12 illustra gli aumenti relativi dell'efficienza derivanti dal miglioramento

dell'efficienza dei componenti e dalla riduzione del sovradimensionamento. Per ulteriori

informazioni sulle azioni possibili in termini di efficienza e sulle possibilità di migliorare

l'efficienza, vedere il White Paper n. 114, “L'implementazione di sale CED ad elevata

efficienza energetica”.

Total powerconsumed bydata center

ITLoads

DCPIEquipment

Data Center Efficiency

70%

“ Rightsize”DCPI

ITLoads

NCPIEquipment

Savings

“ ”

ITLoads

DCPIEquipment

Do NothingIncrease Efficiency of

DCPI Equipment by 10%

ITLoads

NCPIEquipment

Savings

ITLoads

NCPIEquipment

ITLoads

DCPIEquipment

30% 35% 70%

Entitlements to improved data center efficiency

L'implementazione di sale CED ad elevata efficienza energetica

Related resource

White Paper n. 114



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I modelli convenzionali di efficienza delle sale CED sovrastimano l'efficienza perché non

prendono adeguatamente in considerazione il sovradimensionamento delle apparecchiature

né il problema dell'efficienza in presenza di carichi ridotti, situazione in cui opera la maggior

parte delle sale CED. Il modello migliorato fornisce valori numerici più precisi dell'efficienza e

permette di comprendere le cause delle perdite e i modi migliori per ridurle.

Le sale CED tipici hanno un consumo di energia più che doppio rispetto alle richieste del

carico IT. I costi associati a questi consumi energetici rappresentano una parte considerevole

del costo di gestione del sistema. Tutti i consumi di energia non dovuti all'alimentazione delle

apparecchiature IT sono indesiderabili e potrebbero essere in gran parte evitati.

Il sovradimensionamento delle sale CED costituisce il fattore più importante che porta alle

loro inefficienze. Per questo motivo, le soluzioni scalabili in grado di crescere con l'aumento

del carico IT costituiscono una delle soluzioni più idonee per la riduzione degli sprechi e dei

costi elettrici. I possibili risparmi sui costi energetici di una sala CED tipica da 1 MW si

aggirano sui 2.000.000-4.000.000 dollari per una durata di dieci anni.

A causa della grande quantità di energia e dei costi provocati dalle inefficienze delle sale

CED, la riduzione di queste perdite dovrebbe acquisire un'importanza fondamentale per tutti i

responsabili dei CED e diventare una questione di rilevanza pubblica generale.

Conclusione

Neil Rasmussen è uno dei fondatori e il Chief Technical Officer di American Power Conver-

sion. Presso APC, Neil Rasmussen gestisce il maggiore budget mondiale per R&S destinato

all'infrastruttura di alimentazione, raffreddamento e rack per reti di base. APC ha centri di

sviluppo prodotti in Massachusetts, Missouri, Danimarca, Rhode Island, Taiwan e Irlanda.

Attualmente Neil Rasmussen si occupa del coordinamento delle attività di APC per lo sviluppo

di soluzioni per infrastrutture scalari e modulari per le sale CED ed è l'architetto principale del

sistema InfraStruXure APC.

Prima di fondare APC, nel 1981, Neil Rasmussen ha conseguito laurea e master in Ingegneria

elettrica presso il MIT, presentando una tesi sull'analisi di un'alimentazione a 200 MW per un

reattore a fusione Tokamak. Dal 1979 al 1981 ha lavorato presso i MIT Lincoln Laboratories

studiando i sistemi di accumulo energetico nei volani e i sistemi a energia solare.

Informazioni sull'autore



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Calcolo del Total Cost of Ownership (TCO) dell'infra-struttura per sale CED

L'implementazione di sale CED ad elevata efficienza energetica

risorse

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