Datacenters

Energie-efficiëntie in datacenters en computerruimtes

Ir. Eric Taen is als strategisch consultant werkzaam bij een bedrijf dat energiezuinige datacenters en computerruimtes ontwerpt, bouwt en beheert.

Profiel

1. Is energie-efficiëntie wel belangrijk in een datacenter of een computerruimte?

Ja, energie-efficiëntie wordt een steeds belangrijker uitgangspunt voor het ontwerp en het beheer van datacenters. Zowel in het kader van MVO als vanuit economisch oogpunt. Door diverse oorzaken blijft het gebruik van ICT jaarlijks nog steeds toenemen. Dit heeft ook invloed op de hoeveelheid en de vermogensdichtheid van de IT-apparatuur. Datacenters raken steeds voller met serverracks, welke op hun beurt geheel gevuld worden met steeds meer stroom (energie) vragende IT-componenten. De apparatuur moet ook nog gekoeld worden waarvoor energie nodig is. De energie-efficiëntie van deze ruimtes kan vaak enorm verbeterd worden. Hierbij dient men zowel te kijken naar het energiegebruik van de IT-apparatuur zelf, als naar de voorzieningen er om heen, met name koeling.
 

2. Wat is PUE en EUE?

PUE staat voor ‘Power Usage Effectiveness’ en geeft een verhouding weer van de totale energie die het datacenter (of computerruimte) ingaat, ten opzichte van het deel van de energie dat daadwerkelijk gebruikt wordt door de IT-apparatuur zelf. Voor de PUE geldt: hoe lager hoe beter, met een theoretisch minimum van één. Bijvoorbeeld, bij een PUE van 1,8 (het gemiddelde in Nederland) worden 100 eenheden energie gebruikt voor de IT, terwijl er nog 80 eenheden nodig zijn voor de koeling en stroomconditionering. Ondanks dat de definitie van de PUE nog onderwerp is van discussie is het vooral door haar eenvoud een steeds meer gebruikte energieprestatiemaat voor datacenters. Merk op dat de PUE vooral inzicht geeft in de efficiëntie binnen het datacenter. Zaken als duurzame energieopwekking en hergebruik van restwarmte zijn goed voor MVO maar hebben dikwijls geen invloed op de PUE waarde (hiervoor is een andere prestatiemaat in ontwikkeling).

Voorbeeld van de energieverdeling binnen een datacenter bij slechte en verbeterde PUE.

De EUE (Energy Usage Effectiveness) is tegenwoordig eigenlijk dezelfde prestatiemaat als de PUE, maar is voortgekomen uit het feit dat voorheen de PUE nog gebruikt werd als het actuele vermogen (dus niet gemiddeld over het jaar heen). Een andere prestatiemaat, de Data Center Infrastructure Efficiency (DCiE), is niets anders dan de omgekeerde (reciproke) PUE ratio en wordt uitgedrukt in percentages (100% is beste en theoretisch maximum).

3. Zijn er normen of regelgeving voor de energie-efficiëntie beschikbaar?

Enkele gemeenten zijn begonnen met het stellen van eisen voor de energie-efficiëntie van datacenters. Zo stelt gemeente Amsterdam de eis dat nieuwe datacenters minimaal dienen te voldoen aan een PUE van 1,3. Via de milieuwetgeving kan dit afgedwongen worden, en de verwachting is dat meerdere gemeenten dit voorbeeld zullen volgen. Andere, meer nauwkeurige, prestatiematen zijn momenteel nog in ontwikkeling. De nieuwe NEN NPR 5313 praktijkrichtlijn voor computerruimtes en datacenters, waarvan binnenkort het eerste concept verschijnt, heeft energie-efficiëntie als één van haar drie classificatie indelingen opgenomen (naast beschikbaarheid en beveiliging). Ook internationale instanties zoals de Europese ‘Code of Conduct for Datacentres’ en ‘The Green Grid’ zijn actief op het gebied van ‘best practices’ en richtlijnen voor energie-efficiëntie in computerruimtes.
 

 

4. Welke energiestromen zijn aanwezig in een computerruimte?

Enerzijds is er energie nodig voor de IT-apparatuur zelf (ca. 55% bij een PUE van 1,8), anderzijds is er energie nodig voor de voorzieningen die nodig zijn om de IT-apparatuur goed te laten draaien (ca. 45%). Belangrijkste hiervan is de energie voor de koeling (ventilatoren, compressors, pompen, be-/ontvochtiging), maar ook verliezen in de stroomvoorzieningen zoals UPS (Uninterruptible Power Supply), transformatoren en bekabeling, en verlichting en beveiliging.

5. Wat is de eerste stap om computerruimtes energiezuiniger te maken?

De eerste stap is een effectiever gebruik van de aanwezige IT-apparatuur. Verwijdering van ‘comateuze servers’ (niemand weet hierbij nog waarvoor ze worden gebruikt) en consolidatie heeft al veel resultaat. Een (nog) grotere verbetering is een betere benutting van de beschikbare reken- en opslagcapaciteit, bijvoorbeeld door het toepassen van virtualisatie en storage management. Merk op dat verbetering van deze zaken tevens een versterkend effect heeft op de overige voorzieningen, aangezien er meteen minder gekoeld hoeft te worden en er ook minder elektrische verliezen zijn.

6. Welke andere stappen kunnen daarna genomen worden?

Een tweede stap is het efficiënter gebruiken van de ondersteunende facilitaire voorzieningen. De benodigde energie voor de koeling speelt een grote rol en hierin zijn vaak grote stappen te maken. Verhogen van de toegestane temperatuur in de ruimte is er één van. ASHRAE, een Amerikaans instituut, geeft al een maximum aan van 27 graden Celsius bij de voorkant van de apparatuur: een heel verschil met de vaak veel koudere ingestelde temperaturen, vaak gebaseerd op de historie van grote mainframes met zaalkoeling.

Temperatuursverhoging is pas goed toepasbaar indien de luchtstromen in de ruimte goed gescheiden worden. Bijvoorbeeld door een opstelling van de racks in afgesloten warme en koude paden door middel van een Cooling Alley®. In de koude paden staan de kasten met computerapparatuur met de voorkanten naar elkaar, de gang is aan de overige kanten afgedicht met panelen en deuren. Lege serverposities zijn afgesloten met blindpanelen, evenals doorvoergaten in de vloer voor de bekabeling: hierdoor worden inefficiënte bypass luchtstromen voorkomen.

7. Hoe kan ik de efficiëntie van mijn koeling en overige voorzieningen nog meer verbeteren?

Andere efficiëntie maatregelen zijn het toepassen van vrije koeling en het controleren van de lucht- en waterstromen met toerengeregelde ventilatoren en pompen. Ook het overdimensioneren van koelbatterijen en optimaliseren van temperatuur setpoints aan de hand van de te leveren capaciteit, levert winst op. Op basis van de te leveren capaciteit (stroom, koeling, oppervlakte) is het aan te bevelen om uit te gaan van een modulaire opbouw van de installaties en de ruimte, zodat apparatuur telkens gebruikt kan worden in hun optimale werkgebied. Moderne koelapparatuur en UPS units zijn tegenwoordig ook veel efficiënter in hun gebruik.

Bij toepassing van vrije koeling (direct of indirect) in combinatie met temperatuursverhoging van de aangeboden
lucht aan de voorkant van de IT-apparatuur is gedurende een groot deel van het jaar geen mechanische koeling nodig.

8. Wat is vrije koeling?

Bij vrije koeling wordt de ruimte bijna vanzelf gekoeld: er wordt gebruik gemaakt van de lage temperatuur van de buitenlucht om de computerruimte te koelen. Het opgewarmde koelwater vanuit de koelunits in de ruimte wordt direct naar de buiten opgestelde koeltafels geleid en koelt zo af (zolang de buitentemperatuur dit toestaat). Hierdoor is er gedurende een groot deel van het jaar geen energievragende compressietechniek (‘mechanische koeling’) nodig, dit levert een enorme energiebesparing op.

Een andere vorm van vrije koeling die de laatste tijd steeds meer in de belangstelling komt, is ‘ventilatiekoeling’. Hierbij wordt koude buitenlucht (na filtering) direct de ruimte ingeblazen. Indien de buitenlucht te koud is, wordt eerst bijgemengd met (warme) circulatielucht uit de ruimte zelf. Bij een indirecte vorm van ventilatiekoeling wordt de koude buitenlucht gekoeld met behulp van een tegenstroomwisselaar de recirculerende binnenlucht.

Voorbeeld van een extreem energie efficiënte computerruimte met vrije en adiabatische koeling.

9. Hoe staat het met toepassing van duurzame energie in het datacenter?

Hoewel dit volledig CO2-neutraal is, kan het locaal opwekken van duurzame energie zoals zonne- en windenergie meestal slechts in beperkte mate bijdragen aan de totale energiebehoefte van een datacenter. De huidige IT-vermogens zijn meestal een slag groter dan locaal op te wekken is. Er kunnen echter wel contracten afgesloten worden voor het inkopen van duurzame energie die elders is opgewekt. Het controleren van de IT-energiebehoefte en het effeiciënt maken van de ondersteunende installaties, dienen focuspunten te blijven. Het toepassen van duurzame energiebronnen draagt overigens niet altijd bij aan een betere PUE.

10. Kan ik de restwarmte van het datacenter hergebruiken?

Soms kan de restwarmte hergebruikt worden, dit is afhankelijk van de behoeftes op locatie. Het is in ieder geval een onderwerp dat de komende jaren nog verder ontwikkeld zal worden. Een datacenter is immers niet anders dan een ‘warmte fabriek’, waarom zou men daar dan geen gebruik van maken? De uitdaging zit hem in de relatief lage temperatuur van de restwarmte. In eerste instantie kan deze daarom locaal voor lage temperatuursverwarming hergebruikt worden (denk aan zwembaden, kassen, lage temperatuur verwarming in de utiliteit). Alternatief is om het water met warmtepompen op te werken naar een hogere temperatuur voor verder gebruik of transport. Het is ook mogelijk om gebruik te maken van warmte-koude-opslag (WKO) in reservoirs of in de bodem. Anders dan in de utiliteitsbouw, produceert een datacenter het hele jaar door warmte en heeft dus het hele jaar hiervoor koeling nodig. Voor het produceren van gekoeld water is echter in de winter aanmerkelijk minder energie nodig dan in de zomer, een WKO kan dan nog steeds worden ingezet als koude buffer.

Zoek in kennisbank

Aanmelden nieuwsbrief

Themasponsors Green data ports