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Cómo mejorar la eficiencia en los Centros de Procesamiento de Datos (CPDs)

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Cómo evitar penalizaciones por máxima demanda

 

La importancia de conocer el PUE. Gestión de la efectividad en el uso de la energía

En cualquier sistema productivo podemos calcular la eficiencia energética comparando la energía realmente útil respecto a toda la que necesita el sistema. Con esta información y sabiendo dónde se producen las ineficiencias se pueden conseguir ahorros sustanciales, y una operativa más respetuosa con el medio ambiente.

Como ejemplo práctico, un centro de proceso de datos medio con una potencia instalada de 100 kW, puede conseguir un ahorro de entre 8.000€ y 16.000€ al año en la factura eléctrica gracias a la mejora en la eficiencia energética. Para ello, tan importante es conocer dónde se producen los consumos, como valorar las medidas correctoras.

En los Centros de Procesamiento de datos el factor energético es tan crítico que tiene un indicador específico: el PUE o Eficiencia en el Uso de la Energía (Power Ussage Effectivenes por sus siglas en inglés), definido mediante la normativa emitida por The Green Grid, entidad de ámbito mundial constituida por más de 175 empresas de renombre internacional.

La Comisión Europea también dispone de un código de conducta para reducir el impacto de los crecientes consumos energéticos de los centros de datos.

Periódicamente publica las mejores prácticas para los centros de procesado de datos, en éste caso de 2013

  FA-CPD-code-conduct

Este tipo de Centros tienen un perfil peculiar, debido a los horarios ininterrumpidos de trabajo. La gran importancia de la continuidad en el servicio energético a servidores, ordenadores y comunicaciones hace disponer de tres grupos de equipamientos principales para su uso exclusivo:

  • Equipos destinados a la aportación y control de energía (tanto eléctrica como de otras fuentes tales como gasóleo, gas, etc.) precisa para el funcionamiento de dichas unidades de continuidad. En este grupo se encuentran tanto las acometidas y cuadros de distribución, sistemas de alumbrado y refrigeración, acondicionamiento de aire de las salas correspondientes, etc.
  • Una o varias unidades para alimentación a los equipos informáticos (TI), constituidas por las llamadas SAI (Servicio de Alimentación Ininterrumpida) o UPS ( siglas correspondientes a Uninterruptible Power Siystem)
  • Los cuadros y sistemas de distribución de esta energía hasta los equipos informáticos propiamente dichos

A grandes rasgos, podemos decir que del 100% de la energía total consumida en el CPD, un 60% correspondería a consumos eléctricos de infraestructura y un 40% restante a refrigeración.

Vemos, sin lugar a dudas, la necesidad de disponer de unos coeficientes (PUE) que posibiliten la confección de estudios comparativos encaminados al logro de actuaciones encaminadas a la optimización de los consumos energéticos en estos centros.

Pautas de cálculo

Como ya vimos para el cálculo de los parámetros correspondientes a la efectividad del CPD, normalmente se utiliza la normativa emitida por The Green Grid. Distinguiremos dos indicadores clave para su conocimiento:

1. PUE : Eficacia en el uso de la energía, calculado mediante la fórmula:

2. DCE : Eficiencia del Centro de Datos, calculada, en %, mediante la fórmula:

Además, la Agencia de Protección Medioambiental de EEUU (EPA), ofrece los siguientes valores del PUE como referencia:

  • Histórico 2.0
  • Tendencia actual 1.9
  • Operaciones optimizadas 1.7
  • Mejores prácticas 1.3
  • Estado del arte 1.2

Compañías como Google han conseguido que el PUE promedio de sus CPDs sea de
1.22, llegando en algunos de ellos a valores de 1.15.

Dentro de la referencia histórica (PUE 2.0), el consumo típico de los distintos elementos del CPD es el siguiente:

Consumo típico CPD

Por tanto, una de las clave del éxito en un proyecto de mejora energética está en medir los consumos en cada tipo de equipamiento, para así reconocer las áreas de mejora más asequibles.

Existen tres niveles generales de medición, detallados en la tabla adjunta, cuyos puntos de medida se corresponden con los indicados en el esquema también adjunto, considerando en ellos la energía en kWh. Para todos los niveles, se tomará como referencia comparativa un ciclo de 12 meses.

Existe también un Nivel 0 en el cual se consideran exclusivamente las medidas de potencia (kW), tomando los valores de las demandas general de la instalación y de la salida de UPS.

Niveles generales de medición

Escala cálculo Eficiencia PUE

CIRCUTOR con décadas de experiencia en soluciones de eficiencia energética, ofrece una amplia gama de productos que le facilitaran la toma continua de datos para el control del PUE y del DCE, rendimiento de equipos UPS, gestión energética y mantenimiento del CPD, desde contadores de energía, analizadores de redes, protecciones diferenciales ultrainmunizadas, sistemas de filtrado de armónicos, software de gestión PowerStudio Scada y sistemas de compensación de energía reactiva.

Solución CIRCUTOR mediante sistema SCADA

Para el estudio, son precisas dos fases de implantación y una tercera de estudio:

  1. Medición: con la incorporación de equipos analizadores de redes, tipo CVM, con sus correspondientes transformadores de intensidad, provistos de comunicaciones serie RS485, para conocimiento de las energías circulantes.
  2. Análisis: implantando la aplicación PowerStudio Scada, calculando y visualizando los valores resultantes, y confección de los informes correspondientes.
  3. Mejoras: analizando los datos recogidos, se puede decidir qué equipos están consumiendo.

La aplicación estaría formada por:

Una primera pantalla (Fig.1) del tipo esquema unifilar, con los datos correspondientes a las energías concurrentes de todo tipo (traducidas, de acuerdo al tipo de energía a kWh).    Esquema unifilar
Una segunda pantalla (Fig.2) resumen con los cálculos de rendimientos, (Fig.3) dando acceso a la confección y visualización de los informes con resultados para distintos períodos (diario, semanal, mensual y anual).    Cálculos de rendimientos

A título de ejemplo demostrativo, acompañamos detalle de las pantallas obtenidas a partir de la instalación de analizadores CVM y programación de una Aplicación específica Scada.

En la primera de ellas puede apreciarse el esquema de instalación y conexionado de equipos, en una segunda la exposición de datos resultantes on-line para un mismo CPD, y en la tercera un informe semanal correspondiente a un Nivel 1 con frecuencia de medición contínua.

   Informe PUE semanal

Solución CIRCUTOR mediante pantalla de visualización local

Para el estudio, son precisas dos fases de implantación:

  1. Incorporación de equipos analizadores de redes, tipo CVM, con sus correspondientes transformadores de intensidad, provistos de comunicaciones serie RS485, para conocimiento de las energías circulantes.
  2.  Incorporación de un autómata energético, tipo EDS, con funciones de almacenamiento y tratamiento de datos, con su correspondiente programación incorporada, añadiéndose además una pantalla de visualización local.

A título de ejemplo, acompañamos detalle de la topología de comunicaciones a partir de la instalación de analizadores CVM, del autómata energético EDS, y pantalla para visualización local.

Solución mediante pantalla local

¿Cómo mejorar la eficiencia de un centro de procesamiento de datos?

Para mejorar la eficiencia de un centro de procesamiento de datos, tras las mediciones y el análisis, llega la ejecución de acciones de mejora. Hay acciones que no implican inversión, como un cambio de Potencia contratada para tener una menor y así ahorrar en coste directo, y otras acciones que sí requerirán una inversión como el cambio de equipos por otros más eficientes.

Para ordenar estas acciones de mejora se puede utilizar una priorización, según la eficiencia que podemos conseguir con cada una de dichas acciones. Este priorización se calcula comparando la mejora conseguida respecto a la inversión necesaria para conseguir dicha mejora.

Priorización acciones de mejora   

Pa: Prioridad de la acción
CEa: Consumo Energético con la situación actual
CEm: consumo energético con la medida a adoptar.
Inversión: valor de la inversión para conseguir el ahorro

Con ésta valoración para cada posible acción de mejora, se puede confeccionar una lista de acciones y ordenarlas de mayor a menor prioridad.

Como posibles medidas a adoptar a corto plazo tenemos las siguientes:

  • Analizar los patrones de uso de los entornos desplegados.
    • Calcular los tamaños mínimos de las grupos de servidores que permitan mantener los niveles de servicio.
    • Apagado de la capacidad no utilizada, siempre y cuando se mantenga una disponibilidad correcta.
  • Virtualización y consolidación
  • Sustituir hardware
    • Virtualizar los entornos de pruebas.
    • Sustituir hardware obsoleto.
  • Cambios en la gestión de la sala
    • Correcto control y ajuste de la temperatura de la sala.
  • Cambios en la infraestructura de refrigeración.
    • Nueva maquinaria de refrigera ción más eficiente.
    • Pasillos calientes-fríos.
    • Eliminación de “huecos” en los racks.
    • Futuro: utilización de aire externo.
  • Optimización de la iluminación

Para una lista más exhaustiva de mejoras en Centros de Datos se puede consultar las "Mejores Prácticas 2013 recogidas por la Unidad de Energías Renovables de la Comisión Europea"

Conclusiones

Los CPDs (Centro de Procesamiento de Datos) son importantes consumidores de energía eléctrica, pudiendo dividir el consumo de ésta en la energía útil para equipos informáticos, y en la energía adicional necesaria para el buen funcionamiento de éstos. Este consumo energético es tan crítico que tiene un indicador específico: el PUE o Eficiencia en el Uso de la Energía (Power Ussage Effectivenes por sus siglas en inglés).

En CPDs con PUEs no optimizado, esta energía adicional puede llegar a suponer el 50% de la energía total, lo que nos presenta un panorama muy adecuado de mejora. Según los requerimientos de disponibilidad mínima requerida y las posibilidades de inversión de mejora se pueden alcanzar ahorros del 20% de la energía total consumida (que pueden suponer de 8.000 a 16.000€ al año en un CPD medio de 100 kW).

Como hemos visto en el artículo, es posible estudiar y medir las posibles mejoras en un centro de procesamiento de datos. Las fases fundamentales son la instalación de equipos de medida energética, el análisis de los datos recogidos, y la toma de decisiones en función de dicho análisis.

CIRCUTOR con décadas de experiencia en soluciones de eficiencia energética, ofrece una amplia gama de productos que le facilitaran la toma continua de datos para el control, mantenimiento y gestión de la eficiencia energética del CPD.

 

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