Phần 1 - Giám sát hiệu suất năng lượng - Giới thiệu
Phần 2 - Giám sát hiệu suất năng lượng - P2 - Hệ thống Giám sát
******************
Triển khai và vận dụng kết quả Giám sát trong tối ưu sử dụng Năng lượng
Ví dụ dưới đây mô tả cách triển khai, hoạt động và các tính toán tối ưu sử dụng năng lượng ứng dụng công nghệ cảm biến không dây tại một trung tâm dữ liệu - Data Center - điển hình. Do đặc điểm nổi bật về vận hành hệ thống làm mát và sử dụng năng lượng điện của trung tâm dữ liệu, các cảm biến Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất đã được lắp đặt.
Phân tích chung đặc điểm mẫu Vận hành
Năng lượng mà các máy chủ và trung tâm dữ liệu của quốc gia sử dụng là rất lớn và ngày càng tăng. Người ta ước tính rằng lĩnh vực này tiêu thụ khoảng 61 tỷ kilowatt giờ (kWh) trong năm 2006 (1,5% tổng lượng điện tiêu thụ của Hoa Kỳ) với tổng chi phí điện khoảng 4,5 tỷ USD (Greenberg 2006).
Các trung tâm dữ liệu có thể sử dụng năng lượng nhiều gấp 40 lần so với các tòa nhà văn phòng thông thường, nghĩa là các trung tâm dữ liệu lớn tiêu thụ năng lượng gần như bằng với các cơ sở công nghiệp hơn là các tòa nhà thương mại.
Thiết bị trung tâm dữ liệu thường có mật độ năng lượng cao với toàn bộ năng lượng điện được chuyển thành nhiệt. Một cuộc khảo sát gần đây về việc sử dụng năng lượng ở hơn 20 trung tâm dữ liệu cho thấy riêng thiết bị CNTT của trung tâm dữ liệu có thể sử dụng khoảng 10 đến gần 100 Watts trên mỗi foot vuông diện tích sàn nâng (Greenberg 2006, LBNL) nhưng chỉ khoảng một nửa công suất ghi nhận trong trung tâm dữ liệu được sử dụng bởi thiết bị CNTT. Phần còn lại được sử dụng cho việc chuyển đổi nguồn điện, nguồn điện dự phòng và làm mát. Mức sử dụng năng lượng cao nhất cho các trung tâm dữ liệu có thể dao động từ hàng chục kilowatt (kW) cho một cơ sở nhỏ đến hàng chục megawatt (MW) cho các trung tâm dữ liệu lớn nhất.
Nhu cầu ngày càng tăng về Công nghệ thông tin và sự tăng trưởng theo cấp số nhân của lưu trữ kỹ thuật số có thể dẫn đến tình trạng các công ty buộc phải xây dựng các trung tâm dữ liệu mới, không phải vì họ sắp hết diện tích sàn mà vì họ cần nguồn điện và khả năng làm mát vượt quá khả năng có thể được cung cấp trong các trung tâm dữ liệu hiện có của họ. Tình trạng này đã thúc đẩy phần lớn sự quan tâm gần đây đến việc cải thiện hiệu năng sử dụng năng lượng cho các trung tâm dữ liệu. Nếu lượng điện tiêu thụ (và dẫn đến nhiệt sinh ra) trong các trung tâm dữ liệu có thể giảm bớt thông qua các biện pháp tiết kiệm năng lượng thì cơ sở hạ tầng hiện tại có thể tiếp tục đáp ứng nhu cầu làm mát và nhu cầu năng lượng, đồng thời có thể kìm lại các khoản đầu tư tốn kém vào các trung tâm dữ liệu mới. (Andrew Fanara 2007)
Trình tự Triển khai:
Giai đoạn I – Chuẩn bị: Thực hiện khảo sát địa điểm và đánh giá các yêu cầu cài đặt bao gồm vị trí nút, yêu cầu phần cứng đặc biệt, cấu hình mạng, vị trí cổng, v.v. Sau đó lập một kế hoạch cài đặt các bố cục cảm biến bằng cách sử dụng một sơ đồ trung tâm dữ liệu thực tế.
Giai đoạn II – Cài đặt: Cài đặt thiết bị cảm biến theo thống nhất trước đó, thiết lập Mạng không dây và đảm bảo hệ thống có đầy đủ chức năng và ghi lại các điểm cảm biến. Quá trình cài đặt và thời gian sẽ khác nhau đối với tuỳ loại trung tâm dữ liệu dựa trên quy mô của chúng và bất kỳ yêu cầu cài đặt đặc biệt nào. Trong quá trình cài đặt, đại diện của trung tâm dữ liệu cũng sẽ được đào tạo cách sử dụng Bảng điều khiển Trung tâm Dữ liệu.
Giai đoạn III – Tư vấn: Cung cấp sự hỗ trợ tận nơi và trả lời các câu hỏi cũng như đánh giá hiệu suất hệ thống.
Giai đoạn IV – Thu thập & Phân tích Dữ liệu: Bảng điều khiển thu thập thông tin các điểm cảm biến trong khoảng thời gian bốn tuần. Thông tin này đã được phân tích và một báo cáo tóm tắt được lập ra với các khuyến nghị tiềm năng về tiết kiệm năng lượng. Phân tích này sẽ được trình bày và xem xét bởi Cán bộ lập kế hoạch hiệu quả năng lượng của trung tâm và các nhân viên, giám đốc điều hành công nghệ thông tin và quản lý cơ sở vật chất..
Giai đoạn V - Đánh giá cuối cùng: Các cuộc họp sau đó với Chuyên gia Năng lượng của Trung tâm sẽ được tổ chức để đánh giá hiệu quả hoạt động của dự án và xem xét các khuyến nghị.
Minh họa vị trí cài đặt Cảm biến tại vị trí Trên, dưới, giữa và dưới sàn tủ Rack
Vị trí lắp đặt mẫu tại một trung tâm dữ liệu rộng gần 5000 m2 với khoảng 400 cảm biến như sau: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm cho máy điều hòa không khí (CRAC) trong phòng Máy chủ, Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đặt tại phần trên, giữa, dưới của tủ Rack chính; cảm biển nhiệt độ, độ ẩm đặt tại hành lang và cảm biến phụ đo chênh lệch áp suất, độ rung.
Quá trình theo dõi, Giám sát và Tư vấn
Các thiết bị mạng cảm biến không dây sẽ lấy mẫu điều kiện môi trường theo tần suất cấu hình (có thể tùy chọn thời gian tối thiểu 5s/lần truyền), với cấu hình 5 phút/lần truyền và 400 cảm biến, hệ thống có thể thực hiện khoảng 1.800.000 phép đo trong 1 tháng, từ đó thu thập gần 90.000 dấu hiệu quan trọng mỗi ngày, làm cơ sở cho thuật toán thống kê, phân tích dữ liệu
Phần mềm AI được tạo ra cho phép phát triển đánh giá năng lượng cơ bản, số liệu năng lượng và đề xuất cải tiến cho trung tâm dữ liệu nhằm đạt được mức tiết kiệm năng lượng bổ sung. Phép tính cũng cho biết các kết quả như Công suất làm lạnh, công suất tiêu thụ, bản đồ nhiệt tiêu thụ, biểu đồ phân tán nhiệt trong không khí …
Công thức tổng công suất làm mát = Tổng công suất làm mát được lắp đặt x Hệ số chuyển đổi từ Tấn sang kW (3,517)
Ví dụ kết quả tính toán cho ra thông số Tổng công suất làm lạnh
Phép phân tích bản đồ nhiệt thời gian thực
Sự trộn lẫn không khí được thể hiện trong bản đồ nhiệt. Từ việc quan sát này, các Rò rỉ trên sàn, thiếu các tấm lót, gạch đặt sai vị trí, xoáy không khí phía trên và bên cạnh, và các lỗ khiến không khí nóng rò rỉ vào các lối đi lạnh và ngược lại được xác định. Ở những lối đi lạnh, điều này có tác động làm tăng nhiệt độ trung bình chung, làm giảm hiệu quả tổng thể của hệ thống làm mát vì không khí lạnh đang được sử dụng để làm mát không khí từ lối đi nóng. Ngoài ra, điều này còn khiến tủ rack dễ bị quá nóng.
Một thiết bị cảm biến nhiệt độ cũng được lắp đặt trên đầu tủ Rack để đối chiếu với cảm biến nhiệt độ không khí đầu vào của tủ và nhiệt độ không khí cấp của CRAC để định lượng mức độ xâm nhập của không khí nóng vào lối đi lạnh cho từng tủ Rack và từng hàng Rack. Một loại số đo được gọi là Chỉ số Xâm nhập Nguồn Cung cấp Lạnh (CSI - Cold Supply Infiltration), cung cấp chỉ số về sự trộn lẫn không khí ở các lối đi, các khu vực và toàn bộ trung tâm dữ liệu. Chỉ số CSI cho biết độ tăng của không khí đầu vào của lối đi lạnh là do nhiệt độ tăng trên các máy chủ đã trộn với không khí đầu vào, trước khi không khí đi vào máy chủ.
Chỉ số CSI tại thời điểm t được tính theo công thức sau:
Đồ thị dưới đây thể hiện ví dụ về phân bổ nhiệt và chỉ số CSI tương ứng cho 1 Rack cụ thể. Chỉ số CSI cho thấy hơn 50% tổng nhiệt lượng được hấp thụ trong lối đi chính, cho thấy mức độ trộn không khí cao.
Để có thể so sánh cơ sở hạ tầng của trung tâm dữ liệu với công suất của CNTT hiện có, tỷ lệ Hiệu quả sử dụng năng lượng (PUE - Power Usage Effectiveness) đã được tính toán như sau:
Trong nghiên cứu EPA tháng 8 năm 2007 (Báo cáo trước Quốc hội Mỹ về Luật Công về Hiệu quả Năng lượng của Máy chủ và Trung tâm Dữ liệu số 109-431; Chương trình ENERGY STAR của Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ) về việc sử dụng năng lượng của các trung tâm dữ liệu, tỷ lệ PUE là 2,0 được coi là tỉ lệ trung bình trên tất cả các trung tâm dữ liệu tại Hoa Kỳ; dựa trên việc lấy mẫu tại các trung tâm dữ liệu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley, tuy nhiên tỷ lệ PUE có thể khác nhau giữa các trung tâm dữ liệu cụ thể tùy thuộc vào cấu hình và hiệu quả của thiết bị cơ sở hạ tầng, thời gian trong năm và khí hậu địa phương.
Cùng với cảm biến độ ẩm trên mỗi tủ rack, các Trung tâm dữ liệu có thể mở rộng RH% (Phần trăm độ ẩm tương tối) tối thiểu và tối đa có thể chấp nhận được, giúp tiết kiệm thêm năng lượng, thu hồi không gian hiện tại và nguồn năng lượng bổ sung để phát triển trung tâm dữ liệu.
Một kết quả nghiên cứu thống kê của một trung tâm Data Center cũng chỉ ra rằng: Dựa trên mức tiết kiệm hàng năm ước tính là 300.160 kWh và 580 lbs/CO2 trên mỗi MWh, có thể giảm lượng khí thải carbon tạo ra năng lượng xuống 174.093 lbs CO2
Các kết quả được định lượng sẽ giúp trả lời các câu hỏi:
- Các hệ thống làm mát hiện được lắp đặt có đủ đáp ứng tải hiện tại và có thể đáp ứng dung lượng lưu trữ mới đến mức nào?
- Cơ hội tối ưu hóa làm mát thông qua giải quyết vấn đề về luồng không khí có thể được giải quyết bằng các biện pháp đề xuất như: lắp đặt vật liệu phân luồng, che chắn khu vực hở, nâng cao hạ thấp độ cao, …
- Lịch trình bật tắt thiết bị làm mát tối ưu,…
Ví dụ về việc phân tích ROI trong tính toán tiết kiệm năng lượng ở một cơ sở mẫu (data center)
Kết quả này được dùng để đánh giá, đối chiếu, so sánh với tiêu chuẩn, định mức chung đã được ban hành và là cơ sở để đưa ra các đánh giá, tham vấn, tìm ra hành động cải thiện hiệu suất.
Ví dụ trên là hình mẫu điển hình cho triển khai hệ thống cảm biến nhằm thiết lập hệ thống Quản lý, Giám sát hiệu quả đáp ứng tiêu chuẩn ISO 50001. Kết quả của nó tạo ra có tác dụng đưa ra những giải pháp thực hành để cải thiện, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, cũng chính là mục tiêu mà hệ thống ISO 50001 đề cập về Hệ thống quản lý năng lượng, đây cũng chính là mục đích cần thiết cho mọi tổ chức khi xây dựng hệ thống quản lý năng lượng...
Mục lục các phần:
Giám sát hiệu suất năng lượng - Giới thiệu
Giám sát hiệu suất năng lượng - P2 - Hệ thống Giám sát
Giám sát hiệu suất năng lượng - P3 - Phương pháp
Phần tiếp theo: Giám sát hiệu suất năng lượng - P4 - Vận hành hệ thống