بررسی چهار پژوهش دربارهٔ مقایسهٔ بهره‌وری توزیع برق AC و DC مرکزداده [1]
مقدمه [2]
با اینکه مراکزداده برق متناوب شهری را دریافت می‌کنند، مدارهای فاوا دست‌آخر به «برق مستقیم فشارضعیف» نیاز دارند. بنابراین تاسیسات مرکزداده، هر دو جریان برق AC و DC را دارد. تبدیل AC به DC را می‌توان در چندین نقطه از مسیر جریان برق انجام داد؛ از ورودی اصلی AC تا مصارف نهایی که با برق DC کار می‌کنند. امروزه تقریبا در همهٔ مراکزداده، برق AC را تا تجهیزات فاوا توزیع می‌کنند؛ سپس کار تبدیل به DC را در درون منبع تغذیهٔ دستگاه‌های فاوا انجام می‌دهند. به‌تازگی راهکارهایی ارائه شده‌اند که پیشنهاد می‌کنند، تبدیل به DC در نزدیکی ورودی اصلی برق AC انجام بشود؛ سپس توزیع برق مرکزداده با جریان مستقیم (DC) انجام گیرد.
توزیع برق AC مزایای فراوانی دارد. از جمله زیاد بودن استانداردهای بین‌المللی ایمنی و عملکرد، دسترسی عمومی به تجهیزات، مهارت‌های گسترده در مهندسی و نصب، همچنین اینکه تقریبا همهٔ دستگاه‌های فاوا با آن کار می‌کنند. بدین ترتیب برای اینکه بتوان صنعت را مجاب کرد تا از استاندارد AC به DC مهاجرت کند، باید برای استفاده از توزیع برق DC، مزایای چشمگیری نشان داد. مهم‌ترین توجیه این کار برپایهٔ فرضیاتی است که مدعی بهره‌وری چشمگیر هستند. این فرضیات می‌گویند مقدار افزایش بهره‌وری چنان است که هزینه و موانع انجام این تغییر را نیز جبران خواهد کرد. در این مقاله به مزایای بهره‌وری می‌پردازیم و ادعاها را دربارهٔ بهره‌وری دو توزیع برق مستقیم و متناوب، مقایسه و تحلیل می‌کنیم.
در این مقاله از چهار پژوهش استفاده کرده‌ایم که در جدول ۱ می‌بینید. این جدول نتایج معمول مزایای بهره‌گیری از برق DC را در هریک از پژوهش‌ها به‌شکل عدد نشان داده است.
| مزایای برق DC | عنوان پژوهش |
| ۲۸ درصد | Lawrence Berkley National Lab [3] (LBNL) |
| ۱۵ درصد | Electric Power Research Institute (EPRI) study conducted at Duke Energy |
| ۱ درصد | The Green Grid [4] |
| ۰ تا ۱ درصد | Schneider Electric [5] |
ابتدا باید به اختلاف چشمگیر این چهار پژوهش در پیش‌بینی عددی مزایای بهره‌وری توجه کرد که نزدیک ۳۰ برابر است. هرگاه مصرف فاوای مرکزداده ۱ مگاوات باشد، آنگاه به‌ازای هر ۱ درصد افزایش بهره‌وری انرژی، ۱۳ هزار دلار در سال صرفه‌جویی به دست می‌آید. با توجه به این موضوع، درک بهبود واقعی و قرار گرفتن این مقدار در محدودهٔ بالا یا پایین بازه، برای صنعت بسیار اهمیت دارد.
در این مقاله نشان می‌دهیم مقادیری که دو پژوهش LBNL و EPRI دربارهٔ افزایش بهره‌وری ناشی از تبدیل به برق DC نشان می‌دهند، بیانگر واقعیت مرکزدادهٔ جدید نیست. زیرا در تخمین هدررفت سیستم‌های جدیدِ AC بسیار اغراق کرده‌اند. مقدار واقعی و درست را دو پژوهش The Green Grid و اشنایدر الکتریک ارائه نموده‌اند. در واقع به‌تازگی برخی از طراحی‌های AC که از حالت Eco Mode استفاده می‌کنند، بهینه‌تر از طراحی‌های پیشنهادی DC هستند. محدود بودن مزایای بهره‌وری موجب تضعیف انگیزهٔ مهاجرت به معماری توزیع برق DC می‌شود. چنین است که پیشنهاد می‌کنند، برای دستیابی به بهره‌وری بهتر، شاید خوب باشد بیشتر با مدیریت‌کردن توان سرورها و بهینه‌کردن دستگاه‌های سرمایش کار شود.
مقایسهٔ دادهٔ پژوهش‌ها
هریک از پژوهش‌های پیش‌گفته، برای اینکه سیستم توزیع AC و DC را از نظر تفاوت بهره‌وریِ انرژی پیش‌بینی‌شده مقایسه کنند، اندازه‌گیری‌ها و محاسبات ويژهٔ خودشان را به کار برده‌اند. خلاصهٔ دادهٔ (Data) هر پژوهش را در شکل ۱ مشاهده می‌کنید.
شکل ۱: تفاوت میان هدررفت سیستم توزیع AC و DC در چهار پژوهش
شکل ۱ آثار انواع هدررفت سیستم توزیع برق AC و DC را در هریک از پژوهش‌ها نشان می‌دهد. همهٔ چهار پژوهش با شرایط زیر انجام شده‌اند:
- خروجی یک‌سوساز ۳۸۰ ولت DC ـ(Rectifier)
- استفاده از تجهیزات تجاری موجود در بازار
- درنظرگرفتن مسیر برق از ورودی اصلی AC تا خروجی منبع تغذیهٔ تجهیزات فاوا
پژوهش‌های The Green Grid و اشنایدر الکتریک مقادیر هدررفت را در بار مصرف ۵۰ درصد محاسبه کرده‌اند. دو پژوهش LBNL و EPRI دستگاه‌های مختلف را در بار مصرف (Load) مختلف در نظر گرفته‌اند. این یکی از مسائلی است که باعث تفاوت هدررفت شده و ما در ادامه به آن خواهیم پرداخت. نمودار شکل ۱ به‌روشنی تفاوت مقادیر بهره‌وری را میان سیستم‌های مختلف نشان می‌دهد. هریک از میله‌های نمودار، نشان‌دهندهٔ هدررفت قسمت‌های مختلف سیستم توزیع است که از مقدار مطلوب بهره‌وری ۱۰۰ درصدی می‌کاهد.
اطلاعات مهم زیر از بازنگری نمودار به دست می‌آید:
- عملکرد بهره‌وری سیستم توزیع برق DC را هر چهار پژوهش همانند محاسبه کرده‌اند.
- تفاوت نتایج پژوهش‌ها در واقع به‌دلیل اختلاف در محاسبهٔ مقدار بهره‌وری سیستم توزیع برق AC است.
- کابل‌ها هدررفت ناچیزی دارند که مقدار آن در سیستم‌های مختلف برابر است. این مقدار هدررفت، در اختلاف بهره‌وری میان سیستم AC و DC تاثیری ندارد.
- تفاوت اصلی که بین یافته‌های بهره‌وری در سیستم‌های مختلف وجود داد، ناشی از تفاوت میان هدررفت UPS برق متناوب و ترانسفورماتور است.
توجه شود با اینکه در گزارش LBNL، مقدار واقعی اختلاف میان سیستم AC و DC برابر ۷٫۳ درصد است، همچنان در نشریات عمومی مقدار ۲۸ درصد بیان می‌شود که آن را از بخش بسیار نادقیق و گمراه‌کنندهٔ گزارش برداشته‌اند. همین عددِ برساخته (Misleading Number) که بسیار نیز به گوش می‌رسد، به‌شکل گسترده‌ای مشتریان را سردرگم کرده است و به توضیح نیاز دارد. علت این اختلاف بزرگ را در پیوست همین مقاله با عنوان «ارجاعات نادرست پژوهش LBNL» شرح داده‌ایم.
برای اینکه بتوان علت و چگونگی تفاوت میزان هدررفت در این چهار پژوهش را درک کرد، عملکرد کمّی هریک از زیرسیستم‌ها را در ادامه به‌ترتیب از منبع تغذیهٔ فاوا، UPS، ترانسفورماتور، کابل‌ها بررسی می‌کنیم.
مقایسهٔ دادهٔ منبع تغذیه
منبع تغذیهٔ دستگاه فاوا باید سه کار را برای سازگاری با مدارها انجام بدهد: ولتاژ برق ورودی را کاهش دهد، ایزوله سازد، تنظیم کند. برق چه مستقیم باشد چه متناوب باشد، منبع تغذیه می‌باید هر سهٔ این وظایف را انجام بدهد. بدین ترتیب است که منابع تغذیه اغلب یکسان و بدون تغییر هستند. منبع تغذیهٔ AC مدرن، مرحله‌ای نیز دارد که برای حفاظت برق است؛ آن را با عنوان «اصلاح ضریب توان» می‌شناسند. در این مرحله، هارمونیک‌ها از جریان حذف می‌شوند. بخش اصلاح ضریب توان تقریبا ۱۵ درصد از حجم دستگاه را تشکیل می‌دهد و ۱ تا ۱٫۵ درصد از هدررفت سیستم در آن رخ می‌دهد. هنگامی که با برق DC کار می‌شود، می‌توان این دستگاه را کنار گذاشت یا بای‌پس کرد و بهره‌وری منبع تغذیه را ۱ تا ۱٫۵ درصد افزایش داد.
شکل ۲: تفاوت مقدار هدررفت منابع تغذیهٔ فاوا در چهار پژوهش
چنان‌که در شکل ۲ می‌بینید، هر چهار پژوهش نشان می‌دهند استفاده از منبع تغذیهٔ DC به‌جای AC بهره‌وری را افزایش می‌دهد.
بهره‌وری منابع تغذیهٔ AC و DC را تمامی پژوهش‌ها یکسان گزارش می‌کنند؛ گرچه که بهره‌وری سیستم DC حدود ۱ تا ۲ درصد بیشتر است. با آمدن نسل جدید منبع تغذیه که هدررفت کمتری دارند، می‌توان انتظار داشت تفاوت میان هدررفت AC و DC کمابیش کاهش یابد (به ۱ درصد نزدیک شود).
اکنون مشاهده می‌کنید که مقدار افزایش ۱٫۵ درصدی بهره‌وری تا چه‌اندازه با آنچه در نشریات عمومی بیان می‌شود متفاوت است. برای نمونه، مقالات بسیاری به پژوهشی استناد کرده‌اند که در کنفرانس APEC ارائه شده و در آن چنین آمده است: «سرورهایی که به‌جای منبع تغذیهٔ AC مجهز به منبع تغذیهٔ DC هستند، ۲۰ تا ۴۰ درصد کمتر گرما تولید می‌کنند و مصرف برق را تا ۳۰ درصد کاهش می‌دهند…». روشن است که این نتیجه‌گیری منطقی نیست. زیرا منبع تغذیهٔ سرورها تا پیش از این با بهره‌وری ۹۳ درصدی کار می‌کرده‌اند و از دید ریاضی ناممکن است که ۳۰ درصد کمتر برق مصرف کنند.
یافته‌ها: با تبدیل برق AC به DC، تقریبا ۱ تا ۲ درصد افزایش بهره‌وری به دست می‌آید و هر چهار پژوهش نیز همین را نشان می‌دهند. بهبود بهره‌وری کل در منابع برق، این مقدار را نزدیک به ۱ درصد میکند. بهبود بیشتر از این در پژوهش‌ها ادعا نشده و بهره‌وری بیشتر از ۱۰۰ درصد در منابع برق AC ناممکن است.
مقایسهٔ دادهٔ UPS
سیستم‌های AC و DC که در این پژوهش‌ها بررسی شده‌اند، همگی UPS دارند. «UPS برق مستقیم» دستگاهی است که جریان متناوب دریافت میکند و جریان مستقیم ذخیره‌شده در باتری را بدون تبدیل دوباره به AC به سیستم‌ها می‌دهد. «دستگاه UPS برق متناوب» نیز جریان متناوب دریافت میکند؛ ولی برق ذخیره‌شده را به‌شکل AC به مصارف می‌رساند. شکل ۳ دادهٔ پژوهش‌ها را دربارهٔ تفاوت هدررفت UPS برق مستقیم و UPS برق متناوب نشان می‌دهد. چنان‌که می‌بینید، یافته‌ها بسیار تفاوت دارد. همین تفاوت بهره‌وری UPS که در پژوهش‌ها مشاهده می‌شود، دلیل مهم اختلاف نتایج است.
شکل ۳: اختلاف هدررفت سیستم UPS در چهار پژوهشِ موضوع بررسی
دادهٔ بهره‌وری UPS در این پژوهش‌ها، برپایهٔ اندازه‌گیری واقعی سیستم‌های UPS تهیه شده است. تجزیه‌وتحلیل این داده (Data) و منحنی عملکرد بهره‌وریِ دستگاه‌های واقعی که در تحلیل به کار رفته، نشان می‌دهد دادهٔ گزارش‌شده در هر چهار مقاله دقیق هستند. دلیل اصلی تفاوتی که مشاهده می‌شود، در واقع عملکرد هریک از UPSها و وضعیت عملیاتی آن‌ها بوده است.
اختلاف بین UPSهای جریان متناوب
پژوهش اشنایدر الکتریک و The Green Grid از دادهٔ سیستم‌های UPS نسل فعلی استفاده کرده‌اند و یافته‌های هر دو نیز کمابیش یکسان است. سیستم‌های UPS استفاده‌شده در گزارش LBNL و EPRI، دو نسل از مدل‌های امروزی قدیمی‌تر هستند. پژوهش LBNL از UPS طراحی‌شده در سال ۱۹۹۲ و پژوهش EPRI از دستگاه طراحی‌شده در سال ۱۹۹۰ استفاده کرده است. افزون بر این، UPS در گزارش EPRI ترانسفورماتوری دارد که برای ایزوله‌سازی اختیاریِ جریان ورودی است [مطالعهٔ بیشتر]. این بخش غیرضروری است که از بهره‌وری می‌کاهد. از سویی در حالی که پژوهش‌های دیگر برمبنای دستگاه‌های با ولتاژ ۴۸۰ یا ۴۱۵ انجام شده‌اند، پژوهش LBNL از UPS ولتاژ ۲۰۸ استفاده کرده است. UPSهای با ولتاژ پایین‌تر معمولا ۲ تا ۳ درصد بهره‌وری کمتری از UPSهای با ولتاژ بالاتر دارند.
جالب آنکه گزارش LBNL بهره‌وری دستگاه‌های UPS برق متناوب را نخست به‌درستی ۹۷ درصد بیان کرده؛ ولی سپس در نتیجه‌گیری آن را ۹۰ درصد گرفته و همان را بهترین سیستم موجود شناخته است. همین اشتباه به‌تنهایی دلیل اصلی اختلاف مقدار بهره‌وری سیستم‌های AC و DC در گزارش LBNL است.
بهره‌وری سیستم‌های UPS از سال ۱۹۹۲ تاکنون افزایش چشمگیری داشته است. بسیاری از اختلاف‌ها در نتایج پژوهش‌های انجام‌شده، از همین موضوع ناشی می‌شود. در سال ۱۹۹۲ بیشترین بهره‌وری UPS به‌مقدار ۹۰ درصد بود؛ ولی امروزه به ۹۷ درصد می‌رسد. باز یادآور می‌شویم که افزایش چشمگیر بهره‌وری سیستم‌های AC، از اهمیت اغلب مزایای سیستم‌های DC کاسته و آن‌ها را خنثی کرده است.
UPS متناوب در پژوهش اشنایدر الکتریک، حالت Eco Mode دارد. در این حالت اگر کیفیت برق AC مناسب باشد [6]، کارکرد UPS در حالت بای‌پس قرار می‌گیرد. سیستم‌های UPS که شرکت‌هایی همچون اشنایدر الکتریک، Eaton، Emerson، GE، S&C یا دیگر شرکت‌ها می‌سازند، از این قابلیت برخوردار هستند. عملکرد بهره‌وری UPSهای همگیِ این سازندگان در حالت Eco Mode، تقریبا ۹۸٫۶ درصد است. این اندازه عملکرد از هر UPS برق مستقیم شناخته‌شده‌ای بهینه‌تر است.
یافته‌ها: UPS برق مستقیم جدید است و مقایسهٔ عملکرد آن با سیستم‌های AC قدیمی منطقی نیست. جایگزین درست برای مقایسهٔ با آن، باید از UPSهای برق متناوب نسل امروزی باشد. اگر پژوهش LBNL و EPRI نیز مقایسه را بدین شکل انجام می‌دادند، نتایج را همانند اشنایدر الکتریک و The Green Grid به دست می‌آوردند. افزون بر آن، بهره‌وری UPS متناوب در حالت Eco Mode از سیستم‌های DC نیز بیشتر است.
اختلاف میان UPSهای جریان مستقیم
پیش‌تر گفتیم که پژوهش اشنایدر الکتریک و The Green Grid دربارهٔ بهره‌وری UPS برق مستقیم، نتایج همانندی به دست آورده‌اند. در پژوهش LBNL برآورد مقدار هدررفت ۱ درصد بیشتر است. احتمالا بدین دلیل که این پژوهش تقریبا ۵ سال پیش‌تر انجام شده و از آن زمان تاکنون بهره‌وری UPSهای برق مستقیم حدود ۱ درصد افزایش یافته است. پژوهش EPRI برآورد هدررفت UPS برق مستقیم را کمتر از دیگر پژوهش‌ها به دست آورده است. این پژوهش از UPS برق مستقیم ۳۸۰ ولتی محصول Delta Electronics استفاده کرده که ایزوله نیست و نقطهٔ پتانسیل صفر میدپوینت [7] را ندارد. نتایج EPRI نشان می‌دهد با اینکه این نوع از UPS خود بهره‌وری بیشتری دارد، نمی‌توان آن را گزینهٔ مطمئنی دانست. زیرا با استانداردهای ایمنی UPS برق مستقیم سازگار نیست. [8]
یافته‌ها: تفاوت میان مقدار بهره‌وری UPS برق DC در چهار پژوهش منتخب این مقاله، اندک است و تاثیری بر تفاوت یافته‌های کمّی ندارد. پژوهش EPRI نوعی از UPS با برق DC معرفی کرده که بهره‌وری آن تقریبا ۱ درصد بیشتر از دستگاه پژوهش‌ها دیگر است. ولی این UPS را نمی‌توان مبنای نتیجه‌گیری قرار داد؛ زیرا در دستیابی به این بهره‌وری از استانداردهای ایمنیِ UPS برق مستقیم پیروی نکرده است.
دلیل تفاوت اصلیِ نتایج عملکرد UPS که میان این پژوهش‌ها مشاهده می‌شود، تفاوت عملکرد سیستم‌های UPS برق متناوبی است که هریک به کار برده‌اند. پژوهش LBNL و EPRI از UPS نسل‌های قبل استفاده کرده‌اند که کارکرد نامطلوبی در بار مصرفی سبک دارند. دلیل اصلی هدررفت چشمگیر این UPSها همین مسئله است. اگر پژوهش LBNL و EPRI از نسل امروزی UPS استفاده می‌کردند، نتایج کمّی در آن‌ها آشکارا تغییر می‌کرد و مقادیر هدررفت را همانند The Green Grid و اشنایدر الکتریک به دست می‌آوردند.
مقایسهٔ دادهٔ ترانسفورماتور
در تمام این پژوهش‌ها فرض شده که در سیستم توزیع DC، هیچ ترانسفورماتور برق AC به کار نرفته است. ولی موضوع به‌کارگیری ترانسفورماتور در سیستم AC متفاوت است. توزیع برق باید تا حدی سیستم فشارقوی را از شبکهٔ دیتا ایزوله سازد. در همگی موارد بررسی‌شده، کار ایزوله‌سازی را منبع تغذیهٔ فاوا انجام می‌دهد. بدین ترتیب استفاده از ترانسفورماتور موجب ایزوله‌سازی اضافه و غیرضروری خواهد بود. گرچه اگر در سیستم AC ولتاژ برق ورودی با ولتاژ دستگاه‌های فاوا متفاوت باشد، برای کاهش ولتاژ به ترانسفورماتور نیاز خواهد بود. پژوهش‌های مختلف فرضیه‌های گوناگونی دربارهٔ تعداد ترانسفورماتورهای سیستم توزیع برق AC دارند و بهره‌وری متفاوتی برای آن‌ها در نظر می‌گیرند. دلیل تفاوت مقادیر هدررفت ترانسفورماتور در شکل ۴ همین است.
شکل ۴: تفاوت هدررفت ترانسفورماتور در چهار پژوهش
چنان‌که در شکل می‌بینید، هدررفت ترانسفورماتور سیستم‌های DC صفر است؛ ولی در سیستم‌های AC در بازهٔ صفر تا ۶٫۲ درصد قرار دارد. این اختلاف از دلایل اصلی تفاوت در یافته‌های کمّی پژوهش‌ها است که می‌باید بررسی بشود.
اختلاف تعداد ترانسفورماتورهای سیستم AC
هر دو پژوهش LBNL و EPRI برق ورودی را ۴۸۰ ولت متناوب و برق دستگاه‌های فاوا را نیز ۱۲۰/۲۰۸ ولت متناوب در نظر گرفته‌اند. چنین سیستمی به ترانسفورماتور کاهنده نیاز دارد. در پژوهش EPRI، جای ترانسفورماتور کاهنده پس از UPS برق متناوب ۴۸۰ ولت است. در پژوهش LBNL، ترانسفورماتور پیش از UPS در مسیر برق قرار گرفته است.
پژوهش EPRI در سیستم توزیع برق AC، سه ترانسفورماتور را به‌شکل سری به کار برده است: ترانسفورماتور ورودی UPS اختیاری، ترانسفورماتور خروجی UPS، ترانسفورماتور PDU. دو تا از این ترانسفورماتورها درون UPS هستند و هدررفت آن‌ها را جزء هدررفت UPS در نظر می‌گیرند. این بخشی از دلیل زیاد بودن هدررفت UPS در این سیستم است. در پژوهش EPRI فقط ترانسفورماتور PDU در هدررفت ترانسفورماتور سیستم AC نقش دارد. (شکل ۴)
پژوهش اشنایدر الکتریک و The Green Grid ـ[9] ولتاژ توزیع را ۲۴۰/۴۱۵ متناوب گرفته‌اند که از طراحی سیستم معمول بین‌المللی استفاده میکند. مزیت مهم این سیستم آن است که به ترانسفورماتور کاهنده در مسیر برق نیاز ندارد. هم‌اکنون نیز این سیستم در مراکزدادهٔ جدید آمریکای شمالی اجرا می‌شود؛ زیرا:
- به ترانسفورماتور PDU نیاز ندارد.
- تبدیل برق در آن یک مرحله کمتر است.
- مصرف مس آن کمتر است.
- بهره‌وری مصارف فاوا افزایش می‌یابد. [10]
مقالهٔ «افزایش بهره‌وری مرکزداده با استفاده از توزیع برق پربازده و بهبودیافته» [11]، این روش را با جزئیات کامل‌تر توضیح داده است.
اختلاف در عملکرد ترانسفورماتورها
در دو پژوهش LBNL و EPRI، فرض بر استفاده از ترانسفورماتورهای غیرضروری است. همچنین مقدار بهره‌وری این ترانسفورماتورها بسیار متفاوت برآورد شده است.
در ایالات متحده، بهره‌وری ترانسفورماتور مرکزداده را قوانین فدرال تعیین میکند. این قوانین بهره‌وری را برای ترانسفورماتور با ظرفیت ۵۰۰ کیلووات در بار مصرفی ۳۵ درصد، به‌میزان بیشتر از ۹۸٫۷ درصد اجباری کرده است. ترانسفورماتورهای پژوهش LBNL و EPRI با قوانین کنونی سازگار نیستند.
یافته‌ها: پژوهش LBNL و EPRI از معماری‌های فشارضعیف AC استفاده می‌کنند که ترانسفورماتور دارند. بهره‌وری این معماری‌ها از سیستم‌های کارآمد امروزی کمتر است. افزون بر این، پیکربندی ترانسفورماتورها در این دو پژوهش به‌خوبی بهینه نیستند که باعث می‌شود هدررفت آن‌ها از مرکزدادهٔ معمول بیشتر باشد. اگر در این پژوهش‌ها از معماری توزیع برق ۲۴۰/۴۱۵ ولت متناوب استفاده می‌شد که برای طراحی‌های جدید توصیه می‌شود، هدررفت ترانسفورماتور را نداشتند و نتایج کلی آن‌ها به نتایج اشنایدر الکتریک و The Green Grid نزدیک‌تر می‌بود.
مقایسهٔ دادهٔ کابل‌های توزیع برق
هدررفت کابل‌ها چندان تاثیری در تفاوت بهره‌وری میان سیستم AC و DC در چهار پژوهش پیش‌گفته ندارد. روی‌هم‌رفته مدارهای مرکزداده برای حدود ۱ درصد هدررفت در بارگذاری کامل طراحی می‌شوند. ولی به‌دلیل تنوع میزان مصرف، با مقدار بسیار کمتر از ظرفیت‌شان کار می‌کنند. به همین دلیل است که هدررفت کابل‌ها از ۱ درصد نیز کمتر می‌شود. هیچ دلیل بنیادی در توضیح این اندازه از تفاوت هدررفت میان سیستم AC و DC پیدا نشده است.
یافته‌ها: هدررفت کابل‌های برق در مقایسهٔ بهره‌وری سیستم‌های AC و DC این پژوهش‌ها، عامل مهمی نبوده است.
تعیین کل صرفه‌جویی انرژی
چهار پژوهشی که در این مقاله به آن‌ها پرداختیم، در تحلیل خود تنها به بهره‌وری سیستم‌های توزیع برق توجه کرده‌اند. عامل دیگری که بیشتر گزارش‌ها به آن پرداخته‌اند این است که چگونه تغییر بهره‌وری سیستم توزیع برق بر صرفه‌جویی انرژی کل مرکزداده تاثیر می‌گذرد. برای محاسبهٔ صرفه‌جویی کلی انرژی مرکزداده، یعنی مقدار صرفه‌جویی در هزینهٔ برق، باید هر مقدار از کاهش هدررفت انرژی را در هرجای سیستم‌های تاسیسات که باشد، با هم جمع زد. این شامل آن سیستم‌های سرمایشی نیز می‌شود که با توزیع برق مصارف فاوا تغذیه نمی‌شوند.
اگر انرژی مرکزداده فقط به مصرف سیستم توزیع برق و فاوا می‌رسید، یعنی سرمایش یا دیگر مصارف نبودند، آنگاه هر درصد افزایش بهره‌وری در سیستم توزیع برق، به همان میزان در مصرف انرژی مرکزداده صرفه‌جویی می‌داشت. در این حالت با هر ۱ درصد بهبود در سیستم توزیع برق، انرژی مصرفی کل مرکزداده نیز ۱ درصد کاهش می‌یافت.
مرکزدادهٔ واقعی علاوه بر فاوا و توزیع برق، مصارف دیگری نیز همچون سرمایش، کنترل‌ها، روشنایی، همچنین گرم‌کن ژنراتورِ دیزلی آماده‌به‌کار دارد. بدین ترتیب صرفه‌جویی انرژی از مقدار گرمای تولید‌شده می‌کاهد که در نتیجهٔ آن نیاز به سرمایش کمتر می‌شود. برای مشخص‌کردن میزان این تاثیر بر مصرف انرژی مرکزداده، نخست می‌باید درک کرد که چگونه مصرف انرژی سیستم سرمایش متناسب با بار حرارتی تغییر میکند.
در هر مرکزدادهٔ جدید معمول، با PUE معادل ۱٫۴۷ که با ۵۰ درصد بار فاوا کار کند، ۲۵ درصد از کل انرژی به مصرف سیستم سرمایش می‌رسد. هدررفت نسبی تقریبا کمی بیش از نصف انرژی مصرفی سیستم سرمایش است که متناسب با بار حرارتی تغییر میکند. مابقی نیز هدررفت ثابت است که به بار حرارتی بستگی ندارد. بدین ترتیب به‌طور معمول، حدود ۱۳ درصد از کل انرژی مصرفی مرکزداده در واقع همان بار سرمایشی است که متناسب با بار حرارتی تغییر میکند.
اگر PUE مرکزدادهٔ جدید را تقریبا ۱٫۴۷ در نظر بگیریم، آنگاه هر ۱ درصد صرفه‌جویی در سیستم توزیع برق فقط ۰٫۸۶ درصد از مصرف انرژی کل مرکزداده می‌کاهد [12]. درصد بهبود مصرف انرژی در کل مرکزداده، کمتر از سیستم برق است. زیرا هنگامی که مصرف انرژی در سیستم توزیع برق کمتر می‌شود، بعضی از زیرسیستم‌های مرکزداده همچون نورپردازی، گرم‌کن ژنراتور، کنترل‌ها، همچنین دستگاه‌های رطوبت‌زا، همچنان به همان میزان قبلی انرژی مصرف می‌کنند. به همین دلیل تاثیر صرفه‌جویی سیستم برق مرکزداده بر مصرف انرژی کمتر است.
به‌طور خلاصه، در مرکزدادهٔ معمول به‌ازای هر وات صرفه‌جویی در سیستم برق، صرفه‌جویی در کل انرژی برابر ۱٫۴ وات است. ولی هر ۱ درصد افزایش بهره‌وری در سیستم برق، از مصرف انرژی کل مرکزداده فقط ۰٫۸۶ درصد می‌کاهد. درصد کاهش انرژی کل سیستم باید همواره از تغییر بهره‌وری سیستم برق کمتر باشد.
نقل قول زیر [13] نشان می‌دهد نشریات عمومی این مفهوم را تا چه‌اندازه بد بیان می‌کنند:
«انتظار می‌رود مرکزدادهٔ Duke Energy (در پژوهش EPRI) بین ۷ تا ۲۰ درصد در مصرف انرژی صرفه‌جویی کند. این میزان با احتساب کاهش بار سرمایشی و افزودن صرفه‌جویی آن، به دو برابر نیز می‌رسد.» (منبع)
این گفتهٔ گمراه‌کننده همانند بسیاری از دیگر ادعاهای نادرست در نشریات عمومی است که ادعا می‌کنند درصد کل صرفه‌جویی انرژی با احتساب بار سرمایشی، بسیار بیشتر از ۷ تا ۲۰ درصد بلکه شاید تا دو برابر یعنی ۱۴ تا ۴۰ درصد است. چنین تاثیر فزاینده‌ای بر درصد بهبودها، نادرست است. درصد صرفه‌جویی کل مصرف انرژی چنان‌که در این مقاله نشان دادیم، باید همواره کمتر از درصد افزایش بهره‌وری سیستم برق باشد.
نتیجه‌گیری
پژوهش‌های EPRI و LBNL که مدعی بهره‌وری چشمگیر سیستم DC هستند، در مقایسه‌های کمّی خود از سیستم‌های AC کارآمد امروزی استفاده نکرده‌اند. هرگاه در تحلیل‌های این دو پژوهش نیز تجهیزات و معماری سیستم‌های برق AC امروزی را جایگزین کنیم، نتایج همانند پژوهش اشنایدر الکتریک و The Green Grid به دست می‌آید و بهره‌وری سیستم DC ناچیز می‌شود.
جالب آنکه پژوهش LBNL بهره‌وری UPSهای برق AC موجود در بازار را ۹۷ درصد بیان میکند؛ ولی سپس در نتیجه‌گیری آن را ۹۰ درصد گرفته و همان را بهترین سیستم موجود می‌شناسد. همین اشتباه به‌تنهایی باعث شده بهره‌وری سیستم برق مستقیم ۷ درصد بیشتر برآورد بشود. در واقع مقدار بهره‌وری ۲۸ درصد که پژوهش LBNL برای سیستم DC بیان کرده است، از یافته‌ها و تحلیل خود این پژوهش نیست. برای آگاهی دربارهٔ منشأ اصلی آن به پیوست همین مقاله مراجعه کنید.
پژوهش EPRI در معماری AC از سه ترانسفورماتور با پیکربندی سری و UPS با طراحی قدیمیِ سال ۱۹۹۰ استفاده کرده است. وجود این دو ویژگی با هم، به‌مقدار زیادی از بهره‌وری سیستم AC کاسته است. هرگاه این دو ویژگی را به حساب آوریم، مقدار بهره‌وری سیستم DC که در پژوهش EPRI برابر ۱۵ درصد بود، به ۱ درصد کاهش می‌یابد.
به‌طور کلی پژوهش‌های اشنایدر الکتریک و The Green Grid نیز پذیرفته‌اند که بهره‌وری سیستم DC از تجهیزات جدید برق متناوب تنها در حدود ۱ درصد بیشتر است. کاهش مصرف انرژی کل مرکزداده که ناشی از افزایش در بهره‌وری باشد، همواره از این مقدار کمتر و معمولا در حدود ۰٫۸۶ درصد است.
بیشترین بهره‌وری سیستم برق در مرکزدادهٔ امروزی، از سیستم AC با ولتاژ ۲۴۰/۴۱۵ ولت و با UPS در حالت Eco Mode به دست می‌آید. این در حقیقت از همهٔ سیستم‌های شناخته‌شدهٔ DC بهینه‌تر است.
پیوست: ارجاعات گمراه‌کننده در پژوهش LBNL
یکی از مهم‌ترین ادعاهای کمّی دربارهٔ تفاوت بهره‌وری سیستم توزیع برق AC و DC در مرکزداده، این گفته است: «در LBNL آمده که سیستم DC تا ۲۸ درصد بهره‌ورتر از سیستم AC است.» چنان‌که در ادامه بیان می‌کنیم، این عدد برگرفته از بخش‌های گمراه‌کنندهٔ این پژوهش است. به این قسمت از آن توجه کنید:
«در این مورد بهبود بهره‌وری در مرکزدادهٔ متوسط، تا ۲۸ درصد امکان‌پذیر است. به‌عبارتی سیستم توزیع برق DC این قابلیت را دارد که تا ۲۸ درصد کمتر از سیستم AC مرکزدادهٔ امروزی انرژی مصرف کند. از آنجا که بار مصرفی HVAC ـ[14] در مرکزداده معمولا در همان حدود مصارف فاوا است، ۲۸ درصد بهبود در سیستم توزیع و تبدیل برق، به‌معنای ۲۸ درصد افزایش بهره‌وری در کل تاسیسات است.» (منبع)
این گفته در تناقض با دادهٔ اندازه‌گیری و محاسبه‌شدهٔ همان گزارش است که مقدار را برابر ۷٫۳ درصد نشان می‌دهد (جدول ES1 گزارش LBNL) ـ[11]. در بخش نقل‌شدهٔ گزارش، حرفی از اندازه‌گیری و محاسبهٔ داده به میان نیامده و برپایهٔ گمان و فرضیات غیرمنطقی تحلیل شده است؛ چیزهایی همچون اینکه سرور برق DC تا ۱۹ درصد بهینه‌تر از سرور برق AC است. این در حالی است که همگی پژوهش‌ها این اختلاف در بهره‌وری را حدود ۱ تا ۱٫۵ درصد بیان کرده‌اند. در حقیقت منبع تغذیهٔ سرورهای مدرن اغلب به بهره‌وری کلی ۹۵ درصد دست می‌یابد. بدین ترتیب بهبود ۱۹ درصدی ادعایی است بی‌پایه و ناممکن؛ زیرا نمی‌شود بهره‌وری منبع تغذیه بیشتر از ۱۰۰ درصد باشد.
نگاهی به گزارش LBNL آشکار میکند عدد ۲۸ درصد را از مقایسهٔ سیستم DC جدید با سیستم AC قدیمی به‌دست آورده که عملکرد دههٔ ۱۹۸۰ را دارد. در نقل قول پیش‌گفته، «سیستم AC مرکزدادهٔ امروزی» در واقع سیستم برق AC بسیار قدیمی است که امکان دارد هنوز هم مشغول‌به‌کار باشد؛ ولی به هر حال سیستم AC جدید و بهینهٔ امروزی نیست. مرور بهره‌وری تجهیزات دههٔ ۱۹۸۰ که اشنایدر الکتریک انجام داد، آشکار نمود سیستم‌های برق قدیمیِ معمول آن زمان، از تجهیزات امروزی حدود ۲۰ درصد کم‌بازده‌تر هستند. دلیل اصلی آن نیز بهره‌گرفتن از منابع تغذیهٔ فاوای کم‌بازدهی است که در همان دوران رایج بوده‌اند. امروزه دیگر تقریبا هیچ‌یک از آن تجهیزات قدیمی به کار نمی‌روند. جایگزین پیشنهادی درست برای سیستم DC باید بهترین نمونه از نسل امروزی سیستم AC باشد. بهره‌وری چنین سیستمی، همان طور که در این مقاله نشان دادیم، تقریبا به همان اندازهٔ سیستم DC پیشنهادی است.
در بند بالا از متن LBNL، دربارهٔ میزان تاثیر صرفه‌جویی انرژیِ سیستم برق بر مصرف انرژی کل تاسیسات، ادعاهای دیگری نیز بیان شده است. نخست اینکه می‌گوید «بار مصرفی HVAC در مرکزدادهٔ معمولا، در همان حدود مصارف فاوا است». این گفته نادرست است؛ زیرا مصرف HVAC در مرکزدادهٔ جدید از مصارف فاوا بسیار کمتر و تقریبا به‌اندازهٔ ۱۰ تا ۳۵ درصد از آن است. دیگر اینکه صرفه‌جویی سیستم توزیع برق به‌شکل مستقیم، به صرفه‌جویی نسبی در مصارف HVAC نمی‌انجامد؛ بلکه تنها آن بخش تغییر میکند که با بار گرمایشی متناسب باشد. بیشتر سیستم‌های سرمایش، اجزایی دارند همچون فن و رطوبت‌ساز که وابسته به تغییرات بار گرمایشی سیستم نیستند و انرژی را به‌مقدار ثابت مصرف می‌کنند. از سویی بعضی از دستگاه‌های برق ممکن است خارج از محیط سیستم سرمایش باشند و بدین ترتیب از سرمایش سیستم HVAC استفاده نکنند.
درنتیجه درصد کلی بهبود انرژی، خلاف گفتهٔ LBNL، همواره به‌مقدار بسیاری کمتر از درصد افزایش بهره‌وری سیستم توزیع برق است.
«عدد ۲۸ درصد» در نتیجه‌گیری این پژوهش، مقداری نادرست و گمراه‌کننده‌ای است که مشتریان را سردرگم میکند. بدین ترتیب، تکرار و انتشار چنین عدد نادرستی را باید ارائهٔ اطلاعات اشتباه و حتی انتشار اخبار ساختگی دانست. آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (LBNL) باید با انتشار اصلاحیه دربارهٔ این بخش نادرست از گزارش خود، آن را شفاف‌سازی و اصلاح کند.
پانویس
[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:
نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعه‌ی مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده
[2] در متن اصلی این مقاله، برخی از ارجاعات اینترنتی در پاورقی به‌شکل متن نشانی لینک آمده است. پس از ترجمه و هنگام ویرایش متوجه شدیم برخی از این لینک‌ها حذف شده‌اند یا تغییر کرده‌اند. در این موارد نشانی سایت اصلی را جایگزین کرده‌ایم. (ویراستار)
[3] آزمایشگاه ملی لارنس برکلی
[4] The Green Grid White Paper 16: Quantitative Efficiency Analysis of Power Distribution Configurations for Data Centers
[5] APC White Paper 127: A Quantitative Comparison of High Efficiency AC vs. DC Power Distribution for Data Centers
[6] ملاحظات حالت Eco Mode در مقالهٔ «حالت Eco Mode: مزایا و ریسک صرفه‌جویی انرژی در کارکرد UPS» به‌تفصیل بیان شده است.
APC White Paper 157: Eco-mode; Benefits and Risks of Energy-saving Modes of UPS Operation
[7] MidPoint Ground Referenced
[8] ETSI EN 300 132-3-1 v2.1.1 (2011-10), European Standard (EN) by ETSI: Operated by rectified current source, alternating current source or direct current source up to 400 V; Sub-part 1: Direct current source up to 400 V
[9] در پژوهش The Green Grid، برق شهری ۴۸۰ ولت فرض شده که توسط UPS جریان متناوب به ۴۱۵ ولت تبدیل می‌شود. یک اتوترانسفورماتور ۴۱۵/۴۸۰ در مسیر بای‌پس دستگاه UPS قرار گرفته است. در این پژوهش، این ترانسفورماتور معمولا در مسیر مصارف قرار ندارد و درنتیجه در هدررفت نیز تاثیر چندانی ندارد.
[10] منابع برق فاوا در ولتاژ ۲۳۰ بهره‌وری بیشتری از ولتاژ ۱۲۰ یا ۲۰۸ دارند. این تاثیر شناخته‌شده در حدود ۱ تا ۲ درصد است.
[11] APC White Paper 128: Increasing Data Center Efficiency by Using Improved High Density Power Distribution
[12] برای دریافت آگاهی بیشتر در این باره، به مقالهٔ «مقایسهٔ کمّی میان دو روش توزیع برق مرکزداده: توزیع برق AC پربازده و توزیع برق DC» به بخش «تاثیر کلی مصرف برق مرکزداده» مراجعه کنید.
[13] “Utility data centers and DC power”, Intelligent utility Dec 15, 2010
[14] Heating, Ventilating and Air Conditioning گرمایش، تهویه و تهویهٔ مطبوع
درج دیدگاه