اخبار مرکزداده مطالب ویژه نقد و بررسی

بررسی چهار پژوهش در زمینه‌ی مقایسه‌ی بهره‌وری توزیع برق AC و DC در مراکز داده

 

تمامی مراکز داده از برق شهری AC تغذیه می‌شوند و در نهایت، این برق را در مدارهای فاوا با جریان DC فشار ضعیف مصرف می‌کنند. درنتیجه، هر مرکز داده‌ای از هر دو جریان برق AC و DC استفاده می‌کند. با برقراری جریان برق از ورودی اصلی AC تا مصارف نهایی DC، در نقاط مختلفی از مسیر برق می‌توان این جریان متناوب را به برق مستقیم تبدیل کرد. تقریبا در تمام مراکز داده‌ی امروزی، برق متناوب در میان تجهیزات فاوا توزیع می‌شود و داخل منبع برق دستگاه فاوا، به جریان مستقیم تبدیل می‌شود. اخیرا راه‌کارهایی پیشنهاد شده مبنی بر آن که جریان برق، در نقطه‌ای نزدیک‌تر به ورودی اصلی برق، به جریان DC تبدیل شود و به صورت جریان مستقیم در مرکز داده توزیع شود.

به دلیل تعدد استانداردهای بین‌المللی ایمنی و عملکرد برای توزیع برق AC، دسترسی جهانی تجهیزات توزیع برق AC، مهارت‌های گسترده‌ی مهندسی و نصب AC، و  در نهایت از آن جا که تقریبا هر دستگاه فاوای تولید شده‌ای می‌تواند با جریان استاندارد AC کار کند، توزیع برق DC باید مزایای چشمگیری نشان داده تا صنعت را به تغییر از استاندارد AC به DC وادار سازد. توجیه اصلی در تغییر به برق DC، مبتنی بر فرضیاتی است که مدعی هستند با این تغییر، بهره‌وری به طور محسوسی افزایش می‌یابد. این افزایش به اندازه‌ای زیاد خواهد بود که بر موانع و هزینه‌های این تغییر نیز، غلبه خوهد کرد. در این مقاله، بر مزایای بهره‌وری تمرکز شده و ادعاهای منتشر شده مرتبط با بهره‌وری توزیع برق مستقیم نسبت به برق متناوب، بازبینی، مقایسه و تحلیل شده و مطابقت داده می‌شوند.

چهار پژوهش بررسی شده در این مقاله، در جدول 1 خلاصه شده است. همچنین نتایج معمول در مورد مزایای کمّی حاصل از برق DC در مراکز داده نیز در این جدول آورده شده است.

جدول 1: مزایای بهره‌وری مطرح شده در چهار پژوهش توزیع DC در مراکز داده

پژوهش

مزایای مطرح شده برق DC

Lawrence Berkley National Lab (LBNL)[1]

28%

Electric Power Research Institute (EPRI)

study conducted at Duke Energy[2]

15%

The Green Grid[3]

1%

Schneider Electric[4]

0%-1%

ابتدا باید به اختلاف چشمگیر، تقریبا در حدود 30 برابر، در مزایای بهره‌وری پیش‌بینی شده در این چهار پژوهش توجه کرد. از آن جا که برای مرکز داده با مصرف فاوای 1MW، هر 1% افزایش بهره‌وری انرژی به معنای 13,000$ صرفه‌جویی در سال می‌باشد، درک بهبود واقعی (و قرارگیری این مقدار در محدوده‌ی بالایی یا پایینی این بازه) برای صنعت بسیار اهمیت دارد.

در این مقاله نشان داده خواهد شد که مقادیر مطرح شده در پژوهش‌های LBNL و EEPRI، بیانگر واقعیت مراکز داده‌ی جدید نمی‌باشد زیرا به طرز چشمگیری، در تخمین هدررفت‌های سیستم‌های جدید AC، اغراق شده است.

در پژوهش‌های The Green Grid و اشنایدر الکتریک، مقدار واقعی و درست افزایش بهره‌وری ناشی از تبدیل به برق DC ارائه شده است. در واقع بعضی از طراحی‌های اخیر AC که از حالت Eco-mode استفاده کرده‌اند، بهینه‌تر از طراحی‌های پیشنهادی DC هستند. مزایای محدود بهره‌وری، انگیزه‌ی تبدیل معماری توزیع برق به سیستم DC را کاهش داده و پیشنهاد می‌کند که جهت دستیابی به بهره‌وری بالاتر آتی، شاید بهتر باشد تلاش‌ها بر مدیریت توان سرور و بهبودهای دستگاه سرمایش متمرکز شوند.

مقایسه‌ی داده‌های پژوهش

هر یک از چهار پژوهش مطرح شده، از اندازه‌گیری‌ها و محاسباتی جهت مقایسه‌ی تفاوت‌های بهره‌وری انرژی پیش‌بینی شده بین سیستم توزیع AC و DC با یکدیگر استفاده می‌کنند. خلاصه‌ای از داده‌های هر پژوهش، در شکل 1 نمایش داده شده است.

شکل 1: تفاوت‌های میان هدررفت‌های سیستم توزیع AC و DC در چهار پژوهش
شکل 1: تفاوت‌های میان هدررفت‌های سیستم توزیع AC و DC در چهار پژوهش

در شکل 1، تاثیر هدررفت‌های سیستم برق در هر دو توزیع AC و DC این چهار پژوهش نشان داده شده است. هدررفت‌های هر چهار پژوهش، در خصوصیات زیر مشترک هستند:

  • ولتاژ خروجی رکتیفایر DC، 380V است.
  • از تجهیزات تجاری موجود در بازار استفاده شده است.
  • در تمام پژوهش‌ها، مسیر برق از ورودی اصلی برق AC تا خروجی منبع برق تجهیزات فاوا، در نظر گرفته شده است.

مقادیر هدررفت در پژوهش The Green Grid و اشنایدر الکتریک، در مقدار مصرف 50% محاسبه شده است. پژوهش‌های LBNL و EPRI دستگاه‌های مختلف را در مصارف مختلف در نظر گرفته‌اند که یکی از عوامل تفاوت‌های این هدررفت‌ها بوده و در ادامه‌ی این مقاله بررسی خواهد شد. تفاوت مقادیر بهره‌وری در سیستم‌های مختلف را می‌توان مستقیما از نمودار دریافت. هر میله‌ی نمودار، نشان‌دهنده‌ی هدررفت‌های قسمت‌های مختلفی از سیستم توزیع بوده که بر کاهش بهره‌وری از مقدار ایده‌آل 100% موثر است.

بازبینی این جدول، اطلاعات کلیدی زیر را فراهم می‌کند:

  • تمامی این چهار پژوهش عملکرد بهره‌وری مشابهی برای سیستم توزیع برق DC محاسبه کرده‌اند.
  • تفاوت میان نتایج پژوهش‌ها در اصل ناشی از یافته‌ها متفاوت در مورد بهره‌وری سیستم‌های توزیع برق AC می‌باشد.
  • هدررفت‌های کابل‌ها ناچیز بوده و میان سیستم‌های مختلف مشابه است. در نتیجه این هدررفت‌ها تاثیری در اختلاف بهره‌وری سیستم‌های AC و DC ندارد.
  • تفاوت اصلی بین یافته‌های بهره‌وری در سیستم‌های مختلف ناشی از تفاوت بین هدررفت‌های UPS با برق متناوب و ترانسفورمر است.

باید توجه داشت که مقدار واقعی اختلاف بین سیستم مستقیم و متناوب، در گزارش LBNL معادل 7.3% است اما با این حال، همچنان مقادیر مطرح شده در نشریات پرطرفدار، 28% است که از قسمت بسیار غیردقیق و گمراه‌کننده‌ی گزارش برداشت شده است.

این اعداد غیر واقعی، که بسیار نیز تکرار و شنیده شده، مسبب سطح وسیعی از سردرگمی‌های مشتریان بوده و به توضیحات بیشتری نیاز دارد. علت این اختلافات مهم در پیوست این مقاله تحت عنوان “ارجاعات نادرست پژوهش LBNL” توضیح داده شده است.

برای درک علت و چگونگی نتایج متفاوت از میزان هدررفت‌ها در این چهار پژوهش، در قسمت بعدی این مقاله، به ترتیب عملکرد کمّی هر زیرسیستم از منبع برق فاوا، UPS، ترانسفورمر و کابل‌ها بررسی می‌شود.

مقایسه‌ی داده‌های منبع برق

منبع برق دستگاه فاوا باید مطابق مدارهای فاوا، ولتاژ برق ورودی را کاهش داده، ایزوله ساخته و تنظیم کند. فارغ از آن که منبع برق با برق مستقیم یا متناوب تغذیه شده، این کارکردها باید صورت گیرند. در نتیجه، اغلب منابع برق یکسان و بدون تغییرند. هرچند، تمام منابع برق AC مدرن، گام اضافی در حفاظت برق طی می‌کنند که با نام اصلاح ضریب توان شناخته می‌شود. در این گام، جریان ورودی کنترل شده و هارمونیک‌ها حذف می‌شوند. دستگاه اصلاح‌کننده‌ی ضریب توان تقریبا 15% از فضای منبع برق را اشغال کرده و منشا 1.0 تا 1.5% از هدررفت‌های سیستم است. در عملکرد با برق DC، می‌توان این دستگاه را حذف کرده یا bypass کرد و 1 تا 1.5% بر بهره‌وری منبع برق افزود.

مطابق شکل 2، در هر چهار پژوهش با استفاده از منبع برق DC به جای AC، بهره‌وری منبع برق افزایش می‌یابد.

در تمامی پژوهش‌ها، بهره‌وری مشابهی برای منابع برق AC و DC مشاهده شده است و بهره‌وری سیستم DC، در حدود 1%-2% بیشتر است. با معرفی نسل جدید منابع برق با هدررفت‌های کمتر، می‌توان کاهش نسبی در تفاوت میان هدررفت‌های AC و DC انتظار داشت. (این تفاوت‌ها به حد پایینی، یعنی 1% نزدیک‌تر می‌شود.)

باید توجه داشت که افزایش 1.5% در بهره‌وری بسیار متفاوت از مقادیر مطرح شده در سایر نشریات است. به عنوان مثال، مقالات بسیاری به پژوهشی اشاره دارند که در کنفرانس APEC ارائه شده و در آن، این طور آمده که : ” سرورهایی که به جای منابع برق AC، به منابع برق DC مجهز هستند، 20% تا 40% گرمای کمتری تولید می‌کنند و مصرف برق را تا 30% کاهش می‌دهند….”[5]. مشخص است که این نتیجه‌گیری غیرمنطقی است زیرا منابع برق سرورها تا پیش از این با 93% بهره‌وری کار می‌کردند و به لحاظ منطق ریاضی، غیرممکن است که 30% کمتر برق مصرف کنند.

یافته‌ها: افزایش بهره‌وری مرتبط با تبدیل برق AC به DC، تقریبا 1%-2% بوده که در هر چهار پژوهش نیز نشان داده شده است. با بهبود بهره‌وری کل در منابع برق، این مقدار به 1% نزدیک می‌شود. ادعای بهبودهای بیشتر در این پژوهش‌ها مطرح نشده و ادعاهای مبنی بر بهره‌وری بیش از 100% در منابع برق مستقیم، غیرممکن به نظر می‌رسد.

شکل 2: تفاوت در مقدار هدررفت‌های منابع برق فاوا در چهار پژوهش
شکل 2: تفاوت در مقدار هدررفت‌های منابع برق فاوا در چهار پژوهش

مقایسه‌ی داده‌های UPS

هر دو سیستم‌های AC و DC بررسی شده در این پژوهش‌ها دارای UPS هستند. دستگاه UPS با برق DC، جریان متناوب را دریافت کرده و جریان مستقیم ذخیره در باتری را بدون تبدیل مجدد به AC، وارد سیستم‌ها کرده و به مصرف می‌رساند. داده‌های هر پژوهش در رابطه با سیستم UPS با برق مستقیم و متناوب، در شکل 3 نمایش داده شده است. یافته‌های این پژوهش‌ها در ارتباط با تفاوت هدررفت‌های بین UPS برق مستقیم و متناوب، به طور قابل توجهی متغیر است. این تفاوت در بهره‌وری UPS بین پژوهش‌ها، دلیل مهمی برای اختلاف در نتیجه‌گیری‌های به دست آمده است.

شکل 3: اختلاف در هدررفت‌های سیستم UPS در این چهار پژوهش
شکل 3: اختلاف در هدررفت‌های سیستم UPS در این چهار پژوهش

در تمامی این پژوهش‌ها، داده‌های بهره‌وری UPS بر اساس اندازه‌گیری‌های واقعی سیستم‌های UPS ارائه شده است. تحلیلی از این داده‌ها و منحنی عملکرد بهره‌وری در دستگاه‌های واقعی به کار رفته در تحلیل، نشان می‌دهد که داده‌های گزارش‌شده در این چهار مقاله دقیق است. تفاوت اصلی این پژوهش‌ها در عملکرد هر یک از UPS های به کار رفته و شرایط عملیاتی آن‌ها می‌باشد.

اختلاف بین UPSهای جریان متناوب

در پژوهش اشنایدر الکتریک و Green Grid، از داده‌های مرتبط با نسل فعلی سیستم‌های UPS استفاده شده و یافته‌های هر دو نسبتا یکسان است. گزارش‌های LBNL و EPRI از سیستم‌های UPS استفاده کرده‌اند که دو نسل قدیمی‌تر از مدل‌های فعلی هستند. در پژوهش LBNL از UPSای استفاده شده که در سال 1992 طراحی شده در حالی که در پژوهش EPRI از دستگاهی مبنی بر طراحی سال 1990 استفاده شده است. علاوه بر آن، UPS گزارش EPRI به ترانسفورمری برای ایزوله‌سازی اختیاری جریان ورودی مجهز است که در واقع، غیرضروری بوده و از بهره‌وری سیستم می‌کاهد. پژوهش LBNL نیز از UPS با ولتاژ 208V استفاده کرده است در حالی که تمامی پژوهش‌ها بر مبنای دستگاه‌هایی با ولتاژ 480V یا 415V انجام شده‌اند. بهره‌وری سیستم‌های UPS با ولتاژ پایین تر معمولا 2-3% کمتر از UPS با ولتاژ بالاتر است.

جالب است که در گزارش LBNL به درستی وجود دستگاه‌های UPS با برق متناوب با بهره‌وری 97% نیز تایید شده اما با این حال، نتایج بر مبنای UPS متناوب با بهره‌وری 90% حاصل شده که در این گزارش به عنوان بهترین سیستم‌های موجود شناخته شده است.

این خطا به تنهایی دلیل اصلی تمامی اختلافات مقادیر بهره‌وری سیستم‌های AC و DC گزارش LBNL است.

از سال 1992 تا به حال، افزایش چشمگیری در بهره‌وری سیستم‌های UPS مشاهده شده است که بسیاری از اختلافات در نتایج پژوهش‌های صورت گرفته، ناشی از آنست. در سال 1992، بیشترین بهره‌وری UPS، معادل 90% بود. امروزه بهترین بهره‌وری ممکن در UPSها، 97% است. مجددا ذکر می شود که این افزایش محسوس بهره‌وری سیستم‌های AC، بسیار از مزایای مطرح شده برای سیستم‌های DC را تحت تاثیر قرار داده و رد می‌کند.

پژوهش اشنایدر الکتریک نیز از UPS متناوبی استفاده می‌کند که مجهز به حالت “Eco mode” است. در این حالت، وقتی کیفیت برق AC قابل قبول باشد[6]، عملکرد UPS در حالت bypass قرار می‌گیرد. سیستم‌های UPS اشنایدر الکتریک، Eaton، Emerson، GE، S&C و دیگر شرکت‌ها، دارای این قابلیت هستند. بهره‌وری این حالت عملکرد در سیستم‌های UPS تمام سازندگان، تقریبا 98.6% است. چنین عملکردی از هر UPS برق مستقیم پیشنهادی یا شناخته‌شده‌ای بهتر است.

یافته‌ها: از آن جا که UPS با جریان مستقیم، سیستمی جدید است، مقایسه‌ی عملکرد آن با سیستم‌های از کار افتاده‌ی قدیمی AC غیر منطقی است. جایگزین پیشنهادی مناسب برای UPS برق مستقیم، یکی از نسل‌های فعلی سیستم‌های UPS با برق متناوب است. در چنین مقایسه‌ای، یافته‌های پژوهش LBNL و EPRI نیز مشابه نتایج اشنایدر الکتریک و Green Grid می‌بود. علاوه بر آن، با بکارگیری حالت eco mode در UPS متناوب، بهره‌وری این UPSها، از سیستم‌های DC نیز بیشتر خواهد بود.

اختلاف بین UPSهای جریان مستقیم

همان‌ طور که مطرح شده، هر دو پژوهش اشنایدر الکتریک و Green Grid به نتایج مشابهی در مورد بهره‌وری UPS مستقیم دست یافته‌اند. پژوهش LBNL مقدار هدررفت را تا1% بیشتر برآورد کرده که می‌تواند ناشی از آن باشد که تقریبا 5 سال پیش انجام شده و در طول این 5 سال، بهره‌وری UPS مستقیم حدود 1% افزایش یافته است. هدررفت UPS مستقیم، در گزارش EPRI کمتر از بقیه‌ی گزارش‌ها برآورد شده است. در این پژوهش از یک مدل UPS با برق مستقیم با ولتاژ محصول Delta Electronics استفاده شده که ایزوله نشده و فاقد مرجع ولتاژ زمین mid-point می‌باشد. مطابق نتایج گزارش EPRI، این نوع UPS، ذاتا بهره‌وری بیشتری دارد اما نمی‌تواند به عنوان گزینه‌ی قابل اطمینانی در نظر گرفته شود زیرا با استانداردهای ایمنی UPS مستقیم همخوانی ندارد.[7]

یافته‌ها: تفاوت میان مقادیر بهره‌وری UPS برق DC در این چهار پژوهش کم و جزیی بوده و تاثیری بر تفاوت میان یافته‌های کمّی ندارد. در گزارش EPRI، نوعی از UPS با برق DC معرفی شده که بهره‌وری آن تقریبا 1% بیشتر از دستگاه‌های دیگر پژوهش‌هاست اما، این UPS را نمی‌توان مبنای نتیجه‌گیری‌ها قرار داد زیرا در دستیابی به این بهره‌وری، از استانداردهای ایمنی UPS با برق مستقیم پیروی نکرده است.

در این پژوهش‌ها، تفاوت اصلی در عملکرد UPS ناشی از مقادیر عملکردی گزارش شده از سیستم‌های UPS برق متناوب است. در پژوهش LBNL و EPRI، از نسل‌های قدیمی سیستم‌های UPS استفاده شده که در مصارف کم نامطلوبی بررسی شده‌اند. دلیل اصلی هدررفت‌های چشمگیر ارائه شده برای ایت UPSها نیز همین است. اگر در گزارش LBNL و EPRI، از نسل فعلی UPSها استفاده شده بود، در آن صورت مقادیر هدررفت برآورد شده مشابه مقادیر Green Grid و اشنایدر الکتریک می‌بود که نتایج کمّی این پژوهش‌ها، به طور محسوسی تغییر می‌کرد.

مقایسه‌ی داده‌های ترانسفورمر

در این پژوهش‌ها، فرض شده که در سیستم توزیع DC هیچ ترانسفورمر برق AC به کار نرفته در حالی که فرضیات مبنی بر بکارگیری ترانسفورمر در سیستم AC متفاوت است. هر سیستم توزیع برقی باید تا حدی سیستم فشار قوی را از شبکه‌ی دیتا ایزوله سازد. در تمامی موارد بررسی شده، این ایزوله‌سازی در منبع برق فاوا تامین می‌شود. در نتیجه هر ترانسفورمر استفاده شده، ایزوله‌سازی افزونه و غیرضروری فراهم می‌کند. اگرچه، در سیستم AC، ممکن است ولتاژ برق ورودی از ولتاژ استفاه شده در دستگاه‌های فاوا متفاوت باشد که به ترانسفورمری برای کاهش ولتاژ نیاز است. پژوهش‌های مختلف فرضیات متفاوتی در مورد تعداد ترانسفورمرهای سیستم توزیع برق AC دارند و بهره‌وری‌های مختلفی نیز برای ترانسفورمرها در نظر گرفته‌اند. به همین دلیل، مطابق شکل 4 مقادیر هدررفت ترانسفورمر متفاوت است.

شکل 4: تفاوت در هدررفت‌های ترانسفورمر در چهار پژوهش
شکل 4: تفاوت در هدررفت‌های ترانسفورمر در چهار پژوهش

در این شکل، در تمام سیستم‌های DC، هدررفت ترانسفورمر معادل 0 است اما، در سیستم‌های AC، این مقادیر از 0 تا 6.2% متفاوت است. این اختلاف؛ یکی از دلایل اصلی تفاوت در یافته‌های کمّی پژوهش‌ها بوده و باید مورد بررسی قرار گیرد.

اختلاف در تعداد ترانسفورمرهای سیستم AC

در هر دو پژوهش LBNL و EPRI، ولتاژ برق ورودی 480VAC و ولتاژ به کار رفته در دستگاه‌های فاوا 120/208VAC فرض شده است. در نتیجه، این سیستم‌ها نیازمند ترانسفومر کاهنده هستند. در گزارش EPRI، ترانسفورمر کاهنده پس از UPS با ولتاژ 480VAC قرار گرفته است. در گزارش LBNL، ترانسفورمر قبل از UPS در مسیر برق قرار گرفته است.

در گزارش EPRI، در واقع سه ترانسفورمر به حالت سری در سیستم توزیع برق AC قرار گرفته است. یک ترانسفورمر ورودی UPS اختیاری، یک ترانسفورمر خروجی UPS و یک ترانسفورمر PDU در این سیستم به کار رفته است. دو ترانسفورمر در واقع داخل UPS قرار داشته و هدررفت‌های آن دو نیز جزیی از هدررفت UPS در نظر گرفته می‌شود. این هدررفت‌ها تا حدی دلیل هدررفت‌های بالای UPS در این سیستم است. تنها ترانسفورمر PDU در تعیین هدررفت ترانسفورمر سیستم AC گزارش EPRI (در شکل 4) نقش دارد.

در پژوهش اشنایدر الکتریک و Green Grid[8]، با استفاده از طراحی معمول بین‌المللی سیستم، ولتاژ توزیع 415/240VAC فرض شده است. مزیت اصلی این سیستم آنست که به ترانسفورمر کاهنده در مسیر برق نیاز ندارد. در حال حاضر، این سیستم در مراکز داده‌ی جدید آمریکای شمالی اجرا می‌شود زیرا:

  • به ترانسفورمر PDU نیاز ندارد.
  • مرحله‌ی تبدیل برق را حذف می‌کند.
  • از مس کمتری استفاده می‌کند.
  • بر بهره‌وری مصارف فاوا می‌افزاید.[9]

در گزارش “افزایش بهره‌وری مرکز داده با استفاده از توزیع برق پربازده و بهبودیافته”[10] این روش با جزییات کامل‌تری توضیح داده شده است.

اختلاف در عملکرد ترانسفورمرها

در هر دو گزارش LBNL و EPRI، فرض بر استفاده از این ترانسفورمرهای غیرضروری قرار دارد و مقادیر بسیار متفاوتی در بهره‌وری‌ این ترانسفورمرها نیز برآورد شده است.

در ایالات متحده‌ی آمریکا، بهره‌وری ترانسفورمر توسط قوانین دولتی تعیین می‌شود. در ترانسفورمر مرکز داده با ظرفیت 500Kw، بهره‌وری بیشتر از 98.7% در مصرف 35% توسط این قوانین ضروری اعلام شده است. ترانسفورمرهای پژوهش LBNL و EPRI، با این قوانین فعلی دولتی همخوانی ندارند.

یافته‌ها: گزارش LBNL و EPRI از معماری‌های فشار ضعیف AC دارای ترانسفورمر استفاده می‌کنند که بهره‌وری کمتری از بهترین سیستم‌های موجود دارند. علاوه بر آن، پیکربندی‌های غیربهینه در ترانسفورمرها به کار رفته که در مقایسه با مرکز داده‌ای معمولی، هدررفت‌های غیرواقعی و بیش از حدی برای ترانسفورمر نشان می‌دهد. اگر در این پژوهش‌ها، از معماری توزیع برق 415/240VAC استفاده شده بود، هدررفت‌های ترانسفورمر حذف شده  و نتایج کلی به نتایج گزارش‌های اشنایدر الکتریک و Green Grid نزدیک‌تر می‌بود.

مقایسه‌ی داده‌های کابل‌های توزیع برق

هدررفت‌های کابل‌ها تاثیر چندانی در تفاوت‌های مطرح شده در بهره‌وری سیستم‌های AC و DC این پژوهش‌ها ندارد. در کل، مدارهای مرکز داده برای هدررفتی در حدود 1% در مصرف کامل ظرفیت طراحی می‌شوند اما، به دلیل تنوع در میزان مصرف، با مصرفی بسیار کمتر از ظرفیت خود کار کرده و در نتیجه، هدررفت کابل‌ها از 1% نیز کمتر می شود. هیچ دلیل اساسی وجود ندارد که چرا هدررفت‌ها بین سیستم AC و DC تا این حد متفاوت است.

یافته‌ها: در هیچ یک از این چهار پژوهش، هدررفت کابل‌های برق، عامل مهمی در مقایسهی بهره‌وری سیستم AC و DC محسوب نشده است.

تعیین کل صرفه‌جویی انرژی

تحلیل فوق از این چهار پژوهش، تنها بر بهره‌وری سیستم‌های توزیع برق تمرکز دارد. عامل دیگری که در بسیاری از گزارش‌ها مطرح شده، نحوه‌ی اثرگذاری تغییر بهره‌وری سیستم توزیع برق بر کل صرفه‌جویی انرژی در مراکز داده، است. برای محاسبه‌ی صرفه‌جویی کلی در انرژی مرکز داده (یعنی همان مقدار صرفه‌جویی شده در هزینه‌ی برق)، باید هر مقدار کاهش هدررفت انرژی در سرتاسر سیستم‌های مرکز داده را جمع زد. این هدررفت‌ها شامل سیستم سرمایشی که توسط سیستم توزیع برق مصارف فاوا تغذیه نشده، نیز می‌باشد.

اگر انرژی مرکز داده تنها به سیستم توزیع برق و مصارف فاوا محدود می‌شد (هیچ انرژی برای سرمایش یا دیگر مصارف، استفاده نمی‌شد)، در آن صورت، هر درصد افزایش بهره‌وری سیستم توزیع برق، مستقیما معادل همان میزان صرفه‌جویی در مصرف انرژی مرکز داده محسوب می‌شد. در این حالت، با 1% بهبود در سیستم توزیع برق، کل انرژی مصرفی مرکز داده نیز 1% کاهش می‌یافت.

هرچند، یک مرکز داده‌ی واقعی شامل مصارف دیگری همچون سرمایش، کنترل‌ها، نورپردازی و هیترهای ژنراتور دیزلی آماده به کار می‌باشد. در این حالت، با صرفه‌جویی در انرژی، از مقدار حرارت تولید شده نیز کاسته می‌شود و در نتیجه، به سرمایش کمتری نیاز است. برای تعیین ابعاد این تاثیر بر مصرف انرژی مرکز داده، ابتدا باید نحوه‌ی تغییر انرژی مصرفی سیستم سرمایش متناسب با بار حرارتی را تعیین کرد.

در مرکز داده‌ای معمولی و جدید با PUE معادل 1.47 که در مصرف 50% کار می‌کند، سیستم سرمایش 25% از کل انرژی را مصرف می‌کند. تقریبا کمی بیشتر از نصف این انرژی مصرفی سیستم سرمایش، هدررفت های نسبی است که متناسب با بار حرارتی تغییر می‌کند. مابقی آن نیز هدررفت‌های ثابتی است که با بار حرارتی ارتباطی ندارد. در نتیجه، به طور معمول در حدود 13% از کل انرژی مصرفی مرکز داده، در اصل همان بار سرمایشی است که متناسب با بار حرارتی تغییر می‌کند.

 اگر PUE مرکز داده‌ای جدید را تقریبا 1.47 در نظر گرفته شود، در این صورت 1% صرفه‌جویی‌ها در سیستم توزیع برق به تنها 0.86% کاهش در کل انرژی مصرفی مرکز داده می‌انجامد.[11] مقدار درصد بهبود در مصرف انرژی کلی مرکز داده، کمتر از میزان بهبود در سیستم برق است زیرا حتی اگر سیستم توزیع برق انرژی کمتری مصرف کند، باز هم بعضی از زیرسیستم‌های مرکز داده، مانند نورپردازی، هیتر ژنراتور، کنترل‌ها و رطوبت‌زاها همچنان همان میزان انرژی قبلی را مصرف می‌کنند. به همین دلیل از تاثیر مثبت صرفه‌جویی‌های سیستم برق بر کل انرژی مصرفی مرکز داده، کاسته می‌شود.

به طور خلاصه، در مرکز داده‌ای معمولی، هر وات صرفه‌جویی شده در سیستم برق معادل 1.4 وات صرفه‌جویی در کل انرژی است. اما با 1% افزایش در بهره‌وری سیستم برق، تنها 0.86% از کل انرژی مصرفی مرکز داده کاسته می شود.

درصد کاهش یافته از کل انرژی سیستم باید همواره کمتر از تغییرات بهره‌وری سیستم برق باشد.

با توجه به جمله‌ی زیر[12]، می‌توان دریافت که این مفهوم، به شکل بسیار نامناسبی در نشریات بازتاب یافته است:

“انتظار می‌رود که مرکز داده‌ی Duke Energy (پژوهش EPRI) بین 7 تا 20% در مصرف انرژی صرفه‌جویی کند و با احتساب کاهش بار سرمایشی و افزودن این مقدار صرفه‌جویی اضافی،  این اعداد دو برابر نیز خواهد شد.”

این عبارت گمراه‌کننده، مشابه بسیاری از دیگر ادعاهای نادرست در نشریات و مقالات، ادعا می‌کند که با احتساب بار سرمایشی، کل درصد صرفه‌جویی شده در انرژی بسیار بیشتر از 7-20% (و حتی دو برابر یعنی 14-40%) می‌باشد. این تاثیر فزاینده بر درصد بهبودهای حاصله، نادرست است. همان طور که در این مقاله ثابت شد، درصد صرفه‌جویی شده در کل انرژی مصرفی همواره باید 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 بهترین سیستم AC اجرایی استفاده نکرده‌اند.

وقتی این پژوهش‌ها تغییر یافته و تجهیزات جدیدتری از سیستم و معماری‌های برق AC را در تحلیل‌ها در نظر گیرند، نتایجی مشابه پژوهش‌های اشنایدر الکتریک و Green Grid به دست خواهند آورد. در این نتایج، بهره‌وری سیستم DC بسیار جزیی و ناچیز است.

جالب است که در پژوهش LBNL، محصولات UPS با برق AC موجود در بازار با بهره‌ری 97% نیز تایید و به رسمیت شناخته شده است، اما با این حال، نتیجه‌گیری‌های گزارش مبنی بر دستگاه‌های UPS متناوب با بهره‌وری 90% است که تحت عنوان بهترین سیستم موجود نیز معرفی می‌شود.

همین خطا به تنهایی منجر به طرح 7% بهره‌وری بیشتر برای سیستم DC شده است. در واقعیت مقادیر بهره‌وری 28% که در گزارش LBNL برای سیستم DC مطرح شده، حتی یافته‌های تحلیل خود این پژوهش نیز نبوده بلکه، منشا این مقادیر در پیوست، توضیح داده شده است.

در گزارش EPRI از معماری AC استفاده شده که دارای سه ترانسفورمر با پیکربندی سری و همچنین UPS با طراحی قدیمی از سال 1990 است و این دو عامل، در کنار هم به طور محسوسی از بهره‌وری در نظر گرفته شده برای سیستم AC کاسته‌اند. با توجه به این دو عامل، مقدار بهره‌وری مطرح شده در گزارش EPRI برای سیستم DC که معادل 15% بوده، به 1% کاهش می‌یابد.

در کل، پژوهش‌های اشنایدر الکتریک و Green Grid نیز عقیده دارند که در قیاس با تجهیزات جدید برق متناوب، بهره‌وری سیستم DC در حدود 1% می‌باشد. کاهش مصرف انرژی مرکز داده که ناشی از این افزایش در بهره‌وری باشد، همواره کمتر از این مقدار بوده و معمولا در حدود 0.86% است.

بیشترین بهره‌وری سیستم برق در مراکز داده‌ی امروزی، در سیستم AC با ولتاژ 415/240V با UPS در حالت Eco-mode مشاهده شده است. در واقع، این سیستم از تمامی سیستم‌های شناخته شده‌ی DC بهینه تر است.

 

 

پیوست: ارجاعات گمراه‌کننده در پژوهش LBNL

یکی از اصلی‌ترین ادعاهای کمّی مطرح شده در ارتباط با تفاوت بهره‌وری میان سیستم‌های توزیع برق AC و DC مراکز داده، آنست که : ” در گزارش LBNL آمده که سیستم DC تا 28% بهره‌ورتر از سیستم AC است.” این عدد برگرفته از قسمت‌های نادرستی از این گزارش بوده که در ادامه آورده شده است:

“در این حالت، در مرکز داده‌ای متوسط، بهبود بهره‌وری تا 28% امکان‌پذیر است. به عبارتی سیستم توزیع برق DC، پتانسیل آن را داشته که نسبت به سیستم AC مراکز داده ی امروزی، تا 28% انرژی کمتری مصرف کند. از آن جا که مصارف HVAC مراکز داده معمولا در همان حدود مصارف فاواست، پس این 28% بهبود در سیستم توزیع و تبدیل برق به معنای 28% افزایش بهره‌وری در سطح کلی تاسیسات نیز می‌باشد.”[13]

این قسمت مشخص شده از گزارش با داده‌های اندازه‌گیری و محاسبه شده معادل 7.3% که در جدول ES1 همین گزارش آمده، در تناقض است.[14] در این قسمت از گزارش، به داده‌های اندازه‌گیری و محاسبه شده اشاره نشده بلکه، بر اساس فرضیاتی غیرمنطقی و حدسی تحلیل شده است، مانند آن که سرور برق DC تا 19% بهینه تر از سرور برق AC است در حالی که در واقعیت، در تمام پژوهش‌ها این اختلاف در بهره‌وری، در حدود 1-1.5% عنوان شده است. در واقع، منابع برق سرورهای مدرن اغلب به 95% بهره‌وری کلی دست می‌یابند و ادعای بهبود 19% ناممکن و عجیب به نظر می‌رسد زیرا بهره‌وری منبع برق نمی‌تواند از 100% بیشتر باشد.

با نگاهی بر گزارش LBNL، مشخص می‌شود که عدد 28%، ناشی از مقایسه ی سیستم جدید DC و سیستم قدیمی AC با عملکردی از دهه‌ی 1980 است. در این پژوهش عبارت “سیستم معمول AC در مراکز داده‌ی امروزی”، در بند فوق، در اصل اشاره به سیستمی بسیار قدیمی‌تر و فرضی برق AC داشته که ممکن است هنوز هم در حال کار باشد اما سیستم‌های جدید و بهینه‌تر AC در نظر گرفته نشده است.

با بازبینی بهره‌وری تجهیزات دهه‌ی 1980 توسط اشنایدر الکتریک، مشخص شده که یک سیستم معمولی برق قدیمی، در حدود 20% کم‌بازده‌تر از تجهیزات امروزی بوده که علت اصلی آن نیز منابع برق فاوای کم‌بازدهی است که در آن دوران به کار می‌رفت. هرچند، تقریبا هیچ یک از این تجهیزات قدیمی، امروزه دیگر به کار نمی‌روند. گزینه‌ی مناسب جایگزین برای سیستم پیشنهادی DC، بهترین نمونه از نسل فعلی سیستم AC است که مطابق این مقاله، بهره‌وری در حدود همان سیستم DC پیشنهادی دارد.

همچنین ادعای بند فوق از متن گزارش، در مورد تاثیر انرژی صرفه‌جویی‌ شده در سیستم برق بر مصرف انرژی کلی تاسیسات نیز نادرست است. ابتدا باید توجه داشت که مراکز داده‌ی جدید مصرف HVAC معادل مصرف فاوا ندارند. مصرف HVAC مراکز داده‌ی جدید بسیار کمتر از مصارف فاوا بوده و در حدود 10-35% از مصرف فاوا می‌باشد. نکته‌ی دوم آنست که صرفه‌جویی‌های سیستم توزیع برق، مستقیما به صرفه‌جویی نسبی در مصارف HVAC منجر نمی‌شوند. بلکه تنها آن قسمت از مصرف انرژی HVAC که با بار گرمایشی متناسب است، تغییر می‌کند. بیشتر سیستم‌های سرمایش دارای فن، رطوبت‌ساز و دیگر اجزایی هستند که فارغ از بار گرمایشی سیستم، همان مقدار ثابت انرژی را مصرف می‌کنند. علاوه بر آن، بعضی از دستگاه‌های برق ممکن است در خارج از محیط سیستم سرمایش قرار گرفته و در نتیجه، با سیستم HVAC خنک نشوند.

بر خلاف عبارت فوق، درصد کلی بهبود ایجاد شده در انرژی همواره به طور قابل توجهی کمتر از درصد افزایش بهره‌وری سیستم توزیع برق خواهد بود.

عدد 28% که مقدار نادرست و گمراه‌کننده بوده و در نتیجه‌گیری این گزارش نیز مطرح شده، به سردرگمی در میان مشتریان منجر شده و تکرار و انتشار این عدد نادرست، باید به منزله‌ی ارائه‌ی اطلاعات اشتباه و حتی انتشار اخبار ساختگی در نظر گرفته شود. سازمان LBNL باید با انتشار اصلاحیه‌ای، این قسمت نادرست از گزارش خود را شفاف‌سازی و تصحیح کند.

 

[1] – LBNL findings: http://hightech.lbl.gov/documents/DATA_CENTERS/DCDemoFinalReport.pdf

[2] EPRI findings:

http://www.emergealliance.org/imwp/download.asp?ContentID=20674&ei=rHwxT_CoJej2sQKyrjYBg&

usg=AFQjCNEyFsA7geYZ9ZofX4rkXBU8nA47bQ

http://greensvlg.org/content/uploads/2011/11/3A-DC-Power-Symanski.pdf

[3] – The Green Grid White Paper 16, Quantitative Efficiency Analysis of Power Distribution Configurations

for Data Centers, http://www.thegreengrid.org/~/media/WhitePapers/White_Paper_16_-

_Quantitative_Efficiency_Analysis_30DEC08.pdf?lang=en

[4] – Schneider Electric White Paper 127, A Quantitative Comparison of High Efficiency AC vs. DC Power

Distribution for Data Centers, http://www.apc.com/whitepaper/?wp=127

[5] – http://ecmweb.com/mag/electric_acdc_data_center/

[6] – ملاحظات مربوط به حالت ECO mode در گزارش شماره‌ی 157 تحت عنوان ” حالت eco mode: مزایا و ریسک‌های صرفه‌جویی انرژی در عملکرد UPS” به تفصیل بیان شده است.

[7] – 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

[8] – در پژوهش Green Grid، ولتاژ برق شهری 480v فرض شده که توسط UPS جریان متناوب به 415V تبدیل می‌شود. یک اتوترانسفورمر 480-415 در مسیر bypass دستگاه UPS قرار گرفته است. این ترانسفورمر معمولا در مسیر مصارف قرار نداشته و در نتیجه، تاثیر چندانی در هدررفت‌ این پژوهش ندارد.

[9] – منابع برق فاوا در ولتاژ 230V بهره‌وری بیشتری از 120V یا 208V دارند. این تاثیر شناخته شده در حدود 1-2% است.

[10] – White Paper 128, Increasing Data Center Efficiency by Using Improved High Density Power Distribution

[11] – برای دریافت اطلاعات بیشتر در این زمینه، به قسمت “تاثیر کلی مصرف برق مرکز داده” در گزارش شماره‌ی 127 تحت عنوان “مقایسه‌ی کمی توزیع برق پربازده AC و DC در مراکز داده” مراجعه شود.

[12] – “Utility data centers and DC power”, Intelligent utility Dec 15, 2010,

http://www.intelligentutility.com/article/10/12/utility-data-centers-and-dc-power

[13] – http://hightech.lbl.gov/documents/DATA_CENTERS/DCDemoFinalReport.pdf#page=8

[14] – http://hightech.lbl.gov/documents/DATA_CENTERS/DCDemoFinalReport.pdf#page=7

درج دیدگاه

برای درج دیدگاه کلیک کنید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سوال امنیتی *