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Módulos de arrefecimento

economizadores de elevada eficiência para grandes centros de dados Revisão 0

Por Wendy Torell

White Paper 136

Quando uma central de arrefecimento opera no modo de economia, os sistemas mecânicos de elevado consumo de energia podem ser desligados. Uma central de arrefecimento modular normalizada concebida para operar principalmente no modo de economia não reduz apenas os custos, mas também melhora a previsibilidade e flexibilidade. Este documento apresenta uma nova abordagem ao arrefecimento de centros de dados que utiliza aproximadamente metade da energia dos métodos tradicionais e, ao mesmo tempo, fornece uma maior escalabilidade, disponibilidade e facilidade de manutenção.

Sumário Executivo > Introdução 2

Abordagem a um arrefecimento melhorado

4

Melhoria da eficiência 5

Melhoria da flexibilidade/ agilidade

9

Melhoria da fiabilidade e disponibilidade

11

Comparação de arquitecturas de arrefecimento

13

Economia de ar fresco directo vs. indirecto

15

Conclusão 16

Recursos 17

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Módulos de arrefecimento economizadores de elevada eficiência para grandes centros de dados

Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 136 Rev 0 2

Além da consolidação de TI, a maior oportunidade para poupanças de energia provém da central de arrefecimento, que em muitos centros de dados consome o mesmo, ou até mais do que, as cargas de TI. A chave para reduzir a energia da central de arrefecimento é operar em modo de economia, sempre que possível. Quando o sistema está no modo de economia, os sistemas de arrefecimento mecânicos de elevado consumo de energia, tais como compressores e refrigeradores podem ser desligados e o ar do exterior utilizado para arrefecer o centro de dados. Existem dois modos de utilização do ar do exterior para arrefecer o centro de dados: • Transportar o ar do exterior directamente para o espaço de TI

• Utilizar o ar do exterior indirectamente para arrefecer o espaço de TI

Os prós e contras de cada um serão discutidos posteriormente neste documento. No entanto, o segundo método - a utilização indirecta do ar exterior – é mais comummente aceite pelos operadores de centros de dados actualmente. Existem vários modos de implementar este método. Na sua maioria distinguem-se por quantas trocas de calor ocorrem entre o ar do interior e o ar do exterior. A aplicação técnica 132, Modos de economia dos sistemas de arrefecimento de centros de dados, compara os modos de economia mais adequados aos centros de dados. Este documento irá ilustrar, porque é que um sistema de arrefecimento autónomo com os seguintes princípios de design reduz o consumo de energia em 50% e oferece a flexibilidade e escalabilidade necessárias para grandes centros de dados. Princípio de design 1: o modo de economia é o principal modo de funcionamento Princípio de design 2: o ar interior do centro de dados está protegido dos poluentes do exterior e de flutuações de humidade excessiva Princípio de design 3: o tempo de construção e programação no local são inimizados Princípio de design 4: a capacidade de arrefecimento é escalável no centro de dados em directo Princípio de design 5: a manutenção não interrompe as operações de TI A Diagrama 1 ilustra uma abordagem de arrefecimento, referida como arrefecimento evaporativo indirecto, que quando inserida numa área útil autónoma, modular e normalizada, cumpre estes cinco princípios de design.

Centro de dados

TITI Ar q

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saíd

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TI

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ar fr

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ara

TI

Vista detalhada do permutador de calor ar-ar

Tecto falso

Introdução

Diagrama 1 Abordagem de arrefecimento com base em cinco princípios de design importantes

Os modos de economia dos sistemas de arrefecimento de centros de dados

Link para a fonte White Paper 132

http://www.apc.com/wp?wp132



O modo de economia como o principal modo de funcionamento A abordagem de arrefecimento da Diagrama 1 maximiza o funcionamento do modo de economia ao reduzir o número de trocas de calor para um utilizando um permutador de calor ar-ar e ao incorporar o arrefecimento evaporativo. Alternativamente, este princípio de design pode ser alcançado com um sistema de ar fresco (ar directo) que elimina completamente as trocas de calor.

O ar do interior do centro de dados está protegido dos poluentes do exterior e de flutuações de humidade excessiva Devido ao método de arrefecimento da Diagrama 1 ao arrefecer indirectamente o ar, os poluentes do exterior e as alterações rápidas de temperatura e humidade são isoladas do espaço de TI. Alternativamente, filtros de elevada qualidade podem ser implementados nos sistemas de ar directo para proteger dos poluentes do exterior e o seu sistema de controlo pode assegurar que a central alterna para os modos de arrefecimento de reserva quando ocorrem alterações climáticas dinâmicas que vão além dos limites do centro de dados. Outras arquitecturas de arrefecimento indirectas, conforme descritas na Aplicação técnica 132, podem também atingir este princípio de design, mas normalmente não enquanto ainda mantêm o modo de economia como seu principal modo de funcionamento (princípio de design 1).

O tempo de construção e programação no local são minimizados Uma central de arrefecimento com controlos pré-programados integrados num sistema autónomo normalizado permite que a construção e programação no local da central de arrefecimento seja reduzida significativamente. Também assegura um funcionamento fiável, repetitivo e eficiente. Uma vez que a indústria dos centros de dados continua a apostar na mudança para módulos normalizados (contentores), este princípio de design será alcançado por muitos sistemas. A capacidade de arrefecimento é escalável no centro de dados em directo Com as cargas dinâmicas, que são características de muitos centros de dados actualmente, é essencial que a infra-estrutura de arrefecimento possa ser escalável à medida que a carga também varia. A utilização de módulos de arrefecimento de troca rápida (“hot swap”) para escalar capacidades de arrefecimento semelhantes a uma UPS modular (com um painel posterior comum e módulos plug-in), é um modo de escalar a central sem interrupção da carga de TI. É referido como uma “modularidade de dispositivos”, conforme descrito na Aplicação técnica 160, Especificação da arquitectura modular do centro de dados. Uma central de arrefecimento pode ser também escalada ao nível do subsistema (denominado de “modularidade do subsistema”) ao efectuar uma partição do espaço de TI em “zonas” adicionando novas centrais de arrefecimento à medida que as zonas são povoadas.

A manutenção não interrompe as operações de TI A fiabilidade está comummente na vanguarda das mentes dos operadores de centros de dados. A redundância pode ser alcançada de dois modos, para garantir este princípio de design: com a utilização de módulos de arrefecimento redundantes no interior do sistema ou a utilização de sistemas múltiplos. Ambas as abordagens podem eliminar focos individuais de avaria e criar um design tolerante a falhas permitindo a manutenção simultânea.

Especificação da arquitectura modular do centro de dados


http://www.apc.com/wp?wp=160



Um sistema que aborda estes cinco princípios de design descritos acima é um sistema de arrefecimento autónomo com três modos de funcionamento.

1. Economia ar-ar – transporta os dois fluxos de ar através de um permutador de calor ar-ar – o ar do exterior mais fresco e o ar do interior mais quente, que é aquecido a partir do equipamento de TI, nunca se misturam.

2. Economia ar-ar com arrefecimento evaporativo – Quando o ar do exterior não está suficientemente fresco, o arrefecimento evaporativo diminui a temperatura da superfície do permutador de calor através do arrefecimento adiabático.

3. Arrefecimento de expansão directa (DX - direct expansion) – no pior caso, quando o ar está demasiado quente ou húmido para suportar o valor de referência de TI, DX complementa o modo de economia.

O ar quente de TI é aspirado para dentro do módulo e um de dois modos de economia é utilizado para ejectar o calor. Com base na carga, o ponto de definição de TI e as condições ambientais do exterior, o sistema automaticamente selecciona o modo de funcionamento mais eficiente. O modo de economia ar-ar indirecto utiliza um permutador de calor ar-ar para transferir a energia do calor do ar mais quente do centro de dados para o ar mais frio do exterior. Quando o arrefecimento evaporativo é utilizado, a água é pulverizada sobre o permutador de calor para reduzir a temperatura do permutador. Este modo de funcionamento permite ao centro de dados continuar a beneficiar do funcionamento no modo de economia, mesmo quando o permutador de calor ar-ar sozinho é incapaz extrair o calor do centro de dados. O modo DX proporcional fornece uma capacidade de arrefecimento adicional quando o modo de economia não consegue manter o ponto de definição de entrada de TI. O EcoBreezeTM da Schneider Electric é um exemplo desse sistema. O EcoBreeze é um refrigerador evaporativo de ar indirecto normalizado, pré-fabricado e pré-testado, é escalável para crescer conforme as necessidades e muda automaticamente para o modo de arrefecimento mais eficiente, tornando-o uma abordagem eficiente em termos de custos, muito flexível e eficiente. A Diagrama 2 ilustra a aplicação deste design num centro de dados novo. Os módulos são colocados no exterior da instalação – quer montado em bases de betão (conforme ilustrado) ou no telhado, caso tenha uma capacidade de suporte de peso adequada. Devido a ser modular, à medida que a carga cresce, módulos adicionais são acrescentados ao sistema sem perturbações no arrefecimento.

Diagrama 2 Aplicação de arrefecimento modular autónomo utilizando o EcoBreeze da Schneider Electric

Abordagem a um arrefecimento melhorado



Com novas directrizes e regulamentos locais centrados na utilização de modos de economia, a eficiência é um ponto central para um novo design de centros de dados. Para garantir o modo de arrefecimento mais eficiente durante o ano, a central de arrefecimento tem de utilizar a eficiência energetica como o seu principal modo de funcionamento, maximizando as condições climáticas localizadas. Pelo contrário, o funcionamento no modo de economia em designs tradicionais tem sido considerado como um suplemento à sua central de arrefecimento principal - para auxiliar a central mecânica de elevado consumo de energia, sempre que possível. Estes cinco factores, quando combinados, melhoram significativamente a eficiência do sistema de arrefecimento: • o número mínimo de trocas de calor entre o ar do exterior e o ar de entrada de TI

• a utilização de arrefecimento evaporativo

• maior gama de valores de referência aceitáveis da temperatura e humidade do ar para o equipamento de TI

• componentes eficientes

• controlos programados na fábrica

Impacto do número de trocas de calor na economia Quanto mais “transferências de troca de calor” ocorrerem no modo de economia, menor será o número de horas no modo de economia. A Diagrama 3 compara as transferências de calor de uma arquitectura tradicional de arrefecimento por água fria com um permutador de calor de placas a um sistema autónomo com um permutador de calor ar-ar. Três trocas de calor ocorrem no modo de economia no design tradicional - a torre de arrefecimento, o permutador de calor de placas e o tratamento de ar, enquanto o design de arrefecimento com um permutador de calor ar-ar tem apenas uma troca.

Troca de calor: Torre de

arrefecimento

Troca de calor: Permutador de calor de placas

de recurso

Troca de calor: Unidade de

tratamento de ar

Ar do exterior bolbo seco: 6,5ºC

Entrada de T bolbo seco:21,1ºC

Troca de calor: Permutador de

calor ar-ar

Ar do exterior bolbo seco: 15,2ºC

Entrada de TI bolbo seco: 21,1ºC

Melhoria da eficiência

Diagrama 3 A arquitectura de arrefecimento afecta as horas de economia Em cima - central de água fria tradicional (3 permutadores de calor) Em baixo - sistema autónomo (1 permutador de calor) Hipótese: 100% de carga, St. Louis, MO, EUA



Como a Diagrama 3 ilustra, para obter uma temperatura de entrada de TI de 21,1ºC em pleno funcionamento de economia, o design tradicional necessita de uma temperatura de bolbo seco do ar exterior de 6,5ºC ou inferior e uma temperatura de média coincidente de bolbo húmido de 4,2ºC ou inferior. No entanto, o permutador de calor ar-ar pode alcançar a mesma temperatura de entrada de TI em pleno funcionamento de economia com temperaturas exteriores até 15,2ºC e uma temperatura média coincidente de bolbo húmido de 12ºC. Isto significa que existem 16 graus adicionais em que o modo de economia pode operar. Para St. Louis, MO, esses 16 graus adicionais (de 43,7F a 59,3F) representam 1975 horas adicionais ou 23% do ano. Arrefecimento evaporativo O arrefecimento evaporativo é outra característica vantajosa dos módulos de arrefecimento eficientes, porque aumenta a utilização do modo de economia para vários locais, em particular com climas quentes e secos. O benefício energético do arrefecimento evaporativo aumenta à medida que a diferença entre as temperaturas ambiente do bolbo seco e do bolbo húmido aumentam. A Diagrama 4 ilustra como o arrefecimento evaporativo pode ser implementado utilizando um permutador de calor ar-ar. No modo de arrefecimento evaporativo, a água é pulverizada uniformemente no exterior do permutador de calor. À medida que o ar ambiente é soprado no exterior do permutador de calor (indicado pelo número 1), a água evapora provocando uma redução da temperatura do ar do exterior1. A temperatura mais baixa do ar do exterior é agora capaz de remover mais energia do calor do ar do centro de dados fluindo através do interior dos tubos no permutador de calor ar-ar (indicado pelo número 2).

12

4

3

1. Ar ambiente frio

2. Ar recirculado quentede TI

3. Fornecimento de ar frio para TI

4. Ar quente de saída ambiente

Impacto do ambiente de funcionamento de TI na economia Na maioria dos centros de dados actuais, a média das temperaturas de entrada de TI varia entre 18ºC a 21˚C. Vários operadores de centros de dados são muito conservadores com o que definem como temperatura e humidade “aceitáveis” para o seu espaço de TI, porque acreditam que é necessário garantir o funcionamento fiável e evitar falhas prematuras do seu equipamento de TI. Contrastando com isto, a ASHRAE TC9.9 lançou recentemente as suas Directrizes térmicas de 2011 para ambientes de processamento de dados (“2011 Thermal Guidelines for Data Processing Environments”)2, que recomendam um ambiente de funcionamento mais alargado para a temperatura e humidade e os fornecedores de TI estão a especificar janelas de funcionamento aceitáveis ainda maiores. A Diagrama 5 fornece uma comparação do “envelope” original recomendado pela ASHRAE, os novos limites recomendados e permitidos pela ASHRAE e as especificações típicas do fornecedor actualmente.

1 A água requer calor para evaporar. O ar fornece este calor o que provoca uma redução na temperatura

do ar. Também é conhecido como o calor de vaporização e é o mesmo fenómeno que experienciamos quando suamos e nos sentimos mais frescos quando passa uma brisa.

2 http://tc99.ashraetcs.org/documents/ASHRAE%20Whitepaper%20-%202011%20Thermal%20Guidelines%20for%20Data%20Processing%20Environments.pdf, acedido a 22 de Junho de 2011

Diagrama 4 Arrefecimento evaporativo no módulo de arrefecimento de elevada eficiência - EcoBreeze da Schneider Electric

> Média coincidente de bolbo húmido A temperatura média coincidente de bolbo húmido (MCWB) é a média da temperatura do bolbo húmido indicada ocorrendo paralelamente com a temperatura do bolbo seco (DB) correspondente.

http://tc99.ashraetcs.org/documents/ASHRAE%20Whitepaper%20-%202011%20Thermal%20Guidelines%20for%20Data%20Processing%20Environments.pdf

http://tc99.ashraetcs.org/documents/ASHRAE%20Whitepaper%20-%202011%20Thermal%20Guidelines%20for%20Data%20Processing%20Environments.pdf



-

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

Abso

lute

Hum

idity

Temperature

Original recomendado pela ASHRAE

Actual recomendadopela ASHRAE

Actual permitido pela ASHRAE

Especificações típicas do

fornecedor

O eixo horizontal é a gama de temperatura e o eixo vertical é a gama de humidade. Quanto maior for a janela de condições aceitáveis definidas pelo equipamento de TI num centro de dados, maior é o número de horas que o sistema de arrefecimento pode operar num modo de economia. Continuando com os mesmos pressupostos da comparação da Diagrama 3, considere o efeito da temperatura de entrada de TI numa central refrigeradora com o permutador de calor ar-ar. A Tabela 1 ilustra o aumento em horas alcançado ao aumentar a temperatura de entrada de TI para o limite recomendado pela ASHRAE.

A Tabela 2 ilustra as horas adicionais De funcionamento para o módulo de arrefecimento autónomo de elevada eficiência (troca de calor única) quando o limite de temperatura recomendado pela ASHRAE é definido. O número de horas no funcionamento em modo de economia aumenta dramaticamente para 72% do ano. À medida que os operadores de centros de dados se tornam mais confortáveis em avançar para “envelopes” ambientais mais alargados, o funcionamento no modo de economia Pode-se tornar o principal modo de funcionamento, em vez do modo de reserva. Tenha em atenção que à medida que A janela de temperatura e humidade continua a aumentar, os sistemas de ar directo têm a oportunidade de aumentar ainda mais as horas em modo de economia.

Temperatura de entrada de

TI

Temperatura maxima do ar

exterior

Total de horas de economia

% de economia anual

21,1ºC DB: 6,5ºC MCWB: 4,2ºC

2,419 28%

27ºC DB: 13,7ºC MCWB: 10,6ºC 4,070 47%

Diagrama 5 O ambiente de funcionamento em expansão

Tabela 1 Impacto do aumento da temperatura de TI do permutador de calor de placas tradicional (3 trocas de calor)



Componentes de arrefecimento eficientes As VFD’s (Variable Frequency Drives, Unidades de frequência variável) em componentes de arrefecimento (ou seja, ventoinhas, bombas, compressores) e ventoinhas comutadas electronicamente (EC – electronically commutated) poupam uma quantidade significativa de energia. Muitos dos centros de dados actuais utilizam componentes no seu design de arrefecimento que não possuem VFD’s nos componentes incluindo refrigeradores, ventoinhas de tratamento de ar, bombas de rejeição de calor e bombas de água fria. Considere o desperdício de energia de um centro de dados que está carregado a 50% e tem unidades de tratamento de ar em funcionamento a 100% (velocidade da ventoinha máxima). Estas ineficiências tornam-se ainda mais dramáticas quando a redundância 2N é um requisito. As VFD’s abordam este desperdício de energia ao reduzir as perdas fixas, para que o sistema não consuma a mesma energia quando tem menos carga. Controlos integrados programados na fábrica Ao adquirir um veículo eléctrico híbrido, a expectativa é que irá transitar suavemente e eficientemente entre os modos eléctrico e a gasolina como um relógio, independentemente do que acontecer. É uma expectativa comum e incontestada devido, em grande parte, à normalização dos automóveis. Esta mesma expectativa é possível para sistemas de arrefecimento de centros de dados autónomos, normalizados e economizadores. É apenas através deste nível de normalização que um sistema de arrefecimento de economia operará eficientemente e previsivelmente em todos os modos de funcionamento à medida que há alterações de definições ou climáticas. Mais especificamente, os controlos e o software de gestão têm de ser normalizados, pré-concebidos e programados na fábrica e totalmente integrados no sistema de arrefecimento autónomo. Os controlos nos designs tradicionais, por outro lado, são geralmente concebidos no local. A engenharia de uso instantâneo do esquema de controlos e gestão geralmente resultam em controlos que: • são únicos e não podem ser reproduzidos

• não são optimizados para o consumo de energia

• não são completamente testados

• não têm um funcionamento do sistema completamente documentado

• são inflexíveis às alterações nos centros de dados

• requerem entradas manuais e monitorização

É por isso que é extremamente difícil construir sistemas de arrefecimento economizadores e controlos únicos que operarão eficientemente e previsivelmente em todas as condições climatéricas. Alguns exemplos das complexidades com os controlos de um design de refrigerador/torre de arrefecimento/permutador de calor de placas incluem:

Temperatura de entrada de TI

Temperatura do ar do exterior máxima

Total de horas de economia

% de total de economia o ano

todo

21,1ºC DB: 15,2ºC MCWB: 12ºC

4,394 50%

27ºC DB: 22,2ºC MCWB: 17,7ºC

6,289 72%

Tabela 2 Impacto do aumento da temperatura de entrada de TI no sistema autónomo (1 troca de calor)



• Determinar os pontos de funcionamento ideais de todos os componentes individuais que produzem a utilização de energia mais baixa de todo o sistema sob qualquer condição

• Determinar todas as formas em que o sistema pode falhar e abranger esses modos de falha nos controlos personalizados para um funcionamento tolerante a falhas (por exemplo, arquitectura de comunicações que seja tolerante a um cabo de rede cortado)

• Determinar, controlar e integrar os diferentes componentes não normalizados (bombas, válvulas especializadas e unidades de frequência variáveis (VFD’s)) que movimentam a água sobre o “enchimento” da torre.

• Determinar e controlar as ventoinhas que podem estar a velocidade única, várias velocidades ou velocidade variável

• Determinar a sequência de funcionamento no caso de uma carga escalável - no modo de economia, necessitará o refrigerador de ficar On-line rapidamente até a temperatura da água atingir um estado estável?

• Determinar se um tanque de armazenamento de água fria é necessário de modo a fornecer ao refrigerador algum tempo para alcançar um funcionamento estável durante as alterações de estado

• Integrar os refrigeradores com características físicas (circuitos de derivação e retorno, etc.) que permitem aos refrigeradores “aquecerem” suficientemente a água do condensador durante a transição de economia para o funcionamento de arrefecimento DX (se a água do condensador está demasiado fria, o refrigerador não irá ligar)

• Controlar os aquecedores do reservatório ou várias fases de aquecedores do reservatório, que podem ser necessários para evitar o congelamento quando utilizados para arrefecimento livre no inverno

• Controlar as válvulas integradas na arquitectura do sistema de tubagens, as bombas que fornecem água à torre e os permutadores de calor e refrigeradores que dependem da torre para o funcionamento adequado

Os centros de dados geralmente exigem arquitecturas flexíveis, de modo a acomodar alterações nos requisitos de TI enquanto minimizam os custos de aquisição e operação. A abordagem de arrefecimento apresentada neste documento vai de encontro a estas necessidades com os seguintes atributos de desempenho: • Design normalizado, autónomo

• Design modular para capacidade de dimensionamento

• Área útil de TI minimizada

Design normalizado, autónomo Um sistema de arrefecimento normalizado e pré-concebido que é entregue em módulos pré-embalados, tais como patins, contentores ou kits garantem o fabrico num ambiente controlado e simplificam o envio e a instalação. Um exemplo de como a instalação pode ser simplificada é a utilização de conexões rápidas no design para ligações fáceis ao abastecimento de água principal para o arrefecimento evaporativo. A aplicação técnica 163, Módulos de alimentação e arrefecimento em contentores para centros de dados, discute as poupanças de tempo, custo inicial e custos de manutenção, bem como os benefícios de flexibilidade e fiabilidade dos designs em contentores normalizados. A Diagrama 6, solução EcoBreeze da Schneider Electric, é um exemplo de um módulo de arrefecimento normalizado e autónomo.

Melhoria da flexibilidade/ agilidade

Módulos de alimentação e arrefecimento em contentores para centros de dados





Uma infra-estrutura de arrefecimento de centros de dados tradicional, por outro lado, pode ser muito complexa devido ao número de componentes e como são instalados, mantidos e geridos. A instalação requer tubagens, condutas e isolamento extensos e a ligação de vários subsistemas (bombas, refrigeradores, torres de arrefecimento, etc.) no local. A Diagrama 7 ilustra um exemplo de tal design. Estes vários componentes provêm geralmente de uma grande diversidade de fornecedores e são integrados de forma personalizada no local para a instalação específica. Isto normalmente significa que são mais dispendiosos, ocupam mais tempo e são mais difíceis de expandir. Além disso, têm maior probabilidade de manutenção devido a falhas e emergências, bem como uma linha ténue de responsabilidade quando ocorre uma falha.

Escalabilidade À medida que os centros de dados expandem, é importante que a sua arquitectura de arrefecimento seja capaz de crescer com eles, ao invés de um sobredimensionamento inicial para uma carga final do centro de dados desconhecida, considerada como o pior caso. Ser capaz de implementar capacidade ao longo do tempo ajuda a gerir as despesas de funcionamento e de capitais. Um design modular permite a capacidade de escalar, conforme necessário, sem um período de inactividade para a carga de TI ou o sistema instalado. No entanto, nos designs de arrefecimento tradicionais, os componentes de arrefecimento, tais como refrigeradores e torres de arrefecimento, são geralmente dimensionados para a carga final máxima de um centro de dados, devido ao risco de fiabilidade e complexidade no escalonamento de tais componentes em ciclos de arrefecimento de produção. Isto resulta num sobredimensionamento significativo, uma vez que o crescimento da carga é, geralmente, muito incerto. O sobredimensionamento desta infra-estrutura significa despesas de capital e funcionamento desnecessárias (para instalar e manter uma maior capacidade do que necessário) e a diminuição da eficiência.

Diagrama 7 Exemplo da complexidade dos designs de arrefecimento

Diagrama 6 Exemplo de um design normalizado e autónomo



Minimizar a área útil de espaço de TI Um sistema de arrefecimento autónomo colocado no exterior do edifício ou no telhado significa que mais espaço está disponível na divisão de TI para equipamento de TI de valor acrescentado. Para além disso, quando comparado com a área útil total de todos os componentes num sistema de água fria/torre de arrefecimento, um sistema de arrefecimento autónomo tem uma área útil menor. Um benefício adicional de manter o sistema de arrefecimento no exterior do espaço de TI é de que menos pessoal necessitará de aceder ao espaço de TI (ou seja, para actividades de manutenção e actualizações/instalações), reduzindo o risco de um período de inactividade devido a erro humano. Num centro de dados típico, entre 10% a 20% do espaço em branco é ocupado por componentes físicos da infra-estrutura incluindo unidades de tratamento de ar/ar condicionado, humidificadores, UPS’s, unidades de distribuição de energia e espaços livres necessários à assistência. Isto é espaço que não pode ser utilizado para equipamento de TI de valor acrescentado. Em algumas partes do mundo onde o espaço imobiliário é escasso, é uma limitação significativa do design do centro de dados. O principal objectivo da maioria dos gestores de centros de dados é garantir que as cargas críticas de TI permaneçam em funcionamento continuo. Um sistema de arrefecimento que abrange as necessidades de fiabilidade e disponibilidade dos centros de dados actuais tem de: • ser tolerante a falhas e fazer-se manutenção sem estar offline

• ser configurável para vários requisitos de redundância sem necessitar de alterações nos controlos de funcionamento

• isolar o ar do interior do ar do exterior para um ambiente controlado

• minimizar a sua dependência de água

• abordar as preocupações ambientais sobre os químicos utilizados em alguns sistemas de refrigeração ou sistemas baseados em água

• fornecer o fluxo de ar necessário confinando-o aos fluxos de fornecimento e retorno

Manutenção A manutenção simultânea é essencial para alcançar os objectivos de fiabilidade e disponibilidade. Um sistema com “modularidade de dispositivo” permite a manutenção de dispositivos internos, também referidos como “módulos internos”, enquanto o restante sistema de arrefecimento permanece activo. A manutenção de tais módulos envolve o isolamento de ar, água e energia, que são todos facilmente acessíveis. Podem ser removidos utilizando ferramentas, tais como conjuntos de parafusos macaco?? Estas tipo de design permitem que a manutenção ocupe metade do tempo, quando comparado com um design não modular. Vários sistemas de arrefecimento requerem um encerramento do sistema completo para certas actividades de manutenção. Isto significa que, de modo a ter uma manutenção simultânea, é necessário um sistema 2N completo, o que é muito dispendioso. Por exemplo, com um design de água fria, o centro de dados iria necessitar de dois refrigeradores independentes para que um pudesse continuar a funcionar e a arrefecer o centro de dados enquanto no outro é efectuada a manutenção. Em alguns casos, um design N+1 poderá cumprir os requisitos de manutenção simultânea.

Melhoria da fiabilidade e disponibilidade



Redundância Um sistema que pode alcançar níveis de disponibilidade Tier 4 sem a despesa de dois sistemas completos cumpre as necessidades críticas, bem como as restrições orçamentais dos gestores de centros de dados actuais. Um sistema modular bem concebido, refrigerado com ar indirecto e com redundâncias incorporadas, numa configuração N+1, pode alcançar isto através de componentes redundantes e difusores de ar comuns e sem focos individuais de avaria dentro do sistema. Se um módulo interno falha, os restantes módulos internos irão utilizar a sua capacidade de arrefecimento e manter o valor de referência. Exemplos da eficácia da redundância de componentes e tolerância de falhas são: a inclusão de bombas duplas com um indicador fluxométrico que detecta a ausência de fluxo e alterna as bombas no caso de uma falhar; e controlos redundantes para garantir o funcionamento do sistema caso um sistema de controlo falhe. Ambiente controlado Um sistema com um permutador de calor ar-ar e arrefecimento evaporativo permite poupanças de energia significativas em relação a sistemas de arrefecimentos típicos, enquanto garante uma separação total do ar do interior e do exterior. Isto é importante para os gestores de centros de dados preocupados com poluentes, filtros de ar obstruídos ou variações na temperatura e humidade que poderiam aumentar o risco de um período de inactividade do seu equipamento de TI. Minimizar a dependência de água Num sistema com uma dependência inferior de Água, durante o ano é menos provável de acontecer uma falha devido a perda de água. Com um design de arrefecimento de água fria/torre de arrefecimento, o funcionamento do centro de dados está dependente do fornecimento de água. A ausência de água poderia significar que a torre de arrefecimento é deixada sem água de reposição, da qual este sistema está dependente 8760 horas por ano. As torres de arrefecimento consomem aproximadamente 40 galões por minuto / 1000 toneladas de capacidade de arrefecimento (151,4 litros por minuto)3. Arquitecturas melhoradas, como um sistema independente discutido neste documento, utilizam água para assistência evaporativa, mas em muito menor dimensão, uma vez que apenas utiliza o processo de assistência evaporativa durante os períodos mais quentes do ano. A probabilidade de que a perda de água poderia ocorrer ao mesmo tempo que o funcionamento da assistência evaporativa é muito menor. Ecológico Como parte das iniciativas “verdes” da empresa, alguns gestores de centros de dados estão a procurar opções que abordam as preocupações ambientais sobre os químicos associados com alguns sistemas de refrigeração ou com base em água. Um sistema de arrefecimento com tratamento de água livre de químicos elimina todos os poluentes da água incluindo potenciais ameaças biológicas. Um tipo comum de sistema livre de químicos envia impulsos eléctricos através da água para alterar a polaridade dos poluentes minerais que faz com que formem grupos e precipitam-se em pó e, em seguida, são escoados do reservatório. Os microorganismos são encapsulados nesta acção de agrupamento e, ao passar através de impulsos eléctricos, as paredes das suas células são danificadas através da electroporação. Isto faz com que passem o seu curto ciclo de vida

3 Arthur A. Bell, Jr., HVAC Equations, Data, and Rules of Thumb (Nova Iorque: McGraw-Hill, 2000),

p. 243



a tentarem-se reparar, em vez de se reproduzirem e se tornarem uma ameaça ao sistema de água. Tal sistema elimina os custos dos químicos e da manutenção especial do tratamento químico e aborda as preocupações ambientais. Além disso, a água de esvaziamento de tal sistema pode ser reutilizada para utilização de águas residuais na instalação, conservando o consumo de água. Previsibilidade de desempenho do fluxo de ar A contenção do ar, para separar o ar reciclado quente do ar de abastecimento frio, é essencial para o arrefecimento eficiente. Sem uma forma de contenção do ar, os pontos quentes são prováveis - algo que os gestores de centros de dados tentam a todo o custo evitar – ou significativos sobreaprovisionamento dos refrigeradores ocorre, o que significa um aumento considerável do consumo de energia e custos gerais. A aplicação técnica 135, Contenção de corredor quente vs. contenção de corredor frio para centros de dados, aborda os desafios da mistura de ar e fornece recomendações para a contenção eficaz do ar nos novos centros de dados.

Entradas de ar frio do exterior

Ar quente de saída do exterior

Chão falso para fornecimento de ar frio

Tecto falso para ar quente recirculado

O espaço de TI pode ser um ambiente de piso elevado com ladrilhos perfurados para distribuição de ar, como nos centros de dados típicos, ou o ar pode ser distribuído com difusores de ar em fim de linha para fornecer ar à sala através das placas. O ar quente dos servidores é controlado através da tubagem ligada aos bastidores. O ar quente sobe para o sistema de distribuição do ar no tecto e é inserido na tubagem de retorno do refrigerador. A Diagrama 8 ilustra como o ar de fornecimento e retorno num módulo de arrefecimento autónomo, como o EcoBreeze da Schneider Electric, são canalizados num ambiente TI com piso elevado. Independentemente da arquitectura da central de arrefecimento utilizada, a separação de ar quente e frio é uma melhor prática que deve ser adoptada por todos os centros de dados para melhorar a eficiência e o desempenho de arrefecimento. A Tabela 3 fornece uma comparação de duas arquitecturas – um design de central refrigeradora tradicional (definido na caixa de texto abaixo) com um permutador de calor de placas e um módulo de arrefecimento autónomo (conforme discutido anteriormente neste documento). O refrigerador modular fornece benefícios significativos em relação ao sistema tradicional, conforme indicado pelas células realçadas da Tabela 3.

Comparação de arrefecimento arquitecturas

Diagrama 8 A distribuição de ar da central de arrefecimento modular EcoBreeze

Contenção de ala quente vs. contenção de ala fria para centros de dados





Característica de design Refrigerador evaporativo indirecto modular Central de água fria tradicional

Principal modo de funcionamento

Modo de economia (permutador de calor ar-ar e arrefecimento evaporativo) com refrigeradores DX como reserva

Funcionamento do refrigerador com permutador de calor de placas como recurso

Controlos e gestão de software

Os controlos pré-integrados e normalizados garantem um modo de funcionamento ideal a todo o momento; poucos dispositivos para controlar

Vários dispositivos para controlar; controlos personalizados complexos que geralmente resultam numa central de arrefecimento que não está no seu

d d f i t id l

Factor de formato Design modular ajusta o dimensionamento da capacidade ao longo do tempo

Os refrigeradores, bombas e torres de arrefecimento são geralmente instalados no 1º dia para o pior caso de cargas finais, resultando num

b di i t i ifi ti

Área útil de espaço de TI Zero de área útil de espaço de TI; fica no exterior do centro de dados

Ocupa cerca de 30 m2 por cada 100 kW de carga de TI, ou cerca de 5% de espaço numa sala de computadores

Capacidade de aplicação em instalações antigas

Não é uma aplicação lógica em instalações existentes; apenas eficiente em termos de custos para novas instalações

Prático, se houver espaço disponível; requer tubos adicionais

Adapta-se aos requisitos de redundância

O design modular adapta-se facilmente aos requisitos de redundância variáveis – ou seja, um módulo adicional pode ser adicionado para a configuração N+1

Certos componentes na arquitectura podem ser proibitivos em termos de custos nas configurações redundantes (ou seja, refrigerador)

Utilização de energia

Operação no modo de economia > 50%* do ano; Concebido tipicamente para nunca necessitar de arrefecimento mecânico completo; 1 permutador de calor significa que o modo de economia funciona a temperaturas de exterior superiores * Baseado nos pressupostos da Figura 3

Opera no modo de economia aproximadamente 25%* do ano; Principal modo de funcionamento é o arrefecimento mecânico completo; 3 pontos de troca de calor significam uma maior diferença de temperatura necessária entre a temperatura de entrada de TI e a temperatura do exterior * Baseado nos pressupostos da Figura 3

Dependência de água Probabilidade mais baixa de perda de água ao mesmo tempo que a assistência evaporativa é necessária

A perda de água é crítica – a torre de arrefecimento depende da água de reposição 8760 horas do ano.

Ambiente controlado Os poluentes do ar exterior estão isolados das entradas de TI o que reduz o risco de período de inactividade

Os poluentes do ar exterior estão isolados das entradas de TI o que reduz o risco de período de inactividade

Custo inicial $2,4/watt para o sistema inteiro $3,0/watt para o sistema inteiro

Tabela 3 Comparação do desempenho do arrefecimento

> Método de arrefecimento tradicional Um método de arrefecimento tradicional é definido como tendo os seguintes atributos: • As unidades CRAC/CRAH estão localizadas na divisão de TI • O ar é distribuído sob o piso elevado através de ladrilhos ventilados • A extracção do ar quente para o exterior é efectuada através da torre de arrefecimento • Os componentes instalados inicialmente são projectados para a capacidade de

arrefecimento máximo • O sistema tem um funcionamento em modo de economia mínimo • Componentes de arrefecimento de vários fabricantes e que são integrados para um projecto • Os controlos são criados para o projecto • O software de gestão é personalizado para o projecto



Os designers e gestores de centros de dados enfrentam a difícil tarefa de escolher entre várias arquitecturas de arrefecimento. A Calculador do PUE do arrefecimento no modo de economia, ajuda a quantificar esta decisão e ilustra quais as arquitecturas que têm O PUE, os custos de energia e as emissões de carbono ideais para a localização do centro de dados e o ambiente de funcionamento de TI. A Diagrama 9 ilustra as entradas e saídas desta ferramenta.

Outra arquitectura de arrefecimento que recebeu muita atenção da indústria é a do ar fresco directo. É evidente que reduzir o número de trocas de calor é benéfico para o número de horas do modo de economia e, por último, aumenta a eficiência. E uma vez que os sistemas de ar directo filtram simplesmente o ar do exterior para o espaço de TI, não tem trocas de calor. Nos centros de dados onde ocorre alterações de temperaturas E das condições de humidade, esta é uma arquitectura de arrefecimento a considerar. No entanto, actualmente a maioria dos gestores de centros de dados têm aversão a riscos relativamente a temperaturas superiores e alterações rápidas de temperatura e humidade. Com o aumento da densidade dos equipamentos TI e a adopção de práticas de contenção de ar, permitindo que estes equipamentos funcionem a temperaturas elevadas, aumenta as preocupações, devido ao que pode acontecer se ocorrer uma falha no arrefecimento. Além disso, continuam a existir preocupações de fiabilidade relativamente aos poluentes, tais como poeiras, químicos de derrames, fumo/cinza, etc. Os sensores químicos e filtros podem ajudar a proteger contra isto, mas os filtros necessitariam de ser verificados frequentemente, uma vez que filtros obstruídos podem impedir o ar do refrigerador de entrar no espaço, conduzindo ao encerramento térmico. Estes filtros também resultam numa queda de pressão no sistema de fornecimento de ar, o que significa que mais energia é necessária para transportar a mesma quantidade de ar. Ao longo do tempo, se a fiabilidade e tolerância do equipamento de TI continuar a melhorar e se os operadores do centro de dados superarem a barreira psicológica de necessitarem de um ambiente controlado hermeticamente, a utilização dos sistemas de ar fresco directo pode tornar-se banal

Economia de ar fresco indirecto vs. directo

Diagrama 9 A calculadora ajuda a avaliar o desempenho das várias arquitecturas de arrefecimento

Calculador do PUE do arrefecimento no modo de economia

Link para a fonte TradeOff Tool 11

http://www.apc.com/tool/?tt=11



Os gestores de centros de dados actuais enfrentam uma pressão financeira e regulamentar crescente para melhorar a eficiência dos seus centros de dados. Ao mesmo tempo, o ambiente de TI está a alterar – as cargas são mais dinâmicas – tornando uma infra-estrutura física mais previsível e flexível numa necessidade. As arquitecturas de arrefecimento tradicionais são inadequadas para abordar estes desafios. De modo a alcançar os objectivos agressivos do PUE que estão a ser definidos pela gestão, os gestores de centros de dados têm de adoptar a filosofia de arrefecimento em que o principal modo de funcionamento está no modo de economia e o sistema mecânico é um recurso para o economizador, quando necessário. Para um número significativo de climas no mundo, um sistema de arrefecimento evaporativo indirecto com permutador de calor ar-ar é o modo mais eficiente para alcançar isto, sem expor directamente o espaço de TI aos poluentes e condições do ar exterior. Além disso, os gestores de centros de dados têm de procurar uma arquitectura de arrefecimento que se possa adaptar eficientemente a várias cargas de TI, que possa ser escalável rapidamente à medida que a capacidade TI é escalável, normalizada e pré-concebida com controlos integrados para o funcionamento ideal. Juntamente com uma melhor prática na gestão de fluxo de ar e uma janela de funcionamento maior para a temperatura de TI, o capex e opex de arrefecimento podem ser reduzidos substancialmente. Ferramentas como Calculador do PUE do arrefecimento no modo de economia da Schneider Electric podem ajudar a identificar a arquitectura de arrefecimento ideal para uma localização geográfica específica e para as características de carga de TI.

Conclusão

Wendy Torell é uma analista de investigação sénior do Data Center Science Center da Schneider Electric. Realiza trabalhos de consultoria na área de estratégias científicas de disponibilidade e concepção de práticas para optimizar a disponibilidade dos ambientes de centros de dados. Completou o bacharelato em Engenharia mecânica pela Union College em Schenectady, NY e o MBA da Universidade de Rhode Island. Wendy é uma Engenheira de qualidade certificada pela ASQ.

Sobre o autor



Modos de economia do centro de dados Sistemas de arrefecimento White Papers 132

Exemplo de especificação de um centro de dados Arquitectura White Papers 160

Módulos de alimentação e arrefecimento em contentores para centros de dados White Papers 163

Contenção da ala quente vs. ala fria para centros de dados White Papers 135

Calculadora da PUE do modo de economia do arrefecimento TradeOff Tool 11

Recursos Clique no ícon para visualizar a fonte

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