perimetral, por corredor e por rack para data center · o método mais habitual para a...

Como escolher entre refrigeração perimetral, por corredor e por rack para data center

Revisão 2

Por Kevin Dunlap e Neil Rasmussen

Introdução 2

Refrigeração perimetral, corredor e rack

2

Comparação dos três métodos de refrigeração

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Conclusão 14

Recursos 15

clique em uma seção para ter acesso a elaConteúdo

White Paper 130

Os equipamentos de TI mais modernos de alta densi-dade e densidade variável geram condições para as quais a refrigeração de data centers tradicionais não foram projetados; por isso, os sistemas de refrigeração são pouco eficazes, imprevisíveis e tem baixa densidade de potência. Métodos de refrigeração perimetral, corredor e rack foram desenvolvidos para solucionar esses problemas. Este documento descreve os métodos de refrigeração que foram aprimorados e fornece a orientação sobre quando cada tipo deve ser usado nos data centers modernos.

Sumário Executivo >

by Schneider Electric White Papers são parte da livraria de White papers Schneider Electric, produzidos pelo centro científico de data centers Schneider Electric [email protected]


Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 130 Rev 2 2

Quase toda a energia elétrica fornecida às cargas de TI em um data center resulta em desperdício de calor que deve ser removido para evitar o aumento de temperatura. Praticamente todos os equipamentos de TI possuem refrigeração por ar e isso ocorre em ambientes onde o calor é rejeitado por exaustores. Como os data centers podem conter milhares de dispositivos de TI, eles podem ter milhares de vias de circulação de ar quente que, quando somadas, representam o total de calor residual produzido no data center, e este calor residual deve ser extraído. Os sistemas de ar condicionado para data centers visam a captação satisfatória deste complexo fluxo de calor residual para extraí-lo da sala. O método mais habitual para a refrigeração do data center é o ar condicionado perimetral que distribui o ar frio sob um teto baixo sem nenhuma forma de confinamento. Isto é conhecido como o abastecimento desejado e a distribuição do ar de retorno conforme discutido no White Paper 55, Os Diferentes Tipos de Distribuição de Ar para Ambientes de TI. Através deste método, um ou mais sistemas de ar condicionado que trabalham em paralelo insuflam ar frio para o data center e extraem o ar quente do ambiente. O princípio básico deste método é que os condicionadores de ar não apenas oferecem capacidade de refrige-ração em, mas também funcionam como grandes misturadores que agitam e misturam constantemente o ar da sala para gerar uma temperatura média homogênea e evitar a pro-dução de concentrações de calor. Esse sistema é eficaz desde que a energia necessária para misturar o ar for uma pequena fração do consumo total de energia do data center. A experiência e os dados de simulações mostram que este sistema é efetivo quando a média de densidade de potência no data center se encontra entre 1 e 2 kW por rack, isto é, entre 323 e 753 W/m2 (entre 30 e 70 W/pé2). Podem ser tomadas várias medidas para aumentar a densidade da energia de refrigeração tradicional mas ainda há limites práticos. Mais informações sobre a limitação do uso da refrigeração tradicional poderão ser encontradas no White Paper 46 “Estratégias de refrigeração para racks de alta densidade e servidores blade”. Infelizmente, as densidades de potência dos equipamentos de TI modernos elevam a densidade de potência máxima até 20 kW por rack ou mais, situações nas quais a experiência e os dados de simulações mostram que a refrigeração da sala por mistura de ar perde toda eficácia. Para solucionar este problema, surgem novas metodologias de design relacionadas à refrigeração perimetral corredor e rack. Nessas novas metodologias, os sistemas de ar condicionado são especificamente integrados a salas, fileiras de racks ou rack individual para reduzir a mescla de ar. Assim, há maior previsibilidade, densidade e eficácia, entre outros benefícios. Neste relatório, as diferentes metodologias são explicados e comparados. Será mostrado que há uma aplicação apropriada em cada uma das três abordagens, e, em geral, deve-se esperar uma tendência de refrigeração por fileira para data centers pequenos e zonas de alta densidade e ambientes de refrigeração com confinamento para grandes data centers. Cada sistema de ar condicionado para data centers cumpre duas funções vitais: fornecer capacidade de refrigeração global e distribuir o ar para as cargas de TI. A primeira função, fornecer capacidade de refrigeração global, é invariável para refrigeração por sala, fileira e rack. Em essência, isso significa que a capacidade de refrigeração global do sistema de ar condicionado expressa em quilowatts deve extrair a potência total da carga (kW) dos equipamentos de TI. As diversas tecnologias para executar esta função não variam, seja um sistema de refrigeração projetado para o nível de sala, fileira ou rack. A diferença mais importante entre refrigeração por sala, fileira e rack é a execução da segunda função chave: a distribuição de ar para as cargas. Ao contrário da distribuição de energia, na qual o fluxo é reduzido aos cabos e é claramente percebido como parte do design, a circulação de ar é apenas delimitada pelo design da sala, sendo que o trajeto do ar não é visível,

Introdução

Refrigeração perimetral, corredor e rack

Os diferentes tipos de equipamentos de distribuição de ar para ambientes de TI

Link para a fonte White Paper 55

Estratégias de refrigeração para racks e servidores blade de densidade ultra-alta




com variações consideráveis entre as diferentes instalações. O controle do fluxo do ar é o mais importante objetivo das diferentes metodologias de design em sistemas de refrigeração. As três configurações básicas são demonstradas nas plantas baixas conforme mostrado na Figura 1. Na figura, os quadrados pretos representam os racks colocados em fileiras e as flechas azuis, a forma de distribuição do fluxo de ar na sala de informática (CRAH) em relação às cargas nos racks de TI. A disposição física das unidades CRAH pode mudar. Na refrigeração por sala, as unidades CRAH são associadas à sala; na refrigeração por fileira, a fileiras ou grupos; e na refrigeração por rack, a racks individuais.

Nas seções a seguir, apresenta-se um resumo dos princípios básicos de funcionamento de cada método.

Refrigeração perimetral Na refrigeração por sala, ou perimetral as unidades CRAH são associadas à sala e funcionam em simultâneo para dissipar a carga térmica total da sala. Esse tipo de refrigeração pode ter um ou mais condicionadores de ar fornecendo ar frio sem nenhuma restrição imposta por tubulações, reguladores, ventilações etc. ou também o fornecimento ou o retorno pode ter uma limitação parcial através de um sistema de piso elevado ou dutos de retorno instalada no teto. Para obter mais informações, consulte o White Paper 55, Os diferentes tipos de distribuição de ar para ambientes de TI. Durante o planejamento do layout do data center, a atenção dada à circulação de ar costuma ser muito diferente de acordo com o seu tamanho. Em salas pequenas, nem sempre a localização dos racks é planejada, portanto, também não são planejadas as limitações para a circulação de ar. Em instalações mais sofisticadas, o piso elevado pode ser utilizado para a distribuição do ar em uma disposição de corredor quente/corredor frio bem planejada, visando à direção e alinhamento do fluxo de ar com os gabinetes de TI. O design da arquitetura do ambiente será afetada fortemente pelas limitações apresentadas pelo ambiente, incluindo a altura do teto, o formato do local, obstruções acima e debaixo do piso, o layout do rack, a localização do CRAH, a distribuição de energia entre as cargas de TI, etc. Quando o fornecimento e os caminhos de retorno não estiverem confinados, a previsão de desempenho e uniformidade de desempenho são pobres e a densidade da energia será maior. Por tanto, pode ser necessário recorrer a um complexo método de simulações computadorizado, denominado dinâmica de fluidos computacional (CFD), para ajudar a compreender o desempenho do design de instalações específicas. Ainda mais, as alterações, como acréscimos, deslocamentos e trocas de equipamentos de TI, podem invalidar o modelo de desempenho e exigir testes ou análises mais detalhadas. Em especial para garantir a redundância nas unidades CRAH, uma análise muito complicada deve ser realizada e ela é muito difícil de ser validada. Um exemplo de configuração tradicional de refrigeração perimetral é mostrado na Figura 2.

Por sala Por fileira Por rack

Figura 1 Disposição no piso que mostra o conceito básico da refrigeração perimetral, corredor e rack. As flechas azul-claras indicam a relação das principais vias de fornecimento de refrigeração para a sala.

Os diferentes tipos de equipamentos de distribuição de ar para ambientes de TI




Outra carência significativa da refrigeração perimetral é que em muitos casos não é possível utilizar toda a capacidade nominal da unidade CRAH. Isso ocorre quando grande parte do ar frio proveniente das unidades CRAH retorna diretamente a ele sem ter o contato necessário com o equipamento de TI. Este ar desviado representa a circulação de ar da unidade CRAH que não ajuda a resfriar as cargas; em essência, trata-se de uma diminuição da capacidade de refrigeração geral. Como resultado, os requisitos de refrigeração das cargas de TI podem superar a capacidade de refrigeração da unidade CRAH, apesar do volume da capacidade anunciada. Este problema é analisado com mais detalhes no White Paper 49, Como evitar erros que colocam em risco o desempenho do sistema de refrigeração em data centers e salas de rede. Para novos data centers com consumo superior a 200 kW, a refrigeração por sala deve ser especificada como sendo de confinamento de corredor quente para evitar os problemas discutidos acima. Esse método é eficaz com ou sem um piso elevado e as unidades de refrigeração podem estar localizada no interior do data center ou corredores técnicos. Para data centers existentes com refrigeração perimetral com piso elevado, a confinamento de corredor frio é recomendada, pois a implementação é mais fácil. Tanto a confinamento de corredor quente quanto corredor de frio são utilizadas para minimizar a mescla nos data centers. Cada uma dessas soluções tem suas próprias vantagens exclusivas descritas em mais detalhes no White Paper 135, Impacto da contenção de corredor quente e frio na eficiência e na temperatura do data center. A Figura 3 mostra dois exemplos de uma refrigeração por sala moderna.

Refrigeração por corredor Em uma arquitetura de refrigeração por corredor, ou também conhecido como inrow, as unidades CRAH são associadas a uma fileira e, para efeitos do design, devem ser dedicadas ao corredor. As unidades CRAH podem ser montadas entre os racks de TI ou em local elevado. Em comparação com a refrigeração por sala tradicional, com confinamento, o caminho de circulação de ar é mais curto e melhor definido. Além disso, a circulação de ar é muito mais previsível, pode ser utilizada toda a capacidade nominal da unidade CRAH e uma maior densidade de potência é atingida. A refrigeração por fileira apresenta muitas vantagens adicionais, além do desempenho. Como o trajeto do ar é reduzido, também é reduzida a potência que o ventilador da unidade CRAH deve ter, aumentando assim a eficácia. É um excelente benefício se considerarmos que em muitos data centers de pouca carga a potência do ventilador da unidade CRAH não supera o consumo energético total das cargas de TI. O layout por corredor permite que a capacidade de refrigeração e a redundância atendam à demanda real das fileiras específicas. Por exemplo, uma fila de racks pode executar aplicações de alta densidade, como servidor blade, enquanto outras filas atendem a aplicações de baixa densidade de potência, como gabinetes de comunicações. Aliás, é possível visar a uma redundância N+1 ou 2N para determinadas fileiras. Para novos data centers com consumo superior a 200 kW, a refrigeração por corredor deve ser especificada e pode ser implementada sem o piso elevado. Para data centers existentes,

Figura 2 Exemplo de uma configuração tradicional de refrigeração perimetral sem confinamento

Figura 3 Exemplos de refrigeração por sala com contenção moderna

Como evitar erros que colocam em risco o desempenho do sistema de refrigeração em data centers e salas de rede


Impacto da Contenção em Corredores Quentes e Frios sobre a Temperatura e a Eficiência do Data Center




a refrigeração por corredor deve ser considerada ao implantar cargas com densidade elevada (5 kW por rack e superior) White paper 134, Implantação de Pods de Alta Densidade em um Data Center de Baixa Densidade abordou as diferentes abordagens para a implantação de zonas de alta densidade em um data center existente. As Figuras 4a e 4b mostram exemplos da refrigeração por fileira.

Os sistemas de refrigeração na Figura 4a e 4b também podem ser configurados como sistemas de confinamento de corredor quente, que estende a capacidade de densidade de potência. Este design incrementa a previsibilidade do desempenho, já que elimina qualquer possibilidade de mistura de ar. A disposição geométrica, simples e pré-definida da refrigeração por corredor permite um desempenho previsível que o fabricante pode representar na sua totalidade e é relativamente imune aos efeitos da geometria da sala ou outras restrições. Deste modo, tanto a especificação como a implementação dos designs se torna mais simples, especialmente com densidades superiores a 5 kW por rack. A especificação da densidade de potência é definida detalhadamente no White Paper 120, “Diretrizes para a especificação da densidade de potência de um data center.

Refrigeração por rack Na refrigeração por rack, as unidades CRAH são associadas a um rack e são consideradas unidades dedicadas para cada rack. As unidades CRAH são diretamente montadas dentro dos racks de TI ou na direção deles. Comparado à refrigeração perimetral, corredor os caminhos de circulação de ar são ainda mais curtos e melhor definidos, de maneira que a circulação do ar é totalmente imune a qualquer mudança na instalação ou restrição da sala. Toda a capacidade da unidade CRAH pode ser utilizada e é possível atingir maior densidade de potência (até 50 kW por rack). Um exemplo de refrigeração por rack é mostrado na Figura 5.

Semelhante à refrigeração por corredor, a refrigeração por rack apresenta outras características exclusivas, além da capacidade de densidade extrema. Como o trajeto do ar é reduzido, também é reduzida a potência que o ventilador da unidade CRAH deve ter, aumentando assim a eficácia. Como já foi dito anteriormente, não é um benefício menor se considerarmos que em muitos data centers de pouca carga a potência do ventilador da unidade CRAH não supera o consumo energético total das cargas de TI.

Figura 4 4a (esquerda) Refrigeração por fileira montada no piso 4b (direita) Refrigeração por fileira superior

Figura 5 Refrigeração por rack com unidade de refrigeração totalmente dentro do rack

Diretrizes para a Especificação da Densidade de Potência do Data Center


Implantação de grupos de alta densidade em um data center de baixa densidade




O design de refrigeração por rack permite que a capacidade de refrigeração e a redundância atendam a demanda real dos racks específicos, por exemplo, diferentes densidades de potência para servidores Blade em comparação com os gabinetes de comunicações. Aliás, é possível visar a uma redundância N+1 ou 2N para determinados racks. Em comparação, a refrigeração por corredor só permite que estas características sejam especificadas no nível de fileira, e a refrigeração perimetral só permite que sejam especificadas no nível da sala. Semelhante à refrigeração por corredor, a geometria pré-definida da refrigeração por rack permite um desempenho previsível caracterizado pelo fabricante. Deste modo, uma simples especificação de densidade de potência e design é suficiente para implementar a densidade especificada. A refrigeração por rack deve ser usada em todos os tamanhos de data centers onde é necessária a refrigeração para racks com densidade alta independente. A mais importante desvantagem deste enfoque é que ele precisa de uma grande quantidade de dispositivos de ar condicionado e tubulações em comparação com os outros enfoques, em especial em instalações de baixa densidade de potência.

Refrigeração Híbrida Não há nenhum empecilho para que os métodos de refrigeração por sala, fileira e rack sejam utilizados juntos na mesma instalação. De fato, existem muitos casos nos quais uma arquitetura mista é muito útil. O alojamento de vários unidade de refrigeração no mesmo data center é considerado como uma abordagem híbrida conforme mostrada na Figura 6. Esta abordagem é benéfica aos data centers que funcionam com um espectro amplo de densidades de energia fornecida por rack. Os métodos de refrigeração por corredor e rack também são eficazes para aumentar a densidade dentro de um design existente de refrigeração perimetral com baixa densidade. Neste caso, alguns pequenos grupos de racks em um data center existente são equipados com sistemas de refrigeração por fileira ou rack. Os equipamentos de refrigeração por corredor ou rack isolam os novos racks de alta densidade com grande eficácia e os transformam em “termicamente neutros” para o sistema de refrigeração perimetral existente. No entanto, é muito provável que isso terá um efeito positivo devido ao aumento da capacidade de refrigeração no resto da arquitetura. Desta maneira, é possível acrescentar cargas de alta densidade a um data center de baixa densidade, sem ser preciso modificar o sistema de refrigeração perimetral existente. Implementando este enfoque, o resultado é a mesma arquitetura híbrida ilustrada na Figura 6.

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Por fileira

Por rack

Por sala

Figura 6 Layout no piso de um sistema que utiliza refrigeração por sala, fileira e rack em forma simultânea



Outro exemplo de uma abordagem mista, é a utilização de um sistema de dutos de eliminação de ar de exaustão que capturam o ar da exaustão no nível do rack e o conduzem diretamente de volta ao sistema de refrigeração perimetral. Este sistema apresenta alguns dos benefícios do sistema de refrigeração por rack, mas pode ser integrado com um sistema de refrigeração por sala existente ou planejado. Um exemplo desta equipamento é demonstrado na Figura 7.

Para tomar decisões corretas na escolha de uma refrigeração por sala, fileira ou rack para atualizações ou data centers novos, é fundamental relacionar as características de desempenho dos métodos de refrigeração aos aspectos práticos que afetam o design e o funcionamento dos data centers reais. Esta seção compara os três métodos de resfriamento em relação a vários critérios comumente identificados pelos usuários do data center, incluindo: Agilidade

Disponibilidade dos sistemas

Custo total de propriedade (TCO -Total Cost of Ownership)

Capacidade de manutenção

Capacidade de administração

Custo inicial

Eficiência elétrica

Tubulações de transporte de água ou outras fontes de calor próximas dos equipamentos de TI

Localização da Unidade de refrigeração

Redundância

capacidade de remoção de calor

A Tabela 1 resume os cinco primeiros critérios, mostrando os pontos fortes e fracos da refrigeração perimetral, corredor e rack. As seguintes conclusões podem ser resumidas da tabela: A refrigeração por rack é mais flexível, de implementação rápida e atinge uma

densidade extrema, mas acarreta gastos adicionais.

Comparação dos três métodos de refrigeração

Figura 7 Extração por rack mediante tubulações para um teto falso



A refrigeração por corredor oferece grande flexibilidade, velocidade e vantagens de densidade que oferece a metodologia por rack, mas o custo é menor

A refrigeração perimetral permite mudanças rápidas para o padrão de distribuição de refrigeração através da reconfiguração do piso elevado. A redundância da refrigeração é compartilhada entre todos os racks no data center com baixas densidades. Este método oferece vantagens de custo e simplicidade.

Categoria Por rack Por corredor Por perimetral

Agilidade

Pontos Fortes

Planejamento otimizado para a den-sidade de potência; isolamento com o sistema de refrigeração existente

Planejamento otimizado para a densidade da energia; a capa-cidade de refrigeração poderá ser facilmente compartilhado

É possível modificar o padrão de distribuição de refrigeração para a adequação a densidades de potência de mais de 3 kW.

Pontos Fracos

A capacidade de refrigeração por rack não utilizada não pode ser aproveitada por outros racks.

Planejado em função do layout do corredor quente e do corredor frio

Menor eficácia quando todo o espaço não é abrangido.

Disponibili-dade dos sistemas

Pontos Fortes

O acoplamento sem vãos eliminam os pontos quentes e gradientes de temperatura verticais; soluções padronizadas para minimizar erros humanos.

Unidades de redundância podem ser compartilhadas em vários racks em um pod; o acoplamento sem vãos eliminam os gradientes da temperatura vertical

As unidades de redundância podem ser compartilhadas entre todos os racks no data center.

Pontos Fracos

A redundância é necessária para cada rack.

A redundância é necessária para cada pod de racks

É necessário o isolamento para separar fluxos de ar

Custo total de propriedade (TCO)

Pontos Fortes

A pré-engenharia do sistema e os componentes padrão eliminam ou reduzem o planejamento e engenharia.

Capacidade para atender aos requisitos de refrigeração, planejamento e engenharia podem ser eliminados ou reduzidos

Pisos perfurados facilmente reconfiguráveis.

Pontos Fracos

É provável que o superdimensiona-mento do sistema de refrigeração e a capacidade a ser desperdiçada aumentará os custos iniciais

Os custos iniciais deste enfoque poderão ser mais elevados que os aumentos acarretados pelo tamanho do data center.

O envio de ar obriga ao super-dimensionamento da capaci-dade; os requisitos de pressão para envio de ar sob o piso são determinados em função do tamanho da sala e da profundidade do piso.

Capacidade de manu-tenção

Pontos Fortes

Componentes padronizados precisam de menos conhecimentos técnicos; a equipe interna pode realizar a manutenção e os reparos de rotina.

Componentes modulares precisam de menos tempo de inatividade; os componentes padronizados precisam de menos conhecimentos técnicos.

Os equipamentos de refrigeração serão colocados no perímetro ou fora do ambiente, mantendo os técnicos longe do equipamento de TI.

Pontos Fracos

A redundância 2N é necessária para os reparos e manutenção do sistema concorrente.

O equipamento de refrigeração será colocado no corredor onde os técnicos estarão trabalhando ao lado do equipamento de TI.

Requer a presença de um técnico ou especialistas treinados para fazer o serviço

Capacidade de adminis-tração

Pontos Fortes

Facilidade de navegação através do menu da interface e habilidade de fornecimento da Análise de Falha Preditiva.

Facilidade de navegação através do menu da interface e habilidade de fornecimento da Análise de Falha Preditiva aproximada.

Sistemas maiores simplificam o número de pontos que devem ser conectados e gerenciados

Pontos Fracos

Implantações maiores requerem vários pontos de conexão.

Implantações maiores requerem vários pontos de conexão.

Requer treinamento avançando no desempenho do serviço; impossibilidade de fornecimento de análises em tempo real

Tabela 1 Pontos fortes e fracos da refrigeração perimetral, corredor e rack. Os melhores níveis de desempenho são destacados.



Custo Inicial A maioria dos gerentes de data centers estão preocupados com o custo inicial de diferentes métodos de refrigeração. A análise é feita para mostrar como o primeiro custo varia de acordo com os três diferentes métodos de resfriamento de água gelada em função da densidade da potência do rack. Figura 8 ilustra os resultados de um data center baseado na especificação na barra lateral.

A refrigeração perimetral possui o menor custo devido às poucas unidades de refrigeração e menos tubulação. O custo diminui ligeiramente a medida que a densidade de energia em rack aumenta, pois, para um data center com a mesma capacidade, o equipamento ocuparia uma menor área com o aumento da densidade. Como resultado, é necessário menos piso elevado e menos tubulação portanto menor custo inicial. Note que a eficiência energética com refrigeração perimetral será pior a medida que a densidade de carga do rack diminuir (será discutido na próxima seção). HAC (contenção de calor do corredor) aumenta a densidade de potência do rack para ambos os métodos de refrigeração e reduz o consumo de energia do sistema de refrigeração (será discutido na próxima seção), embora o custo inicial aumente sensivelmente devido ao custo de confinamento. A refrigeração por corredor possui um custo inicial maior do que a refrigeração perimetral, devido ao aumento das unidades de refrigeração e tubulação na refrigeração por fileira. O custo diminui à medida que a densidade da potência do rack aumenta pela mesma razão que a refrigeração por sala, com exceção do número de unidades de refrigeração que também diminui com o aumento da densidade. HAC não reduz somente o consumo de energia de refrigeração perimetral, mas também reduz o custo inicial devido à necessidade de menos unidades de refrigeração. O custo inicial de uma refrigeração por rack supera os custos da refrigeração perimetral e por corredor à baixa densidade de carga do rack. Isto se deve ao aumento do número de unidades de refrigeração, o que aumenta o custo capital das unidades e da tubulação para as menores densidades de carga. Por exemplo, para o cenário com um rack com o consumo de 3 kW, a refrigeração por fileira possui 48 unidades de refrigeração, mas a refrigeração por rack aumentará esse número para 160 unidades. Além disso, a refrigeração por rack requer uma área de confinamento dianteira e traseira tanto para o rack como para a unidade da refrigeração, o que adiciona um custo extra inicial ao sistema. Conforme aumenta a densidade, ocorre uma melhoria dramática do custo inicial já que o número de unidades de refrigeração serão reduzidas com a finalidade de otimizar o custo. Portanto, a refrigeração por rack é mais econômica para as altas densidades de potência do rack.

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Densidade média de potência por rack

Por sala/piso elevado

Por sala/piso elevado com HAC

Por fileira/fechado

Por fileira/fechado com HAC

Por rackFigura 8 Custos Iniciais em função da densidade de potência média por rack para as três arquiteturas de refrigeração

> Hipóteses de Data Center Carga de TI: 480 kW Localização: St. Louis, MO densidade do rack 3, 6, 12, 20 kW

por rack (120 cfm/kW) Mistura de ar e desvio de ar frio

para uma arquitetura sem HAC: 125% da classificação Custos de tubulação com base

em RSMeans da base dos custos: Tubulação de aço Custo da energia $0,15/kWh Custo inicial inclui unidade de

refrigeração, tubulações, chiller, instalação e contenção Custo de eletricidade anual

estimado ventoinha da unidade, chiller e bombas redundância de refrigeração N



Eficiência elétrica Os custos de eletricidade representam uma fração cada vez maior do total de custos operacionais, devido às tarifas de eletricidade em aumento, o incremento de energia elétrica requerida pelos servidores e o aumento da densidade de potência. Mesmo compreendendo a dependência existente entre os custos de eletricidade, as tarifas de eletricidade e a potência dos servidores, não costuma ser considerada a incidência da densidade de potência sobre os custos de eletricidade. A Figura 9 mostra o efeito da densidade da energia nos custos elétricos anuais dos três métodos de refrigeração à água de acordo com as mesmas hipóteses vistas na Figura 8.

Os custos de energia elétrica para a refrigeração perimetral sem HAC são maiores porque esse tipo de refrigeração precisa do bombeamento de mais ar em distâncias maiores e as unidades CRAH precisam consumir energia para agitar ou misturar o ar dentro da sala para evitar zonas de concentração de calor conhecidas como hotspots. Este custo da energia elétrica é reduzida através do uso do HAC causando a separação do fluxo de ar. Conforme aumenta a densidade, os custos de energia diminuem ligeiramente, devido aos comprimentos de tubo mais curtos e a correspondente diminuição do consumo de energia da bomba. Os custos de energia elétrica para a refrigeração por corredor são sistematicamente mais baixos do que na refrigeração perimetral, porque as unidades CRAH são combinadas com a carga e dimensionadas conforme a carga. Circulação de ar desnecessária será evitada, o que pode economizar mais de 50% do consumo de energia do ventilador de refrigeração em comparação com a refrigeração por sala. O custo elétrico irá aumentar à medida em que aumenta a densidade de potência do rack, já que o número de unidades de refrigeração será reduzida, e mais fluxo será necessário bem como o fluxo de água de cada unidade de refrigeração para obter a capacidade necessária para a manutenção das temperaturas. A velocidade de funcionamento mais elevada do ventilador reduz a taxa de economia eficaz que podem ser alcançados com os ventiladores de velocidade variável. Neste caso, a adição de unidades redundantes realmente diminuirão o consumo de energia, mas resultarão em custos iniciais mais elevados. Além disso, será necessário mais fluxo de água para manter a capacidade de consumo da energia adicional.

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Por fileira/fechado com HAC

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Figura 9 Custos elétricos anuais em função da densidade de potência média por rack para os três métodos de refrigeração



Os custos de energia elétrica para a refrigeração por rack são mais elevados a baixas densidades, devido ao aumento do número de unidades de refrigeração que requer um maior consumo de energia para movimentar o ar e a água. Mesmo com os ventiladores de velocidade variável, o aumento das unidades de refrigeração em densidades mais baixas limita a economia de energia, devido à velocidade mínima do ventilador. Com densidades mais baixas, a velocidade mínima do ventilador fornece mais fluxo de ar do que o necessário. Além disso, mais tubulações serão necessárias para impulsionar a água. Conforme aumenta a energia do rack, também aumenta os custos de energia. Mas, para altas densidades, o custo aumentará porque cada ack possui uma unidade de refrigeração e como a densidade aumentará o fluxo de ar que é necessário de cada unidade de refrigeração, os ventiladores CRAH estarão dentro do limite da velocidade operacional que reduzirá a economia que pode ser obtida dos ventiladores de velocidade variável. Além disso, será necessário mais fluxo de água para manter a capacidade de consumo da energia adicional.

Tubulações de transporte de água ou outras fontes de calor próximas dos equipamentos de TI A pesquisa mostra que os usuários estão preocupados com água ou tubulação de refrigerante localizados nos equipamentos de TI, devido à possibilidade de vazamento de fluido para equipamentos de TI, e o tempo de inatividade associado aos danos. Os data centers de alta densidade com vários condicionadores de ar costumam ter projetos com água gelada e é esperável que esta tendência se mantenha devido a aspectos econômicos e ambientais. Mesmo existindo refrigerantes com menos possibilidades de produzir prejuízos aos equipamentos de TI, eles constituem uma alternativa mais econômica do que a água em cada uma das arquiteturas de refrigeração. Preocupações sobre a disponibilidade e a unidade usadas para densidades mais elevadas conduziram à introdução de sistemas de refrigerante que são bombeados dentro do ambiente do data center. Estes sistemas são tipicamente compostos de um permutador de calor e uma bomba que isolam o dispositivo de refrigeração do data center da água gelada e permite a redução da contaminação de óleo de refrigeração, no caso de uma fuga. Contudo, o sistema também pode promover o isolamento de outros líquidos de refrigeração, tais como glicol. Consulte o White Paper 59, sobre As Diferentes Tecnologias usadas para a Refrigeração de Data centers, para mais informação sobre sistemas de bombeamento de refrigerante.

Localização da Unidade de refrigeração A localização de uma unidade de ar condicionado pode ter um efeito importantíssimo no desempenho do sistema. No caso da refrigeração por rack, esse problema de previsibilidade de desempenho é totalmente eliminado porque a localização exata do condicionador de ar é determinada para se dirigir à carga. A vantagem é que o desempenho da refrigeração pode ser representado totalmente com antecedência. Se, como parte do design do sistema, for considerada uma implementação em etapas, a localização das futuras unidades de ar condicionado precisará de pouco planejamento ou previsão, e serão implementadas automaticamente com cada rack. A refrigeração por corredor depende de regras de design simples para localização dos condicionadores de ar. A quantidade e localização dos condicionadores de ar por corredor são determinadas por regras estabelecidas através de testes e simulações. Naturalmente, isto inclui garantir que os condicionadores de ar sejam dimensionados em forma adequada para a especificação de densidade dos corredores. Aliás, existem outras regras, como evitar a localização no final do corredor, maximizando o desempenho e capacidade do sistema. Durante as implantações futuras, alguma flexibilidade de localização será mantida até o momento da implantação. A densidade de potência média do pico do rack do row pode ser

As Diversas Tecnologias usadas para a Refrigeração de Data Centers




usada para determinar a quantidade e localização de condicionadores de ar, em um processo oportuno. A refrigeração por fileira é a mais flexível em comparação com a abordagem por rack, além de possuir menor espaço ocupado e custos menores. No caso de refrigeração perimetral sem confinamento, a eficiência é muito dependente da localização das unidades de refrigeração. Ainda mais, as localizações mais eficazes podem não ser viáveis, devido às propriedades físicas da sala, incluídas portas, janelas, rampas e impossibilidade de acesso das tubulações. Como resultado, costuma se obter um design abaixo do ótimo, mesmo existindo enorme trabalho de engenharia. Além disso, a logística das instalações de condicionadores de ar para refrigeração da sala consuma requerer que os aparelhos sejam colocados na sala antes de compreender todas as etapas futuras de implementação de TI. Dado que a disposição exata das etapas futuras de TI pode não ser conhecida, a localização dos condicionadores de ar costuma ser pouco eficaz. É por isso que a contenção é tão importante para os designs de refrigeração perimetrais modernos por sala. A confinamento permite muito mais flexibilidade na colocação das unidades de refrigeração. A refrigeração perimetral com confinamento também permite a opção adicional de localizar as unidades CRAH fora do data center.

Redundância Os sistemas de refrigeração precisam de redundância para permitir a manutenção de sistemas sem interromper o serviço e assegurar que o data center cumpra sua missão em caso de que um dispositivo de ar condicionado apresente alguma anomalia. Os sistemas de energia, muitas vezes, usam percursos de alimentação dupla para os sistemas de TI para garantir a redundância. Neste caso, os cabos de alimentação e conexões em si representam um potencial com um ponto único de falha. No caso da refrigeração, é habitual encontrar designs N+1 em lugar de enfoques de circuito duplo porque os circuitos de distribuição de ar normais, por consistirem em apenas ar livre circulando ao redor do rack, apresentam muito baixa probabilidade de falhas. A ideia é que, se o sistema requer quatro unidades CRAH, o acrés-cimo de uma quinta unidade ao sistema permitirá que qualquer uma das unidades fique fora de serviço e que de qualquer jeito a carga total de refrigeração seja atendida. Daí o nome de redundância “N+1”. Para densidades de potência mais altas, este simples conceito de redundância não se cumpre. A maneira em que se oferece redundância é diferente para as três arquiteturas, como é explicado a seguir. Para refrigeração por rack, a refrigeração não é compartilhada entre os racks e não há uma via de distribuição de ar comum. Portanto, a única maneira de obtenção da redundância é o fornecimento de um sistema com caminho duplo CRAH N+X ou 2N para cada rack, essencialmente dois sistemas de CRAH por rack. Esta é uma grande desvantagem, se comparado com as outras alternativas. Apesar disso, para racks de alta densidade isolados, é uma solução muito eficaz, já que a redundância está totalmente determinada e é previsível e independente de todos os outros sistemas CRAH. A refrigeração por corredor oferece redundância no nível corredor. Isto requer uma unidade CRAH adicional ou N+1 por cada fileira. Ainda sendo as unidades CRAH da fileira pequenas e menos custosas do que as unidades da sala, este enfoque traz uma desvantagem em ambientes de pouca carga de 1 ou 2 kW por rack. Porém, em densidades maiores, a desvantagem desaparece e o enfoque N+1 tem bom fundamento em ambientes de até 25 kW por rack. É uma vantagem fundamental em comparação com os designs de refrigeração perimetral ou por rack, já que ambos podem precisar de redundância 2N em ambientes de maior densidade. A capacidade de fornecer redundância em situações de alta densidade com menos unidades CRAH adicionais é um benefício chave da refrigeração por fileira e apresenta uma vantagem quanto ao custo total de propriedade (TCO). Para refrigeração perimetral, a sala em si é uma via de ar comum para todas as cargas de TI. Em tese, isto permite fornecer redundância com o acréscimo de só uma unidade CRAH adicional,



fora do tamanho da sala. Esse é o caso para refrigeração por sala sem confinamento a densidades muito baixas, e essa metodologia tem uma vantagem econômica a densidades baixas. Porém, na refrigeração perimetral sem confinamento a densidades mais altas, a capacidade de uma determinada unidade CRAH para compensar a perda de outras é muito afetada pela geometria da sala. Por exemplo, o padrão de distribuição de ar de uma unidade CRAH específica não pode ser substituído por uma unidade CRAH de apoio que estiver localizada longe da unidade que apresenta anomalias. Como resultado disso, a quantidade de unidades CRAH adicionais necessárias para estabelecer a redundância é incrementada a partir da única unidade adicional requerida pelos ambientes de baixa densidade até dobrar a quantidade de unidades CRAH em instalações com densidade superior a 10 kW por rack. Esse não é o caso para uma refrigeração perimetral que usa confinamento, porque as vias de fornecimento e retorno de ar são separadas.

capacidade de remoção de calor As questões específicas discutidas nesta seção são influenciadas pelo método de remoção de calor. A expansão direta dos condicionadores de ar da sala de informática (CRAC) utilizados para resfriar o data center funcionam diferentemente do que as unidades de água gelada (CRAH). O uso de unidades CRAC, neste caso, afetará a sua eficiência, umidificação, operação redundante, etc. A análise do projeto deve ser feito para compreender o funcionamento e os controles da solução de refrigeração especificado em um projeto particular. Consulte o White Paper 59, sobre As Diferentes Tecnologias usadas para a Refrigeração de Data centers, para mais informação sobre métodos de remoção de ar quente.

As Diversas Tecnologias usadas para a Refrigeração de Data Centers




A metodologia convencional de refrigeração de data centers que usa refrigeração perimetral apresenta limitações técnicas e práticas para os data centers modernos. Os data centers modernos devem se adaptar a requisitos em constante mudança, oferecer apoio confiável a ambientes de densidade de potência alta e variável, e reduzir o uso de energia elétrica e outros custos operacionais. Estas exigências deram origem ao desenvolvimento de estratégias de confinamento para refrigeração perimetral, fileira e rack. Estes desenvolvimentos possibilitam a abordagem das densidades de funcionamento de 3 kW por rack ou mais. O enfoque da arquitetura de ambiente convencional foi muito útil para a indústria, e continua sendo eficaz e prático para instalações de menor densidade de potência e aplicações nas quais as mudanças de tecnologia de TI são mínimas. Os métodos de refrigeração perimetral, corredor e rack confinamento oferecem flexibilidade, previsibilidade, escalabilidade, uso reduzido de energia elétrica, TCO reduzido e disponibilidade ótima de que precisam os data centers modernos. É esperável que estes enfoques sejam aplicados em muitos novos produtos oferecidos pelos fornecedores. Espera-se que muitos data centers utilizem uma combinação das três métodos de refrigeração. A refrigeração por rack será fundamentada em situações de densidades extremas, implementação de alta granularidade ou disposições não estruturadas. A refrigeração perimetral sem confinamento continuará a ser uma metodologia eficaz para aplicações de baixa densidade e aplicações onde a mudança é pouco frequente. Para a maioria dos usuários com tecnologias de servidores de alta densidade mais recentes, a refrigeração corredor proporcionará o melhor equilíbrio entre alta previsibilidade, alta densidade de potência e adaptabilidade, com o melhor TCO geral.

Conclusão

Neil Rasmussen é vice-presidente sênior de Inovação da Schneider Electric. Ele estabelece os rumos de tecnologia do maior orçamento de P&D do mundo dedicado à alimentação, à efrigeração e à infraestrutura de racks para data centers.

Neil detém 25 patentes relacionadas à infraestrutura de alimentação e refrigeração de alta eficiência e alta densidade para data centers, e já publicou mais de 50 white papers relacionados a sistemas de alimentação e refrigeração, muitos deles publicados em mais de 10 idiomas, mais recentemente com foco na melhoria da eficiência energética. Ele é um palestrante internacionalmente reconhecido em matéria de data centers de alta eficiência. Atualmente, Neil está trabalhando para promover a ciência das soluções de infraestrutura do data center de alta eficiência, alta densidade e dimensionáveis, além de ser arquiteto principal do sistema APC InfraStruXure.

Após a fundação da APC em 1981, Neil atuou como vice-presidente sênior de Engenharia e CTO por 26 anos, assumindo o seu papel atual durante a fusão da APC com a Schneider Electric em 2007. Ele recebeu seu bacharelado e mestrado no MIT em engenharia elétrica, onde ele fez sua tese na análise de uma fonte de alimentação de 200 MW para um reator de fusão Tokamak. De 1979 a 1981 ele trabalhou para a MIT Lincoln Laboratories em sistemas de armazenamento de energia flywheel e sistemas de energia elétrica solar.

Kevin Dunlap é o Gerente Geral da Cooling Solutions na Schneider Electric. Ele possui um bacharel em negócios, com ênfase em sistemas de informação de gestão, da Universidade de Phoenix. Kevin tem experiência na indústria da administração de energia desde 1994. Trabalhou para a Systems Enhancement Corp., empresa líder em hardware e software para administração de energia, adquirida pela APC em 1997. Após a aquisição, Kevin se incorporou à APC como Gerente de Produtos para placas de gerenciamento e posteriormente se ocupou de soluções de refrigeração de precisão, após a aquisição da Airflow Company em 2000.

Kevin participou de numerosas palestras sobre refrigeração e administração de energia, e também de grupos sobre o tema e comissões da organização ASHRAE sobre administração térmica e economizadores de energia eficazes.

Sobre os autores



Os Diferentes Tipos de Equipamentos de Distribuição de Ar para Ambientes de TI White Paper 55

Estratégias de Refrigeração para Racks e Servidores Blade de Densidade Ultra-alta White Paper46

Como evitar erros que colocam em risco o desempenho do sistema de refrigeração em data centers e salas de rede White Paper 49

Diretrizes para a Especificação da Densidade de Potência do Data Center White Paper 120

Sistemas de Umidificação Redução de custos em Ambientes de TI White Paper 133

Implantação de Pods de Alta Densidade em um Data Center de Baixa Densidade White Paper 134

Contenção com corredor quente x contenção com corredor frio no data center Eficiência e Eficiência White Paper 135

As Diversas Tecnologias usadas para a Refrigeração de Data Centers White Paper 59

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