Escolha entre arrefecimento ao nível da sala, fila ou

Escolha entre arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor para centros de dados Revisão 2

Por Kevin Dunlap e Neil Rasmussen

Introdução 2

Arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor

2

Comparação dos três métodos de arrefecimento

8

Conclusão 15

Recursos 16

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White Paper 130

O equipamento de TI de alta densidade e de densidade variável de última geração cria condições que o arrefecimento tradicional de centros de dados não foi concebido para suportar, resultando em sistemas de arrefecimento sobredimensionados, ineficientes e imprevisíveis. Os métodos de arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor foram desenvolvidos para resolver esses problemas. Esta aplicação técnica descreve estes métodos de arrefecimento mais sofisticados e dá orientações sobre quando usar cada tipo para a maioria dos centros de dados da próxima geração.

Sumário Executivo >

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Escolha entre arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor para centros de dados

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

Quase toda a energia eléctrica fornecida às cargas de TI num centro de dados acaba por ser desperdiçada como calor, que terá de ser removido para evitar condições de sobre-aquecimento. Praticamente todo o equipamento de TI é arrefecido por ar, ou seja, cada elemento do equipamento de TI aspira ar ambiente e ejecta o calor excessivo juntamente com o ar de saída. Uma vez que os centros de dados podem conter milhares de dispositivos de TI, o resultado é a existência de milhares de fluxos de ar quente no centro de dados, que representam em conjunto o total de calor excessivo emitido pelo centro de dados que é necessário remover. A finalidade do sistema de ar condicionado do centro de dados é a de capturar eficientemente este fluxo complexo de calor excessivo e extraí-lo da sala. O método tradicional para o arrefecimento de centros de dados envolve o uso de unidades de arrefecimento perimétricas que distribuem ar frio sob um piso elevado sem meio de contenção. Tal é conhecido por distribuição de ar com insuflação dirigida e extracção generalizada, tal como discutido na Aplicação técnica 55, Diferentes tipos de distribuição de ar em ambientes de TI. Nesta abordagem, existe um ou mais sistemas de ar condicionado, a funcionar em paralelo, que insuflam ar frio no centro de dados ao mesmo tempo que extraem o ar ambiente mais quente. O princípio básico desta abordagem é o de os aparelhos de ar condicionado não só fornecerem a capacidade de arrefecimento bruta, mas também agirem como uma misturadora gigante que agita e mistura continuamente o ar da sala para que esta tenha uma temperatura média homogénea, sem a ocorrência de pontos quentes. Esta abor-dagem é eficaz desde que a energia necessária para misturar o ar seja uma pequena fracção do consumo de energia total do centro de dados. Os dados de simulações e a experiência mostram que este tipo de sistema é eficaz se a densidade média de potência no centro de dados for da ordem de 1-2 kW por bastidor, correspondente a 323-753 W/m² (30-70 W/ft²). São possíveis várias medidas para aumentar a densidade de potência desta abordagem tradicional ao arrefecimento. No entanto, continuam a existir limites práticos. Para obter mais informações sobre as limitações do uso de arrefecimento tradicional, consulte a Aplicação técnica 46, “Estratégias de Refrigeração para Bastidores de Muito Alta Densidade e Servidores Blade”. Com as densidades de potência do equipamento de TI moderno a fazer com que os valores de pico atinjam 20 kW ou mais por bastidor, os dados de simulações e a experiência mostram que o arrefecimento tradicional (sem contenção), dependente da mistura do ar, deixa de ser eficaz. Para resolver este problema, existem abordagens ao projecto centradas no arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor. Nestas configurações, os sistemas de ar condicionado estão integrados especificamente na sala, nas filas de bastidores ou em bastidores individuais, com vista a minimizar a mistura de ar. Tal permite obter muito melhor previsibilidade, maior densidade, mais eficiência e uma série de outras vantagens. Nesta aplicação técnica, explicam-se e comparam-se as várias abordagens. Demonstrar-se-á que cada uma das configurações tem uma aplicação específica e que, de uma forma geral, há a tendência para privilegiar o arrefecimento por filas em centros de dados menores e o arrefecimento ao nível da sala com contenção para centros de dados maiores. O sistema de ar condicionado de um centro de dados tem duas funções principais: fornecer a capacidade bruta de arrefecimento e distribuir o ar para as cargas de TI. A primeira função de fornecimento de capacidade bruta de arrefecimento é idêntica nos arrefecimentos ao nível da sala, fila ou bastidor. Em particular, a capacidade de arrefecimento do sistema de ar con-dicionado em kilowatts tem de extrair a carga de potência total (kW) do equipamento de TI. As várias tecnologias que disponibilizam esta capacidade são as mesmas, independentemente de se considerar um sistema de arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor. A diferença mais importante entre arrefecimentos ao nível da sala, fila ou bastidor centra-se na forma

como estes efectuam a segunda função crítica: a distribuição do ar para as cargas. Contra-

Introdução

Arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor

Diferentes tipos de distribuição de ar para ambientes de TI

Link para a fonte White Paper 55

Estratégias de Refrigeração para Bastidores de Muito Alta Densidade e Servidores Blade


http://www.apc.com/wp?wp=55




riamente à distribuição eléctrica, em que o fluxo se restringe aos cabos e está bem determinado como parte do projecto, o fluxo de ar é restringido de forma apenas grosseira pela configuração da sala. Além disso, o fluxo de ar real não é visível na implementação, variando considera-

velmente entre instalações distintas. Controlar o fluxo de ar é o objectivo principal das diferentes abordagens ao projecto dos sistemas de arrefecimento.

As três configurações básicas são mostradas nas plantas genéricas do Diagrama 1. Na figura, as caixas pretas representam os bastidores dispostos em filas e as setas azuis representam a associação lógica das unidades de tratamento de ar da sala dos computadores (CRAH) às cargas dos bastidores de TI. A disposição física real das unidades CRAH pode variar. No arrefecimento ao nível da sala, as unidades CRAH são associadas à sala; no arrefecimento ao nível da fila, as unidades CRAH são associadas a filas ou grupos; no arrefecimento ao nível do bastidor, as unidades CRAH estão associadas a bastidores individuais.

As secções seguintes contêm um resumo dos princípios básicos de funcionamento de cada método: Arrefecimento ao nível da sala No arrefecimento ao nível da sala, as unidades CRAH estão associadas à sala e funcionam de forma concorrente para lidar com a carga de calor total do espaço. O arrefecimento ao nível da sala pode envolver um ou mais aparelhos de ar condicionado que insuflam ar frio não restringido por condutas, limitadores, grelhas de ventilação ou outros. Em alternativa, a insuflação e/ou a extracção poderão ser parcialmente restringidas por um sistema de piso elevado ou por plenos de extracção no tecto. Para mais informações, consulte a Aplicação técnica 55, Diferentes tipos de distribuição de ar para ambientes de TI. Na fase de projecto, a atenção dedicada ao fluxo de ar varia normalmente bastante. Em salas mais pequenas, os bastidores são por vezes colocados numa disposição aleatória, sem res-trições específicas planeadas para o fluxo de ar. Em instalações maiores e mais sofisticadas, podem ser utilizados pisos elevados para distribuir o ar em disposições bem planeadas de alas quentes e frias, com a finalidade expressa de direccionar e alinhar o fluxo de ar com os armários de TI. O método ao nível da sala é fortemente afectado pelas restrições específicas da sala, que incluem a altura do tecto, forma do espaço, obstruções acima e abaixo do pavimento, dispo-sição dos bastidores, localização das unidades CRAH, distribuição de potência entre as cargas de TI e outras. Quando os percursos de insuflação e de extracção não têm contenção, o resultado é um baixo nível de previsibilidade e uniformidade do desempenho, espe-cialmente à medida que a densidade de potência aumenta. Por conseguinte, com configurações tradicionais poderá ser necessário utilizar simulações complexas por com-putador (denominadas modelos computacionais de dinâmica de fluidos (CFD)) para ajudar a compreender o desempenho de projectos de instalações específicas. Além disso,

Diagrama 1 Plantas que mostram o conceito básico do arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor. As setas azuis indicam a relação dos percursos de arrefecimento primários com a sala.

Diferentes tipos de distribuição de ar para ambientes de TI


Configuração ao nível da fila

Configuração ao nível da sala

Configuração ao nível do bastidor




alterações como a movimentação, adição ou mudança de equipamento de TI poderão invalidar o modelo de desempenho e obrigar a análises e/ou testes adicionais. Em particular, garantir a redundância das unidades CRAH envolve uma análise muito complexa e de difícil validação. O Diagrama 2 mostra um exemplo de configuração tradicional de arrefecimento ao nível da sala.

Outra limitação importante do arrefecimento ao nível da sala sem contenção é a de que, em muitos casos, é impossível utilizar a capacidade nominal total das unidades CRAH. Esta condição ocorre quando uma fracção importante dos percursos de distribuição de ar das unidades CRAH ignora as cargas de TI e regressa directamente às unidades CRAH. Este ar desviado representa o fluxo de ar das unidades CRAH não aplicado ao arrefecimento das cargas, constituindo na prática uma diminuição da capacidade total de arrefecimento. Consequentemente, as necessidades de arrefecimento da configuração de TI podem exceder a capacidade de arrefecimento das unidades CRAH, apesar da existência da capacidade nominal necessária. Este problema é discutido em mais detalhe na Aplicação técnica 49, Erros evitáveis que comprometem o desempenho do arrefecimento em centros de dados e salas de equipamento de rede. Para novos centros de dados com mais de 200 kW, deve especificar-se arrefecimento ao nível da sala com contenção de ala quente para evitar os problemas discutidos acima. O método é eficaz com ou sem piso elevado. As unidades de arrefecimento podem instalar-se no interior do centro de dados ou no exterior. Para centros de dados existentes com arrefecimento ao nível da sala em piso elevado, recomenda-se a contenção de ala fria, já que é normalmente mais fácil de implementar. Para minimizar a mistura de ar em centros de dados, usam-se tanto a contenção de ala quente como de ala fria. Cada uma destas soluções tem vantagens específicas, que são descritas em mais detalhe na Aplicação técnica 135, Impacto da contenção de ala quente e ala fria na temperatura e na eficiência do centro de dados. O Diagrama 3 mostra dois exemplos de um arrefecimento ao nível da sala da próxima geração.

Arrefecimento ao nível da fila Numa configuração orientada para a fila, as unidades CRAH são associadas a uma fila. Para fins de projecto, assume-se que permanecem dedicadas a uma fila. As unidades CRAH podem estar localizadas entre os bastidores de TI ou podem ser montadas no tecto. Em comparação com o arrefecimento ao nível da sala tradicional sem contenção, os percursos do fluxo de ar são mais curtos e mais claramente definidos. Além disso, os fluxos de ar são muito mais previsíveis, sendo possível usar toda a capacidade nominal das unidades CRAH, o que permite obter uma densidade de potência mais alta. O arrefecimento ao nível da fila tem uma série de vantagens colaterais além do desempenho em matéria de refrigeração. A redução do comprimento do percurso do fluxo de ar reduz a potência necessária da ventoinha da unidade CRAH, aumentando a eficiência. Esta não é uma vantagem menor se tivermos em conta que, em muitos centros de dados com cargas relativamente baixas, as perdas de potência da ventoinha da unidade CRAH poderão por si só exceder o consumo total de energia das cargas de TI.

Diagrama 2 Exemplo de arrefecimento tradicional sem contenção ao nível da sala

Diagrama 3 Exemplos de arrefecimento ao nível da sala com contenção da próxima geração

Erros evitáveis que comprometem o desempenho do arrefecimento em centros de dados e salas de equipamento de rede


Impacto da contenção de ala quente e fria na temperatura e na eficiência do centro de dados






Uma configuração orientada para a fila permite que a capacidade de arrefecimento e a redun-dância sejam adaptadas às necessidades reais de filas específicas. Por exemplo, uma fila de bastidores pode executar aplicações de alta densidade (p. ex., servidores Blade) enquanto que outra fila satisfaz as necessidades de aplicações de baixa densidade (p. ex., comparti-mentos de comunicação). Além disso, a redundância N+1 ou 2N pode ser orientada para filas específicas. Para novos centros de dados com menos de 200 kW, deve especificar-se arrefecimento ao nível da fila, que poderá ser implementado sem um piso elevado. Para centros de dados existentes, deve considerar-se arrefecimento ao nível da fila em presença de cargas de alta densidade (5kW ou mais por fila). A Aplicação técnica 134, Implementar compartimentos de alta densidade num centro de dados de baixa densidade discute as várias abordagens à implementação de zonas de alta densidade num centro de dados existente. Os Diagrama 4a e 4b mostram exemplos de arrefecimento ao nível da fila.

Ambos os sistemas de arrefecimento do Diagrama 4a e 4b podem também ser configurados como sistemas de contenção de ala quente que aumentam a capacidade em termos de densidade de potência. Esta configuração aumenta a previsibilidade do desempenho pela eliminação de qualquer hipótese de mistura do ar. As geometrias simples e predefinidas do arrefecimento ao nível da fila conduzem a um desempenho previsível, totalmente caracterizável pelo fabricante e relativamente imune aos efeitos da geometria ou de outras restrições da sala. Tal simplifica a especificação e a implementação dos projectos, especialmente a densidades superiores a 5 kW por bastidor. A especificação da densidade de potência é definida em detalhe na Aplicação técnica 120, Directrizes para especificação da densidade de potência do centro de dados. Arrefecimento ao nível do bastidor No arrefecimento ao nível do bastidor, as unidades CRAH estão associadas a um bastidor. Para fins de projecto, assume-se que estão dedicadas a um bastidor. As unidades CRAH são montadas directamente nos bastidores de TI ou no seu interior. Em comparação com os arrefecimentos ao nível da sala ou da fila, os percursos de fluxo de ar do arrefecimento ao nível do bastidor são ainda mais curtos e definidos de forma exacta, sendo totalmente imunes a mudanças da instalação ou restrições da sala. É possível utilizar a capacidade nominal total da unidade CRAH e é possível atingir a densidade de potência mais alta (até 50 kW por bastidor). O Diagrama 5 mostra um exemplo de um arrefecimento ao nível do bastidor.

Diagrama 4 4a (esquerda) Arrefecimento ao nível da fila montado no piso 4b (direita) Arrefecimento ao nível da fila montado no tecto

Directrizes para a especificação da densidade de potência do centro de dados


Implementar compartimentos de alta densidade num centro de dados de baixa densidade.






Tal como o arrefecimento ao nível da fila, o arrefecimento ao nível do bastidor tem outras características exclusivas além da extrema capacidade de densidade. A redução do compri-mento do percurso do fluxo de ar reduz a potência necessária da ventoinha da unidade CRAH, aumentando a eficiência. Tal como mencionado acima, este não é um benefício menor, se tivermos em conta que em muitos centros de dados com cargas relativamente baixas, as perdas de potência das ventoinhas das unidades CRAH podem por si só exceder o consumo total de energia das cargas de TI. Um projecto orientado para o bastidor permite direccionar a capacidade e a redundância de arrefecimento para as necessidades reais de bastidores específicos (p. ex., densidades de potência diferentes para os servidores Blade e para os compartimentos de comunicações). Além disso, é possível direccionar a redundância N+1 ou 2N para bastidores específicos. Em contraste, o arrefecimento ao nível da fila permite apenas que essas características sejam especificadas ao nível da fila, enquanto que o arrefecimento ao nível da sala permite especi-ficar essas características ao nível da sala. Tal como no arrefecimento ao nível da fila, a geometria determinística do arrefecimento ao nível do bastidor resulta num desempenho previsível e totalmente caracterizável pelo fabricante. Tal simplifica a especificação da densidade de potência e o projecto para implementar a den-sidade especificada. O arrefecimento ao nível do bastidor deve ser usado em todos os centros de dados onde é necessário arrefecimento para bastidores autónomos de alta densidade. O inconveniente principal desta abordagem é o de exigir um grande número de aparelhos de ar condicionado e condutas associadas, em comparação com outras abordagens, particularmente em densidades de potência baixas. Arrefecimento híbrido Nada obsta à utilização conjunta de arrefecimentos ao nível da sala, fila ou bastidor na mesma instalação. De facto, existem muitos casos em que a utilização mista é benéfica. A colocação de várias unidades de arrefecimento em diferentes locais no mesmo centro de dados é vista como uma abordagem híbrida, tal como mostra o Diagrama 6. Esta abordagem é vantajosa para centros de dados a operar com base num largo espectro de densidades de potência dos bastidores. Outra utilização eficaz do arrefecimento ao nível da fila e do bastidor envolve upgrades de densidade em configurações existentes de baixa densidade ao nível da sala. Neste caso, pequenos grupos de bastidores num centro de dados existente são equipados com sistemas de arrefecimento ao nível da fila ou do bastidor. O equipamento de arrefecimento de fila ou de bastidor isola eficazmente os novos bastidores de alta densidade, tornando-os “termica-mente neutros” para o sistema de arrefecimento ao nível da sala existente. Todavia, é bastante provável que tal tenha um efeito líquido positivo, através da adição de facto de capacidade de arrefecimento ao resto da sala. Desta forma, é possível adicionar cargas de alta densidade a um centro de dados de baixa densidade existente, sem modificar o seu sistema de arrefe-cimento ao nível da sala. Quando implementada, esta abordagem resulta na mesma arqui-tectura híbrida de arrefecimento representada no Diagrama 6.

Diagrama 5 Arrefecimento ao nível de bastidor com a unidade de arrefecimento totalmente integrada no bastidor



Outro exemplo de uma abordagem híbrida é a utilização de um sistema de arrefecimento de bastidor em chaminé para capturar o ar de saída ao nível do bastidor e transportá-lo através de condutas directamente para um sistema de arrefecimento ao nível da sala. Este sistema tem algumas das vantagens de um sistema de arrefecimento ao nível do bastidor, podendo contudo integrar-se num sistema de arrefecimento ao nível da sala existente ou em projecto. O Diagrama 7mostra um exemplo deste equipamento.

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Configuração ao nível do bastidor


Diagrama 6 Planta de um sistema a utilizar arrefecimento ao nível da sala, fila e bastidor em simultâneo

Diagrama 7 Extracção por conduta do ar de saída para o tecto falso ao nível do bastidor




Para tomar decisões correctas na escolha do arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor para os centros de dados novos ou para upgrades, é essencial relacionar as características de desempenho dos métodos de arrefecimento com as questões práticas que afectam o projecto e o funcionamento de centros de dados reais. Esta secção compara os três métodos de arrefecimento face a diversos critérios vulgarmente identificados por utilizadores de centros de dados, incluindo: • Agilidade

• Disponibilidade do sistema

• Custo do ciclo de vida (TCO)

• Facilidade de manutenção

• Facilidade de gestão

• Custo inicial

• Eficiência eléctrica

• Tubagens de água ou outras nas imediações de equipamentos de TI

• Localização da unidade de arrefecimento

• Redundância

• Método de remoção de calor

A Tabela 1 resume os primeiros cinco critérios, comparando as vantagens e as desvantagens dos arrefecimentos ao nível do bastidor, fila e sala. Com base na tabela, é possível formular as conclusões seguintes: • O arrefecimento ao nível do bastidor é o mais flexível e rápido de implementar.

Atinge também densidades extremas, embora com custos adicionais.

• O arrefecimento ao nível da fila permite obter muitas das vantagens em termos de flexibilidade, velocidade e densidade da abordagem ao nível do bastidor, mas com custo mais reduzido.

• O arrefecimento ao nível da sala permite alterar rapidamente o padrão de distribuição de calor através da reconfiguração dos mosaicos do pavimento. A redundância de arrefecimento é partilhada por todos os bastidores com baixas densidades no centro de dados. Este método é vantajoso ao nível dos custos e da simplicidade.

Comparação dos três métodos de arrefecimento



Categoria Configuração ao nível do bastidor



Agilidade

Vanta-gens

Fácil de planear para qualquer densidade de potência; isolado do sistema de arrefecimento existente

Fácil de planear para qualquer densidade de potência; a capacidade de arrefecimento pode ser partilhada

Rapidez na alteração do padrão de distribuição do arrefecimento para densidades de potência inferiores a 3 kW

Des-vanta-gens

A capacidade de arrefecimento não pode ser partilhada com outros bastidores

Exige disposição em alas quentes e alas frias

Menos eficiente se não abranger a totalidade do espaço

Disponibilida de do sistema

Vanta-gens

O acoplamento curto elimina pontos quentes e gradientes de temperatura verticais; soluções padronizadas minimizam o erro humano

As unidades redundantes podem ser partilhadas com vários bastidores num compartimento; o acoplamento curto elimina gradientes de temperatura verticais

As unidades redundantes podem ser partilhadas por todos os bastidores do centro de dados

Des-vanta-gens

Necessária redundância para cada bastidor

Necessária redundância para cada compartimento de bastidores

Necessária contenção para separar os fluxos de ar

Custo do ciclo de vida (TCO)

Vanta-gens

Sistema pré-montado e componentes padronizados que eliminam ou reduzem o planeamento e os recursos técnicos

Capaz de satisfazer os requisitos de arrefecimento; pode eliminar ou reduzir o planeamento e os recursos técnicos

Facilidade de reconfiguração dos ladrilhos perfurados do pavimento

Des-vanta-gens

O sistema de arrefecimento estará provavelmente sobredimensionado e haverá desperdício de capacidade, o que pode aumentar o custo inicial

O custo inicial desta abordagem pode aumentar à medida que o tamanho do centro de dados aumenta

O fornecimento de ar dita a capacidade sobredimensionada; os requisitos de pressão para a área de insuflação de ar sob o piso são função do tamanho da sala e da profundidade do piso.

Facilidade de manutenção

Vanta-gens

Os componentes padronizados exigem menos competências técnicas; o pessoal interno pode executar tarefas de manutenção de rotina

Os componentes modulares encurtam os períodos de inactividade; os componentes padronizados exigem menos competências técnicas

O equipamento de arrefecimento é colocado no perímetro ou fora da sala, o que mantém os técnicos mais afastados do equipamento de TI

Des-vanta-gens

É necessária redundância 2N para a reparação e manutenção concorrentes sobre o sistema

O equipamento de arrefecimento é colocado na fila, obrigando a intervenções dos técnicos nas imediações de equipamentos de TI

Exige técnicos ou especialistas com formação na área para executar a manutenção

Facilidade de gestão

Vanta-gens

Fácil de navegar numa interface com menus e capaz de realizar análises preditivas de avarias

Fácil de navegar numa interface com menus e capaz de realizar análises quase preditivas de avarias

Sistemas maiores simplificam o número de pontos a ligar e gerir

Des-vanta-gens

Grandes implementações exigem muitos pontos de conectividade

Grandes implementações exigem muitos pontos de conectividade

Exige formação avançada em manutenção; não permite obter análises em tempo real

Tabela 1 Vantagens e desvantagens do arrefecimento ao nível da bastidor, fila e sala. O bom desempenho está realçado.



Custo inicial O custo inicial dos diferentes métodos de arrefecimento constitui uma preocupação da maioriados gestores de centros de dados. Foi realizada uma análise para demonstrar a forma como o custo inicial varia para os três diferentes métodos de arrefecimento com água refrigerada, em função das densidades de potência dos bastidores. O Diagrama 8 ilustra os resultados para um centro de dados, com base nos pressupostos indicados na barra lateral.

O arrefecimento ao nível da sala apresenta o custo inicial mais baixo, uma vez que envolve um menor número de unidades de arrefecimento e condutas. O custo diminui ligeiramente com o aumento da densidade de potência do bastidor, uma vez que, para a mesma capacidade do centro de dados, o modelo assume uma área útil do centro de dados menor à medida que a densidade aumenta. Como resultado, é necessária uma menor quantidade de piso elevado e de tubagens, o que reduz o custo inicial. Convém notar que a eficiência eléctrica do arre-fecimento ao nível da sala será menor à medida que a densidade de potência do bastidor aumenta (discutido na secção seguinte). A contenção de ala quente (HAC) aumenta a densidade de potência do bastidor em ambos os métodos de arrefecimento, reduzindo significativamente o consumo de energia do arrefecimento (discutido na secção seguinte), embora o custo inicial aumente ligeiramente em virtude do custo da contenção. O arrefecimento ao nível da fila apresenta um custo inicial ligeiramente superior, uma vez que envolve um número relativamente maior de unidades de arrefecimento e condutas. O custo diminui ligeiramente à medida que a densidade de potência do bastidor aumenta, tal como acontece com o arrefecimento ao nível da sala, com a ressalva de que o número de unidades de arrefecimento irá também diminuir com o aumento da densidade. A HAC reduz não só o consumo de energia do arrefecimento ao nível da fila, como também o custo inicial, uma vez que são necessárias menos unidades de arrefecimento. A densidades de potência de bastidor inferiores, o custo inicial do arrefecimento ao nível do bastidor é significativamente superior ao dos orientados para a sala e para a fila. Tal acontece devido ao aumento do número de unidades de arrefecimento, o que aumenta o custo de capital das unidades e das condutas para as densidades menores. Por exemplo, para o cenário de 3 kW por bastidor, o arrefecimento ao nível da fila exige um total de 48 unidades de arrefeci-mento, enquanto que a configuração ao nível do bastidor aumenta o número para 160. Além disso, o arrefecimento ao nível do bastidor exige contenção frontal e posterior para o bastidor e a unidade de arrefecimento, o que faz aumentar ainda mais o custo inicial do sistema.

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Densidade de potência média por bastidor

Baseado na sala/Piso elevado Baseado na sala/Piso elevado com CAQ Baseado em filas/Acoplamento curto Baseado em filas/Acoplamento curto com CAQ Configuração ao nível do bastidor Diagrama 8

Custo inicial em função da densidade média de potência do astidor para os três métodos de arrefecimento

> Pressupostos para o centro de dados Consideremos o seguinte centro de dados hipotético, com arrefecimento a água: • Carga de TI: 480 kW • Localização: St. Louis, MO • Densidade de bastidor: 3, 6, 12

e 20 kW por bastidor (120 cfm/kW) • Mistura de ar e desvio do ar frio

em arrefecimento ao nível da sala sem contenção de ala quente: 125% do valor nominal • Custo da distribuição de ar em

piso elevado para o arrefecimento da sala: 100 Euro/m2 • Custos das condutas, segundo

a base de dados de custos RSMeans: condutas em aço • Custo da energia: 0,1 Euro/kWh • O custo inicial inclui: unidade

de arrefecimento, condutas, chiller para arrefecimento gratuito, instalação e contenção (exclusivamente para arrefecimento ao nível do bastidor) • O custo anual da electricidade

inclui: unidade de ventoinha, chiller e bombas (unidade de arrefecimento e condutas) • Redundância de arrefecimento: N



À medida que a densidade aumenta, o custo inicial melhora drasticamente, uma vez que o número de unidades de arrefecimento será reduzido para optimizar o custo inicial. Por conseguinte, o arrefecimento ao nível do bastidor é mais económico para altas densidades de potência de bastidor. Eficiência eléctrica Os custos com a electricidade estão a tornar-se numa fracção maior dos custos de operacionais totais, devido aos aumentos do preço da energia, da potência necessária para os servidores e da densidade de potência. Embora a dependência dos custos de electricidade motivados pelo preço da energia e da potência dos servidores esteja bem definida, o efeito da densidade de potência nos custos de electricidade não é em geral considerado. O Diagrama 9 mostra o efeito da densidade de potência nos custos de electricidade anuais para os três diferentes métodos de arrefecimento com água fria, usando os pressupostos do Diagrama 8.

Os custos de electricidade para o arrefecimento ao nível da sala sem HAC são os mais elevados, visto que este método envolve o deslocamento de ar em distâncias maiores e as unidades CRAH precisam de consumir energia para misturar o ar na sala para evitar pontos quentes. Este custo da electricidade é reduzido pelo uso de HAC, devido à separação dos fluxos de ar. À medida que a densidade aumenta, os custos energéticos diminuem ligeiramente devido aos comprimentos inferiores das condutas e à consequente redução do consumo de energia das bombas. Os custos de electricidade para o arrefecimento ao nível da fila são consistentemente infe-riores aos do arrefecimento ao nível da sala, uma vez que as unidades CRAH beneficiam de acoplamento curto com a carga e estão dimensionadas para ela. Evitam-se fluxos de ar desnecessários, o que pode poupar mais de 50% no consumo de energia das ventoinhas, em comparação com o arrefecimento ao nível da sala. O custo de electricidade aumenta à medida que a densidade de potência dos bastidores aumenta, uma vez que o número de unidades de arrefecimento será menor, sendo necessário mais fluxo de ar e água para cada unidade de arrefecimento para obter a necessária capacidade de manter as temperaturas. A maior velocidade de funcionamento da ventoinha reduz a poupança efectiva alcançável com ventoinhas de velocidade variável. Neste caso, a adição de unidades redundantes reduzirá de facto o consumo de energia, embora resulte num custo inicial mais elevado.

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Densidade de potência média por bastidor

Baseado na sala/Piso elevado

Baseado na sala/Piso elevado c/ CAQ

Baseado em filas/Acoplamento curto

Baseado em filas/Acoplamento curto com CAQ Configuração ao nível do bastidor

Diagrama 9 Custos de electricidade anuais em função da densidade média de potência de bastidor para os três métodos de arrefecimento



Além disso, o caudal de água superior, necessário para manter a capacidade, consumirá energia adicional. O custo de electricidade para o arrefecimento ao nível do bastidor é superior a densidades inferiores devido ao aumento do número de unidades de arrefecimento, que exigem maior consumo de energia para deslocar o ar e a água. Mesmo com ventoinhas de velocidade variável, o aumento de unidades de arrefecimento a densidades inferiores limita as poupanças de energia em virtude das velocidades mínimas das ventoinhas. A densidades inferiores, a velocidade mínima das ventoinhas produz um fluxo de ar superior ao necessário. Além disso, é necessária mais tubagem de água para assegurar a sua circulação. À medida que a densidade de potência do bastidor aumenta, os custos energéticos diminuem. No entanto, para densidades superiores o custo começará a aumentar, uma vez que cada bastidor possui uma unidade de arrefecimento e, à medida que a densidade aumenta, é exigido um maior fluxo de ar de cada uma dessas unidades. Assim, as ventoinhas das CRAH aproximar-se-ão da velocidade operacional máxima, reduzindo as poupanças efectivas alcançáveis pelo uso de ventoinhas de velocidade variável. Além disso, o caudal de água superior necessário para manter a capacidade consumirá também energia adicional. Tubagens de água ou outras nas imediações de equipamentos de TI Estudos revelam a preocupação dos utilizadores com a presença de tubagens de água ou refrigerante no mesmo local que o equipamento de TI, em virtude da possibilidade de derrames de líquidos sobre este e aos tempos de paragem e/ou danos associados. Normalmente, os centros de dados de alta densidade com vários aparelhos de ar condicio-nado usam um sistema de arrefecimento com água fria. Prevê-se que esta tendência se mantenha, face às preocupações em matéria ambiental e de custos. Embora existam líquidos refrigerantes menos susceptíveis de danificar o equipamento de TI, são uma alternativa mais cara do que a água. As preocupações ligadas à disponibilidade e à tendência para maiores densidades levaram à introdução, nos contextos de centros de dados, de sistemas com refrigerantes bombeados. Estes sistemas são tipicamente compostos por um permutador de calor e uma bomba que isolam o meio refrigerante do centro de dados da água fria, permitindo refrigeração sem óleo para reduzir a contaminação em caso de fuga. No entanto, o sistema pode também isolar outros líquidos refrigerantes tais como o glicol. Para mais informações sobre sistemas com refrigerante bombeado, consulte a Aplicação técnica 59, Diferentes tecnologias para o arrefecimento de centros de dados. Localização da unidade de arrefecimento A localização das unidades de ar condicionado pode afectar drasticamente o desempenho do sistema. No caso do arrefecimento ao nível do bastidor, este problema da previsibilidade do desempenho é totalmente eliminado, uma vez que a localização exacta do aparelho de ar condicionado relativamente à carga a que se destina está determinada. A vantagem é que o desempenho de arrefecimento pode ser antecipadamente caracterizado na sua totalidade. Se o projecto do sistema envolver uma instalação faseada, a localização das unidades de ar condicionado futuras não exigirá praticamente planeamento ou antecipação, sendo estas automaticamente instaladas com cada bastidor. O arrefecimento ao nível da fila implica regras de projecto simples para a localização dos aparelhos de ar condicionado. A quantidade e as localizações dos aparelhos de ar condicio-nado ao nível da fila são determinadas por regras que foram estabelecidas através de simulações e testes. Naturalmente, tal inclui garantir que os aparelhos de ar condicionado estão dimensionados correctamente para as especificações de densidade da fila. Além disso, existem outras regras (tais como evitar o posicionamento no fim das filas) destinadas

Diferentes tecnologias para o arrefecimento de centros de dados





a maximizar o desempenho e a capacidade do sistema. Em implementações futuras, preserva-se alguma flexibilidade no posicionamento até ao momento da implementação. É possível usar a densidade de potência do bastidor média ou de pico/média da fila para determinar a quantidade e as localizações dos aparelhos de ar condicionado num processo “just-in-time”. O arrefecimento ao nível da fila é o mais flexível, em comparação com a abordagem ao nível do bastidor. O espaço ocupado e o custo são também inferiores. No caso de arrefecimento ao nível da sala sem contenção, a eficiência está fortemente dependente da localização das unidades de arrefecimento. Por exemplo, as localizações mais eficazes poderão não ser praticáveis devido a restrições físicas da sala, que podem envolver portas, janelas, rampas e a inacessibilidade das condutas. Normalmente, o resultado fica aquém do desejável, mesmo quando são aplicados recursos técnicos consideráveis. Além disso, a logística de instalação de aparelhos de ar condicionado ao nível da sala obriga normalmente a que estes sejam colocados previamente na sala, antes de todas as fases de implementação de TI. Uma vez que a disposição exacta das fases futuras de TI poderá não estar determinada, as localizações dos aparelhos de ar condicionado são muitas vezes ser grosseiramente ineficazes. É esta a razão pela qual a contenção é tão importante nos projectos modernos de arrefecimento ao nível da sala. A contenção permite muito mais flexibilidade no posicionamento das unidades de arrefecimento. O arrefecimento ao nível da sala com con-tenção oferece a opção adicional de colocação das unidades CRAH fora do centro de dados. Redundância A redundância é necessária em sistemas de arrefecimento para permitir a manutenção de sistemas activos e garantir a continuidade do serviço do centro de dados em caso de avaria de um dispositivo de ar condicionado. Os sistemas de alimentação de energia utilizam frequentemente circuitos de alimentação duplos para os sistemas de TI, para assegurar a redundância. Tal deve-se ao facto de os cabos e ligações da alimentação constituírem potenciais pontos de falha. No caso do arrefecimento, as configurações N+1 são mais comuns do que as abordagens de circuitos duplos, uma vez que os percursos comuns de distribuição de ar (que são apenas ar livre que circula ao redor dos bastidores) têm probabilidades de falha muito baixas. O propósito neste caso é o de, caso o sistema necessite de quatro unidades CRAH, a adição de uma 5ª unidade ao sistema irá permitir que qualquer uma das unidades possa avariar, permanecendo assegurada a carga de arrefecimento total. Daí o nome de redundância “N+1”. Para densidades de potência mais altas, este conceito simples de redundância não se aplica. A forma de disponibilizar redundância é diferente para os três métodos de arrefecimento, tal como é explicado a seguir: No arrefecimento ao nível do bastidor, não existe partilha de arrefecimento entre os bastidores nem um percurso comum de distribuição do ar. Por isso, a única forma de se obter a redun-dância é através do uso de um sistema CRAC N+X ou 2N de circuito duplo para cada bastidor (na prática, pelo menos dois sistemas CRAH por bastidor). Esta situação representa uma desvantagem grave quando comparada com as abordagens alternativas. No entanto, para bastidores isolados de alta densidade, é bastante eficaz, pois a redundância está totalmente determinada, sendo previsível e independente de quaisquer outros sistemas CRAH. O arrefecimento ao nível da fila permite obter redundância ao nível da fila. Tal obriga à existência de uma unidade CRAH adicional ou N+1 para cada fila. Apesar de as unidades CRAH de fila serem mais pequenas e mais baratas do que as unidades de sala, existem penalizações significativas com cargas baixas de 1-2 kW por bastidor. No entanto, para densidades mais altas, estas penalizações são eliminadas, podendo manter-se a configuração N+1 até 25 kW por bastidor. Esta é uma vantagem importante em comparação com as con-figurações baseadas na sala ou no bastidor, em que ambas tendem para 2N a densidades mais altas. A capacidade de fornecer redundância em situações de alta densidade com menos unidades CRAH adicionais é uma vantagem fundamental do arrefecimento ao nível da fila, sendo muito vantajosa ao nível do custo total de propriedade (TCO).



No arrefecimento ao nível da sala, a própria sala deverá ser utilizada como um percurso comum de fornecimento de ar para todas as cargas de TI. Em princípio, esta situação permite fornecer redundância introduzindo apenas mais uma unidade CRAH, independentemente do tamanho da sala. Tal aplica-se a arrefecimento ao nível da sala sem contenção com den-sidades muito baixas, levando a que esta abordagem tenha vantagens de custos em baixas densidades. No entanto, em arrefecimento ao nível da sala sem contenção e com densidades mais altas, a capacidade de uma unidade CRAH específica compensar a perda de outra é afectada significativamente pela geometria da sala. Por exemplo, o padrão de distribuição de ar de uma unidade CRAH específica não poderá ser substituído pelo de uma unidade CRAH de reserva localizada longe da unidade avariada. O resultado é que o número de unidades CRAH necessárias para o estabelecimento da redundância aumenta de uma unidade adicional para densidades baixas até à duplicação das unidades CRAH para densidades superiores a 10 kW por bastidor. Tal não é o caso num arrefecimento ao nível da sala com recurso a contenção, uma vez que os percursos de insuflação e de extracção do ar são separados. Método de remoção de calor Os temas específicos discutidos nesta secção são função do método de remoção de calor. As unidades de ar condicionado de expansão directa para salas de computadores (CRAC) usadas para arrefecer o centro de dados operam de forma diferente das unidades de água fria (CRAH). O uso de unidades CRAC desta maneira afectará a sua eficiência, humidificação, operação redundante e outras. É necessário fazer uma análise do projecto para compreender a operação e os controlos da solução de arrefecimento especificada para um determinado projecto. Para mais informações sobre métodos de remoção de calor, consulte a Aplicação técnica 59, Diferentes tecnologias para o arrefecimento de centros de dados.

Diferentes tecnologias para o arrefecimento de centros de dados





A abordagem convencional de arrefecimento dos centros de dados através de arrefecimento ao nível da sala sem contenção apresenta limitações técnicas e práticas nos centros de dados da próxima geração. Os centros de dados da próxima geração têm que se adaptar a requisitos variáveis e suportar eficazmente densidades de potência altas e variáveis, tendo também que reduzir o consumo de electricidade e outros custos operacionais. Tal levou directamente ao desenvolvimento de estratégias de contenção para arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor. Estes desenvolvimentos tornam possível lidar com densidades operacionais de 3 kW por bastidor ou superiores. A abordagem convencional ao nível da sala serviu bem a indústria e mantém-se como uma alternativa eficaz e prática para instalações de baixa densidade e nas aplicações em que as alterações da tecnologia de TI são mínimas. O arrefecimento ao nível da sala, fila ou bastidor com contenção permite flexibilidade, previ-sibilidade, capacidade de redimensionamento, baixo consumo de electricidade, TCO reduzido e uma disponibilidade óptima para os requisitos dos centros de dados da próxima geração. Os utilizadores devem esperar que as ofertas de produtos dos fornecedores utilizem estas abordagens. Prevê-se que muitos dos centros de dados venham a utilizar uma combinação dos três métodos de arrefecimento. O arrefecimento ao nível do bastidor irá ser aplicado em situações cujas principais características são densidades extremas, elevada granularidade de instalação ou uma disposição não estruturada. O arrefecimento ao nível da sala sem con-tenção continuará a ser uma abordagem eficaz para aplicações de baixa densidade e situações em que alterações sejam pouco frequentes. Para a maior parte dos utilizadores que lidam com as mais recentes tecnologias de servidores de alta densidade, os arrefecimentos ao nível da sala e da fila com contenção darão o melhor equilíbrio entre previsibilidade elevada, alta densidade e adaptabilidade, com o melhor TCO global.

Conclusão

Neil Rasmussen é um Vice-presidente sénior do sector de Inovação da Schneider Electric. Estabelece o rumo tecnológico do maior orçamento de investigação e desenvolvimento do mundo destinado a infra-estruturas de alimentação, arrefecimento e bastidores para centros de dados.

Neil detém 25 patentes relacionadas com uma infra-estrutura de alimentação e arrefecimento do centro de dados de elevada eficiência e alta densidade, e publicou mais de 50 aplicações técnicas relacionadas com sistemas de alimentação e arrefecimento, muitas delas publicadas em mais de 10 idiomas, mais recentemente com foco no melhoramento da eficiência ener-gética. É um orador internacionalmente reconhecido no que se refere ao tema dos centros de dados de elevada eficiência. Neil está actualmente a desenvolver soluções de infra-estrutura de centros de dados escaláveis de elevada eficiência e densidade e é um arquitecto principal do sistema InfraStruXure da APC.

Após ter fundado a APC em 1981, Neil foi Vice-presidente sénior de engenharia e director técnico durante 26 anos, tendo assumido a sua função actual após a APC se ter unido à Schneider Electric em 2007. Recebeu os graus de bacharel e mestre em engenharia electrotécnica no MIT, onde realizou uma tese sobre a análise de uma fonte de alimentação de 200 MW para um reactor de fusão Tokamak. Entre 1979 e 1981, desenvolveu actividade no Lincoln Laboratory do MIT, subordinada aos sistemas de armazenamento de energia de roda livre e em sistemas de alimentação eléctrica a energia solar. Kevin Dunlap é Director-geral de soluções de arrefecimento na Schneider Electric. Tem um bacharelato em gestão, com especialização em sistemas de informação de gestão, obtido na Universidade de Phoenix. Ligado ao sector da gestão de energia desde 1994, Kevin trabalhou anteriormente para a Systems Enhancement Corp., fornecedor de hardware e software de gestão de energia, adquirida em 1997 pela APC. Após a aquisição, trabalhou na APC como gestor de produto de placas de gestão e, após a aquisição da Airflow Company, Inc. em 2000, de soluções de arrefecimento de precisão.

Participou em diversos painéis de discussão sobre gestão de energia e arrefecimento, bem como em consórcios industriais e comités ASHRAE para a gestão térmica e economizadores eficientes.

Sobre os autores



Diferentes tipos de distribuição de ar para ambientes de TI White Paper 55

Estratégias de Refrigeração para Bastidores de Muito Alta Densidade e Servidores Blade White Paper 46

Erros evitáveis que comprometem o desempenho do arrefecimento em centros de dados e salas de equipamento de rede White Paper 49

Directrizes para a especificação da densidade de potência do centro de dados White Paper 120

Sistemas de humidificação: Redução dos custos da energia em ambientes de TI White Paper 133

Implementar compartimentos de alta densidade num centro de dados de baixa densidade White Paper 134

Impacto da contenção de ala quente e fria na temperatura e na eficiência do centro de dados White Paper 135

Diferentes tecnologias para o arrefecimento de centros de dados White Paper 59

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Escolha entre arrefecimento ao nível da sala, fila ou