Modos Econômicos dos Sistemas - apc.com · Modos Econômicos dos Sistemas de Refrigeração de Data Centers Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 132 Rev

Modos Econômicos dos Sistemas de Refrigeração de Data Centers

Revisão 0

Por John Niemann John Bean Victor Avelar

Introdução 2

Finalidade e função dos modos econômicos

2

Tipos de modo econômico 4

Comparação dos diferentes modos econômicos

10

Fatores que afetam a operação de modo econômico

18

Eliminação ou redução dos modos econômicos em sistemas de refrigeração

19

Conclusão 20

Recursos 21

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White Paper 132

Em determinados climas, alguns sistemas de refrigeração podem economizar mais de 70% dos gastos anuais de energia ao operar no modo econômico, o que corresponde a uma redução de mais de 15% na PUE por ano. No entanto, há pelo menos 17 tipos diferentes de modos econômicos com definições imprecisas, o que dificulta a comparação, escolha ou especificação entre eles. Este documento fornece a terminologia e as definições de vários tipos de modos econômicos e faz a comparação de seu desempenho em relação aos principais atributos do data center.

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 132 Rev 0 2

Os crescentes custos com energia e exigências para manter a consciência ecológica estão levando a uma maior necessidade de economizar energia. O potencial de economia de energia do modo econômico em determinados climas torna-o interessante para uso em ambientes de TI. Funcionar em modo econômico economiza energia ao utilizar o ar externo durante os meses mais frios do ano, o que permite desligar ou reduzir a capacidade dos componentes de refrigeração com base em elemento refrigerante, como resfriadores e compressores. Até pouco tempo, operar no modo econômico era considerado uma opção ou um modo secundário de operação, mas agora está se tornando uma exigência para atender às metas de eficiência definidas pelos operadores do data center e/ou padrões como o Padrão ANSI/ASHRAE 90.1-2010, Padrão de Energia para edifícios, exceto edifícios residenciais com poucos andares. Os operadores de data center estão descobrindo que, em alguns climas, os sistemas de refrigeração podem operar principalmente em modo econômico, o que permite que os modos baseados em elementos refrigerantes (por exemplo, refrigeração mecânica) exerçam a função de modo secundário ou modo de backup de operação. Embora o conceito de modo econômico seja reconhecido em todo o setor de data centers, há pouca padronização da terminologia e suas definições, o que gera confusão. Uma importante origem de confusões está no uso do termo "econômico" para descrever um componente dentro de um sistema de refrigeração ou um subconjunto de um sistema de refrigeração. O termo "econômico" NÃO se refere a um objeto, e sim a um modo de operação. No nível mais alto, um sistema de refrigeração pode usar ar, água ou elemento refrigerante para transportar energia de calor de dentro do data center para o ambiente externo. Os termos "modo econômico do ar" e "modo econômico da água" são geralmente usados para descrever os sistemas de refrigeração com um modo econômico integrado. Com a falta de outras definições padronizadas, este documento propõe terminologias de definições para vários tipos de modo econômico que usa o ar ou a água para transportar a energia de calor para o ambiente externo. A operação de cada tipo de modo econômico é descrita, com seis tipos identificados como os que oferecem mais benefícios para os data centers. Esses seis tipos de modo econômico são então comparados considerando diversos atributos. Este documento considera que o leitor tenha um conhecimento básico sobre os vários tipos de sistema de eliminação de calor. Para um melhor entendimento dos componentes de refrigeração dos vários tipos de sistema de eliminação de calor, consulte o White Paper 59, Os Diferentes Tipos de Equipamentos de Condicionamento de Ar para Ambientes de TI. Há muitos diferentes dispositivos e tecnologias de refrigeração usados para refrigerar os data centers. No entanto, todos esses sistemas usam um ou os quatro elementos básicos a seguir: Transporte de calor: ventiladores e/ou bombas, fluidos em movimento (como ar ou

água), que movimentam energia de calor do data center para o ambiente externo.

Troca de calor: bobinas ou respiradouros que transferem energia de calor de um fluxo de calor para outro. Em todos os casos, há uma troca de calor final para o ambiente externo.

Compressor: sistema que usa elemento refrigerante de alta ou baixa pressão para forçar a energia de calor para fluxo "para cima" de uma área fria para uma área quente (ambiente externo no verão). O refrigerante de alta pressão comprimido está a uma temperatura muito mais alta do que a temperatura externa. Esse "aumento da temperatura" é que permite que o calor do data center vá para o ambiente externo.

Introdução

Finalidade e função dos modos econômicos

Os Diferentes Tipos de Equipamentos de Condicionamento de Ar para Ambientes de TI

Link para a fonte White Paper 59



Assistência evaporativa: torres de refrigeração, filtros úmidos ou sprays que evaporam água para facilitar a transferência de calor para o ambiente externo.

Um data center típico refrigerado com água usa TODOS os elementos acima para refrigerar o data center. O transporte de calor e o compressor consomem energia elétrica ao fornecer refrigeração, e a assistência evaporativa consome água. O sistema de refrigeração deve ser projetado para funcionar sob condições de pior caso de carga total do data center e sob alta temperatura externa. A baixas cargas do data center e temperatura externa baixa, o sistema deve aplicar menos esforço para refrigerar o data center. Infelizmente, os vários dispositivos na instalação de refrigeração são subutilizados e não operam de forma eficiente sob essas condições. Para aumentar a eficiência sob essas condições, os dispositivos de refrigeração foram aprimorados de modo a incluir acionadores de velocidade variável, gradação e outras funções. Apesar disso, eles ainda exigem uma grande quantidade de energia. Os modos econômicos foram desenvolvidos para ajudar a reduzir a energia usada durante as condições favoráveis de carga leve do data center e temperaturas externas baixas. Em um modo econômico, a função do compressor é completamente ou parcialmente desviada, eliminando ou reduzindo o uso de energia. O compressor é usado para transferir o calor de dentro do data center para o ambiente externo quando a temperatura externa for maior do que a temperatura do data center. No entanto, quando a temperatura externa estiver suficientemente abaixo da temperatura do data center, o calor fluirá naturalmente para o lado externo sem a necessidade de "aumentar a temperatura" fornecida pelo compressor, assim, sua função não é necessária. Portanto, sob condições favoráveis, o compressor pode ser contornado, o que economiza uma grande quantidade de energia. Além disso, para sistemas que usam assistência evaporativa, essa função poderá também ser desativada ou contornada se as condições forem favoráveis, economizando água. Historicamente, implantar um modo econômico em um sistema de refrigeração de data center gerava gastos extras e complexidade, e só era justificado em situações com condições climáticas extremamente favoráveis, como em altas latitudes. No entanto, isso mudou, e os modos econômicos agora são considerados vantajosos na maioria dos locais, graças às seguintes razões: A operação do data center com cargas parciais aumenta o benefício dos modos

econômicos e mais projetores reconhecem que os data centers gastam uma parte considerável de sua vida com carga leve. A tendência em direção à variação de potência dinâmica de equipamentos de TI amplificará esse efeito.

A tendência em direção à operação de data centers a temperaturas mais altas de retorno do ar de TI exerce um efeito expressivo sobre à parcela de tempo que é possível usar em operações em modo econômico, especialmente em climas mais quentes.

A maioria das novas implementações de modos econômicos pode agora operar em modo econômico "parcial", o que aumenta bastante a quantidade de energia economizada na maioria dos casos.

As ferramentas disponíveis para quantificação da energia salva graças à implementação dos modos econômicos foram otimizadas e frequentemente preveem oportunidades significativas de economia com excelente ROI.

A experiência real com os modos econômicos e a melhoria dos controles e sistemas de monitoramento tem aumentado a confiança de que esses modelos não afetam contrariamente a confiabilidade dos data centers.

Esse é o conceito de um desvio da função do compressor que é essencial para todos os modos econômicos. O modo como esse desvio é alcançado (e os benefícios obtidos) depende do projeto da instalação de refrigeração, como explicado nas próximas seções.

> Refrigeração livre Modos econômicos são, às vezes, chamados de "refrigeração livre". Embora o termo seja muito útil para descrever elementos de modo econômico em geral, é importante considerar o seguinte. Um modo econômico contorna parcial ou completamente um compressor em uma instalação de refrigeração. A maioria dos sistemas que usam modos econômicos gasta a maior parte do tempo em modo de desvio parcial, então, parte da energia de refrigeração é economizada, mas a refrigeração não é "livre". Além disso, mesmo quando um modo econômico opera com desvio total do compressor, há ainda uma quantidade significativa de energia usada no transporte de calor por meio dos ventiladores ou bombas e possivelmente em outras funções, como umidificação*. Mesmo nesse modo econômico total, a refrigeração não é "livre".

* Em pelo menos um projeto, o chamado "puleiro", o transporte de calor leva vantagem sobre a convecção natural usando um design especial a fim de reduzir ou eliminar a necessidade de ventiladores de transporte de calor.



Há 19 tipos fundamentais de modos econômicos, e desses modos, 15 podem ser realmente usados em um data center de produção (seis tipos que usam ar e nove tipos que usam água). Os outros quatro tipos que usam água não foram considerados, pois eles levam água do condensador diretamente para o data center, o que aumenta as chances de obstruções do equipamento. A Figura 1 organiza de forma lógica esses 15 tipos de modo econômico1. Cada tipo é descrito com mais detalhes nas seções seguintes. Os modos destacados de amarelo serão analisados posteriormente neste documento. Para comparar de forma justa os diferentes modos econômicos, é importante incluir todos os componentes do sistema de refrigeração necessários para operar nesse modo. Por exemplo, às vezes, o trocador de calor de base e estrutura em uma instalação de refrigeração com água é confundido com “o” modo econômico, quando na verdade é somente um componente que permite que o sistema de refrigeração opere em modo econômico. Nesse caso, a torre de refrigeração, as bombas do condensador, as bombas de água refrigerada e unidades de condicionamento de ar (CRAH) da sala de computação são todos elementos necessários para que seja possível operar em modo econômico. É possível operar em modo econômico com a ausência de qualquer um desses dispositivos, mesmo nos dias mais frios. Esse é o motivo pelo qual, em geral, é errado referir ao termo "econômico" como um objeto em um data center e mais preciso referir-se a "modos econômicos" de uma operação do sistema de refrigeração.

1 CRACH (unidade de condicionamento do ar da sala de computação), CRAC (Ar-condicionado da sala

de computação)

Tipos de modo econômico

> Em série/Em paralelo Os modos econômicos podem ser projetados e configurados por meio de uma das duas formas disponíveis: em série ou em paralelo.

Em uma configuração em série, o componente que contorna o compressor (por exemplo, o trocador de calor de base e estrutura) é instalado em série com o compressor. Essa configuração permite o modo econômico parcial em que o trocador de calor "pré-resfria" o ar ou a água. Isso reduz a energia de calor total que o compressor deve recusar, economizando uma quantidade significativa de energia.

Em uma configuração em paralelo, o componente que contorna a bomba de calor é instalado em paralelo com a bomba de calor. Essa configuração impede a operação em modo econômico parcial. Essa abordagem "tudo ou nada" falha em aproveitar as grandes economias de energia geradas ao operar em modo econômico parcial.



Instalações de expansão direita refrigeradas por ar

Desvio do ar-condicionado através de ar

ambiente direto

Com assistência evaporativa

Sem assistência evaporativa

Desvio do compressor do resfriador através do sifão térmico interno do

resfriador

Desvio do resfriador através do trocador de

calor

SérieEm

paralelo

Desvio do resfriador embalado através do resfriador

a seco

SérieEm

paralelo

Desvio do resfriador

embalado através do resfriador evaporativo

SérieEm

paralelo

Desvio do compressor CRAC através de

serpentina secundária

Instalações resfriadas por glicol

Instalações de água fria

Desvio do ar-condicionado

através do trocador de calor do ar




através da roda de calor



Resfriadores refrigerados por

água

Resfriadores refrigerados por ar

Com resfriador a seco

Modos econômicos com base em ar

Modos econômicos com base em água

Os modos realçados em amarelo serão analisados posteriormente neste documento, uma vez que permitem a operação em modo econômico parcial e a refrigeração evaporativa.

Com resfriador corporativo

As seções a seguir descrevem cada tipo de modo econômico. Cada seção começa com uma lista de todos os componentes necessários para a operação em modo econômico (por exemplo, completamente operado por compressão mecânica de vapor). Todas as descrições consideram que o sistema de controle2 é necessário.

Desvio do ar-condicionado através de ar ambiente direto Principais componentes: ventiladores, adufas, dampers, filtros (mantas úmidas e bomba, quando usadas com assistência evaporativa) Um modo econômico de ar ambiente (às vezes, chamado de ar direto) usa ventiladores e adufas para drenar uma determinada quantidade de ar frio externo através de filtros e, então levá-lo diretamente para dentro do data center quando as condições do ar externo estiverem dentro dos pontos estabelecidos, como ilustrado na Figura 2. As adufas e os

2 Sistema de controle refere-se aos componentes que regulam a operação de um sistema, como fechar

uma válvula de água ou adufa de ar ao alcançar uma determinada temperatura externa.

Figura 1 Tipos de modo econômico



Figura 3a Desvio do ar-condicionado através do modo do trocador de calor do ar

Figura 2 Desvio do ar-condicionado através do modo de ar ambiente direto

dampers também controlam a quantidade de ar quente de exaustão que é expelido para o ambiente externo e misturado novamente no ar de fornecimento do data center para manter os pontos definidos do ambiente. Embora o ar de fornecimento seja filtrado, isso não impede completamente que partículas finas, como fumaça e gases químicos, entrem no data center. Esse tipo de modo econômico pode também ser usado com assistência evaporativa onde o ar exterior também passa por um material de manta úmida antes de entrar no data center. Em regiões geográficas secas, a assistência evaporativa pode reduzir a temperatura do ar em até 19° C (35° F), o que resulta em horas adicionais do modo econômico. Esse éo mesmo efeito de refrigeração que acontece quando alguém sai do mar e sente a brisa marinha. Observe que usar a assistência evaporativa com esse tipo de modo econômico aumenta a umidade do data center, pois o ar ambiente trazido diretamente para o data center é transportado pelo meio evaporativo. A assistência evaporativa oferece mais benefícios em climas secos. Para climas mais úmidos, a assistência evaporativa deve ser avaliada com base no retorno do investimento (ROI). Esse tipo de modo econômico permite que a operação em modo econômico parcial seja usada.

Desvio do ar-condicionado através do trocador de calor do ar Principais componentes: ventiladores, trocador de calor da placa fixa de ar para ar (mantas úmidas e bomba, quando usadas com assistência evaporativo) Um desvio do ar-condicionado através do modo de troca de calor do ar (às vezes, chamado de ar indireto) usa ar externo para indiretamente resfriar o ar do data center quando as condições do ar externo estiverem dentro dos pontos estabelecidos. Esse modo usa ventiladores para soprar ar externo frio para uma série de placas ou tubos que, em troca, resfriam o ar quente do data center do outro lado das placas ou tubos, isolando completamente o ar do data center do ar externo (veja a Figura 3a). Esse tipo de modo econômico pode também ser usado com assistência evaporativa onde o lado externo das placas ou tubos são borrifados com água, que abaixa ainda mais a temperatura o ar externo e, consequentemente, o ar quente do data center. Diferentemente do modo econômico anterior, nesse caso, a assistência evaporativa não aumenta a umidade dentro do data center. A Figura 3b mostra uma ilustração de um trocador de calor de ar para ar com assistência evaporativa e um exemplo de um sistema completo de refrigeração com esse tipo de modo econômico. Esse tipo permite os modos econômicos parcial e completo.

TI TI

Data Center



Figura 4 Desvio do ar-condicionado através do modo de roda de calor (lado esquerdo) e um exemplo de uma roda de calor (lado direito)

Figura 3b Ilustração de um trocador de calor de ar para ar com assistência evaporativa (lado esquerdo) e um exemplo de um sistema completo de refrigeração com um desvio do ar-condicionado integrado através do modo de trocador de calor do ar (lado direito)

Desvio do ar-condicionado através da roda de calor Principais componentes: ventiladores, roda de calor (mantas úmidas e bomba, quando usadas com assistência evaporativa) Um desvio do ar-condicionado através do modo de roda de calor usa ventiladores para soprar o ar frio da parte externa através de um trocador de calor rotativo que preserva as condições de ar do secador do espaço do data center, como mostrado na Figura 4, juntamente com um exemplo de uma roda de calor. Rodas de calor dependem de um material especial que não permite que contaminantes poluam o ar do data center. Esse tipo de modo econômico pode também ser usado com assistência evaporativa onde o ar exterior é resfriado ao passar pelo material de uma manta úmida. Esse tipo permite os modos econômicos parcial e completo.

TI TI

Data center

Desvio do resfriador através do trocador de calor Principais componentes: torre de refrigeração, bombas, válvulas, trocador de calor de base e estrutura, CRAH Um desvio do resfriador através do modo econômico de troca de calor do ar usa água do condensador para indiretamente resfriar a água fria do data center quando as condições do ar externo estiverem dentro dos pontos estabelecidos. As bombas movem a água do condensador através de um trocador de calor de base e estrutura para resfriar a água fria usada nos CRAHs sem misturar os dois fluxos de água como mostrado na Figura 5. As válvulas desviam do resfriador permitindo que ele desligue dependendo da temperatura da água do condensador. Esse modo econômico permite a operação parcial quando o trocador de calor estiver funcionando em série com o resfriador. Embora não seja discutido neste



Figura 5 Desvio do resfriador através do modo de trocador de calor

documento, esse tipo de modo econômico também pode usar uma grande massa de água (por exemplo, um lago) como fonte de água fria.

TI TI

Torre de refrigeração

CRAH

Data Center

Bomba

Chiller

Trocador de Calor da Placa

Bomba

Desvio do compressor do resfriador através do sifão térmico interno do resfriador Principais componentes: torre de refrigeração ou resfriador a seco, resfriador com sifão térmico, bombas, válvulas, CRAH Alguns resfriadores oferecem uma opção de modo econômico do sifão térmico que permite que o compressor seja desligado quando as condições do ar externo estiverem dentro dos pontos estabelecidos. Nesse modo, o resfriador atua como um simples trocador de calor. O princípio do sifão térmico faz com que o refrigerante quente movimente-se naturalmente em direção à serpentina do condensador frio onde é resfriado. O refrigerante quente então depende da gravidade ou de uma bomba para voltar para a serpentina do evaporador, onde resfria a água fria do data center. O refrigerante esquenta novamente e o ciclo recomeça. O sifão térmico elimina a necessidade do trocador de calor de base e estrutura do tipo anterior do modo econômico. No entanto, esse modo econômico não permite que o resfriador opere em modo econômico parcial porque o compressor deve permanecer desligado quando estiver funcionando no modo de sifão térmico.

Desvio do resfriador embalado através do resfriador a seco (ou através do resfriador evaporativo) Principais componentes: resfriador a seco, bombas, válvulas, CRAH (mantas úmidas e bomba, quando usadas com resfriador evaporativo) Um desvio do resfriador embalado através do modo econômico do resfriador a seco usa um trocador de calor conhecido como um resfriador a seco para resfriar diretamente a água fria do data center quando as condições do ar externo estiverem dentro dos pontos estabelecidos. As bombas movem a água do resfriador (geralmente uma mistura de glicol) através de um resfriador a seco, onde o ar exterior gelado resfria a água fria que abastece o CRAH, como mostrado na Figura 6a. As válvulas desviam do resfriador permitindo que ele desligue ou opere de forma mais eficiente dependendo da temperatura do ar externo. A operação em modo econômico parcial só é possível quando o trocador de calor estiver funcionando em série com o resfriador. Observe que o resfriador a seco e os controles na Figura 6a estão completamente integrados na solução do resfriador embalado. Essa é a solução considerada para esse tipo de modo econômico. Esse tipo de solução ocupa um espaço menor e proporciona uma operação em modo econômico significantemente mais previsível e eficiente em comparação ao conjunto em campo dos mesmos componentes. Um exemplo de uma solução do resfriador embalado com esse tipo de modo econômico, como mostrado na Figura 6b.



Figura 7 Desvio do compressor CRAC através do modo de serpentina secundária

Figura 6a Desvio do resfriador embalado através do modo do resfriador a seco

Figura 6b Exemplo de um resfriador embalado com resfriador a seco integrado

Esse tipo de modo econômico também pode ser usado com assistência evaporativa onde o ar externo é ainda mais resfriado ao passar por um material de manta úmida ou um spray de água atomizada que reduz ainda mais a temperatura da água e aumenta o número de horas de operação em modo econômico. Isso exige que o resfriador a seco seja substituído por um resfriador evaporativo.

Desvio do compressor CRAC através de serpentina secundária Principais componentes: resfriador a seco, bombas, CRAC com serpentina secundária (mantas úmidas e bomba, quando usadas com resfriador evaporativo) Nesse tipo de modo econômico, a expansão direta (DX) de CRAC inclui uma segunda serpentina independente que usa a água do condensador durante a operação de modo econômico. Quando as condições do ar externo estiverem dentro dos pontos definidos especificados, a bomba movimentará a água do condensador através do resfriador a seco, onde o ar frio externo resfria a água do condensador que abastece a segunda serpentina no CRAC (Figura 7). Esse tipo de modo econômico permite a operação parcial e pode usar assistência evaporativa. Isso exige que o resfriador a seco seja substituído por um resfriador evaporativo. Observe que uma torre de refrigeração poderia também ser usada para resfriar a água do condensador, mas ela aumenta os requisitos de tratamento da água, portanto, não foi considerada para uso no data center.

TI TI

CRAC

Resfriador a seco

Bomba

Data Center



Mesa 1 Comparação qualitativa entre tipos de modo econômico (as células azuis indicam o melhor desempenho para o atributo)

Um modo econômico deve aproveitar de uma grande variedade de condições externas a fim de maximizar o número de horas em modo econômico e economizar energia. No entanto, em períodos de condições externas extremamente quentes, é necessário pelo menos depender parcialmente de um modo com base em refrigerante (por exemplo, refrigeração mecânica) para confiantemente manter as condições ambientais do data center enquanto economiza energia. Há dois atributos principais do modo econômico que ajudam nessa questão:

1. Operação do modo econômico parcial em que o compressor opera a uma carga reduzida

2. Assistência evaporativa

Uma avaliação de alto nível de cada um dos 15 tipos de modo econômicos, mostrada na Figura 1, conclui que seis dos 15 tipos empregam esses dois atributos. A Mesa 1 compara esses seis tipos de modo econômico com vários atributos qualitativos descritos abaixo. As células azuis ilustram o melhor tipo de modo econômico para o atributo específico. A Mesa 2 compara esses seis tipos de modo econômico com vários atributos quantitativos descritos abaixo.

Modos econômicos com base em ar Modos econômicos com base em água

Atributo do modo econômico


através do modo de ar

ambiente direto

(com assistência evaporativa)


através do trocador de calor

do ar (com assistência

evaporativa)


através da roda de calor do ar


Desvio do resfriador através do

trocador de calor 3


evaporativo 3

Desvio do compressor

CRAC através da serpentina secundária


Compatibilidade com a estrutura

Exige modificação da estrutura



Nenhum problema com a estrutura



Capacidade de readaptação

Improvável para readaptação no sistema existente



Prático se houver espaço disponível

Prático se houver espaço disponível

Exige troca da unidade CRAC

Complexidade de controles

Menos dispositivos para controlar



Mais dispositivos para controlar

Quantidade moderada de dispositivos para controlar

Quantidade moderada de dispositivos para controlar

Data center controle de umidade

Dependente da umidade externa

Independente da umidade externa





Expectativa de vida

20–40 anos para o trocador de calor



10–15 anos para a placa do trocador de calor

10–20 anos para o resfriador evaporativo

10–20 anos para a unidade de refrigeração

3 Pressupõe que um trocador de calor esteja funcionando em série com o resfriador, o que permite uma

operação em modo econômico parcial.

Comparação dos diferentes modos econômicos






através do modo de ar

ambiente direto



através do trocador de calor

do ar (com assistência

evaporativa)





trocador de calor 3


evaporativo 3




Riscos de disponibilidade – perda de água para refrigeração – baixa qualidade da água – supressão de incêndio

Altamente suscetível à qualidade do ar externo Desligamento necessário com supressão por agente limpo

Baixo risco de tempo de inatividade devido a perda de água. Sem riscos de baixa qualidade do ar ou supressão de incêndio

Baixo risco de tempo de inatividade devido a perda de água. Sem riscos de baixa qualidade do ar ou supressão de incêndio

Tempo de inatividade devido a perda de água de compensação para a torre de refrigeração

Sem tempo de inatividade devido a perda de água, baixa qualidade do ar ou supressão de incêndio

Sem tempo de inatividade devido a perda de água, baixa qualidade do ar ou supressão de incêndio

Espaço ocupado 0,41 pé2/kW0,038 m2/kW

0,788 pé2/kW0,073 m2/kW

1,72 pé2/kW0,16 m2/kW

1,94 pé2/kW0,18 m2/kW

3,34 pé2/kW 0,31 m2/kW

2,02 pé2/kW0,19 m2/kW

Necessidade de modo de refrigerante de backup

Backup de tamanho completo em caso de baixa qualidade do ar externo

Tamanho parcial para climas extremos





Compatibilidade com a estrutura Desvio do ar-condicionado através do ar ambiente direto, do trocador de calor do ar e da roda de calor do ar, todos exigem funcionamento por dutos de ar do equipamento de refrigeração externo para a sala de TI do data center. Em geral, isso exige que a estrutura seja especificamente criada com espaço para esse duto ou de forma que a sala de TI abrigue diretamente um local externo adequado para os equipamentos de refrigeração. Portanto, esses tipos de modos econômicos são geralmente difíceis de instalar em edifícios já existentes e edifícios com vários andares. Os modos econômicos que usam tubulações são mais flexíveis quanto às opções de instalação, pois os tubos de água transferem calor em um espaço físico muito menor que pode ser acomodado em espaços já existentes.

Capacidade de readaptação A meta típica em uma aplicação aprimorada é reutilizar o máximo possível da infraestrutura existente. É praticamente impossível melhorar um sistema de refrigeração tradicional com um desvio do ar-condicionado através do modo econômico de ar ambiente direto, já que a infraestrutura de refrigeração existente é incompatível (o sistema tradicional usa água enquanto o outro usa ar). Em um data center típico usando unidades CRAH ou CRAC, há basicamente três formas de aprimorar um modo econômico ao reutilizar equipamentos existentes. A primeira forma mais comum é adicionar um trocador de calor que desvia de um resfriador que utiliza água (por exemplo, desvio do resfriador através do modo econômico do trocador de calor). Isso normalmente exige a instalação de um trocador de calor de base e estrutura próximo ao resfriador e com controles associados e válvulas de desvio. O trocador de calor é muito menor do que um resfriador, então, geralmente há espaço suficiente para o trocador de calor na sala do resfriador já existente. A segunda forma é adicionar um trocador de calor que desvia de um resfriador que utiliza ar (por exemplo, o desvio do resfriador embalado através do modo econômico do resfriador

Os sistemas de controle para sistemas de refrigeração pré-projetados padronizados com modo econômico integrado foram desenvolvidos junto com o hardware. Isso torna o sistema de controle inerentemente mais confiável do que os sistemas de controle personalizados desenvolvidos para instalações de sistema de controle exclusivas no campo.

“

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evaporativo). Isso normalmente exige a instalação de um resfriador evaporativo próximo ao resfriador e com controles associados e válvulas de desvio. O espaço total do resfriador evaporativo pode ser muito maior do que o resfriador, dependendo do clima, então, é necessário espaço suficiente. A terceira forma é adicionar um trocador de calor que desvia de um compressor em um sistema DX que usa glicol (por exemplo, desvio do compressor CRAC através do modo econômico da segunda serpentina). Isso é muito mais difícil e impraticável, já que a segunda serpentina deve ser colocada dentro de um gabinete de unidade de refrigeração. Aprimorar esse tipo de sistema de refrigeração de forma realista exige a substituição de toda a unidade CRAC por uma que inclua uma segunda serpentina.

Complexidade de controles A transição entre o modo econômico e o modo com base em refrigerante pode ser muito complicada e pode resultar em uma perda temporária de refrigeração durante o processo. Por fim, a confiabilidade dessa transição está nos controles. Os sistemas de controle para sistemas de refrigeração pré-projetados padronizados com modo econômico integrado foram desenvolvidos junto com o hardware. Isso torna o sistema de controle inerentemente mais confiável do que os sistemas de controle personalizados desenvolvidos para instalações de sistema de controle exclusivas no campo. O desvio do ar-condicionado através do trocador de calor do ar ou dos modos econômicos de roda de calor tem os sistemas de controle mais simples. O sistema de controle do modo econômico mais complexo é o desvio do resfriador através do trocador de calor devido àźzona neutra entre a baixa temperatura da água do condensador, exigida pelo trocador deźcalor de base e estrutura, e a temperatura mais alta da água do condensador, exigida pelo resfriador.

Controle da umidade do data center Todos, exceto um tipo de modo econômico da Tabela 1, isolam o ar externo do ar interno do data center. A umidade do data center não é, portanto, afetada pelo modo econômico, mesmo quando o nível da umidade externa está alto. No entanto, o desvio do ar-condicionado através do modo econômico do ar ambiente direto abastece o data center diretamente com ar externo, o que reduz substancialmente o número de horas em modo econômico em climas úmidos. Embora seja possível controlar a umidade, a energia extra usada pode compensar as economias de energia do modo econômico.

Expectativa de vida Os sistemas de refrigeração que usam água para transportar energia de calor geralmente têm uma expectativa de vida menos do que aqueles que usam ar. Isso acontece devido a obstruções do fluxo da água na tubulação. O fator limitante para os sistemas de refrigeração que usam assistência evaporativa tende a ser as superfícies que ficam sujeitas à água. No geral, a expectativa de vida de qualquer sistema de refrigeração é substancialmente afetada pela quantidade de manutenção executada durante a vida útil.



Riscos à disponibilidade Todos os tipos de modos econômicos estão sujeitos a ameaças externas, como furacões, tornados e terremotos. No entanto, há ameaças comuns que devem ser consideradas. Perda de água de refrigeração – a perda de fornecimento de água municipal pode

ocorrer devido a construções próximas ao data center, sejam desligamentos planejados ou não. Como os resfriadores de água fria tipicamente dependem totalmente das torres de refrigeração que operam continuamente, o modo econômico do trocador de calor é o mais suscetível. Essa ameaça é geralmente eliminada com a instalação de um tanque de armazenamento de água grande o suficiente para suportar uma falta de água de 24 horas ou mais. Uma ameaça de perda de refrigeração da assistência evaporativa de outros tipos de modo econômico é muito menos provável porque deve coincidir com condições externas de calor e secura. Os sistemas que também dependem da assistência evaporativa como meio de fornecer refrigeração por todo o ano estão também suscetíveis a uma perda da água de refrigeração. Isso pode solucionado ao instalar um sistema de fornecimento de água de backup, como descrito acima, ou ajustar o sistema de refrigeração mecânica para 100% da carga.

Baixa qualidade do ar – modos econômicos que abastecem o data center diretamente com ar externo podem representar uma ameaça aos equipamentos de TI. Alguns dos filtros de ar desses sistemas de refrigeração são eficientes na filtragem de partículas dentro da variedade mícron, como aquelas do tamanho de micro-organismos. No entanto, sob a ameaça de cinza vulcânica, fumaça de algum incêndio nas proximidades ou areia trazida por tempestades, os modos econômicos de ar ambiente podem precisar ser trocados por refrigeração por refrigerante, já que os filtros seriam rapidamente obstruídos. Essa ameaça é geralmente reprimida pela instalação de um resfriador redundante capaz de suportar a carga de calor de todo o data center. Em modos econômicos que usam um meio úmido para assistência evaporativa, as mantas são vulneráveis ao acúmulo de particulados. Nesses casos, as mantas provavelmente precisarão ser substituídas depois do contato com essa ameaça. O padrão ASHRAE possui um white paper um livro com o assuntoParticulate and Gaseous Contamination in Datacom Environments (Contaminação por Elementos Particulados e Gasosos em Ambientes de Data Centers). Ambas as publicações fornecem detalhes sobre os modos e as falhas que podem ser causadas por contaminação por elementos gasosos e particulados, particularmente em aplicações do modo econômico de ar ambiente direto usado em áreas industriais. A publicação também fornece diretrizes para substâncias permitidas e condições operacionais para garantir uma operação livre de problemas.

Supressão de incêndio dentro do data center – os data centers que dependem de sistemas de supressão de incêndio com agentes limpos (por exemplo, FM200, INERGEN, ECARO-25) devem isolar o espaço do data center para manter a concentração adequada de agente limpo a fim de garantir a supressão de incêndio. Isso exige o fechamento de todos os dampers de ar e portas, o que representa problema para os modos econômicos que abastecem o data center diretamente com ar ambiente. Como acontece com a ameaça de baixa qualidade do ar, essa ameaça é eliminada ao garantir que o sistema mecânico seja capaz de lidar com 100% da carga de calor do data center.

Espaço ocupado O espaço ocupado por diferentes sistemas de refrigeração é considerado para o espaço de todos os componentes, incluindo aqueles exigidos para o modo econômico e as unidades de refrigeração no data center. O espaço ocupado é normalizado para a capacidade nominal do data center (por exemplo, a capacidade máxima de TI que o data center suporta). O desvio

> Regulamentações e os modos econômicos Os modos econômicos foram tipicamente considerados uma opção em um projeto de data center. O cliente pode decidir se deseja incluir os recursos de modo econômico com base em sua própria visão dos custos e benefícios. No entanto, há uma tendência para que ocorra a regulamentação dos requisitos de desempenho mínimos para data centers novos, e esses requisitos podem exigir de forma explícita ou implícita a implementação de modos econômicos.

A principal regulamentação que afeta essa questão é o Padrão ANSI/ASHRAE 90.1-2010 "Padrão de Energia para Edifícios, exceto Edifícios Residenciais com Poucos Andares". Esse padrão especifica os requisitos de desempenho mínimos para o desempenho de energia para edifícios e foi recentemente ampliado para incluir data centers. Embora a ASHRAE não constitua um órgão jurídico que aplica padrões, muitas autoridades regulatórias, incluindo o governo dos EUA e os códigos de construção locais adotaram esse padrão. Além disso, as organizações que definiram os requisitos para edifícios ecologicamente corretos, como o padrão LEED do US Green Building Council, adotaram o ASHRAE 90.1 como requisito mínimo para desempenho de energia.

Para a maioria dos data centers que seguem as diretrizes da ASHRAE, o Padrão ASHRAE 90.1 define um sistema de refrigeração do data center padrão que é usado para estabelecer o requisito de desempenho mínimo. Esse padrão é um sistema de água resfriada típico com o modo econômico de "desvio do resfriador através do trocador de calor de fluido" como descrito anteriormente neste documento. Embora o 90.1 não determine que seja usado exatamente esse sistema, qualquer sistema usado em um data center deve atender ou superar o desempenho desse sistema padrão, o que exige um modo econômico. Isso sugere que quase todos os data center novos devem usar algum tipo de modo econômico.



do ar-condicionado através do sistema de refrigeração com ar ambiente direto ocupa o menor espaço. O espaço do desvio do ar-condicionado através do sistema de refrigeração de trocador de calor do ar é só um pouco maior devido à adição de um trocador de calor de ar para ar. O desvio do ar condicionado através do sistema de refrigeração de roda de calor ocupa o maior espaço de todos os "modos econômicos com base em ar" e é quase do mesmo tamanho de uma instalação de água fria com torre de refrigeração.

Requisito para modo de refrigerante de backup Embora seja possível que um sistema de refrigeração não use um modo de refrigeração com base em refrigerante e dependa inteiramente de um modo econômico, ele aumenta o risco de tempos de inatividade e não é recomendado para data centers de produção alta disponibilidade. Além disso, muito poucos locais no mundo oferecem clima frio durante todo o ano. E esses que oferecem, ainda menos deles têm a acessibilidade necessária, linhas de fibra ótica, pool de trabalho e outros recursos necessários para operar um data center. Portanto, na maioria dos casos, um modo econômico precisará pelo menos de um modo de backup baseado em refrigerante parcialmente estabelecido para auxiliar nos dias mais quentes do ano. Quanto mais "transferências do trocador de calor" acontecerem em um modo econômico, mais provável será que um modo baseado em refrigerante totalmente estabelecido seja necessário. Por exemplo, um data center com um desvio do resfriador através do modo econômico do trocador de calor troca energia de calor em três pontos: no CRAH, no trocador de calor de base e estrutura e na torre de refrigeração. Para esse data center fornecer ar a 20° C (68° F) para os servidores a 100% da operação do modo econômico, a temperatura externa máxima de lâmpada úmida deve estar em cerca de 2° C (35° F) ou mais baixa durante o ano4. Se a capacidade do resfriador for reduzida para 50%, a temperatura externa máxima de lâmpada úmida deve estar em cerca de 7° C (45° F) ou mais baixa durante o ano, o que ainda é muito baixo para um local de data center prático. Isso acontece porque esse tipo de modo econômico exige um resfriador totalmente estabelecido para um sistema mecânico de backup. O desvio do ar-condicionado através do modo econômico do ar ambiente direto não realiza trocas de calor, já que o ar externo é fornecido diretamente para o data center. Isso significa que ele pode operar durante todo o ano, em climas secos, com um sistema de refrigeração mecânica estabelecido parcialmente. No entanto, devido ao risco à qualidade do ar discutido acima e à necessidade de controle da umidade, é exigido um sistema mecânico estabelecido completamente. Embora o desvio do ar-condicionado através do modo econômico do trocador de calor do ar realize uma "troca de calor", ele impede que ocorram problemas de risco a qualidade do ar e controle de umidade, portanto, evita gastos de capital e operacionais de um sistema mecânico totalmente estabelecido. No futuro, quando máquinas virtuais permitirem que processos críticos sejam transferidos para outros data centers, será realista esperar que alguns data centers operem inteiramente em modo econômico sem backup de refrigerante. Espera-se que os limites de temperatura de entrada dos equipamentos de TI aumentem futuramente, tornando a operação em modo econômico em tempo integral ainda mais provável.

4 Pressupõe que o data center esteja 100% carregado com contenção de corredor quente, fornecimento

de água fria a 14° C (57° F)



Mesa 2 Comparação quantitativa entre os tipos de modo econômico




através do modo de ar ambiente

direto (com assistência

evaporativa)


através do trocador de calor do ar






trocador de calor 5


evaporativo 5




Os atributos a seguir são baseados em um data center de 1 MW a 50% da carga de TI, localizado em St. Louis, MO,EUA. Veja a barra lateral para todas as hipóteses.

Consumo de água anual

100 gal 379 L

1.262.000 gal 4.777.000 L

257.000 gal 973.000 L

7.000.000 gal

26.000.000 L6

128.000 gal 485.000 L

128.000 gal 485.000 L

Custo de capital de todo o sistema de refrigeração

US$ 2,2/watt US$ 2,4/watt

US$ 2,8/watt

US$ 3,0/watt US$ 2,3/watt US$ 2,0/watt

Custo da manutenção anual de todo o sistema7

75% 75% 83% 100% 100% 92%

Energia de refrigeração total

737,506 340,365 377,625 589,221 736,954 960,974

Horas por ano - modo econômico completo

5,723 7,074 5,990 4,705 5,301 4,918

Horas por ano - modo econômico parcial

0 1,686 2,770 3,604 1,773 3,800

PUE anual estimada 1.34 1.25 1.26 1.31 1.34 1.39

Consumo de água anual Os modos econômicos usados com as torres de refrigeração estão sujeitos ao consumo máximo de água em comparação com alguns outros tipos de modo econômico devido à evaporação da água na torre de evaporação. Isso acontece porque o processo de evaporação ocorre continuamente durante o ano. As torres de refrigeração consomem aproximadamente 40 galões por minuto/1.000 toneladas da capacidade de refrigeração (151,4 litros por minuto)8. O componente de assistência evaporativa dos outros modos econômicos consome muito menos água, já que só utiliza o processo de assistência evaporativa durante os períodos mais quentes do ano.

Custo de capital de todo o sistema de refrigeração

5 Pressupõe que um trocador de calor esteja funcionando em série com o resfriador, o que permite uma

operação em modo econômico parcial. 6 Consumo de água da torre de refrigeração estimado a partir da evaporação, direção da corrente

e purga http://www.cheresources.com/ctowerszz.shtml (desça a página) – acessado em 23 de julho de 2010

7 O custo de manutenção é mostrado como uma porcentagem de um resfriador tradicional de base/sistema de refrigeração em torre.

8 Arthur A. Bell, Jr., Equações de HVAC, Dados e Regras Práticas (Nova York: McGraw-Hill, 2000), p. 243

> Economia da assistência evaporativa O custo dos resfriadores evaporativos e assistência evaporativa em geral inclui o custo material, uso da água e tratamento da água. Esses custos devem ser considerados ao decidir sobre um sistema de refrigeração do data center.

A assistência evaporativa é mais eficaz em climas secos, como o clima de Las Vegas e Dubai. O custo de um resfriador evaporativo deve estar equilibrado com sua eficácia em climas mais úmidos. É possível gastar mais em refrigeração evaporativa do que é economizado em energia do sistema de refrigeração.



O custo de capital inclui todos os materiais, trabalho de instalação, custos de projeto e todas as taxas associadas a todo o sistema de refrigeração em termos de dólar por watt da carga de TI. Por exemplo, em um modo econômico de "desvio do resfriador através do trocador de calor", o resfriador também é incluído no custo de capital. Na verdade, esse sistema de refrigeração tem o custo mais alto de capital de todos os outros sistemas devido ao custo agregado da torre de refrigeração, tubulação, bombas e sistema de controle personalizado. O projeto e a implementação desse sistema de controle representa um custo significante porque a maior parte dos componentes individuais, se não todos, vêm de diferentes fornecedores, o que exige codificações, testes, verificações e ajustes para garantir que todo o sistema de refrigeração é confiável e gere as economias esperadas. O custo de "ajustar" o sistema provavelmente prolonga o funcionamento por um ano ou mais. Essa análise tratou esses custos como um gasto de capital, mas eles também podem ser considerados um gasto operacional. O sistema de refrigeração com o desvio do resfriador embalado através do modo econômico do resfriador evaporativo custa aproximadamente 23% menos, já que ele não exige componentes de eliminação de calor fixos e grau de ajuste. No entanto, a PUE do data center geral é pior devido à eficiência mais baixa desse sistema.

Custo da manutenção anual de todo o sistema de refrigeração O sistema do resfriador/torre de refrigeração é um sistema de refrigeração muito comum usado em data centers e serve como um bom elemento de comparação para outros custos de manutenção do sistema de refrigeração. Portanto, os custos de manutenção anual são mostrados na Tabela 2 como a porcentagem de um resfriador/sistema de refrigeração em torre. A manutenção anual inclui manutenção de todos os componentes do sistema de refrigeração para todos os modos de operação, incluindo o modo econômico. Por exemplo, em um modo econômico de desvio do resfriador através do trocador de calor, o resfriador também é incluído no custo de manutenção. Os sistemas de refrigeração com modos econômicos "com base em ar" têm um custo de manutenção mais baixo do que os outros modos econômicos que possuem mais componentes e são mais complexos.

Energia de refrigeração total Esse é o total de energia consumido por ano por todo o sistema de refrigeração. O modo econômico com o custo de energia mais alto é o desvio do compressor CRAC através da segunda serpentina. Isso acontece principalmente devido à penalidade de ter sistemas de refrigeração distribuídos. O modo econômico com o consumo de energia mais baixo é o desvio do ar-condicionado através do trocador de calor do ar. O desvio do ar-condicionado através da roda de calor do ar consome somente um pouco mais de energia. Também é útil fazer uma comparação entre o consumo de energia do modo econômico e um sistema de água fria/torre de refrigeração, já que ele é usado pela maioria dos data centers de 1 MW e maiores. O sistema de base considera a refrigeração do perímetro sem contenção, nenhuma modo econômico, temperatura de fornecimento de água fria de 7,2° C (45° F) 9e ventiladores CRAH de velocidade constante. A partir dessa comparação, a Figura 8 compara os fatores de carga de refrigeração (CLF)10 dos tipos de modo econômico com a instalação de água fria nas 11 cidades em que os data centers grandes estão comumente localizados. Os CLF são a parte da PUE dedicada ao sistema de refrigeração do data center.

9 Para modos econômicos que usam água fria, a temperatura de entrada de água fria deve ser maior do

que nas instalações de água fria típicas. Definir a temperatura de entrada de água fria para 10–15° C (50-59° F) aumenta significantemente o número de horas do modo econômico.

10 O Fator de Carga de Refrigeração (CLF) é a energia total consumida pelo sistema de refrigeração divida pela energia de carga de TI. A energia de carga de TI usada nesta análise foi 500 kW x 8.760 horas/ano. Para mais informações sobre CLF, veja a página 7 do White Paper n° 1, A Green Grid – acessado em 21 de dezembro de 2010 http://www.thegreengrid.org/~/media/WhitePapers/Green_Grid_Metrics_WP.ashx?lang=en

> Hipóteses da Tabela 2 Capacidade do data center: 1.000 kW (sem redundância)

Localização: St. Louis, Missouri, EUA

Carga total de TI: 500 kW

Refrigeração por linha (modos econômicos com base em água)

Teto suspenso (modos econômicos com base em ar)

Contenção de ar quente (todos os modos)

Ventiladores CRAH com velocidades variáveis

Diferença de temperatura média entre os servidores: 13,9° C/25° F

Temperatura de entrada média do rack: 24° C/75° F

Ar de entrada máximo do servidor com 55% de umidade relativa

Ponto de orvalho máximo: 10° C/60° F

Razão do resfriador para o fluxo de TI: 120%

Delta-T da água refrigerada no projeto: 6,7° C/12° F

IPLV do COP do Resfriador*: 9

Temperatura mínima da água da torre: 4,4° C/40°F limitada pelo aquecedor de bacia para evitar o congelamento.

Faixa de projeto de torre de resfriamento: 5,6° C/10° F



Figura 8 Os fatores de carga de refrigeração para modos econômicos comparados à base

Todos os modos econômicos possibilitaram economias de energia de refrigeração acima do sistema de refrigeração de base. O desvio do ar-condicionado através do modo do trocador de calor do ar fornece o consumo de energia de refrigeração mais baixo em quase todos os climas com uma média de 381.385 kW/h. Isso representa uma economia de energia do sistema de refrigeração de 86% em comparação com o consumo médio de energia de refrigeração de base de 2.761.262 kW/h. O desvio do ar-condicionado através do modo da roda de calor do ar também oferece bom desempenho.

Horas por ano – modo econômico completo Essa é quantidade de horas por ano que cada tipo de modo econômico opera a 100% em modo econômico. Essa análise tem como base um data center de 1 MW a 50% da carga de TI, localizado em St. Louis, MO, EUA (o número de horas é altamente dependente da geografia). O desvio do ar-condicionado através do modo econômico do ar ambiente direto proporciona o menor número de horas do modo econômico completo devido à umidade e às condições de ponto de orvalho exigidas no data center. O desvio do ar-condicionado através do modo econômico do trocador de calor do ar fornece 7.074 horas no modo econômico completo.

Horas por ano – modo econômico parcial A operação em modo econômico parcial ocorre quando o modo econômico sozinho é incapaz de resfriar o data center devido às condições externas e precisa de assistência do compressor. Esse é um atributo muito importante para qualquer modo econômico, já que muito poucos locais no mundo permitem a operação de 100% do tempo em modo econômico. Em alguns locais, as horas do modo econômico parcial são muito maiores do que as horas do modo econômico completo, o que resulta em mais economia de energia produzida pela operação parcial. O desvio do ar-condicionado através do modo econômico do ar ambiente direto proporciona o menor número de horas do modo econômico parcial devido às condições de umidade exigidas no data center.

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70Cooling load factor

CRACcompressorbypassvia secondcoilw/ evap

Air conditionerbypass viadirect freshairw/ evap

Basline

Packagedchillerbypass viaevaporative cooler

Chi llerbypass via heatexchanger

Air conditionerbypass viaairheatwheel w/ evap

Air conditionerbypass viaairheat exchangerw/ evap

Cingapura

Tóquio

NovaYo

rk

Moscou

Londre

s



PUE anual estimada A Eficácia do Uso da Energia (PUE) é a proporção de energia total usada para todo o data center em comparação com o total de energia usada pelos equipamentos de TI. Essa estimativa anual tem como base uma infraestrutura e energia comum. O desvio do compressor CRAC através do modo econômico da segunda serpentina fornece a PUE anual mais alta (ou seja, pior) de 1,39. O desvio do ar-condicionado através do modo econômico do trocador de calor do ar fornece a PUE mais baixa de 1,25 em St. Louis. Ao considerar todos os climas na Figura 8, o desvio do ar-condicionado através do modo econômico do trocador de calor do ar fornece a PUE mais baixa em aproximadamente todos os climas com uma média de 1,34. Isso representa uma conta de energia 30% mais baixa para todo o data center comparado à PUE média (1,92) um sistema de base. Há vários fatores que influenciam o número de horas do modo econômico disponível com um modo econômico particular. O fator dominante é a localização geográfica do data center. No entanto, o projeto e os pontos definidos do sistema de refrigeração do data center também exercem uma forte influência.

Localização geográfica O uso de um modo econômico é completamente dependente da localização geográfica do data center. As condições sazonais do local definirão se usar um modo econômico é mesmo prático. A ASHRAE, o Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) e a Administração Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA) são apenas algumas fontes que fornecem dados sobre o clima para avaliação do número de horas do modo econômico disponíveis. Esses dados são geralmente chamados de "dados do depósito", já que os dados climáticos são armazenados em intervalos de temperatura. Ao usar os dados climáticos de um determinado local, o número de horas do modo econômico pode ser calculado.

Pontos definidos do sistema de refrigeração Há essencialmente duas formas de aumentar as horas do modo econômico: 1) mover o data center para um clima mais frio e 2) aumentar a temperatura de entrada do servidor. A primeira opção é obviamente impraticável para os data centers existentes. A segunda opção é possível e está atualmente sendo implementada em data centers novos e já existentes. Na verdade, a versão 2008 do Padrão TC9.9 da ASHRAE aumentou a temperatura de entrada máxima do servidor (lâmpada seca) de 25° C (77° F) para 27° C (80,6° F). No entanto, o aumento da temperatura de entrada de TI depende de como os fluxos de ar frio e quente são separados.

Separação dos fluxos de ar quente e frio Os fluxos de ar quente e frio em data centers típicos tendem a se misturar significantemente devido a falha no layout do rack e às práticas de gerenciamento do ar. Se os pontos definidos de refrigeração são aumentados para 27° C (80,6° F) nesse cenário, até o momento em que o ar chegasse na entrada, a temperatura estaria perto dos 32° C (90° F). Isso acontece porque é comum ver pontos definidos do sistema de refrigeração significantemente abaixo da temperatura de entrada do servidor desejada. Para aumentar os pontos definidos do sistema de refrigeração e, portanto, as horas do modo econômico, os fluxos de ar quente e frio devem ser separados. Isso pode ser alcançado com sistemas de contenção de corredor frio ou de corredor quente. No entanto, a contenção de

Fatores que afetam a operação de modo econômico

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




corredor quente resulta em substancialmente mais do modo econômico e, portanto, é sempre preferida para novos projetos. Esse tópico é discutido com mais detalhes no White Paper 135, Impacto da Contenção de Corredor Frio na Eficiência e Temperatura do Data Center. Qualquer data center que usa um modo econômico notará um grande ganho de eficiência quando for usado um sistema de contenção. Geralmente não é uma boa ideia investir em um modo econômico sem primeiro investir em um sistema de contenção. Historicamente, os modos econômicos foram vistos como um recurso de economia de energia adicional que complementa o sistema de refrigeração principal. A maioria dos projetos é criada para que o modo econômico possa ser desligado, e o data center possa funcionar em modo de refrigeração básico. No entanto, os projetos de data center são otimizados para que o modo econômico torne-se o modo de operação predominante, algumas novas possibilidades abrem caminho para melhorar mais os benefícios econômicos do data center:

1. Se um projeto permite o uso do modo econômico parcial mesmo sob condições do pior caso, como quando o sistema do compressor principal nunca é necessário para usar a carga completa do data center, então, existe a possibilidade de reduzir o tamanho do sistema do compressor principal, economizando e melhorando a eficiência.

2. Se um projeto permite o uso do modo econômico completo mesmo sob condições do pior caso, então é possível considerar a remoção completa do sistema do compressor principal e operar o data center sempre em modo econômico.

3. Se um projeto permite o uso do modo econômico completo, exceto por algumas condições do pior caso, então é possível considerar a substituição dos controles nos sistemas de TI para atender à carga de TI quando ocorrerem condições externas do pior caso, como quando o sistema do compressor principal pode ser eliminado. Tais controles podem limitar o desempenho do servidor com gerenciamento de energia agressivo ou ao mover as cargas de TI para um local diferente

Implementar características de projeto que reduzem ou eliminam o uso de um sistema de compressor pode levar a sistemas de refrigeração de data center altamente eficientes. O White Paper 136, Módulos de refrigeração de ultra-alta eficiência para grandes data centers, discute uma nova abordagem para data centers de refrigeração que usa metade da energia dos métodos tradicionais e ainda fornece maior escalabilidade, disponibilidade e facilidade de manutenção.

Eliminação ou redução dos modos econômicos em sistemas de refrigeração

Módulos de refrigeração de ultra-alta eficiência para grandes data centers




No passado, os modos econômicos do sistema de refrigeração não foram considerados de forma séria na maioria dos data centers. Isso se deu amplamente devido ao custo mais baixo da eletricidade, temperaturas de entrada dos equipamentos de TI mais baixas e a ausência de regulamentações para emissão de carbono. Hoje, os padrões, como o Padrão ANSI/ASHRAE 90.1-2010, e as regulamentações, como o Comitê de Redução de Carbono do Reino Unido, estão pressionando os data centers a reduzir o uso de energia. Certos modos econômicos são um meio eficaz de reduzir o uso de energia em muitos climas. Os operadores de data center estão descobrindo que, em alguns climas, os modos econômicos podem operar como sistema de refrigeração principal, permitindo que o sistema mecânico sirva como modo secundário ou de backup. Em determinados climas, alguns modos econômicos podem economizar mais de 70% dos gastos anuais de energia do sistema de refrigeração, o que corresponde a uma redução de mais de 15% na PUE por ano. No entanto, com pelo menos 15 tipos diferentes de modos econômicos com definições imprecisas, estabelecer uma terminologia para descrever esses modos é essencial para comparar, selecionar ou especificar modos econômicos. A terminologia e as definições propostas neste documento, juntamente com as comparações quantitativas de qualitativas dos diferentes tipos de modo econômico, ajudam os designers de data centers a tomar decisões melhores.

Conclusão

John Niemann é Gerente da Linha de Produtos de Fileira e Produtos de Refrigeração de Sistemas de Pequeno Porte da Schneider Electric, e é responsável pelo planejamento, suporte e marketing dessas linhas de produtos. John comanda a gestão de produtos de todos os produtos de refrigeração InRow™ da APC desde 2004. Ele tem 12 anos de experiência em climatização. Sua carreira começou no mercado de climatização comercial e industrial, onde se dedicou a sistemas personalizados de tratamento e refrigeração de ar, com experiência concentrada na recuperação de energia e filtragem para ambientes críticos. Sua experiência em climatização abrange engenharia de aplicações, desenvolvimento, gestão de produtos e vendas técnicas. John integra a ASHRAE e a The Green Grid, e é formado em engenharia mecânica pela Universidade de Washington em St. Louis, no Missouri. John Bean Jr. é o Diretor de Inovação para Soluções de Refrigeração de Rack na American Power Conversion pela Schneider Electric. Anteriormente, John era Gerente de Engenharia da World Wide para Soluções de Refrigeração na Schneider Electric, desenvolvendo várias novas plataformas de produtos e fundando instalações de engenharia e laboratório nos EUA e na Dinamarca. Antes de entrar para a APC, John era o Gerente de Engenharia de outras empresas envolvidas no desenvolvimento e fabricação de soluções de refrigeração de missão crítica. Victor Avelar é Analista Sênior de Pesquisa do Centro de Ciência de Data Centers da Schneider Electric. Ele é responsável pelas pesquisas de projeto e operações de data centers e dialoga com os clientes a respeito de avaliação de práticas de projeto para aumentar a disponibilidade e a eficiência de seus ambientes de data center. Victor é bacharel em engenharia mecânica pelo Instituto Politécnico Rensselaer, e obteve seu MBA pelo Babson College. Ele é membro da AFCOM e da Sociedade Americana de Qualidade.

Sobre os autores



Os Diferentes Tipos de Equipamentos de Condicionamento de Ar para Ambientes de TI White Paper 59

Impacto da Contenção em Corredores Quentes e Frios sobre a Temperatura e a Eficiência do Data Center White Paper 135

Módulos de refrigeração de ultra-alta eficiência para grandes data centers White Paper 136

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Modos Econômicos dos Sistemas - apc.com · Modos Econômicos dos Sistemas de Refrigeração de Data Centers Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 132 Rev