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PROPOSTAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM
INFRAESTRUTURA PARA DATA CENTER
Thiago Gomes Vasconcelos Oliveira
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários a obtenção de
grau de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Jorge Nemésio Sousa, M.Sc.
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2017
I
PROPOSTAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM
INFRAESTRUTURA PARA DATA CENTER
Thiago Gomes Vasconcelos Oliveira
PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS
PARA A OBTENÇÃO DE GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA.
Aprovada por:
__________________________________________
Prof. Jorge Nemésio Sousa, M.Sc
(Orientador)
__________________________________________
Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D
(Examinador)
__________________________________________
Eng. Darlan Seleri Hardy de Moura
(Examinador)
II
Oliveira, Thiago Gomes Vasconcelos
Propostas de Eficiência Energética em infraestrutura para Data Center/ Rio de Janeiro: UFRJ
/ Escola Politécnica / Departamento de Engenharia Elétrica, 2017.
XIII, 50 p.: il.; 29,7cm
Orientador: Jorge Nemésio Sousa
Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica / Departamento de Engenharia Elétrica,
2017.
Referências Bibliográficas: p. 48-50.
1. Eficiência Energética. 2. Data Center.
I. Nemésio Sousa, Jorge. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Departamento de Engenharia Elétrica. III. Título
III
“Paciência, persistência e transpiração fazem uma
combinação imbatível para o sucesso. ”
Napoleon Hill
IV
Dedicatória
Dedico este trabalho integralmente aos meus pais, Octávio Luiz e Olga Cristina, ao meu
irmão Alan Oliveira e a minha noiva Lívia Nyaradi por me motivarem constantemente e me
apoiarem nos momentos mais difíceis e que sem esse suporte nada seria possível.
V
Agradecimentos
Agradeço aos meus avós paternos Oscar e Elvira Oliveira por me apresentar o
verdadeiro valor do estudo e por seus exemplos de vida.
Agradeço com igual intensidade aos meus avós maternos Gilson (in memoriam) e
Dalva Gomes Vasconcelos pelos incentivos e por acreditarem em mim mesmo diante de
situações adversas.
À minha eterna namorada Lívia Nyaradi, que lutou ao meu lado durante todo esse
processo, pelo carinho e por ter sido paciente e me aconselhado da melhor maneira possível
quando os níveis de estresse estavam na iminência da loucura.
Aos meus amigos Caio Brum, Erick Barros, Maurício Dias e Teodoro Guarinello pela
amizade e pelas longas conversas que me proporcionaram momentos de distração e
ensinamentos.
Aos meus familiares, primos (as) e tios (as), que criaram alicerces até a chegada desse
momento.
Aos meus colegas de trabalho pelo suporte e ensinamentos diários durante o período de
estágio.
Ao professor Sergio Sami Hazan que, sempre solícito, aceitou participar desta banca e
contribuiu imensamente para o desenvolvimento do trabalho.
Ao professor Jorge Nemésio pela disponibilidade, paciência e pelas contribuições que
foram essenciais para a elaboração deste estudo.
Por fim, agradeço aos demais professores do DEE/UFRJ que me fizeram enxergar a
beleza dessa engenharia necessária para toda a humanidade.
VI
Resumo do Projeto de Graduação apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da
Escola Politécnica – UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de
Engenheiro Eletricista.
PROPOSTAS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA EM
INFRAESTRUTURA PARA DATA CENTER
Thiago Gomes Vasconcelos Oliveira
Fevereiro de 2017
Orientador: Prof. Jorge Nemésio Sousa, M.Sc.
Data Centers são ambientes de missão crítica que são projetados para permanecerem em
funcionamento interruptamente. É previsível, portanto, perceber que são grandes consumidores
de energia elétrica, uma energia que é gerada, na grande maioria dos países, através de
combustíveis fósseis. Como são ambientes essenciais para o atual modelo de negócio da
sociedade moderna, o presente estudo irá analisar diferentes técnicas de como otimizar a
infraestrutura dos Data Centers com a finalidade de obter resultados satisfatórios na redução
do consumo e alcançar a eficiência energética desejada.
Como o objetivo de contextualizar a importância dos Data Centers e fornecer uma visão geral,
a revisão bibliográfica destaca de modo prático e direto os principais componentes necessários
para esse ambiente crítico funcionar de maneira adequada mesmo quando falhas venham a
ocorrer. A partir dessa fundamentação será possível entender as soluções propostas no estudo
e como elas contribuem para a redução do consumo de energia elétrica nos Data Centers, sem
que para isso seja colocado em risco a segurança da informação e seu bom desenvolvimento.
Palavras-chave: Data Centers, Energia, Eficiência Energética.
VII
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Engineer.
PROPOSALS FOR ENERGY EFFICIENCY IN INFRASTRUCTURE
FOR DATA CENTER
Thiago Gomes Vasconcelos Oliveira
February 2017
Advisor: Prof. Jorge Nemésio Sousa, M.Sc.
Data centers are critical mission environments that are designed to work uninterruptedly. It is
therefore obvious that they are large consumers of electricity, energy that is generated in most
of the countries through fossil fuels. As they are essential environments for the current business
model of the modern society, this project will analyze different techniques of how to optimize
the infrastructure of the Data Centers in order to obtain satisfactory results in the reduction of
consumption and to achieve the desired energy efficiency.
In order to contextualize the importance of Data Centers and provide a general overview, the
bibliographic review highlights in a practical and direct way the main components needed for
this critical environment. From this foundation it will be possible to understand the solutions
proposed in this project and how they contribute to the reduction of the electric energy
consumption in the Data Centers, without putting the information security as well as its good
development at risk.
Keywords: Energy efficiency, Data Center, Energy.
VIII
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................. X
LISTA DE TABELAS ......................................................................................................... XII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ....................................................................... XIII
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 1
1.1 Motivação .................................................................................................................... 2
1.2 Objetivos do Estudo .................................................................................................... 3
1.3 Limitações do Estudo .................................................................................................. 3
1.4 Organização / Descrição do trabalho .......................................................................... 3
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ....................................................................................... 4
2.1 Introdução.................................................................................................................... 4
2.2 Data Center ................................................................................................................. 4
2.3 Tipos de Data Centers................................................................................................. 5
2.4 Projetos de Data Centers............................................................................................. 6
2.5 The Uptime Institute .................................................................................................... 7
2.6 Classificação de um Data Center ................................................................................ 7
2.6.1 Data Center tier I ................................................................................................. 8
2.6.2 Data Center tier II ............................................................................................... 8
2.6.3 Data Center tier III .............................................................................................. 9
2.6.4 Data Center tier IV .............................................................................................. 9
2.7 Parâmetros ................................................................................................................... 9
2.7.1 Total Cost of Ownership – TCO ........................................................................ 10
2.7.2 Disponibilidade .................................................................................................. 12
2.7.3 Downtime ........................................................................................................... 13
2.8 Sistema Elétrico......................................................................................................... 14
2.8.1 Equipamentos Elétricos ..................................................................................... 14
2.8.1.1 Grupo Motor-Gerador - GMG .................................................................... 14
2.8.1.2 Baterias ....................................................................................................... 17
2.8.1.3 Uninterruptible Power Supplies – UPS ...................................................... 19
2.8.1.4 Fontes de Corrente Contínua ...................................................................... 21
2.8.1.5 Sistema de Proteção de Descargas Atmosféricas (SPDA) e de surtos da rede
elétrica 23
IX
2.9 Sistema de Climatização ........................................................................................... 26
2.9.1 Circuito de Climatização.................................................................................... 26
2.10 Proteção Contra Incêndio ...................................................................................... 27
3 METODOLOGIA DA PESQUISA .............................................................................. 30
4 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO ................................................................. 34
4.1 Eficiência na Climatização ........................................................................................ 38
4.1.1 Verificar e Controlar o Layout ........................................................................... 39
4.1.2 Torre de Termoacumulação ............................................................................... 40
4.1.3 Free Cooling ...................................................................................................... 41
4.1.4 Aumentar o Set Point de Temperatura ............................................................... 43
4.2 Eficiência no Sistema Elétrico .................................................................................. 44
4.3 Virtualização ............................................................................................................. 44
5 CONCLUSÃO ................................................................................................................ 46
5.1 Trabalhos Futuros ...................................................................................................... 47
6 BIBLIOGRAFIA............................................................................................................ 48
X
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1-1 – MATRIZ ENERGÉTICA MUNDIAL 2013. ................................................... 1
FIGURA 2-1 – ITENS TÍPICOS DE CUSTOS NO TCO. ...................................................... 11
FIGURA 2-2 – DIVISÃO EM CATEGORIAS DO TCO POR RACK PARA UM DATA
CENTER COM REDUNDÂNCIA 2N. [6] ...................................................................... 12
FIGURA 2-3 – DIAGRAMA DE BLOCOS DO CAMINHO DA ENERGIA ELÉTRICA ... 15
FIGURA 2-4 – GRUPOS DE GERADORES DE ENERGIA ELÉTRICA. ........................... 16
FIGURA 2-5 - GERADOR DE ENERGIA ELÉTRICA CARENADO. ................................ 16
FIGURA 2-6 - BANCO DE BATERIAS DA FCC. ................................................................ 17
FIGURA 2-7 – BANCO DE BATERIAS DE UMA UPS TÍPICA. ....................................... 18
FIGURA 2-8 - DIAGRAMA DE BLOCO DE UM SISTEMA UPS. ..................................... 20
FIGURA 2-9 – UPS DELTA. .................................................................................................. 21
FIGURA 2-10 - DIAGRAMA SIMPLIFICADO DA INTERLIGAÇÃO DA FCC. .............. 22
FIGURA 2-11 - SISTEMA DE RETIFICADORES DELTA 2400 A .................................... 23
FIGURA 2-12 - COMPONENTES TÍPICOS DE UM SISTEMA SPDA. ............................. 25
FIGURA 2-13 - GAIOLA DE FARADAY. ............................................................................ 25
FIGURA 2-14 - CICLO DE CLIMATIZAÇÃO TÍPICO. ...................................................... 26
FIGURA 2-15 – SISTEMA FIXO DE PROTEÇÃO CONTRA INCÊNDIO. ........................ 28
FIGURA 2-16 - DIAGRAMA DE BLOCO DO SISTEMA DE COMBATE A INCÊNDIO
SIMPLIFICADO.............................................................................................................. 29
FIGURA 4-1 – CICLOS DE MELHORIAS CONTÍNUAS. ................................................. 35
FIGURA 4-2 - CICLOS DE MELHORIAS CONTÍNUAS PDCA. ...................................... 36
FIGURA 4-3 - CICLOS DE MELHORIAS CONTÍNUAS PDCL. ....................................... 36
FIGURA 4-4 – SUBSISTEMAS A SEREM MONITORADOS. ........................................... 38
XI
FIGURA 4-5 – CIRCULAÇÃO DO AR ................................................................................. 39
FIGURA 4-6 - TORRE DE TERMOACUMULAÇÃO. ......................................................... 41
FIGURA 4-7 – SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO SEM FREE COOLING. .......................... 42
FIGURA 4-8 - SISTEMA DE CLIMATIZAÇÃO COM FREE COOLING. .......................... 42
FIGURA 4-9 - ARQUITETURA TRADICIONAL VERSUS ARQUITETURA COM
VIRTUALIZAÇÃO ......................................................................................................... 45
XII
LISTA DE TABELAS
TABELA 2-1 – REQUISITOS DE DISPONIBILIDADE POR CLASSIFICAÇÃO TIER DE
DATA CENTER ................................................................................................................ 13
TABELA 2-2 – RESUMO DAS CLASSIFICAÇÕES TIER .................................................. 13
XIII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AC Alternating Current
ASHRAE American Society of Heating & Refrigeration & AC Engineering
CPU Central Processing Unit
DC Direct Current
EDC Enteprise Data Center
GMG Grupo Motor-Gerador
IDC Internet Data Center
IEA International Energy Agency
PUE Power Usage Effectiveness
TCO Total Cost of Ownership
TI Tecnologia da Informação
UPS Uninterruptible Power Supplies
1
Capí tulo 1
1 INTRODUÇÃO
Segundo dados do Key World Energy Statistics 2015, relatório produzido pelo International
Energy Agency (IEA) ou, em português, Agência Internacional de Energia, a composição da
matriz energética mundial em 2013 é predominantemente formada por óleo, carvão e gás
natural com mais de 80% em todo o mundo, conforme visto na Figura 1-1.
Figura 1-1 – Matriz Energética Mundial 2013.
Fonte: IEA [21]
Esses três combustíveis fósseis, majoritariamente na Figura 1-1, são altamente perigosos para
o meio ambiente, emitindo um grau elevado de dióxido de carbono (CO₂) na atmosfera e
contribuindo em larga escala para o aquecimento global.
Data Centers são espaços onde se concentram equipamentos de processamento e
armazenamento de dados, ou seja, informações cruciais para qualquer negócio ou empresa. E,
Óleo, 31.1%
Carvão, 28.9%
Gás Natural, 21.4%
Biocombustíveis, 10.2%
Nuclear, 4.8%
Hidro, 2.4% Outros, 1.2%
2
hoje em dia, devido às novas tecnologias esses ambientes tiveram um crescimento vertiginoso
e sua importância é altamente progressiva.
Data Centers são espaços de missão crítica que permanecem ligados 24h por dia. Então é de
se imaginar o seu alto consumo de energia elétrica que, muitas vezes, é gerada a partir de
componentes fósseis.
Nesses ambientes, além da energia entregue para as cargas de TI (Tecnologia da Informação),
uma grande parte alimenta equipamentos de infraestrutura como climatizadores e
equipamentos de backup.
Portanto, estudos estão sendo feitos a fim de se reduzir esse consumo e melhorar a eficiência
energética dos Data Centers.
1.1 Motivação
Segundo estudos realizados pela Universidade Stanford o consumo dos Data Centers, nos
Estados Unidos, representa 1,2% de todo o consumo de eletricidade no país.
De acordo com Peter Gross, projetista de Data Centers, entrevistado no artigo do The New
York Times (2012) [10], um único Data Center pode demandar mais energia do que uma cidade
de tamanho médio.
Desse modo, novas formas de se reduzir o consumo de energia e torná-los mais eficiente veem
sendo estudadas.
A motivação desse trabalho surge, indiscutivelmente, daí. Como podemos tornar esses
ambientes, que são tão importantes para a sociedade atual e indispensáveis, eficientes e
alinhados com a sustentabilidade do planeta?
3
1.2 Objetivos do Estudo
O presente trabalho mostrará as principais características dos Data Centers, seus equipamentos
e, além disso, como objetivo principal vai propor soluções para serem implementadas nesses
ambientes, com o objetivo de aumentar sua eficiência energética e, por consequência, reduzir
os gastos com eletricidade e a emissão de CO₂.
1.3 Limitações do Estudo
Sendo Data Centers ambientes controlados e de difícil acesso, quaisquer soluções indicadas
no estudo fica difícil de ser implementadas a curto prazo.
Assim sendo, necessitaríamos então, de um ambiente de testes para implementar as soluções e
verificar sua real efetividade, sem comprometer o bom andamento operacional do Data Center.
1.4 Organização / Descrição do trabalho
O presente trabalho está dividido em seis capítulos. Neste primeiro é possível entender a
necessidade de se propor práticas para reduzir o consumo de eletricidade de um Data Center.
O capítulo dois está destinado ao referencial teórico, no qual será possível entender
basicamente os seus principais componentes. O capítulo três indicará a metodologia da
pesquisa utilizada no desenvolvimento do estudo. Já no capítulo quatro pode-se ver as soluções
propostas e as práticas recomendadas para o objetivo do estudo. O cinco traz a conclusão final
sobre o tema e sugestões para trabalhos futuros. E para fechar, o capítulo seis mostra as fontes
consultadas para a elaboração desse texto.
4
Capí tulo 2
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Introdução
Neste capítulo será analisado o Data Center, seus principais componentes, suas características
intrínsecas e toda a infraestrutura necessária para atendê-lo.
2.2 Data Center
O Data Center é a evolução natural dos antigos centros de processamento de dados dos anos
1970. É um ambiente de missão crítica que abriga os equipamentos de TI e devem ser
projetados para operação ininterrupta.
De acordo com VERAS (2009) [4], Data Center é um conjunto integrado de componentes de
alta tecnologia que permite fornecer serviços de infraestrutura de valor agregado, tipicamente
processamento e armazenamento de dados, em larga escala, para qualquer tipo de organização.
Segundo MARIN (2011) [3], Data Center se refere não só a sala que abriga os computadores,
mas também toda a infraestrutura necessária do site. Assim, o Data Center compreende os
seguintes sistemas:
Sala de computadores
Ar condicionado e controle ambiental
Distribuição elétrica e UPS
Automação do edifício
Detecção e supressão de incêndio
5
Segurança e controle
Espaços de suporte, entre outros
2.3 Tipos de Data Centers
Conforme VERAS (2009), habitualmente os Data Centers podem ser categorizados pelo porte
ou pela posse - propriedade do Data Center.
Pela categorização de porte, eles podem ser enquadrados na seguinte classificação:
Empresarial
De médio porte
Local
Sala de servidores
Armário de servidores
Já pela categorização de posse são divididos em duas modalidades [4]:
Enterprise Data Center - EDC
Pertence e é operado por corporações privadas, instituições ou agências
governamentais, com o propósito principal de armazenar dados resultantes de
operações de processamento interno e processar dados de aplicações voltadas para a
internet.
Internet Data Center - IDC
Pertence e é operado por um provedor de serviços de telecomunicações, por operadoras
de telefonia ou por outros tipos de prestadores de serviços de telecomunicações e tem
como principal meio de comunicação a internet. O seu objetivo principal é prover
diversos tipos de serviços de conexão, processamento, armazenamento e hospedagem
para os equipamentos das organizações.
6
2.4 Projetos de Data Centers
Apesar de Data Centers serem espaços comerciais, o seu projeto difere de um ambiente
tradicional comercial.
VERAS (2009) afirma que as metas de um projeto de Data Center são obter resiliência1,
reduzir o TCO - Total Cost of Ownership, ou, Custo Total de Propriedade e tornar o negócio
flexível.
Os critérios necessários a serem considerados em um projeto de Data Center para o
atingimento destas metas empresariais são [4]:
Desempenho
Disponibilidade
Escalabilidade2
Segurança
Gerenciabilidade3
De acordo com MARIN (2011), um projeto tradicional de infraestrutura de espaços comerciais
é normalmente desenvolvido por um arquiteto e começa pela definição de espaços com base
no fluxo de pessoas. Já um projeto da infraestrutura de um Data Center começa pela
identificação dos requisitos de tecnologia, é desenvolvido por um engenheiro e o foco está nos
requisitos de engenharia e não em arquitetura do site.
Os requisitos básicos de engenharia em um projeto de Data Centers são [3]:
Distribuição elétrica
1 Resiliência: em TI significa atender a demanda de negócios de maneira efetiva. 2 Escalabilidade: capacidade de um sistema de atender suas necessidades de crescimento sem perder qualidade,
e com baixo aumento de custos. 3 Gerenciabilidade: uma medida informal de quão fácil e eficaz um serviço de TI ou outro componente pode ser
gerenciado.
7
Climatização
Cabeamento de rede e telecomunicação
Sistemas de controle do site
Sistemas de segurança dos sites
2.5 The Uptime Institute
O The Uptime Institute é uma organização de origem norte-americana, fundada em 1993 por
Kenneth G. Brill.
Seu objetivo é melhorar o desempenho, eficiência e confiabilidade da infraestrutura crítica de
negócio através da inovação, colaboração e certificações independentes.
É conhecido mundialmente por ter criado as classificações em quatro níveis, chamados de tier
(camadas), que levam em conta a redundância de componentes e a tolerância às falhas do site.
Foram desenvolvidas quatro classificações tier para a infraestrutura de um Data Center
considerando a operação satisfatória e a eficiência, ou seja, a disponibilidade do site e a
confiabilidade dos sistemas.
2.6 Classificação de um Data Center
A principal norma a ser seguida para a elaboração de projetos de Data Centers é a ANSI/TIA-
942 [5]. Ela é baseada em um conjunto de normas que incluem todos os aspectos técnicos
necessários para um bom projeto como a refrigeração e o cabeamento estruturado, por exemplo.
Para a classificação de um Data Center a ANSI/TIA-942 considera quatro classificações tiers
de infraestrutura de Data Centers.
8
São considerados apenas os sistemas de distribuição elétrica e climatização do site para
conformidade com classificações tier. Ao contrário do que alguns profissionais da área
acreditam, nenhum outro sistema contribui para a classificação tier de um dado site [3].
Em MARIN (2011), o autor indica que o objetivo da classificação tier de um Data Center é
oferecer aos projetistas, bem como aos seus operadores, uma meta para a identificação do
desempenho das suas topologias de projetos de infraestruturas de distribuição elétrica e de
climatização.
2.6.1 Data Center tier I
Um Data Center tier I é do tipo básico. Não possui redundância nos sistemas de distribuição
elétrica e de ar condicionado, nem em componentes.
Se ocorrer a queda de energia, fornecida pela concessionária, ou um desligamento para
manutenção, mesmo que planejada, isso implicará no desligamento do site.
2.6.2 Data Center tier II
Um Data Center tier II possui redundância de componentes, mas não da infraestrutura de
distribuição elétrica e de ar condicionado, que são únicas para atender a carga de TI do site.
Por ter redundância de alguns componentes, alguma atividade de manutenção, planejada ou
emergencial, pode ser executada sem que para isso o site precise ser desligado.
Porém, para uma manutenção no sistema de distribuição elétrica ou até uma queda de energia
provinda da concessionária, será necessário desligar o site.
9
2.6.3 Data Center tier III
Um Data Center tier III é aquele que tem manutenção e operação simultâneas. Para que isso
seja possível, ele possui redundâncias em componentes que podem ser desligados sem
interromper a operação do site.
Todos os equipamentos críticos de TI devem ter fontes de alimentação duplas, adequadamente
instaladas para serem compatíveis com a topologia e a arquitetura do site [3].
Tem pelo menos uma redundância nos sistemas de distribuição elétrica (N+1) e deve ter dois
encanamentos de ar condicionado sendo que, cada um deles, deve ser capaz de suportar toda a
carga quando o outro estiver fora.
2.6.4 Data Center tier IV
Um Data Center tier IV possui uma infraestrutura tolerante a falhas, ou seja, tem sistemas
isolados fisicamente e redundantes.
É capaz de manter a normalidade da operação mesmo quando elementos importantes sejam
retirados para manutenção ou por alguma causa não prevista.
Em MARIN (2011), o autor define um Data Center tier IV como sendo um site onde todos os
equipamentos críticos de TI devem ter fontes de alimentação dupla corretamente instaladas
para atender a toda sua topologia e arquitetura, além de possuir um sistema de climatização
contínua e totalmente tolerante a falhas.
2.7 Parâmetros
Parâmetros são métricas importantes porque fornecem oportunidades para que o projetista e
gestores entendam o comportamento do sistema gerando assim, um robusto padrão e controle.
10
Para verificar a eficiência das propostas sugeridas no capítulo 4 é necessário definir indicadores
com o objetivo de comparar o antes com o depois.
2.7.1 Total Cost of Ownership – TCO
TCO é uma estimativa financeira projetada para consumidores e gerentes de empresas para
avaliar os custos diretos e indiretos relacionados ao investimento, além do gasto inerente de
tais produtos para mantê-los em funcionamento.
Prever e mensurar o TCO para a infraestrutura física de Data Centers é importante para uma
análise do retorno do investimento feito, e outras decisões de negócios decorrentes, podendo
surgir, dessa análise, soluções de otimização dos recursos e sua alocação mais apropriada.
A Figura 2-1 mostra os principais itens de custo referentes ao TCO.
11
Figura 2-1 – Itens típicos de custos no TCO. [4]
A Figura 2-2 mostra a divisão em categorias do TCO para um típico rack de alta disponibilidade
em um Data Center redundância 2N, ou seja, que possui duas unidades adicionais, módulos,
encaminhamentos de distribuição e, portanto, não é afetado por falhas ou manutenção de uma
unidade completa.
12
Figura 2-2 – Divisão em categorias do TCO por rack para um Data Center com redundância 2N
Fonte: The Uptime Institute. [6]
2.7.2 Disponibilidade
A disponibilidade é um parâmetro importante na classificação de Data Center devido à missão
crítica desses ambientes.
Para garantir a operação ininterrupta os Data Centers devem operar com níveis de
disponibilidade próximos de 100%.
MARIN (2011), define a disponibilidade de um determinado sistema como sendo o tempo
durante o qual ele está em operação em relação ao tempo em que ele deve estar em operação.
𝐷𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 𝑀𝑇𝐵𝐹
𝑀𝑇𝐵𝐹+𝑀𝑇𝑇𝑅=
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑒𝑚 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑓𝑎𝑙ℎ𝑎𝑠
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑚 𝑞𝑢𝑒 𝑜 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑒𝑥𝑖𝑠𝑡𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑎𝑠 𝑓𝑎𝑙ℎ𝑎𝑠
No qual,
MTBF (Mean Time Between Failures) - Tempo Médio entre Falhas (TMEF)4.
MTTR (Mean Time To Repair) - Tempo Médio de Reparo (TMPR)5.
4 TMEF: Para um período estabelecido de tempo, é o valor médio do espaço de tempo entre falhas consecutivas. 5 TMPR: Para um período estabelecido de tempo, é o valor médio do tempo necessário para reparo do defeito ou
falha.
Project Management, 5%
Power Equipment, 18%
Cooling Equipment, 6%
Engineering & Installation, 18%
Electricity, 20%
Service, 15%
Racks, 2%
Space, 15%
System Monitoring, 1%
13
2.7.3 Downtime
Usualmente é medido em horas/ano e se refere ao tempo que o sistema de TI fica inativo seja
por manutenção ou por qualquer causa imprevista. Logo, o downtime é o tempo que decorre
entre a falha e a recuperação do sistema.
Portanto, ele é inversamente proporcional ao investimento em infraestrutura redundante e em
tecnologias que permitem a recuperação do site.
As tabelas 2-1 e 2-2 exemplificam as condições para que um determinado site possa receber a
certificação tier de acordo com a norma ANSI/TIA-942, com base nas classificações do The
Uptime Institute.
Tabela 2-1 – Requisitos de disponibilidade por classificação tier de Data Center[3]
Classificação Paradas por ano Total anual Disponibilidade Custo por kW (US$)
Tier 1 2 x 12h para manutenção
28,8h 99,67% 10.000
Tier 2 3 x 2h para manutenção 22h 99,75% 11.000
Tier 3 - 1,6h 99,98% 20.000
Tier 4 - 0,4h 99,99% 22.000
Tabela 2-2 – Resumo das classificações tier
Fonte: adaptado pelo autor de [3]
Tier I Tier II Tier III Tier IV
Encaminhamento de distribuição elétrica
1 1 1 normal + 1 alternativo
2 simultâneos
Redundância N N+1 N+1 N+1 (mínimo)
Espaços Separados Não Não Sim Sim
Manutenção Ativa Não Não Sim Sim
14
2.8 Sistema Elétrico
O sistema elétrico é um dos componentes mais críticos em um Data Center. Precisa ser
cuidadosamente projetado para cada fim específico.
Para diminuir o downtime, a distribuição elétrica necessita de equipamentos redundantes, em
função das características de disponibilidade e/ou confiabilidade.
Nas próximas seções serão analisados os principais equipamentos elétricos que compõe um
Data Center.
2.8.1 Equipamentos Elétricos
2.8.1.1 Grupo Motor-Gerador - GMG
Devido aos diferentes tipos de projetos, de acordo com sua classificação tier, um típico
equipamento para garantir a energia elétrica de modo contínuo é o GMG - Grupo Motor-
Gerador de energia elétrica.
Sua função principal é manter o fluxo de energia para o Data Center quando a rede da
concessionária sofrer uma parada que pode ser proposital, para manutenção, ou não.
O GMG é formado por um motor a combustão, alimentado geralmente por combustíveis fósseis
como o diesel, gás ou gasolina, acoplado a um gerador elétrico - máquina síncrona.
Especificamente na área de telecomunicações, os geradores precisam ter alguns requisitos
analisados antes da escolha do equipamento mais adequado.
Os geradores necessitam fornecer energia com tensão e frequência estáveis, além de baixos
fatores de interferência. Apenas GMGs com alternadores especialmente fabricados podem
atender essa demanda.
15
Conforme CHAGAS (2014) [8], outras especificações, como nível de ruído, capacidades,
possibilidades de operação em paralelo com a rede, partida/parada automática, controle a
distância etc., são exigências inerentes aos projetos a serem atendidos pelo equipamento.
Figura 2-3 – Diagrama de blocos do caminho da energia elétrica
Fonte: Autor.
Na Figura 2-3 é possível identificar como funciona o sistema de backup da rede elétrica. Em
caso de falha no fornecimento de energia por parte da distribuidora o GMG é partido,
automaticamente ou manualmente, e assim a energia elétrica flui para as cargas.
As figuras 2-4 e 2-5 representam modelos de geradores existentes. A Figura 2-4 destaca que
geradores necessitam de uma infraestrutura adequada para o funcionamento, pois os mesmos
não apresentam proteções para chuva e poeira, por exemplo. Já o gerador da Figura 2-5 é um
modelo carenado, podendo ficar exposto ao tempo.
16
Figura 2-4 – Grupos de geradores de energia elétrica.
Fonte: SDMO-Maquigeral [12]
Figura 2-5 - Gerador de energia elétrica carenado.
Fonte: SDMO-Maquigeral [12]
17
2.8.1.2 Baterias
As baterias são equipamentos acumuladores de energia elétrica e funcionam a partir de
princípios eletroquímicos.
Um banco de baterias é um conjunto de baterias ligadas em série ou paralelo, umas com as
outras, até formar a especificação desejada.
O banco de baterias, como visto na Figura 2-6, é formado a partir da associação em série de 24
baterias, cada uma com 2 volts de tensão. Isso para que o conjunto fique na mesma tensão das
Fontes de Corrente Contínua (FCC), isto é, 48 Volts, o que será explicada no item 2.8.1.4.
Figura 2-6 - Banco de Baterias da FCC.
Fonte: Acervo do autor.
18
Outro banco de baterias que é importante para o sistema é o da Uninterruptible Power Supplies
(UPS), que terá seus componentes detalhados no item 2.8.1.3, e pode ser visto na Figura 2-7.
Ele contém 240 baterias com uma tensão total de 480 Volts, a mesma da UPS.
Com a finalidade de aumentar a autonomia do conjunto, outro banco de baterias pode ser
interligado em paralelo com o primeiro, tanto no banco da FCC, quanto para o da UPS.
O banco de baterias tem como função principal ser mais um tipo de backup de energia para o
sistema. Em caso de falha na rede da concessionária, o banco deve atuar, suprindo energia
elétrica para o Data Center até a partida e estabilização do gerador.
Figura 2-7 – Banco de Baterias de uma UPS típica.
Fonte: Acervo do autor.
19
2.8.1.3 Uninterruptible Power Supplies – UPS
Equipamentos de TI classificados como de ‘missão crítica’, alimentados em AC, não podem
sofre nenhum tipo de interrupção nem ficar à mercê da qualidade da rede de energia elétrica da
concessionária e por isso são usados dispositivos que mantêm o fornecimento de energia em
caso de falha na distribuidora.
Para não sofrer interrupções (nem por frações de segundo), variações ou conteúdo harmônico,
as cargas críticas precisam ser alimentadas pelas UPSs. Esses equipamentos são capazes de
corrigir essas anomalias da rede elétrica e direcionar a energia condicionada nas baterias para
as cargas.
Em CHAGAS (2014), o autor descreve duas tecnologias, já estudadas pela literatura
especializada, que estão por trás do princípio de funcionamento das UPSs, que são:
1. A retificação da energia AC e o posterior chaveamento, em alta frequência, da energia
DC para AC de boa qualidade, trazem solução aos transitórios agregados à corrente
alternada da rede elétrica.
2. A utilização de acumuladores de energia (bancos de baterias), mesmo com suas
limitações, resolve o problema do armazenamento de energia para posterior utilização
nos momentos de falta.
20
Figura 2-8 - Diagrama de bloco de um sistema UPS.
Fonte: Autor.
O diagrama de bloco de um sistema de Uninterruptible Power Supplies é mostrado na Figura
2-8.
A energia elétrica proveniente da concessionária alimenta o retificador que converte a energia
AC, monofásica ou trifásica, em energia DC, alimentando as baterias e mantendo seu ciclo de
carga. Através de um inversor, a energia DC é novamente transformada em AC, conduzida
para um filtro que, então, alimenta a carga crítica a ele conectada.
Em caso de falha na entrada, o banco de baterias fornece energia para a carga crítica, pelo
tempo especificado.
A Figura 2-9 exibe uma UPS comercial.
21
Figura 2-9 – UPS Delta.
Fonte: Delta Electronics Inc [13]
2.8.1.4 Fontes de Corrente Contínua
Devido ao grande número de equipamentos que devem ser alimentados exclusivamente em
corrente contínua, surge um equipamento que converte a energia AC da concessionária ou do
gerador, em energia DC, que são chamados de FCCs - Fontes de Corrente Contínua.
Na Figura 2-10 tem se o diagrama simplificado do caminho da energia através de uma FCC. A
energia provinda em AC, da rede ou do gerador, é retificada em DC para alimentar os
consumidores. Em caso de queda da rede, o banco de baterias alimenta a carga até a partida do
gerador.
22
Nas FCCs existem três equipamentos básicos para cumprir sua função: retificadores, unidade
de supervisão de corrente contínua e bancos de baterias [8].
A capacidade operacional de corrente contínua é obtida multiplicando-se a quantidade de
unidades retificadoras pela capacidade de cada retificador.
Figura 2-10 - Diagrama simplificado da interligação da FCC.
Fonte: Autor.
A Figura 2-11 apresenta os detalhes de construção de uma FCC.
23
Figura 2-11 - Sistema de retificadores Delta 2400 A [8]
2.8.1.5 Sistema de Proteção de Descargas Atmosféricas (SPDA) e de surtos da rede
elétrica
Um sistema SPDA protege estruturas, nesse trabalho o Data Center, contra descargas
atmosféricas e surtos da rede elétrica.
CHAGAS (2014), descreve a importância dos sistemas de proteção para telecomunicações.
Entre as diferentes fontes de perturbação eletromagnética que podem afetar a operação de
sistemas de telecomunicações (descargas atmosféricas, surtos de rede, sobretensões induzidas
etc.), os raios certamente representam a mais importante de todas. Esse fato se deve às
características distintas das instalações de telecomunicações, principalmente a grande altura
das antenas e a localização remota dos sites. Tais propriedades contribuem para que os sistemas
de telecomunicação se tornem muito sensíveis às perturbações provocadas pelas descargas
atmosféricas. Com o objetivo de diminuir, ou até mesmo anular os efeitos destrutivos e
24
interferentes provocados pelos surtos atmosféricos e de manobra, a infraestrutura dos sites de
telecomunicações deve ser provida dos seguintes componentes:
Sistemas de pára-raios e seus cabos de descida
Gaiola de Faraday6
Eletrodo de aterramento
Sistemas de equipotencialização7
Dispositivo de proteção contra surtos elétricos (DPS)8
A Figura 2-12 mostra um diagrama esquemático de um sistema SPDA e como ele protege um
prédio contra a descarga atmosférica, conduzindo a corrente descarregada em segurança para
o aterramento. Uma haste de metal atrai as descargas elétricas através de sua ponta e desvia a
corrente seguramente para o solo, através de um cabo de baixa resistência.
Por sua vez, a Figura 2-13 - Gaiola de Faraday mostra o prédio protegido por um sistema
conhecido como gaiola de Faraday.
6 Gaiola de Faraday: nome dado a um experimento conduzido por Michael Faraday (1836) para demonstrar que
uma superfície condutora eletrizada possui campo elétrico nulo em seu interior, dado que as cargas se distribuem
de forma homogênea na parte mais externa da superfície condutora. 7 Equipotencialização: ato de tomar-se medidas para fazer com que dois ou mais corpos condutores de
eletricidade possuam a menor diferença de potencial elétrico entre eles. Usada como forma de proteção elétrica
de equipamentos e, principalmente, de pessoas. 8 DPS: dispositivo de proteção contra surtos, uma espécie de disjuntor que se desliga (desarma) quando é
percorrido pela descarga elétrica produzida por um raio.
25
Figura 2-12 - Componentes típicos de um sistema SPDA.
Fonte: Teleco – Inteligência em Telecomunicações [14]
Figura 2-13 - Gaiola de Faraday. [14]
26
2.9 Sistema de Climatização
Segundo MARIN (2011), o projeto de climatização de um Data Center é tão importante e
crítico quanto o projeto do seu sistema de alimentação e distribuição elétrica.
Esta seção será destinada a fornecer informações sobre como o calor gerado pelos
equipamentos de TI são retirados das salas de computação para manter o seu bom
funcionamento.
2.9.1 Circuito de Climatização
Figura 2-14 - Ciclo de climatização típico.
Fonte: Escola Politécnica da USP [16]
A Figura 2-14 apresenta o conceito simplificado de climatização que é usado para resfriar o ar
dentro de um Data Center ou qualquer outro ambiente.
27
O sistema de ar condicionado retira o ar quente de um local especificado e o leva para outro,
além de controlar a umidade do ambiente.
MARIN (2011), descreve esse conceito. “No evaporador acontece o processo de transferência
de calor à pressão e temperatura constantes. Nessa etapa do processo, o calor transferido ao
refrigerante não altera a temperatura do refrigerante, apenas seu estado. O evaporador é
atravessado pelo ar quente de retorno, coletado pelo exaustor, que é forçado a passar por ele e
por ventiladores. Nessa etapa do processo, o agora gás refrigerante transporta o calor para fora
do ambiente”.
“O refrigerante ingressa no compressor à pressão do evaporador e é então comprimido até
atingir a pressão de condensação, estando agora aquecido a uma temperatura maior que a
temperatura de condensação. O gás comprimido tem a propriedade de aumentar sua
temperatura; esse aumento de temperatura resultante da compressão é que permite que o calor
retirado do ambiente seja transportado para fora dele”.
“No condensador acontece o processo de rejeição do calor do refrigerante pela diminuição da
temperatura para a temperatura de condensação. Nessa etapa, o condensador transfere calor
para o ambiente externo, no qual o condensador é instalado”.
“O último passo do ciclo de refrigeração é a expansão do líquido refrigerante, o que é feito ao
passar pela válvula de expansão”.
2.10 Proteção Contra Incêndio
Outro componente importante em um Data Center é o projeto de segurança contra incêndio,
devido ao alto custo dos equipamentos ali instalados.
Segundo MARIN (2011), o projetista deve levar em consideração os seguintes tópicos, no que
diz respeito à segurança, automação e proteção contra incêndio em Data Centers:
Automação do edifício
Sala de controle
Monitoramento
Sistema de controle e gerenciamento elétrico
28
Gerenciamento de cabeamento
Sensores de vazamento e fumaça
Detecção e alarme de incêndio, entre outros
Um sistema de proteção de incêndio deve ter, basicamente, os seguintes elementos [3]:
Detecção: que pode ser de fumaça, calor e fogo.
Supressão: sistemas de extinção de fogo, que para combate em Data Center, são compostos
por gases inertes não inflamáveis, como, por exemplo, o FM-200, nome comercial do gás
Heptafluorpropano.
Sistema: inclui os sistemas de detecção, bem como meios de ativar avisos sonoros e visuais,
além de notificar o setor pertinente e acionar sistemas automáticos de contenção do incêndio.
Figura 2-15 – Sistema fixo de proteção contra incêndio. [14]
É possível observar na Figura 2-15 os cilindros de gás (1), o painel de controle (2), o coletor
de gás (3), o circuito de extinção (4), o circuito de detecção de incêndio (5), os detectores de
incêndio (6), e os difusores de gás (7).
29
Figura 2-16 - Diagrama de bloco do sistema de combate a incêndio simplificado. [14]
Após a detecção da fumaça pelos sensores espalhados pelo ambiente monitorado, um comando
é enviado para a sinalização, que pode ser tanto luminosa quanto sonora, outro é enviado
diretamente para os sistemas de supressão de fogo, além de enviar um comando para o painel
de controle, onde acontece o gerenciamento dessa sinalização. Essa análise pode ser entendida
verificando a Figura 2-16.
30
Capí tulo 3
3 METODOLOGIA DA PESQUISA
A metodologia desse estudo se baseia em SILVA e MENEZES (2005) [19], bem como em GIL
(2002) [18].
GIL (2002) define pesquisa como “um projeto racional e sistemático com objetivo de
proporcionar respostas aos problemas que são propostos, através da utilização cuidadosa de
métodos, técnicas e outros procedimentos científicos até a satisfatória apresentação dos
resultados”.
A partir dessa definição de pesquisa, o primeiro passo foi definir o objetivo do estudo e a
situação problema. A seguir foi feito um levantamento de revisão bibliográfica e levantamento
de critérios e, então, foi possível realizar uma apreciação e a compreensão de cada critério para,
posteriormente, analisá-los comparativamente.
Assim, com dados robustos, foi possível compreender o real problema e propor soluções
pertinentes.
De acordo com SILVA e MENEZES (2005), do ponto de vista de sua natureza, a pesquisa
pode ser classificada como:
Pesquisa Básica: tem por objetivo gerar conhecimentos novos úteis para o avanço da
ciência sem aplicação prática prevista.
Pesquisa Aplicada: tem por objetivo gerar conhecimentos para aplicação prática e
dirigidos à solução de problemas específicos. Envolve verdades e interesses locais.
Segundo GIL (2002), quanto aos objetivos, uma pesquisa pode ser classificada como:
31
Exploratória: pretende proporcionar maior familiaridade com o problema, com o
intuito de torná-lo mais explícito ou a constituir hipóteses. Pode-se dizer que estas
pesquisas têm como objetivo principal o aprimoramento de ideias ou a descoberta de
intuições, assumindo na maioria dos casos a forma de pesquisa bibliográfica ou de
estudo de caso.
Descritiva: visa a descrição das características de determinada população ou
fenômeno ou, então, o estabelecimento de relações entre variáveis. Utiliza técnicas
padronizadas de coleta de dados, tais como o questionário e a observação.
Explicativa: visa identificar os fatores que determinam ou contribuem para a
ocorrência dos fenômenos. Aprofunda o conhecimento da realidade, porque explica a
razão, o porquê das coisas, porém é o tipo mais complexo e delicado, já que o risco de
cometer erros aumenta consideravelmente.
A pesquisa também pode ser classificada quanto aos seus procedimentos técnicos e GIL
(2002) define a pesquisa como:
Bibliográfica: é desenvolvida com base em material já elaborado, constituído
principalmente de livros e artigos científicos, além de materiais disponíveis na
internet.
Documental: elaborada com base em materiais que não recebem ainda um tratamento
analítico, ou que ainda podem ser reelaborados de acordo com os objetos da pesquisa.
Experimental: consiste em determinar um objeto de estudo, selecionar as variáveis
que seriam capazes de influenciá-lo, definir as formas de controle e de observação dos
efeitos que a variável produz no objeto.
Levantamento: é caracterizada pela interrogação direta das pessoas cujo
comportamento se deseja conhecer.
32
Estudo de caso: consiste no estudo profundo e exaustivo de um ou poucos objetos, de
maneira que permita seu amplo e detalhado conhecimento.
Ex post facto: o estudo foi realizado após a ocorrência de variações na variável
dependente no curso natural dos acontecimentos, ou seja, foi realizado depois dos
fatos.
Ação: é concebida e realizada em estreita associação com uma ação ou com a
resolução de um problema coletivo e no qual os pesquisadores e participantes
representativos da situação ou do problema estão envolvidos de modo cooperativo ou
participativo.
Participante: caracteriza-se pela interação entre pesquisadores e membros das
situações investigadas.
Segundo SILVA e MENEZES (2005), quanto à forma de abordagem do problema, a pesquisa
pode ser:
Quantitativa: considera que tudo pode ser quantificável, o que significa traduzir em
números opiniões e informações para classificá-las e analisá-las. Requer o uso de
recursos e de técnicas estatísticas
Qualitativa: considera que há uma relação dinâmica entre o mundo real e o sujeito
que não pode ser traduzido em números. A interpretação dos fenômenos e a atribuição
de significados são básicas e não requer o uso de métodos e técnicas estatísticas.
A pesquisa apresentada neste estudo, quanto à sua natureza, de acordo com os critérios
expostos, pode ser classificada como pesquisa aplicada, pois possui como finalidade analisar e
comparar critérios práticos utilizados pelas empresas.
33
Quanto aos objetivos, é uma pesquisa exploratória dado que visa uma análise de um tema pouco
avaliado em termos comparativos, descrevendo como cada empresa adota métodos diferentes
para o mesmo assunto.
Com relação aos procedimentos técnicos essa pesquisa é classificada como bibliográfica e de
levantamento, pois foi elaborada usando livros e artigos científicos disponibilizados no
mercado e realizada consulta diretamente com pessoas qualificadas da área da pesquisa, que
foram perguntadas sobre procedimentos adotados e para retirada de dúvidas.
O estudo atual se baseia em interpretação e análise dos critérios pesquisados, sendo assim é
classificado, quanto à forma de abordagem do problema, como uma pesquisa qualitativa.
34
Capí tulo 4
4 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO
Com a finalidade de verificar a real economia no consumo de potência elétrica é fundamental
definir parâmetros para a avaliação da eficiência.
Eficiência de um modo geral para qualquer sistema é quanto da parcela de energia que entra
será convertida no resultado útil. Para a infraestrutura física do Data Center, a entrada é a
energia entregue pela concessionária e a saída útil é a energia que é consumida pelos
equipamentos instalados.
Conforme visto no Capítulo 2, REVISÃO BIBLIOGRÁFICA, para o funcionamento de um
Data Center são imprescindíveis equipamentos, que não são os dispositivos de TI, mas que
consomem energia elétrica como, por exemplo, transformadores, UPSs, sistemas de
climatização e iluminação.
Logo, numa primeira iniciativa para melhorar a eficiência é indispensável identificar quais são
os equipamentos de TI e os seus equipamentos de suporte que consomem energia elétrica. Em
seguida é possível usar parâmetros para quantificar a eficiência.
Para definir essa eficiência usa se como métrica o PUE - Power Usage Effectiveness, ou, em
português, Eficiência de Uso de Energia.
𝑃𝑈𝐸 =𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑜 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝐶𝑒𝑛𝑡𝑒𝑟
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑇𝐼
Na equação acima, o numerador se refere a quantidade total de energia que o Data Center
consome e o denominador, somente o consumo dos equipamentos de TI.
No campo da teoria, um Data Center tem o PUE perfeito quando este é igual a 1, ou seja, toda
a energia elétrica que entra é para alimentar as cargas de TI. Porém, no mundo real isso não
acontece. Então quanto mais próximo de 1 for o PUE mais eficiente será esse Data Center.
35
Para aumentar a eficiência é de suma importância fazer um rigoroso monitoramento.
Não é possível controlar o que não pode ser medido e tudo que pode ser controlado pode ser
melhorado, gerando um ciclo de melhorias contínuas.
Figura 4-1 – Ciclos de melhorias contínuas.
Fonte: Adaptado pelo autor do Ciclo PDCA.
A Figura 4-1 representa graficamente o ciclo de melhorias proposto e pode se perceber que é
uma adaptação do ciclo PDCA9.
O ciclo de PDCA (Figura 4-2) é método iterativo de gestão utilizado para controle e melhorias
contínuas de processos ou produtos.
Adequando o ciclo PDCA com uma perspectiva de aprendizado, é possível chegar no ciclo
PDCL (Figura 4-3), onde o ‘A’ de Action foi substituído pelo ‘L’ de Learn ou aprender, com o
intuito de enfatizar o passo de aprender e assim melhorar o processo em função dos resultados
passados, em aplicação de sucessivos ciclos PDCL.
9 PDCA: Plan, Do, Check, Action, ou em português, Planejar, Executar, Checar e Agir.
Medir
Monitorar
Melhorar
36
Figura 4-2 - Ciclos de melhorias contínuas PDCA. [25]
Figura 4-3 - Ciclos de melhorias contínuas PDCL. [26]
Para ter uma maior eficiência nesse aprimoramento contínuo é preciso que as informações
reflitam fielmente a realidade e possuam o maior grau de precisão possível.
Portanto, a medição deve ser baseada em três abordagens típicas.
37
Medição simplificada
São realizadas medições com equipamentos portáteis e, para algumas informações,
podem ser usados dados fornecidos pelos fabricantes.
O investimento é baixo e não necessita de alteração na infraestrutura. É adequada a
instalações pequenas.
Medição avançada
São necessárias pequenas alterações na infraestrutura a fim de acomodar os medidores
instalados permanentemente, nos quais os dados são registrados automaticamente. Não
necessita, obrigatoriamente, de ferramenta on-line.
Medição Automatizada
As medições são feitas de modo automático e em tempo real, necessitando de corpo
técnico para a análise dos dados. Tem um maior investimento e são necessárias
modificações na infraestrutura.
Para uma análise do consumo de energia com um alto grau de eficiência, devem haver
pontos de monitoração (info nodes) suficientes para isso, e esses devem servir para
monitorar os subsistemas mais importantes. A Figura 4-4 mostra quais são os principais
pontos que precisam de monitoramento, tanto na parte de infraestrutura (Geradores,
UPS, Chillers10, Free Cooling11) quanto na parte dos equipamentos de TI.
10 Chiller: equipamento que faz parte do sistema de climatização, resfriando à água até uma temperatura baixa
para que ela seja levada, através de dutos, até o trocador de calor. 11 Free cooling: método econômico de utilizar baixas temperaturas de ar para auxiliar na refrigeração da água e
que pode ser usada em processos industriais para economia de energia. Ver item 4.1.3.
38
Figura 4-4 – Subsistemas a serem monitorados.
Fonte: ASHRAE [24]
Definido isso, soluções podem ser proposta para a redução do consumo de energia elétrica.
Uma vez que já se sabe quais os equipamentos que ‘desperdiçam’ energia que poderia
alimentar as cargas de TI.
O monitoramento, além de informar o real consumo de energia pelo Data Center, também
ajuda na identificação de equipamentos ociosos. Assim, será possível melhorar o
balanceamento das cargas e retirar esses equipamentos, reduzindo o consumo de energia.
4.1 Eficiência na Climatização
O sistema de climatização pode ser responsável por até 50% do consumo total de energia em
salas de servidores e Data Centers [2].
Um importante primeiro passo para reduzir gastos com o consumo de energia elétrica derivado
dos equipamentos de climatização, é adotar boas práticas de gestão do ambiente e
dimensionamento correto dos componentes.
Diferentes metodologias visando a eficiência energética podem ser adotadas dependendo da
localização do Data Center, ou seja, as técnicas a serem implementadas devem considerar as
condições climáticas locais para um melhor aproveitamento.
39
A seguir serão apresentadas propostas que podem ser adotadas de maneira imediata, sem
custos, que são exploradas nos itens 4.1.1 e 4.1.4. Além dessas, outras que vão depender de
tempo e algum investimento, e estão explicadas nos itens 4.1.2, 4.1.3 e 4.2 e em 4.3.
4.1.1 Verificar e Controlar o Layout
Um dos pontos chaves de quem trabalha com infraestrutura de Data Center é saber gerir a
ocupação dos espaços. Pode parecer uma medida simples e, não deixa de ser; mas, na prática
tem um resultado significante.
Com uma procura cada vez maior por equipamentos para aumentar a demanda do serviço, o
espaço pode ficar extremamente apertado, prejudicando a circulação do ar, necessitando de
uma maior potência do sistema de climatização e assim, aumentando o consumo de energia. A
retirada de equipamentos obsoletos também ajuda a equilibrar o espaço e o consumo de energia.
Outra técnica que deve ser usada e mantida, é alinhar os racks em corredores quentes e frios.
Figura 4-5 – Circulação do Ar [14]
Conforme é explicitado na Figura 4-5, é proveitoso manter um espaçamento mínimo entre os
racks e configurá-los para que os corredores quentes e frios fiquem alinhados. Assim, o ar frio
é ‘puxado’, pelas ventoinhas, entra pela parte frontal dos equipamentos e é expulso numa
temperatura maior na parte traseira dos racks.
40
Dessa maneira o ar quente ascende e encontra a tubulação para ser novamente resfriado, pelas
máquinas de ar condicionado, e voltar para continuar o ciclo de refrigeração.
4.1.2 Torre de Termoacumulação12
Sendo a água usada como fluido de resfriamento, é interessante para se diminuir o consumo de
energia elétrica a acumulação de água gelada em torres de térmicas.
A vantagem de usar esse sistema é que a água é resfriada, em um horário no qual a energia
elétrica seja mais barata, e depois, quando tiver no horário de ponta onde a energia fica mais
cara, os chillers são desligados e então passa-se a usar a água já resfriada e estocada
isotermicamente13 nas torres (Figura 4-6).
Porém, essa medida precisa de um investimento inicial relativamente alto para adequação da
infraestrutura necessária, além de espaço suficiente para sua fundação. Porém, segundo a
bibliografia, a “termoacumulação pode gerar uma economia de até 70% dependendo do
segmento e horários de funcionamento do empreendimento” [22].
Torna-se indispensável uma análise econômica alicerçada em indicadores de rentabilidade e
níveis de risco ao se investir em projeto desse porte.
12 Termoacumulação: produção e acumulação de água gelada em tanques, eliminando a dependência entre a
oferta e a demanda, o que permite operar os sistemas de condicionamento de ar de forma mais eficiente. Trata-se
de uma alternativa tecnológica para eficiência energética. 13 Isotermicamente: uma transformação termodinâmica na qual a temperatura é mantida constante.
41
Figura 4-6 - Torre de termoacumulação.
Fonte: Mayekawa [23]
4.1.3 Free Cooling
O free cooling é outra técnica proposta para reduzir o consumo de energia elétrica em um Data
Center.
Consiste em utilizar o ar e/ou água, à temperatura ambiente externa, para refrigeração do Data
Center.
Ao contrário do que se imagina, essa técnica não é só utilizada em ambientes frios, mas em
locais onde a temperatura ambiente média, ao longo do ano, é mais baixa que as condições
internas necessárias.
Outro fator importante é que não precisa operar o free cooling sempre, mas sim na época ou
no horário onde as circunstâncias são favoráveis à aplicação.
42
Figura 4-7 – Sistema de climatização sem free cooling. [17]
Figura 4-8 - Sistema de climatização com free cooling. [17]
A Figura 4-7 mostra o sistema operando sem utilizar a técnica de free cooling. Já na Figura 4-8
é possível observar a técnica em exercício, onde o chiller (resfriador) é mantido desligado. Em
ambas as figuras a linha tracejada representa os ramais de água sem escoamento. Além de
economizar no consumo de energia, devido aos desligamentos do chiller, também contribui
para a manutenção e prolongamento da sua vida útil.
43
4.1.4 Aumentar o Set Point de Temperatura
Para retirar o calor da sala de computadores usa-se, como visto na seção 2.9, o sistema de
climatização. Ele atua para manter a temperatura e a umidade em níveis aceitáveis e não
comprometer os equipamentos de TI.
Em cada site é definido um set point para a temperatura que o sistema de climatização deve
refrigerar o ambiente. Normalmente os sites são operados com temperatura entre 18º e 20º
Celsius [3].
Porém para aumentar a eficiência do Data Center, ou seja, levar o PUE para o mais próximo
de 1,0 possível, os engenheiros estão estudando o efeito do aumento do set point de temperatura
no Data Center, sem deixar esse incremento danificar os equipamentos de TI. Isso, porque com
uma temperatura de trabalho mais elevada, o sistema de climatização demandará menos
potência, reduzindo o consumo e tornando o Data Center mais eficiente.
A Sociedade Americana de Engenheiros de Climatização - American Society of Heating,
Refrigeration and Air Conditioning Engineers (ASHRAE), é uma entidade americana fundada
em 1984 focada nos sistemas de construção, eficiência energética, qualidade do ar interior,
refrigeração e sustentabilidade, criando normas para este setor que são seguidas por projetistas
de todo o mundo.
A ASHRAE realizou um estudo onde alterou faixa de temperatura de 20° a 25°C para 18° a
27°C, sem alterar os requisitos de garantia dos equipamentos. Com isso foi possível perceber
que a cada grau Celsius pode-se reduzir aproximadamente de 4 a 6% no custo de eletricidade.
Em um relatório, a Microsoft divulgou que aumentando a temperatura de um de seus Data
Centers de dois a quatro graus foi possível economizar 250.000 dólares em custo de
eletricidade durante um ano [11].
Porém, novos estudos continuam sendo executados para comparar o efeito colateral dessas
mudanças, se tiver, nos equipamentos.
44
4.2 Eficiência no Sistema Elétrico
Outro ponto crítico para a eficiência no Data Center é a distribuição elétrica. Muitos
equipamentos estão interligados consumindo energia e se tornando focos de desperdícios.
Primeiramente é preciso se ater a data de fabricação dos equipamentos. Dispositivos de TI
construídos com uma tecnologia moderna são em geral mais eficientes que os antigos. As
fontes de corrente contínua, por exemplo, possuem tecnologia que ativa somente o número de
retificadores necessários de acordo com a carga ligada no momento, fazendo uma economia de
energia quando cargas baixas estão conectadas.
Já as UPSs mais novas são capazes de operar em modo digital imperativo, ou seja, elas
alimentam a carga de TI por by-pass direto da rede da concessionaria e, ao mesmo tempo,
monitoram a qualidade da rede para só então, se estiver em qualidade inferior a aceitável, entrar
em modo de operação normal. Assim, de maneira simples, economizam energia elétrica de um
modo geral.
4.3 Virtualização
Uma técnica que ajuda na eficiência energética otimizando o consumo de energia é a
virtualização. Com esse método é possível dividir os recursos de um servidor físico em alguns
servidores virtuais, ou seja, o servidor físico é capaz de rodar diversas aplicações em diferentes
sistemas operacionais.
Resumindo, um servidor atual tem diversos recursos que os softwares são projetados para usar.
Logo, recursos como CPU e memória ficam ociosos. Portanto a virtualização oferece uma
oportunidade de se usar esses equipamentos ociosos rodando máquinas virtuais.
Então, fazendo a consolidação de vários servidores físicos e subutilizados em um único
servidor, é possível obter economia de energia com a climatização do ambiente, já que será
menor a dissipação do calor.
45
Figura 4-9 - Arquitetura tradicional versus arquitetura com virtualização [15]
Analisando-se a Figura 4-9, observa-se que na arquitetura tradicional (imagem da esquerda)
tem-se executável apenas um sistema operacional e uma única aplicação. Já na arquitetura
usando a técnica de virtualização (imagem à direita) tem-se que, para um mesmo hardware, é
possível executar diversos sistemas operacionais para diversas aplicações.
Dessa maneira fica claro que o espaço físico do Data Center não será ocupado com muitas
máquinas para aplicações específicas, necessitando de um aumento na refrigeração. Um único
hardware é capaz de realizar diversas funções economizando assim energia elétrica com
climatização e tornando o Data Center mais eficiente.
46
Capí tulo 5
5 CONCLUSÃO
Nesse trabalho foi possível entender qual a função dos Data Centers e como funcionam esses
ambientes que, cada vez se tornam mais imprescindíveis para os novos modelos de negócio. A
evolução é constante e o seu crescimento deve estar sustentado pelas diretrizes de economia de
energia focado em eficiência energética e redução da emissão de CO₂.
Primeiramente, foi realizada uma pesquisa focada no referencial teórico adotado nos Data
Centers atuais, e com isso foi possível entender seu modo de funcionamento e onde de certa
forma estaria mais suscetível o aprimoramento para a redução de energia e ou eficiência
energética.
Baseado na infraestrutura utilizada por esses ambientes, foi feita uma investigação de como
cada elemento se comporta no conjunto total, o Data Center, e então parâmetros foram
estabelecidos para se conseguir comparar práticas adotadas por diferentes empresas.
Em resumo, para se obter uma redução da energia elétrica é preciso que o operador do Data
Center implemente procedimentos de monitoramento do sistema elétrico e de climatização,
com o objetivo de identificar pontos críticos e tomar as providências necessárias, além de
efetuar trocas de equipamentos antigos por novos modelos, estudar o comportamento do site
frente ao aumento do set point e programar a virtualização dos equipamentos que suportam
essa técnica.
O objetivo desse trabalho, conforme item 1.2, era mostrar as principais características dos Data
Centers, seus equipamentos e propor soluções para serem implementadas nesses ambientes,
com o objetivo de aumentar sua eficiência energética e, por consequência, reduzir os gastos
com eletricidade e a emissão de CO₂.
Ficou claro que esse objetivo foi alcançado e foi possível concluir que existem diversos pontos
de melhorias onde são viáveis aplicar as técnicas propostas nesse estudo, para se obter o
aumento da eficiência energética, reduzindo custos sem comprometer a segurança do Data
Center.
47
5.1 Trabalhos Futuros
Os Data Centers são ambientes vitais para a sociedade atual, portanto, sua evolução é
constante. Assim sendo, novas tecnologias surgem rapidamente para torná-los mais produtivos,
porém alinhados com a sustentabilidade.
Para a elaboração de trabalhos futuros é sugerido que as soluções propostas sejam testadas e
monitoradas num longo prazo em um Data Center real com o objetivo de verificar a verdadeira
economia de energia elétrica.
Para uma melhor à análise da eficiência é necessário, também, estudar a influência dos sistemas
periféricos, como, por exemplo, a iluminação no consumo de energia elétrica em um Data
Center.
Outro ponto interessante que surgiu durante a pesquisa é como se comporta a variação da carga
de TI versus a eficiência do site. Com o passar dos anos, novos equipamentos de TI são
adicionados e outros removidos, provocando mudanças no Data Center e afetando a sua
eficiência energética. Uma sugestão de estudo relevante é analisar essa influência.
48
Capí tulo 6
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