Módulo 6 Modelo de sistemas de refrigeração energeticamente eficientes

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1 Módulo 6 Modelo de sistemas de refrigeração energeticamente eficientes
Versão de Septembro de 2011

2 Desafios e opções gerais para a refrigeração da central I

3 Tendência da carga de refrigeração dos sistemas de TI
Trend for the cooling load from different IT systems (expressed in Watts/m2) for the next few years. It can be noted that the specific power installed for cooling will still increase. Thus strategies to adopt more efficient systems/best practices and management for cooling systems are important. Energy efficiency in data centres and server rooms infrastructures has become a major issue for IT and infrastructure management only a few years ago: during the last 10 years the electricity cost has increased, and is expected to continue to rise. In some cases, power costs account for 40-50% of the total data center operation budget Específica evolução de carga térmica em aplicações de TI. Fonte [ASHR2005]

4 Design adequado para sistemas de refrigeração
A seleção do modelo adequado para um específico sistema de refrigeração é afetado por infraestrutura de instalações existentes; Nível de potência total da instalação; Localização geográfica; Limitações físicas do edifício (forma, tamanho, orientação, acesso)p The selection of the appropriate design for a particular cooling system is affected by the existing facility infrastructure, the total power level of the installation, the geographical location, and the physical constraints of the building.

5 Design adequado para sistemas de refrigeração
As opções típicas dos sistemas de refrigeração derivam diretamente dos sistemas de refrigeração clássicos, mesmo que o equipamento esteja, na maior parte dos casos, diretamente projetados para os “data centers” e para TI. O equipamento para a refrigeração nos “data centers”, normalmente projetado especificamente: A carga térmica produzida no “data center” é normalmente sensível (as necessidades de temperatura do bulbo seco diminuiem para a refrigeração) enquanto é simultaneamente sensível e latente num espaço de trabalho (necessidade decrescente de humidade- devido a uma maior presença humana) The typical options for cooling system design are directly derived from the classical space cooling systems, even though equipment is in the most cases specifically designed for datacenter and IT. The heating load produced in datacenter is typically sensible (needs dry bulb temperature decreasing for cooling) while in an office space is both sensible and latent (needs decreasing of humidity - due to higher human presence).

6 Classificação dos “data centers”
Parâmetros: Área da sala; Equipamento instalado de TI (número de racks ou servidores); Energia Total para equipamento de TI; Infra-estrutura instalada para refrigeração;

7 Potência total instalada de TI [kW]
Classificação do tamanho Dependendo o número de rack e da potência instalada total Tipo de espaço Racks instalados Potência total instalada de TI [kW] Armários de cablagem 1 - 3 compartimentos de rack 1 – 18 Salas de informática 1 – 5 3 – 30 Pequenos “Data Centers” 5 – 20 7 – 100 Médios “Data Centers” 20 – 100 28 – 500 Grandes” data centers” > 100 > 200 Fonte: (APC White Paper #59, 2004)

8 Classificação do tamanho Local, caraterísticas do sistema e da infra-estrutura
Tipo de espaço Área Característica de equipamento de TI Local, caraterísticas do sistema e de infra-estrutura Armário do servidor < 20 m2 1-2 servidores Sem armazenamento externo Utilização dos sistemas para escritório HVAC. A UPS e o DC power é frequentemente incluída As condições ambientais não são mantidas tão estreitamente. A eficiência HVAC é similar à eficiência do sistema HVAC para escritório. Sala do servidor < 50 m2 servidores Utilização dos sistemas HVAC para escritório com capacidade adicional de refrigeração with additional cooling capacity (sistemas típicos de cisão). A refrigeração e a UPS são de eficiência média ou baixa. “Data center” < 100 m2 30 – 100 servidores A distribuição, no sub piso , de ar e de unidades CRAC (opções mais eficientes). Gestão de equipamento de TI e nenhuma otimização de fluxos de ar. Temperatura e humidade controladas rigorosamente. Redundância de energia e de refrigeração: sistema de eficiência baixa. Médio “data center” < 500 m2 > 100 servidores Armazenamento externo A distribuição do ar no sub-piso ou no piso superior, ou unidades CRAC (ar arrefecido, velocidade constante dos servidores, baixa eficiência). Gestão para otimização dos fluxos de ar. Temperatura e humidade controladas rigorosamente. Redundância de energia e de refrigeração: sistema de eficiência baixa. “data centers” de classe empresarial > 500 m2 500 servidores Utilização dos sistemas mais efcientes de refrigeração, com sistema de gestão ode refrigeração.Utilização das melhores práticas de refrigeração e de gestão do fluzo de ar.Sistemas de redundância máxima: sistema de eficiência reduzido.

9 O equipamento correto de refrigeração
Avaliação das necessidades de refrigeração: Para equipamentos de TI a carga térmica é igual à potência elétrica absorvida: o correto dimensionamento de hardware de TI para uma instalação de TI é o primeiro passo para a eficiência Para a UPS, varia entre um leque de carga mínima e máxima É possível utilizar os valores de referência padrão para equipamentos de iluminação e para a presença humana, A quantidade e o tamanho dos sistemas necessários também estão estritamente ligados à classificação TIER de um “data center”. Tier 1 = Non-redundant capacity components (single path for power and cooling distribution), guaranteeing % availability Tier 2 = Tier 1 + Redundant capacity components, guaranteeing % availability Tier 3 = Tier 1 + Tier 2 + multiple active power and cooling distribution paths, with a single path active, has redundant components and is concurrently maintainable, guaranteeing % availability Tier 4 = Tier 1 + Tier 2 + Tier 3 + all components are fully fault-tolerant including uplinks, storage, chillers, HVAC systems, servers etc. Everything is dual-powered, gguaranteeing % availability. This categorization affects strongly the infrastructure: the reliability is guaranteed by component redundancy and by the connection of cooling system to the UPS (the electrical system comprises UPS’s), the availability is enforced with thermal storage system (the electrical system is completed with dual power and generators), and the serviceability by doubling ducts and pipes in cooling.

10 Elementos num sistema de refrigeração
Source: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009 Elementos de um sistema de refrigeração: Sistema de proteção ao calor; Equipamento de refrigeração; Equipamento terminal (dispositivo de remoção do calor); Carga térmica (equipmento de TI, serviços, operadores).

11 Elementos num sistema de refrigeração Importante para a seleção de equipamento eficiente
Os sistemas de refrigeração operam 24 / 7 e normalmente funcionam com metade da carga, o que não é energeticamente eficiente; Selecionar os equipamentos de eficiência energética é um passo fundamental para alcançar a sustentabilidade: Unidades de CRAC & CRAH; Ventiladores e outros equipamentos de ventilação; Bombas; Chillers (ar & água arrefecida); Torres de refrigeração, drycoolers & condensadores de ar arrefecido; Humidificadores.

12 Sistemas de terminal, de refrigeração e de proteção contra o calor
Os equipamentos terminais de sistemas de refrigeração tradicional nos “data centers” são tanto montados no teto como no assoalho. Todos os outros esquemas, por ex. os que são montados na parede, são similares ao conceito da montagem no teto. The indoor terminal unit is a CRAC (that exchanges heat thanks to fans trough a evaporator), connected via a distribution system (pumps and pipes) to a condensing unit (air cooled, forced by fans). Source: APC White Paper #59

13 Sistemas de terminal, de refrigeração e de proteção contra o calor
Sistema de proteção contra o calor Equipamentos de refrigeração mecânica Equipamento de terminal Combinação 1 Chiller (Ar arrefecido) CRAH (Água gelada) Combinação 2 Torre de refrigeração Combinação 3 Condensador CRAC (divisão) Combinação 4 Dry-cooler CRAC (Água / Glicol) Combinação 5 Unidade de condensação Alimentador de ar (Divisão) Computer room air handling (CRAH) units: containing a fan and chilled water cooling coil, typically are installed in larger datacenters with a central cooling plant, with reheat components (can be electric, hot water, hot gas) and humidifiers. Computer room air conditioning (CRAC) units containing a fan, DX cooling coil and a refrigerant compressor that may be cooled by: refrigerant routed through an air-cooled condenser (typical), water pumped through a cooling tower, glycol pumped through a drycooler. Fans, for air circulation (delivers cool air to the servers, returns exhaust air from the room) Pumps, for water and refrigerant liquid distribution Chillers (air & water-cooled), to cool water via a mechanical cooling cycle, exchanging heat with air or water Economizers, to exchange heat without or reducing use of compressors Cooling towers, drycoolers & air-cooled condensers, used to reduce the warmer process water temperature Humidifiers, to respect the lower air humidity limits (fresh air is cooled and consequently exceedingly dehumidified) Ventilation equipment (AHU), to ensure proper ventilation for occupants, for the direct/indirect use of outside air cooling power, for the particulate filtering. Source: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

14 Dimensão do “data center”, possível escolha do sistema de refrigeração e sua disposição
 Sistema e montagem Tipologia da sala Armário Sala de informática “Data Centers” pequenos “Data Centers” médios “Data Centers” grandes Sistema de ar arrefecido (divisão) Montado no teto Sim, se houver acesso ao telhado Sim, se houver acesso ao telhado e potência de 6-30kW Sim, se houver acesso ao telhado e a potência for d- 30kW Não. Insuficiente capacidade de refrigeração Montado no chão Não, tira espaço do chão Sim, se o acesso ao telhado for curto e a potência>30kW Sim, se houver acesso ao telhado e potência >25kW Sim, para soluções de baixa densidade- baixo custo Sistema compacto de ar arrefecido Sim, espaço para condutas Sim, no caso de queda do espaço de condutas de teto Sim, se debaixo de condutas de teto Sim, se o espaço disponível Sim, debaixo de condutas de teto Sistema arrefecido de Glicol (divisão) Não, maior poder de refrigeração Sim, se houver acesso ao telhado Sim, se houver acesso ao telhado Não, espaço no chão Sim, se houver acesso ao telhado e espaço no chão Sim, se houver acesso ao telhado e espaço no chão Sim, se houver acesso ao telhado Sim Sistema de água arrefecida Possível para construir edifícios altos Possível para construir edifícios altos Não, precisa de espaço excedente Sistema de água arrefecida SIm

15 Classificação ASHRAE Classe A1: facilidade de comunicação de dados com parâmetros ambientais controlados de forma rígida (ponto de condensação, temperatura e humidade relativa) e operações essenciais. Tipos de produtos normalmente concebidos para esse ambiente incluem servidores de empresas e produtos de produtos. Classe A2: comunicação de dados espaciais, de escritório ou ambiente de laboratório com algum controlo de parâmetros ambientais, (ponto de condensação, temperatura e humidade relativa). Tipos de produtos normalmente concebidos para esse ambiente incluem pequenos servidores, produtos de armzenamneto , computadores pessoais small servers, storage products, personal computers e estações de trabalho. ……Classe A3/A4, Classe B, Classe C As Classes A1 e A2 são ambientes projetados principalmente para equipamento de central de TI.

16 Classificação ASHRAE: Condições de entrada de ar
Class e Bulbo seco recomendado [°C] Humidade recomendada Bulbo seco admissível [°C] Humidade admissível A1 18 – 27 Ponto de condensação de 5,5°C para 60% r.h. e ponto de condensação 15°C 20 para 80% 17°C ponto de condensação máximo A2 20 – 25 Ponto de condensação 5,5°C para 60% r.h. e ponto de condensação15°C 10 – 35 21°C ponto de condensação máximo ASHRAE specifies that all conditions refer to the air entering the IT equipment. A frequent error to be avoided is measuring temperatures or positioning sensors in other measurement positions (e.g. at the room walls). Dew point is the better parameter as in fact it refers to the absolute quantity of moisture in air, that could cause problems of condensation on cold surfaces. The humidity level at a specific air temperature is a critical criterion.

17 Classificação ASHRAE : Condições de entrada de ar
The allowable area for set-point conditions has been enlarged compared to the previous version of the ASHRAE guidelines (see Table 7). The recommended value ensures reliability for the IT hardware in agreement with the state of technique of the IT equipment. Operating equipment outside the allowable conditions for longer periods of time could affect the availability or performance of some components in datacenter in the long term. In the last revised versions of the ASHRAE standard, published in 2008, the ranges of allowed relative humidity were enlarged. The maximum rate of temperature change is important especially for direct free cooling systems options and needs to be controlled to ensure safe operation of the system . The recommended ASHRAE level set the maximum rate of temperature change at 5 °C per hour for class 1 and 2 datacenters.

18 Código de Conduta da U.E. no “Data Center”: condições ambientais
The ASHRAE temperature ranges were taken as a reference for the EU Code of Conduct for datacenters (Code of Conduct on Data Center). The draft ETSI EN of the European Telecommunications Standards Institute defines the parameters of temperature and humidity for telecommunications equipment also for data center areas: these operating temperature range must be met by manufacturers of computer equipment (Code of Conduct endorsers) by January 2012.

19 Solução de refrigeração energeticamente eficiente para “data centers”

20 Opções de melhoria para sistemas pequenos de TI Existentes salas de servidores
Caraterização de pequenos sistemas de TI Opções básicas de melhoria para salas de servidores existentes - Densidades energéticas especificamente baixas - Utilização das soluções tradicionais HVAC (não CRAC) - Distribuição de carga heterogénea (espacial, temporal) -Redução do controlo e gestão -Baixo interesse na melhoria de eficiência - Controlo e gestão das condições ambientais(pontos de regulação) - Verificação das condutas / tubos de isolamento (ar frio e ar quente/água/líquido) - Avaliar a subsituição do obsoleto/ componentes menos eficientes do sistema de refrigeração - Controlo e verificação do “layout” do sistema de regrigeração instalado – distância entre os sistemas de refrigeração e de cargas - Avaliação correta da potência instalada para a refrigeração (a posteriori) -Correto posicionamento dos sensores - Análise da concentração de carga (temporal e espacial) overview on some typical characteristics of small IT systems respectively server rooms and of basic options for improvements both in existing and in new facilities

21 Opções de melhoria para sistemas pequenos de TI Novas salas de servidores
Caraterização de pequenos sistemas de TI As opções básicas de melhoria nas novas salas de servidores - Densidades energéticas especificamente baixas - Utilização das soluções tradicionais HVAC (não CRAC) - Distribuição de carga heterogénea (espacial, temporal) -Redução do controlo e gestão -Baixo interesse na melhoria de eficiência - Seleção dos mais eficientes sistemas tradicionais dos sistemas de refrigeração - Avaliar a utilização do rack baseado na refrigeração (concentrando as cargas) - Avaliar a possibilidade de utilização da refrigeração livre (direto ou não) overview on some typical characteristics of small IT systems respectively server rooms and of basic options for improvements both in existing and in new facilities

22 Salas de ar condicionado– Tipos, eficiência e custos dos sistemas de divisão (split systems)
Os sistemas de divisão/cisão, Split systems, são compostos de: Uma unidade de condensação montada no exterior; Uma unidade condicionada interna Mobile split (Divisão móvel) do ar condicionado têm: uma unidade portátil interna que contem o compressor, o que leva a uma menor eficiência. Small portable units ( Pequenas unidades portáteis) são, muitas vezes, instaladas em salas grandes de servidores para prevenir os pontos quentes, ou em armários de rede para complementar a construção do sistema AC; Estas pequenas unidades portáteis não são eficientes! Normalmente têm um esgotamento no tubo de alimentação que o ponto se torna fraco! For small IT facilities and server rooms the simplest solution is the traditional split system installation (also named comfort cooling). Split systems are composed of an outside mounted condensing unit and an internal conditioner unit. Mobile split air conditioners have a portable indoor unit containing the compressor, which leads to less efficiency. Small portable units are often installed in larger server room to prevent hot spots, or in network closets to supplement the building AC system. Split systems are easy to maintain with comparably low overall costs. The technology however is not applicable to every situation and the control of the IT equipment inlet temperature, humidity and of hotspots is poor. The efficiency of a split system depends on the efficiency of the outdoor and indoor heat exchanger and the electric motors in the compressor system. The overall efficiency of the split system technology has increased in the last years with the use of heat recovery modules.

23 Aquisição de equipamento energeticamente eficiente
Dependendo da potência da refrigeração: < 12 kW: rótulo energético Europeu > 12 kW: sistema de certificação da Eurovent Efficiency characteristics for system components and technical data about the design and possible applications are available from installers and manufacturers. For units above below 12 kW rated power the energy label and a set of technical specifications are mandatory in the EU. When buying new appliances under 12 kW of coolant power, the Energy label (mandatory in the EU!) should support the purchase decision. Eurovent certification scheme has been developed by industry as a voluntary agreement for labeling of appliances over 12 kW of power. The voluntary scheme adopted an A-G labeling based on the EER performance

24 Rótulo Energético Europeu existente e proposto para unidades pequenas de ar condicionado (<12 kW)
Uma vez que a eficiência é calculada de forma diferente, não é possível comprar diretamente os valores EER (regime antigo) e os valores SEER (regime novo) Regra de ouro: SEER ≈ EER + 3.0 To identify energy efficient equipment both the new EU-labeling scheme linked to the ERP-directive (Ecodesign-directive for energy related products). For systems with power < 12 kW EU labeling is mandatory and new revised criteria will be in force during The new labeling scheme has been completed and approved in Spring 2011 . We should only refer to the last version which will be published soon.

25 Valor da eficiência do sistema de refrigeração
EER - relação entre a capacidade de refrigeração total para a entrada efetiva de energia da unidade, expressa em Watt / Watt; SEER (rácio de eficiência de energia sazonal): definido e usado na Europa; IPLV (rácio de eficiência de energia sazonal): definidos e utilizados na América do Norte; Os valores IPLV e SEER são obtidos utilizando a média ponderada das eficiências (EER) dos chillers a diversas variações de carga nominal (25%, 50%, 75% e 100%). The EER rated calculation hypotheses, air temperature 35 °C and water temperature 15 °C, can only serve as a first proxy for the evaluation of the real efficiency. The Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER) calculated as ratio of output cooling (in Btu/hr) to input electrical power (in Watts) at a given operating point (indoor and outdoor temperature and humidity conditions) provides the expected overall performance considering typical local weather conditions.

26 Sistemas de divisão com inversor
A tecnologia dos Split systems (Sistemas de divisão) foi melhorada em vários aspetos. É possível adaptar os sistemas de água gelada ou combinar diferentes temperaturas ambiente de várias unidades AC ligadas ao mesmo condensador. A utilização de conversores em motores e de controlos inteligentes tem aumentado fortemente a eficiência da refrigeração.

27 Rack de refrigeração em pequenas salas de servidores
A adoção de opções de refrigeração livre para pequenos sistemas de TI e salas de servidores está sujeita a um grande número de restrições; A limitação é essencialmente técnica: pequenas salas de servidores ou armários estão muitas vezes localizados em partes do edifício onde o acesso ao ar externo é difícil; para salas de servidores em edifícios novos, é possível a aplicação da refrigeração livre se for considerada a partir da construção e do design de interiores. A localização da sala, as opções de condutas/ tubagem e, conseqüentemente, os custos são os principais fatores que influenciam a utilização da refrigeração gratuita; Para as reformas dos sistemas existentes, as dificuldades e os custos são normalmente altos e é requerida uma análise de custo / benefício .

28 Desafios e opções para “data centers” e para sistemas maiores
Opções básicas para os sistemas existentes Opções básicas para os novos sistemas - Controlo e gestão das condições ambientais (ponto definido, horário, posição e número de servidores) - Substituição de componentes obsoletos/menos eficientes do sistema de refrigeração (compare a classe de eficiência dos sistemas existentes com os sistemas mais eficientes do mercado) - Verificação das condutas/ of the ducts/ tubos de isolmaneto (ar frio e ar quente/água/ líquido) - Prevenção do curto-circuito de fluxo de ar (short- circuitation) - Controlo e verificação do layout do sistema de refrigeração instalado - distância entre os sistemas de refrigeração e de cargas, otimização de fluxos de ar, ausência do ar em partes seladas) - Análise da tecnologia chiller e eficiência - Utilização das opções do projeto de fluxo de ar (corredores frios/quentes, piso elevado/regresso dos conceitos de pleno) - Utilização do “rack” baseado na refrigeração - Avaliação do uso de refrigeração gratuita (direta / indireta) - Utilização da água com o “free cooling” - Instalação do processador com base na refrigeração (líquido, condutas de calor, cobre), -Utilização da recuperação de calor - Instalação de um sistema de refrigeração modular (ligada ao conceito de design e de gestão de TI) For medium size to larger data centers higher energy efficiency of IT systems and infrastructure is more profitable, however also some constraints are bigger. For example higher required reliability of systems and higher capital expenses could be a barrier for efficiency measures. The traditional approach for cooling in medium and big data centers has been based on air cooling. A standard data center has been designed to cool an average 7,5–10 KW/m2, which translates to 1–3 KW/rack. Newer, more expensive data centers are designed to cool an average 20 KW/m2, which still limits the power density per rack to 4–5 KW (recall that full rack capacity is higher than 25 KW/rack). The traditional architecture employs CRAC units at the periphery of the data centre room, utilizing chilled water from an outdoor chiller. Besides the IT other heat sources inside and outside the building are to be considered

29 Opção pelos sistemas “chiller” e pela eficiência
“chillers” de água gelada são uma melhor escolha do que de ar frio ou de DX:maior eficiência termodinâmica Air cooled and liquid cooled chillers differ regarding their EER (Energy Efficiency Ratio) which typically for water systems is about 3,5 and for air systems about 2,5. ‘Rated energy efficiency ratio’ (EERrated) express the declared capacity for cooling [kW] divided by the Rated power input for cooling [kW] of a unit when providing cooling at standard rating conditions. Standard rating conditions are: water temperature between 15 and 18 °C, outside temperature 35 °C. Water cooled chillers are a first choice over air cooled and DX thanks to the higher thermodynamic efficiency. Source: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

30 “Layout” típico em “data centers” médios e grandes
From From: Cooling strategies for IT equipment - HP

31 De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009
Refrigeração de ar: design do fluxo de ar, corredores frios/quentes, piso elevado, regresso dos conceitos de pleno Em “data centers” maiores, o equipamento de IT está disposto em linhas com entradas de ar em frente ao corredor frio. O ar frio é fornecido para o corredor frio, passa pelo equipamento e é descarregado para o corredor quente. “Layout” para o corredor quente e para o corredor frio do “data center” in the datacenter racks are organized in alternative aisles the so called hot aisle/cold aisle layout. The IT equipment is mounted in racks, containing the IT equipment (servers, storage, network equipment, power supply units and power distribution units), that are positioned together in long rows. The intake air comes from the cold aisle, than passes through the IT equipment in the rack and is discharged in the hot aisle. The air inlet conditions are specified in Environmental conditions for IT equipment. The air quantity typically required per rack is between 60 to 85 m3/h. De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

32 De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009
Refrigeração de ar: design do fluxo de ar, corredores frios/quentes, piso elevado, regresso dos conceitos de pleno As características do fluxo de ar são elementos importantes a ter em conta. As direções de fluxo de ar recomendada são da frente para a traseira (FR), da frente para o topo (FT) ou da frente para cima + traseira (FT / R). As direções dos fluxos de ar nos racks para a configuração de corredor quente/ corredor frio in the datacenter racks are organized in alternative aisles the so called hot aisle/cold aisle layout. The IT equipment is mounted in racks, containing the IT equipment (servers, storage, network equipment, power supply units and power distribution units), that are positioned together in long rows. The intake air comes from the cold aisle, than passes through the IT equipment in the rack and is discharged in the hot aisle. The air inlet conditions are specified in Environmental conditions for IT equipment. The air quantity typically required per rack is between 60 to 85 m3/h. De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

33 Distribuição vertical do piso inferior
Para permitir a entrega de ar condicionado, as salas típicas estão dispostas com o piso elebado. Este “layout” é um dos mais comuns, utilizado em “Data Centers”, o ar arrefecido é fornecido através do sistema das condutas do piso de baixo, ligado às unidades CRAC, e o ar quentes flui naturalmente dos racks, em direção ao teto, e volta aos CRAC. Geralmente leva a um declive de temperatura sub-ótima denttro dos racks, mais fria nos setores inferiores e mais quente nos setores superiores. De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

34 De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009
Verticais indiretos No “layout” vertical indireto o ar frio é fornecido aos racks de TI através da canalização instalada no teto e regressa naturalmente (não através das condutas) ao sistema de refrigeração- sem um piso elevado, e com uma temperatura uniforme a decair dentro dos racks. De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

35 Unidades de refrigeração locais indiretas num sistema VUF
Normalmente utilizado para uma refrigeração suplementar para prevenir pontos quentesem racks de alta densidade: Se a boa distribuição do ar não puder ser alcançada em todos os racks, ou se houver cargas de alta densidade; Unidades de refrigeração loccais indiretas podem ser coloocadas nos corredores frios, ou montados em racks e os permutadores térmicos podem arrefecer o ar quente do rack, ou arrefecer previamente o fornecimento de ar. From: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

36 Aumento da eficiência num corredor frio/ corredor quente. Configuração
Utilize o retorno de ar todo e os retornos da conduta In the hot-aisle / cold-aisle the main action is to increase efficiency is to enhance airstream separation: - Use return air plenums and duct the returns of cooling units to draw the warmest air from the top of the space - Place air supplies (perforated floor tiles or diffusers) in cold aisles only, near the active IT equipment Coloque suprimentos de ar (pisos perfurados ou difusores) só em corredores frios From: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

37 Aumento da eficiência num corredor frio/ corredor quente. Configuração
Instalar barreiras de fluxo de ar, tais como corredor quente/ contenção de corredor frio containment To minimize recirculation (typically using physical barriers): - Install airflow barriers such as hot aisle / cold aisle containment to reduce mixing of hot exhaust air with cooler room air - Install blanking panels at all open rack locations and within racks to prevent recirculation of hot air - Control the positioning and the sealing of cable openings and floor tiles. Instalar painéis falsos em todos os locais abertos

38 Otimização de sistemas de cablagem
The optimization of cabling systems should be done at the rack level, at room level (ceiling, floor or underfloor) and at the external connection systems. A linear and ordered positioning will also benefit the maintenance and emergency interventions

39 Aumento da eficiência num corredor frio/ corredor quente. Configuração
Localização do CRAC : A localização ideal do CRAC é na extremidade do corredor quente e as unidades devem ser colocadas prependicularmente aos corredores:diminuir o retorno do ar, reduzindo o curto-circuito direto de ar frio dos corredores frios The CRAC location is typically another origin of low efficiency. The optimal CRAC location is at the end of the hot aisle and units are to be placed perpendicularly to the hot aisles, in order to shorten the path for return air, reducing the direct short-circuiting of cold air from cold aisles.

40 (Source: HP) Controlo e monitorização dos sistemas de refrigeração – questões de gestão

41 Questões de gestão de ar
A entrada de temperatura do ar e a velocidade do ar pode afetar muito a eficiência de um sistema e deve ser continuamente monitorizado; Pontos quentes e ineficiências nos”data centers” existentes são relativamente fáceis de descobrir ao utilizar as análises termográficas ou instalando um sensor de rede “wireless”. . IR image, from:

42 Questões de gestão de ar
O “Design” e a otimização do processo de refrigeração pode ser apoiado pelo software de simulação de Dinâmicas de Fluidos Computacionais (CFD,Computational Fluid Dynamics), de forma a prever o fenómeno físico térmico/líquido no “data center”; Medições físicas e estudos no terreno não são só tempo e mão-de-obra intensiva, mas , por vezes, impossível. Inlet air temperature and air speed can strongly affect the efficiency of a system and should be monitored continuously. CFD sample, from:

43 Valor nominal e capacidade de refrigeração de um sistema dividido
Configurações de temperatura e humidade em “data centers” de médias e de grandes dimensões Valor nominal e capacidade de refrigeração de um sistema dividido (Fonte: P. Riviere et al., Preparatory study on the environmental performance of residential room conditioning appliances) Widening the temperature and humidity control ranges increases the operational “deadbands” and decreases the potential for systems to “fight” each other, with a reduced usage of humidification and dehumidification. For DX and chilled water systems, a warmer temperature setting typically increases the capacity and the efficiency of the cooling systems. In chilled water systems there are additional savings from the increase in coil temperature differences. For systems with air-side economizers, water-side economizers and evaporative cooling, a warmer temperature setting will increase the hours of functioning in non-compressor cooling mode. Um fornecimento superior de temperatura resulta tipicamente num aumento de economia de horas e numa refrigeração mecânica eficiente, mas com um “fator de segurança” inferior em relação às condições de entrada de TI; Para sistemas de DX e de água gelada, uma tconfiguração de temperatura mais alta melhora tipicamente a capacidade e a eficiência de refrigeração dos sistemas de refrigeração

44 Soluções para a heterogeneidade espacial e temporal
Espalhar cargas de TI e, consequentemente, cargas térmicas por sub-povoamento de racks. Heterogeneidade temporal: Utilizar sistemas de armazenamento de água gelada; Para “data centers” com densidade de elevada potência(por ex. mais do que 15 kW por rack): novos sistemas de refrigeração podem ser integrados nos racks e operados independentemente (sistemas de refrigeração baseados em RACK) Traditionally it was quite a common approach to spread the IT-loads and consequently heat loads by underpopulating of racks. Cooling is normally provided at corridor level, and later at rack level. For the refurbishment of existing systems and to avoid high heat density integration of direct liquid cooling can be considered. Thermographic analysis can help to improve efficiency in air flow management in traditional systems (air leakages, problems in air diffusion, poor control). A good option to cope with temporal inhomogeneities is thermal storage using chilled water to cover exceptional loads, cooling system failures or inadequacy of cooling power. In traditional systems where the cooling air is diffused from the underfloor the arrangement of the racks is a very important factor for the optimization of the cooling system. Proper positioning of the tiles from which cold air is diffused prevents mixing of hot and cold air. Improper placement of the diffuser may also destroy the advantages of the separation between the hot and cold aisle. Air supply shall be located as close as possible to the air intakes of the equipment, keeping the cold air in cold aisles. In the case of underfloor air distribution the perforated tiles must be arranged in the cold aisles.

45 Refrigeração baseada em “rack”
Refrigeração baseada em rack é capaz de dissipar cerca de 20 kW do calor, fechados para garantir a circulação de um fluxo contínuo de ar arrefecido. A refrigeração baseada em rack é associada, muitas vezes, com um sistema líquido de refrigeração para apoiar alta densidade. For data centers with high power density, e.g. more than 15 kW per rack, new cooling systems may be integrated in the racks and operated independently. Such cooling systems have a direct expansion or chilled water refrigeration circuit. They may be integrated into a single rack, or installed for a rack file (including power cables, data cables to connect to each other). The technology is also used in cases where space for installation of a cooling system is missing. Source: highdensityrackcooling.com

46 Refrigeração em linha Data center layout with in-row cooling.
Fonte: APC by Schneider Electric, 2010; documento técnici#139 rev.0

47 Refrigeração em linha de carga parcial
Row based cooling places the AC within the rows of IT equipment, rather than at the perimeter of the room. The air path is shorter and the mixing of hot and cold air is reduced dramatically. The cooling distruibution is more precise and adjustable to the demand (locally): the efficiency is higher, compared to the room cooling with air handlers. While moderately effective, in-row coolers cannot be used for cooling a specific rack or racks because they are not directly connected to any rack. They cannot determine the exact direction of 100% of their airflow or cooling capacity. Current capacity limitation is around kW per in-row cooler (not per rack). In-row coolers are connected to a central chilled water system via flexible hydraulic hoses. From : APC White paper #126, rev. 1.

48 Sistema de refrigeração líquido
A eficiência de refrigeração da água é 14 vezes superior do que a refrigeração do ar The most efficient and recent cooling technology installed in data centers is liquid cooling. In this approach the heat removal is achieved on or near the heat source. The direct liquid heat exchange can be arranged at rack level, server level or even processor level. No cooling power is lost in the room. Figure shows the principle of water cooling at rack level which can be applied both in new and in refurbished datacenters. The raised floor option indicated is not mandatory for the installation, but facilitates maintenance and lowers overall installation costs. The chiller can be combined with free cooling solutions De : S. Novotny, Green field data center design – water cooling for maximum efficiency

49 “Layout “líquido para sistemas de refrigeração
Figure provides a more detailed overview of a liquid cooling system:the cooling tower (external) connected to a chiller with a condensed water system,. the cooling distribution unit (located in the datacenter) and the rack equipped with a cooling system (direct or via a heat exchanger) and control system (Datacom equipment cooling system). This concept allows higher cooling media temperatures within the IT equipment, increasing opportunities for “free cooling” and supporting advanced solutions like processor based cooling De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

50 From: ASHRAE Save energy now presentation, 2009
Refrigeração líquida ao nível do “rack”, com permutador central de calor Liquid cooling can be designed via a fluid cooled heat exchanger contained in a distribution cooling unit in the room (Figure) or with the exchanger installed directly at rack level (installed in the rack) From: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

51 De: ASHRAE Save energy now presentation, em 2009
Refrigeração líquida ao nível do rack com líquido para permutador térmico do ar The liquid cooling can be also be designed based on a CRAC unit replacing the central heat exchanger (Figure 25), that distributes air in a hot aisle/cold aisle concept, combined with a rack level air to water heat exchanger. Liquid cooling is often used for refurbishment of existing datacenters. Savings regarding space and installation can be high. Existing CRAC can be used in a liquid to air heat exchanger. However implementation costs for liquid cooling can be high. Usually liquid cooling is combined with air cooling. Liquid cooling can cover high heat densities and allows a highly modular approach avoiding any hot spot problems. The redundancy of chillers for direct water systems is less expensive compared with the installation of redundant CRAC systems or other traditional solutions and availability is increased. Optimized setting of cooling conditions depending on monitored load per rack and per server allows a very efficient design. Free liquid cooling can also be based on non-potable water (industrial water, water from rivers, lakes, ..) however requiring a detailed analysis of the supply source (temperatures, flows and water properties during the year). De: ASHRAE Save energy now presentation, em 2009

52 Processador com base na refrigeração
The latest developments regarding systems for IT cooling is component based cooling using “hot” water. The general concept is already old (going back to the 1960s for IBM processor cooling systems). It is based on the fact that the typical operating temperatures of CPU’s are between 40 and 80 °C. Thus water based cooling at a temperature up to 60°C allows to cool CPUs at the typical operation level . The main disadvantage of the concept is the increased complexity and cost of the system. Each processor or component has to be connected to the cooling system via pipes. This may also involve risks if failures in the piping system occur. Apart from that the advantages of the system in terms of efficiency are considerable. IBM Coldplate Cooling, Fonte: thehotaisle.com IBM Aquasar, Source: ethlife.ethz.ch

53 Processador com base na refrigeração
Os últimos desenvimentos relativos aos sistemas de refrigeração de TI é o componente com base na refrigeração que utiliza água “quente”; Isto deve-se ao fato de que as temperaturas normais de funcionamento do CPU são entre 40 e 80 °C; Assim a refrigeração com base em água a uma temperatura até 60ºC permite arrefecer os CPUs ao nível típico de funcionamento; A principal desvantagem do conceito é o aumento da complexidade e o custo do sistema; Cada processador ou componente tem que estar ligada ao sistema de refrigeração através de tubos; Isso também pode envolver riscos se ocorrerem riscos no sistema de tubagem. À parte destes riscos, as vantagens ao nível da eficiência são consideráveis.

54 Exemplos das melhores práticas e experiências

55 From: ASHRAE Save energy now presentation, 2009
#10 Melhores práticas # Melhores práticas 1 O mais importante para os equipamentos de TI é a entrada de ar. 2 Implementar Corredor Frio/ Corredor Quente- Ar frio separado de ar quente 3 Utilizar o Ambiente Externo para Arrefecer o “Data Center” de uma forma mais direta 4 Implementar Componentes de Distribuição de Potência que sejam Energeticamente Eficientes 5 Considerar Refrigeração Localizada para áreas de Alta Densidade 6 Medir, Analisar e Benchmark os dados da eficiência das instalações 7 Investigar cada Componente de Refrigeração para melhorar a Eficiência 8 Melhorar o Ar Condicionado 9 Utilizar a Potência Medida do Fabricante /Dados Térmicos para otimizar o “layout” do “Data Center” 10 Virtualização e Condensação From: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

56 DOE Energy 101 –”Data Centers” energeticamente eficientes
Video com um exemplo de refrigeração eficiente feita por DOE Energy 101

57 Discussão Questões relacionadas com o módulo

58 Questões/discussões relacionadas com o módulo
Aquando da seleção de um sistema de refrigeração, quais são as principais restrições que influenciaram o design? Como é que aumentaria a eficiência energética na configuração de um corredor quente/ num corredor frio? Quão eficiente é a refrigeração da água se comparada com a refrigeração do ar? Quais os motivos que, na sua opinião, fazem com que o “processador com base na refrigeração” não é commumente utilizado hoje em dia?“

59 Sugestões de leitura complementar
Documentos Técnicos Publicações online Etc

60 Sugestões de leitura complementar
ASHRAE TC Thermal Guidelines for Data Processing Environments – Expanded Data Center Classes and Usage Guidance Energy Efficient Cooling Solutions for Data Centers ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series Qualitative analysis of cooling architectures for data center

61 Sugestões de leitura complementar
Fundamentals of data center power and cooling efficiency zones Seven strategies to improve data center cooling efficiency Cooling strategies for IT equipment