Impatto del contenimento dei corridoi di aria calda e fredda sulla

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Impatto del contenimento dei
corridoi di aria calda e fredda sulla
temperatura e sull'efficienza del
Data Center
White Paper 135
Revisione 2
di John Niemann
Kevin Brown
Victor Avelar
> In sintesi
Il contenimento dell’aria calda e fredda può migliorare
la prevedibilità e l'efficienza dei sistemi tradizionali di
raffreddamento dei Data Center. Sebbene entrambi gli
approcci riducano al minimo la miscelazione di aria calda
e fredda, esistono differenze pratiche
nell’implementazione e nel funzionamento che
determinano conseguenze significative sulle condizioni
dell'ambiente di lavoro, sul PUE e sulle ore in modalità
economizzatore. La scelta del contenimento del corridoio
di aria calda anziché del contenimento del corridoio di aria
fredda può consentire un risparmio del 43% sul costo
energetico annuo del sistema di raffreddamento,
equivalente a una riduzione del 15% sul PUE annuo.
Nel presente documento vengono esaminate entrambe
le metodologie e vengono evidenziati i motivi per cui il
contenimento del corridoio di aria calda emerge come
la prassi ottimale preferita per i nuovi Data Center.
I White Paper
by Schneider Electric fanno parte del più ampio catalogo di
white paper realizzati dal Data Center Science Center di Schneider Electric
[email protected]
Contenuti
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Introduzione
2
Contenimento del corridoio
di aria fredda
3
Contenimento del corridoio
di aria calda
4
Effetto del contenimento
sull'ambiente di lavoro
5
Analisi di CACS e HACS
8
Considerazioni sui sistemi
antincendio
14
Conclusioni
15
Risorse
15
Appendice
16
temperatura e sull'efficienza del Data Center
Introduzione
> I vantaggi derivanti
da un maggior
numero di ore
dell'economizzatore
La funzione di base di un
refrigeratore è rimuovere l'energia
termica dal Data Center
comprimendo ed espandendo
un refrigerante per mantenere
l'acqua refrigerata a una
determinata temperatura
di fornitura, in genere 7°C.
Quando la temperatura esterna
è di 11°C circa più fredda della
temperatura dell'acqua refrigerata
il refrigeratore può essere spento.
La torre di raffreddamento esclude
quindi il refrigeratore e rimuovere
direttamente il calore dal Data
Center.
Vantaggi in
termini di
efficienza del
contenimento
Gli elevati costi energetici e le alte velocità di consumo energetico hanno imposto ai professionisti dei
Data Center di considerare strategie di contenimento dell'aria calda e dell'aria fredda. Secondo Bruce
Myatt di EYP Mission Critical, la separazione dell'aria calda e fredda rappresenta "una delle più
promettenti misure di efficienza attualmente disponibili per i Data Center nuovi ed esistenti" (Mission
Critical, autunno 2007). Oltre all'efficienza energetica, il contenimento consente temperature
in ingresso alle apparecchiature IT uniformi ed elimina i punti di concentrazione del calore tipicamente
presenti nei Data Center tradizionali senza contenimento.
Sebbene il contenimento dei corridoi di aria calda sia la soluzione preferita in tutte le nuove
installazioni e in molte installazioni in cui è stato aggiunto un pavimento sopraelevato, può
essere difficile da implementare poiché la sala centrale è bassa o poiché il plenum di aspirazione
del controsoffitto non è accessibile. In questi casi, il contenimento del corridoio di aria calda
può rappresentare l'opzione più fattibile, sebbene non ottimale.
Sia il contenimento del corridoio di aria calda che il contenimento del corridoio di aria fredda offrono
risparmi energetici notevoli rispetto alle configurazioni tradizionali senza contenimento. In questo
documento viene analizzato e quantificato il consumo energetico di entrambi i metodi di
contenimento. Sebbene entrambe le strategie di contenimento del corridoio di aria calda e del
corridoio di aria fredda offrano risparmi energetici, da questo documento risulta che il contenimento
del corridoio di aria calda può offrire risparmi energetici del sistema di raffreddamento del 43%
superiori al contenimento del corridoio di aria fredda, in particolare a causa del maggior numero
di ore in modalità economizzatore. Questo documento conclude inoltre che nei nuovi Data Center
deve essere sempre utilizzato il contenimento del corridoio di aria calda.
Il contenimento dell'aria calda o fredda in un Data Center offre i seguenti vantaggi in termini
di efficienza. È importante notare che un layout a file dei corridoi di aria calda o fredda 1
è un requisito preliminare per entrambi i tipi di contenimento.
• I sistemi di raffreddamento possono essere impostati a una temperatura
di fornitura più elevata (per risparmiare energia e aumentare la capacità
di raffreddamento) garantendo comunque al carico temperature di funzionamento
sicure. La temperatura dei sistemi di raffreddamento perimetrali senza contenimento
è impostata su un valore molto più basso (circa 13°C) rispetto a quarto richiesto
dall'apparecchiatura IT al fine di prevenire i punti di concentrazione del calore.
Si verificano punti di concentrazione del calore quando il calore viene raccolto dall'aria
fredda nel suo percorso dall'unità di raffreddamento alla parte anteriore dei rack.
Il contenimento consente temperature di fornitura dell'aria fredda più elevate e aria
aspirata di ritorno all'unità di raffreddamento il più calda possibile. Il vantaggio di una
temperatura più elevata dell'aria aspirata dall'unità di raffreddamento è costituito da
un migliore scambio di calore tra la serpentina di raffreddamento, una maggiore
capacità di raffreddamento e un'efficienza globale superiore. Questo effetto si verifica
con pressoché tutte le apparecchiature di condizionamento d'aria. Alcune apparecchiature
possono presentare limiti sulla temperatura massima dell'aria aspirata che possono
gestire ma, in generale, tutti i sistemi di raffreddamento offrono capacità superiori con
aria di ritorno più calda.
Aumentando la temperatura della
fornitura di acqua refrigerata, si
aumenta il numero di ore in cui
è possibile spegnere il refrigeratore
(ore in modalità economizzatore).
Ad esempio, possono essere
presenti 1000 ore l'anno in cui la
temperatura esterna è di almeno
11°C inferiore alla temperatura
dell'acqua refrigerata di 7°C.
Ma se l'acqua refrigerata viene
portata a 13°C, le ore in modalità
economizzatore aumentano a 3.700.
1
Layout rack in cui una fila di rack è posizionata con le parti anteriori rivolte verso le parti anteriori della
fila adiacente. Questo layout forma corridoi alternati di aria calda e fredda.
Schneider Electric – Data Center Science Center
White Paper 135 Rev 2
2
• Eliminazione dei punti di concentrazione del calore. Il contenimento consente all'aria
fornita dall'unità di raffreddamento di raggiungere la parte anteriore delle apparecchiature
IT senza miscelarsi con l'aria calda. Ciò significa che la temperatura dell'aria fornita
presso l'unità di raffreddamento è la stessa della temperatura dell'aria in ingresso nelle
apparecchiature IT, ovvero sono presenti temperature in ingresso uniformi nelle
apparecchiature IT. Quando non è presente miscelazione tra i flussi d'aria, è possibile
aumentare la temperatura dell'aria fornita senza il rischio di generare punti di concentrazione
del calore aumentando al contempo le ore in modalità economizzatore.
• Aumento delle ore in modalità economizzatore. Quando la temperatura esterna
è inferiore a quella interna, non è necessario che i compressori del sistema di
2
raffreddamento lavorino per respingere il calore all'esterno . Aumentando la temperatura
impostata sui sistemi di raffreddamento si ottiene un maggior numero di ore in cui il
3
sistema di raffreddamento può spegnere i compressori e risparmiare energia.
• Riduzione dei costi di umidificazione e deumidificazione. Eliminando
la miscelazione tra aria calda e fredda, è possibile aumentare le temperatura dell'aria
fornita dal sistema di raffreddamento e ciò consente al sistema di raffreddamento
di funzionare al di sopra della temperatura del punto di rugiada. Quando si fornisce
aria al di sopra del punto di rugiada, non viene rimossa umidità dall'aria pertanto non
è richiesta l'aggiunta di umidità con conseguente risparmio di energia e acqua.
• Migliore utilizzo dell'infrastruttura fisica generale che consente un
dimensionamento appropriato con conseguente maggiore efficienza di esecuzione
delle apparecchiature. Le apparecchiature sovradimensionate presentano perdite
4
fisse maggiori delle apparecchiature dimensionate in modo corretto.
Tuttavia,il sovradimensionamento è necessario in caso di raffreddamento tradizionale
poiché è richiesta potenza di ventilazione aggiuntiva per superare le ostruzioni sotto il
pavimento e per pressurizzare il plenum di aspirazione del pavimento sollevato.
Contenimento
del corridoio
di aria fredda
Link per visualizzare le
risorse disponibili
White Paper 153
Implementing Hot and Cold
Air Containment in Existing
Data Centers
In un sistema di contenimento del corridoio di aria fredda (CACS, Cold-Aisle Containment
System), il corridoio di aria fredda viene racchiuso consentendo al resto del Data Center
di diventare un grande plenum di aspirazione dell'aria calda di ritorno. Mediante il
contenimento del corridoio di aria fredda, i flussi di aria calda e fredda sono separati. Notare
che questo metodo di contenimento richiede che le file di rack siano disposte in un layout
uniforme a corridoi di aria calda e fredda.
La figura 1 mostra il principio di base del contenimento dell'aria fredda in un Data Center con
unità di raffreddamento perimetrali e un pavimento sopraelevato. L'installazione di un sistema
CACS in questo tipo di Data Center viene effettuata racchiudendo l'inizio e la fine dei corridoi
d'aria fredda, rendendolo una pratica soluzione aggiuntiva per molti Data Center esistenti.
Per ulteriori informazioni su questo argomento, vedere il White Paper 153, Implementing Hot
and Cold Air Containment in Existing Data Centers.
Vengono installate soluzioni sviluppate internamente in cui gli operatori dei Data Center
utilizzano vari tipi di tende in materiale plastico appese al soffitto per racchiudere il corridoio
di aria fredda (figura 2). Alcuni fornitori offrono pannelli al soffitto e sportelli esterni da montare
sui rack adiacenti per separare i corridoi di aria fredda dall'aria calda circolante nella sala.
2
La differenza tra temperatura esterna e interna deve essere sufficiente da coprire le inefficienze degli
scambiatori di calore, isolamenti imperfetti e altre perdite.
3
I punti di regolazione possono essere vincolati in sistemi di raffreddamento comuni all'intero edificio
condivisi dal Data Center
4
La perdita fissa, denominata anche assenza di carico o shunt, è una perdita costante indipendente dal
carico. Una ventola di un condizionatore d'aria a velocità costante è un esempio di perdita fissa poiché
funziona sempre alla stessa velocità, indipendentemente dal carico.
3
Aria FREDDA libera
nella sala
Figura 1
Sistema di contenimento
del corridoio di aria
fredda (CACS, Cold-Aisle
Containment System)
installato con approccio
al raffreddamento
basato sulla sala
Unita di
raffreddamento
Cold
aisle
Plasticincurtains
Tende
plastica
suspended
from
appese dal
ceiling
at ends
of
soffitto
alle
estremità
cold aisle
del corridoio
di aria
fredda
Figura 2
Esempio di sistema di
contenimento del corridoio
di aria fredda sviluppato
internamente
Contenimento
del corridoio
di aria calda
Unita di
raffreddamento
Pavimento sollevato
con
piastrelle
Raised
floor
perforate tiles
with perforated
per la
fordistribuzione
cold air
dell'aria
fredda
distribution
In un sistema di contenimento del corridoio di aria calda (HACS, Hot-Aisle Containment System),
il corridoio di aria calda viene racchiuso per raccogliere l'aria calda di scarico delle apparecchiature
IT, consentendo al resto della sala di diventare un grande plenum di fornitura dell'aria fredda.
Mediante il contenimento del corridoio di aria calda, i flussi di aria calda e fredda sono separati.
Notare che questo metodo di contenimento richiede che le file di rack siano disposte in un layout
uniforme a corridoi di aria calda e fredda. La figura 3 mostra il principio di base di un sistema
HACS. Nella figura 4 è riportato un esempio di sistema HACS che utilizza unità di
raffreddamento a file.
In alternativa, il sistema HACS può essere connesso tramite condotto a un sistema
di trattamento dell'aria della sala computer (CRAH, Computer Room Air Handler) o a una
grande unità di condizionamento remota utilizzando un ampio camino posizionato sopra
l'intero corridoio di aria calda (figura 5). Uno dei vantaggi principali di questa opzione HACS
è rappresentata dalla possibilità di utilizzare le modalità economizzatore esistenti. Questo
tipo di progettazione HACS è consigliabile nei Data Center di grandi dimensioni dedicati per
i vantaggi in termini di efficienza ottenuti tramite la modalità economizzatore dei condizionatori.
Questo sistema può richiedere la creazione di grandi plenum di aspirazione aria e/o
un edificio costruito in modo specifico per gestire in modo efficace il grande volume d'aria.
Pertanto questa variante del sistema HACS è più indicato per le nuove progettazioni o per
Data Center molto grandi. Notare che le opzioni HACS qui indicate sono anche possibili con
il sistema CACS. Tuttavia, in questo documento, verrà illustrato come i risparmi energetici
ottenuti con il sistema HACS siano significativamente superiori.
4
Aria FREDDA
COLD
air freelibera
in thesala
nella
room
Figura 3
del corridoio di aria calda
(HACS, Hot-Aisle
Containment System)
installato con sistema
di raffreddamento
basato su file
Hot
Corridoio
di aisle
aria
calda
Cooling
unit
Unità
di raffreddamento
Unità di raffreddamento
Cooling unit
Figura 4
Esempio di sistema
di contenimento del
corridoio di aria calda
(HACS, Hot-Aisle
Containment System)
funzionante come area
indipendente
Figura 5
del corridoio di aria calda
(HACS, Hot-Aisle
Containment System)
connesso a un
condizionatore d'aria
remoto
Effetto del
contenimento
sull'ambiente
di lavoro
Indipendentemente dal tipo di sistema di contenimento, all'interno del Data Center devono
lavorare persone. Quest'area senza contenimento deve essere mantenuta a una temperatura
conforme alle normative OSHA o alle direttive ISO 7243 relative al superamento della
5
temperatura a bulbo umido del globotermometro (WBGT, wet-bulb globe temperature) .
Notare la seguente differenza nell'area senza contenimento:
• Con il contenimento del corridoio di aria fredda, l'area senza contenimento assume
la stessa temperatura del corridoio di aria calda, illustrato dall'ombreggiatura rossa
nella figura 6.
• Con il contenimento del corridoio di aria calda, l'area senza contenimento assume
la stessa temperatura del corridoio di aria fredda, illustrato dall'ombreggiatura blu
nella figura 6.
5
Manuale tecnico OSHA (Occupational Safety & Health Administration), sezione III, capitolo 4 ISO
(International Organization for Standardization) 7243, "Hot environments – Estimation of the heat
stress on working man based on WBGT index"
5
Contenimento del corridoio di aria fredda
Libreria
di nastri
Archiviazione
L'area di lavoro senza contenimento
diviene il corridoio di aria calda
Apparecchiatura non
a rack che assorbe
aria a temperatura
più elevata
CRAH
CRAH
Figura 6
CRAH
CRAH
Ambienti di lavoro
senza contenimento
in presenza di sistemi
di contenimento dei
corridoi di aria calda
e fredda
Contenimento del corridoio di aria calda
Libreria
di nastri
Archiviazione
L'area di lavoro senza contenimento
diviene il corridoio di aria fredda
Apparecchiatura non a
rack che assorbe aria
alla stessa temperatura
dei server
CRAH
CRAH
CRAH
CRAH
Con il sistema CACS, le temperature elevate del corridoio di aria calda fanno sì che l'area
senza contenimento raggiunga le stesse temperature e ciò può essere problematico per
il personale IT che staziona costantemente in una postazione di lavoro nel Data Center.
Con il sistema HACS, le temperatura elevate del corridoio di aria calda restano confinate in
tale corridoio e, pertanto, non colpiscono il personale IT che staziona costantemente nell'area
senza contenimento.
6
risorse disponibili
White Paper 123
Impact of High Density Hot
Aisles on IT Personnel Work
Conditions
> WBGT
La "temperatura a bulbo umido
del globotermometro" (WBGT,
wet-bulb globe temperature) è un
indice che misura lo stress
da calore negli ambienti di lavoro
umano.
WBGT = 0,7*NWB + 0,3*GT
NWB è la temperatura a bulbo
umido naturale e GT è la
temperatura del globotermometro
La temperatura NWB viene
misurata posizionando uno
stoppino inumidito con acqua
sul bulbo di un termometro
a mercurio. L'evaporazione riduce
la temperatura relativa alla
temperatura a bulbo secco ed
è una rappresentazione diretta
della semplicità con cui un addetto
possa dissipare calore mediante
la sudorazione. Per un Data
Center può essere utilizzata
la temperatura a bulbo secco
anziché la temperatura del
globotermometro senza
compromettere l'accuratezza.
"Bulbo secco" si riferisce alla
temperatura misurata utilizzando
un normale termometro
analogico o digitale.
Se il personale IT lavora nel corridoio di aria calda di un sistema HACS, le temperatura elevate
di tale corridoio vengono attenuate dall'apertura temporanea del corridoio per consentire
l'ingresso di aria più fredda. Inoltre, anche se il corridoio di aria calda resta chiuso, le normative
sull'ambiente di lavoro sono comunque rispettate per i due motivi seguenti: 1) gli addetti non
stazionano costantemente nell'ambiente caldo (ossia nel corridoio di aria calda) come nel caso
del sistema CACS e 2) la maggior parte del lavoro di routine viene svolto davanti ai rack IT.
Data la motivazione n. 1, le normative OSHA consentono un regime di lavoro/pausa pari a 25%
lavoro/75% pausa nel corridoio di aria calda del sistema HACS ed è pertanto consentita una
6
temperatura WBGT massima di 32,2°C. Pertanto la temperatura del corridoio di aria calda
del sistema HACS può raggiungere i 47°C. La temperatura più elevata del corridoio di aria
calda consentita con il sistema HACS è la differenza chiave tra HACS e CACS poiché
consente alle unità CRAH di funzionare in modo più efficiente.
Per ulteriori informazioni sulle condizioni ambientali di lavoro, vedere il White Paper 123,
Impact of High Density Hot Aisles on IT Personnel Work Conditions.
Oltre al comfort umano, è anche importante il funzionamento affidabile delle apparecchiature
IT. La versione del 2011 dello standard ASHRAE TC9.9 richiede temperature in ingresso nei
server comprese tra 18°C e 27°C. Con il sistema CACS, la temperatura nell'area senza
contenimento può superare notevolmente i 27°C e, in casi di apparecchiature IT ad alta
densità, può superare i 38°C. Pertanto, chiunque entri nel Data Center viene normalmente
sorpreso dal calore presente e le visite divengono difficoltose. Con il sistema CACS,
è necessario che le persone vengano informate affinché capiscano che le temperature più
elevate sono "normali" e non sono un segno di un imminente guasto del sistema. Questo
cambiamento culturale può risultare difficile ai lavoratori non abituati a entrare in Data Center
sottoposti a temperature più elevate.
Inoltre, quando si gestisce un Data Center a temperature elevate, è necessario adottare
misure particolari per le apparecchiature IT non a rack quali le librerie di nastri e i mainframe.
Con il sistema CACS, questi dispositivi dovranno disporre di condotti personalizzati che
consentano loro di spingere l'aria fredda dai corridoi di aria fredda contenuti. L'aggiunta
di piastrelle perforate nel corridoio di aria calda consente di raffreddare queste
apparecchiature ma ostacola l'obiettivo di contenimento. Inoltre è necessario valutare
se prese elettriche, illuminazione, sistemi antincendio e altri sistemi presenti nella sala sono
adatti al funzionamento a temperature elevate.
Temperatura massima WBGT
OSHA:
Lavoro continuo: 30°C
25% lavoro 75% pausa: 32°C
6
La temperatura a bulbo umido del globotermometro (WBGT,web-bulb globe temperature) è una misura
dello stress da calore che dipende fortemente dall'umidità relativa dell'ambiente di lavoro.
La temperatura massima del corridoio di aria calda di 47°C presuppone un'umidità relativa del corridoio
di aria fredda del 45%.
7
Analisi di CACS
e HACS
È stata effettuata un'analisi teorica di confronto tra sistemi CACS e HACS senza perdite di aria
calda o fredda, rappresentando cioè le prestazioni ottimali di entrambi. La perdita del pavimento
sollevato è in genere del 25-50%, mentre la perdita del sistema di contenimento è in genere del
3-10%. I presupposti utilizzati per questa analisi sono riportati nell'Appendice. Per ogni scenario
sono stati stimati il numero di ore in modalità economizzatore e il PUE risultate utilizzando un
modello per le ore dell'economizzatore e un modello per il PUE del Data Center. È stato anche
analizzato un Data Center tradizionale senza contenimento con modalità economizzatore,
utilizzata come base per confrontare l'impatto dei sistemi CACS e HACS. I Data Center CACS
e HACS sono stati entrambi analizzati utilizzando due scenari di temperatura:
1. Temperatura dell'aria in ingresso nelle apparecchiature IT costante a 27°C:
la temperatura dell'aria in ingresso massima consigliata da ASHARE
a.
Rilevanza per il sistema CACS: limite di temperatura sull'area senza
contenimento (ossia il corridoio di aria calda) che incide sul comfort umano
e sulle apparecchiature IT non a rack
b.
Rilevanza per il sistema HACS: temperatura nell'area senza contenimento
(ossia il corridoio di aria fredda) limitata alla stessa temperatura dell'aria in
ingresso nelle apparecchiature IT
2. Temperatura nell'area senza contenimento mantenuta a 24°C costanti: temperatura
7
interna standard da progettazione per il comfort umano
a.
Rilevanza per il sistema CACS: temperatura dell'aria in ingresso nelle
apparecchiature IT notevolmente ridotta per mantenere la temperatura
nell'area senza contenimento (ossia il corridoio di aria calda)
b.
Rilevanza per il sistema HACS: temperatura dell'aria in ingresso nelle
apparecchiature IT limitata alla stessa temperatura dell'area senza
contenimento (ossia il corridoio di aria fredda)
Nella tabella 1 sono riepilogati i risultati dell'analisi, utilizzando i parametri seguenti:
• Temperatura a bulbo secco dell'aria in ingresso nelle apparecchiature IT
• Area senza contenimento: temperatura a bulbo secco (DB, dry-bulb) e temperatura
a bulbo umido del globotermometro (WBGT, wet-bulb globe temperature)
• Ore in modalità economizzatore: numero di ore in cui il refrigeratore è stato spento
durante l'anno
• Metri cubi al secondo (m3/s): flusso d'aria totale fornito dalle unità CRAH come
percentuale del flusso d'aria totale delle apparecchiature IT
• PUE: misura standard del settore per l'efficienza dei Data Center
Nella prima riga della tabella sono riportati i valori di base di un Data Center senza
contenimento ai fini di confronto.
7
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2001 ASHRAE
Fundamentals Handbook, pagina 28.5
8
Tabella 1
Impatto del controllo della temperatura dell'area
senza contenimento per un sistema CACS e HACS
Tipo di
contenimento
Sistema
tradizionale senza
contenimento
Aria in
Area senza
ingresso contenimento
IT
DB WBGT
13-27°C
24°C
17°C
Ore
econ.
m3/s
CFM 8
PUE
2.814
149%
1,82
Commenti
Livello di base con perdita di aria fredda del 49% e di
aria calda del 20% 9
Scenario n.1: Temperatura dell'aria in ingresso nelle apparecchiature IT mantenuta costante a 27°C
CACS
Temperatura massima
ASHRAE dell'aria in
ingresso nelle
apparecchiature IT
e nessun limite sulla
temperatura dell'area
senza contenimento
27°C
41°C
27°C
6.218
100%
1,65
WBGT solo 3°C sotto il limite massimo OSHA. Include
una riduzione del 37% sul consumo energetico dei
refrigeratori. Ciò è dovuto alla maggiore temperatura
di fornitura alle apparecchiature IT che consente una
maggiore temperatura della fornitura CW.
1,65
WBGT 8°C sotto il limite massimo OSHA. Include una
riduzione del 37% sul consumo energetico dei
refrigeratori con maggiore temperatura della fornitura
CW. *Notare che la temperatura del corridoio di aria
calda è di 41°C.
HACS
Temperatura massima
ASHRAE dell'aria in
ingresso nelle
apparecchiature IT
e nessun limite sulla
temperatura dell'area
senza contenimento
27°C
27°C
21°C
6.218
100%
Scenario n.2: Temperatura nell'area senza contenimento mantenuta costante a 24°C
1,98
Ambiente di lavoro accettabile ma efficienza inferiore a un
Data Center tradizionale. Violazione del limite minimo
ASHRAE per la temperatura dell'aria in ingresso nelle
apparecchiature IT di 18°C. Include un aumento del 15%
sul consumo energetico dei refrigeratori. Ciò è dovuto alla
minore temperatura di fornitura alle apparecchiature IT che
porta a una minore temperatura della fornitura CW.
1,69
Maggiore efficienza, conforme a OSHA e conforme
a ASHRAE. Include una riduzione del 28% sul consumo
energetico dei refrigeratori con maggiore temperatura
della fornitura CW. *Notare che la temperatura del
corridoio di aria calda è di 38°C.
CACS
temperatura massima
area senza contenimento
di 24°C
24°C
10°C
15°C
0
100%
HACS
temperatura massima
area senza contenimento
di 24°C
24°C
24°C
18°C
5.319
100%
8
Flusso d'aria totale (indicato come % of del flusso d'aria IT)
9
La perdita di aria calda si verifica quando l'aria calda proveniente dai server si miscela all'aria fornita
del pavimento sollevato, aumentando la temperatura in ingresso nei server. La perdita di aria fredda si
verifica quando l'aria fredda proveniente dalle aperture del pavimento sollevato si miscela con l'aria di
ritorno, abbassando la temperatura e riducendo l'efficienza dell'unità di raffreddamento.
9
Risultati scenario 1
In questo scenario entrambi i sistemi CACS e HACS offrono 6.218 ore in modalità
economizzatore e un PUE dell'1,65. Ciò dimostra che l'efficienza dei sistemi CACS e HACS
è equivalente se si ignorano i problemi relativi a sicurezza umana e ad apparecchiature IT
non a rack. Tuttavia, con il sistema CACS, la temperatura dell'area senza contenimento è di
41°C con il 20% di umidità relativa equivalente a una temperatura WBGT di 27°C, prossima
al limite massimo WBGT OSHA di 30°C. Si tratta di un ambiente di lavoro proibitivo per il
personale IT e per le apparecchiature IT non a rack. Nella realtà, una temperatura così
elevata impone l'introduzione di ingresso di aria fredda nell'area senza contenimento.
L'effetto di tale ingresso è illustrato successivamente nella sottosezione "Effetto di una
perdita di aria sull'analisi teorica".
Risultati scenario 2
In questo scenario, mantenendo la temperatura dell'area senza contenimento a 24°C/75°F
limita il sistema CACS a zero ore all'anno in modalità economizzatore e un PUE peggiore del
20% rispetto allo scenario 1. La temperatura interna standard risultante è pari a 10°C/50°F.
L'efficienza HACS scende a 5,319 ore all'anno in modalità economizzatore a un PUE
dell'1,69. Entrambi i sistemi CACS e HACS nello scenario 2 consentono una temperatura
dell'ambiente di lavoro e dell'aria in ingresso nelle apparecchiature IT accettabili.
Confrontando questi due casi, il sistema HACS offre 5,319 ore in modalità economizzatore
in più e un miglioramento del 15% nel PUE.
Nella tabella 2 viene scomposto e quantificato il consumo energetico dei sistemi CACS
e HACS nello scenario 2. I costi energetici sono suddivisi tra IT, alimentazione,
raffreddamento e consumo energetico totale del Data Center.
• L'energia IT include tutte le apparecchiature IT, mantenuta costante a 700 kW per l'analisi
• L'energia di alimentazione include le perdite per interruttori, generatori, UPS, dispositivi
ausiliari principali e critici, illuminazione e distribuzione dell'alimentazione critica
• L'energia di raffreddamento include le perdite per refrigeratori, torre di raffreddamento,
pompe dell'acqua refrigerata, pompe dell'acqua del condensatore e unità CRAH
perimetrali
• L'energia totale è la somma dell'energia IT, di alimentazione e di raffreddamento ed
è direttamente correlata al PUE
10
Energia di
Energia IT alimentazi
one
Tabella 2
Scomposizione dei costi
tra CACS e HACS a una
temperatura massima
dell'area senza
contenimento di 24°C
Energia di
raffredda
mento
Energia
totale
PUE
+
=
CACS
$735.840
$213.846
$509.354
$1.459.040
1,98
HACS
$735.840
$211.867
$292.503
$1.240.209
1,69
0%
1%
43%
15%
15%
% risparmi
+
In un Data Center standard, con carico al 50%, l'energia IT rappresenta la parte maggiore del
costo energetico, seguita dal costo energetico del sistema di raffreddamento. In confronto al
sistema CACS, alla stessa temperatura dell'area senza contenimento di 24°C, il sistema
HACS consuma il 43% in meno di energia per il sistema di raffreddamento. La maggior
parte di questi risparmi sono attribuiti alle ore in modalità economizzatore in cui il refrigeratore
è spento, come illustrato nella figura 7. A questa temperatura dell'ambiente di lavoro, il sistema
CACS non può usufruire di ore in modalità economizzatore a causa della bassa temperatura
della fornitura di acqua refrigerata. La piccola differenza nell'energia del sistema di alimentazione
è dovuta a un aumento nelle perdite degli interruttori causate dalle ore aggiuntive di
funzionamento del refrigeratore nel caso del sistema CACS.
Rispetto al sistema tradizionale di base senza contenimento, il sistema CACS consuma il
30% in più di energia del sistema di raffreddamento e il 9% in più di energia totale del Data
Center. Rispetto al sistema tradizionale di base senza contenimento, il sistema HACS consuma
il 25% in meno di energia del sistema di raffreddamento e il 7% in meno di energia totale del
Data Center.
Figura 7
Scomposizione del
consumo energetico
annuo del sistema
di raffreddamento
Energia (kW ore)
Da questa analisi risulta chiaro che applicando i vincoli pratici di temperatura
dell'ambiente lavorativo e considerando il clima, il contenimento del corridoio di aria
calda offre un numero notevolmente superiore di ore in modalità economizzatore e un
PUE inferiore rispetto al contenimento del corridoio di aria fredda. Questo è vero
indipendentemente dal tipo di unità di raffreddamento o dal metodo di reiezione del
calore utilizzato (ossia perimetrale o basato su file, acqua refrigerata o espansione diretta).
2,750,000
2,500,000
2,250,000
2,000,000
1,750,000
1,500,000
1,250,000
1,000,000
750,000
500,000
250,000
0
HACS
CACS
CRAH
Refrigeratore
Torre di Pompe
Pompe
raffred- di acqua di reiezione
damento refrigerata del calore
11
> Perdita di aria
calda e fredda
La maggior parte dell'aria
calda di scarico delle
apparecchiature IT ritorna al
CRAH dove viene raffreddata.
Si verifica una perdita di aria
calda quando l'aria di scarico IT
ritorna agli ingressi delle
apparecchiature IT e si miscela
con l'aria fredda in ingresso.
Si verifica una perdita di aria
fredda quando l'aria fredda
fornita dal CRAH si miscela con
l'aria calda di ritorno del CRAH
senza raggiungere gli ingressi
delle apparecchiature IT.
Perdita
di aria
fredda
CRAH
Perdita di
aria calda
Parte
anteriore
Parte
anteriore
Parte
anteriore
IT
IT
IT
Rack Rack Rack
risorse disponibili
White Paper 153
Implementing Hot and Cold
Air Containment in Existing
Data Centers
Effetto di una perdita di aria sull'analisi teorica
Nell'analisi precedente si è considerato che i sistemi CACS e HACS fossero completamente isolati
in modo che non vi fosse alcuna perdita tra i flussi di aria calda e fredda. Questa presupposizione
improbabile ci consente di calcolare l'efficienza massima delle unità CRAH e consente un confronto
equo tra CACS e HACS. Nella realtà, è sempre presente una perdita di aria fredda con i sistemi
CACS o HACS che richiede un flusso d'aria della ventola dell'unità CRAH maggiore del flusso
d'aria delle apparecchiature IT. Questo si applica anche alle unità CRAH con ventole a velocità
variabile. L'equilibrio del flusso d'aria deve essere pari al flusso d'aria delle apparecchiature IT più
la percentuale di perdita di aria dal sistema di contenimento, ad esempio dal pavimento
3
sopraelevato. Ad esempio, se le unità CRAH forniscono 47 m /s di aria e le apparecchiature IT
3
3
consumano 38 m /s di aria, i restanti 9 m /s devono ritornare alle unità CRAH.
Tutta l'aria non utilizzata per raffreddare le apparecchiature IT rappresenta energia sprecata.
Questa energia sprecata si presenta in due forme: 1) l'energia della ventola utilizzata per il
movimento dell'aria e 2) l'energia della pompa utilizzata per il movimento dell'acqua
refrigerata tramite la serpentina dell'unità CRAH. Inoltre, la miscela di aria calda e fredda
riduce la capacità dell'unità CRAH. Più l'aria si miscela, maggiore è il numero di unità CRAH
richieste per rimuovere la stessa quantità di calore mantenendo al contempo la temperatura
appropriata dell'aria in ingresso alle apparecchiature IT.
Per comprendere l'effetto della perdita di aria, è stata ripetuta l'analisi precedente utilizzando
diverse percentuali di perdita di aria. A causa della maggiore energia della ventola
necessaria per le unità CRAH aggiuntive, l'aumento di energia per il sistema CACS è stato
superiore a quello per il sistema HACS. Ciò è dovuto al fatto che una maggiore quantità di
aria fredda si miscela nel corridoio di aria calda con il sistema CACS rispetto al sistema
HACS. Il corridoio di aria calda nel sistema HACS è influenzato unicamente dalle aperture
per i cavi in ogni rack, mentre il corridoio di aria calda nel sistema è influenzato dalle aperture
per i cavi nel rack, dalle aperture attorno al perimetro del Data Center e dalle aperture sotto
le unità PDU. Ciò provoca una perdita di aria fredda superiore del 50% circa rispetto al
sistema HACS. L'energia di raffreddamento per i risparmi del sistema HACS rispetto al
sistema CACS restano approssimativamente gli stessi (43% di risparmi del sistema di
raffreddamento e 15% di risparmi totali sull'energia).
Riepilogo del confronto tra sistemi CACS e HACS
Nella tabella 4 sono riepilogati i sistemi CACS e HACS in base alle caratteristiche descritte
in questo documento. Le celle ombreggiate in verde indicano la scelta migliore per la
caratteristica specifica.
12
Tabella 3
Riepilogo del confronto tra il contenimento del corridoio di aria
fredda e il contenimento del corridoio di aria calda
Caratteristica
CACS
Possibilità di impostare la
temperatura dell'ambiente di lavoro
a 24°C (temperatura interna
standard da progettazione)
Sfruttamento di ore potenziali
in modalità economizzatore
Temperatura accettabile per
le apparecchiature non a rack
Semplicità di distribuzione con
il raffreddamento della sala
Progettazioni di nuovi Data Center
No
No
No
Sì
No
HACS
Commenti
Sì
Con il sistema HACS, i punti di regolazione del raffreddamento
possono essere impostati a livelli più elevati mantenendo al contempo
una temperatura dell'ambiente di lavoro di 24°C e sfruttando le ore
in modalità economizzatore. L'aumento dei punti di regolazione del
raffreddamento nel sistema CACS provoca temperature del Data
Center eccessive. Ciò causa una percezione negativa da parte di
visitatori del Data Center stesso.
Sì
Il numero di ore in modalità economizzatore con il sistema CACS
è limitato dalla temperatura massima dell'ambiente di lavoro nel
corridoio di aria calda e dai limiti di temperatura delle apparecchiature
IT non a rack.
Sì
Con il sistema CACS, dal momento che i corridoio di aria fredda sono
contenuti, si consente il riscaldamento del resto del Data Center.
È necessario valutare il funzionamento a temperature elevate delle
apparecchiature IT perimetrali (ad esempio, delle librerie di nastri)
all'esterno delle aree contenute. Il rischio di surriscaldamento delle
apparecchiature IT perimetrali aumenta con la riduzione della perdita
di aria fredda.
No
Il sistema CACS è preferenziale in caso di retrofit di un Data Center
con pavimento sopraelevato, raffreddamento con sistema annegato
per aspirazione (trae l'aria di ritorno caldo dalla sala). Un sistema
HACS senza raffreddamento basato su file o controsoffitto
richiederebbe un condotto di ritorno speciale. Per ulteriori informazioni
su questo argomento, vedere il White Paper 153, Implementing Hot
Sì
Il costo per costruire un nuovo Data Center con sistema CACS
o HACS è pressoché identico. Specificare il sistema HACS per un
nuovo Data Center ne migliora l'efficienza generale, l'ambiente di
lavoro e il costo operativo complessivo.
13
Considerazioni
sui sistemi
antincendio
A seconda della posizione del Data Center, possono essere richiesti sistemi di rilevamento
e/o di estinzione incendi all'interno dell'area di contenimento dei sistemi HACS o CACS.
Il principale meccanismo antincendio è costituito in genere da spruzzatori attivati dal calore.
Un sistema secondario è spesso costituito da agenti gassosi che possono essere attivati
da rilevatori di fumo. Lo standard National Fire Protection Association NFPA 75 non esprime
un'opinione su quale sistema tra spruzzatori e agenti gassosi adottare in un sistema HACS
o CACS. Tuttavia, lo standard NFPA 75 documenta i seguenti due requisiti che possono
essere applicati sia a HACS che a CACS:
• "Le unità di archiviazione automatica delle informazioni (AISS, Automated Information
Storage System) contenenti supporti infiammabili con capacità di archiviazione
3
aggregata superiore a 0,76m devono essere protette con un sistema automatico
di spruzzatori o con un sistema antincendio ad agenti gassosi a scarica estesa per
ogni unità." Questo è notevole poiché stabilisce un precedente per i sistemi antincendio
in uno spazio contenuto del Data Center.
• "I sistemi di spruzzatori automatici che proteggono le sale ITE o le aree ITE devono
essere mantenuti in conformità allo standard NFPA 25 per quanto riguarda ispezione,
test, manutenzione e sistemi di protezione antincendio ad acqua".
Nella pratica, sono stati installati con successo e approvati sistemi HACS e CACS con
sistemi antincendio a spruzzatori e agenti gassosi in vari siti. La nota applicativa APC 159
fornisce ulteriori dettagli sulle problematiche e sulle procedure comuni di distribuzione
di sistemi antincendio negli ambienti con contenimento dei corridoi di aria calda. Per requisiti
specifici in una data posizione, è opportuno contattare AHJ.
Notare che qualsiasi plenum di aspirazione (ad esempio pavimento sopraelevato
o controsoffitto) deve essere adeguato alla distribuzione dell'aria.
14
Conclusioni
La prevenzione della miscelazione di aria calda e fredda è una chiave per tutte le strategie
efficienti di raffreddamento del Data Center. Entrambi i sistemi HACS e CACS offrono migliore
densità di alimentazione ed efficienza rispetto ai sistemi di raffreddamento tradizionali.
Un sistema di contenimento del corridoio di aria calda (HACS, Hot-Aisle Containment System)
è più efficiente di un sistema di contenimento del corridoio di aria fredda (CACS, Cold-Aisle
Containment System) poiché consente temperature più elevate del corridoio di aria calda
e temperature maggiori dell'acqua refrigerata e ciò permette un maggior numero di ore in
modalità economizzatore e notevoli risparmi sui costi energetici. I punti di regolazione di
raffreddamento possono essere impostati a livelli più elevati mantenendo al contempo
una temperatura confortevole nell'area senza contenimento del Data Center.
L'analisi presente in questo documento mostra che un sistema HACS può consentire
un risparmio del 43% sui costi energetici annui del sistema di raffreddamento corrispondenti
a una riduzione del 15% del PUE annuo rispetto al sistema CACS. Questo documento conclude
che tutti i nuovi progetti di Data Center dovrebbero adottare il sistema HACS come strategia
di contenimento predefinita. Nei casi in cui il contenimento non sia inizialmente richiesto, i Data
Center di nuova progettazione dovrebbero essere predisposti per la futura distribuzione
di sistemi HACS. Per i Data Center esistenti con pavimento sopraelevato e layout perimetrale
delle unità di raffreddamento, può essere più semplice e meno costoso implementare un sistema
CACS. Per informazioni su questo argomento, consultare il White Paper 153, Implementing Hot
Note sull'autore
John Niemann è Product Line Manager per i prodotti di raffreddamento piccoli e modulari presso
Schneider Electric ed è responsabile delle attività di pianificazione, supporto e marketing per
queste linee di prodotti. John guida la gestione prodotti per tutti i prodotti di raffreddamento APC
InRow™ dal 2004 e vanta 12 anni di esperienza nel ramo HVAC. La sua carriera è iniziata nel
settore HVAC commerciale e industriale dove si è concentrato su sistemi personalizzati di
refrigerazione e di trattamento dell'aria, con esperienza concentrata sul recupero dell'energia e sul
filtraggio in ambienti critici. La sua esperienza nel campo HVAC include progettazione
di applicazioni, sviluppo, gestione dei prodotti e vendite tecniche. John è membro di ASHRAE
e The Green Grid e ha conseguito una laurea in ingegneria meccanica presso la Washington
University a St. Louis, Missouri.
Kevin Brown è il vicepresidente della divisione Data Center Global Solution Offer & Strategy di
Schneider Electric Ha conseguito la laurea in ingegneria meccanica presso la Cornell University
Prima di assumere questo ruolo in Schneider Electric, è stato direttore dello sviluppo marketing
presso Airxchange, un produttore di unità e componenti di ventilazione per il recupero energetico
nel settore HVAC. Prima di entrare a far parte di Airxchange, Kevin ha rivestito numerosi ruoli di
senior management in Schneider Electric, tra cui quello di direttore del gruppo di sviluppo software.
Victor Avelar è Senior Strategic Research Analyst presso il Data Center Science Center di
Schneider Electric. È responsabile della progettazione di Data Center e della ricerca nel settore
operativo; fornisce consulenza ai clienti sulla valutazione del rischio e sulle pratiche di
progettazione per ottimizzare la disponibilità e l'efficienza degli ambienti dei Data Center. Victor
ha conseguito la laurea in ingegneria meccanica presso il Rensselaer Polytechnic Institute e un
master MBA presso il Babson College. È membro di AFCOM e dell'American Society for Quality.
15
Risorse
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Impact of High Density Hot Aisles
on IT Personnel Work Conditions
White Paper 123
Implementing Hot and Cold Air
Containment in Existing Data Centers
White Paper 153
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Data Center Science Center
[email protected]
Se avete richieste specifiche sulla progettazione del vostro data center:
Contattate il vostro referente commerciale Schneider Electric
www.apc.com/support/contact/index.cfm
16
Appendice:
Presupposti
dell'analisi
Nell'analisi dei sistemi HACS, CACS e del Data Center tradizionale con pavimento
sopraelevato senza contenimento, si presuppone quanto segue.
• Dimensioni del Data Center: 11 m x 22,6 m x 3 m
• Capacità del Data Center: 1.400 kW (senza ridondanza)
• Ubicazione: Chicago, Illinois, Stati Uniti
• Costo medio dell'elettricità: $ 0,12 / kW hr
• Carico IT totale: 700 kW
• Densità di alimentazione: 7 kW / rack medi
• Quantità di rack IT / cabinet: 100
• Raffreddamento unità perimetrale con pavimento sollevato di 61 cm
• Delta temperatura media tra i server: 13,9°C
• Aria in ingresso nei server con umidità relativa al 45%
• Perdita aria fredda del pavimento sollevato nel sistema senza contenimento: 40%
• Perdita aria calda nel sistema senza contenimento: 20%
• Perdita aria fredda del pavimento sollevato nel sistema CACS: 0%
• Perdita aria fredda del pavimento sollevato nel sistema HACS: 0%
• Efficienza della serpentina CRAH: 0.619
• Efficienza dello scambiatore di calore dell'economizzatore: 0.7
• Delta-T acqua refrigerata da progettazione: 6,7°C
• Impianto di refrigerazione dedicato per il Data Center
• COP refrigeratore: 5 con carico al 50%
• Carico impianto acqua refrigerata: 49-52% a seconda dello scenario
• Temperatura minima acqua della torre: 4,4°C limitata da radiatori per impedire il
congelamento
• Intervallo di progettazione torre di raffreddamento: 5,6°C
• Ventole delle apparecchiature IT a velocità costante (le ventole a velocità variabile
aumentano il consumo energetico IT poiché la temperatura dell'aria in ingresso nelle
apparecchiature IT aumenta oltre una soglia impostata)
• Raffreddamento sensibile al 100% (non è cioè richiesta alcuna umidificazione
o deumidificazione)
17

Impatto del contenimento dei corridoi di aria calda e fredda sulla

Transcript

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