Mdulo 6Modelo de sistemas de refrigerao energeticamente eficientes Verso 1.022 de Septembro de 2011

Supported by:Project consortium:Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 1Desafios e opes gerais para a refrigerao da central I

Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 2Tendncia da carga de refrigerao dos sistemas de TI

Especfica evoluo de carga trmica em aplicaes de TI. Fonte [ASHR2005]Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 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 3

Design adequado para sistemas de refrigeraoA seleo do modelo adequado para um especfico sistema de refrigerao afetado por

infraestrutura de instalaes existentes;

Nvel de potncia total da instalao;

Localizao geogrfica;

Limitaes fsicas do edifcio (forma, tamanho, orientao, acesso)p

Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 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. 4Design adequado para sistemas de refrigeraoAs opes tpicas dos sistemas de refrigerao derivam diretamente dos sistemas de refrigerao clssicos, mesmo que o equipamento esteja, na maior parte dos casos, diretamente projetados para os data centers e para TI.

O equipamento para a refrigerao nos data centers, normalmente projetado especificamente:

A carga trmica produzida no data center normalmente sensvel (as necessidades de temperatura do bulbo seco diminuiem para a refrigerao) enquanto simultaneamente sensvel e latente num espao de trabalho (necessidade decrescente de humidade- devido a uma maior presena humana)Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 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).5Classificao dos data centersParmetros:

rea da sala;

Equipamento instalado de TI (nmero de racks ou servidores);

Energia Total para equipamento de TI;

Infra-estrutura instalada para refrigerao;

Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu Classificao do tamanhoDependendo o nmero de rack e da potncia instalada totalTipo de espao Racks instaladosPotncia total instalada de TI [kW]Armrios de cablagem1 - 3 compartimentos de rack1 18 Salas de informtica1 53 30Pequenos Data Centers 5 207 100Mdios Data Centers20 10028 500Grandes data centers> 100> 200Fonte: (APC White Paper #59, 2004)Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu Classificao do tamanhoLocal, caratersticas do sistema e da infra-estruturaTipo de espaoreaCaracterstica de equipamento de TILocal, caratersticas do sistema e de infra-estruturaArmrio do servidor< 20 m21-2 servidoresSem armazenamento externoUtilizao dos sistemas para escritrio HVAC. A UPS e o DC power frequentemente includa As condies ambientais no so mantidas to estreitamente. A eficincia HVAC similar eficincia do sistema HVAC para escritrio.Sala do servidor< 50 m22 - 30 servidoresSem armazenamento externo

Utilizao dos sistemas HVAC para escritrio com capacidade adicional de refrigerao with additional cooling capacity (sistemas tpicos de ciso). A refrigerao e a UPS so de eficincia mdia ou baixa.Data center< 100 m230 100 servidoresA distribuio, no sub piso , de ar e de unidades CRAC (opes mais eficientes). Gesto de equipamento de TI e nenhuma otimizao de fluxos de ar. Temperatura e humidade controladas rigorosamente. Redundncia de energia e de refrigerao: sistema de eficincia baixa.Mdio data center< 500 m2> 100 servidoresArmazenamento externoA distribuio do ar no sub-piso ou no piso superior, ou unidades CRAC (ar arrefecido, velocidade constante dos servidores, baixa eficincia). Gesto para otimizao dos fluxos de ar. Temperatura e humidade controladas rigorosamente. Redundncia de energia e de refrigerao: sistema de eficincia baixa. data centers de classe empresarial> 500 m2500 servidoresArmazenamento externo

Utilizao dos sistemas mais efcientes de refrigerao, com sistema de gesto ode refrigerao.Utilizao das melhores prticas de refrigerao e de gesto do fluzo de ar.Sistemas de redundncia mxima: sistema de eficincia reduzido.Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu O equipamento correto de refrigeraoAvaliao das necessidades de refrigerao:

Para equipamentos de TI a carga trmica igual potncia eltrica absorvida: o correto dimensionamento de hardware de TI para uma instalao de TI o primeiro passo para a eficincia

Para a UPS, varia entre um leque de carga mnima e mxima

possvel utilizar os valores de referncia padro para equipamentos de iluminao e para a presena humana,

A quantidade e o tamanho dos sistemas necessrios tambm esto estritamente ligados classificao TIER de um data center.

Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu Tier 1 = Non-redundant capacity components (single path for power and cooling distribution), guaranteeing 99.671% availabilityTier 2 = Tier 1 + Redundant capacity components, guaranteeing 99.741% availabilityTier 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 99.982% availabilityTier 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 99.995% 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 UPSs), 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. 9Elementos num sistema de refrigerao

Source: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009Elementos de um sistema de refrigerao:

Sistema de proteo ao calor;Equipamento de refrigerao;Equipamento terminal (dispositivo de remoo do calor);Carga trmica (equipmento de TI, servios, operadores).

Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 10Elementos num sistema de refrigeraoImportante para a seleo de equipamento eficienteOs sistemas de refrigerao operam 24 / 7 e normalmente funcionam com metade da carga, o que no energeticamente eficiente;

Selecionar os equipamentos de eficincia energtica um passo fundamental para alcanar a sustentabilidade:

Unidades de CRAC & CRAH;Ventiladores e outros equipamentos de ventilao;Bombas;Chillers (ar & gua arrefecida);Torres de refrigerao, drycoolers & condensadores de ar arrefecido;Humidificadores.Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu Sistemas de terminal, de refrigerao e de proteo contra o calor

Source: APC White Paper #59Os equipamentos terminais de sistemas de refrigerao tradicional nos data centers so tanto montados no teto como no assoalho. Todos os outros esquemas, por ex. os que so montados na parede, so similares ao conceito da montagem no teto. Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 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).12Sistemas de terminal, de refrigerao e de proteo contra o calorSistema de proteo contra o calorEquipamentos de refrigerao mecnicaEquipamento de terminalCombinao 1Chiller (Ar arrefecido)CRAH (gua gelada)Combinao 2Torre de refrigeraoCRAH (gua gelada)Combinao 3CondensadorCRAC (diviso)Combinao 4Dry-coolerCRAC (gua / Glicol)Combinao 5Unidade de condensaoAlimentador de ar (Diviso)Source: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 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 distributionChillers (air & water-cooled), to cool water via a mechanical cooling cycle, exchanging heat with air or waterEconomizers, to exchange heat without or reducing use of compressorsCooling towers, drycoolers & air-cooled condensers, used to reduce the warmer process water temperatureHumidifiers, 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.13Dimenso do data center, possvel escolha do sistema de refrigerao e sua disposio Sistema e montagemTipologia da salaArmrioSala de informticaData Centers pequenos Data Centers mdiosData Centers grandesSistema de ar arrefecido (diviso) Montado no tetoSim, se houver acesso ao telhado

Sim, se houver acesso ao telhado e potncia de 6-30kWSim, se houver acesso ao telhado e a potncia for d-30kWNo. Insuficiente capacidade de refrigerao

No. Insuficiente capacidade de refrigeraoMontado no cho

No, tira espao do choSim, se o acesso ao telhado for curto e a potncia>30kWSim, se houver acesso ao telhado e potncia >25kWSim, para solues de baixa densidade- baixo custoNo. Insuficiente capacidade de refrigerao

Sistema compacto de ar arrefecidoMontado no teto

Sim, espao para condutasSim, no caso de queda do espao de condutas de tetoSim, se debaixo de condutas de tetoNo. Insuficiente capacidade de refrigerao

No. Insuficiente capacidade de refrigerao

Montado no cho

Sim, espao para condutas

Sim, se o espao disponvel Sim, debaixo de condutas de tetoNo. Insuficiente capacidade de refrigerao

No. Insuficiente capacidade de refrigerao

Sistema arrefecido de Glicol (diviso)Montado no teto

No, maior poder de refrigeraoSim, se houver acesso ao telhado

Sim, se houver acesso ao telhado

No. Insuficiente capacidade de refrigerao

No. Insuficiente capacidade de refrigerao

Montado no cho

No, espao no choSim, se houver acesso ao telhado e espao no choSim, se houver acesso ao telhado e espao no cho

Sim, se houver acesso ao telhadoSimSistema de gua arrefecidaMontado no teto

No, maior poder de refrigerao

Possvel para construir edifcios altosPossvel para construir edifcios altos

No. Insuficiente capacidade de refrigerao

No. Insuficiente capacidade de refrigerao

Montado no choNo, precisa de espao excedentePossvel para construir edifcios altosPossvel para construir edifcios altos

SimSimSistema de gua arrefecidaMontado no teto

SimPossvel para construir edifcios altosPossvel para construir edifcios altos

No. Insuficiente capacidade de refrigerao

No. Insuficiente capacidade de refrigerao

Montado no cho

No, precisa de espao excedente

Possvel para construir edifcios altos

Possvel para construir edifcios altos

SimSImSupported by:nwww.efficient-datacenter.eu 14same problem than in WP4, double check of the last column neededClassificao ASHRAE Classe A1: facilidade de comunicao de dados com parmetros ambientais controlados de forma rgida (ponto de condensao, temperatura e humidade relativa) e operaes essenciais. Tipos de produtos normalmente concebidos para esse ambiente incluem servidores de empresas e produtos de produtos.Classe A2: comunicao de dados espaciais, de escritrio ou ambiente de laboratrio com algum controlo de parmetros ambientais, (ponto de condensao, 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 estaes de trabalho.Classe A3/A4, Classe B, Classe CAs Classes A1 e A2 so ambientes projetados principalmente para equipamento de central de TI.Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu Classificao ASHRAE: Condies de entrada de arClasseBulbo seco recomendado [C]Humidade recomendadaBulbo seco admissvel [C]Humidade admissvelA118 27Ponto de condensao de 5,5C para60% r.h. e ponto de condensao 15C15 - 3220 para 80%17C ponto de condensao mximoA220 25Ponto de condensao 5,5C para60% r.h. e ponto de condensao15C10 3520 para 80%21C ponto de condensao mximoSupported by:nwww.efficient-datacenter.eu 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. 16Classificao ASHRAE : Condies de entrada de ar

Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 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. 17Cdigo de Conduta da U.E. no Data Center: condies ambientais

Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 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 300 019-1-3 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 2012.18Soluo de refrigerao energeticamente eficiente para data centers

Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu Opes de melhoria para sistemas pequenos de TIExistentes salas de servidoresCaraterizao de pequenos sistemas de TIOpes bsicas de melhoria para salas de servidores existentes

- Densidades energticas especificamente baixas- Utilizao das solues tradicionais HVAC (no CRAC)- Distribuio de carga heterognea (espacial, temporal)-Reduo do controlo e gesto-Baixo interesse na melhoria de eficincia- Controlo e gesto das condies ambientais(pontos de regulao)- Verificao das condutas / tubos de isolamento (ar frio e ar quente/gua/lquido)- Avaliar a subsituio do obsoleto/ componentes menos eficientes do sistema de refrigerao- Controlo e verificao do layout do sistema de regrigerao instalado distncia entre os sistemas de refrigerao e de cargas- Avaliao correta da potncia instalada para a refrigerao (a posteriori) -Correto posicionamento dos sensores- Anlise da concentrao de carga (temporal e espacial)Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu overview on some typical characteristics of small IT systems respectively server rooms and of basic options for improvements both in existing and in new facilities20Opes de melhoria para sistemas pequenos de TI Novas salas de servidoresCaraterizao de pequenos sistemas de TI

As opes bsicas de melhoria nas novas salas de servidores

- Densidades energticas especificamente baixas- Utilizao das solues tradicionais HVAC (no CRAC)- Distribuio de carga heterognea (espacial, temporal)-Reduo do controlo e gesto-Baixo interesse na melhoria de eficincia

- Seleo dos mais eficientes sistemas tradicionais dos sistemas de refrigerao- Avaliar a utilizao do rack baseado na refrigerao (concentrando as cargas)- Avaliar a possibilidade de utilizao da refrigerao livre (direto ou no)Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu overview on some typical characteristics of small IT systems respectively server rooms and of basic options for improvements both in existing and in new facilities21Salas de ar condicionado Tipos, eficincia e custos dos sistemas de diviso (split systems)Os sistemas de diviso/ciso, Split systems, so compostos de:Uma unidade de condensao montada no exterior;Uma unidade condicionada interna

Mobile split (Diviso mvel) do ar condicionado tm:uma unidade porttil interna que contem o compressor, o que leva a uma menor eficincia.

Small portable units ( Pequenas unidades portteis) so, muitas vezes, instaladas em salas grandes de servidores para prevenir os pontos quentes, ou em armrios de rede para complementar a construo do sistema AC;Estas pequenas unidades portteis no so eficientes! Normalmente tm um esgotamento no tubo de alimentao que o ponto se torna fraco!

Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 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.22Aquisio de equipamento energeticamente eficienteDependendo da potncia da refrigerao:

< 12 kW: rtulo energtico Europeu

> 12 kW: sistema de certificao da Eurovent www.eurovent-certification.com

Supported by:nwww.efficient-datacenter.eu 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

23Rtulo Energtico Europeu existente e proposto para unidades pequenas de ar condicionado (