Módulo 6 Modelo de sistemas de refrigeração energeticamente eficientes

1. Módulo 6Modelo de sistemas de refrigeraçãoenergeticamenteeficientes Versão1.022 de Septembro de 2011

2. Desafios e opções gerais para a refrigeração da central I

3. Tendênciadacarga de refrigeração dos sistemas de TI Específicaevolução de cargatérmicaemaplicações de TI. Fonte[ASHR2005]

4. Design adequadoparasistemas de refrigeração • A seleção do modeloadequadopara um específicosistema de refrigeração é afetadopor • infraestrutura de instalaçõesexistentes; • Nível de potência total dainstalação; • Localizaçãogeográfica; • Limitaçõesfísicas do edifício (forma, tamanho, orientação, acesso)p

5. Design adequadoparasistemas de refrigeração • As opçõestípicas dos sistemas de refrigeraçãoderivamdiretamente dos sistemas de refrigeraçãoclássicos, mesmoque o equipamentoesteja, namaior parte dos casos, diretamenteprojetadosparaos “data centers” e para TI. • O equipamentopara a refrigeraçãonos “data centers”, normalmenteprojetadoespecificamente: • A cargatérmicaproduzida no “data center” é normalmentesensível (as necessidades de temperatura do bulbosecodiminuiempara a refrigeração) enquanto é simultaneamentesensível e latente num espaço de trabalho (necessidadedecrescente de humidade- devido a umamaiorpresençahumana)

6. Classificação dos “data centers” • Parâmetros: • Áreadasala; • Equipamentoinstalado de TI (número de racks ouservidores); • Energia Total para equipamento de TI; • Infra-estruturainstaladapararefrigeração;

7. Classificação do tamanhoDependendo o número de rack e dapotênciainstalada total Fonte: (APC White Paper #59, 2004)

8. Classificação do tamanhoLocal, caraterísticas do sistema e da infra-estrutura

9. O equipamentocorreto 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 cargamínima 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 sistemasnecessáriostambémestãoestritamenteligados à classificação TIER de um “data center”.

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

11. Elementos num sistema de refrigeraçãoImportantepara a seleção de equipamentoeficiente • Os sistemas de refrigeraçãooperam24 / 7 e normalmentefuncionam com metadedacarga, o quenão é energeticamenteeficiente; • 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 ararrefecido; • Humidificadores.

12. Sistemas de terminal, de refrigeração e de proteção contra o calor Os equipamentosterminais de sistemas de refrigeraçãotradicionalnos “data centers” sãotantomontados no tetocomo no assoalho. Todososoutrosesquemas, por ex. osquesãomontadosnaparede, sãosimilaresaoconceitodamontagem no teto. Source: APC White Paper #59

13. Sistemas de terminal, de refrigeração e de proteção contra o calor Source: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

14. Dimensão do “data center”, possívelescolha do sistema de refrigeração e suadisposição

15. Classificação ASHRAE • Classe A1: facilidade de comunicação de dados com parâmetrosambientaiscontrolados de forma rígida(ponto de condensação, temperatura e humidaderelativa) e operaçõesessenciais. Tipos de produtosnormalmenteconcebidosparaesseambienteincluemservidores de empresas e produtos de produtos. • Classe A2: comunicação de dados espaciais, de escritórioouambiente de laboratório com algumcontrolo de parâmetrosambientais, (ponto de condensação, temperatura e humidaderelativa). Tipos de produtosnormalmenteconcebidosparaesseambienteincluempequenosservidores, produtos de armzenamneto , computadorespessoais small servers, storage products, personal computers e estações de trabalho. ……Classe A3/A4, Classe B, Classe C • As Classes A1 e A2 sãoambientesprojetadosprincipalmenteparaequipamento de central de TI.

16. Classificação ASHRAE: Condições de entrada de ar

17. Classificação ASHRAE : Condições de entrada de ar

18. Código de Condutada U.E. no “Data Center”: condiçõesambientais

19. Solução de refrigeraçãoenergeticamenteeficientepara “data centers”

20. Opções de melhoriaparasistemaspequenos de TIExistentessalas de servidores

21. Opções de melhoriaparasistemaspequenos de TI Novas salas de servidores

22. Salas de arcondicionado– Tipos, eficiência e custos dos sistemas de divisão (split systems) • Os sistemas de divisão/cisão, Split systems, sãocompostos de: • Umaunidade de condensaçãomontada no exterior; • Umaunidadecondicionadainterna • Mobile split (Divisãomóvel)do arcondicionadotêm: • uma unidade portátil interna que contem o compressor, o que leva a uma menor eficiência. • Small portable units( Pequenasunidadesportáteis) são, muitasvezes, instaladasemsalasgrandes de servidoresparaprevenirospontosquentes, ouemarmários de redeparacomplementar 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!

23. Aquisição de equipamentoenergeticamenteeficiente Dependendo da potência da refrigeração: < 12 kW: rótulo energético Europeu > 12 kW: sistema de certificaçãodaEuroventwww.eurovent-certification.com

24. RótuloEnergéticoEuropeuexistente e propostoparaunidadespequenas de arcondicionado (<12 kW) Umavezque a eficiência é calculada de forma diferente, não é possívelcomprardiretamenteosvalores EER (regime antigo) e osvalores SEER (regime novo) Regra de ouro: SEER ≈ EER + 3.0

25. Valor daeficiência 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%).

26. Sistemas de divisão com inversor A tecnologia dos Split systems (Sistemas de divisão) foimelhoradaemváriosaspetos. É possíveladaptarossistemas de água gelada oucombinardiferentestemperaturasambiente de váriasunidades AC ligadasaomesmocondensador. A utilização de conversoresemmotores e de controlosinteligentes tem aumentadofortemente a eficiênciadarefrigeração.

27. Rack de refrigeraçãoempequenassalas de servidores • A adoção de opções derefrigeraçãolivrepara pequenos sistemas de TI e salas de servidores está sujeita a um grande número de restrições; • A limitação é essencialmentetécnica: • 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 localizaçãodasala, 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 opçõespara “data centers” e parasistemasmaiores

29. Opçãopelossistemas “chiller” e pelaeficiência “chillers” de água gelada sãoumamelhorescolha do que de arfrioou de DX:maioreficiênciatermodinâmica Source: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

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

31. Refrigeração de ar: design do fluxo de ar, corredoresfrios/quentes, pisoelevado, regresso dos conceitosde pleno Em “data centers” maiores, o equipamento de IT estádispostoemlinhas com entradas de aremfrenteaocorredorfrio. O ar frio é fornecido para o corredor frio, passa pelo equipamento e é descarregado para o corredor quente. “Layout” para o corredorquente e para o corredorfrio do “data center” De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

32. Refrigeração de ar: design do fluxo de ar, corredoresfrios/quentes, pisoelevado, regresso dos conceitosde 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 arnos racks para a configuração de corredorquente/ corredorfrio De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

33. Distribuição vertical do piso inferior Para permitir a entrega de arcondicionado, as salastípicasestãodispostas com o pisoelebado. Este “layout” é um dos maiscomuns, utilizadoem “Data Centers”, o ararrefecido é fornecidoatravés do sistema das condutas do piso de baixo, ligadoàsunidades CRAC, e o arquentesfluinaturalmente dos racks, emdireçãoaoteto, e voltaaos CRAC. Geralmenteleva a um declive de temperatura sub-ótimadenttro dos racks, maisfrianossetoresinferiores e maisquentenossetoressuperiores. De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

34. Verticaisindiretos No “layout” vertical indireto o arfrio é fornecidoaos racks de TI atravésdacanalizaçãoinstalada no teto e regressanaturalmente (nãoatravés das condutas) aosistema de refrigeração- sem um pisoelevado, e com umatemperaturauniforme a decairdentro dos racks. De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

35. Unidades de refrigeraçãolocaisindiretasnum sistema VUF • Normalmenteutilizadoparaumarefrigeraçãosuplementarparaprevenirpontosquentesem racks de altadensidade: • Se a boa distribuição do arnãopuder ser alcançadaemtodosos racks, ou se houvercargas de altadensidade; • Unidades de refrigeraçãoloccaisindiretaspodem ser coloocadasnoscorredoresfrios, oumontadosem racks e ospermutadorestérmicospodemarrefecer o arquentedo rack, ouarrefecerpreviamente o fornecimento de ar. From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

36. Aumentodaeficiência num corredorfrio/ corredorquente.Configuração Utilize o retorno de artodo e osretornosdaconduta Coloquesuprimentos de ar (pisosperfuradosoudifusores) sóemcorredoresfrios From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

37. Aumentodaeficiência num corredorfrio/ corredorquente.Configuração Instalarbarreiras de fluxo de ar, taiscomocorredorquente/ contenção de corredorfrio containment Instalarpainéisfalsosemtodososlocaisabertos

38. Otimização de sistemas de cablagem

39. Aumentodaeficiência num corredorfrio/ corredorquente.Configuração • Localização do CRAC : • A localização ideal do CRAC é naextremidade do corredorquente e as unidadesdevem ser colocadasprependicularmenteaoscorredores:diminuir o retorno do ar, reduzindo o curto-circuitodireto de arfrio dos corredoresfrios

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; • Pontosquentes e ineficiênciasnos”data centers” existentessãorelativamentefáceis de descobriraoutilizar as análisestermográficasouinstalando um sensor de rede “wireless”. IR image, from: http://www.datacentir.com/

42. Questões de gestão de ar • O “Design” e a otimização do processo de refrigeraçãopode ser apoiadopelo software de simulação de Dinâmicas de FluidosComputacionais (CFD,Computational Fluid Dynamics), de forma a prever o fenómenofísicotérmico/líquido no “data center”; • Mediçõesfísicas e estudos no terrenonãosãosó tempo e mão-de-obraintensiva, mas , porvezes, impossível. CFD sample, from: http://emersonnetworkpower.com

43. Configurações de temperatura e humidadeem “data centers” de médias e de grandesdimensões Valor nominal e capacidade de refrigeração de um sistemadividido (Fonte: P. Riviere et al., Preparatory study on the environmental performance of residential room conditioning appliances) • Um fornecimento superior de temperaturaresultatipicamente num aumento de economia de horas e numarefrigeraçãomecânicaeficiente, mas com um “fator de segurança” inferior emrelaçãoàscondições de entrada de TI; • Para sistemas de DX e de água gelada, umatconfiguração de temperaturamaisaltamelhoratipicamente a capacidade e a eficiência de refrigeração dos sistemas de refrigeração

44. Soluções para a heterogeneidade espacial e temporal • Heterogeneidadeespacial: • Espalharcargas de TI e, consequentemente, cargastérmicaspor sub-povoamento de racks. • Heterogeneidade temporal: • Utilizarsistemas de armazenamento de água gelada; • Para “data centers” com densidade de elevadapotência(por ex. mais do que15 kW por rack): • novossistemas de refrigeraçãopodem ser integradosnos racks e operadosindependentemente (sistemas de refrigeraçãobaseadosem RACK)

45. Refrigeração baseada em “rack” • Refrigeraçãobaseadaem rack é capaz de dissiparcerca de 20 kW do calor, fechadosparagarantir a circulação de um fluxocontínuo de ararrefecido. A refrigeraçãobaseadaem rack é associada, muitasvezes, com um sistemalíquido de refrigeraçãoparaapoiaraltadensidade. Source: highdensityrackcooling.com

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

47. Refrigeraçãoemlinha de cargaparcial From : APC White paper #126, rev. 1.

48. Sistema de refrigeração líquido • A eficiência de refrigeraçãodaágua é 14 vezes superior do que a refrigeração do ar De : S. Novotny, Green field data center design – water cooling for maximum efficiency

49. “Layout “líquido para sistemas de refrigeração De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

50. Refrigeraçãolíquidaaonível do “rack”, com permutador central de calor From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009