Análisis de distintas estrategias para la Optimización de la Eficiencia Energética y Confiabilidad en el Datacenter

Juan Fdo. Rodríguez S. EMERSON ELECTRIC DE COLOMBIA

El mundo del datacenter • Las tendencias que guían su evolución • Desde el servidor hacia el “Gerenciamiento Térmico” • Cuáles son los requerimientos en términos de Gerenciamiento Térmico? • Cuáles son las limitaciones que enfrentamos? • Cuál es la mejor tecnología disponible para cada caso?

… Pero para entender mejor el Diseño del Sistema de enfriamiento del Data Center, necesitamos empezar por el principio…

Todo arranca en el Servidor Servidor… …

Cuando el servidor trabaja trabaja,, genera calor Descarga de aire caliente

Suministro de aire frio

“Circuito equivalente equivalente””

La velocidad del ventilador depende de la temperatura del aire a la entrada

La potencia consumida es variable dependiendo de la velocidad del ventilador

A medida que el flujo varía varía,, el sistema de enfriamiento debe ajustarse a su medida medida..

Flujo de aire

q1 q2 qn

qservidores = q1 + q2 + ...qn Capacidad de flujo del sistema qsist = qservidores

Cómo logramos las condiciones ideales ideales? ?

Y cómo se debería distribuir el flujo de aire aire? ?

Arquitectura abierta: Pasillos fríos y calientes ASHRAE ASHRAE´´s Thermal Guidelines for Data Processing Environments

Problema frecuente en los sistemas tradicionales de enfriamiento

10° °15° °C

Si el flujo de aire frio es excesivo … Pasillo caliente Parte del flujo circula sin hacer ningún trabajo Equivale a: Desperdicio de energía

Pasillo frío

Si el flujo de aire frio no es suficiente … Pasillo caliente Recirculación = Punto caliente

Pasillo frío

Termografía de “Puntos “Puntos Calientes” Calientes”

Separación de los flujos de aire frio y caliente a baja presión y flujo: flujo: “smart aisle”

20° °- 26° °C

Prueba de rendimiento con incrementos de 50kW

EXTREME TEST

•

Aquí se crea una sobre-presión sobre los ventiladores de los servidores

•

Pérdida de aire frío eficiencia

•

Reducción de la vida útil de los ventiladores de los servidores

baja

CRAC Unit

• Aquí los servidores no están recibiendo flujo suficiente • Hay recirculación de aire caliente hacia el pasillo frío

Control

El encerramiento de pasillo es solo el comienzo; comienzo; también hay que controlar la presión y el flujo de aire

El sistema tienen que entregar la cantidad exacta de enfriamiento. El espacio dentro del confinamiento es comparable a un vaso con agua: agua: Debemos asegurarnos de que esté lleno; lleno; ni mucho ni poco. poco.

Control con sensores de presión

Equipo sometido a presión permanente

Pérdidas por rendijas

Presión de 20 Pa

Control dinámico dinámico:: “Smart Aisle”

Control con sensores de presión cuando hay distintas cargas térmicas por pasillo

Control con Sistema “Smart Aisle” cuando hay distintas cargas térmicas por pasillo

Punto de monitoreo del SmartAisle SmartAisle:: SensorBOX

Vista interior

Vista exterior

Se asumen ventiladores ubicados bajo nivel de piso falso

Mayor eficiencia por la tecnología de los ventiladores

Mayor eficiencia por ubicación de los ventiladores CRAC 30TR con ventiladores centrífugos

CRAC 30TR con vent ECFAN internos

CRAC 30 TR con vent ECFAN dentro del Piso falso

17,000

17,000

17,100

Total Static Pressure

2.8

2.4

1.9

BHP

12.6

10.8

8.8

(base)

-14%

-30%

CFM @ 0.2” ESP

BHP Savings

FLOOR LEVEL FLOOR LEVEL

EC Fans dentro del equipo

EC FAN bajo piso falso

Cambio de ventiladores en CRAC´ CRAC´s – DatacenterC DatacenterC**** **** Colombia Reemplazo de blowers centrífugos: •Instalados 15 nuevos Ventiladores EcFan •Instalación de sensores de T/HR en pasillos •Retrofit – Refrigerante R-22 a R407C •iCom CORRIENTE (A) INICIAL

1080

FINAL

570

KW/H - YTY $ 3,369,600 $ 1,771,200

AHORRO%

53%

ROI

< 9 MESES

PUE Inicial PUE Final

1.35 1.26

Caso de Estudio Estudio:: SmartAisle TM vs. Control por Presión • 3 encerramientos de pasillo frío ( 2x 8 racks) • Puertas deslizables en cada extremo • Racks = 800 x 1200 x 2200mm (Frente x Fondo x Altura) Densidad de calor = 5 kW/rack; Total carga: 240kW 50% de cada rack con equipo que ocupa 24U; el resto con “blanking panels” de 2U (11 paneles) • Rejillas para paso de aire en piso falso • CRACs: Liebert L10EC Down-flow con EC fan bajo piso falso “White Paper” que muestra la diferencia entre “SmartAisle” y Control por Presión

Presión Area total efectiva de fugas Flujo de aire enfriamiento Flujo de aire Total

Control Presión

“SmartAisle”

20 Pa

0…1 Pa

0,882 m² (52,800 m³/h) 72.021 m³/h

0,919 m² (52,800 m³/h) 55.973 m³/h

Diferencia: 16.048 m³/h Con el sistema “Smart Aisle” se requiere menos flujo de aire *detalles del cálculo en el White Paper

Potencia que consumen las CRAC´ ´s Sin control (3 CRACs)

Control presión

“SmartAisle”

Velocidad ventiladores al 100% 17,04 kW

“Operación a plena carga” (3 CRACs)

Velocidad ventiladores al 91% Velocidad ventiladores al 71% 12,90 kW 5,94 kW

“Operación Normal N+1” (4 CRACs)

Velocidad ventiladores al 70% Velocidad ventiladores al 54% 7,76 kW 3,52 kW

“Operación eficiente” (6 CRACs)

Velocidad ventiladores al 49% Velocidad ventiladores al 37% 4,08 kW 1,68 kW

Con el sistema “Smart Aisle” las CRAC´ ´s consumen menos potencia *detalles del cálculo en el White Paper

Costo total en 10 años (Equipo + Consumo)

Control Presión

Sin Control (3 CRACs)

“SmartAisle”

260.970 €

Operación a “Plena Carga” (3 CRACs)

206.570 €

115.120 €

Operación Normal N+1 (4 CRACs)

150.490 €

94.770 €

Operación eficiente (6 CRACs)

125.040 €

93.510 €

Con el sistema “Smart Aisle” las CRAC´ ´s se obtiene un mejor retorno de la inversión

Bajo las condiciones ideales… ideales…

Cuál Cuáles es deben ser las temperaturas adecuadas? adecuadas ?

El Datacenter es un “Ecosistema” • En los años recientes, ha sido en ese “ecosistema” en donde se han probado las nuevas . • Se ha impulsado el aumento de las temperaturas de operación dentro de las cuales trabaja la infraestryctura según ASHRAE y sus “recommended and allowable temperature and humidity envelopes” (Zonas de trabajo de temperatura y humedad “recomendadas y permitidas”)

Umbrales de operación ASHRAE Environmental Classes for Data Centers

Umbrales de operación ASHRAE Umbrales recomendados Aplicación Típica: Largo tiempo de operación con control de temperatura por el retorno y control estricto de la humedad Relativa. Hardware: Todos los servidores Temperatura y Humedad: 20°C – 25°C, 40% – 55% RH Aplicación Tradicional: Sitio tradicional con control de temperatura por el suministro ó el retorno y control de humedad relativa Hardware: Todos los servidores Temperature & Humidity: 18°C – 27°C, 5,5DP – 60% RH&15DP

Umbrales de operación ASHRAE Umbrales recomendados

Aplicación: Espacio de IT, Oficina Hardware: Volume servers, almacenamiento, PC´s, estaciones de trabajo Temperatura & Humedad: 10°C – 35°C, 20% – 80% RH

Aplicación: DC con énfasis en Ahorro de Energía Hardware: Enterprise servers, almacenamiento Temperatura& Humiedad: 15° – 32°C, 20% – 80% RH

Umbrales de operación • Hoy, la selección de la temperatura y humedad a las que podrá a operar el DC dependerá de las condiciones ambientales externas. • Si aumentamos la temperatura de operación dentro de la cual funcionan los equipos de IT, podremos aplicar las nuevas tecnologías tales como el enfriamiento evaporativo, el “freecooling” ó la combinación simultánea de ambas tecnologías.

Freecooling con SmartAisle™ Arranque Rápido Luego de una falla de energía: El primer compresor arranca después de 20 segundos

Ajuste automático del punto de temperatura del agua: (LWT) para optimizar el efecto Freecooling effect: Alta eficiencia del sistema

p Rango de enfriamiento 60 – 1600 kW

Control iCOM®

Componentes de Alta Eficiencia

Estrategias para la eficiencia del sistema: Freecooling y Trabajo engrupo entre chillers y CRAC´s. iComs en Chillers y manejadoras Comunicación con el BMS .

- Ventiladores EC Fan - Válvula de Expansión Electrónica - Compresores Tornillo ó Scroll - Bombas con efficiencia clase IE3

Parámetros para medición ó proyección de eficiencia eficiencia::

SCOP (Sensible coeficient of Performance) KW de enfriamiento Sensible SCOP: ------------ ------------------------kW consumidos

3.5 3

Condensadoras

EFFICIENCY (SCOP)

2.5

53%

2 1.5 1 0.5 0

CRAC

Mínimo ASHRAE

Refrigerante Bombeado

Desempeño típico de un Chiller de 1400 kW enfriado por aire,EWT:15°°C,LWT:10° aire,EWT:15 C,LWT:10°C,5% glycol

Distribución de temperaturas

Capacidad Mecánica vs Capacidad en Free Cooling

Desempeño típico de un Chiller de 1400 kW enfriado por aire,EWT:15°°C,LWT:10° aire,EWT:15 C,LWT:10°C,5% glycol

Nota: Los datos de consumo eléctrico incluyen bombas, ventiladores y compresores.

Enfriamiento evaporativo Sin usar enfriamiento mecánico

La evaporación del agua remueve el calor circundante y como resultado baja la temperatura del aire. El aire más frio permite hacer una transición de temperatura de bulbo seco a temperatura de bulbo húmedo (La gráfica muestra un cambio de 30°C a 20°C)

Enfriamiento evaporativo

Chiller Adiabático

Chiller Adiabático Adiabático:: Tres tecnologías en una PAD

Freecooling

ADIABATICO

Enfriamiento Adiabático Patente de EMERSON

pPUE 1.0

1.08

2.6

100% Respaldo con compresores

Rendimiento del Chiller Adiabático

Puntos importantes a recordar: recordar: No hay una tecnología que pueda calificarse como “la mejor” y que le sirva a todos los Datacenters: La mejor solución depende de las necesidades del cliente y de las limitaciones específicas del sitio ó del proyecto. La solución de Gerenciamiento Térmico debe garantizar: – Control de la températura y del flujo de Aire en el punto de entrada de aire al servidor. – Debe ser óptima respecto al consumo &costo de energía eléctrica que utiliza sin sacrificar la confiabilidad. – Debe permitir que todos los equipos trabajen en grupo para que puedan hacer uso de sus eficiencias parciales Todo sistema, especialmente los nuevos, deben ser probados en capacidad y consumo de energía (SCOP, EER, IPLV) a las condiciones de temperatura y humedad especificados por el cliente.

Gracias!

Juan Fdo. Rodríguez S. EMERSON ELECTRIC DE COLOMBIA