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Impatto del contenimento dei corridoi di aria calda e fredda sulla temperatura e sull'efficienza del Data Center

Revisione 2

di John Niemann Kevin Brown Victor Avelar

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

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White Paper 135

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.

In sintesi >

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Schneider Electric – Data Center Science Center White Paper 135 Rev 2 2

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 fredda1 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.

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.

Introduzione

Vantaggi in termini di efficienza del contenimento

> 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. 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.



• 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 raffreddamento lavorino per respingere il calore all'esterno2. Aumentando la temperatura impostata sui sistemi di raffreddamento si ottiene un maggior numero di ore in cui il sistema di raffreddamento può spegnere i compressori e risparmiare energia.3

• 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 fisse maggiori4 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.

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.


Implementing Hot and Cold Air Containment in Existing Data Centers

Link per visualizzare le risorse disponibili White Paper 153

http://www.apc.com/wp?wp=153



Aria FREDDA libera nella sala

Cold aisleUnita di

raffreddamentoUnita di

raffreddamento

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.

Figura 2 Esempio di sistema di contenimento del corridoio di aria fredda sviluppato internamente

Figura 1 Sistema di contenimento del corridoio di aria fredda (CACS, Cold-Aisle Containment System) installato con approccio al raffreddamento basato sulla sala


Plastic curtains suspended fromceiling at ends of

cold aisle

Raised floorwith perforated tiles

for cold air distribution

Tende in plasticaappese dal

soffitto alle estremitàdel corridoio di aria

fredda

Pavimento sollevatocon piastrelle

perforateper la distribuzione

dell'aria fredda



COLD air free in the room

Cooling unit Cooling unit

Hot aisle

Aria FREDDA liberanella sala

Unità di raffreddamento Unità di raffreddamento

Corridoiodi aria calda

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 temperatura a bulbo umido del globotermometro (WBGT, wet-bulb globe temperature)5. 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"

Figura 5 Sistema di contenimento del corridoio di aria calda (HACS, Hot-Aisle Containment System) connesso a un condizionatore d'aria remoto

Figura 3 Sistema di contenimento del corridoio di aria calda (HACS, Hot-Aisle Containment System) installato con sistema di raffreddamento basato su file

Figura 4 Esempio di sistema di contenimento del corridoio di aria calda (HACS, Hot-Aisle Containment System) funzionante come area indipendente

Effetto del contenimento sull'ambiente di lavoro



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.

Figura 6 Ambienti di lavoro senza contenimento in presenza di sistemi di contenimento dei corridoi di aria calda e fredda

CR

AH

CR

AH C

RA

HC

RA

H

Contenimento del corridoio di aria fredda Contenimento del corridoio di aria fredda

Contenimento del corridoio di aria fredda Contenimento del corridoio di aria fredda

Libreria di nastri

Archiviazione

CR

AH

CR

AH





CR

AH

CR

AH


L'area di lavoro senza contenimento diviene il 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

Apparecchiatura non a rack che assorbe aria a temperatura

più elevata



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 temperatura WBGT6 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.

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%.

> 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.

Temperatura massima WBGT OSHA: Lavoro continuo: 30°C 25% lavoro 75% pausa: 32°C

Impact of High Density Hot Aisles on IT Personnel Work Conditions





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 interna standard da progettazione7 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.

7American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2001 ASHRAE

Fundamentals Handbook, pagina 28.5

Analisi di CACS e HACS



Tipo di contenimento

Aria in ingresso

IT

Area senza contenimento

DB WBGT Ore

econ. m3/s CFM8 PUE Commenti

Sistema tradizionale senza contenimento

13-27°C 24°C 17°C 2.814 149% 1,82 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.

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% 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.

Scenario n.2: Temperatura nell'area senza contenimento mantenuta costante a 24°C

CACS temperatura massima area senza contenimento di 24°C

10°C 24°C 15°C 0 100% 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.

HACS temperatura massima area senza contenimento di 24°C

24°C 24°C 18°C 5.319 100% 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.

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.

Tabella 1 Impatto del controllo della temperatura dell'area senza contenimento per un sistema CACS e HACS



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



Energia IT Energia di alimentazi

one

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

% risparmi 0% 1% 43% 15% 15%

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. 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).

0250,000500,000750,000

1,000,0001,250,0001,500,0001,750,0002,000,0002,250,0002,500,0002,750,000

CRAH

Ener

gia

(kW

ore

)

HACSCACS

Torre diraffred-

damento

Pompedi acquarefrigerata

Pompedi reiezionedel calore

Refrige-ratore

Tabella 2 Scomposizione dei costi tra CACS e HACS a una temperatura massima dell'area senza contenimento di 24°C

Figura 7 Scomposizione del consumo energetico annuo del sistema di raffreddamento

+

+

=



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 sopraelevato. Ad esempio, se le unità CRAH forniscono 47 m3/s di aria e le apparecchiature IT consumano 38 m3/s di aria, i restanti 9 m3/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.

> 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.

CRAH

Parte anteriore

ITRack

Parte anteriore

ITRack

Parte anteriore

ITRack

Perdita di aria fredda

Perdita di aria calda

Implementing Hot and Cold Air Containment in Existing Data Centers





Caratteristica CACS HACS Commenti

Possibilità di impostare la temperatura dell'ambiente di lavoro a 24°C (temperatura interna standard da progettazione)

No 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.

Sfruttamento di ore potenziali in modalità economizzatore No 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.

Temperatura accettabile per le apparecchiature non a rack No 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.

Semplicità di distribuzione con il raffreddamento della sala Sì 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 and Cold Air Containment in Existing Data Centers.

Progettazioni di nuovi Data Center No 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.

Tabella 3 Riepilogo del confronto tra il contenimento del corridoio di aria fredda e il contenimento del corridoio di aria calda



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 aggregata superiore a 0,76m3 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.

Considerazioni sui sistemi antincendio



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 and Cold Air Containment in Existing Data Centers.

Conclusioni

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.

Note sull'autore



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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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)

Appendice: Presupposti dell'analisi

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