Modulo 6 Progettazione di sistemi di raffreddamento efficienti

1. Modulo 6Progettazionedisistemidiraffreddamentoefficienti Versione1.022 Settembre2011

2. Difficoltà e opzioni per ilraffreddamentodell’ITcentralizzato

3. Andamento del caricodiraffreddamento per l’IT Evoluzione del caricotermicospecificonelleapparecchaiture IT. Fonte[ASHR2005]

4. Progettazioneadeguata per sistemi IT • La scelta del correttosistemadiraffreddamento è vincolatada: • La situazionedell’infrastrutturaesistente; • Il livellodipotenzaelettricadell’installazione; • La collocazionegeografica; • I vincolifisicidovutiall’edificio (forma, dimesnioni, orientamento, accessi)

5. Progettazioneadeguata per sistemidiraffreddamento • Le opzionitipiche per la progettazionedeisistemidiraffreddamentoderivanodirettamentedaisistemidiraffrescamentodegliambienti, anche se gliapparecchiinstallatisonospessospecificamenteprogettati per i data center e l’IT • Gliapparecchi per ilraffreddamentodei data center sonoprogettatispecificamente: • Il caricotermico in un data center è tipicamentesensibile (richede un abbassamentodellatemperaturadibulbosecco per ilraffreddamento) mentreneglispazi per uffici è allostesso tempo sensibile e latente (richiedeabbassamentodell’umiditàrelativa – causatadallapresenzaumana)

6. Categoriedi data center • Parameteri: • Area deilocali; • Numerositàdell’ITinstallato (numerodi rack o server); • Potenza elettrica totale degli apparecchi; • Infrastruttureinstallate per ilraffreddamento.

7. Categorizzazione in base alledimensioniDipendente da numero di rack e potenza installata Source (APC White Paper #59, 2004)

8. Categorizzazione in base alledimensioniSito, infrastruttura e caratteristiche del sistema

9. La sceltacorretta per ilraffreddamento • Valutazionedeifabbisognidiraffreddamento: • Per le apparecchiature IT ilcaricotermico è identicoallapotenzaelettricaassorbita: ilcorrettodimensionamentodegliapparecchi IT per un data center è il primo passo verso l’efficienza • Per gli UPS ilcaricovariatra un valoreminimoedunomassimo • Per gliapparecchi per l’illuminazione e la presenzadipersonale è possibileutilizzarevalori standard riportatinellanormativa • La quantità e la dimensionedeisistemirichiestidipendeanchefortementedallivellodi Tier ipotizzato per il data center.

10. Elementidi un sistemadiraffreddamento • Elementi di un sistema di raffreddamento: • Sistemadiespulsione del calore; • Apparecchiaturediproduzione del freddo; • Terminali (sistemidirimozione del calore indoor); • Carichitermici (apparecchi IT, servizi, operatori). Fonte: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

11. Elementidi un sistemadiraffreddamento: la selezione per l’efficienza • Gli apparecchi per il raffreddamento spesso operano in continuo 24 / 7 e tipicamente lavorano a metà carico, in maniera meno efficiente; • La selezione di apparecchi efficienti è una fase critica per raggiungere la sostenibilità: • Unità CRAC & CRAH; • Ventilatori e sistemi per la ventilazione; • Pompe; • Chiller (raffreddati ad aria o ad acqua); • Torri di raffreddamento, evaporatori e condensatori ad aria; • Umidificatori.

12. Sistemi per terminali, raffreddamentoedespulsione del calore I terminalitradizionamenteutilizzati per ilraffreddamentonei data centersonoinstallati a soffitto o a pavimento. Tutte le altremodalitàdiposizionamentosonosimiliconcettualmente al montaggio a soffitto. Fonte: APC White Paper #59

13. Combinazionitipichediterminali, sistemidiraffreddamento e diespulsione del calore Source: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

14. Dimensione del data center, sistemi e tecnologie per ilraffreddamento

15. Classificazione ASHRAE • Classe A1: spazi per servizi datacom con parametri ambientali strettamente controllati (punto di rugiada, temperatura e umidità relativa) e con operazioni critiche. Le tipologie di prodotti normalmente utilizzati per tali ambienti includono solitamente server e sistemi di storage aziendali. • Classe A2: spazi per servizi datacom, uffici o laboratori con un certo controllo dei parametri ambientali (punto di rugiada, temperatura e umidità relativa). Le tipologie di prodotti normalmente utilizzati per tali ambienti includono solitamente piccoli server, prodotti per storage, personal computer e workstation. ……Classe A3/A4, Classe B, Classe C • Le classi A1 e A2 coprono gli ambienti specificatamente progettati per le apparecchiature IT centralizzato.

16. Classificazione ASHRAE: condizioniditemperaturadell’aria in ingresso

17. Classificazione ASHRAE: condizioniditemperaturadell’aria in ingresso

18. EU code of conduct: condizioniditemperaturaproposte

19. Soluzioniefficienti per ilraffreddamentodei data center

20. Opzionidimiglioramentodell’efficienzaSale server esistenti

21. Opzionidimiglioramentodell’efficienzaSale server nuove

22. Climatizzatoridaufficio – Tipi, efficienza e costideisistemi split • Sistemi split sonocompostida: • un’unitàesternamotocondensante; • un’unitàinterna. • Sistemisplit mobili per ilraffreddamentohanno: • Un’unitàinternaportatilechecontieneilcompressore. Ciòporta a minor efficienza. • Le piccoleunitàportatilisonospessoinstallate in sale server dimaggioridimensioni per prevenireglihot spot, o neivanidelleapparecchiaturedirete per supplireall’insufficienza del sistemadiraffreddamentodell’edificio; • Questepiccoleunitàportatili non sonoefficienti! Solitamentehanno un tubodiscarcio del calorechescaldaillocale!

23. Acquistodiapparecchiefficienti In funzione della potenza raffreddante: < 12 kW: etichetta Energetica EU >12 kW: schema dicertificazioneEuroventwww.eurovent-certification.com

24. Etichettaesistente e nuovaproposta per apparecchipiccoli (<12 kW) Data la differentemodalitàdicalcolodell’efficienza, non è possibileconfrontaredirettamentevaloridi EER (vecchio schema) e diSEER (nuovo schema) Approssimativamente: SEER ≈ EER + 3.0

25. Valoridiefficienzadeisistemidiraffreddamento • EER– rapportotra la capacitàraffreddantetotale e ilvaloredipotenzachealimantal’unità, espresso in Watt/Watt; • SEER(indicatorestagionalediefficienzaenergetica): definitoedutilizzato in Europa; • IPLV(indicatorestagionalediefficienzaenergetica): definitoedutilizzato in USA; • I valoridiIPLVe SEERsonoottenutiutilizzando le mediepesatedell’efficienza(EER) dei chiller a differentivaloridicarico(25%, 50%, 75% and 100%).

26. Sistemi split con inverter La tecnologia split è migliorata sotto diversi aspetti. E 'possibile adattare i sistemi all’acqua refrigerata o combinare diverse temperature ambiente per diverse unità di AC collegate allo stesso condensatore. L'uso di motori a inverter e controlli intelligenti hanno fortemente aumentato l'efficienza di refrigerazione.

27. Raffreddamento a rack in piccole sale server • L'adozione di opzioni di free coolingper i piccoli sistemi IT e server room è soggetta ad un ampio numero di vincoli; • La limitazione è soprattutto tecnica: • sale server di piccole dimensioni o armadi si trovano spesso in alcune parti dell’edificio in cui l'accesso al aria esterna è difficile; • per sale server nei nuovi edifici, l'applicabilità del free cooling è possibile se considerato nella costruzione dell’edificio e nel progetto del locale. • Posizione del locale, le possibilità di passaggio per condotti / tubazioni, e i conseguenti costi sono i principali fattori che influenzano l’adozione del free cooling; • Per le ristrutturazioni di impianti esistenti, le difficoltà e i costi sono generalmente elevati ed è richiesta un’analisi costi / benefici.

28. Difficoltà e possibilità in data centermedio-grandi

29. Sceltaedefficienza del chiller I chiller ad acquarappresentano la migliorsceltarispetto a quelli ad aria e allemacchine DX: migliorefficienzatermodinamica Fonte: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

30. Layout tipico in data center medio-grandi Da: Cooling strategies for IT equipment - HP

31. Raffreddamento ad aria: progettazionedeiflussidi aria, corridoicaldi/freddi, pavimentosopraelevato/ritorno a soffitto Nei data centre piùgrandi, l’IT è disposto in file con le presedell’aria verso ilcorridoiofreddo. L’ariafredda è fornita al corridoiocorrispondente, attraversagliapparecchi e vienescaricatanelcorridoiocaldo Layout per un data center a corridoiocaldo/freddo Da: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

32. Raffreddamento ad aria: progettazionedeiflussidi aria, corridoicaldi/freddi, pavimentosopraelevato/ritorno a soffitto Le caratteristiche del flussodi aria sonoelementidaconsiderareattentamente. Le direzionidell’ariaraccomandatesono: frontale-retro(F-R), frontale-alto (F-T) o frontale- alto/retro(F-T/R). Flussid’arianei rack per configurazione a corridoiocaldo/freddo Da: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

33. Distribuzione verticale sottopavimento Per consentire la fornitura di aria fredda, i locali sono dotati di pavimento tecnico rialzato. Questo layout è uno dei più comuni utilizzati nei data center, l'aria di raffreddamento è fornita attraverso un sistema sottopavimento collegato alle unità CRAC, e l'aria calda fluisce naturalmente dai rack verso il soffitto di nuovo al CRAC. Porta normalmente a un gradiente di temperaturasub-ottimale all'interno del rack, più freddo in basso e più caldo nei settori superiori Da: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

34. Distribuzioneverticale a soffitto Nel layout di distribuzione verticale a soffitto, l'aria fredda è fornita al rack IT attraverso una canalizzazione installata sul soffitto e ritorna naturalmente (non canalizzata) al sistema di raffreddamento - senza un pavimento tecnico e con un gradiente di temperatura uniforme all'interno dei rack. Da: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

35. Distribuzioneverticale a soffitto con sistema a pavimentotecnico • Tipicamente utilizzata per il raffreddamento supplementare per evitare i punti caldi in rack ad alta densità; • La distribuzione del flusso d'aria buona non può essere raggiunta in tutto il rack, o se ci sono densità elevate; • Il CRAC a soffitto può essere posizionato sopra i corridoi freddi, o montato su rack scambiatori di calore. Può raffreddare l'aria calda di scarico dal rack, o pre-raffreddare l'aria di alimentazione. Da: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

36. Incrementodiefficienza in un sistema a corridoiocaldo/freddo Utilizzareritorni a soffittocanalizzati Posizionare le grigliediareazione solo nelcorridoiofreddo From: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

37. Incrementodiefficienza in un sistema a corridoiocaldo/freddo Installarebarriere al flussod’aria per contenereilcorridoiocaldo o freddo Installarepannellidichiusura in tutte le posizioniapertenei rack

38. Ottimizzazionedellesoluzionidicablaggio

39. Incrementodiefficienza in un sistema a corridoiocaldo/freddo • Posizionamento dei CRAC : • La posizione ottimale si trova alla fine del corridoio caldo e perpendicolarmente ai corridoi di aria calda: abbreviare il percorso per il ritorno dell'aria, riducendo il corto circuito con aria fredda del corridoio freddo

40. (Fonte: HP) Controllo e monitoraggiodeisistemidiraffreddamento – modalitàdigestione

41. Gestionedell’aria • Temperatura e velocità dell'aria impattano fortemente sull'efficienza di un sistema e devono essere monitorati in continuo; • Punti caldi e inefficienze nei data center esistenti sono relativamente facili da scoprire con l'analisi termografica o l'installazione di una rete di sensori wireless. Immagine a infrarossi, da: http://www.datacentir.com/

42. Gestionedell’aria • La progettazione e ottimizzazione del processo di raffreddamento può essere supportata da software di simulazione CFD (di calcolo fluido dinamico), al fine di prevedere i fenomeni fisici termici / fluido all'interno del datacenter; • Misurazioni fisiche e test sul campo non impegnano solo tempo e manodopera, ma a volte sono impossibili. Esempio di simulazione CFD, da: http://emersonnetworkpower.com

43. Impostazioni per temperaturaedumiditànei data center medio-grandi Impostazioni e capacitàdi un sistema split (Fonte: P. Riviere et al., Preparatory study on the environmental performance of residential room conditioning appliances) • Una maggiore temperatura dell'aria in ingresso incrementa l’efficienza meccanica del raffreddamento e l’uso degli economizzatori, ma con minore un "fattore sicurezza“ riguardo le condizioni dell’aria in ingresso; • Per sistemi DX e ad acqua refrigerata, un setpointpiù caldo aumenta la lacapacità e l'efficienza dei sistemi di raffreddamento

44. Soluzioni per l’eterogeneitàspaziale e temporale • Non omogeneità spaziale: • Diffondere i carichi e di conseguenza il calore sotto-occupando i rack. • Non omogeneità temporale: • Utilizzare sistemi di stoccaggio per l'acqua refrigerata; • Per data center con alta densità di potenza (ad esempio più di 15 kW per rack): • nuovi sistemi di raffreddamento possono essere integrati nei rack e gestito in modo indipendente (sistemi di raffreddamento basati su rack)

45. Raffreddamentobasatosu rack • Il raffreddamento basato su rack , sigillati in modo da garantire una circolazione di un flusso continuo di aria fredda, è in grado di dissipare circa 20 kW di calore. Tale raffreddamento è spesso accoppiato con un sistema a liquido per supportare il raffreddamento ad alta densità. Fonte: highdensityrackcooling.com

46. Raffreddamento in-row Layout di un data center con raffreddamento in-row. Fonte: APC by Schneider Electric, 2010; White Paper #139 rev.0

47. Raffreddamento in-row a caricoparziale Da : APC White paper #126, rev. 1.

48. Sistemidiraffreddamento a liquido • L’efficienza del raffreddamento ad acqua è 14 volte piùefficiente Da: S. Novotny, Green field data center design – water cooling for maximum efficiency

49. Layout del sistema di raffreddamento a liquido Da: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009

50. Raffreddamento a liquido a livello rack, con scambiatoredicalorecentralizzato Da: ASHRAE Saveenergynowpresentation, 2009