Best practice per la progettazione e la gestione dei Data Center

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1 Best practice per la progettazione e la gestione dei Data Center Convegno AEIT Trieste 2 Aprile 2014 Ing. Lino Freschini

2 Curva ITIC (Information Technology Industry Council) Tre zone: 1. al di sopra della curva delle sovratensioni, 2. al di sotto della curva di sotto tensione 3. compresa tra le due curve o zona di tolleranza: punti con ampiezza-durata proprie di eventi per i quali il funzionamento della apparecchiatura può essere considerato corretto.

3 Classificazione dei Data Centres (Uptime Institute) ARCHITETTURA DI RETE TIER I: Una sola linea elettrica e di raffreddamento, senza alcun componente ridondante Rete G.E. Power Center UPS Quadro MCC Normale Macchinario Quadro Distribuzione UPS Unità Distribuzione Alimentazione Hardware ICT critico

4 Classificazione dei Data Centres (Uptime Institute) ARCHITETTURA DI RETE TIER II : Una componente di ridondanza aggiunta (N+1) aumentando così l affidabilità e la manutenibilità del sistema Rete G.E. G.E. Power Center Quadro Emergenza UPS UPS Quadro MCC Normale Macchinario Quadro Distribuzione UPS Unità Distribuzione Alimentazione Hardware ICT critico

5 Classificazione dei Data Centres (Uptime Institute) ARCHITETTURA DI RETE TIER III : Due linee elettriche e di raffreddamento indipendenti; solo una normalmente attiva Rete G.E. G.E. Rete Power Center Quadro Emergenza Power Center UPS UPS Quadro MCC Normale Quadro MCC Normale Macchinario Quadro Distribuzione UPS Quadro MCC Critico Quadro MCC Critico Quadro Distribuzione Utenze Critiche Varie Unità Distribuzione Alimentazione Hardware ICT critico Unità Distribuzione Alimentazione

6 Classificazione dei Data Centres (Uptime Institute) ARCHITETTURA DI RETE TIER IV : Due linee elettriche e raffreddamento attive, indipendenti, con componenti rindondanti; sistema tollerante al guasto senza avere impatti sul carico. Rete G.E. G.E. G.E. G.E. Rete Power Center Quadro Emergenza Quadro Emergenza Power Center UPS UPS Quadro MCC Normale Quadro MCC Normale UPS UPS Macchinario Quadro Distribuzione UPS Quadro MCC Critico Quadro MCC Critico Quadro Distribuzione UPS Utenze Critiche Varie Unità Distribuzione Alimentazione Hardware critico Unità Distribuzione Alimentazione

7 Classificazione dei Data Centres (Uptime Institute) CLASSIFICAZIONE PRESTAZIONALE DELLE INFRASTRUTTURE DATACOM Livello (1) TIER I TIER II TIER III TIER IV Note Denominazione Infrastruttura Base Ridondante (2) Simultaneamente manutenibile (3) Tollerante il guasto (4) Disponibilità (5) 99,671% 99,749% 99,982% 99,995% Fuori Servizio (h/a) 28,8 22,0 1,6 0,4 Costo Relativo 0,5 0,8 1 1, Applicazione Dimensione aziendale Medio/Piccola Media Medio / Grande Grande Uso ICT Interno (6) Esterno (7) Esterno (7) Esterno (7) Presenza WEB Passiva (8) Attiva (9) On Line (10) On-Line Critica(11) (1) The Uptime Institute (2) Con le sole sorgenti di alimentazione ridondanti (3) Si possono eseguire manutenzioni pianificate, riparazioni e sostituzioni di componenti senza interruzione dell alimentazione elettrica al carico. (4) L infrastruttura può sopportare un guasto grave senza interruzione dell alimentazione elettrica al carico. (5) A= 100 UT/(UT+DT), dove : UT (uptime) tempo di reale disponibilità dell infrastruttura DT (downtime) tempo nel quale l infrastruttura è indisponibile (6) Le tecnologie ICT vengono usate esclusivamente per migliorare il processo organizzativo interno (7) Business basato su Internet (8) Strumenti di marketing passivo (9) Servizi Web senza obbligazioni di consegna real-time (ricerche di mercato, sviluppo software, ecc). (10) Servizi on-line con help desks che possono accettare piccole interruzioni del servizio. (11) Servizi on-line per e-business strategici Erogazione Servizio - 8 h/g-220 g/a 24 h/g-300 g/a 24 h/g-365 g/a

8 Le caratteristiche dei Data Centres nel 21 secolo Esigenza di elevata efficienza energetica e basso impatto ambientale Gli indici PUE / DCE

9 Le caratteristiche dei Data Centres nel 21 secolo Esigenza di elevata efficienza energetica e basso impatto ambientale I consumi di un Data Centre in percentuale:

10 Deve essere ben chiaro in noi l obbiettivo primario della nostra progettazione: il DC DEVE!! Deve funzionare. Sempre! Deve sopportare 1 o 2 livelli di guasto. Deve gestire fermi parziali di impianti. Deve esserci il coinvolgimento del facility : gestione delle operazioni di manutenzione ordinarie e straordinarie progetto filosoficamente semplice crescita graduale delle conoscenze per una corretta gestione dell impianto Deve avere un occhio di riguardo rispetto ai consumi di energia.

11 Riflettiamo ancora una volta sul fatto che la priorità nella progettazione di un DC è data alla affidabilità nel funzionamento. RISPARMIO ENERGETICO teniamo presente che abbiamo in gioco potenze più o meno grandi ma in funzione 24 h x 365 giorni Un piccolo risparmio su di una grossa quantità è comunque un grosso risparmio!!! E quindi? Fondamentali sono le scelte progettuali.

12 Impianto elettrico CONTINUITA : DUE TECNOLOGIE UPS STATICI UPS ROTANTI ENERGIA DI RISERVA: DUE TIPOLOGIE BATTERIE VOLANO + GE + DIESEL

13 pro batterie: tempi di resistenza, e quindi possibilità di intervento, più lunghi tecnologia consolidata, anche se comunque il parallelo fra GE è sempre critico (parallelo fra GE prima o dopo la presa di carico?) contro batterie: costi elevati delle batterie costi smaltimento batterie (ogni 5-8 anni) spazi considerevoli condizionamento pericolo d'esplosione a causa della formazione di idrogeno necessità di installare impianti antidetonanti (luce, estrazione, rivelatori idrogeno e incendio, supervisore) manutenzione puntuale (verifiche livello liquido, verifica capacità, prova di scarico totale); ricordiamo che una sola batteria della serie in cc può vanificare l'intera linea (installazione supervisore specialistico)

14 pro motore diesel : facilità di progetto e quindi di realizzazione dell'impianto possibilità di ritardare la partenza del diesel dei 5 sec che normalmente consentono il ripristino della fornitura nei parametri di tolleranza (vale anche per batterie) contro motore diesel : Il motore deve partire (teniamo presente comunque la grande affidabilità nelle configurazioni n+1, in parallelo, ad anello) invecchiamento del gasolio

15 Impianto meccanico scelta fra 2 vie e 3 vie recupero di calore free cooling inverter sulle pompe (tutte, una parte ) inverter sugli under/over scelta dei chiller (1 punto di COP vale 30/ E) filosofia degli apparati: n, n+1, n+2 ricordiamo che fissata la necessità = 100, con 4 under al 30% risparmio fino al 60% rispetto a (n+1) 3 under al 100%. Inoltre otteniamo una migliore distribuzione dell aria in sala. Distribuzione a sola aria, aria/acqua (vedi nuovi apparati IBM Z-NEXT), puntuale o distribuita. Ricordiamo quanto sia importante, dal punto di vista energetico, produrre acqua il più calda possibile (sfruttare il salto 17/23 piuttosto del 7/12) ricordiamo ancora quanto giovi avere ambienti a 25 /28 piuttosto che 20.

16 ANCORA: nella progettazione di un DC c è un paradosso: noi progettiamo un impianto da milioni di euro su dati di progetto faticosamente ottenuti che devono tener conto dei tempi di esecuzione, della logistica, degli spazi a disposizione, del budget E l'impianto, nelle condizioni di progetto, funzionerà per il 20% della sua vita! C'e' quindi un'ulteriore variabile : noi dovremo fare un progetto per un impianto che dovrà fornire 100 ma che per 4/5 della sua vita dovrà lavorare al 30-70% e solo per 1/5 al % tenendo presente l obbiettivo sicurezza di funzionamento e il problema risparmio. Una bella sfida!

17 Tirando le somme: il progetto dovrà tenere conto del dato 100 (con occhio ai carichi parziali nella sua vita) dovrà essere realizzato per 110/120 (sfruttando le taglie dei vari apparati: interruttori, blindo, chiller, UPS etc) dovrà essere sviluppato uno studio di fattibilità DI MASSIMA per 150 si impone quindi una verifica degli spazi. dovranno essere presi in considerazione tutti i lavori che sono propedeutici a questo obbiettivo (riserve sui collettori, soccorsi fra apparati, predisposizione per ulteriori parallelismi di chiller, pompe, UPS) Dovrà essere sviluppato con il maggior coefficiente di sicurezza possibile, tenendo ben presenti i costi di realizzazione e di gestione.

18 CONFRONTO TECNICO ED ECONOMICO (TCO) TRA UNA TRADIZIONALE Vs INNOVATIVA

19 DATI DI PROGETTO Potenza del Data Center Potenza specifica Superficie Data Hall kw W/mq mq Numero stanze 10 Superficie media stanza Potenza per ogni stanza Costo energia Classificazione 170 mq 255 kw/stanza 0,15 Euro/kWh TIER IV

20 CONFRONTO TRA UN DATA CENTER TRADIZIONALE Vs INNOVATIVO IMPIANTO ELETTRICO ContinuItà Accumulo energia TRADIZIONALE UPS statico ad alta efficienza, funzionamento in doppia conversione Batterie a vaso aperto, autonomia dieci minuti, monitoraggio batterie INNOVATIVA UPS rotante con motore Diesel Accumulo energia cinetica, volano Powerbridge IMPIANTO TERMOFLUIDICO Produzione freddo Chillers convenzionali Chillers con sezione di FREE-COOLING Condizionatori di precisione condizionatori CW con doppia batteria con ventilatori AC e valvole H2O a 3 vie condizionatori CW con doppia batteria con ventilatori EC (inverter), valvole H2O a 2 vie Aria entrante Temperatura in/out H2O refrigerata 24 C/50% Rh 7/12 C 32 C/30% Rh 15/20 C

21 SCHEMA ELETTRICO SEMPLIFICATO TRADIZIONALE

22 SCHEMA ELETTRICO SEMPLIFICATO INNOVATIVA

23 PARTE ELETTRICA TRADIZIONALE VS INNOVATIVO GRUPPO ELETTROGENO CON RELATIVO LOCALE O CONTAINER QUADRO COMMUTAZIONE E/ O PARALLELO UPS STATICI CONDIZIONATORI UPS UPS CON ACCUMULO INERZIALE E MOTORE DIESEL POSTO IN CONTAINER SENZA NECESSITA DI CONDIZIONAMENTO (SOLO VENTILAZIONE) BATTERIE CON RELATIVO LOCALE CONDIZIONAMENTO E VENTILAZIONE LOCALI BATTERIE

24 PARTE MECCANICA FREE-COOLING UTILIZZATO NELLA INNOVATIVA 1 Compressori A Ventilatore assiale 2 Batteria condensante B Batteria condensante su due lati 3 Evaporatore C Evaporatore 4 Batteria free-cooling 5 Valvola a tre vie 6 Ventilatori

25 CONFRONTO INGOMBRI IMPIANTISTICI CONFRONTO INGOMBRI IMPIANTISTICI TRADIZIONALE INNOVATIVA DESCRIZIONE m 2 m 2 Consegna Media Tensione Cabina trasformazione Quadri principali di distribuzione Quadri parallelo GE 100 UPS Batterie (vaso aperto autonomia 10') 700 Gruppi elettrogeni 700 Gruppi frigo Corridoi / cavedi (25-30%) Altri locali invariati tra le due soluzioni Superficie IT compreso spazi accessori Totale superfici Risparmio superfici Risparmio superfici percentuale 23%

26 m2 CONFRONTO INGOMBRI IMPIANTISTICI

27 CONFRONTO ENERGETICO/ECONOMICO IMPIANTO ELETTRICO DESCRIZIONE TRADIZIONALE INNOVATIVA Carico CED 100% 100% Carico UPS (2N - TIER IV 90%) 45% 45% Rendimento UPS 95 94,35 Perdite complessive di tutti gli UPS [kwe] Energia elettrica dissipata dall'ups [MWhe/anno] Perdite Accumulo energetico [kwe] 2,20 0 Energia elettrica dissipata dall'accumulo energetico [MWhe/anno] 19 0 Energia elettrica per condizionamento loc. UPS [MWhe/anno] 387,1 0 Energia elettrica consumata per la ventilazione container [MWhe/anno] 0 9 Energia elettrica utilizzata per condizionamento (riscaldamento raffrescamento) locale batteria (ventilazione naturale/forzata temp C) e relativa ventilazione [MWhe/anno] Totale energia elettrica dissipata o utilizzata per conzionamento perdite MWhe/anno] Costo totale energia elettrica dissipata o utilizzata per conzionamento perdite [euro/anno] , ,55 Risparmio economico annuo ,28 DATI UTILIZZATI Costo energia elettrica [euro/kwh] Potenza nominale CED [kw] 0, COP medio annuo centrale frigo, compreso ventilazione e pompe 2,89 6,98

28 MWhe/anno CONFRONTO ENERGETICO IMPIANTO ELETTRICO

29 COSTI DI INSTALLAZIONE E GESTIONE IMPIANTO ELETTRICO COSTI DI INSTALLAZIONE INIZIALI TRADIZIONALE INNOVATIVA Cabine elettriche mt di trasformazione , ,00 Maggior onere quadro di parallelo GE, quadro UPS, quota parte distribuzione ,00 N UPS rotanti da 1500/900 kw con n.4 serbatoi litri ,00 n. 3+3 UPS 1000kW con batterie a vaso aperto autonomia 10' e monitoraggio batterie ,00 n. 2+2 UPS 200kVA con batterie a vaso aperto autonomia 10' e monitoraggio batterie ,00 n. 3+3 GE 2000kW con n. 6 serbatoi da litri ,00 Condizionamento locale UPS e batterie ,00 TOTALE , ,00 Maggior onere spazi (1.867 mq x euro/mq) ,00 TOTALE , ,00 COSTI PER MANUTENZIONE STRAORDINARIA Sostituzione cuscinetti (10 anno) Sostituzione batterie (10 anno) Sostituzione condensatori e ventilatori (7 anno) TRADIZIONALE , ,00 INNOVATIVA ,00 COSTI PER GESTIONE ANNUA TRADIZIONALE INNOVATIVA Costo per perdite energetiche e condizionamento , ,55

30 TOTAL COST OF OWNERSHIP (TCO) IMPIANTO ELETTRICO COSTO ANNUO IN EURO TRADIZIONALE INNOVATIVA anno energia istallazione totale energia istallazione totale manutenzione manutenzione , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,90 DATI UTILIZZATI Inflazione annua 3% Nella valutazione sono stati considerati i soli costi variabili tra le due soluzioni

31 TOTAL COST OF OWNERSHIP (TCO) IMPIANTO ELETTRICO

32 CONFRONTO ENERGETICO/ECONOMICO IMPIANTO TERMOFLUIDICO DESCRIZIONE TRADIZIONALE 12/7 C INNOVATIVA FREE-COOLING 20/15 C Gruppi frigo Carico CED [kw] Carico Luce, rientrate, impianti [kw] Totale carico termico [kw] Consumo energetico elettrico dei gruppi frigo (Nord Italia) [Mwhe/anno] temperatura in/out H2O refrigerata : 12 / 7 C - 20% glicole etilenico, temperatura aria esterna : 35 C Consumo energetico elettrico dei gruppi frigo (Nord Italia) [Mwhe/anno] temperatura in/out H2O refrigerata : 20 / 15 C - 20% glicole etilenico, temperatura aria esterna : 35 C Condizionatori di precisione ad acqua refrigerata Potenza assorbita da n.30 condizionatori al 100% [kwe] operano in configurazione 3 + 1, con 3 macchine al 100% alle seguenti condizioni : aria entrante : 24 C / 50% Rh; temperatura in/out H2O refrigerata : 7 / 12 C - 20% glicole etilenico. Ventilatore Potenza assorbita da n.40 condizionatori al 75% [kwe] operano con 4 macchine in funzione al 75% alle seguenti condizioni : aria entrante : 32 C / 30% Rh; temperatura in/out H2O refrigerata : 15 / 20 C - 20% glicole etilenico. Ventilatore EC. Consumo energetico annuo dei condizionatori [MWhe/anno] Distribuzione Potenza assorbita dalle pompe secondarie funzionanti al 100% portata [kwe] 70 Potenza assorbita dalle pompe secondarie funzionanti al 50% portata [kwe] 9 Consumo energetico annuo delle pompe [MWhe/anno] Totale Totale energia elettrica assorbita [MWhe/anno] Risparmio energetico annuo [MWhe/anno] Costo annuo energia elettrica [euro /anno] Risparmio economico annuo [euro /anno] , DATI UTILIZZATI Costo energia elettrica [euro/kwh] 0,15

33 CONFRONTO ENERGETICO IMPIANTO TERMOFLUIDICO

34 COSTI DI INSTALLAZIONE E GESTIONE IMPIANTO TERMOFLUIDICO COSTI DI INSTALLAZIONE INIZIALI TRADIZIONALE INNOVATIVA Condizionatori , ,00 Chillers , ,60 TOTALE , ,60 COSTI PER GESTIONE ANNUA TRADIZIONALE INNOVATIVA Costo energia elettrica (euro/anno) , ,20

35 TOTAL COST OF OWNERSHIP (TCO) IMPIANTO TERMOFLUIDICO ANNO TRADIZIONALE INNOVATIVO annuo totale annuo totale euro euro euro euro , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,65 DATI UTILIZZATI Inflazione annua 3% Nella valutazione sono stati considerati i soli costi variabili tra le due soluzioni

36 TOTAL COST OF OWNERSHIP (TCO) IMPIANTO TERMOFLUIDICO

37 CONFRONTO ENERGETICO/ECONOMICO INTERO IMPIANTO ELETTRICO + TERMOFLUIDICO DESCRIZIONE TRADIZIONALE INNOVATIVA 1. Consumo energetico gruppi frigo [MWhe/anno] consumo energetico gruppi frigo quota parte consumo energetico gruppi frigo considerati in p.ti 6 e Consumo energetico annuo dei condizionatori [MWhe/anno] Consumo energetico annuo delle pompe [MWhe/anno] Energia elettrica dissipata dall'ups [MWhe/anno] Energia elettrica dissipata dall'accumulo energetico Energia elettrica per condizionamento loc. UPS [MWhe/anno] Energia elettrica consumata per la ventilazione container [MWhe/anno] Energia elettrica utilizzata per condizionamento locale batteria e relativa ventilazione [MWhe/anno] (riscaldamento raffrescamento ventilazione naturale/forzata temp C) Totale energia elettrica dissipata o utilizzata per conzionamento perdite [MWhe/anno] Costo totale energia elettrica dissipata o utilizzata per conzionamento perdite [euro/anno] , ,75 Risparmio economico annuo ,33 DATI UTILIZZATI Costo energia elettrica [euro/kwh] Potenza nominale CED [kw] 0, COP medio annuo centrale frigo, compreso ventilazione e pompe 2,89 6,98

38 MWhe CONFRONTO ENERGETICO INTERO IMPIANTO ELETTRICO + TERMOFLUIDICO

39 COSTI DI INSTALLAZIONE E GESTIONE INTERO IMPIANTO ELETTRICO + TERMOFLUIDICO COSTI DI INSTALLAZIONE INIZIALI IMPIANTI ELETTRICI TRADIZIONALE INNOVATIVA Cabine elettriche mt di trasformazione , ,00 Maggior onere quadro di parallelo GE, quadro UPS, quota parte distribuzione ,00 N UPS rotanti da 1500/900 kw con n.4 serbatoi litri ,00 n. 3+3 UPS 1000kW con batterie a vaso aperto autonomia 10' e monitoraggio batterie ,00 n. 2+2 UPS 200kVA con batterie a vaso aperto autonomia 10' e monitoraggio batterie ,00 n. 3+3 GE 2000kW con n. 6 serbatoi da litri ,00 Condizionamento locale UPS e batterie ,00 TOTALE IMPIANTI ELETTRICI , ,00 COSTI DI INSTALLAZIONE INIZIALI IMPIANTI TERMOFLUIDICI TRADIZIONALE INNOVATIVA Condizionatori , ,00 Chillers , ,60 TOTALE IMPIANTI TERMOFLUIDCI , ,60 COSTI DI INSTALLAZIONE IMPIANTI ELETTRICI + TERMOFLUIDICI TRADIZIONALE INNOVATIVA TOTALE IMPIANTI ELETTRICI + TERMOFLUIDCI , ,60 Maggior onere spazi (1.867 mq x euro/mq) ,00 TOTALE IMPIANTI CON ONERE SPAZIO EDIFICIO , ,60 COSTI PER MANUTENZIONE STRAORDINARIA IMPIANTI ELETTRICI Sostituzione cuscinetti (10 anno) Sostituzione batterie (10 anno) Sostituzione condensatori e ventilatori (7 anno) TRADIZIONALE , ,00 INNOVATIVA ,00 COSTI PER GESTIONE ANNUA TRADIZIONALE INNOVATIVA Costo per perdite energetiche e condizionamento , ,75

40 TOTAL COST OF OWNERSHIP (TCO) INTERO IMPIANTO (ELE+TFL) COSTO ANNUO IN EURO TRADIZIONALE INNOVATIVA anno energia istallazione totale energia istallazione totale manutenzione manutenzione , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,55 DATI UTILIZZATI Inflazione annua 3% Nella valutazione sono stati considerati i soli costi variabili tra le due soluzioni

41 TOTAL COST OF OWNERSHIP (TCO) INTERO IMPIANTO (ELE+TFL)

42 STIMA DEL PUE (POWER USAGE EFFECTIVENESS) ENERGIA ELETTRICA ASSORBITA NON IT (Pua) TRADIZIONALE INNOVATIVA Energia elettrica dissipata o utilizzata per conzionamento perdite [MWhe/anno] Energia elettrica assorbita non IT: luce, impianti speciali, ecc. (indipendente dal carico) [MWhe/anno] Energia elettrica assorbita non IT dipendente dal carico (distribuzione, perdite trasformatori, ecc.) [MWhe/anno] Totale energia elettrica assorbita non IT [MWhe/anno] - Pua ENERGIA ELETTRICA ASSORBITA IT (Pit) TRADIZIONALE INNOVATIVA Energia erogata al sistema IT - Pit [MWhe/anno] PUE Power usage effectiveness Rapporto tra energia totale assorbita e quella effettivamente erogata ai sistemi IT TRADIZIONALE INNOVATIVA PUE=Pt/Pit=(Pit+Pua)/Pit 1,51 1,25

43 CONCLUSIONI SUPERFICI (mq) CONFRONTO INGOMBRI IMPIANTISTICI TRADIZIONALE INNOVATIVA DESCRIZIONE m 2 m 2 Totale superfici Risparmio superfici Risparmio superfici % 23% TCO (Milioni Euro) 21 Milioni PUE 0 m2 TRADIZIONALE m2 INNOVATIVA

44 GRAZIE PER L ATTENZIONE AEITTS