WHITE PAPER Le soluzioni che migliorano l efficienza energetica

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1 WHITE PAPER Le soluzioni che migliorano l efficienza energetica

2 Migliorare l'efficienza di un data center esistente: 5 possibili soluzioni di Thermal Management a confronto Introduzione In questo documento si prenderanno in esame cinque possibili soluzioni di Thermal Management per rendere più efficienti due datacenter esistenti della potenza termica di 300 kw ciascuno, ubicati in città rappresentative come Roma e Milano. L'obiettivo è individuare la soluzione di raffreddamento energeticamente più efficiente in grado di ridurre significativamente l attuale consumo elettrico. L analisi si sviluppa utilizzando alcune soluzioni presenti nel portafoglio prodotti Emerson Network Power in modo da offrire un confronto basato non solo su calcoli teorici, ma anche sull esperienza consolidata di Emerson attraverso i dati reali rilevati dal funzionamento di numerosi data center realizzati in Italia e all estero. I parametri di riferimento : - data center della potenza termica di 300 kw installati nelle città di Roma e di Milano; - controllo della temperatura e umidità; - set-point ambiente 4 C 50%; - ridondanza unità N+. Tipologia delle unità di raffreddamento esistenti : - 6 x (M58UA+xHCE49) in funzione - x (M58UA+xHCE49) in standby N 6 condizionatori + in standby della capacità di 58 kw ciascuno, dotati di compressore ermetico scroll con ventilatore a velocità fissa e motore AC, gas refrigerante R407C abbinati a condensatori remoti con ventilatori dotati di pressostato. Il consumo elettrico annuale del sistema di condizionamento esistente è pari a kw per il datacenter situato a Milano e kw per quello di Roma.

3 : sostituzione dei ventilatori a velocità fissa esistenti Dovendo sostituire le macchine esistenti nel data center per offrire una soluzione energeticamente più efficiente, la prima opzione proposta è quella di utilizzare macchine analoghe a quelle installate, ma dotate di ventilatori con motori a commutazione elettronica EC. Il ventilatore EC permette di ottenere sia un risparmio a parità di velocità (grazie alla maggior efficienza del motore EC), sia di aumentare esponenzialmente i benefici ai carichi parziali, andando a ridurre i consumi con un rapporto cubico rispetto alla riduzione di velocità. Ad esempio ridurre la velocità del 30% porta ad una riduzione dell assorbimento di oltre il 65%. Siti di riferimento: Milano e Roma stimato in 0. /kwh N 6+ condizionatori della capacità di 58 kw cad. condensati ad aria Fan Light guasto a terra. Questo tipo di soluzione (sulla base del diverso consumo tra i due tipi di ventilatore) porterebbe ad un risparmio energetico uguale in entrambi i siti di Milano e Roma pari a 5.99 all anno corrispondenti ad un risparmio equivalente al 5% dell energia consumata rispetto alla situazione di base. Ventilatori a commutazione elettronica EC MILANO - ROMA Proposta N 00% % , 5% di risparmio Tabella : risparmio energetico ottenibile nei data center di Roma e Milano presi in esame, con la sostituzione dei ventilatori a velocità fissa esistenti. 3

4 : utilizzare il free-cooling diretto con Air Economizer Recommended ASHRAE Classe A Una seconda proposta consiste nell utilizzare condizionatori dotati di uno speciale plenum con serrande e sensori di temperatura e umidità Air Economizer per operare il cosiddetto free-cooling diretto. Per massimizzare il free-cooling si sono attivati contemporaneamente tutti i condizionatori disponibili. La soluzione è in così grado di apportare significativi risparmi energetici. L elemento discriminante è tuttavia rappresentato dal controllo dell umidità: generalmente la soluzione con il free-cooling diretto ha un uso limitato ai periodi molto freddi e quindi secchi. In tali periodi quando si immette nel data center aria molto secca si rischia, a causa della bassa umidità, di produrre pericolose correnti statiche negli apparati rendendo quindi necessario l uso dell umidificatore (elemento ad alto consumo energetico). Nelle stagioni umide (in primavera e autunno) la situazione è opposta e cioè si immette nel data center aria troppo umida che richiede continua deumidificazione. Un controllo efficiente si ottiene utilizzando l intelligenza tecnologica dell Air Economizer che consente di gestire i limiti di temperatura e umidità relativa desiderati potendo scegliere le condizioni più adatte all applicazione, evitando cioè di immettere aria esterna quando energeticamente non è conviente. Siti di riferimento : Milano e Roma costo dell energia stimato in 0. /kwh dispositivo economizzatore (settaggio minimo dell umidità 40%) Attivazione di tutti i condizionatori disponibili( n 7) compreso quello in stand-by ognuno dotato di dispositivo Air Economizer Fan Light. Proposta N ASHRAE A MILANO 00% % , 7% % Savings Tabella A: energetico ottenibile con l'implementazione del free-cooling diretto con Air Economizer, nel data center di Milano. 4

5 Proposta N Configurazione CON ASHRAE A ROMA 00% % , 7% % Savings. Tabella B: energetico ottenibile con l'implementazione del free-cooling diretto con Air Economizer, nel data center di Roma. Questa configurazione, dotata di ed Air Economizer selettivo di Classe A secondo ASHRAE, trova un maggior risparmio energetico sul sito di Roma. Anche se può sembrare un paradosso, in realtà la condizione termoigrometrica dell aria esterna di Roma è per poche ore all anno più favorevole rispetto a quella di Milano (ovviamente per un utilizzo nel data center). Pertanto la configurazione sul sito di Roma porta ad un risparmio complessivo pari a 7.9 per anno corrispondenti ad un risparmio energetico equivalente al 4% rispetto alla situazione base. 3 : utilizzare il freecooling diretto con Air Economizer Recommende ASHRAE Classe A-A4 Volendo massimizzare il risparmio conseguente dall utilizzo del free-cooling diretto si può pensare di estendere il calcolo fino ai limiti delle condizioni raccomandate ASHRAE per la classe A-A4. Con questo approccio possiamo aumentare le ore di utilizzo del free-cooling diretto, potendo settare nel controllo dell Economizer i parametri di umidità desiderati e comunque entro un range più ampio rispetto alla raccomandazione ASHRAE Classe A. Tale opzione va attentamente valutata in tutti quei casi in cui l umidità non viene controllata o non costituisce un problema per le apparecchiature da raffreddare. Con questi settaggi il risparmio può crescere come da tabelle. Siti di riferimento: Milano e Roma costo dell energia stimato in 0. /kwh dispositivo economizzatore (settaggio minimo dell umidità Dew Point 5.5 C) Attivazione di tutti i condizionatori disponibili (n 7) compreso quello in stand-by ognuno dotato di dispositivo Air Economizer Fan Light. 5

6 Proposta N 3 ASHRAE A ASHRAE A-A4 MILANO 00% % , 7% % ,60 33 % Savings Tabella 3A: energetico ottenibile con l'implementazione del free-cooling diretto con Air Economizer, nel data center di Milano. Proposta N 3 ROMA Investiment o 00% 5.39 Ventilatore EC 0% , ASHRAE A 7% ASHRAE A-A4 7% ,57 34 % Savings Tabella 3B: energetico ottenibile con l'implementazione del free-cooling diretto con Air Economizer, nel data center di Roma. 6

7 4 : refrigerazione a capacità variabile Una strada alternativa con costi di investimento paragonabili al sistema con free-cooling diretto è quella di sfruttare il progresso tecnologico dell ultima generazione di condizionatori di precisione, utilizzando la refrigerazione a capacità variabile, il ventilatore EC, il compressore con modulazione della capacità frigorifera e la valvola di espansione elettronica. Quando è importante avere un preciso e continuo equilibrio tra il carico termico e la capacità frigorifera, la soluzione si ottiene utilizzando l'innovativo compressore: "Copeland Digital Scroll". Riassumiamo di seguito i vantaggi dell unità di condizionamento dotata di compressori a capacità variabile. Modulazione: Perfetta corrispondenza tra la capacità di raffreddamento e il carico termico Minor assorbimento di corrente a carico parziale Adattamento rapido ai cambiamenti del carico termico Possibilità di dimensionare il sistema di raffreddamento in vista di una crescita futura del carico termico. Controllo di precisione: Controllo più preciso della temperatura ambiente. Disponibilità e affidabilità: Un numero inferiore di cicli di avvio/arresto, che corrispondono ad una maggiore durata Ampi limiti di esercizio per una maggiore disponibilità Maggiore efficienza grazie a: Effetto COP e SHR Effetto valvola di espansione elettronica Effetto ventilatore EC. Compressore Copeland Digital Scroll Siti di riferimento : Milano e Roma stimato in 0. /kwh N 7 condizionatori dotati di compressore Digital Scroll condensati ad aria da 58 kw, tutti funzionanti in modulazione, pronti con Hot standby a recuperare le perdite di potenza delle eventuali apparecchiature in stop per anomalia Fan Light. Proposta N 4 Digital condensato ad aria MILANO ROMA 00% % , % ,4 45 % Savings Tabella 4: energetico ottenibile nella configurazione con compressore modulante Copeland Digital Scroll TM. Questo tipo di soluzione, che prevede l utilizzo di una configurazione con compressore Copeland Digital scroll e condensatore ad aria remoto, offre un risparmio fino a kw/h all anno, corrispondenti a un risparmio di oltre /anno e a minori immissioni di CO in atmosfera pari a Kg/anno. 7

8 5 : gestione dinamica del raffreddamento a livello di server Per ridurre ulteriormente e drasticamente il consumo energetico e quindi ottimizzare al massimo l investimento dell installazione, si propone una soluzione che interviene a livello condizionatore, distribuzione dell aria e controllo. La soluzione qui consigliata include un condizionatore in grado di modulare contemporaneamente sia la capacità frigorifera (compressore modulante digital scroll) che la portata d aria. La gestione dinamica del sistema denominato Smart Aisle prevede infatti che venga attuata la disposizione delle file rack in corridoi caldi e freddi e, al fine di ottimizzare la distribuzione dell aria e della temperatura, si adotti la compartimentazione (chiusura con un apposita struttura) del corridoio freddo. La logica di Smart Aisle consiste in un rigoroso controllo di temperatura, umidità e portata aria a livello server in modo da garantire sempre l esatta portata d aria richiesta dagli stessi server mantenendo uniforme la temperatura desiderata nel corridoio freddo. Il sistema è quindi completato dalla presenza della valvola di espansione elettronica che ottimizza la condensazione, sfruttando i benefici di una condensazione più bassa nel periodo più freddo, senza tuttavia compromettere il rapporto fra calore sensibile e latente, cosa che accadrebbe in assenza di compressore modulante e presenza del controllo di umidità. Con questo tipo di soluzione si propone un cambio di prospettiva nel raffreddamento tecnologico dei data center, cioè passare dalla logica che punta sul raffreddamento di precisione della sala basato sul condizionatore dimensionato solo sulla massima potenza frigorifera, alla logica dinamica che mira a un condizionamento dell aria dedicata ai server seguendone le necessità in termini di portata e temperatura in modo preciso e puntuale. Siti di riferimento: Milano e Roma costo dell energia stimato in 0. /kwh Chiusura del corridoi freddo e controllo a livello del server N 7 condizionatori dotati di compressore Digital Scroll condensati ad aria da 58 kw, tutti funzionanti in modulazione, pronti con Hot standby a recuperare le perdite di potenza delle eventuali apparecchiature in stop per anomalia. MILANO ROMA Proposta N Costo dell energia 00% % , Digital condensato ad aria 8% ,4 5 Configurazione digital condensato ad aria con il contenimento del corridoio e il controllo a livello del server 50% ,5 Tabella 5: risparmio energetico ottenibile con l'implementazione di Smart Aisle TM. 8

9 Il risultato ottenuto è un abbattimento dei consumi di oltre il 60%, con un risparmio fino a kwh. Una equivalente quantità di energia se prodotta in Italia - comporterebbe l emissione di kg di CO. Migliore efficienza annuale k 35 5% Saving Annual Energy Cost [ /year] k 5 k 5 k 05 k 95 k 85 k 75 k 65 k 55 4 % Saving 34% Saving 45% Saving 60% Saving k 45 No EC fan Aircooled EC Fan Aircooled Air Economizer A Air Economizer A-A4 Digital Aircooled Smart Aisle Roma Conclusioni Il grafico di cui sopra dove sono evidenziati il numero e tipologia degli interventi proposti rappresenta la migliore efficienza stagionale ottenuta nel sito di Roma. Dalla lettura dei dati si rileva che con la loro implementazione il risparmio energetico complessivo ottenuto assume un valore significativo con abbattimento dei consumi di oltre il 60%. In molti casi, questi sistemi sono relativamente semplici da implementare e, una volta installati, offrono la visibilità e il controllo richiesti per l ottimizzazione del data center. Il monitoraggio è tuttavia una condizione necessaria ma non sufficiente, il reale beneficio per il cliente è determinato dalla capacità del sistema di controllo e soprattutto dei dispositivi controllati (ventilatori, compressori, sistemi unità-ambiente chiller free-cooling) di essere in grado di performare le loro funzioni nelle condizioni di maggior efficienza possibile, non solo a pieno carico, o presunto dalle condizioni di progetto, ma adattandosi continuamente al suo variare, condizione tipica dei data center virtualizzati di nuova generazione. 9

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