Metodologia ottimizzata di distribuzione delle tubazioni di acqua refrigerata per data center White Paper 131 Revisione 1 Di Isabel Rochow > Sintesi L'uso di acqua refrigerata è un metodo di raffreddamento alquanto comune; tuttavia, le dispersioni nei sistemi di canalizzazione rappresentano una vera e propria minaccia alla disponibilità dei sistemi stessi. Gli ambienti informatici ad alta densità creano la necessità di portare l'acqua refrigerata sempre più vicino alle apparecchiature IT; di conseguenza, occorre studiare nuovi metodi di canalizzazione altamente affidabili. In questo documento vengono descritti nuovi metodi di canalizzazione in grado di ridurre notevolmente il rischio di dispersioni e di agevolare le implementazioni ad alta densità. Vengono inoltre descritti metodi di canalizzazione alternativi e i vantaggi rispetto ai sistemi tradizionali. Contenuti fare clic su una sezione per accedervi Introduzione 2 Caratteristiche dei metodi di canalizzazione tradizionali Metodi relativi alle tubazioni flessibili Confronto tra tubazioni rigide e tubazioni flessi-bili Conclusioni 14 Risorse 15 2 6 9
Introduzione Nei data center, l'approccio tradizionale alla distribuzione dell'acqua refrigerata consiste nell'uso di tubazioni in rame crudo o acciaio al carbonio con raccordi saldati, brasati o filettati per l'instradamento e il collegamento delle tubazioni stesse fino ai condizionatori d'aria. Dal momento che ogni raccordo utilizzato nella linea di canalizzazione aumenta la probabilità di guasto per dispersione nel data center, la distribuzione delle tubazioni avviene generalmente sotto un pavimento sollevato, dove talvolta vengono realizzati canali o collettori al di sotto dei tubi per catturare l'acqua in caso di perdite o rotture. Questo approccio può funzionare in data center statici, in cui non vi è alcuna necessità di riposizionare o aggiungere condizionatori d'aria. Con l'attuale tendenza all'aumento delle densità nelle apparecchiature IT e degli interventi di spostamento, aggiunta e modifica, risulta talvolta necessario aggiungere dei condizionatori d'aria al layout tradizionale, rendendo problematico l'uso di tubazioni rigide. Tali aggiunte richiedono l'installazione di nuove tubazioni, aumentando in tal modo i tempi di implementazione delle apparecchiature e il rischio di tempi di fermo macchina associati all'installazione stessa. Il risultato è che il settore in questione necessita di un sistema di canalizzazione modulare più flessibile, in grado di adattarsi al meglio ai nuovi requisiti. La nuova tendenza vede anche la diminuzione dell'uso di pavimenti sollevati nei data center. Le installazioni con pavimenti normali sono rese possibili dalle più recenti tecnologie e architetture di raffreddamento, che non hanno bisogno di pavimenti sollevati per distribuire l'aria. Per molti utenti, ciò consente una maggiore flessibilità di posizionamento dei data center e delle sale computer. Un risultato di questa tendenza è la sempre maggiore diffusione delle tubazioni a soffitto. Tuttavia, eventuali perdite nelle tubazioni a soffitto possono costituire un rischio ben più grande in termini di tempi di fermo macchina e danni al sistema rispetto alle tubazioni sotto pavimento. Vi è pertanto la necessità di utilizzare sistemi di canalizzazione più resistenti alle dispersioni. Risorse APC White Paper 130 Vantaggi delle architetture di raffreddamento per data center orientate su file e rack Un'altra tendenza nella progettazione dei data center è rappresentata dall'implementazione di sistemi di raffreddamento per le apparecchiature IT a livello di fila (modulari) o di singolo rack, anziché a livello di sala. Ciò ha lo scopo di assicurare un livello di densità superiore e una maggiore efficienza elettrica. Una spiegazione più dettagliata in merito è riportata nel White Paper APC 130, Vantaggi delle architetture di raffreddamento per data center orientate su file e rack. Questo tipo di implementazione forza le unità di condizionamento dell'aria e le tubazioni associate ad avvicinarsi alle apparecchiature IT. Di nuovo, questa situazione richiede un sistema di canalizzazione affidabile, modulare e scalabile. L'uso di tubazioni continue flessibili elimina la necessità di utilizzare raccordi, riducendo i rischi di perdite d'acqua e i tempi di implementazione, e aumentando l'agilità del sistema. Il presente white paper descrive la nuova tecnologia di canalizzazione e le relative applicazioni nei data center di prossima generazione. Caratteristiche dei metodi di canalizzazione tradizionali L'approccio tradizionale prevede l'uso di tubazioni in rame crudo o acciaio al carbonio nei data center. I tipi più comunemente utilizzati sono quelli in acciaio al carbonio Schedule 40 e in rame crudo di tipo L o M. Le tubazioni rigide richiedono l'uso di raccordi filettati, scanalati, brasati o saldati ad ogni curva, ad ogni valvola e ad ogni derivazione fino ai condizionatori d'aria, e ogni 1,8 o 6 metri, a seconda della lunghezza disponibile del percorso della tubazione stessa. La presenza di svariati raccordi su un singolo percorso di tubazione dalla sorgente di acqua refrigerata al condizionatore d'aria è alquanto comune. APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 2
Modalità di guasto delle tubazioni rigide Ogni raccordo filettato o saldato rappresenta un potenziale fattore di dispersione per il sistema ad acqua refrigerata. Una causa comune di dispersione è costituita dal processo di filettatura, che (a partire dal primo giorno) rimuove il 50% o più della parete della tubazione, indebolendo tale giunzione. Un'altra causa di eventuali guasti alle tubazioni e perdite d'acqua può essere la corrosione galvanica, che avviene nel punto in cui il tubo in acciaio al carbonio entra direttamente in contatto con una valvola in ottone oppure nel punto di transizione tra il tubo in acciaio e un tubo in rame. La corrosione galvanica si verifica tra due metalli dissimili qualsiasi che entrano in contatto uno con l'altro e con l'acqua. Tale fenomeno colpisce solitamente i tubi in acciaio, in misura dipendente dalle condizioni di corrosione esistenti. Esso è visibilmente riconoscibile, nelle fasi più avanzate, da accumuli di depositi (di varia entità) nei punti in cui le filettature dei metalli dissimili entrano in contatto, creando una microperdita. Tuttavia, a quel punto, il danno è già per lo più irreparabile ed è necessario sostituire la tubazione, onde evitare che l'entità della dispersione aumenti con l'avanzare della corrosione. Nella maggior parte dei sistemi di canalizzazione, per collegare i metalli dissimili vengono utilizzati raccordi che fungono da isolanti elettrici, denominati dielettrici. I raccordi dielettrici vengono consigliati dalla maggior parte degli specialisti di consulenza e dei progettisti, ma spesso si trovano impianti in cui tali raccordi non sono installati o sono stati installati in modo errato. In un impianto tradizionale con acqua refrigerata, non è infrequente trovare una tubazione principale di fornitura o aspirazione in acciaio al carbonio che si collega ai condizionatori d'aria mediante una tubazione in rame; di conseguenza, se nel data center si trovano più condizionatori d'aria per sala computer (CRAC), è possibile che vengano utilizzati molti raccordi dielettrici. Altre cause meno comuni includono: il deterioramento nel tempo del sigillante per filettature; errori nella lavorazione meccanica delle filettature; il deterioramento delle guarnizioni nelle giunzioni scanalate; qualità scadente delle tubazioni o dei raccordi; vibrazioni; sollecitazioni; errori di assemblaggio; pressioni operative superiori ai valori previsti nella fase di progettazione. Nei sistemi con tubazioni rigide, i minerali tendono ad accumularsi sulla parete interna. Di conseguenza il rame può incrostarsi e ossidarsi, causando la formazione di micropori e perdite nella tubazione. L'accumulo di minerali nel tempo aumenta inoltre il calo di pressione nella linea dell'acqua, soprattutto se esso si è depositato nei gomiti o nei raccordi. Per evitare questo problema, è necessario trattare l'acqua ed eseguire interventi di manutenzione periodici al fine di garantire livelli di PH appropriati. L'acqua viene solitamente trattata al momento dell'avvio del sistema e durante le normali operazioni di assistenza. Sebbene la formazione di micropori avvenga raramente in un impianto con acqua refrigerata a circuito chiuso, tale fenomeno è stato osservato più di frequente in impianti in cui gli interventi di manutenzione non vengono eseguiti correttamente. Anche la formazione di condensa può rappresentare un problema in un sistema ad acqua refrigerata. Solitamente, le tubazioni dell'acqua refrigerata vengono isolate per evitare la formazione di condensa nella parte esterna delle tubazioni stesse. Tuttavia, non è infrequente notare della condensa sui raccordi delle tubazioni, nei punti in cui più gomiti, giunzioni e dispositivi (quali valvole, filtri e calibri) non agevolano un isolamento efficace. Eventuali crepe o deterioramenti del sigillante nel sistema di isolamento implicano un potenziale rischio di perdite d'acqua nel data center e rappresentano punti d'ingresso attraverso i quali la APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 3
condensa può permeare sotto l'isolante e spostarsi lungo la superficie del tubo per distanze anche notevoli. La presenza di condensa sulla parete esterna del tubo in ambienti privi di condizionamento provoca inoltre effetti corrosivi. La formazione di corrosione esterna è maggiormente favorita in caso di elevati livelli di umidità nell'ambiente circostante il tubo. In casi estremi, la condensa si accumula fino al punto che il sistema di isolamento risulta completamente saturo di acqua. Solitamente, nei data center, la corrosione esterna del tubo non si verifica a causa di ambienti ad umidità controllata. Per contenere l'eventuale formazione di condensa o presenza di acqua in caso di dispersione in un data center, alcuni manager e ingegneri di impianti IT richiedono soluzioni di protezione aggiuntive per l'apparecchiatura IT e per quella elettrica. Tuttavia, questa pratica di solito non viene messa in atto fino a quando l'acqua non rappresenta effettivamente un problema nel data center. In alcuni casi, i problemi posti dall'eventuale calo di raffreddamento causato da una singola perdita sarebbero tanto grandi che i manager IT preferiscono installare direttamente un sistema di tubazioni rigide completamente ridondante, raddoppiando in tal modo i costi totali di installazione delle tubazioni stesse. In alternativa, i manager optano per l'installazione di unità CRAC con un sistema basato su refrigerante in qualità di backup (che richiede anche tubazioni di refrigerazione aggiuntive). Installazione di tubazioni rigide sotto pavimento Il metodo per l'instradamento delle tubazioni per l'acqua refrigerata dipende dalle dimensioni della sala e dal numero di condizionatori d'aria. Per sale di piccole dimensioni, le tubazioni dell'acqua refrigerata vengono solitamente instradate attraverso un tubo principale di fornitura o aspirazione di grandi dimensioni in rame o in acciaio al carbonio. Per sale di dimensioni maggiori, vengono utilizzati più collettori di grandi dimensioni per tubi in acciaio al carbonio. Ogni collettore principale viene quindi collegato a ciascun condizionatore d'aria mediante tubazioni in rame. La Figura 1 mostra tubazioni rigide sotto pavimento, in cui più raccordi vengono utilizzati nell'installazione. Nell'ambito di questo metodo, se il proprietario è preoccupato per la presenza di acqua sotto il pavimento, viene appositamente ricavato un canale collettore con condotti di scarico per il contenimento delle tubazioni dell'acqua refrigerata, al fine di separare quest'ultima dai cablaggi elettrici. In alternativa, è possibile posizionare una coppa di drenaggio al di sotto di ciascun percorso delle tubazioni per raccogliere eventuali perdite o dispersioni di condensa dal sistema. La profondità e la larghezza del canale collettore variano in base al diametro e alla quantità dei tubi per l'acqua refrigerata che lo attraversano. Inoltre, è necessario garantire all'interno del canale collettore la presenza di spazi liberi sufficienti per eventuali interventi di assistenza sui vari tubi, in caso di perdita o dispersione. In un data center di dimensioni medio-grandi, non è infrequente trovare canali collettori profondi fino a 1,5 metri, in grado di accogliere tutte le tubazioni dell'acqua refrigerata, le valvole e le operazioni di manutenzione. Considerando varie distanze dal sistema refrigerante a ciascun condizionatore d'aria, l'avvio del sistema ad acqua refrigerata richiede che ogni condizionatore sia bilanciato per fornire la corretta quantità di acqua refrigerata a ciascuno dei essi. Il bilanciamento del sistema viene realizzato utilizzando valvole di isolamento e bilanciamento, solitamente situate nelle derivazioni delle tubazioni sotto il pavimento sollevato; invece, le valvole attuate per la regolazione dell'acqua sono generalmente situate nei condizionatori d'aria. Se le valvole di bilanciamento e isolamento sono sotto il pavimento, il bilanciamento del sistema richiede più tempo a causa della scarsa accessibilità delle valvole stesse. APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 4
Questi sistemi richiedono una progettazione unica e, solitamente, rimangono statici a causa dell'infrastruttura necessaria per instradare le tubazioni e della difficoltà nell'aggiungere una linea di canalizzazione in più al collettore principale, una volta che la sala è operativa. Se si verifica una perdita nel collettore principale, il tempo medio di ripristino (MTTR) aumenta, dal momento che tutte le unità CRAC alimentate dalla derivazione principale possono perdere la fornitura di acqua refrigerata. Di conseguenza, la temperatura della sala può subire un rapido aumento, provocando guasti alle apparecchiature IT o forzando l'arresto delle apparecchiature stesse. Figura 1 Installazione tradizionale di tubazioni per l'acqua refrigerata sotto pavimento, con derivazioni verso i vari condizionatori d'aria utilizzando più raccordi Installazione di tubazioni rigide a soffitto Questo approccio utilizza inoltre un collettore principale collegato a ciascun condizionatore d'aria fino a raggiungere l'ultimo sistema. Le valvole di isolamento e bilanciamento sono solitamente situate nelle derivazioni delle tubazioni all'interno o all'esterno del data center oppure immediatamente sopra i condizionatori d'aria. Poiché le tubazioni a soffitto rappresentano un rischio in termini di potenziali dispersioni di condensa o perdite d'acqua sulle apparecchiature IT, quando le tubazioni stesse attraversano apparecchiature elettriche o IT, viene utilizzata una coppa di drenaggio e, in alcuni casi, l'operatore richiede la presenza di una coppa di drenaggio sotto tutte le tubazioni per l'acqua refrigerata nel data center. In tali situazioni, una coppa di drenaggio di grandi dimensioni viene posizionata sotto i collettori principali e una coppa di dimensioni inferiori viene utilizzata per le derivazioni. Questo metodo viene utilizzato a causa delle potenziali perdite d'acqua e dispersioni di condensa dovute ai vari raccordi utilizzati nelle tubazioni e come misura precauzionale per proteggere tutte le apparecchiature IT e di alimentazione situate sotto le tubazioni stesse. La Figura 2 mostra un esempio di installazione tradizionale con tubazioni a soffitto e coppe di drenaggio al di sotto di esse (per il contenimento delle perdite/dispersioni). APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 5
Figura 2 Tubazioni a soffitto con coppe di drenaggio sopra i rack Con le valvole situate sul soffitto o all'esterno del data center, il bilanciamento del sistema di raffreddamento non è un'operazione semplice. Il risultato è che il tempo richiesto per l'avvio e il bilanciamento per ciascuna unità aumenta. In caso di dispersione/perdita in un'installazione a soffitto, la riparazione deve essere eseguita al di sopra dell'apparecchiatura installata sul pavimento, aumentando il rischio di perdite d'acqua sul pavimento o sulle apparecchiature. I sistemi di tubazioni a parete doppia vengono utilizzati molto di rado per fornire strumenti di contenimento secondari. Tali sistemi vengono per lo più utilizzati nei casi in cui le normative locali lo richiedono oppure quando il proprietario o il progettista ne fanno richiesta. Il sistema di canalizzazione a due livelli di contenimento è composto da una tubazione esterna che racchiude completamente una conduttura interna al fine di contenere eventuali perdite e consentire l'individuazione delle dispersioni. Le procedure e i requisiti di installazione per le tubazioni a parete doppia rendono questo approccio estremamente costoso, ma anche più efficace rispetto al semplice uso di una coppa di drenaggio sotto le tubazioni. La Figura 3 mostra una vista in sezione laterale e anteriore di una tubazione a parete doppia. Figura 3 Vista in sezione di una tubazione a parete doppia Metodi relativi alle tubazioni flessibili I recenti progressi tecnologici nel settore delle tubazioni (con materiali flessibili) consentono di trasportare acqua refrigerata nei data center con livelli di affidabilità decisamente superiori e rischi di dispersione notevolmente ridotti. Tali tubazioni si avvalgono di una tecnologia che è stata utilizzata per oltre 30 anni in Europa per le tubazioni dei sistemi HVAC. Le tubazioni flessibili sono composte da più strati, con una tubazione in alluminio racchiusa in mezzo a strati interni ed esterni di polietilene reticolato. Ciò rende la tubazione abbastanza flessibile da essere instradata attraverso il data center, mantenendo comunque una rigidità sufficiente per rimanere in posizione. Il polietilene reticolato (PEX) garantisce inoltre un'eccellente protezione contro la corrosione; le pareti interne lisce e le proprietà chimiche lo rendono APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 6
resistente all'accumulo di minerali (con acqua sia dura che morbida), eliminando il rischio dei micropori. 1 Affidabilità ottimizzata rispetto alle tubazioni rigide L'uso di tubazioni flessibili consente di instradare i sistemi senza dover utilizzare gomiti o altre giunzioni intermedie dalla sorgente di acqua refrigerata fino a ciascuna unità CRAC. Se vengono utilizzate più unità CRAC, un sistema di distribuzione centralizzato consente collegamenti multipli ad un collettore di distribuzione principale installato nel perimetro o al di fuori della sala. Il collettore garantisce l'isolamento, il bilanciamento e il collegamento separati per ciascun condizionatore d'aria nella sala, utilizzando singole tubazioni di fornitura e aspirazione flessibili e senza giunzioni. Questo metodo sostituisce tutte le giunzioni intermedie nel data center con due sole giunzioni per linea di fornitura e aspirazione: una in corrispondenza del collettore di distribuzione e una in corrispondenza dell'unità CRAC. Un sistema tradizionale con tubazioni rigide dispone di 10-20 giunzioni per derivazione di fornitura o aspirazione verso ciascun condizionatore d'aria, a seconda del percorso delle tubazioni, mentre un sistema con tubazioni flessibili, con solo due giunzioni per linea, riduce il potenziale di perdite/dispersioni fino a circa il 10 o 20% rispetto alle tubazioni rigide. Grazie all'eliminazione di raccordi o valvole intermedi e ad una conduttività termica inferiore rispetto alle tubazioni in rame o acciaio, le tubazioni flessibili in PEX riducono inoltre in modo significativo la potenziale formazione di condensa nel data center. Ciò è possibile poiché tale fenomeno avviene solitamente in corrispondenza dei raccordi, delle giunzioni e delle valvole delle tubazioni, a causa della difficoltà di isolare tali elementi in modo efficace. La distribuzione centralizzata, se utilizzata con le tubazioni flessibili, riduce notevolmente le problematiche legate alla co-locazione delle tubazioni dell'acqua refrigerata e delle apparecchiature IT, nonché all'instradamento di tubazioni a soffitto. Installando un sistema centralizzato di distribuzione dell'acqua nel perimetro della sala, è possibile installare anche le valvole di bilanciamento e di isolamento nello stesso luogo, riducendo in tal modo i tempi di bilanciamento dell'intero sistema ad acqua refrigerata. I data center dinamici traggono notevoli vantaggi da questo approccio, poiché le tubazioni flessibili consentono il trasferimento dei condizionatori d'aria semplicemente facendo passare le tubazioni flessibili nella nuova posizione. Nelle applicazioni a densità elevata, l'eventuale aggiunta futura di altre unità CRAC può avvenire instradando una linea dal collettore principale fino ai nuovi condizionatori d'aria, senza alcuna conseguenza per il resto delle tubazioni dell'acqua refrigerata. Il miglioramento effettivo in termini di frequenza dei guasti rispetto all'uso di tubazioni rigide è impressionante. Di seguito, viene riportata una citazione da uno dei principali produttori di questi sistemi di tubazioni. 2: Questo sistema viene utilizzato in Europa da 30 anni, con l'installazione di tubazioni per oltre 4 miliardi di piedi. Queste tubazioni funzionano assolutamente senza guasti. Ben 500 milioni di piedi di tubazioni sono installate nella sola America del Nord. Alcuni campioni di tubazioni sono stati sottoposti a temperature e pressioni elevate di continuo fin dal 1973, senza alcun segno di riduzione delle prestazioni. Test effettuati sia da Wirsbo che da fonti indipendenti prevedono che le tubazioni in PEX Wirsbo avranno una durata di vita pari ad almeno 100 anni. 1 Plastics Pipe Institute - High Temperature Division, The Facts of Cross-Linked Polyethylene (PEX) Pipe Systems, 12/3/04 2 Shelter Technology, http://www.sheltertech.com/wirsbo_pex_tubing.htm (accesso: 15 febbraio 2006). APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 7
Installazione di tubazioni flessibili a soffitto Per applicazioni a soffitto, le tubazioni flessibili vengono instradate attraverso i corridoi dal collettore di distribuzione fino ai condizionatori d'aria e le coppe di drenaggio vengono utilizzate solo nei punti in cui un tubo incrocia un'apparecchiatura elettrica o IT. Sul mercato sono inoltre disponibili accessori che guidano il percorso di svariate linee accumulate di tubazioni flessibili, riducendo al minimo lo spazio utilizzato a soffitto per l'instradamento delle tubazioni stesse. La Figura 4 illustra l'uso delle tubazioni flessibili a soffitto. Risorse APC White Paper 132 Comparison of In-Row vs. Overhead Cooling Le tubazioni flessibili riducono notevolmente i potenziali rischi di perdite d'acqua e dispersioni di condensa che tanto preoccupano la maggior parte dei proprietari di tubazioni a soffitto. Poiché i data center optano per i cablaggi a soffitto e i sistemi di raffreddamento modulari o a soffitto, la necessità di un pavimento sollevato (con i relativi costi) diminuisce. Per ulteriori informazioni sul raffreddamento modulare e a soffitto, consultare il White Paper APC 132, Comparison of In-Row vs. Overhead Cooling. Figura 4 Schema del layout di un data center con tubazioni flessibili a soffitto Tubazioni flessibili sotto pavimento L'uso di tubazioni flessibili sotto pavimenti sollevati offre il vantaggio di fornire un percorso diretto dal collettore di distribuzione alle unità CRAC. In tal modo, la distanza delle tubazioni risulta ridotta grazie alla presenza di linee diritte verso i condizionatori d'aria. Le tubazioni flessibili possono essere instradate sotto pavimenti sollevati di appena 30 centimetri circa; inoltre, poiché solitamente si incrociano solo sopra cablaggi di alimentazione e IT, non è necessario utilizzare coppe di drenaggio per le linee diritte verso i condizionatori d'aria. Tutto ciò riduce i costi di installazione e i tempi di implementazione rispetto ai tradizionali sistemi di tubazioni rigide sotto pavimento. La Figura 5 illustra l'uso delle tubazioni flessibili sotto pavimento. APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 8
Figura 5 Installazione di tubazioni flessibili sotto pavimento, con derivazioni verso i vari condizionatori d'aria Confronto tra tubazioni rigide e tubazioni flessibili Nelle seguenti sezioni vengono messe a confronto le tubazioni rigide e quelle flessibili a fronte di svariati attributi, inclusi attributi meccanici e fisici, agilità, disponibilità, TCO e modalità di guasto. Attributi meccanici e fisici delle tubazioni rigide e di quelle flessibili Nella Tabella 1 sono elencati i principali attributi meccanici e fisici delle tubazioni flessibili e di quelle rigide, utilizzate nei sistemi ad acqua refrigerata. APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 9
Tabella 1 Attributi fisici delle tubazioni rigide e di quelle flessibili Attributo fisico Acciaio al carbonio Schedule 40 Tubazione rigida in rame di tipo L Tubazione flessibile in PEX Peso della tubazione in kg per metro lineare (dimensioni nominali tubazione senza acqua: 2,54 cm) 2,49 0,975 0,324 Peso della tubazione in libbre per piede lineare (dimensioni nominali tubazione senza acqua: 1 piede) 1,67 0,655 0,218 Temperatura nominale Fino a 399 C Fino a 204 C Fino a 93 C Pressione operativa interna nominale in megapascal 19,7 MPa a 38 C 19,7 MPa a 93 C 3,41 MPa a 38 C 2,79 MPa a 93 C 1,38 MPa a 23 C 0,689 MPa a 93 C Pressione operativa interna nominale in psi 2.857 psi a 100 F 2.857 psi a 200 F 494 psi a 100 F 404 psi a 200 F 200 psi a 73 F 100 psi a 200 F Tipo di raccordo Raccordi saldati, brasati, scanalati o filettati Raccordi stagnati, brasati, scanalati o filettati Raccordi a compressione o filettati a pressione multipla Intervallo dimensioni Da 3,2 a 660 mm Da 6,4 a 305 mm Collegamento terminazione Saldato, brasato o filettato Stagnato, brasato o filettato Da 12,7 a 5,08 mm in Nord America Da 12,7 a 609 mm 3 A compressione o filettato a pressione multipla Resistenza alla corrosione Limitata; dipende dall'umidità relativa dell'ambiente e dal PH dell'acqua Molto buona Eccellente Conduttività termica Elevata Elevata Medio-bassa Agilità e disponibilità delle tubazioni rigide e di quelle flessibili Le nuove tecnologie, quali i balde server, producono carichi IT che superano di gran lunga la capacità di raffreddamento nominale, implicando in tal modo la necessità di aggiungere ulteriori sistemi di raffreddamento nel data center. Le tubazioni rigide non forniscono la flessibilità necessaria per le espansioni future. Per mantenere operativi i condizionatori d'aria esistenti, solitamente viene collegata una nuova linea di canalizzazione tra il sistema refrigerante e le unità aggiuntive. I costi di installazione e i tempi di implementazione sono elevati a causa delle difficoltà di instradamento delle tubazioni in un edificio che dispone già di un sistema ad acqua refrigerata, nonché delle difficoltà di brasare o filettare nuove giunzioni in un data center esistente. Anche se i condizionatori d'aria devono essere solamente spostati, è necessario fare passare una nuova 3 PEX piping for Plumbing presentato al 40 convegno ASPE, ottobre 2004, Shelter Technology, http://www.plasticpipe.org/media/pex_aspe_2004.pdf#search='wirsbo%20pex%20pipe%20sizes (accesso: 18 febbraio 2006). APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 10
linea con tubazioni rigide dal collettore di distribuzione alla nuova posizione, comportando un ulteriore numero di giunzioni da brasare o filettare. Le tubazioni flessibili garantiscono l'agilità e la disponibilità necessarie per l'aggiunta o lo spostamento di apparecchiature. Un tubo flessibile viene installato senza la necessità di utilizzare raccordi o giunzioni brasate dal collettore di distribuzione fino alla posizione del sistema CRAC. Poiché le valvole di bilanciamento e di isolamento si trovano nel collettore e la tubazione principale dal sistema refrigerante al collettore è già installata, il sistema ad acqua refrigerata esistente non è soggetto a tempi di fermo macchina e l'implementazione richiede tempi ridotti grazie alla semplicità d'installazione delle tubazioni. Un guasto o una perdita/dispersione nel sistema di fornitura o aspirazione principale con tubazioni rigide, dal sistema refrigerante al data center, richiederebbe l'arresto di tutti i condizionatori d'aria al fine di riparare il guasto; tale operazione può richiedere da alcune ore addirittura a giorni. Lo stesso effetto si avrebbe con un collettore di distribuzione, poiché le tubazioni rigide vengono utilizzate anche in questo caso dal sistema refrigerante al collettore stesso. In caso di guasto alla tubazione, è necessario disattivare anche tutte le tubazioni CRAC che partono dal collettore per eseguire la riparazione. Se si verifica un guasto o una perdita/dispersione in un sistema di canalizzazione di una delle derivazioni secondarie della tubazione principale, solo i condizionatori d'aria collegati a partire da tale tubazione perdono acqua refrigerata durante il periodo di isolamento della linea per la riparazione. La riparazione di un sistema con tubazioni rigide richiede l'isolamento e l'interruzione del raffreddamento in corrispondenza di tutte le unità CRAC associate alla tubazione in questione; solitamente, il componente che presenta la perdita viene sostituito oppure il raccordo viene brasato di nuovo nel punto in cui avviene la perdita. Con le tubazioni flessibili, se si verifica una perdita dal collettore di distribuzione al condizionatore d'aria, è necessario disattivare un solo condizionatore per la riparazione, senza interrompere quindi il raffreddamento negli altri condizionatori. In caso di perdita/dispersione in corrispondenza di un raccordo del collettore di distribuzione o di un raccordo del sistema CRAC, viene sostituito solo il raccordo. Tuttavia, se si verifica una perdita/dispersione nella linea di tubazioni flessibili stessa, la riparazione implica la sostituzione dell'intera tubazione flessibile. La nuova tubazione viene installata isolando la linea in corrispondenza del sistema di distribuzione centralizzato e del condizionatore d'aria, interrompendo quindi il raffreddamento solo per una singola unità CRAC e non per tutti gli altri condizionatori d'aria. TCO delle tubazioni rigide e di quelle flessibili Il TCO (costo totale di gestione) viene ridotto grazie all'uso di tubazioni flessibili e di un collettore di distribuzione centralizzato, rispetto a quanto accade con un sistema di tubazioni brasate. Un data center da 200 kw con un nuovo sistema di raffreddamento installato può ottenere un aumento della velocità d'implementazione pari almeno al 40% e una riduzione dei costi di installazione pari a circa il 20%, se il nuovo sistema utilizza tubazioni flessibili e un collettore di distribuzione centralizzato. Tale riduzione dei costi di installazione è possibile grazie alla mancata necessità di lavoro aggiuntivo per la brasatura di raccordi intermedi e l'installazione di valvole intermedie, nonché grazie alla riduzione dei tempi necessari al bilanciamento del sistema ad acqua refrigerata. In un data center esistente, l'uso di tubazioni flessibili per l'installazione di un condizionatore d'aria aggiuntivo a partire dal collettore di distribuzione consente di ridurre i costi di installazione di almeno il 50% e i tempi di implementazione del 60%, rispetto a un sistema con tubazioni brasate tradizionale. La manutenzione di un sistema ad acqua refrigerata che impiega tubazioni flessibili è più semplice e rapida da eseguire, poiché il controllo di tutte le valvole avviene in una posizione APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 11
Tabella 2 Confronto tra tubazioni rigide e tubazioni flessibili centralizzata, mentre in un'installazione sotto pavimento tali valvole sono situate in aree diverse del data center. Nei data center in cui il pavimento sollevato viene utilizzato solo per l'instradamento di tubazioni per l'acqua refrigerata, l'eliminazione del pavimento sollevato riduce ulteriormente le spese in conto capitale dell'installazione, nel caso in cui venga utilizzato un sistema di canalizzazione a soffitto. La Tabella 2 mette a confronto le tubazioni rigide e quelle flessibili in termini di vantaggi riconosciuti dagli utenti di data center come i più importanti per un sistema con tubazioni per acqua refrigerata. Agilità Disponibilità MTTR Installazione Raggio di rotazione Manutentibilità Calo di pressione Spazio vuoto Distanze Tubazioni rigide Ridotta velocità di implementazione a causa della necessità di più giunzioni brasate. Il bilanciamento del sistema non è facilmente accessibile sia sotto il pavimento sollevato che sopra gli elementi di pavimentazione. Le espansioni o gli spostamenti non scalabili richiedono operazioni uniche di progettazione e tempi di fermo macchina per le altre unità. I rischi di perdite/dispersioni in corrispondenza di ogni raccordo e giunzione diminuiscono il livello di affidabilità. In caso di perdite/dispersioni nel sistema principale, le riparazioni possono durare da ore a giorni, a seconda dell'entità del problema. In caso di perdita in una derivazione di distribuzione nel data center, la riparazione può durare alcune ore, causando l'arresto di svariate unità. Costi di installazione superiori. Il bilanciamento del sistema richiede tempi superiori, aggiungendo ulteriori costi per l'avvio. Vengono utilizzati giunzioni e raccordi brasati, filettati o meccanici; sono necessarie valvole di isolamento e bilanciamento intermedie. Consentono un raggio di rotazione ridotto utilizzando i raccordi a gomito. Controlli visivi per eventuali perdite su ciascuna giunzione/valvola; controlli visivi per la formazione di condensa su raccordi e valvole; controllo visivo nei punti di corrosione. La concentrazione di acqua e di glicole viene misurata e convalidata. L'uso di gomiti per i punti di svolta e l'accumulo di minerali causa ulteriori cali di pressione. Le tubazioni vengono fatte passare sotto pavimento o a soffitto; nessuno spazio vuoto è occupato dal sistema di canalizzazione. È possibile coprire distanze elevate con le tubazioni rigide mediante l'unione di più parti di tubazioni tramite raccordi. Tubazioni flessibili Velocità di implementazione aumentata del 40%. Il bilanciamento del sistema di canalizzazione è situato in una posizione centralizzata facilmente accessibile. Struttura scalabile che consente spostamenti, aggiunte, modifiche ed espansioni future senza alcuna conseguenza per le altre unità. Maggiore affidabilità ottenuta eliminando le giunzioni intermedie (con conseguente notevole riduzione dei rischi di perdite/dispersioni). In caso di perdita dal sistema refrigerante al collettore di distribuzione centralizzato, la riparazione può durare da ore a giorni, a seconda dell'entità del problema. In caso di perdita in una derivazione flessibile nel data center, è possibile instradare una nuova tubazione flessibile e la riparazione può durare alcune ore, causando l'arresto di una sola unità. Costi di installazione inferiori. L'avvio e il bilanciamento del sistema sono meno complessi grazie al sistema di distribuzione centralizzato. Non sono necessari raccordi intermedi, giunzioni brasate o valvole. Il raggio minimo di piegatura è pari a 5-7 volte il diametro esterno del tubo. I controlli visivi per eventuali perdite e per la formazione di condensa sulle valvole nel collettore di distribuzione centralizzato richiedono tempi inferiori (tutte le valvole si trovano nella stessa posizione). La concentrazione di acqua e di glicole viene misurata e convalidata; vengono eseguite operazioni di manutenzione di routine. Le parti interne lisce e i punti di svolta con raggio maggiore senza raccordi consentono di ridurre il calo di pressione per i normali percorsi di tubazioni. È necessario uno spazio vuoto per il collettore di distribuzione centralizzato nella sala. La distanza massima consigliata è di 46 metri a partire dal collettore di distribuzione fino ai condizionatori d'aria, a causa della complessità eventualmente creata per l'installatore da distanze superiori. APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 12
Costo iniziale (installazione e materiale) Posizione delle tubazioni I costi delle tubazioni rigide sono inferiori, tuttavia i costi globali di installazione risultano superiori a causa della maggiore quantità di lavoro necessaria per la brasatura e la filettatura; inoltre, il bilanciamento del sistema richiede tempi superiori aggiungendo ulteriori costi per l'avvio. L'installazione può essere eseguita in esterni o in luoghi esposti alla luce solare. Le tubazioni in PEX hanno costi superiori, tuttavia i costi globali di installazione possono risultare inferiori a causa dell'eliminazione della necessità di brasare o filettare i raccordi; inoltre, l'avvio e il bilanciamento del sistema sono meno complessi grazie al sistema di distribuzione centralizzato. Le tubazioni in PEX non devono essere conservate o installate in luoghi esposti alla luce solare, diretta o indiretta. Nota: le celle azzurre corrispondono a prestazioni ottimali per la caratteristica. Confronto tra le modalità di guasto delle tubazioni rigide e di quelle flessibili È possibile che un sistema ad acqua refrigerata sia soggetto a diverse modalità di guasto, a seconda della posizione delle tubazioni, del tipo di installazione e del metodo di realizzazione delle tubazioni. La Tabella 3 riassume le possibili modalità di guasto per ciascun tipo di tubazione; le prestazioni ottimali sono evidenziate in blu. Tabella 3 Confronto tra le modalità di guasto delle tubazioni rigide e di quelle flessibili Forature Punti di guasto singoli Perdite/dispersioni nelle giunzioni Terremoti/vibrazioni Calpestamento Infiltrazioni di condensa nel sistema di isolamento del data center Tubazioni rigide Sono meno soggette a perdite/dispersioni dovute a foratura causata da un oggetto appuntito. Eventuali guasti in una tubazione di collegamento causano un calo di raffreddamento in tutte le unità CRAC collegate alla derivazione. La presenza di più giunzioni e raccordi nelle tubazioni comporta maggiori rischi di perdita/dispersione a causa di: corrosione galvanica; deterioramento nel tempo del sigillante per filettature; errori nella lavorazione meccanica delle filettature; deterioramento delle guarnizioni nelle giunzioni scanalate; qualità scadente dei raccordi filettati. I movimenti dovuti a vibrazioni o terremoti possono causare perdite/dispersioni in corrispondenza di giunzioni e raccordi. I raccordi brasati o filettati sono soggetti a danni con conseguenti perdite/dispersioni. Maggiori rischi dovuti alla condensa a causa della difficoltà nell'isolare più valvole, filtri e raccordi. È possibile che si formi della condensa in piccole crepe o fessure lasciate senza isolamento. Tubazioni flessibili Sono più soggette a perdite/dispersioni dovute a foratura causata da un oggetto appuntito. Eventuali guasti in una linea causano un calo di raffreddamento in una sola unità CRAC. Quantità ridotta di giunzioni: due per linea per unità CRAC. I raccordi filettati a pressione multipla restringono il tubo PEX-AL-PEX, rendendo più saldo il collegamento rispetto a quanto possibile con un raccordo filettato o dotato di guarnizione. Sono meno soggette a rotture o perdite/dispersioni in caso di vibrazioni o terremoti. Sono meno soggette a danni, grazie alla flessibilità dei tubi. Minori rischi dovuti alla condensa grazie all'eliminazione di valvole o raccordi intermedi tra il sistema di distribuzione e le unità CRAC. Abrasioni/tagli Sono resistenti ad abrasioni o tagli esterni. Meno resistenti ad abrasioni esterne. Eventuali tagli possono danneggiare la parte esterna dei tubi in PEX. Micropori e accumulo di minerali Sono soggette alla formazione di micropori e perdite a causa dell'accumulo di minerali, se l'acqua non viene trattata periodicamente. Sono molto resistenti all'accumulo di minerali grazie alle pareti interne lisce e alle proprietà chimiche del materiale. Nota: le celle azzurre corrispondono a prestazioni ottimali per la caratteristica. APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 13
Conclusioni Sebbene le tubazioni rigide siano state utilizzate nei sistemi ad acqua refrigerata come soluzione tradizionale, l'uso di un collettore di distribuzione centralizzato con singole linee flessibili verso ciascun condizionatore d'aria migliora notevolmente l'affidabilità del sistema riducendo i potenziali rischi di perdite/dispersioni. Inoltre, un eventuale guasto in un sistema con tubazioni flessibili richiede l'isolamento di una sola unità CRAC, consentendo alle altre unità di continuare a raffreddare il carico; invece, un eventuale guasto in un sistema con tubazioni rigide può richiedere l'isolamento di più unità CRAC, nel caso in cui il guasto sia in una delle tubazioni di collegamento, mettendo così a rischio la disponibilità del data center senza un raffreddamento sufficiente per il carico. Nei sistemi con tubazioni flessibili, il problema della presenza di acqua nel data center risulta ridotto per tre motivi: 1. La frequenza di guasto globale delle tubazioni è notevolmente ridotta grazie alla diminuzione del numero di giunzioni. 2. Il livello di affidabilità intrinseca delle tubazioni principali è di per sé superiore. 3. Il rischio legato alla formazione di condensa risulta ridotto, grazie alla mancata necessità di isolare raccordi o valvole intermedi (questi ultimi rappresentano infatti i punti in cui solitamente si forma la condensa nei sistemi ad acqua refrigerata). Le tubazioni flessibili rappresentano un notevole avanzamento tecnologico per le installazioni di data center con pavimenti normali e per i sistemi di raffreddamento ad alta densità orientati su rack. La tendenza verso densità superiori e installazioni con pavimenti normali implica naturalmente un rapido aumento nell'utilizzo di tubazioni flessibili per i data center di prossima generazione. Informazioni sull'autore Isabel Rochow è Product Manager per le soluzioni di raffreddamento basate su sala presso American Power Conversion (APC). Isabel Rochow è un ingegnere meccanico con 10 anni di esperienza nel settore dei sistemi di refrigerazione e di condizionamento dell'aria per il mercato industriale e commerciale ed è un membro della società ASHRAE (è stata anche coinvolta in svariate presentazioni per i capitoli del manuale ASHRAE locali). APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 14
Risorse Vantaggi delle architetture di raffreddamento per data center orientate su file e rack APC White Paper 130 Comparison of In-Row vs. Overhead Cooling APC White Paper 132 Ricercare tutti i White Paper APC whitepapers.apc.com Ricercare tutte le applicazioni APC TradeOff Tools tools.apc.com Contattateci Per feedback e commenti relativi a questo White Paper Data Center Science Center, APC by Schneider Electric DCSC@Schneider-Electric.com Se siete clienti e avete domande specifiche sul progetto del vostro Datacenter Contattate il rappresentante APC by Schneider Electric APC by Schneider Electric White Paper 131 Revisione 1 15