WHITE PAPER SmartAisle e il contenimento del corridoio freddo
Introduzione Per ogni euro speso per alimentare il proprio data center possiamo dire che ci sia una buona percentuale spesa per raffreddarlo, cercando ovviamente di raggiungere la migliore efficienza possibile. Il raffreddamento rappresenta una voce importante nel consumo energetico di uno di questi centri della rete: tutti i server e gli apparati all'interno necessitano di rimanere a temperature controllate, che variano a seconda delle tecnologie e delle strategie impiegate dal gestore del data center, oltre che dalla località nel mondo dove si trova il centro dati. Se la temperatura si dovesse alzare troppo questo potrebbe causare seri danni ai server ma anche agli altri apparati, portando nei casi più gravi alla necessità di spegnere queste macchine che devono invece rimanere operative H24. Quale temperatura troviamo in un data center italiano? In media si è intorno ai 22/24 gradi centigradi ma questo valore può cambiare a seconda delle strategie scelte dal provider. Attualmente, a livello mondiale vengono utilizzati diversi sistemi per misurare l efficienza dei data center ma la metrica più diffusa è il PUE (Power Usage Effectiveness), un parametro che rende l idea di quanta potenza elettrica sia dedicata all alimentazione degli apparati IT rispetto ai servizi ausiliari come il condizionamento o i sistemi di continuità. Un valore di PUE pari a 1 (misura ottimale) indica che tutta l energia assorbita dall impianto viene utilizzata per gli apparati IT. In base alle valutazioni del consorzio Green Grid (che ha definito il PUE) e dell agenzia EPA, il valore medio attuale di PUE per i data center in tutto il mondo si aggira intorno a 1,8. Uno dei metodi più efficaci per aumentare l efficienza nel DC è adottare sistemi di condizionamento di precisione che prevedano il contenimento del corridoio freddo. Emerson Network Power, in particolare, propone l esclusivo sistema SmartAisle. Cos è SmartAisle? SmartAisle è la soluzione di Emerson Network Power che si basa sul principio della separazione fisica tra le zone d'aria fredda e quelle d'aria calda. Si attua attraverso la compartimentazione del corridoio freddo assicurando che l'aria di raffreddamento, distribuita attraverso il pavimento sopraelevato, venga ricevuta e aspirata direttamente dai server contenuti negli armadi IT. Dove si utilizza SmartAisle si utilizza in data center con architettura corridoio caldo e freddo dotati di pavimento galleggiante, ma anche in altri siti senza pavimento sopraelevato dove è impiegata la soluzione di raffreddamento con condizionatori Liebert CRV. Questa soluzione risulta indispensabile nei casi in cui l obiettivo principale sia il miglioramento dell efficienza energetica, nei nuovi edifici, ma anche per l'adeguamento o integrazione di infrastrutture esistenti. Viene utilizzata per ambienti con alta densità informatica, dove non è possibile ricorrere al sistema tradizionale con architettura aperta. Ma non è solo la separazione fisica delle zone fredde e calde che rende questo sistema il più efficace. 2
Compartimentazione corridoio freddo Soluzione SmartAisle Utilizzando la soluzione SmartAisle in abbinamento a unità di condizionamento Liebert HPM o unità Liebert PCW dotate di un apposito software sviluppato per questa applicazione è possibile migliorare la flessibilità, l'affidabilità e l'efficienza del data center. Una o più unità di condizionamento, regolate dalla logica di controllo SmartAisle assicurano i giusti valori di portata d'aria, temperatura e umidità richieste dalle apparecchiature informatiche. Il controllo dinamico della velocità dei ventilatori e della potenza frigorifera garantisce la massima efficienza al sistema di condizionamento. Come funziona I condizionatori perimetrali nelle versioni ad acqua refrigerata controllano la temperatura all interno del corridoio, inviando l'aria fredda attraverso il pavimento rialzato. L'aria calda emessa dai server attivi ritorna al condizionatore attraverso la sala macchine. 3
Schema di flusso Layout tipo SmartAisle Posizionamento sensori nel corridoio freddo La temperatura del corridoio freddo viene controllata attraverso due parametri: la modulazione della velocità del ventilatore EC e la modulazione della valvola di regolazione a tre vie dell acqua refrigerata (o dal compressore Digital Scroll per unità ad espansione diretta), dove: La valvola di regolazione dell acqua refrigerata controlla la temperatura di mandata dell'aria nel sottopavimento. Il ventilatore a velocità variabile garantisce la corretta quantità d aria da introdurre nel corridoio freddo in modo da assicurare una temperatura omogenea lungo tutto il corridoio, fino alla parte superiore dell armadio rack. Sensore di T&H nel corridoio freddo 4
La velocità di rotazione dei ventilatori viene modulata in base al segnale trasmesso da sensori di temperatura (T&H) installati su dei fori calibrati nei punti alti del corridoio, con la seguente logica: Il volume di aria fredda immessa deve corrispondere alla sommatoria (Q1+Q2+Q3...) di tutte le portate dei singoli server secondo l equazione: Se il volume di aria inviata è superiore a quello utilizzato dai server, significa che all interno del corridoio freddo si forma una contropressione che spinge l aria fredda ad uscire verso l esterno dall apposito foro calibrato, dove viene rilevata dal sensore (T&H) che riporta il segnale al condizionatore per diminuire il volume d aria inviata al corridoio Se il volume di aria inviata è inferiore a quella utilizzata dai server, significa che all interno del corridoio freddo si forma una depressione che favorisce l ingresso di aria calda nel corridoio dall apposito foro calibrato, dove viene rilevata dal sensore (T&H) che riporta il segnale al condizionatore per incrementare il volume d aria fredda al corridoio Al fine di ottenere un miglior controllo della temperatura del corridoio freddo è consigliabile installare 3 sensori di temperatura per ogni compartimentazione. Due sensori costituiscono la quantità minima da prevedere per ciascun corridoio e almeno uno dovrebbe essere sempre posizionato vicino alla porta di ingresso per reagire più velocemente alle variazioni di temperatura causate dall apertura e chiusura della porta stessa. I sensori che saranno opportunamente collegati tra loro, andranno posizionati in appositi fori calibrati previsti con la struttura modulare di compartimentazione. Il sensore di controllo della temperatura dell'aria di mandata, dispone di un cavo con lunghezza tale da consentirne la collocazione nel pavimento rialzato vicino all'unità così da rilevare una lettura precisa della temperatura dell aria di mandata. Nei casi di sistema misto di condizionatori ad acqua refrigerata ed espansione diretta, la modulazione della valvola di regolazione dell'acqua o del compressore non viene condivisa per garantire che ogni unità sia in grado di gestire e inviare sempre la temperatura dell'aria in relazione al set-point desiderato. In questo caso, verranno condivise lo stato di unità e la velocità del ventilatore. SmartAisle Soluzione integrata per data center La modalità Smart è un algoritmo di controllo sviluppato per applicazioni SmartAisle (chiusura del corridoio freddo) per rispondere alle precise esigenze di condizionamento e di flusso d aria dei server, senza assorbire Watt non realmente necessari per condizionamento o movimentazione dell aria. Controllo a microprocessore icom 5
La modalità Smart è un algoritmo di controllo sviluppato per applicazioni SmartAisle (chiusura del corridoio freddo) per rispondere alle precise esigenze di condizionamento e di flusso d aria dei server, senza assorbire Watt non realmente necessari per condizionamento o movimentazione dell aria. Connettività Ethernet Le unità di condizionamento con display grafico possono essere monitorate e controllate da una postazione centralizzata. Il display consente di accedere alle unità tramite rete, il che rende possibile il coordinamento delle unità di condizionamento dalla stessa postazione grazie alla connessione Ethernet integrata. Il software di controllo in base alle rilevazioni dei vari sensori permette il coordinamento e la modulazione della capacità di raffreddamento della unità dislocate nella sala continuando a garantire la ridondanza richiesta. Collegamento e connettività dei sensori di temperatura Un sistema SmartAisle costituito da più condizionatori perimetrali, tramite collegamento alla rete ethernet con parametri condivisi, si comporta come fosse un unico sistema di raffreddamento in grado di attivarsi dinamicamente rispetto alle variazioni del carico termico emesso dai server. Anche nel caso di guasto ai singoli condizionatori non si verificano situazioni di criticità in quanto l invio della quantità d aria fredda richiesta dai server è garantito e il carico è bilanciato in qualsiasi situazione. La gestione e il controllo della velocità dei ventilatori può essere scelta in funzione della temperatura media rilevata dai sensori posti nei corridoi freddi, oppure come alternativa (tramite apposito settaggio) posizionando il set point sulla temperatura di un corridoio master. Per ogni corridoio è consigliabile effettuare il collegamento dei sensori in modo tale che i sensori di temperatura vengano suddivisi facendo capo ad almeno due condizionatori, così da evitare anomalie in caso di OFF MODE o fermo manutentivo di un condizionatore. 6
Layout tipo sala server Principali benefici Affidabilità Tre sensori indipendenti per ogni condizionatore d'aria permettono di rilevare uniformemente la temperatura all'interno del corridoio anche in presenza di carichi non omogenei, offrendo nel contempo la ridondanza in caso di guasto del sensore. Per ogni condizionatore, il software speciale e il controllo sono indipendenti da un sistema BMS, la velocità del ventilatore EC e la capacità di raffreddamento sono gestiti dal controllo a microprocessore icom. Non sono necessari ulteriori sistemi / sensori per la misurazione o il controllo della temperatura. Funzione di rotazione unità Master (Master virtuale): se si verifica un anomalia all unità master, l'affidabilità viene mantenuta perché il sistema abilita un' altra unità al ruolo di master. 7
Ogni condizionatore può essere equipaggiato con serranda motorizzata con ritorno a molla sul lato di aspirazione dell'aria. Se l'unità si ferma, la serranda viene chiusa in meno di 30 secondi. Questo aiuta a evitare perdite di flusso d'aria e assicura la giusta quantità d aria al corridoio anche in situazione di emergenza. SmartAisle funziona a bassa pressione nel pavimento rialzato (di solito meno di 15Pa) in modo che la perdita attraverso il basamento del condizionatore sia ridotto al minimo. L'aumento di temperatura di ritorno dell'aria per unità ad acqua refrigerata è consentito fino a 40 C senza perdere affidabilità. Più è alta la temperatura dell'aria di ritorno, maggiore è l'efficienza energetica di un sistema free-cooling. La maggiore temperatura dell'aria di ritorno consente di adottare temperature del fluido più alte, mantenendo alta la capacità di raffreddamento del condizionatore. In caso di un inatteso aumento della temperatura nel corridoio (avviso di alta temperatura) il condizionatore forzerà la velocità del ventilatore ''come valore'' di emergenza e la valvola a tre vie sarà aperta al 100%. Ciò consente di evitare situazioni pericolose durante la manutenzione. Flessibilita Due diverse modalità teamwork : Cascade 1: si può limitare la velocità massima del ventilatore per ogni unità Liebert PCW; di conseguenza è possibile limitare l'ingresso di corrente o potenza assorbita da ogni unità. Cascade 2: è possibile anche aumentare l'efficienza del sistema, ma la velocità del ventilatore di unità Liebert HPM o PCW non è limitata, ma può funzionare tra MIN e MAX (valori preimpostati). Reazione immediata in caso di variazioni di carico termico: Liebert PCW per SmartAisle è in grado di lavorare anche con differenti zone di temperatura all'interno delle aree del corridoio caldo, perché le unità continuano a controllare la temperatura dell'aria di mandata in base ai loro valori di riferimento. 8
Liebert PCW e HPC offrono una soluzione flessibile in termini di connettività, grazie alla comunicazione Ethernet. Il cliente ha due possibilità di utilizzare la rete o Ethernet già esistente o creare una Ethernet completamente indipendente (es. per motivi di sicurezza) solo per le unità di condizionamento di precisione Fino a 32 unità collegate allo stesso gruppo; vasta gamma di possibilità per i grandi data center; possibilità di lavorare con carichi termici diversi per armadio rack. Tre modalità aiutano a proteggere le apparecchiature durante i periodi di manutenzione: AUTO MODE: La velocità del ventilatore è attivata in base alla temperatura all'interno del corridoio, la valvola controlla la temperatura dell'aria di mandata nel rispetto della logica dei software sopra menzionati. MANUAL MODE: La velocità del ventilatore è attivata al valore max e la valvola a tre vie è completamente aperta. Questa funzione consente di evitare i rischi durante le attività di manutenzione. OFF MODE: l'unità si spegne. 9
Efficienza Massimizzazione dell efficienza tramite il controllo della temperatura dell'aria e la gestione della velocità dei ventilatori EC in base alle esigenze dei server. La pressione differenziale tra il corridoio freddo e caldo deve tendere quasi a zero. Il nostro obiettivo infatti è quello di inviare nel corridoio freddo un volume d aria che corrisponda il più possibile a quello richiesto dai server, quindi non si deve perdere energia nel movimento o raffreddamento dell'aria che non sia quello strettamente necessario e/o richiesto. Minori perdite di carico corrispondono sicuramente a una minore spesa energetica dei ventilatori e un migliore utilizzo della capacità di raffreddamento disponibile. Analisi CFD Pressione differenziale corridoio caldo/freddo con SmartAisle Qui di seguito i risultati delle analisi CFD che mostrano la differenza minima di pressione tra corridoio freddo e caldo grazie alla logica di controllo ottimizzata di SmartAisle. L'esempio mostra un centro dati con carico termico medio di 8kW/rack con condizionatori ad acqua refrigerata installati nei corridoi, lungo il perimetro del data center, che inviano l'aria fredda nel pavimento sopraelevato alto 600 mm.. Risultati delle analisi CFD (pressione statica di 0,2 m sopra il pavimento rialzato): pressione differenziale tra il corridoio caldo e freddo -3Pa. 10
Risultati delle analisi CFD (pressione statica 1,5 m dal piano rialzato): pressione differenziale tra il corridoio caldo e freddo in media 2-3Pa. Risultati delle analisi CFD (pressione statica 0,2 m sotto il pavimento rialzato): pressione statica sempre al di sotto 5 Pa = minore potenza per la mandata aria / massima l'efficienza Resta in contatto con noi: Per maggiori informazioni, scrivere a Marketing.NetworkPower.It@Emerson.com Per richiedere un supporto tecnico su progetti che richiedono UPS, commutatori statici, condizionamento di precisione, rack e armadi integrati, scrivere a Consulting.Italy@Emerson.com Sei un progettista? Visita il sito di consulenza progettuale www.csconline.it All Rights Reserved. Business-Critical Continuity, Emerson Network Power e il logo Emerson Network Power sono marchi commerciali e marchi di servizi di Emerson Electric Co. 2012 Emerson Electric Co. 11