Risparmio energetico nei Data Center con il contenimento

Introduzione

Gli elevati costi energetici hanno imposto l’implementazione nei Data Center di strategie di contenimento dell’aria calda e dell’aria fredda.

Oltre all’efficienza energetica, il contenimento consente temperature in ingresso alle apparecchiature IT uniformi ed elimina i punti di concentrazione del calore tipicamente presenti nei Data Center tradizionali senza contenimento.

Sebbene il contenimento dei corridoi di aria calda sia la soluzione preferita in tutte le nuove installazioni e in molte installazioni in cui è stato aggiunto un pavimento sopraelevato, può essere difficile da implementare poiché la sala IT ha un’altezza non rilevante o poiché il plenum di aspirazione del controsoffitto non è accessibile.

Sia il contenimento del corridoio di aria calda che il contenimento del corridoio di aria fredda offrono risparmi energetici notevoli rispetto alle configurazioni tradizionali senza contenimento.

Sebbene entrambe le strategie di contenimento del corridoio di aria calda e del corridoio di aria fredda offrano risparmi energetici, da una ricerca Schneider Electric risulta che il contenimento del corridoio di aria calda può offrire risparmi energetici del sistema di raffreddamento del 43% superiori al contenimento del corridoio di aria fredda, in particolare a causa del maggior numero di ore in modalità economizzatore.

Il contenimento dell’aria calda o fredda in un Data Center offre i vantaggi di seguito esposti in termini di efficienza. È importante notare che un layout a file dei corridoi di aria calda o fredda è un requisito preliminare per entrambi i tipi di contenimento¹.

• I sistemi di raffreddamento possono essere impostati a una temperatura di fornitura più elevata (per risparmiare energia e aumentare la capacità di raffreddamento) garantendo comunque al carico temperature di funzionamento sicure. La temperatura dei sistemi di raffreddamento perimetrali senza contenimento è impostata su un valore molto più basso (circa 13°C) rispetto a quarto richiesto dall’apparecchiatura IT al fine di prevenire i punti di concentrazione del calore. Si verificano punti di concentrazione del calore quando il calore viene raccolto dall’aria fredda nel suo percorso dall’unità di raffreddamento alla parte anteriore dei rack. Il contenimento consente temperature di fornitura dell’aria fredda più elevate e aria aspirata di ritorno all’unità di raffreddamento il più calda possibile. Il vantaggio di una temperatura più elevata dell’aria aspirata dall’unità di raffreddamento è costituito da un migliore scambio di calore tra la serpentina di raffreddamento, una maggiore capacità di raffreddamento e un’efficienza globale superiore. Questo effetto si verifica con pressoché tutte le apparecchiature di condizionamento d’aria. Alcune apparecchiature possono presentare limiti sulla temperatura massima dell’aria aspirata che possono gestire ma, in generale, tutti i sistemi di raffreddamento offrono capacità superiori con aria di ritorno più calda.
• Eliminazione dei punti di concentrazione del calore. Il contenimento consente all’aria fornita dall’unità di raffreddamento di raggiungere la parte anteriore delle apparecchiature IT senza miscelarsi con l’aria calda. Ciò significa che la temperatura dell’aria fornita presso l’unità di raffreddamento è la stessa della temperatura dell’aria in ingresso nelle apparecchiature IT, ovvero sono presenti temperature in ingresso uniformi nelle apparecchiature IT. Quando non è presente miscelazione tra i flussi d’aria, è possibile aumentare la temperatura dell’aria fornita senza il rischio di generare punti di concentrazione del calore aumentando al contempo le ore in modalità economizzatore.
• Aumento delle ore in modalità economizzatore (free cooling). Quando la temperatura esterna è inferiore a quella interna, non è necessario che i compressori del sistema di raffreddamento lavorino per espellere il calore verso l’esterno². Aumentando la temperatura impostata sui sistemi di raffreddamento si ottiene un maggior numero di ore in cui il sistema di raffreddamento può spegnere i compressori e risparmiare energia³.
• Riduzione dei costi di umidificazione e deumidificazione. Eliminando la miscelazione tra aria calda e fredda, è possibile aumentare la temperatura dell’aria fornita dal sistema di raffreddamento e ciò consente al sistema di raffreddamento di funzionare al di sopra della temperatura del punto di rugiada (Dew point). Quando si fornisce aria al di sopra del punto di rugiada, non viene rimossa umidità dall’aria pertanto non è richiesta l’aggiunta di umidità con conseguente risparmio di energia e acqua.
• Migliore utilizzo dell’infrastruttura fisica generale che consente un dimensionamento appropriato con conseguente maggiore efficienza di funzionamento delle apparecchiature. Le apparecchiature sovradimensionate presentano perdite fisse maggiori⁴ delle apparecchiature dimensionate in modo corretto. Tuttavia, il sovradimensionamento è necessario in caso di raffreddamento tradizionale poiché è richiesta potenza di ventilazione aggiuntiva per superare le ostruzioni sotto il pavimento e per pressurizzare il plenum di aspirazione del pavimento sollevato.

Contenimento del corridoio di aria fredda

In un sistema di contenimento del corridoio di aria fredda (CACS, Cold-Aisle Containment System), il corridoio di aria fredda viene racchiuso consentendo al resto del Data Center di diventare un grande plenum di aspirazione dell’aria calda di ritorno. Mediante il contenimento del corridoio di aria fredda, i flussi di aria calda e fredda sono separati.

L’installazione di un sistema CACS in questo tipo di Data Center viene effettuata racchiudendo l’inizio e la fine dei corridoi d’aria fredda, rendendolo una pratica soluzione aggiuntiva per molti Data Center già esistenti.

Per attuare questa soluzione è possibile ricorrere ad economiche tende in materiale plastico appese al soffitto per racchiudere il corridoio di aria fredda oppure ricorrere a pannelli e sportelli esterni da montare sui rack adiacenti per separare i corridoi di aria fredda dall’aria calda circolante nella sala.

Contenimento del corridoio di aria calda

In un sistema di contenimento del corridoio di aria calda (HACS, Hot-Aisle Containment System), il corridoio di aria calda viene racchiuso per raccogliere l’aria calda di scarico delle apparecchiature IT, consentendo al resto della sala di diventare un grande plenum di fornitura dell’aria fredda. Mediante il contenimento del corridoio di aria calda, i flussi di aria calda e fredda sono separati.

Questo metodo di contenimento richiede che le file di rack siano disposte in un layout uniforme a corridoi di aria calda e fredda.

La figura 2 mostra il principio di base di un sistema HACS.

Nella figura 3 è riportato un esempio di sistema HACS che utilizza unità di raffreddamento a file.

 

In alternativa, il sistema HACS può essere connesso tramite condotto a un sistema di trattamento dell’aria della sala IT (CRAH, Computer Room Air Handler) o a una unità di condizionamento remota utilizzando un ampio camino posizionato sopra l’intero corridoio di aria calda, come illustrato in Figura 4.

Uno dei vantaggi principali di questa opzione HACS è rappresentata dalla possibilità di utilizzare le modalità free cooling esistenti. Questo tipo di progettazione HACS è consigliabile nei Data Center di grandi dimensioni per i vantaggi in termini di efficienza ottenuti tramite la modalità free cooling dei condizionatori.

Questo sistema può richiedere la creazione di grandi plenum di aspirazione aria e/o un edificio costruito in modo specifico per gestire in modo efficace il grande volume d’aria. Pertanto, questa variante del sistema HACS è più indicata per le nuove progettazioni o per Data Center molto grandi.

 

Effetto del contenimento sull’ambiente di lavoro

Indipendentemente dal tipo di sistema di contenimento, all’interno del Data Center devono lavorare persone.

Quest’area senza contenimento deve essere mantenuta a una temperatura conforme alle normative OSHA o alle direttive ISO 7243 relative al superamento della temperatura a bulbo umido del globotermometro (WBGT, wet-bulb globe temperature)⁵

Notare la seguente differenza nell’area senza contenimento:

• Con il contenimento del corridoio di aria fredda, l’area senza contenimento assume la stessa temperatura del corridoio di aria calda. Con il sistema CACS, le temperature elevate del corridoio di aria calda fanno sì che l’area senza contenimento raggiunga le stesse temperature e ciò può essere problematico per il personale IT che staziona costantemente in una postazione di lavoro nel Data Center.
• Con il contenimento del corridoio di aria calda, l’area senza contenimento assume la stessa temperatura del corridoio di aria fredda. Con il sistema HACS, le temperature elevate del corridoio di aria calda restano confinate in tale corridoio e, pertanto, non colpiscono il personale IT che staziona costantemente nell’area senza contenimento.

Se il personale IT lavora nel corridoio di aria calda di un sistema HACS, le temperature elevate di tale corridoio vengono attenuate dall’apertura temporanea del corridoio per consentire l’ingresso di aria più fredda. Inoltre, anche se il corridoio di aria calda resta chiuso, le normative sull’ambiente di lavoro sono comunque rispettate per i due motivi seguenti:

• gli addetti non stazionano costantemente nell’ambiente caldo (ossia nel corridoio di aria calda) come nel caso del sistema CACS;
• la maggior parte del lavoro di routine viene svolto davanti ai rack IT.

Data la prima motivazione, le normative OSHA consentono un regime di lavoro/pausa pari a 25% lavoro/75% pausa nel corridoio di aria calda del sistema HACS ed è pertanto consentita una temperatura WBGT⁶ massima di 32,2°C. Pertanto, la temperatura del corridoio di aria calda del sistema HACS può raggiungere i 47°C. La temperatura più elevata del corridoio di aria calda consentita con il sistema HACS è la differenza chiave tra HACS e CACS poiché consente alle unità CRAH di funzionare in modo più efficiente.

Oltre al comfort umano, è anche importante il funzionamento affidabile delle apparecchiature IT. La versione del 2011 dello standard ASHRAE TC9.9 richiede temperature in ingresso nei server comprese tra 18°C e 27°C.

Con il sistema CACS, la temperatura nell’area senza contenimento può superare notevolmente i 27°C e, in casi di apparecchiature IT ad alta densità, può superare i 38°C. Pertanto, chiunque entri nel Data Center viene normalmente sorpreso dal calore presente e le visite divengono difficoltose. Con il sistema CACS, è necessario che le persone vengano informate affinché capiscano che le temperature più elevate sono “normali” e non sono un segno di un imminente guasto del sistema. Questo cambiamento culturale può risultare difficile ai lavoratori non abituati a entrare in Data Center sottoposti a temperature più elevate.

Inoltre, quando si gestisce un Data Center a temperature elevate, è necessario adottare misure particolari per le apparecchiature IT non a rack quali le librerie di nastri e i mainframe. Con il sistema CACS, questi dispositivi dovranno disporre di condotti personalizzati che consentano loro di spingere l’aria fredda dai corridoi di aria fredda contenuti. L’aggiunta di piastrelle perforate nel corridoio di aria calda consente di raffreddare queste apparecchiature, ma ostacola l’obiettivo di contenimento. Inoltre, è necessario valutare se prese elettriche, illuminazione, sistemi antincendio e altri sistemi presenti nella sala sono adatti al funzionamento a temperature elevate.

Analisi di CACS e HACS

È stata effettuata da Schneider Electric un’analisi teorica di confronto tra sistemi CACS e HACS senza perdite di aria calda o fredda, rappresentando cioè le prestazioni ottimali di entrambi. La perdita del pavimento flottante è in genere del 25-50%, mentre la perdita del sistema di contenimento è in genere del 3-10%.

Per ogni scenario sono stati stimati il numero di ore in modalità economizzatore e il PUE risultate utilizzando un modello per le ore dell’economizzatore e un modello per il PUE del Data Center. È stato anche analizzato un Data Center tradizionale senza contenimento con modalità economizzatore, utilizzata come base per confrontare l’impatto dei sistemi CACS e HACS. I Data Center CACS e HACS sono stati entrambi analizzati utilizzando due scenari di temperatura:

Scenario 1: Temperatura dell’aria in ingresso nelle apparecchiature IT costante a 27°C

Si tratta della temperatura dell’aria in ingresso massima consigliata da ASHARE

• Rilevanza per il sistema CACS: limite di temperatura sull’area senza contenimento (ossia il corridoio di aria calda) che incide sul comfort umano e sulle apparecchiature IT non a rack
• Rilevanza per il sistema HACS: temperatura nell’area senza contenimento (ossia il corridoio di aria fredda) limitata alla stessa temperatura dell’aria in ingresso nelle apparecchiature IT

In questo scenario entrambi i sistemi CACS e HACS offrono 6.218 ore in modalità economizzatore e un PUE dell’1,65. Ciò dimostra che l’efficienza dei sistemi CACS e HACS è equivalente se si ignorano i problemi relativi a sicurezza umana e ad apparecchiature IT non a rack. Tuttavia, con il sistema CACS, la temperatura dell’area senza contenimento è di 41°C con il 20% di umidità relativa equivalente a una temperatura WBGT di 27°C, prossima al limite massimo WBGT OSHA di 30°C. Si tratta di un ambiente di lavoro proibitivo per il personale IT e per le apparecchiature IT non a rack. Nella realtà, una temperatura così elevata impone l’introduzione di ingresso di aria fredda nell’area senza contenimento.

Scenario 2: Temperatura nell’area senza contenimento mantenuta a 24°C costanti

Si tratta della temperatura interna standard da progettazione⁷ per il comfort umano

• Rilevanza per il sistema CACS: temperatura dell’aria in ingresso nelle apparecchiature IT notevolmente ridotta per mantenere la temperatura nell’area senza contenimento (ossia il corridoio di aria calda)
• Rilevanza per il sistema HACS: temperatura dell’aria in ingresso nelle apparecchiature IT limitata alla stessa temperatura dell’area senza contenimento (ossia il corridoio di aria fredda)

In questo scenario, mantenendo la temperatura dell’area senza contenimento a 24°C/75°F limita il sistema CACS a zero ore all’anno in modalità economizzatore e un PUE peggiore del 20% rispetto allo scenario 1. La temperatura interna standard risultante è pari a 10°C/50°F. L’efficienza HACS scende a 5,319 ore all’anno in modalità economizzatore a un PUE dell’1,69. Entrambi i sistemi CACS e HACS nello scenario 2 consentono una temperatura dell’ambiente di lavoro e dell’aria in ingresso nelle apparecchiature IT accettabili.

Confrontando questi due casi, il sistema HACS offre 5,319 ore in modalità economizzatore in più e un miglioramento del 15% nel PUE.

In un Data Center standard, con carico al 50%, l’energia IT rappresenta la parte maggiore del costo energetico, seguita dal costo energetico del sistema di raffreddamento. In confronto al sistema CACS, alla stessa temperatura dell’area senza contenimento di 24°C, il sistema HACS consuma il 43% in meno di energia per il sistema di raffreddamento. La maggior parte di questi risparmi sono attribuiti alle ore in modalità economizzatore in cui il refrigeratore è spento. A questa temperatura dell’ambiente di lavoro, il sistema CACS non può usufruire di ore in modalità economizzatore a causa della bassa temperatura della fornitura di acqua refrigerata. La piccola differenza nell’energia del sistema di alimentazione è dovuta a un aumento nelle perdite degli interruttori causate dalle ore aggiuntive di funzionamento del refrigeratore nel caso del sistema CACS.

Rispetto al sistema tradizionale di base senza contenimento, il sistema CACS consuma il 30% in più di energia del sistema di raffreddamento e il 9% in più di energia totale del Data Center.

Rispetto al sistema tradizionale di base senza contenimento, il sistema HACS consuma il 25% in meno di energia del sistema di raffreddamento e il 7% in meno di energia totale del Data Center.

Risulta chiaro che, applicando i vincoli pratici di temperatura dell’ambiente lavorativo e considerando il clima, il contenimento del corridoio di aria calda offre un numero notevolmente superiore di ore in modalità economizzatore e un PUE inferiore rispetto al contenimento del corridoio di aria fredda. Questo è vero indipendentemente dal tipo di unità di raffreddamento o dal metodo di reiezione del calore utilizzato (ossia perimetrale o basato su file, acqua refrigerata o espansione diretta).

Effetto di una perdita di aria sull’analisi teorica

Nell’analisi precedente si è considerato che i sistemi CACS e HACS fossero completamente isolati in modo che non vi fosse alcuna perdita tra i flussi di aria calda e fredda. Questa presupposizione improbabile ci consente di calcolare l’efficienza massima delle unità CRAH e consente un confronto equo tra CACS e HACS.

Nella realtà, è sempre presente una perdita di aria fredda con i sistemi CACS o HACS che richiede un flusso d’aria della ventola dell’unità CRAH maggiore del flusso d’aria delle apparecchiature IT. Questo si applica anche alle unità CRAH con ventole a velocità variabile. L’equilibrio del flusso d’aria deve essere pari al flusso d’aria delle apparecchiature IT più la percentuale di perdita di aria dal sistema di contenimento, ad esempio dal pavimento sopraelevato. Ad esempio, se le unità CRAH forniscono 47 m3/s di aria e le apparecchiature IT consumano 38 m3/s di aria, i restanti 9 m3/s devono ritornare alle unità CRAH.

Tutta l’aria non utilizzata per raffreddare le apparecchiature IT rappresenta energia sprecata. Questa energia sprecata si presenta in due forme:

• l’energia della ventola utilizzata per il movimento dell’aria;
• l’energia della pompa utilizzata per il movimento dell’acqua refrigerata tramite la serpentina dell’unità CRAH.

Inoltre, la miscela di aria calda e fredda riduce la capacità dell’unità CRAH. Più l’aria si miscela, maggiore è il numero di unità CRAH richieste per rimuovere la stessa quantità di calore mantenendo al contempo la temperatura appropriata dell’aria in ingresso alle apparecchiature IT.

Per comprendere l’effetto della perdita di aria, è stata ripetuta l’analisi precedente utilizzando diverse percentuali di perdita di aria. A causa della maggiore energia della ventola necessaria per le unità CRAH aggiuntive, l’aumento di energia per il sistema CACS è stato superiore a quello per il sistema HACS. Ciò è dovuto al fatto che una maggiore quantità di aria fredda si miscela nel corridoio di aria calda con il sistema CACS rispetto al sistema HACS. Il corridoio di aria calda nel sistema HACS è influenzato unicamente dalle aperture per i cavi in ogni rack, mentre il corridoio di aria calda nel sistema è influenzato dalle aperture per i cavi nel rack, dalle aperture attorno al perimetro del Data Center e dalle aperture sotto le unità PDU. Ciò

provoca una perdita di aria fredda superiore del 50% circa rispetto al sistema HACS. L’energia di raffreddamento per i risparmi del sistema HACS rispetto al sistema CACS, restano approssimativamente gli stessi (43% di risparmi del sistema di raffreddamento e 15% di risparmi totali sull’energia).

Conclusioni

La prevenzione della miscelazione di aria calda e fredda è una chiave per tutte le strategie efficienti di raffreddamento del Data Center. Entrambi i sistemi HACS e CACS offrono migliore densità di alimentazione ed efficienza rispetto ai sistemi di raffreddamento tradizionali.

Un sistema di contenimento del corridoio di aria calda (HACS, Hot-Aisle Containment System) è più efficiente di un sistema di contenimento del corridoio di aria fredda (CACS, Cold-Aisle Containment System) poiché consente temperature più elevate del corridoio di aria calda e temperature maggiori dell’acqua refrigerata e ciò permette un maggior numero di ore in modalità economizzatore e notevoli risparmi sui costi energetici. I punti di regolazione di raffreddamento possono essere impostati a livelli più elevati mantenendo al contempo una temperatura confortevole nell’area senza contenimento del Data Center.

L’analisi condotta mostra che un sistema HACS può consentire un risparmio del 43% sui costi energetici annui del sistema di raffreddamento corrispondenti a una riduzione del 15% del PUE annuo rispetto al sistema CACS.

Tutti i nuovi progetti di Data Center dovrebbero adottare il sistema HACS come strategia di contenimento predefinita. Nei casi in cui il contenimento non sia inizialmente richiesto, i Data Center di nuova progettazione dovrebbero essere predisposti per la futura distribuzione di sistemi HACS.

Per i Data Center esistenti con pavimento sopraelevato e layout perimetrale delle unità di raffreddamento, può essere più semplice e meno costoso implementare un sistema CACS.

 

¹Layout rack in cui una fila di rack è posizionata con le parti anteriori rivolte verso le parti anteriori della fila adiacente. Questo layout forma corridoi alternati di aria calda e fredda.
² La differenza tra temperatura esterna e interna deve essere sufficiente da coprire le inefficienze degli scambiatori di calore, isolamenti imperfetti e altre perdite.
³ I punti di regolazione possono essere vincolati in sistemi di raffreddamento comuni all’intero edificio condivisi dal Data Center
⁴ La perdita fissa, denominata anche assenza di carico o shunt, è una perdita costante indipendente dal carico. Una ventola di un condizionatore d’aria a velocità costante è un esempio di perdita fissa poiché funziona sempre alla stessa velocità, indipendentemente dal carico.
⁵ Manuale tecnico OSHA (Occupational Safety & Health Administration), sezione III, capitolo 4 ISO (International Organization for Standardization) 7243, “Hot environments – Estimation of the heat stress on working man based on WBGT index”. La “temperatura a bulbo umido del globotermometro” (WBGT, wet-bulb globe temperature) è un indice che misura lo stress da calore negli ambienti di lavoro umano.

WBGT = 0,7*NWB + 0,3*GT

dove NWB è la temperatura a bulbo umido naturale e GT è la temperatura del globotermometro La temperatura NWB viene misurata posizionando uno stoppino inumidito con acqua sul bulbo di un termometro a mercurio. L’evaporazione riduce la temperatura relativa alla temperatura a bulbo secco ed è una rappresentazione diretta della semplicità con cui un addetto possa dissipare calore mediante la sudorazione. Per un Data Center può essere utilizzata la temperatura a bulbo secco anziché la temperatura del globotermometro senza compromettere l’accuratezza. “Bulbo secco” si riferisce alla temperatura misurata utilizzando un normale termometro analogico o digitale. Temperatura massima WBGT OSHA:

• Lavoro continuo: 30°C
• 25% lavoro 75% pausa: 32°C

⁶ La temperatura a bulbo umido del globotermometro (WBGT,web-bulb globe temperature) è una misura dello stress da calore che dipende fortemente dall’umidità relativa dell’ambiente di lavoro. La temperatura massima del corridoio di aria calda di 47°C presuppone un’umidità relativa del corridoio di aria fredda del 45%.
⁷ American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2001 ASHRAE Fundamentals Handbook, pagina 28.5.

Bibliografia:

• Fondamenti di trasmissione del calore, Gianni Comini, Giovanni Cortella
• Fondamenti di termodinamica applicata, Gianni Comini
• Impatto del contenimento dei corridoi di aria calda e fredda sulla temperatura e sull’efficienza del Data Center, JohnNiemann, Kevin Brown, Victor Avelar
• Gli impianti elettrici nei settori terziario e industriale, Giovanni Bellato, Mario Montalbetti
• Schede tecniche di progettazione degli impianti elettrici, Mario Montalbetti, Massimo Baronio
• Progettazione di impianti tecnici, Gino Moncada Lo Giudice, Livio De Santoli