Centros de dados e sistemas de HVAC de centro de dados são infra-estruturas críticas, com fome de energia que operam em torno do relógio. Eles fornecem funções de computação que são vitais para as operações diárias das principais organizações econômicas, científicas e tecnológicas ao redor do mundo. A quantidade de energia consumida por esses centros é estimada em 3% do consumo total mundial de eletricidade, com uma taxa de crescimento anual de 4,4%. Naturalmente, isso tem um tremendo impacto econômico, ambiental e de desempenho que faz da eficiência energética dos sistemas de refrigeração uma das principais preocupações para os designers de data center, à frente das considerações tradicionais de disponibilidade e segurança. Este artigo irá discutir os padrões do centro de dados ASHRAE que se relacionam com estas preocupações.

ASHRAE data center standards and accompanying studies also show that the largest energy consumer in a typical data center is the cooling infrastructure (50%), followed by servers and storage devices (26%). Assim, a fim de controlar os custos, ao mesmo tempo em que atender a crescente demanda por instalações de data center, os designers devem fazer da infraestrutura De Refrigeração e sua eficiência energética seu foco principal; introduzindo as normas ASHRAE data center.

Data Center HVAC: quais os padrões a seguir?

até recentemente, esta foi uma tarefa desafiadora, devido ao fato de que os padrões da indústria utilizados para avaliar a eficiência energética dos centros de dados e instalações de servidores eram inconsistentes. Para estabelecer uma regra para as medições de eficiência energética do centro de dados HVAC, a eficiência de uso de energia (PUE) foi introduzida em 2010. No entanto, ele serviu como uma métrica de desempenho ao invés de um padrão de design e ainda não conseguiu abordar os componentes de design relevantes, então o problema permaneceu.

nova norma de Eficiência Energética ASHRAE 90.4

Isto levou a American Society of Heating, Refrigerating, and Air-conditioning Engineers (ASHRAE), uma das principais organizações responsáveis pelo desenvolvimento de diretrizes para os vários aspectos de construção de design, para desenvolver um novo padrão que seria mais prático para o centro de dados da indústria. o projeto ASHRAE data center standards, ASHRAE 90.4, está em desenvolvimento há vários anos e foi publicado em setembro de 2016, trazendo um padrão muito necessário para a comunidade de data center. De acordo com ASHRAE, este novo padrão HVAC do centro de dados, entre outras coisas, “estabelece os requisitos mínimos de eficiência energética dos centros de dados para o projeto e construção, para a criação de um plano de operação e manutenção e para a utilização de recursos de energia renovável no local ou fora do local.”

ashrae data center standards data center cooling model
Data Center Model

no geral, este novo padrão ASHRAE 90.4 contém recomendações para o projeto, construção, operação e manutenção de data centers. Este padrão ASHRAE data center aborda explicitamente as necessidades únicas de energia dos centros de dados em oposição aos edifícios padrão, integrando assim os aspectos mais críticos e os riscos em torno da operação dos centros de dados. E ao contrário da métrica de eficiência energética de PUE, os cálculos em ASHRAE 90.4 são baseados em componentes representativos relacionados com o projeto. As organizações precisam calcular eficiências e Perdas para diferentes elementos dos sistemas e combiná-los em um único número, que deve ser igual ou inferior aos valores máximos publicados para cada zona climática.

Como Dinâmica de Fluidos Computacional Pode Ajudar Você a Cumprir com a ASHRAE 90.4

Qualquer número diferente de projeto de sistema de refrigeração de estratégias ou andar de layout variações podem afetar os resultados, alterando assim a eficiência, criação de hotspots ou alterar a quantidade de infra-estrutura necessários para o projeto. Computational fluid dynamics (CFD) oferece um método de avaliação de novos projetos ou alterações a projetos existentes antes de serem implementados de acordo com os padrões do centro de dados ASHRAE.

para aprender como o CFD pode ajudá-lo a reduzir o consumo excessivo de energia dos seus sistemas de centro de dados e cumprir com ASHRAE 90.4, veja esta webinar:

estratégias de Design para reduzir o consumo de energia do centro de dados

projetar uma nova instalação de centro de dados ou mudar uma existente para maximizar a eficiência de refrigeração pode ser uma tarefa desafiadora. Estratégias de Design para reduzir a eficiência energética de um centro de dados incluem:

  • Centros de dados de posicionamento baseados em condições ambientais (localização geográfica, clima, etc.)
  • decisões de concepção baseadas na topologia da infra-estrutura (infra-estrutura de TI e normas de TI)
  • adaptar as melhores estratégias do sistema de arrefecimento

melhorar a configuração do sistema de refrigeração do centro de dados é uma oportunidade chave para o engenheiro de design HVAC reduzir o consumo de energia. Algumas das diferentes estratégias de refrigeração que designers e engenheiros seguem para conservar a energia são:

  • ar condicionado e manipuladores de ar
    os tipos mais comuns são as unidades de ar condicionado (AC) ou de ar condicionado de sala de computadores (CRAH) que sopram ar frio na direção necessária para remover ar quente da área circundante.
  • corredor quente/corredor frio
    o ar frio (ou corredor) é passado para a frente das prateleiras do servidor e o ar quente sai do lado traseiro das prateleiras. O principal objetivo aqui é gerenciar o fluxo de ar, a fim de conservar a energia e reduzir o custo de resfriamento. A imagem abaixo mostra os movimentos de fluxo de ar frio e quente em um centro de dados.
  • contenção do corredor quente/corredor frio
    contenção dos corredores quente/frio é feito principalmente para separar o ar frio e quente dentro da sala e remover o ar quente dos armários. A imagem abaixo mostra movimentos detalhados de fluxo de ar de contenção de frio e quente individualmente.

Contentor de corredor frio quente ASHRAE 90.4

  • Os sistemas de arrefecimento por líquido
    proporcionam uma forma alternativa de dissipar o calor do sistema. Esta abordagem inclui aparelhos de ar condicionado ou refrigerantes com água fria perto da fonte de calor.
  • resfriamento verde
    resfriamento verde (ou resfriamento livre) é uma das tecnologias sustentáveis utilizadas nos centros de dados. Isto poderia envolver simplesmente a abertura de uma janela do centro de dados coberta com filtros e amplificadores para permitir técnicas de arrefecimento natural. Esta abordagem poupa uma enorme quantidade de dinheiro e energia.

identificar a combinação certa destas técnicas de arrefecimento pode ser um desafio. Aqui está como a simulação de CFD pode tornar esta tarefa mais fácil.Estudo De Caso: Melhoria dos sistemas de resfriamento do centro de dados

dinâmica dos fluidos computacionais (CFD) pode ajudar engenheiros e projetistas de centros de dados a modelar um centro de dados virtual e investigar a temperatura, velocidade do fluxo de ar e campos de pressão de uma forma rápida e eficiente. A análise numérica apresenta tanto o contorno visual 3D como dados quantitativos que são altamente detalhados, mas fáceis de compreender. Áreas de fluxo complexo de recirculação e hotspots são facilmente visualizadas para ajudar a identificar potenciais falhas de design. A implementação de diferentes decisões e estratégias de design no modelo virtual é relativamente simples e pode ser simulada em paralelo.

Data Center Cooling Systems: Project Overview

For the purpose of this study, we used a simulation project from the SimScale Public Projects Library that investigates two different data center cooling system designs, their cooling efficiency, and energy consumption. Pode ser copiado e usado livremente por qualquer usuário da SimScale.

os dois cenários de projecto são apresentados na figura abaixo.:

centro de dados de projeto de sistema de refrigeração de comparação

O primeiro conceito que vamos considerar usa um piso elevado de configuração, um sistema de refrigeração que é implementado em centros de dados. Quando esta técnica é utilizada, o ar frio entra na sala através das peças perfuradas no chão e, por sua vez, arrefece as prateleiras do servidor. Além disso, o segundo modelo usa contenção de corredor quente e menor configuração de teto para melhorar a eficiência de resfriamento. Vamos usar CFD para prever e comparar o desempenho dos dois projetos e determinar a melhor estratégia de arrefecimento.

ASHRAE Data Center Standards: CFD Simulation Results

Baseline Design of the Data Center Cooling System

we investigated the temperature distribution and the velocity field inside of the server room for both design configurations. As imagens de pós-processamento abaixo mostram os campos de velocidade e temperatura para a metade do projeto de linha de base. Pode-se observar que o ar quente está presente na região do corredor frio. Isto é devido à mistura de ambos os corredores frios e quentes dentro do centro de dados circundante. A velocidade máxima para este projeto de linha de base é de 0,44 m / s, com um intervalo de temperatura de 28,6 a 49,7 graus Celsius.

o contorno de temperatura mostra que as zonas entre as duas prateleiras do servidor são muito mais resfriadas em comparação com as outras. As razões para isso podem ser entendidas olhando para os padrões de fluxo.

é evidente na imagem acima que nas linhas do servidor onde as entradas estão presentes, o topo das prateleiras vê uma direção de fluxo descendente, em vez do fluxo ascendente desejável das próprias entradas. Isto é devido às fortes correntes de recirculação impulsionadas por forças de flutuação térmica. Este efeito é muito indesejável, uma vez que reduz a eficácia de refrigeração especificamente para as prateleiras superiores das prateleiras dos servidores. Este efeito poderia ser minimizado, permitindo um fluxo de ar adequado acima das prateleiras, quer aumentando a altura do teto, colocando mais saídas distribuídas no teto, ou usando algum tipo de Sistema de controle de fluxo ativo (ventoinhas) para direcionar o fluxo acima das prateleiras do servidor. Ou mais simplesmente, impedindo que o ar quente proveniente das prateleiras circule livremente.

ashrae centro de dados de normas

A temperatura trama mostra uma significativa estratificação de temperatura que seria de esperar dada a grande recirculação de correntes. Podemos observar que apenas os servidores mais baixos estão recebendo o resfriamento apropriado.

design melhorado do sistema de refrigeração do centro de dados

as duas imagens seguintes mostram a distribuição de velocidade e temperatura para o cenário de projeto melhorado, Painel Da seção média.

ashrae data center standards

the velocity field shows that the flow is now driven to the outlets. Isto é devido à presença de contenção em cima das prateleiras. Isso também resulta em uma melhor distribuição de temperatura. As zonas frias entre as prateleiras do servidor são particularmente estendidas.

ashrae data center standards

a imagem acima mostra como o confinamento a quente impede o fluxo ascendente de recircular de volta para as linhas de entrada. Isto resulta em um padrão de fluxo geral mais limpo em comparação com o que foi visto no projeto anterior. Também é evidente que o novo design reduz a estratificação da temperatura, particularmente nas regiões confinadas entre os servidores.

ashrae data center standards

a temperatura média calculada para cada rack é mais baixa para o projeto melhorado em cerca de 23%.

isso também se reflete na diminuição da quantidade de energia que tem de ser fornecida ao servidor para evitar o superaquecimento. Em média, a economia de energia de 63% para o sistema de resfriamento do centro de dados foi alcançada.

ashrae data center standards

Data Center Cooling Systems: Conclusões & conformidade com os padrões do ASHRAE Data Center

um centro de dados típico pode consumir tanta energia como 25.000 famílias. Com o aumento do custo da eletricidade, o aumento da eficiência energética tornou-se a principal preocupação para os designers do centro de dados de hoje.

este estudo de caso foi apenas uma pequena ilustração de como a simulação CFD pode ajudar designers e engenheiros a validar suas decisões de design e prever com precisão o desempenho de seus sistemas de resfriamento do centro de dados para garantir que nenhuma energia é desperdiçada, e de acordo com os padrões do centro de dados ASHRAE. Toda a análise foi feita em um navegador web e levou apenas algumas horas de tempo manual e de computação. Para saber mais, observe a gravação do webinar:

se você quiser ler mais sobre os padrões do centro de dados ASHRAE e como a simulação CFD ajuda engenheiros e arquitetos a melhorar os sistemas HVAC do centro de dados, juntamente com o desempenho geral da construção, baixe este livro branco gratuito.

  • W. V. Heddeghem et al., Tendências do consumo mundial de eletricidade no domínio das TIC de 2007 a 2012, Comput. Comun., volume. 50, pp. 64-76, Set. 2014
  • Top 10 energy-saving tips for a greener data center, Info-Tech Research Group, London, ON, Canada, Abr. 2010, http://static.infotech.com/downloads/samples/070411_premium_oo_greendc_top_10.pdf
  • norma ASHRAE 90.4-2016 – norma de energia para centros de dados, https://www.techstreet.com/ashrae/standards/ashrae-90-4-2016

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