WHITE PAPER SmartAisle e il contenimento del corridoio freddo

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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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