WHITE PAPER Le soluzioni che migliorano l`efficienza energetica

WHITE PAPER
Le soluzioni che migliorano l’efficienza energetica
Migliorare l'efficienza di un data center esistente:
5 possibili soluzioni di Thermal Management a confronto
Introduzione
In questo documento si prenderanno in esame cinque possibili soluzioni di Thermal Management per
rendere più efficienti due datacenter esistenti della potenza termica di 300 kW ciascuno, ubicati in
città rappresentative come Roma e Milano. L'obiettivo è individuare la soluzione di raffreddamento
energeticamente più efficiente in grado di ridurre significativamente l’attuale consumo elettrico.
L’analisi si sviluppa utilizzando alcune soluzioni presenti nel portafoglio prodotti Emerson Network
Power in modo da offrire un confronto basato non solo su calcoli teorici, ma anche sull’esperienza
consolidata di Emerson attraverso i dati reali rilevati dal funzionamento di numerosi data center
realizzati in Italia e all’estero.
I parametri di riferimento :
-
data center della potenza termica di 300 kW installati nelle città di Roma e di Milano;
controllo della temperatura e umidità;
set-point ambiente 24°C 50%;
ridondanza unità N+1 .
Tipologia delle unità di raffreddamento esistenti :
-
6 x (M58UA+2xHCE49) in funzione
1 x (M58UA+2xHCE49) in standby
N° 6 condizionatori +1 in standby della capacità di 58 kW ciascuno, dotati di compressore ermetico
scroll con ventilatore a velocità fissa e motore AC, gas refrigerante R407C abbinati a condensatori
remoti con ventilatori dotati di pressostato.
Il consumo elettrico annuale del sistema di condizionamento esistente è pari a 1.253.920 kW per il
datacenter situato a Milano e 1.254.400 kW per quello di Roma.
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2
1° Soluzione: sostituzione dei
ventilatori a velocità fissa esistenti
Dovendo sostituire le macchine esistenti nel data
center per offrire una soluzione energeticamente più
efficiente, la prima opzione proposta è quella di
utilizzare macchine analoghe a quelle installate, ma
dotate di ventilatori con motori a commutazione
elettronica EC. Il ventilatore EC permette di
ottenere sia un risparmio a parità di velocità (grazie
alla maggior efficienza del motore EC), sia di
aumentare esponenzialmente i benefici ai carichi
parziali, andando a ridurre i consumi con un rapporto
cubico rispetto alla riduzione di velocità. Ad esempio
ridurre la velocità del 30% porta ad una riduzione
dell’assorbimento di oltre il 65%.
Assunzioni di base:
•
•
•
•
•
Siti di riferimento: Milano e Roma
Costo dell’energia stimato in 0.1 €/kWh
N° 6+1 condizionatori della capacità di 58 kW
cad. condensati ad aria
Ventilatore EC Fan Light
guasto a terra.
Questo tipo di soluzione (sulla base del diverso
consumo tra i due tipi di ventilatore) porterebbe ad
un risparmio energetico uguale in entrambi i siti di
Milano e Roma pari a 5.992 € all’anno corrispondenti
ad un risparmio equivalente al 5% dell’energia
consumata rispetto alla situazione di base.
Ventilatori a commutazione elettronica EC
MILANO - ROMA
Proposta
N°
Soluzione
Investimento Costo dell’energia
[€]
[€/anno]
Base
Configurazione SENZA
Ventilatore EC
100%
125.392
1
Configurazione con
Ventilatore EC
110%
119.400
Risparmio
[€/anno]
Ritorno
dell’investimento [anni]
5.992
1,1
5% di risparmio
Tabella 1: risparmio energetico ottenibile nei data center di Roma e Milano presi in esame, con la sostituzione dei ventilatori a
velocità fissa esistenti.
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3
2° Soluzione: utilizzare il free-cooling
diretto con “Air Economizer”
Recommended ASHRAE Classe A1
Una seconda proposta consiste nell’utilizzare
condizionatori dotati di uno speciale plenum con
serrande e sensori di temperatura e umidità “Air
Economizer” per operare il cosiddetto free-cooling
diretto. Per massimizzare il free-cooling si sono
attivati contemporaneamente tutti i condizionatori
disponibili. La soluzione è in così grado di apportare
significativi risparmi energetici.
L’elemento discriminante è tuttavia rappresentato dal
controllo dell’umidità: generalmente la soluzione con
il free-cooling diretto ha un uso limitato ai periodi
molto freddi e quindi secchi. In tali periodi quando si
immette nel data center aria molto secca si rischia, a
causa della bassa umidità, di produrre pericolose
correnti statiche negli apparati rendendo quindi
necessario l’uso dell’umidificatore (elemento ad alto
consumo energetico).
Assunzioni di base:
•
•
•
Nelle stagioni umide (in primavera e autunno) la
situazione è opposta e cioè si immette nel data center
aria troppo umida che richiede continua
deumidificazione. Un controllo efficiente si ottiene
utilizzando l’intelligenza tecnologica dell’Air
Economizer che consente di gestire i limiti di
temperatura e umidità relativa desiderati potendo
scegliere le condizioni più adatte all’applicazione,
evitando cioè di immettere aria esterna quando
energeticamente non è conviente.
•
•
Siti di riferimento : Milano e Roma
costo dell’energia stimato in 0.1 €/kWh
dispositivo economizzatore (settaggio minimo
dell’umidità 40%)
Attivazione di tutti i condizionatori disponibili(
n°7) compreso quello in stand-by ognuno
dotato di dispositivo Air Economizer
Ventilatore EC Fan Light.
MILANO
Proposta N°
Soluzione
1
Configurazione SENZA
Ventilatore EC
Configurazione con
Ventilatore EC
2
Air Economizer come da
ASHRAE A1
Base
Risparmio
[€/anno]
Ritorno
dell’investimento [anni]
119.400
5.992
1,1
109.949
15.443
1.34
Investimento
[€]
Costo dell’energia
[€/anno]
100%
125.392
110%
127%
12 % Savings
Tabella 2A: Risparmio energetico ottenibile con l'implementazione del free-cooling diretto con Air Economizer, nel data center
di Milano.
Sito www.EmersonNetworkPower.it
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4
ROMA
Soluzione
Proposta N°
Base
1
2
Configurazione SENZA
Ventilatore EC
Configurazione CON
Ventilatore EC
Air Economizer come da
ASHRAE A1
Investimento Costo dell’energia
[€]
[€/anno]
100%
125.392
110%
119.400
127%
108.100
Risparmio
[€/anno]
Ritorno
dell’investimento
[anni]
5.992
1,1
17.292
1.2
14 % Savings
Tabella 2B: Risparmio energetico ottenibile con l'implementazione del free-cooling diretto con Air Economizer, nel data center
di Roma.
Questa configurazione, dotata di Ventilatore EC ed
Air Economizer selettivo di Classe A1 secondo
ASHRAE, trova un maggior risparmio energetico sul
sito di Roma. Anche se può sembrare un paradosso,
in realtà la condizione termoigrometrica dell’aria
esterna di Roma è per poche ore all’anno più
favorevole rispetto a quella di Milano (ovviamente
per un utilizzo nel data center).
Pertanto la configurazione sul sito di Roma porta ad
un risparmio complessivo pari a 17.292 € per anno
corrispondenti ad un risparmio energetico
equivalente al 14% rispetto alla situazione base.
3° Soluzione: utilizzare il freecooling diretto con “Air
Economizer”
Recommende ASHRAE Classe A2-A4
Volendo massimizzare il risparmio conseguente
dall’utilizzo del free-cooling diretto si può pensare di
estendere il calcolo fino ai limiti delle condizioni
raccomandate ASHRAE per la classe A2-A4.
Con questo approccio possiamo aumentare le ore di
utilizzo del free-cooling diretto, potendo settare nel
controllo dell’Economizer i parametri di umidità
desiderati e comunque entro un range più ampio
rispetto alla raccomandazione ASHRAE Classe A1.
Tale opzione va attentamente valutata in tutti quei
casi in cui l’umidità non viene controllata o non
costituisce un problema per le apparecchiature da
raffreddare.
Con questi settaggi il risparmio può crescere come
da tabelle.
Assunzioni di base:
•
•
•
•
•
Siti di riferimento: Milano e Roma
costo dell’energia stimato in 0.1 €/kWh
dispositivo economizzatore (settaggio minimo
dell’umidità Dew Point 5.5°C)
Attivazione di tutti i condizionatori disponibili
(n°7) compreso quello in stand-by ognuno
dotato di dispositivo Air Economizer
Ventilatore EC Fan Light .
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5
MILANO
Proposta
N°
Base
1
2
3
Soluzione
Investimento Costo dell’energia
[€]
[€/anno]
Configurazione SENZA
Ventilatore EC
Configurazione con
Ventilatore EC
Risparmio
[€/anno]
Ritorno
dell’investimento
[anni]
100%
125.392
110%
119.400
5.992
1,1
Air Economizer come da
ASHRAE A1
127%
109.949
15.443
1.34
Air Economizer come da
ASHRAE A2-A4
127%
83.492
41.900
0,60
33 % Savings
Tabella 3A: Risparmio energetico ottenibile con l'implementazione del free-cooling diretto con Air Economizer, nel data center
di Milano.
ROMA
Proposta
N°
Base
1
2
3
Soluzione
Configurazione SENZA
Ventilatore EC
Configurazione con Ventilatore
EC
Investiment Costo dell’energia
o [€]
[€/anno]
Risparmio
[€/anno]
Ritorno
dell’investimento
[anni]
100%
125.392
110%
119.400
5.992
1,1
Air Economizer come da
ASHRAE A1
127%
108.100
17.292
1.20
Air Economizer come da
ASHRAE A2-A4
127%
82.132
43.260
0,57
34 % Savings
Tabella 3B: Risparmio energetico ottenibile con l'implementazione del free-cooling diretto con Air Economizer, nel data center
di Roma.
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6
4° Soluzione: refrigerazione a
capacità variabile
Disponibilità e affidabilità:
•
Una strada alternativa con costi di investimento
paragonabili al sistema con free-cooling diretto è
quella di sfruttare il progresso tecnologico
dell’ultima generazione di condizionatori di
precisione, utilizzando la refrigerazione a capacità
variabile, il ventilatore EC, il compressore con
modulazione della capacità frigorifera e la valvola di
espansione elettronica. Quando è importante avere
un preciso e continuo equilibrio tra il carico termico e
la capacità frigorifera, la soluzione si ottiene
utilizzando l'innovativo compressore: "Copeland
Digital Scroll".
•
Un numero inferiore di cicli di avvio/arresto, che
corrispondono ad una maggiore durata
Ampi limiti di esercizio per una maggiore
disponibilità
Maggiore efficienza grazie a:
•
•
•
Effetto COP e SHR
Effetto valvola di espansione elettronica
Effetto ventilatore EC.
Riassumiamo di seguito i vantaggi dell’unità di
condizionamento dotata di compressori a capacità
variabile.
Modulazione:
• Perfetta corrispondenza tra la capacità di
raffreddamento e il carico termico
• Minor assorbimento di corrente a carico parziale
• Adattamento rapido ai cambiamenti del carico
termico
• Possibilità di dimensionare il sistema di
raffreddamento in vista di una crescita futura del
carico termico.
Controllo di precisione:
• Controllo più preciso della temperatura
ambiente.
Compressore Copeland Digital Scroll
Assunzioni di base:
• Siti di riferimento : Milano e Roma
• Costo dell’energia stimato in 0.1 €/kWh
• N° 7 condizionatori dotati di compressore Digital
Scroll condensati ad aria da 58 kW, tutti
funzionanti in modulazione, pronti con Hot
standby a recuperare le perdite di potenza delle
eventuali apparecchiature in stop per anomalia
• Ventilatore EC Fan Light.
MILANO – ROMA
Proposta N°
Base
1
4
Soluzione
Configurazione SENZA
Ventilatore EC
Configurazione con
Ventilatore EC
Configurazione con
Digital condensato ad
aria
Investimento Costo dell’energia
[€]
[€/anno]
100%
125.392
110%
119.400
128%
68.187
Risparmio
[€/anno]
Ritorno
dell’investimento
[anni]
5.992
1,1
57.205
0,4
45 % Savings
Tabella 4: Risparmio energetico ottenibile nella configurazione con compressore modulante Copeland Digital ScrollTM .
Questo tipo di soluzione, che prevede l’utilizzo di una configurazione con compressore Copeland Digital
scroll e condensatore ad aria remoto, offre un risparmio fino a 570.000 kW/h all’anno, corrispondenti a un
risparmio di oltre 57.000 € /anno e a minori immissioni di CO2 in atmosfera pari a 336.300 Kg/anno.
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7
5° Soluzione: gestione dinamica
del raffreddamento a livello di
server
Per ridurre ulteriormente e drasticamente il
consumo energetico e quindi ottimizzare al massimo
l’investimento dell’installazione, si propone una
soluzione che interviene a livello condizionatore,
distribuzione dell’aria e controllo.
La soluzione qui consigliata include un
condizionatore in grado di modulare
contemporaneamente sia la capacità frigorifera
(compressore modulante digital scroll) che la portata
d’aria. La gestione dinamica del sistema
denominato” Smart Aisle” prevede infatti che venga
attuata la disposizione delle file rack in corridoi caldi
e freddi e, al fine di ottimizzare la distribuzione
dell’aria e della temperatura, si adotti la
compartimentazione (chiusura con un apposita
struttura) del corridoio freddo.
La logica di “Smart Aisle” consiste in un rigoroso
controllo di temperatura, umidità e portata aria a
livello server in modo da garantire sempre l’esatta
portata d’aria richiesta dagli stessi server
mantenendo uniforme la temperatura desiderata nel
corridoio freddo.
Il sistema è quindi completato dalla presenza della
valvola di espansione elettronica che ottimizza la
condensazione, sfruttando i benefici di una
condensazione più bassa nel periodo più freddo,
senza tuttavia compromettere il rapporto fra calore
sensibile e latente, cosa che accadrebbe in assenza di
compressore modulante e presenza del controllo di
umidità.
Con questo tipo di soluzione si propone un cambio di
prospettiva nel raffreddamento tecnologico dei data
center, cioè passare dalla logica che punta sul
raffreddamento di precisione della sala basato sul
condizionatore dimensionato solo sulla massima
potenza frigorifera, alla logica dinamica che mira a
un condizionamento dell’aria dedicata ai server
seguendone le necessità in termini di portata e
temperatura in modo preciso e puntuale.
Assunzioni di base:
•
Siti di riferimento: Milano e Roma
•
costo dell’energia stimato in 0.1 €/kWh
• Chiusura del corridoi freddo e controllo a livello
del server
•
N° 7 condizionatori dotati di compressore Digital
Scroll condensati ad aria da 58 kW, tutti
funzionanti in modulazione, pronti con Hot
standby a recuperare le perdite di potenza delle
eventuali apparecchiature in stop per anomalia.
MILANO – ROMA
1
4
5
Ritorno
dell’investimento
[anni]
119.400
5.992
1,1
128%
68.187
57.205
0,4
150%
49.961
75.431
0,5
Investimento
[€]
Costo
dell’energia
[€/anno]
Configurazione SENZA
Ventilatore EC
100%
125.392
Configurazione con Ventilatore EC
110%
Configurazione con Digital
condensato ad aria
Proposta N°
Base
Risparmio
[€/anno]
Soluzione
Configurazione digital condensato
ad aria con il contenimento del
corridoio e il controllo a livello del
server
Tabella 5: risparmio energetico ottenibile con l'implementazione di Smart AisleTM.
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8
Il risultato ottenuto è un abbattimento dei consumi di oltre il 60%, con un risparmio fino a 470.000 kWh.
Una equivalente quantità di energia se prodotta in Italia - comporterebbe l’emissione di 462.560 kg di
CO2.
Migliore efficienza annuale
k€ 135
5% Saving
Annual Energy Cost [€/year]
k€ 125
14 % Saving
k€ 115
k€ 105
34% Saving
k€ 95
k€ 85
45% Saving
k€ 75
k€ 65
60% Saving
k€ 55
k€ 45
No EC fan
Aircooled
EC Fan
Aircooled
Air Economizer Air Economizer Digital Aircooled
A1
A2-A4
Smart Aisle
Roma
Conclusioni
Il grafico di cui sopra dove sono evidenziati il numero e tipologia degli interventi proposti rappresenta la
migliore efficienza stagionale ottenuta nel sito di Roma. Dalla lettura dei dati si rileva che con la loro
implementazione il risparmio energetico complessivo ottenuto assume un valore significativo con
abbattimento dei consumi di oltre il 60%.
In molti casi, questi sistemi sono relativamente semplici da implementare e, una volta installati, offrono la
visibilità e il controllo richiesti per l’ottimizzazione del data center.
Il monitoraggio è tuttavia una condizione necessaria ma non sufficiente, il reale beneficio per il cliente
è determinato dalla capacità del sistema di controllo e soprattutto dei dispositivi controllati (ventilatori,
compressori, sistemi unità-ambiente chiller free-cooling) di essere in grado di performare le loro funzioni nelle
condizioni di maggior efficienza possibile, non solo a pieno carico, o presunto dalle condizioni di progetto, ma
adattandosi continuamente al suo variare, condizione tipica dei data center virtualizzati di nuova generazione.
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