Emerson - Sisteme de climatizare

Nr. 6 - Iunie 2016

16

Bani economisiţi cu echipamente de climatizare de înaltă precizie Cuprins Sumar

pag. I

1. Climatizare de înaltă precizie vs. climatizare tip confort

pag. I

2. Climatizare optimizată pentru cerinţele sistemelor electronice

pag. II

3. Echipamente dimensionate pentru centre de date de mare densitate

pag. III

4. Control precis al umidităţii

pag. IV

5. Costuri operaţionale mai mici

pag. IV

Concluzii

pag. VI

Surse

pag. VI

Sumar Asigurarea eficienţei operaţionale fără compromiterea fiabilităţii este esenţială pentru succesul unei companii din punct de vedere al continuităţii în afaceri. Din păcate, fie din pricina unei creşteri rapide şi neanticipate a afacerii în ansamblul ei, fie din cauza unei lipse generale de conştientizare a aspectelor specifice nevoilor de răcire ale serverelor, unii profesionişti din domeniul centrelor de date, în special manageri ai unor facilităţi mici şi/sau aflate la mare distanţă de sediul central, nu acordă atenţia cuvenită proiectării infrastructurii centrelor de date.

Mulţi astfel de manageri decid în cele din urmă să folosească soluţii de climatizare tip confort pentru controlul degajarilor de caldura. La o primă impresie, astfel de sisteme de climatizare ar putea părea simple şi aducătoare din start de beneficii economice.Cu toate astea, deoarece ele nu sunt proiectate ca să satisfacă nevoile specifie echipamentelor IT, încrederea acordată sistemelor de climatizare de tip confort poate duce la creşterea riscului de căderi premature de sistem, ca şi la mărirea semnificativă a costurilor operaţionale. În schimb, sistemele de climatizare de înaltă precizie sunt proiectate special pentru satisfacerea nevoilor unor astfel de locaţii dotate cu echipamente care degajă cantităţi mari de căldură.

Decizia de acceptare a riscurilor mai mari prin utilizarea sistemelor de climatizare tip confort se bazează de obicei pe costurile iniţiale mai scăzute.

Cu toate astea, când se evaluează TCO se ajunge la concluzia că soluţiile bazate pe sisteme de climatizare de înaltă precizie sunt, de fapt, cele mai eficiente din punct de vedere al costurilor. Nu în ultimul rând, centrele de date care înglobează o arhitectură de răcire adecvată, în cadrul planurilor proprii de extindere sau renovare, vor beneficia de pe urma scalabilităţii capacităţii IT şi de pe urma reducerii riscurilor, asociate timpilor de nefuncţionare a infrastructurii, pricinuiţi de căderea sistemelor.

1. Climatizare de înaltă precizie versus climatizare tip confort În cazul centrelor de date de mici dimensiuni sau izolate, adesea se preferă ignorarea echipamentelor esenţiale pentru desfăşurarea unor operaţiuni fiabile, în favoarea altor aspecte ale procesului de planificare. În consecinţă, zone întregi de operaţiuni, cum sunt controlul mediului, continuitatea alimentării cu energie şi monitorizarea sistemelor critice de suport pentru computere au adesea parte de mult mai puţină atenţie decât deciziile legate de servere, sisteme de operare şi alte

I

www.ittrends.ro

Nr. 6 - Iunie 2016

17

componente de la nivel de reţea, cele care alcătuiesc o infrastructură IT critică. Asigurarea continuităţii pentru procesele critice depinde în egală masură atât de calitatea sursei de alimentare cu energie cât şi de sistemele de control al mediului în care funcţionează echipamentele de reţea.

Gradul ridicat de sensibilitate al componentelor electronice din centrele de date şi cablurile de reţea are ca rezultat direct nevoia de menţinere constantă şi în anumite limite specifice a temperaturii, umidităţii, purităţii aerului şi a fluxului de aer pentru a se preveni căderea prematură a echipamentelor şi costurile mari asociate timpilor de nefuncţionare ai infrastructurii. În scopul acoperirii unor astfel de nevoi, ocazional sunt folosite sisteme de climatizare de tip confort, care includ aparate de aer condiţionat split, echipamente centralizate de climatizare aerului în clădiri şi sisteme de aer condiţionat pentru clădiri comerciale şi de birouri. Acest fapt se petrece deoarece diferenţele între sistemele de climatizare tip confort şi cele de climatizare de precizie pot fi uneori neclare pentru utilizatori.

Sistemele de climatizare tip confort sunt construite în principal pentru utilizare sezonieră, necesare menţinerii unui climat confortabil în diverse locaţii cu trafic moderat. Chiar dacă sunt capabile de menţinerea unor condiţii acceptabile pentru oamenii care ocupă astfel de locaţii, astfel de sisteme nu sunt proiectate pentru menţinerea umidităţii şi temperaturii într-un interval precis de valori.

Pe de altă parte, sistemele de climatizare de înaltă precizie sunt special construite pentru spaţii care au nevoie de răcire constantă și permanentă, tot timpul anului, control precis al umidităţii şi capacitate sporită de răcire/ m². Acest gen de condiţii legate de mediu pot duce la utilizarea unei game largi de sisteme de climatizare, echipamente răcite cu aer, apă şi refrigeranti cu circulaţie forţată.

Sistemele de climatizare de înaltă precizie pot fi echipate cu freecooling pentru maximizarea consumului energetic. Ideea de freecooling vine de la utilizarea aerului extern pentru răcirea centrului de date atunci când temperaturile exterioare sunt scăzute, în loc de a se recurge la folosirea compresorului. Echipamentul de climatizare comută automat între modul de răcire prin compresor şi modul de freecooling.

2. Climatizare optimă pentru cerințele sistemelor electronice În ultimii ani au apărut multe schimbări ale cerinţelor şi capabilităţilor asociate climatizării centrelor de date, care au dus la afectarea operaţiunilor din interiorul unor astfel de incinte. Pe poziţii fruntaşe în cadrul acestor schimbări se numără creşterea densităţii noilor echipamente IT şi în consecinţă creşterea volumelor de căldură degajată. Cantităţile mai mari de căldură generate de încărcările sporite ale echipamentelor generează caldură latentă (un tip de căldură mai uscată decât cea care se generează în medii tradiţionale de lucru) şi duce la schimbarea semnificativă a cerinţelor sistemului de climatizare. Ca să înţelegem mai bine aceste cerinţe, este important de ţinut minte faptul că există două tipuri de răcire: latentă şi sensibilă.

Răcirea latentă reprezintă, pe scurt, capacitatea de eliminare a umezelii din mediul înconjurător. Umezeala reprezintă o componentă importantă în cadrul aplicaţiilor tipice de climatizare tip confort, aşa cum sunt cele din clădirile de birouri, magazinele comerciale şi alte locaţii cu grad mare de ocupare umană, aplicaţii proiectate pentru menţinerea unui echilibru între temperatură şi umiditate.

Pe de altă parte, răcirea sensibilă reprezintă abilitatea de a elimina căldura care poate fi strict măsurată de un termometru.

Sistemele de climatizare tip confort au un raport de căldură sensibilă (SHR) între 0,6 şi 0,7. Asta înseamnă că ele sunt în proporţie de 60% până la 70% dedicate scăderii temperaturii (răcire) şi de 30% până la 40% dedicate scăderii umidităţii (dezumidifiere). Astfel de sisteme se găsesc în mod tipic în locaţii cu trafic considerabil de oameni. Şi oamenii aflaţi în medii închise generează umezeală (transpiraţie, respiraţie etc.) care trebuie eliminată. Ca atare, sistemele de răcire cu un raport SHR mai mic sunt potrivite pentru astfel de condiţii de umiditate.

Spre deosebire de facilităţile unde trebuie luat în considerare confortul ocupanţilor, spatiile de gen centru de date nu sunt în mod tipic ocupate de oameni. În cele mai multe cazuri, accesul în astfel de spatii este limitat, iar mijloacele directe de intrare şi ieşire sunt inexistente, cu excepţia ieşirilor de urgenţă, foarte rar utilizate.Aceste spaţii sunt afectate de căldură uscată, si necesită un grad minim de eliminare a umezelii.

Echipamentele de climatizare de înaltă precizie sunt proiectate ca să atingă un raport de căldură sensibilă cuprins între 0,8 şi 1, cu 80% şi 100% din efortul lor de lucru fiind astfel dedicate scăderii temperaturii (răcire) şi doar un procent cuprins între 0 şi 20% fiind dedicat scăderii umidităţii (dezumidifiere).

Cele mai multe centre de date au nevoie de un raport de căldură sensibilă între 0,8 şi 0,9 pentru o răcire eficientă şi efectivă.

Aceasta se datorează faptului că nevoia de eliminare a căldurii latente scade odată cu nevoia de dezumidifiere. În principiu, asta înseamnă că este nevoie de mai multe unităţi de climatizare de tip confort de 20 kW pentru acoperirea aceleiaşi cantităţi de căldură pe care o gestionează o singură unitate de climatizare de înaltă precizie de 20 kW.

II

www.ittrends.ro

Nr. 6 - Iunie 2016

18

Figura 1: Clădirile tip birou degajă căldură sensibilă 60 -70% (0,6 - 0,7 SHR), în vreme ce încăperile cu servere degajă căldură sensibilă 90-100% (0,85-1 SHR)

3. Echipamente concepute pentru centre de date de mare densitate Într-un mediu tipic de centru de date, densităţile de căldură pot fi de 20 până la de 50 de ori mai mari decât într-un mediu tipic de birou. Cum configuraţiile de rackuri cu servere de mare densitate devin tot mai populare datorită virtualizării, temperaturile din centrele de date cresc într-un ritm mai alert ca oricând.

De exemplu, pentru o suprafaţă cuprinsă între 6,5 şi 8 m² de spaţiu de birou este nevoie de un echipament tip confort de 1kW. Cifra se traduce în puteri între 0,12 şi 0,15 kW/ m² . Prin contrast, centrele de date necesită între 1 şi 3 kW de răcire/ m².

Unele locaţii pot avea parte de densităţi de căldură foarte mari, cuprinse între 7 şi 10 kW/ m². Din punct de vedere al circulaţiei aerului, echipamentele de climatizare de înaltă precizie sunt proiectate să gestioneze densităţi mai mari decât cele mai multe sisteme de climatizare tip confort.

Figura 2: În mod tipic, densităţile de căldură sunt de la 6 până la de 20 de ori mai mari în sălile de computere decât în medii de tip birou

În plus, folosirea blade servers şi a altor echipamente mai noi montate în rack-uri a generat cerinţe noi de răcire a centrelor de date. Noile servere şi noile switch-uri de comunicaţii generează densităţi de căldură care produc de zece ori mai multă căldură pe m² decât sistemele produse cu 10 ani în urmă. Sistemele de climatizare tip confort sunt pur şi simplu prost înzestrate pentru a face faţă acestor noi provocări şi cerinţelor de răcire, pe care le reclamă aceste dispozitive noi.

Proiectanţii şi inginerii centrelor de date ar trebui să ia în considerare nevoia de echipamente specializate de climatizare care să funcţioneze în conjuncţie cu spatiile unde sunt podele supraînălţate.

Mai mult, centrele de date care folosesc configuraţii tradiţionale cu răcire cu echipamente de înaltă precizie perimetrale (CRAC) care împing aerul pe sub podeaua înălţată, pot avea parte de probleme – cum ar fi concentrările de căldură – atunci când sunt instalate rackuri cu servere de mare densitate.

Chiar dacă în acea încăpere ar exista o capacitate mare de răcire, felul în care este distribuit aerul poate duce la apariţia de probleme serioase în cazul căderii unei unităţi de climatizare. Pentru rezolvarea unor astfel de chestiuni, sistemele critice de

III

www.ittrends.ro

Nr. 6 - Iunie 2016

19

răcire sunt integrate prin intermediul unor tehnici noi, aşa cum sunt răcirea in-row, închiderea coridoarelor reci şi alte strategii de răcire. Mai mult, noi tehnologii care încep să apară în zona controlului mediului permit legarea în reţea a unităţilor individuale CRAC de încăpere şi monitorizarea lor prin intermediul unor programe complexe de management.

4. Controlul precis al umidităţii Cum cele mai multe centre de date operează continuu, trebuie menţinute condiţii precise de umiditate pe parcursul întregului an. Ignorarea impactului umidităţii poate duce pe termen lung la apariţia unor probleme critice, cum ar fi defectarea echipamentelor, daune produse infrastructurii centrului de date.

Gama optimă a temperatutii punctului de roua pentru centrele de date este între 5,5°C şi 15°C, aşa cum recomandă ASHRAE «TC9.9 2011». De exemplu, umezeala mai ridicată decât în gama mai sus menţionată poate coroda circuitele de comutare, generând căderi de echipamente şi funcţionare defectuoasă. Prin contrast, umiditatea prea mică poate genera sarcini electrice statice, care interferează cu operaţiunile normale ale echipamentelor. Într-un centru de date este mai probabil să se producă al doilea scenariu, ca urmare a procesului continuu de răcire existent, care duce la nivele de umiditate relativă mai scăzute. În mod tipic, sistemele de climatizare tip confort nu dispun de controale de umiditate instalate din fabrică, fapt care face dificilă menţinerea unor nivele de umiditate stabile pe perioade lungi de timp. Dacă se adaugă controalele şi componentele necesare, acestea trebuie configurate în mod special ca să opereze ca un sistem complet. Echipamentele de climatizare de inalta precizie includ operaţiuni multimodale pentru furnizarea unui raport optim între răcire, umidificare şi dezumidificare, fapt care le face mult mai potrivite pentru aplicaţii de tip centru de date.

5. Costuri operaţionale mai mici Datorită diferenţelor legate de construcţie, design şi echipamente, simpla comparare a preţurilor de achiziţie ale sistemelor de climatizare tip confort versus sisteme de climatizare de înaltă precizie este insuficientă. O comparaţie mai corectă trebuie să ia în considerare diferenţa dintre costurile de operare între cele două tehnologii. Mai jos un exemplu al unei comparaţii de preţ între cele două abordări, prin folosirea următoarelor ipoteze: Condiţiile de lucru în încăpere sunt 24°C , umiditate relativă de 50% Fiecare kW putere de răcire necesită 0,23 kW de energie electrică Compresorul şi ventilatoarele compresorului au eficienţă de 90% Este nevoie de umidificare între lunile Noiembrie şi Martie (3650 de ore) Echipamentul de climatizare de înaltă precizie are un SHR de 0,9 iar echipamentul de climatizare tip confort are un SHR de 0,6

Mai întâi se calculează costul per kW de răcire pentru un an de zile:

Consum de energie electrică pentru un kW răcire x număr ore funcţionare per an x costul per kW/h Eficienţa compresorului şi ventilatoarelor 0.23 kW x 8760 ore/an x $0.12/kWh 0.90 Eficienţă Rezultă un cost anual de energie de 269 EURO pentru 1 kW de răcire.

Apoi trebuie determinat costul pentru fiecare kW de răcire sensibilă prin împărţirea costului total cu SHR-ul fiecărui sistem.

Pentru echipamentul de climatizare de înaltă precizie, costul anual per kW sensibil este:

269 EURO = 299 EURO 0.9 SHR

IV

www.ittrends.ro

Nr. 6 - Iunie 2016

20

Pentru climatizare tip confort, costul anual per kW sensibil este:

269 EURO = 448 EURO 0.6 SHR Aşa cum ilustrează exemplul de mai sus, costul de operare pentru climatizarea tip confort pentru un an de zile depăşeşte costul de operare al unei climatizări de înaltă precizie cu 149 EURO/ kW de încărcătură sensibilă. Un asemenea rezultat este în concordanţă cu principiul general acceptat conform căruia „este nevoie de trei kW de capacitate de răcire tip confort pentru a obţine acelaşi lucru cu doi kW de capacitate de răcire de înaltă precizie».

Dacă vom presupune o aplicaţie cu o încărcătură de căldură sensibilă de 30 kW, vom cheltui: Climatizare de înaltă precizie: 30 x 299 EURO = 8970 EURO/an Climatizare tip confort: 30 x 448 EURO = 13440 EURO/an În acest caz, economiile de costuri operaţionale aduse de o unitate de management termic faţă de o unitate de răcire tip climatizare sunt de 4470 EURO.

Figura 3: Pentru a furniza 30 kW de capacitate de răcire sensibilă, am avea nevoie de o unitate de climatizare de înaltă precizie de 33 kW sau de o unitate de climatizare tip confort de 50 kW. Unitatea de 50 de kW va avea un compresor mai mare decât unitatea de 33 kW, ceea ce, în esenţă, înseamnă consum mai mare de energie.

Al doilea element de comparaţie este reprezentat de costul umidificării. Să presupunem în acest caz că este nevoie de 1 kW de energie electrică pentru re-umidificare unui kW de căldură latentă.

Căldura latentă a climatizării de înaltă precizie cu capacitate de răcire sensibilă de 30 kW este:

30 kW - 30 kW = 3.33 kW căldură latentă 0.9 SHR Căldura latentă a unităţii de climatizare tip confort cu capacitate de răcire sensibilă este:

30 kW - 30 kW = 20 kW căldură latentă 0.6 SHR Ca atare, cu o unitate de climatizare tip confort vom avea nevoie să re-umidificăm cu 16,67 kW căldură latentă mai mult decât cu o unitate de climatizare de înaltă precizie.

Presupunând că e nevoie de umidificare timp de 3650 de ore/an, putem calcula costurile operaţionale anuale ale sistemelor de climatizare tip confort şi ale celor de climatizare de înaltă precizie pentru re-umidificarea aerului. În cadrul acestui exemplu, este folosită ipoteza că e nevoie de 1 kW de energie electrică pentru re-umidificarea unui kilowatt de căldură latentă.

V

www.ittrends.ro

Nr. 6 - Iunie 2016

21

Climatizare de înaltă precizie:

3.33 kW x 3650 ore x 0.12 EURO/kWh = 1,459 EURO

Climatizare tip confort:

20 kW x 3650 ore x 0.12 EURO/kWh = 8,760 EURO

Climatizare de înaltă precizie

Climatizare Tip confort

Diferenţă

Cost anual răcire (EURO)

8970

13440

4470

Cost anual umidificare (EURO)

1459

8760

7301

10429

22200

11771

Costuri anuale de operare (EURO)

Figura 4: În acest exemplu, costurile anuale totale de operare ale unei unităţi de climatizare tip confort sunt cu 11771 EURO mai mari decât costurile de operare ale unei unităţi de climatizare de înaltă precizie.

Din acest exemplu se vede că o unitate de climatizare de înaltă precizie are costuri anuale de operare semnificativ mai mici decât o unitate de climatizare tip confort. Chiar dacă preţul de achiziţie al unei unităţi de climatizare de înaltă precizie este mai mare decât al unei unităţi de climatizare tip confort, economiile din punct de vedere al costurilor de operare sunt considerabil mai mari. Privind lucrurile prin prisma economiilor realizate în termeni de costuri operaţionale, amortizarea investiţiei are loc în mai puţin de un an de zile.

Concluzie Centrele de date critice pentru afaceri au cerinţe unice de mediu şi, în consecinţă, necesită sisteme de răcire care să corespundă acestor cerinţe.

Chiar dacă sunt potrivite pentru medii „confortabile”, cum ar fi locaţiile ocupate de oameni sau de echipamente şi dispozitive pentru gospodării, sistemele de climatizare tip confort nu sunt pe deplin adecvate pentru medii de utilizare care necesită menţinerea unor indicatori precum temperatura, umiditatea şi calitatea aerului în limite precise. Mai mult, chiar dacă costurile iniţiale de achiziţie ale echipamentelor sunt în favoarea unităţilor de climatizare tip confort, calitatea de ansamblu a operaţiunilor de răcire şi economiile de costuri realizate pe durata de funcţionare a echipamentelor fac din sistemele de climatizare de înaltă precizie investiţia mai bună pe termen lung. De fapt, aceste sisteme sunt special proiectate ca să satisfacă cerinţele unice ale mediilor complexe IT din zilele noastre. Dacă sunt întreţinute bine, aceste sisteme pot satisface nevoile în creştere legate de degajările de căldura, controlul umidităţii, filtrarea aerului şi alte cerinţe în centrele de date, în acelaşi timp furnizând beneficii suplimentare legate de eficienţă, fiabilitate şi flexibilitate.

Surse

ASHRAE, American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, stabilind ghiduri legate de sistemele HVAC.

VI

www.ittrends.ro