Cálculo dos requisitos de arrefecimento para centros de dados

Transcrição

1 Cálculo dos requisitos de arrefecimento para centros de dados Por Neil Rasmussen Aplicação Técnica Nº 25 Revisão 1

2 Sumário executivo Este documento descreve como estimar o calor dissipado pelos equipamentos de Tecnologia de Informação (TI) e de outros dispositivos nos centros de dados tais como UPS, com o objectivo de dimensionar sistemas de ar condicionado. Também inclui uma série de factores comuns de conversão, valores de referência e linhas mestras de concepção. 2

3 Introdução Todos os equipamentos eléctricos produzem calor, que tem de ser removido para prevenir o aumento da temperatura dos equipamentos para níveis inaceitáveis. A maior parte dos equipamentos de TI encontrados em centros de dados ou em salas de equipamento de rede tem refrigeração a ar. Dimensionar um sistema de arrefecimento implica uma percepção da quantidade de calor produzido pelo equipamento contido no espaço fechado e do calor produzido por outras fontes de calor tipicamente presentes. Medir a quantidade de calor produzida A energia do calor é normalmente expressa em Joules, BTU, Toneladas ou Calorias. As medidas mais comuns para a taxa de produção de calor são os BTU por hora, as Toneladas por dia e Joules por segundo (Joules por segundo é igual a Watts). Não há nenhuma razão evidente para a existência de tantas designações diferentes para exprimir a mesma grandeza, até porque qualquer uma delas pode servir para exprimir capacidades de potência ou de arrefecimento. O uso alternado destas medidas provoca uma grande e injustificada confusão nos utilizadores e especificadores. Felizmente que há uma tendência mundial entre as organizações de estabelecimento de padrões para passar todas as medidas de capacidade de potência e de arrefecimento para uma medida padrão, o Watt. Os termos arcaicos BTU e Toneladas serão eliminados com o tempo 1. É por isto mesmo que este artigo irá apresentar as capacidades de potência e arrefecimento em Watts. A escolha do Watt como medida padrão, que será explicada mais à frente, é feliz, porque simplifica o trabalho associado à concepção de centros de dados. Na América do Norte, as especificações para capacidade de arrefecimento aparecem ainda muitas vezes em BTU e Toneladas. Como tal, são aqui apresentadas as seguintes conversões para auxiliar o leitor. Valor em Multiplicar por Para obter BTU por hora 0,293 Watts Watts 3,41 BTU por hora Toneladas Watts Watts 0, Toneladas 1 Toneladas tem a ver com a capacidade de arrefecimento do gelo e é uma relíquia do período , altura em que arrefecimento e ar condicionado eram diariamente fornecidos por blocos de gelo. 3

4 A potência dissipada por computadores ou outros equipamentos de TI através das linhas de dados é negligenciável. Assim sendo, a potência eléctrica de entrada consumida é essencialmente toda ela convertida em calor. Tal facto permite assegurar que a sua dissipação térmica em Watts iguala o seu consumo de energia de entrada. A medida BTU por hora, como surge por vezes em folhas de dados, não é necessária para determinar a dissipação térmica do equipamento. A dissipação térmica é exactamente igual à potência eléctrica de consumo na entrada 2. Determinar a dissipação térmica de um sistema A dissipação térmica total de um sistema corresponde, à soma das dissipações de cada um dos componentes. O sistema completo engloba o equipamento de TI e outros itens como UPS, distribuição de energia, unidades de ar condicionado, iluminação e, eventualmente, pessoas. Felizmente, essas dissipações térmicas podem ser facilmente calculadas através de regras simples e padronizadas. A dissipação térmica da UPS e da distribuição de energia tem uma perda fixa e outra proporcional à potência de operação. Essas perdas são suficientemente consistentes entre os diferentes modelos e fabricantes e, por isso, pode fazer-se uma aproximação sem erro significativo. As da iluminação e das pessoas também podem ser facilmente estimadas usando valores padrão. A única informação necessária para calcular a carga de arrefecimento para o sistema completo baseia-se num conjunto de valores, de fácil obtenção, tais como a área do chão em metros quadrados e a potência nominal do sistema eléctrico. As unidades de ar condicionado criam uma quantidade significativa de calor que deriva de ventoinhas e compressores. Esse calor é expelido para o exterior e não cria uma carga térmica no interior do centro de dados. Contudo provoca uma diminuição da eficiência do sistema de ar condicionado e é normalmente tido em conta quando este é dimensionado. É possível fazer uma análise térmica detalhada para cada item do centro de dados usando dados de dissipação térmica, mas uma estimativa rápida usando regras simples dá resultados que ficam dentro da margem de erro típica para as análises mais complicadas. A estimativa rápida também tem a vantagem de poder ser feita por uma pessoa sem conhecimento ou formação especializada. Na Tabela 1 encontra-se uma folha de trabalho que permite efectuar um cálculo rápido da carga térmica. Usando essa folha de trabalho é possível fazer um cálculo rápido e fiável da dissipação térmica no centro de dados. O seu modo de utilização está descrito nos procedimentos por baixo da Tabela 1. 2 Nota: a única excepção a esta regra é a dos routers de Voice Over IP; cerca de 30 % da potência consumida por estes dispositivos pode ser transmitida para terminais remotos, para que a sua dissipação térmica possa ser mais baixa que a potência eléctrica que consomem. Partindo do princípio que toda a potência eléctrica se dissipa localmente tal como considerado neste artigo, apenas resultará num ligeiro exagero dos dados obtidos para os routers VoIP, mas na maior parte dos casos é um erro insignificante. 4

5 Tabela 1 Folha de trabalho para cálculo da dissipação térmica num centro de dados Item Dados necessários Cálculo da dissipação térmica Equipamento TI UPS com Bateria Distribuição de energia Potência total das cargas de TI em Watts Potência nominal do sistema eléctrico em Watts Potência nominal do sistema eléctrico em Watts Igual à Potência total das cargas de TI em Watts (0,04 x Potência nominal sistema) + (0,06 x potência de carga de TI total) (0,02 x Potência nominal sistema) + (0,02 x potência de carga de TI total) Iluminação Área do chão (metros quadrados) 21,53 x área do chão (m 2 ) Pessoas Nº máximo de pessoas no centro de dados 100 x Nº máx de pessoas Total Sub totais de parcelas acima Soma dos sub totais de dissipação térmica Sub total da dissipação térmica Procedimentos Obtenha a informação necessária na coluna Dados necessários. No caso de ter questões, consulte as definições de dados abaixo. Faça os cálculos da dissipação térmica e ponha os resultados na coluna de sub totais. Some os sub totais para obter o total da dissipação térmica. Definições de dados Potência de carga TI total em Watts A soma das potência de entradas de todos os equipamento de TI. Potência nominal do sistema eléctrico A potência nominal do sistema UPS. No caso de utilização de um sistema redundante, não inclua a capacidade da UPS redundante. Exemplo de sistema típico Descreve-se a dissipação térmica de um sistema típico. Usa-se um centro de dados nominal de 465 m kw com 150 bastidores e um número máximo de 20 pessoas. No exemplo, parte-se da premissa que o centro de dados está a operar a 30 % da sua capacidade, o que é típico. Para a discussão da utilização típica consulte a Aplicação Técnica nº 37 Evitar os custos de sobredimensionamento das infra-estruturas de centros de dados e salas de rede. A carga de TI total do centro de dados neste caso seria de 30 % de 250 kw, ou 75 kw. Nestas condições, a dissipação térmica total do centro de dados é 108 kw, ou aproximadamente 50 % mais que a carga TI. 5

6 No exemplo, a contribuição relativa dos diferentes itens do centro de dados para o total da dissipação térmica é indicado na Figura 1. Figura 1 Contribuições relativas para o total de saída térmica de um centro de dados típico Dist. Energia 6 % Pessoal 2 % Iluminação 9 % UPS 13 % Cargas TI 70 % Note que as contribuições para o total da dissipação térmica da UPS e da Distribuição de energia têm um peso excessivo porque o sistema está a operar a apenas 30 % da sua capacidade. Se o sistema estivesse a operar 100 % da sua capacidade, o rendimento iria aumentar e a sua contribuição relativa, diminuir. É importante notar que a redução do rendimento representa um encargo financeiro real no caso de sobredimensionamento de um sistema. Outras fontes de calor A análise anterior ignora fontes de calor de natureza ambiental tais como a luz do sol que entra pelas janelas e o calor transmitido pelas paredes do edifício. Muitos centros de dados e salas de rede de pequena dimensão não têm paredes ou janelas para o exterior, não resultando daí qualquer erro para esta hipótese. No entanto, em centros de dados de maiores dimensões com as paredes ou o tecto expostos para o exterior, dá-se entrada de calor adicional que tem de ser removida pelo sistema de ar condicionado. Se a sala de dados estiver localizada dentro do perímetro de uma instalação de ar condicionado, podem ignorar-se as outras fontes de calor. Se o centro de dados tiver uma exposição significativa das paredes ou tectos para o exterior, o técnico de frio (HVAC) terá de calcular a carga térmica máxima, que deve depois ser adicionada aos requisitos térmicos para o sistema completo calculados na secção anterior. 6

7 Humidificação Para além de remover o calor, o sistema de ar condicionado para centros de dados está programado para controlar a humidade. Em condições ideais, ao ser atingida a humidade desejada, o sistema operaria com uma quantidade de água constante no ar e não seria necessário proceder a humidificação. Mas infelizmente, na maior parte dos sistemas de ar condicionado a função de refrigeração do sistema de ar condicionado provoca uma condensação significativa de vapor de água e consequente libertação de humidade. Como tal, é necessária humidificação suplementar para manter o nível desejado de humidade. A humidificação suplementar cria uma carga de calor adicional na unidade de HVAC, diminuindo a sua capacidade de arrefecimento e consequentes requisitos de sobredimensionamento. Em pequenas salas de dados ou grandes armários de cablagem, um sistema de ar condicionado que isole o ar de retorno do ar insuflado através de tubagem, permite uma situação em que não existe condensação e que portanto permite eliminar o ciclo de humidificação suplementar. Tal permite utilizar 100 % da capacidade nominal do ar condicionado, maximizando a sua eficiência. Para grandes centros de dados com grandes misturas de ar, a unidade HVAC tem de distribuir ar a baixas temperaturas para colmatar os efeitos da recirculação do ar que sai dos equipamentos com temperaturas elevadas. Tal resulta numa desumidificação substancial do ar e cria a necessidade de humidificação suplementar. Isso provoca uma diminuição significativa do desempenho e da capacidade do sistema de ar condicionado obrigando à necessidade de o sobredimensionar em cerca de 30 %. O sobredimensionamento necessário para uma unidade de HVAC varia então desde 0 % para pequenos sistemas com de recirculação de ar canalizado, até 30 % para sistemas com níveis elevados de mistura na sala. Para mais informações sobre humidificação veja a Aplicação Técnica nº 58 da APC, Estratégias de Humidificação para Centros de Dados e salas de Rede. Dimensionar o ar condicionado Após o cálculo dos requisitos de arrefecimento, já é possível dimensionar o sistema de ar condicionado. Para tal devem ser tidos em conta os seguintes factores, os quais foram já aqui descritos: O valor da carga de arrefecimento dos equipamentos (incluindo equipamento de potência) O valor da carga de arrefecimento do edifício Sobredimensionar tendo em conta os efeitos de humidificação Sobredimensionar para criar redundância Sobredimensionar para preencher futuros requisitos As potências, em watts, de cada um destes factores podem ser somadas para calcular a carga térmica total. 7

8 Conclusões O cálculo dos requisitos de arrefecimento para sistemas de TI pode ser reduzido a um simples processo executável por qualquer pessoa, mesmo sem formação específica. Apresentar todas as medidas de consumo e arrefecimento em Watts simplifica o processo. Uma regra geral é que o sistema nominal de HVAC tem de ser 1,3 vezes a carga nominal de TI ao qual acresce o nível de redundância necessário para assegurar continuidade. Esta abordagem resulta bem em salas com menos de 375 m 2. Em centros de dados maiores os requisitos de arrefecimento só por si não costumam ser suficientes para seleccionar um ar condicionado. Por norma, os efeitos de outras fontes de calor, tais como paredes e tectos, juntamente com a recirculação de ar, são significativos e têm de ser analisados para qualquer instalação em particular. A concepção das condutas de tratamento de ar ou do chão falso tem um efeito significativo no desempenho geral do sistema e também afecta fortemente a uniformidade da temperatura interna do centro de dados. A adopção de uma arquitectura modular para o sistema de distribuição de ar, combinada com o método simples da estimativa de carga térmica já descrito, podem reduzir significativamente os requisitos de engenharia para a concepção do centro de dados. Acerca do autor: Neil Rasmussen foi um dos fundadores da American Power Conversion, actualmente ele é o Director Técnico. Na APC, Neil administra o maior orçamento do mundo para pesquisa e desenvolvimento, nas áreas de alimentação, arrefecimento, infra-estrutura de bastidores para redes críticas. Com os principais centros de desenvolvimento distribuídos em Massachusetts, Missouri, Dinamarca, Rhode Island, Formosa e Irlanda, Neil, dirige hoje, os esforços da APC para desenvolver soluções em escala modular para os centros de dados. Antes de fundar a APC em 1981, Neil concluiu o seu bacharelato e mestrado no MIT em engenharia eléctrica, onde apresentou a sua tese na análise de uma fonte de alimentação de 200 MW para o reactor de fusão Tokmak. De 1979 a 1981 ele trabalhou no MIT Lincoln Laboratories em sistemas de armazenamento de energia de volante e sistemas de energia eléctrica solar. 8