Como o Cabeamento Elevado Economiza Energia em Data Centers

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1 Como o Cabeamento Elevado Economiza Energia em Data Centers White Paper 159 Revisão 0 Por Victor Avelar > Sumário Executivo O posicionamento de cabos de energia e de dados do data center em suportes para cabos elevados em vez de sob pisos elevados pode resultar em uma economia de energia de 24%. Os pisos elevados preenchidos com cabeamento e outras obstruções podem dificultar o fornecimento de ar frio aos racks. Os interruptores de cabo de piso elevado necessários para oferecer acesso de cabo a racks e PDUs resultam em um vazamento de ar frio de 35%. Os problemas de bloqueio de cabo e de vazamento de ar levam à necessidade de maior potência de ventilação, unidades de refrigeração superdimensionados, maior potência de bomba e menos pontos definidos de refrigeração. Este documento realça esses problemas e quantifica o impacto de energia. Conteúdo clique em uma seção para ter acesso a ela Introdução 2 Energia desperdiçada pelo cabeamento abaixo do piso Economia de energia do cabeamento elevado Suportes para cabos modulares Conclusão 8 Recursos by Schneider Electric White Papers são parte da livraria de White papers Schneider Electric, produzidos pelo centro científico de data centers Schneider Electric DCSC@Schneider-Electric.com

2 Introdução Embora não seja considerado como uma prática recomendada do ponto de vista da eficiência de energia, um método comum para resfriar o equipamento do data center é utilizar um piso elevado como uma câmara de distribuição de ar para a entrega do ar frio para as entradas de ar de servidores. O ar resfriado é forçado por baixo do piso por ventiladores em unidades de condicionamento de ar. Entretanto, este método não é a única opção. Vários data centers novos de hoje prescindem da despesa do piso elevado e posicionam o equipamento em um piso duro. Eles resfriam seus servidores utilizando arcondicionado em linha, elevado ou de sala com contenção de corredor quente. A abordagem de piso duro também impõe o problema de posicionar cabos elevados e vários data centers se acostumaram a trabalhar com cabos elevados. Em ambos os casos, os proprietários de data center precisam resolver o problema de como criar o layout de cabos de energia e de dados. Os data centers que dependem da distribuição de refrigeração de piso elevado quase sempre roteiam cabeamento de dados de rede e de energia sob o piso elevado. Esse cabeamento então alimenta racks de TI individuais por meio de interruptores de cabo na parte traseira de cada rack. Esses interruptores de cabo permitem que o ar frio se desvie das entradas de ar do servidor de TI na parte frontal dos racks e se misture com o ar quente na parte traseira do rack. Essa prática de projeto pode levar a pontos de calor, portas obstruídas e menos eficiência geral do sistema de refrigeração. Este documento analisa o efeito do cabeamento abaixo do piso sobre a refrigeração e sobre o consumo elétrico e conclui que a decisão de posicionar cabeamento de dados de rede e de energia em suportes para cabos elevados podem reduzir o consumo de energia do ventilador de refrigeração e da bomba em 24%. Energia desperdiçada pelo cabeamento abaixo do piso O cabeamento abaixo do piso contribui para perdas de energia de três maneiras: Bloqueio de ar causado por cabos Desviar ar de interruptores de cabo de rack Desviar ar de interruptores de unidade de distribuição de energia (PDU) Bloqueio de ar causado por cabos Quando novos cabos de rede ou de energia são adicionados abaixo do piso, os cabos antigos não utilizados raramente são retirados para obtenção de espaço. Em vez disso, os cabos são deixados como estão para minimizar o risco de inatividade. A adição de cabos causa bloqueios no fluxo de ar, contribuindo para pontos de calor no data center (consulte a Figura 1). Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 159 Rev 0 2

3 Figura 1 Os cabos abaixo do piso estão obstruindo o fluxo de ar na câmara de distribuição de ar do piso elevado Uma solução comum é adicionar mais ar-condicionado não para a capacidade de refrigeração mas para energia de ventilação extra para aumentar a pressão estática e superar os bloqueios abaixo do piso. O piso elevado oculta a adição de cabos com o tempo. Em contraste, o cabeamento elevado é visível e é mais provável que seja mantido e gerenciado de forma mais adequada com o passar do tempo. Quando novos cabos de rede ou de energia são adicionados abaixo do piso, os cabos antigos não utilizados raramente são retirados para obtenção de espaço. Em vez disso, eles são deixados como estão para minimizar o risco de inatividade. Desviar ar de interruptores de cabo de rack O cabeamento abaixo do piso exige que os cabos subam pelas placas do piso e por trás do rack. Os interruptores de cabo na placa medem cerca de 20 x 20 cm (8 x 8 pol.) e são apenas parcialmente preenchidos com o cabeamento. O espaço restante é normalmente deixado aberto para permitir que o ar frio vaze para o corredor quente (supondo um layout de corredor quente/frio). O corredor quente deve ser o espaço por onde o ar mais quente do data center volta para o manipulador de ar da sala dos computadores (CRAH). O ar frio que vaza para o corredor quente reduz a temperatura do ar de volta para o CRAH, que reduz sua capacidade de remover o calor. Por exemplo, uma unidade de CRAH com temperatura de ar de retorno de 27 C (80 F) fornece 70 kw de capacidade de remoção de calor. Entretanto, em uma temperatura de ar de retorno de 22 C (72 F), a capacidade de remoção de calor cai para 43 kw. A capacidade perdida devido ao desvio de ar pode criar pontos de calor que algumas vezes são tratados pela adição de mais unidades de CRAH. Desviar ar de interruptores de PDU Vários PDUs são configurados com quatro painéis de 42 posições, o que significa que até 168 circuitos individuais podem ser distribuídos para os racks de TI. Além desses condutores, grandes condutores de entrada alimentam o PDU. A instalação e a remoção desses condutores exige uma abertura de 0,8 a 1,5 m 2 (9 a 16 pés 2 ) embaixo do PDU. Este desvio de ar dos condutores ao redor possui o mesmo efeito negativo na eficiência do sistema de refrigeração como o desvio de ar dos interruptores de cabo do rack (consulte a Figura 2). Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 159 Rev 0 3

4 Racks de TI Figura 2 Interruptores e placas do piso ausentes são as principais fontes de vazamentos de ar frio Interruptores de piso elevado necessários para conexões de condutor de entrada de PDU Economia de energia do cabeamento elevado A economia de energia atribuída ao cabeamento elevado deriva da redução das perdas de ventilação e de bomba. A economia de custo de energia do refrigerador também pode ser percebida quando a temperatura de entrada de água fria é aumentada. Um data center hipotético foi modelado para avaliar a economia de movimentar cabos de rede e de energia para o suporte de cabos elevados. As suposições usadas para a análise incluem o seguinte: Capacidade do data center 1 MW Sistema de refrigeração água fria Ventiladores de CRAH de velocidade constante Temperatura de entrada do rack com cabeamento abaixo do piso 18 C (65 F) Temperatura de entrada do rack com cabeamento elevado 20 C (68 F) Densidade do rack média 2 kw/rack ΔT do Equipamento de TI 11 C (20 F) Quantidade de racks de TI 500 Área de interruptor de cabo média por rack 0,03 m 2 (0,33 pés 2 ) Isso é conservador, uma vez que o interruptor de 8 x 8 é preenchido com alguns cabos Área total de interruptor de cabo do rack 15 m 2 (167 pés 2 ) Fluxo de ar mínimo necessário para TI L/s ( CFM) Recirculação de ar quente 5% de fluxo de ar necessário para TI CFM médio na parte frontal de cada rack 113 L/s (240 CFM) Área aberta de 25% de placa perfurada aberta 0,09 m 2 (1 pé 2 ) Velocidade média na parte frontal de cada rack 73 m/minuto (240 pés/minuto) Nesta análise, supõe-se que um data center de 1 MW com 100% de carga possua 500 racks de TI em uma densidade de potência média de 2 kw/rack. A Mesa 1 mostra a área calculada de espaço de interruptor de placa aberta e o vazamento de ar associado como um percentual do total de fluxo de ar de TI necessário. Fica claro que os interruptores de cabo por trás dos racks de TI contribuem para a maior quantidade de vazamento de ar frio nos data centers com refrigeração de piso elevado. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 159 Rev 0 4

5 Mesa 1 O espaço de interruptor de placa com cabeamento abaixo do piso versus o cabeamento elevado como % do total necessário ao fluxo de ar de TI Localização Debaixo do piso m 2 (pés 2 ) % de vazamento m 2 (pés 2 ) Por cima % de vazamento Por trás dos racks de TI 15 (167) 33% 0 (0) 0% Sob os PDUs 2 (20) 4% 0 (0) 0% Por trás dos CRAHs 8 (88) 18% 6 (65) 13% Total 25 (274) 55% 6 (65) 13% Mover os cabos elevados de energia e de dados reduz o vazamento total para 13%. A redução significativa de vazamento faz com que as temperaturas de retorno de CRAH aumentem, o que aumenta a capacidade de refrigeração de cada CRAH individual, o que, por fim, reduzirá o número de unidades CRAH necessárias. A Tabela 2 mostra as condições de projeto modeladas para os cenários de cabeamento elevado e abaixo do piso. As temperaturas para a entrada de ar do rack e o fornecimento de CRAH e o ar de retorno baseiam-se em equações de equilíbrio de energia relacionadas a vazamento de ar quente e frio. Nesta análise, o número de unidades CRAH foi reduzido de 42 para 31. Isso leva a uma economia estimada de 24% em potência de ventilação e de bomba. A análise não inclui o benefício de bloqueios de ar reduzidos abaixo do piso elevado. A remoção de cabos abandonados abaixo do piso aumentaria a economia de energia citada acima. Além da economia de energia, a economia de custo de capital significativa é ercebida pela previsão do custo de 11 unidades CRAH extra, uma economia estimada de US$ Por fim, a análise supôs a mesma temperatura de entrada de água fria para ambos os cenários. Em casos onde o resfriador é dedicado ao data center, a temperatura da água fria poderia ser elevada, aumentando a eficiência do resfriador e a economia geral. Mesa 2 Resumo dos resultados da análise Debaixo do Por cima piso Ar de entrada do rack 18,3 C (65 F) 20,0 C (68 F) Ar de entrada de CRAH 17,7 C (64 F) 19,4 C (67 F) Ar de retorno de CRAH 23,0 C (73 F) 29,6 C (85 F) T delta de CRAH 5,3 C (9 F) 10,2 C (18 F) Número de unidades CRAH Consumo de energia do ventilador 160 kw 118 kw Consumo de energia da bomba 20 kw 19 kw Consumo de energia total 180 kw 137 kw % de economia de energia 24% 137 kw Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 159 Rev 0 5

6 Suportes para cabos modulares Mesmo o cabeamento elevado pode desenvolver o problema de espaguete de cabos uma grande quantidade de cabos, enrolados uns nos outros. Quando isso ocorrer, o novo cabo não poderá ser colocado porque é impossível retirar cabos mortos da pilha de cabos existentes. Os suportes de cabo começam a ficar frouxos sob o peso dos cabos e isso aumenta o risco de uma falha na operação do equipamento. Por exemplo, considere uma linha de racks cheios de servidores e de equipamentos de rede. Os cabos conectados a painéis e servidores são colocados na parte superior dos racks em suportes. Quando um contato quebra, a conexão entre dois pontos é perdida. Quando isso acontece, fica impossível localizar ou remover o cabo com falha porque é difícil localizar o cabo com defeito na massa de cabos enrolados. Nesses casos, um novo cabo é quase sempre colocado entre os dois pontos, mas o cabo defeituoso antigo é deixado lá dentro. Com o tempo, essa confusão de cabos resulta em 80% de cabos mortos deixados no lugar, enquanto a quantidade total de cabos aumenta. Gradualmente, o suporte de cabo não consegue aguentar a carga cada vez maior e mais suportes deverão ser instalados. Além disso, não sobra espaço algum sob o teto porque os conjuntos de cabos são colocados em um nível. A solução para este dilema é organizar os cabos em suportes montados em níveis diferentes (consulte as Figuras 3 e 4). A organização de suporte de cabo de vários níveis permite que o pessoal de data center classifique e planeje a localização, a integração e a remoção de cabos de maneira contínua. Se for necessário remover um cabo surdo, ele não será emaranhado ou enterrado. Será fácil extrair o cabo de um único conjunto pequeno. À medida que o data center for alterado, equipamentos serão incluídos e retirados e novos componentes serão adicionados. Essas alterações resultam em modificações frequentes nos cabos. Dessa forma, é importante que o sistema de suporte de cabo seja projetado para acomodar essas alterações. A nova infraestrutura de suporte deve ser compatível e intercambiável com o sistema antigo. O sistema de suporte elevado precisa ser flexível o suficiente para se transformar sem qualquer alteração fundamental no sistema original. Figura 3 Os suportes para cabos modulares permite o posicionamento em camadas de cabos, simplificando a manutenção dos cabos Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 159 Rev 0 6

7 Figura 4 Exemplo de suporte de cabo de vários níveis Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 159 Rev 0 7

8 Conclusão Um desperdício de energia significativo ocorre em data centers quando a congestão de cabos forma barreiras de ar sob o piso elevado e penetrações de cabo nas placas de piso elevados permitem que o ar frio escape e se misture ao ar quente. A modelagem e a análise mostram que a decisão de posicionar cabeamento de dados de rede e de energia em suportes para cabos elevados podem reduzir o consumo de energia do ventilador de refrigeração e da bomba em 24%. É possível passar cabos elevados economizando energia e aumentando a confiabilidade por meio de práticas aprimoradas de manutenção de cabos. Passar cabeamento estruturado e cabeamento elétrico em suportes para cabos elevados resulta em vários benefícios. As câmaras de distribuição de ar de piso elevado possuirão menos impedância para o fluxo de ar caso não tenham cabos, menos vazamento de ar ocorrerão por que o piso elevado não terá orifícios projetados para acomodar o cabeamento. Como resultado, seria necessária menos energia de ventilação para resfriar servidores. A decisão de posicionar cabos elevados também oferece menos um motivo para absorver a despesa significativa de um piso elevado. A tecnologia de suporte de cabo elevado avançou nos últimos anos. Agora, esses sistemas são modulares e muito mais flexíveis para acomodar ambientes de data center dinâmicos. As práticas de cabo de som incluem a implantação de sistemas de suporte de cabo elevado com várias camadas. Sobre o autor Victor Avelar é Analista Sênior de Pesquisa do Centro de Ciência de Data Centers da Schneider Electric. Ele é responsável pelas pesquisas de projeto e operações de data centers e dialoga com os clientes a respeito de avaliação de práticas de projeto para aumentar a disponibilidade e a eficiência de seus ambientes de data center. Victor é bacharel em engenharia mecânica pelo Instituto Politécnico Rensselaer, e obteve seu MBA pelo Babson College. Ele é membro da AFCOM e da Sociedade Americana de Qualidade. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 159 Rev 0 8

9 Recursos Clique no ícone para linkar a pesquisa Explore todos os White Papers whitepapers.apc.com Explore todas as ferramentas TradeOff tools.apc.com Entre em contato Para incluir comentários sobre o conteúdo deste White Paper: Data Center Science Center DCSC@Schneider-Electric.com Se você é cliente e tem perguntas relacionadas especificamente com o data center que está projetando: Entre em contato com seu representante de Schneider Electric Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 159 Rev 0 9