Identificação e extensão das diferenças entre sistemas de arrefecimento cruciais e ar condicionados vulgares

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1 Identificação e extensão das diferenças entre sistemas de arrefecimento cruciais e ar condicionados vulgares Aplicação Técnica nº 56 Revisão 2

2 Sumário Executivo As actuais salas de tecnologia requerem ambientes precisos e estáveis, para que o equipamento electrónico de elevada sensibilidade opere na perfeição. Os ar condicionados vulgares são inapropriados para salas de tecnologia, porque geram encerramentos do sistema e avarias nos componentes. Os ar condicionados de precisão conseguem reduzir ao mínimo as variações de temperatura e humidade, proporcionando a estabilidade de condições ambientais necessária para equipamento electrónico sensível, o que permite evitar períodos de inactividade que acarretem graves prejuízos. 2

3 Definição das salas de tecnologia actuais já não somente salas de computadores As exigências de controlo ambiental de precisão já não se limitam apenas aos tradicionais centros de dados ou salas de computadores, mas estendem-se a uma gama mais vasta de aplicações, designadas de forma geral como Salas de tecnologia. As típicas aplicações de salas de tecnologia são: 1. Salas de equipamento médico (RM e TAC) 2. Salas limpas 3. Laboratórios 4. Centros de impressão / fotocópias / CAD 5. Salas de servidores 6. Instalações hospitalares (blocos operatórios e de isolamento) 7. Telecomunicações (salas de equipamento de comutação, estações de rádio base) Para que é necessário ar condicionado de precisão? O processamento de informação é o sangue vital de quaisquer operações cruciais. Assim sendo, a viabilidade da sua empresa está dependente da fiabilidade da sala de tecnologia. O hardware de TI produz uma quantidade enorme e concentrada de calor, sendo ao mesmo tempo muito sensível às alterações de temperatura e humidade. Uma variação de temperatura e / ou humidade pode gerar problemas que vão desde o processamento de informação sem nexo a uma falha total do sistema, o que pode criar enormes prejuízos para a empresa, conforme a extensão da interrupção e a importância do tempo e dados perdidos. Os ar condicionados vulgares não foram concebidos para combater a grande quantidade e concentração de calor das salas de tecnologia, ou para fornecer as condições de elevada precisão de temperatura e humidade que estas aplicações exigem. Os sistemas de ar de precisão foram concebidos para terem um controlo muito sensível da temperatura e humidade. Possuem grande fiabilidade para operar todo o ano, com a facilidade de funcionamento, flexibilidade de sistema e redundância necessárias para manter a sala de tecnologia a trabalhar sem problemas 24 horas por dia. 3

4 Condições ideais de temperatura e humidade Manter as condições ideais de temperatura e humidade é essencial para o bom funcionamento da sala de tecnologia. As condições ideais devem ser ºC e % de humidade relativa (HR). Condições ambientais erradas já são só por si consideradas prejudicais, mas basta uma variação brusca de temperatura para afectar o funcionamento do hardware. Esse é um dos motivos por que o hardware é deixado ligado, mesmo quando não estão a ser processados dados. O ar condicionado de precisão foi concebido para manter a temperatura entre ±0,56 C e a humidade entre ±3-5 % HR 24 horas por dia, 8760 horas por ano. Pelo contrário, os sistemas vulgares foram pensados para manter 27 ºC e 50 % HR apenas durante o Verão e quando as condições exteriores são de 35 C e 48 % HR. Geralmente não existe controlo dedicado de humidade e os controlos simples não permitem manter a tolerância de pontos de programação que a temperatura exige, potenciando variações nocivas de temperatura e humidade. Problemas causados pelas condições erradas Uma sala de tecnologia com mau controlo das condições ambientais pode influenciar negativamente as operações de processamento e armazenamento de dados. Os danos podem variar desde a adulteração de dados a avarias e falhas completas do sistema. 1- Temperaturas altas e baixas Uma temperatura alta ou baixa, ou variações bruscas de temperatura, podem adulterar o processamento de dados e deitar abaixo todo o sistema. As variações de temperatura podem alterar as características eléctricas e físicas de chips electrónicos e outros componentes das placas, provocando deficiências de funcionamento e avarias. Estes problemas podem ser passageiros ou durar vários dias. Até os problemas passageiros podem ser muito difíceis de diagnosticar e reparar. 2- Elevada humidade A elevada humidade pode provocar deterioração de fita e da superfície, aterragens, condensação, corrosão, problemas de manuseamento de papel, bem como migração de ouro ou prata, que podem levar à avaria de componentes e placas. 3- Baixa humidade A baixa humidade aumenta bastante a possibilidade de descargas de electricidade estática, que podem adulterar dados e danificar o hardware. 4

5 Diferenças entre ar condicionado de precisão e ar condicionado vulgar 1- Taxa de calor sensível Uma carga de calor divide-se em dois componentes: calor sensível e latente. A remoção ou acréscimo de calor sensível provoca alterações na temperatura ambiente. O calor latente está associado com o aumento ou diminuição de humidade no ar. A capacidade de arrefecimento total de um ar condicionado resulta da soma do calor sensível removido com o calor latente removido. Capacidade de arrefecimento total = Arrefecimento sensível + Arrefecimento latente A Taxa de arrefecimento sensível equivale à fracção do arrefecimento total que é sensível. Taxa de calor sensível (SHR) = Arrefecimento sensível Arrefecimento total Numa sala de tecnologia, a carga de arrefecimento é quase inteiramente composta pelo calor sensível que sai do hardware TI, luzes, equipamento de suporte e motores. Há muito pouca carga de calor latente, já que há poucas pessoas, pouco ar exterior e normalmente existe uma barreira de vapor. A SHR que um ar condicionado necessita para corresponder a este perfil de carga de calor é muito elevada, 0,95-0,99. O ar condicionado de precisão foi concebido para conseguir atingir estas taxas muito elevadas de calor sensível. Pelo contrário, um ar condicionado vulgar tem por norma uma SHR de 0,65-0,70, o que origina muito pouco arrefecimento sensível e demasiado arrefecimento latente. Um arrefecimento latente excessivo implica uma contínua remoção de grandes quantidades de humidade do ar. Para poder manter a margem ideal de % de humidade relativa, seria necessário uma humidificação contínua, o que implicaria um enorme dispêndio energético. Ar condicionado de precisão,95 -,99 SHR Figura 1 Taxa de calor sensível (SHR) Ar condicionado vulgar,70 -,65 SHR Taxa de calor sensível (SHR) 5

6 2- Temperatura e humidade precisas Os ar condicionados de precisão têm controlos baseados em microprocessadores, sofisticados e de rápida acção, que se adequam às exigências de reacção rápida às alterações das condições e manutenção das estreitas tolerâncias necessárias para um ambiente estável. Os sistemas de ar de precisão incluem normalmente fases múltiplas de arrefecimento e aquecimento, um humidificador, e um ciclo de desumidificação dedicado, que permitem satisfazer todas e quaisquer necessidades de controlo de temperatura e humidade. Os ar condicionados vulgares têm normalmente controlos básicos e limitados, sem capacidade para reagir com rapidez suficiente para manter a tolerância necessária. Os sistemas vulgares não incluem, no geral, os ciclos de calor ou humidificação / desumidificação necessários para manter um ambiente tecnologicamente estável. Esses componentes, quando presentes, são normalmente acessórios e não fazem parte de um sistema integrado. 3- Qualidade do ar Os ar condicionados de precisão operam a uma elevada taxa de fluxo de ar por unidade de calor removido, por norma 160 CFM (76 Lps), ou mais, por kw. Esta elevada taxa volumétrica origina um maior movimento de ar, o que melhora a distribuição de ar e reduz a possibilidade de pontos quentes localizados. O equipamento tecnológico moderno gasta normalmente cerca de 160 CFM por cada kw de consumo de energia eléctrica, por isso é importante que esta quantidade de fornecimento de ar frio possa estar disponível nas entradas do equipamento. Caso contrário, o equipamento vai buscar algum do ar a outras zonas da sala, o que resulta geralmente em temperaturas de entrada perigosamente elevadas. O equipamento de arrefecimento de precisão com CFM / kw elevados também permite movimentar mais ar através dos filtros, assegurando uma maior limpeza do ar. Os ar condicionados de precisão utilizam normalmente uma eficiência moderada-elevada e unidades de filtragem ultrapregueadas, para reduzir ao mínimo a quantidade de partículas do ar. Os ar condicionados vulgares funcionam a uma taxa muito menor de CFM / kw (40-54 Lps / kw). CFM baixos podem levar a uma má distribuição do ar e a mais substâncias contaminadoras no ar. Os filtros para ar condicionados vulgares são normalmente achatados e de baixa eficiência, o que não permite remover uma percentagem suficiente de partículas do ar. 4- Horas de funcionamento Os ar condicionados de precisão foram desenhados e fabricados para trabalharem ininterruptamente 8760 horas por ano. Os sistemas foram desenhados com componentes seleccionados e redundância incorporada para assegurar o mínimo de períodos de inactividade. Os controlos do sistema conseguem manter a estabilidade das condições da sala perante todo o tipo de condições ambientais externas, de Verão ou de Inverno. 6

7 Os ar condicionados vulgares estão desenhados para funcionar durante o Verão, num máximo estimado de 1200 horas por ano. O sistema não foi concebido ou pensado para operar ininterruptamente durante todo o ano. Nem sequer os controlos ou o sistema de refrigeração foram desenhados para zero períodos de inactividade ou funcionamento de Inverno. Critérios de concepção 1- Densidade de carga A densidade de carga numa sala de tecnologia chega a ser cinco vezes maior do que num escritório normal, devido à elevada concentração de equipamento. Os sistemas têm de estar desenhados para suportar esta carga extrema de elevada densidade. É muito importante que tenham competências de sensibilidade e distribuição do ar. Densidade de carga Escritório watts / m 2 Sala de tecnologia watts / m 2 Figura 2 Densidade de carga Zona de escritório Sala de tecnologia 2- Temperatura e humidade As condições ideais de fábrica devem ser ºC e % HR. 3- Quantidade de ar Os elevados CFM / kw (Lps / kw) próprios dos sistemas de precisão, contribuem para a elevada taxa de calor sensível, melhoram a distribuição do ar e aumentam as taxas de filtragem. Os elevados CFM não provocam desconforto, porque a distribuição é feita por baixo do chão falso e a canalização para a superfície da sala e dos espaços circundantes é feita através de equipamento. 7

8 4- Limpeza do ar Se não houver filtros, o pó pode danificar o equipamento. Os filtros devem ser ultra-pregueados para uma eficiência moderada a elevada. O dimensionamento dos filtros também é importante; as velocidades frontais dos filtros devem ser baixas o suficiente para manter a eficiência. É necessário trocar os filtros com regularidade. 5- Barreira de vapor Como a maioria dos materiais de construção deixa passar a humidade, uma sala de tecnologia bem projectada tem de incluir uma barreira de vapor. Sem barreira de vapor, a sala de tecnologia deixa sair humidade no Inverno e deixa entrar no Verão, o que faz com que o controlo do ponto de programação de humidade seja muito difícil e aumenta os tempos de execução de compressores e humidificadores de alto dispêndio energético. Para criar uma barreira de vapor eficaz, os tectos devem ser rematados com uma película de polietileno, as paredes de betão devem ser pintadas com tinta de borracha ou plástica, as portas devem poder ficar bem fechadas e todas as entradas de tubos e cabos devem ser vedadas. 6- Requisitos de ar exterior As salas de tecnologia têm normalmente pouca gente e como tal não necessitam de grande ventilação exterior. O ar exterior deve ser minimizado para limitar a entrada de carga latente na sala. Uma quantidade de 20 CFM (9,4 Lps) por pessoa é actualmente suficiente para ir de encontro às directrizes de Qualidade do ar interior (IAQ) estabelecidas para os EUA. 7- Redundância A redundância é obtida através de equipamento acessório que permita fornecer 100 % da capacidade de arrefecimento exigida, mesmo quando uma unidade vai abaixo ou se dá a avaria de uma ou mais unidades. O custo da redundância deve ser pesado face ao custo projectado do período de inactividade da sala de tecnologia. 8

9 Figura 3 Redundância 52 kw 52 kw 52 kw 70 kw 70 kw Suportam a carga de 104 kw Unidade redundante Capacidade de 140 kw significa 35 kw de sobrecarga Há que assinalar a diferença entre redundância e sobrecapacidade. Uma carga de 70 kw com sistemas 3 x 52 kw ou 4 x 35 kw fornece redundância. Para que o equipamento de reserva seja considerado redundante é necessário que haja operações de rotação de equipamento baseadas no tempo de execução, bem como uma interface de controlos que permita arranque automático. 8- Segurança A segurança dos ar condicionados é tão importante como a do hardware da sala de tecnologia, já que o hardware não pode funcionar sem eles. As unidades interiores devem ser colocadas na sala de tecnologia e ter o mesmo acesso restrito que o hardware TI. O equipamento exterior de expulsão de calor deve ser colocado no telhado ou noutro local seguro das instalações. Factores de selecção de sistema 1- Cálculos de carga O calor em salas de tecnologia é gerado pelo hardware, luzes, pessoas, ar exterior, cargas de transmissão, sol e equipamento de suporte (PDU s, UPS, etc.). Como método prático, utilize 1,39 m 2 / kw para cálculos de carga. Para um cálculo da carga mais minucioso consulte a Aplicação Técnica nº 25 da APC Calcular requisitos de arrefecimento totais para centros de dados. 9

10 2- Sistemas unitários a- Arrefecido por ar Figura 5 Sistema arrefecido por ar Ar condicionado Condensador de ar arrefecido Configuração do sistema Sistema de refrigeração está dividido entre ar condicionado interior e unidade exterior de expulsão de calor arrefecido por ar. Compressores podem ser colocados no equipamento interior ou exterior. Para segurança e manutenção, os compressores são normalmente colocados na unidade interior. As condutas de refrigeração (duas por compressor) interligam as duas partes do sistema. A tipologia das condutas de refrigeração é essencial. A tipologia deve ter em conta perdas de pressão, velocidades de refrigeração, retorno de óleo e curvas. Deve ser uma empresa especializada e qualificada a instalar a unidade de serviço. Excelente para unidades múltiplas e instalações em expansão. Cada sistema é um módulo estanque e autónomo. 10

11 b- Arrefecido por água Figura 6 Sistema arrefecido por água Torre de arrefecimento Ar condicionado Sistema de bombeamento Configuração do sistema O ar condicionado interior é um sistema de refrigeração completo e estanque. O calor é expulso para uma unidade de água refrigerante através de um permutador de calor da unidade interior. A água refrigerante é depois normalmente bombeada para uma torre de arrefecimento e posta em recirculação. Também se podem usar outras fontes de abastecimento de água, tal como poços. Em climas frios e temperados, a torre de arrefecimento deve ser adaptada ao Inverno. A torre deve ser concebida com redundância, ou então deve existir um abastecimento de água de reserva para emergências. Tem de haver tratamento de águas quando se usa uma torre de arrefecimento. A concepção das condutas de água é muito menos crucial e de mais fácil instalação do que as condutas refrigerantes. O sistema de refrigeração vem carregado e testado de fábrica. 11

12 c- Arrefecido a glicol Figura 7 Sistema arrefecido a glicol Ar condicionado Arrefecedor seco Sistema de bombeamento Configuração do sistema A unidade interior é semelhante à do sistema arrefecido por água. Em vez de água, é posta em circulação uma solução de glicol e a expulsão de calor é feita num permutador de calor exterior de líquido para ar ou arrefecedor seco. Os arrefecedores secos implicam menos manutenção que as torres de arrefecimento. Oferece excelentes oportunidades para aplicações com recuperação de calor. Sistema de índice de eficiência energética (EER) é o mais baixo de três tipos de unidades. Múltiplas unidades podem ser ligadas a arrefecedores secos individuais e sistemas de bombeamento. Se puser isto em prática não se esqueça dos requisitos de redundância. d- Glicol de arrefecimento livre Configuração do sistema Produto idêntico ao arrefecimento a glicol, só que ainda inclui uma bobina de arrefecimento livre para poupar energia. Quando a temperatura exterior baixa, a solução de glicol arrefecida corre pela bobina suplementar de arrefecimento livre e o arrefecimento é feito sem recorrer aos compressores. Em climas apropriados, proporciona excelentes reduções de custos de manutenção. Uma bobina suplementar significa mais CV no motor de ventilação. Procure sistemas com bobinas de arrefecimento livre maiores, para poupar mais nos custos. As bobinas de arrefecimento livre devem ser instaladas antes da bobina DX para capacidade assistida no caso de temperaturas ambiente amenas. 12

13 e- Bobina suplementar de água arrefecida Configuração do sistema Pode acrescentar-se uma bobina suplementar de água arrefecida num sistema DX para ter redundância total numa única unidade. A unidade pode operar como sistema de água arrefecida com 100 % de reserva DX modular no caso de emergência. Em caso de necessidade, a unidade pode actuar como um sistema DX com reserva de emergência de água arrefecida de instalação central. A unidade pode utilizar água arrefecida, quando disponível. Por exemplo, quando o arrefecedor servir principalmente como suporte a processo de manufactura numa fábrica ou como suporte a ar condicionados vulgares de Verão, e mudar para DX se deixar de haver água arrefecida por sistema. f- Água arrefecida Figura 8 Sistema arrefecido por água Ar condicionado Arrefecedor seco Sistema de bombeamento Configuração do sistema A água arrefecida é fornecida por um arrefecedor central para unidades conjuntas na sala de tecnologia. O sistema de refrigeração está contido no arrefecedor conjunto. Os ar condicionados interiores possuem controlos, bobina de água arrefecida, válvula de controlo de água arrefecida, ventiladores, filtros, humidificadores e reaquecedor. A temperatura de água arrefecida deve ser o mais alta possível, de forma a ter uma elevada taxa de calor sensível (8,33 C ou mais). A redundância deve estender-se à instalação central de água arrefecida e unidades de bombeamento. A instalação central deve ser adaptada ao clima de Inverno para operar o ano inteiro. Pode exigir pessoal operacional nalgumas cidades. Não misture com arrefecedores domésticos vulgares, porque as temperaturas de abastecimento de água arrefecida devem ser diferentes (5,6 C nos vulgares, 8,3 C nos de sala de tecnologia). 13

14 Custo de exploração 1- Custos de manutenção Os custos de ar condicionado por metro quadrado para uma sala de tecnologia são, por norma, dez vezes superiores aos de ar condicionado de escritório ou doméstico. Isto não só porque trabalham todo o ano e não apenas sazonalmente, mas também pelo facto da densidade de carga de calor ser muito maior. No entanto, no caso de aplicação a salas de tecnologia, os custos de manutenção de ar condicionado de precisão são muito menores que os de ar condicionado vulgar. Para uma mesma utilização, os custos de ar condicionado de precisão são menores que os de ar condicionado vulgar, pelas seguintes razões: a- Sistema por baixo do chão Uma taxa de calor sensível elevada elimina o excesso de desumidificação e subsequente operação de humidificação. b- Índice de eficiência energética (E.E.R) elevado. Devido às grandes bobinas, CFM elevados e compressores de bomba de calor, os sistemas de nível informático têm índices mais elevados de eficiência energética de arrefecimento sensível que os que recorrem ao método de arrefecimento vulgar. c- O equipamento de ar de precisão é concebido com componentes de elevada eficiência para funcionar o ano inteiro. Procure o seguinte: Bobina de arrefecimento superficial de grandes dimensões Motores de ventilação de grande eficiência Humidificadores a vapor Compressor de funcionamento nominal de bomba de água SHR s elevadas Ciclo dedicado de desumidificação Baixas amperagens em carga máxima hr tolerância nominal Garantias alargadas 14

15 2- Custos de funcionamento Os maiores custos durante os períodos de funcionamento ou avaria devem-se geralmente aos períodos de inactividade da sala de tecnologia. Como tal, a redundância deve ser sempre projectada primeiro. No entanto, para diminuir ainda mais a exposição a problemas, o equipamento pode ser seleccionado com características que reduzam drasticamente o funcionamento necessário e o tempo de avaria. Procure o seguinte: a- Componentes de refrigeração encaixáveis. Compressor e filtro secador devem poder sair sem recorrer a maçarico a gás. b- Colectores de escoamento de engenharia primária e secundária. c- Humidificador com recipiente de troca fácil. d- Os componentes devem estar numa secção mecânica à parte, afastados do fluxo de ar. e- Conjunto removível de peças de ventoinha. f- Ligações eléctricas com código de cores e números. g- Protectores de arranque de motor no lugar de fusíveis. h- Painéis de acesso facilmente removíveis e / ou articulados. i- Avisos de manutenção baseados no tempo de execução. Conclusões Os dispositivos electrónicos interiores sensíveis de salas de tecnologia requerem condições ambientais precisas para funcionarem na perfeição. O ar condicionado de precisão, pelo facto de fornecer a estabilidade de condições ambientais que este tipo de equipamento electrónico necessita, ajuda a evitar encerramentos de sistema e avarias de componentes, que se podem revelar dispendiosos. 15