Uma arquitetura de distribuição de energia elétrica escalável, reconfigurável e eficiente para Data Centers White Paper 129 Revisão 1 Por Neil Rasmussen > Sumário Executivo Melhorias significativas na eficiência, densidade de potência, monitoramento da energia elétrica, e na capacidade de reconfiguração foram obtidas na distribuição de energia elétrica para data centers. As técnicas anteriores de unidades de distribuição de energia intensiva baseada em um transformador alimentando circuitos de fiação abaixo do piso, por meio de conduítes rígidos ou flexíveis já demonstraram que estão obsoletas. Este artigo explica algumas as abordagens mais recentes para a distribuição de energia elétrica, incluindo distribuição de energia elétrica modular e um duto elétrico aéreo, mostrando suas vantagens em relação à abordagem mais antiga. Conteúdo clique em uma seção para ter acesso a ela Introdução 2 Histórico 3 Sistema de distribuição de energia elétrica otimizado Abordagens de distribuição de energia elétrica alternativas Conclusão 16 Recursos 4 11 17 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
Introdução As maioria dos data centers existentes utilizam a mesma arquitetura de distribuição de energia elétrica que foi desenvolvida para data centers há aproximadamente 40 anos. Esse sistema é ilustrado na Figura 1. Figura 1 Fiações de um sistema de distribuição tradicional de energia elétrica para data centers Unidade de distribuição de energia Cabos de energia elétrica sob o piso para os ramais Gabinetes de equipamentos de TI Em um sistema tradicional, a energia elétrica principal do data center é distribuída para unidades de distribuição de energia (PDU) - normalmente com capacidade nominal de 50 kw a 500 kw). As unidades de distribuição de energia elétrica podem ter transformadores de grande porte para converter a tensão ou permitir o condicionamento da energia elétrica. As unidades de distribuição de energia por sua vez, alimentam diversos ramais de circuitos (normalmente entre 1,5 kw a 15 kw) para os equipamentos de TI. Cada gabinete de TI utiliza um ou mais circuitos de ramais. A fiação para o gabinete de TI normalmente é conduzida via conduíte flexível ou rígido, normalmente localizado abaixo do piso elevado, conforme ilustrado na Figura 2. Figura 2 Distribuição de energia elétrica sob o piso em tubulações rígidas Desde a introdução desse sistema, tem havido dramáticas alterações em como a energia elétrica é utilizada em data centers, que desafiaram esta arquitetura, especificamente impulsionado pelo aumento da densidade de potência, pelo maior número de dispositivos Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 2
de TI independentes dentro do data center, e a necessidade de adicionar e remover equipamentos de TI de forma contínua. Este relatório explica por que a evolução dos data centers tornou obsoleta essa arquitetura histórica de distribuição de energia elétrica, e descreve um sistema para distribuição de energia mais eficiente, que pode ser implementado atualmente. Esse sistema melhorado permite que os racks de TI e mesmo todas as PDUs sejam instaladas ou alteradas sem qualquer fiação nova, distribui a energia elétrica via aérea, alimenta racks até 30 kw com um único alimentador flexível, melhora a eficiência elétrica, reduz o consumo de cobre, possui instrumentação elétrica para o ramal do circuito, e tem um sistema padrão de gerenciamento da capacidade. Histórico Quando o sistema tradicional de distribuição de energia elétrica foi criado, os data centers eram compostos de um pequeno número de dispositivos de TI de grande porte que raramente eram mudados, exceto durante uma parada programada, em uma atualização de grande porte. A baixa densidade de potência dessas instalações exige um baixo volume de ar abaixo do piso, e normalmente menos de um ramal elétrico para cada três metros quadrados de sala para computadores. Um data center moderno tem características diferentes que têm desafiado a arquitetura tradicional de distribuição de energia elétrica: Em vez de alguns dispositivos de TI de grande porte, os data centers podem conter milhares de dispositivos do tipo "plug-in" com cabos de alimentação de energia separados, que exigem tomadas de energia elétrica Os dispositivos de TI em um gabinete de racks são mudados com frequência durante a vida operacional do data center, mudando as necessidades de energia elétrica ou de tomadas elétricas em um local do rack. Devido às necessidades de potência variáveis, novos circuitos elétricos precisam ser frequentemente adicionados em um data center energizado sem perturbar as cargas de TI existentes e próximas A densidade de potência por rack aumentou muito exigindo, em geral, diversos ramais de circuitos por gabinete A quantidade de alimentadores obstrui o plenum de ar abaixo do piso com conduítes, bloqueando a vazão de ar e dificultando as alterações A quantidade de dispositivos de TI que pode ser conectada em um disjuntor de um ramal elétrico é, em geral, maior que um, dificultando o dimensionamento dos ramais elétricos circuitos ou a determinação de condições de sobrecarga iminente Sistemas com dupla alimentação são implantados normalmente, exigindo uma garantia de que nenhum circuito está carregado acima de 50%, porém não há ainda um mecanismo para monitorar essa condição ou para planejar isto Embora essas questões sejam amplamente reconhecidas, e há uma grande variedade de produtos disponíveis para resolver esses problemas, a maioria dos data centers construídos atualmente ainda utiliza métodos tradicionais e o resultado é que mesmo data centers recém-construídos sofrem as seguintes condições desfavoráveis: Os operadores de data centers são forçados a fazer alterações nos circuitos com fiações energizadas ( em circuito vivo ) Os operadores de data centers não podem determinar quais ramais de circuitos estão próximos da sobrecarga, ou quais circuitos poderiam apresentar sobrecarga em caso de perda de um ramal de energia elétrica Os plenums de resfriamento abaixo do piso ficam bloqueados com cabos, impedindo a passagem de um maior volume ar, necessário para equipamentos de TI modernos Os operadores de data center descobrem que unidades PDU estão tomando uma fração significativa do espaço no piso e da capacidade de carga do piso Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 3
Unidades PDU de grande porte baseadas em transformadores não podem ser utilizadas plenamente porque não têm ramais de circuitos suficientes Unidades PDU de grande porte baseadas em transformadores dissipam calor que precisa ser resfriado, reduzindo a eficiência do data center Algumas fotos das condições das fiações de data center reais em operação que ilustram algumas das dificuldades acima são mostradas na Figura 3. Figura 3 Congestionamento de fiações em data centers atuais A arquitetura de distribuição de energia elétrica descrita na próxima seção trata de todos os problemas descritos acima. Um sistema de distribuição de energia elétrica otimizado Um sistema ideal de distribuição de energia elétrica poderia ter os seguintes atributos: Novos circuitos podem ser adicionados ou alterados com segurança em um sistema energizado Não é necessário ter cabos abaixo do piso Todos os circuitos são monitorados quanto a energia elétrica O status de todos os disjuntores é monitorado remotamente As zonas de TI e a distribuição de energia elétrica associada podem ser implantadas ao longo do tempo Todos os níveis de potência são suportados usando um único cabo simples para o gabinete de TI Os tipos de tomadas podem ser mudados no gabinete de TI pelo pessoal da TI. A capacidade e a redundância são gerenciadas em cada circuito Não há excesso de cobre instalado, somente o que é necessário Alta eficiência Os sistemas de distribuição de energia evoluíram em resposta às necessidades de data center modernos, e diversas melhorias foram introduzidas no sistema de distribuição de energia elétrica ao longo do tempo, mais especificamente: Medidor de energia elétrica do ramal elétrico Bandeja para cabos aéreos com cabos de alimentação de energia flexíveis Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 4
duto elétrico aéreo fixo com derivações de energia removíveis Unidades de distribuição de energia elétrica de alta potência, do tipo conectável, para racks Unidades de distribuição de energia elétrica sem transformador Software de gerenciamento da capacidade de energia O sistema de distribuição de energia elétrica mostrado na Figura 4 inclui todos esses elementos em uma arquitetura que é idealmente adequada para data centers modernos de alta densidade. Duto elétrico de alimentação principal passa sobre fileiras de equip. de TI Figura 4 Ilustração do sistema modular de distribuição de energia elétrica Saída de energia elétrica de 250 kw conectável no duto elétrico Bandeja de cabos suspensa para ramais de circuitos de gabinetes TI Tomada trifásica típica PDU modular de 250 kw ocupando meio Gabinetes de equipamentos de TI Descrição do sistema O sistema de distribuição é feito em duas etapas. Em data centers maiores a energia do barramento crítico principal do suprimento de energia ininterrupta (no-breaks) é distribuída para as fileiras de equipamentos de TI usando um ou mais dutos elétricos aéreos conforme mostrado na parte superior da Figura 4. Os dutos elétricos aéreos são instalados logo no início e cobrem todo o layout planejado para os Racks de TI. Quando um grupo de racks deve ser instalado, uma PDU modular com pequena área no piso é instalada ao mesmo tempo e é conectada no duto elétrico aéreo. A conexão ao duto elétrico também está mostrada na Figura 4. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 5
Display da energia e do status Os ramais dos circuitos saem pelo topo Figura 5 Exemplo de uma PDU modular de 250 kw com área pequena. Mostrada com 24 módulos de ramais elétricos instalados Um dos 24 módulos de ramal elétrico Porta com trava Roletes para levar para a posição Em vez dos painéis tradicionais de disjuntores com terminações com fios nus, a PDU modular tem um distribuidor central onde são instalados os módulos de disjuntores protegidos contra choques. Esse arranjo permite que a face da PDU seja bem mais estreita, e elimina a preparação dos terminais dos fios no local. A PDU modular inicialmente não possui nenhum módulo de ramal elétrico instalado. Os circuitos de energia elétrica da PDU modular para os racks de IT são cabos flexíveis conectados na frente da PDU modular no local, para atender as necessidades de cada rack específico, conforme necessário. Os cabos do ramal elétrico para os gabinetes de TI são pré-terminados com módulos de disjuntores que se conectam no distribuidor central protegido contra choques da PDU modular. Um exemplo de um módulo de ramal elétrico está mostrado na Figura 6. Figura 6 Módulo do ramal elétrico que se conecta na unidade modular de distribuição de energia. Conexão para o gabinete da TI Conector protegido contra choques Disjuntor trifásico Monitoramento integral da energia e do status Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 6
Para equipamentos que precisam de um ramal elétrico dedicado, como a maioria dos servidores blade (servidor em camadas), um único cabo proveniente da PDU leva um, dois ou três ramais elétricos que se conectam diretamente no servidor blade, sem uma PDU de rack adicional (régua de energia) necessária. Quando houver equipamentos mistos no rack, existem PDUs de racks disponíveis que fornecem tomadas e classificação de corrente intercambiáveis. Um PDU para rack típico está mostrado na Figura 7; o conector mostrado nessa figura é ligado nos conectores correspondentes mostrados na Figura 6. Figure 7 Exemplo de uma régua de 12 kw com tomadas trifásicas para rack, projetada para montagem vertical na parte traseira de um gabinete de TI. Nesse sistema, uma PDU para uma nova fileira de gabinetes de TI, com toda a fiação associada do ramal elétrico e a régua de tomadas do Rack, pode ser instalada em uma hora, sem qualquer corte ou preparação de terminais de fios. Pequenas zonas ou densidade muito elevada Em alguns casos pode haver uma ou mais zonas dentro de um data center onde apenas um pequeno número de ramais de circuitos é necessário. Isso pode ocorrer quando há um conjunto de racks com densidade muito elevada, ou quando um pequeno grupo de racks está isolado pelo formato da sala ou por outras restrições. Nessas situações a capacidade total dos 24 ramais elétricos do sistema modular padrão de distribuição não é necessária. Nesses casos, a arquitetura inclui uma versão menor da unidade de distribuição modular de energia que pode ser montada diretamente em um rack de TI, não ocupa nenhuma área no piso e alimenta até 6 ramais elétricos. Essa PDU inclui todos os recursos de monitoramento do status e da capacidade da energia da unidade maior, montada sobre o piso em uma versão de montagem em rack de 5U. Figura 8 Uma PDU modular pequena que pode ser montada diretamente em um gabinete de TI pode fornecer energia elétrica para 6 gabinetes de TI (vista com porta fechada e porta aberta) Data centers menores O sistema na Figura 4 está otimizado para data centers maiores com um grande número de fileiras de racks de TI, que podem ser implantadas ao longo do tempo. O duto elétrico aéreo é muito mais fácil de instalar que fiações de alta potência e permite que PDUs sejam adicionadas ou alteradas. Para data centers menores de 300 kw ou menos, pode ser utilizada uma abordagem simplificada, usando os mesmos componentes e os mesmos princípios. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 7
Para data centers menores quando o número de PDUs é restrito a um ou dois, a flexibilidade de implantar PDUs em etapas é, em geral, desnecessária, e pode ser mais econômico conectar a fiação diretamente na PDU modular (Figura 5) para o barramento crítico com conduíte tradicional e fios. Nesse caso o duto elétrico aéreo não é instalado. Para data centers muito pequenos ou data centers com layouts de piso irregulares a PDU Modular de pequeno porte descrita na seção anterior e ilustrada na Figura 8 acima pode ser apropriada. Uma simplificação adicional também é possível em data centers menores, onde a PDU modular pode ser integrada diretamente com o sistema no-break em um arranjo compacto que pode ficar localizada na sala da TI e integrada no alinhamento de um gabinete de TI. Nesse caso a fiação do barramento principal é eliminada e a necessidade de uma sala elétrica separada é eliminada. Essa abordagem conveniente e popular para data centers de 200 kw ou abaixo está ilustrada na Figura 9. No-break modular de 120 kw Figura 9 Unidade modular de distribuição de energia elétrica integrada com um no-break para data centers menores Sistema de bateria de no-break modular Unidade modular de distribuição de energia elétrica Aplicações em readaptação/atualização Um grande número de projetos de data centers envolve a atualização de um data center existente, com projetos comuns de adição de capacidade ou a instalação de uma zona de alta densidade. O sistema de distribuição modular é bem adequado especialmente para esses tipos de projetos de readaptação, porque a instalação é muito menos conflitante que a instalação de uma PDU tradicional. Há uma longa lista de desafios ao instalar uma nova PDU tradicional em um data center existente, a maioria deles são resolvidos pelo projeto do sistema de distribuição modular. À medida que um data center evolui, PDUs modulares podem operar paralelamente a PDUs tradicionais existentes. Nessas aplicações de readaptações onde PDUs tradicionais são posicionadas, em geral, em função de restrições históricas, o componente da arquitetura representado pelo duto elétrico aéreo não é utilizado, são utilizados os tradicionais tubos e fios para conectar cada PDU aos barramentos principais. Um dos benefícios mais importantes e ignorados das PDUs modulares na atualização de um data center tradicional é o fato de que a instalação não introduz nenhum bloqueio adicional na vazão de ar abaixo do piso, pois os cabos correm em uma bandeja de cabos aérea. Isso em geral é crucial em data centers existentes onde os pisos não são profundos e a vazão de ar abaixo do piso já é um fator limitante. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 8
Monitoramento do status e da energia elétrica Em um sistema de distribuição de energia elétrica para data centers pode haver centenas de disjuntores que podem estar sobrecarregados. Esse sistema de distribuição otimizado utiliza alimentadores de energia elétrica para o rack com capacidade mais elevada e utiliza de 20 a 40% menos disjuntores que um sistema típico, porém ainda existem muitos circuitos, em 4 níveis: Barramento principal para o no-break Entrada da PDU Ramal elétrico Tomada No sistema modular de distribuição de energia elétrica existe um monitoramento incorporado de corrente e da energia em cada circuito, em todos os níveis da hierarquia (o monitoramento no nível de tomada é opcional em algumas configurações). Além disso, o status dos disjuntores dos ramais elétricos é monitorado na PDU. Todo o monitoramento se comunica via um protocolo simples de gerenciamento de redes (SNMP), que é um protocolo de norma aberta. O software de gerenciamento da capacidade é utilizado para monitor cada circuito do sistema e reforçar as margens de segurança, verificar a redundância, e identificar a capacidade disponível. Configuração da tensão A arquitetura descrita nesse artigo é global e adequada para todas as tensões de operação de data centers. No entanto, na América do Norte há duas opções de configuração da tensão de operação. A tensão de operação de TI mais eficiente eletricamente para a América do Norte é a energia elétrica trifásica em 415/240 VCA. Este é o mesmo sistema de distribuição utilizado na Europa e na maior parte do mundo, porém não é utilizada normalmente na América do Norte. A segunda opção na América do Norte é utilizar a tensão tradicional de 208/120 VCA trifásica, comum nos edifícios na América do Norte. Essa opção requer o uso de mais cobre e unidades PDU com grandes transformadores de potência integrados, e é menos eficiente e mais cara. Link para a fonte White Paper 128 Aumento dell efficienza delle sale CED attraverso una migliore distribuzione Para data centers instalados na América do Norte o sistema de 415/240 VCA tem inúmeras vantagens importantes, conforme explicado no Relatório APC No. 128, Aumente a eficiência do Data Center utilizando uma melhor distribuição de energia elétrica de alta densidade. Essa é a opção de tensão recomendada. Entretanto, o sistema de distribuição de energia elétrica recomendado, descrito neste relatório, também pode ser implantado em uma configuração tradicional com tensão de 208/120 VCA da America do Norte. Configuração da tensão O sistema de distribuição de energia elétrica descrito foi desenvolvido para resolver muitas dificuldades significativas da abordagem tradicional. As vantagens do novo sistema estão resumidas na Mesa 1. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 9
Mesa 1 Comparação da distribuição de energia elétrica tradicional com a distribuição modular de energia elétrica Questão Distribuição tradicional Distribuição modular Adição de ramais elétricos Remoção de ramais elétricos Novos conduítes devem ser instalados, disjuntores dimensionados e instalados, os fios passados e seus terminais preparados. Se o sistema estiver energizado, o eletricista pode precisar trabalhar em fiações expostas. Se o circuito tiver monitoramento da energia, pode ser necessário novos sensores e/ou programação Se o sistema estiver energizado, o eletricista pode precisar trabalhar com fiações expostas. O conduíte precisa ser extraído da rede complexa de fiações abaixo do piso. Se o circuito tiver monitoramento da energia elétrica, pode ser necessário alterar a programação Circuitos de ramais elétricos do tipo plug-in, pré-preparados. Podem ser instalado em um sistema energizado sem exposição a fiações energizadas. O monitoramento incluído em cada ramal elétrico é configurado automaticamente quando conectado O ramal elétrico pode ser desconectado da PDU, e pode ser re-utilizado em outro local Capacidade para remover ou alterar um gabinete de rack Planejamento simplificado O ramal elétrico pode precisar ser desconectado mecânica e/ou eletricamente do rack Tipicamente a quantidade e a localização das PDUs precisam ser estabelecidas logo no início do projeto, em geral antes que a densidade final de potência seja conhecida. Em uma instalação com piso elevado, suportes especiais precisam ser desenvolvidos para montagem abaixo do piso O ramal elétrico é desconectado do rack, e o rack pode ser movimentado A quantidade e a localização das PDUs não precisam a ser estabelecidas desde o início do projeto. As PDUs podem ser adicionadas posteriormente sem preparação especial Confiabilidade Área mínima no piso Segurança Muitas terminações da fiação são feitas em campo, resultando em conexões soltas e outros defeitos. Erros ocorridos durante o trabalho com equipamentos energizados pode desalojar fios e desarmar disjuntores, afetando outras cargas de TI PDUs com transformadores consomem aproximadamente 2,5 m2 para cada 100 kw de carga de TI, ou aproximadamente 7% do espaço da sala de computadores Adicionar, remover, inspecionar, e monitorar a corrente em ramais elétricos com medidor portátil expõe o operador a fiações energizadas Os terminais das fiações são preparados antecipadamente em um ambiente de fábrica controlado, melhorando a confiabilidade. O risco de interferência com outros circuitos durante adições e alterações é eliminado Consumo aproximado de 0,7 m2 para cada 100 kw da carga de TI, ou aproximadamente 2% do espaço na sala de computadores Instalação plug-in protegida contra choques dos ramais de circuitos. Nenhuma fiação de campo é necessária Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 10
Interferência no fluxo de ar O grande volume de cabos que entra na PDU pela parte inferior causa interferência na vazão de ar abaixo do piso. As aberturas no piso para passagem dos fios criam grandes desvios de ar que reduzem a eficiência e a capacidade do condicionador de ar Sem cabeamento abaixo do piso. Sem vazamento de ar no piso causado por aberturas adicionais no piso Engenharia simplificada Muitas concessões entre o comprimento da fileira, densidade, ampacidade, e o custo precisam ser feitas em cada instalação para posicionar as PDUs de forma ideal Selecionado de projetos de referência padrão para atender as exigências. Diversas decisões podem ser transferidas para fases posteriores Custo inicial As PDUs são instaladas normalmente logo no início. A mão-de-obra de instalação é significativa. O custo de montagem ocorre na construção inicial A maior parte do custo de distribuição da energia elétrica ocorre somente quando necessário Eficiência Perdas mais elevadas devido a cabos com comprimentos mais longos. Na América do Norte em 208/120 VCA ocorre praticamente 10 vezes a quantidade de perdas comparadas ao sistema de 415/240 VCA Cabos com comprimentos mais curtos resultam em perdas ligeiramente menores Abordagens de distribuição energia alternativas A arquitetura de distribuição de energia elétrica descrita neste artigo não é a única abordagem para resolver os problemas do sistema de distribuição tradicional. Existem duas outras variações que foram descritas na literatura e que também foram utilizadas em data centers reais: o duto elétrico para o rack, e a distribuição de energia elétrica em CC. Essas duas alternativas estão descritas e comparadas brevemente com o sistema descrito neste artigo. Duto elétrico para o rack Até a arquitetura descrita neste artigo ter sido introduzida em 2008, utilizar um duto elétrico aéreo para o rack era a melhor abordagem alternativa para fornecer energia elétrica para os gabinetes de TI. No duto elétrico para o sistema de rack, os gabinetes de TI se conectam diretamente nos duto elétrico aéreo via caixas de disjuntores conforme mostrado na Figura 10. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 11
Figura 10 Duto elétrico para o rack mostrando as derivações de energia elétrica conectadas em um barramento elétrico aéreo Caixa do disjuntor da derivação do barramento Calha do barramento de energia elétrica via aérea Gabinetes de TI O duto elétrico é pré-instalado sobre todas as fileiras de equipamentos de TI. Isso resolve uma grande quantidade de problemas da distribuição tradicional, facilitando as alterações e removendo o cabeamento abaixo do piso. O duto elétrico foi a primeira alternativa para a distribuição tradicional que atingiu um sistema de distribuição flexível e reconfigurável. Embora o duto elétrico para o rack permaneça uma alternativa viável para as abordagens tradicionais, existem diversas desvantagens práticas do duto elétrico para o rack que são superadas pela nova arquitetura de PDU modular descrita neste artigo. O duto elétrico para o rack é comparado com a distribuição modular na Mesa 2. Mesa 2 Comparação de duto elétrico para rack com distribuição modular de energia para gabinetes de TI (melhor desempenho destacado em verde claro) Questão Duto elétrico para o rack Distribuição modular Capacidade para lidar com densidade de potência mista e variável O duto elétrico precisa ser dimensionado previamente para a máxima densidade e capacidade, caso contrário a adição de um duto elétrico adicional no futuro é impraticável e causa problemas A densidade de potência é ajustável para atender a configuração de corrente pelo acréscimo ou mudança de ramais de circuito. Mais fácil de instalar PDUs adicionais para capacidade extra Capacidade de lidar com layouts de salas especializadas Acesso seguro e protegido aos disjuntores O duto elétrico precisa ser instalado previamente sobre todos os locais previstos para gabinetes Os disjuntores são montados no duto elétrico aéreo, exigindo acesso via escada. Isto não é permitido em muitos casos devido a normais locais. Pode ser necessário o uso de correntes ou outros tipos de atuadores Cabo flexível adapta-se facilmente às obstruções da sala, a gabinetes de TI especializados, e pisos de equipamentos de TI saturados Todos os protetores de ramais protegidos por porta com trava em um local de fácil acesso Área mínima no piso Ocupa espaço zero no piso Consome aproximadamente 0,7 m2 para cada 100 kw da carga de TI, ou aproximadamente 2% do espaço da sala de computadores Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 12
Solução global padronizada As regulamentações para dutos elétricos variam de país para país, exigindo configurações físicas, capacidade de corrente, ou comunicação de dados diferentes em locais diferentes Arquitetura padrão atende todas as normas internacionais e tem um padrão global de monitoramento Monitoramento da energia de cada ramal elétrico do rack Os sistemas com duto elétrico normalmente monitoram apenas a potência total no barramento usando equipamento opcional, e depende dos PDUs de Rack para relatar a potência individual do rack A PDU com auto reconhecimento de novos ramais instalados e tem uma única porta de comunicação para todos os circuitos. Monitora a energia elétrica de cada gabinete de TI, mesmo se o gabinete não utiliza um PDU de Rack, como em servidores blade Engenharia simplificada Uso mínimo de cobre Comprimento final padrão do cabo de distribuição Muitas concessões entre o comprimento da fileira, densidade, ampacidade do duto elétrico, e o custo precisam ser feitas em cada instalação, mesmo em fileiras diferentes no data center, para otimizar o resultado e assegurar que o duto elétrico não seja sobrecarregado O uso no cobre no duto elétrico precisa ser superdimensionado para a máxima densidade de potencia O duto elétrico fica sempre à mesma distância do gabinete de TI para que todos os cabos que descem tenham o mesmo comprimento, simplificando o estoque de peças de reposição Selecionado de projetos de referência padrão para atender as exigências. Muitas decisões podem ser deixadas para fases posteriores O uso do cobre no ramal elétrico é implantado apenas quando necessário e na capacidade necessária A distância da PDU e do gabinete de TI pode ser reduzida e a terminação feita novamente pelo usuário, porém isso varia, exigindo cabos com comprimentos diferentes. Cabos longos são menos convenientes Pode ser utilizado em situações onde a montagem aérea é impraticável O duto elétrico não pode ser instalado abaixo do piso em muitos locais devido às regulamentações As bandejas de cabos de distribuição de energia podem ser suspensas, instaladas no topo dos racks de TI, ou montadas abaixo do piso Custo inicial mínimo A maior parte do custo do duto elétrico ocorre na construção inicial A maior parte do custo de distribuição da energia elétrica ocorre somente quando for necessário Eficiência Um duto elétrico dimensionado previamente para capacidade máxima (ou seja, a maior quantidade de cobre possível) resultando em perdas ligeiramente baixas. O retorno do investimento devido a eficiência é de mais de 50 anos dado o alto custo do cobre Uso do cobre dimensionado mais próximo da carga real resultando em perdas ligeiramente maiores Embora um duto elétrico para o rack seja uma melhoria drástica em relação à abordagem tradicional, e a arquitetura neste relatório utiliza o duto elétrico para distribuir a energia elétrica massivamente no data center, a Tabela 2 mostra que o sistema de distribuição modular de energia tem algumas vantagens sobre o duto elétrico para a distribuição final para o gabinete de TI. O duto elétrico para a distribuição final tem a vantagem de não ocupar espaço no piso, porém o sistema de distribuição modular é mais escalável e adaptável para densidades que podem mudar, é padronizado globalmente, e requer menos planejamento e serviços de engenharia iniciais. Em geral, para distribuição para racks, o duto elétrico é mais adequado para instalações muito grandes, com um desenho de piso aberto e com um layout para os equipamentos de TI muito bem definido. O sistema de distribuição modular tem a maior vantagem quando os locais não estão definidos com precisão inicialmente, a sala apresenta restrições no formato Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 13
ou tem obstruções, ou espera-se que a densidade de potência varie significativamente ao longo da sala. Cada uma dessas abordagens é muito superior ao sistema tradicional de passagem abaixo do piso. Na Mesa 3 é apresentado um resumo dos fatores-chave que devem ser considerados na seleção entre as duas abordagens. Mesa 3 Fatores a serem considerados ao escolher entre busway e distribuição modular para gabinetes de TI Fatores que sugerem um duto elétrico para o rack Nenhum espaço no piso, mesmo 5% do espaço ou menos, pode ser utilizado pelo sistema de distribuição de energia elétrica O duto elétrico para o rack pode não ser a melhor escolha quando: Os locais dos gabinetes de TI futuros são definidos sem precisão As densidades de potência as futuras zonas não são bem conhecidas inicialmente A montagem aérea é impraticável devido à construção do teto ou outras restrições Uma solução padrão global é necessária Fatores que sugerem uma distribuição modular O layout dos gabinetes de TI não é bem definido previamente O layout não é um simples retângulo com fileiras definidas. A sala terá zonas de densidades diferentes A distribuição modular pode não ser a melhor escolha quando: Nenhum espaço no piso da TI, mesmo 5% do espaço ou menos, pode ser dedicado para o sistema de distribuição Distribuição de energia elétrica em CC A distribuição de energia elétrica em CC foi proposta como uma alternativa à distribuição de energia CA em data centers. Existem na verdade quatro abordagens diferentes em CC que foram descritas na literatura, usando diferentes níveis de tensões em CC e diferentes diagramas de fiação. A principal razão mencionada para passar para um sistema em CC é uma maior eficiência elétrica. Inúmeros estudos têm propagado vantagens substanciais de eficiência, previstas para um sistema elétrico em CC, de 10% a 40%. No entanto, esses estudos assumem uma eficiência muito baixa para os sistemas com energia em CA. Desde que esses estudos foram publicados, arquiteturas de distribuição em CA mais novas e com alta eficiência se tornaram amplamente disponíveis no mercado, com eficiências que podem ser comparáveis, de forma demonstrada, com a eficiência hipotética de sistemas em CC. Link para a fonte White Paper 127 Uma Comparação Quantitativa de Alta eficiência em CA x Energia CC Distribuição para data centers Uma análise quantitativa comparando a eficiência de energia em CA x Energia CC pode ser obtido no Relatório oficial 16 do The Green Grid, Análise de Eficiência Quantitativa das configurações de distribuição de energia para data centers e no Relatório APC No. 127, Comparação quantitativa da alta eficiência da distribuição de energia elétrica em CA x CC para data centers. Esses relatórios mostram que os melhores sistemas de distribuição em energia CA são praticamente tão eficientes como os sistemas em CC, retirando um incentivo-chave. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 14
O problema mais importante com a distribuição de energia elétrica em CC é a falta de disponibilidade de dispositivos de TI compatíveis. Enquanto alguns dispositivos de TI estão disponíveis em 48 V CC como opção de entrada, esta é a tensão de distribuição em CC menos eficiente e utiliza grandes quantidades de cabeamento em cobre. Se um dia a energia CC vier a ser um sistema padrão de distribuição de energia para data centers, a maioria das mesmas questões de distribuição dos circuitos e de monitoramento para os racks deverá permanecer. As abordagens fundamentais de duto elétrico e de distribuição modular ainda poderiam ser utilizadas, porém novos sistemas de conectores precisariam ser desenvolvidos e os dispositivos poderiam tornar-se maiores para abranger as maiores distâncias de segurança necessárias para energia CC em alta tensão. O custo de mudar o setor para alimentação em CC seria muito grande e a falta de qualquer ganho significativo em custos ou na eficiência tem retirado os incentivos para fazer essa mudança. Portanto espera-se que o setor permaneça baseada em energia CA, embora a energia CC seja utilizada como um sistema de distribuição dentro de sistemas exclusivas de equipamentos de TI incluindo chassis ou racks para servidores blade, e dentro de servidores compartimentados. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 15
Conclusão Este artigo descreveu as limitações significativas da arquitetura tradicional de distribuição de energia elétrica com passagem abaixo do piso. Dois sistemas alternativos de distribuição de energia foram descritos, o duto elétrico para o rack e a distribuição modular, ambos são melhorias significativas em relação à abordagem tradicional em termos de escalabilidade, eficiência, capacidade de reconfiguração, facilidade de gerenciamento, e densidade de potência. O sistema de distribuição modular de energia demonstrou ser especialmente vantajoso na prática, em data centers onde o layout não é definido com precisão desde o início, em aplicações de readaptação, e em casos onde o layout da sala inclui um planejamento do piso com formato incomum ou com obstruções. Sobre o autor Neil Rasmussen é Vice-Presidente Sênior de Inovação na APC, que é a Unidade de Negócios de TI da Schneider Electric. Neil define instruções de tecnologia para o maior orçamento de P&D do mundo dedicado à energia elétrica, resfriamento e infra-estrutura de racks para redes críticas. Neil é detentor de 14 patentes relacionadas à alta eficiência e alta densidade da infraestrutura de energia e resfriamento para data centers, publicou mais de 50 relatórios técnicos relacionados a sistemas de energia e de resfriamento, muitos publicados em mais de 10 idiomas, mais recentemente com o foco voltado para a melhoria da eficiência energética. É um palestrante reconhecido internacionalmente em temas relacionados a data centers de alta eficiência. Neil trabalha atualmente para avançar a ciência de soluções escaláveis de infra-estrutura de alta eficiência e alta densidade para data centers e é o principal criador do sistema InfraStruXure da APC. Antes de fundar a APC em 1981, Neil recebeu seus diplomas de graduação e de mestrado em engenharia elétrica do MIT onde apresentou sua tese sobre a análise de uma fonte de alimentação de 200 MW para o reator de fusão Tokamak. De 1979 a 1981 trabalhou nos laboratórios Lincoln do MIT em sistemas de armazenamento de energia em volantes de inércia e em sistemas de energia elétrica solar. Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 16
Recursos Clique no ícone para linkar a pesquisa Aumente a eficiência do Data Center utilizando uma melhor distribuição de energia elétrica de alta-densidade White Paper 128 Uma Comparação Quantitativa de Alta eficiência em CA x Energia CC Distribuição para data centers White Paper 127 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 www.apc.com/support/contact/index.cfm Schneider Electric Centro Científico de Data Centers White Paper 129 Rev 1 17