estrategia energetica en centros de proceso de datos

Estrategia Energética en Centros de Proceso de Datos 2009 04 13.doc 1 de 22 Robert Tozer (EYP/HP)

Estrategia Energética en Centros de Proceso de Datos Robert Tozer Ing MSc MBA PhD CEng MCIBSE MInstR MASHRAE, EYP Londres, Reino Unido, parte de Hewlett Packard Mission Critical Systems Tel +44 (0)20 7796 5000, [email protected] Resumen Como si fuera poco satisfacer los requerimientos de crecimiento empresarial, los Centros de Proceso de Datos son ahora el foco de atención con respecto a su consumo energético y sus costes, dado la evidencia de los cambios climáticos por el calentamiento global, las presiones sociales y las políticas gubernamentales. Las evaluaciones energéticas en Centros de Proceso de Datos han suministrado unas lecciones muy valiosas con respecto al consumo energético de los sistemas de TI (Tecnología Informática), termo-mecánicos y eléctricos. Estas evaluaciones indican que si bien el consumo energético de los sistemas de TI es el más alto, es seguido muy de cerca por los sistemas de enfriamiento (refrigeración). Le siguen a continuación la energía de los ventiladores de impulsoras de aire (para circular el aire dentro del Centro de Proceso de Datos) y las pérdidas en los sistemas de SAI (Sistemas de Alimentación eléctrica In-interrumpible). Aproximadamente en un tercio de los Centros de Proceso de Datos evaluados, solamente llega a los sistemas de TI (Tecnología Informática) el 40% de la energía sumistrada al Centro de Proceso de Datos. El 60% restante es utilizado (desaprovechado) por los sistemas termo-mecánicos y eléctricos. La estrategia energética de este trabajo comienza con el proceso central: el uso, eficiencia y condiciones ambientales de los sistemas de Tecnología Informática (TI). Luego trata la gestión del aire de cómo el frío llega a los equipos de TI. Tradicionalmente es un área de negligencia y de responsabilidades compartidas. Con una buena gestión de aire implementado, es posible incrementar los puntos de consigna de los sistemas de enfriamiento lo cual permite que haya más eficiencias en los sistemas de refrigeración y más horas de enfriamiento gratuito (“free cooling”). Por último se analizan las eficiencias de los sistemas eléctricos y las fuentes alternativas de energía suministradas al Centro de Proceso de Datos. El paradigma de que la alta fiabilidad no es compatible con altas eficiencias energéticas, es cuestionado, y se realizan sugerencias útiles, particularmente para los temas termo-mecánicos que son responsables de la mayoría de las perdidas energéticas de los sistemas mecánicos y eléctricos. El Centro de Proceso de Datos ideal es conceptualmente posible, donde las perdidas en los sistemas mecánicos y eléctricos son mínimas (despreciables) y toda la energía provista es para los sistemas de TI, y por lo tanto es posible en el futuro. Introducción No hay ninguna duda hoy, que el calentamiento global es una realidad. El Panel Internacional de Cambio Climático de las Naciones Unidas (recientemente receptor del Premio Nobel) predijo un calentamiento global dentro de los siguientes 100 años que varía desde 1°C (cesa la corriente del Golfo) hasta 6°C (colapso de la civilización, extinción masiva) (IPCC, 2008). Si se logra limitarlo a su objetivo de 1.8°C, todavía podemos esperar que haya severas ondas de calor en verano, riesgo de inundación de la ciudades costales, y sequías en la cuenca del Mediterráneo y California. Para más detalles, ver Apéndice A.

Todo esto ha influenciado las políticas gubernamentales. El gobierno del Reino Unido ha establecido su objetivo de reducir su consumo energético al 40% de los niveles del 1990, para el año 2050 (BERR 2007). El consumo energético de los Centros de Proceso de Datos equivale del 2.2 al 3.3% del consumo total de energía eléctrica del Reino Unido (MTP 2007), y con predicciones de seguir aumentando. Se estima que a consecuencia del crecimiento del mercado en el sector de Centros de Proceso de Datos, su consumo energético se duplique cada 30 años. Esto implica que para lograr los objetivos energéticos del gobierno y los del mercado, necesitaremos una tecnología que permita consumir el 10% de los valores actuales en el 2050.


Figura 1: Política Energética del Reino Unido El crecimiento del Mercado sumado a la dificultad de implementar cambios de estilo de vida, entre otros, son los factores que precipitarán al gobierno del Reino Unido para que tome medidas tangibles más radicales a corto plazo, por ejemplo la nueva política de energía nuclear. “El gobierno cree que esta en el interés público que nuevas centrales nucleares tengan un rol en el futuro energético compartidas con otras fuentes tecnológicas de bajo carbón” (BERR 2008). Las cuestiones ‘verdes’ tienen un alto perfil en los medios de comunicación y las grandes empresas están sometidas por varias partes interesadas a presiones de responsabilidad social corporativa para actuar de forma responsable con respecto al medio ambiente. Monbiot presenta una perspectiva científica, mientras que Godrej presenta elementos a partir de la naturaleza (2006). Juniper explora la arena política, mientras que Lynas ofrece guías simples de orden práctico (2007). Como respuesta, se han realizados varias iniciativas de eficiencia energética (eléctricas, enfriamiento y TI) para Centros de Proceso de Datos. Tschudi informa la eficiencia de varios Centros de Proceso de Datos (2004). Greenberg clasificó el uso energético de 22 Centros de Proceso de Datos de acuerdo a puntos de referencia (2005). Shamshoian analizo el índice típico (promedio 0.4) entre la energía para sistemas termomecánicos y el total de los Centros de Proceso de Datos (2005). Este número corresponde bien con la experiencia de HP MCS acumulado en docenas de Centros de Proceso de Datos evaluados (Salim 2008). Rasmussen analiza las eficiencias de los sistemas eléctricos en Centros de Proceso de Datos (2005). Gross y Ansett proponen una novedosa solución de corriente directa, la cual es un paso más del

que ha dado la industria de telecomunicaciones para sus centros de conmutación (2005). Nordsman propone una métrica para equipamiento de TI con respecto a su consumo energético (2005), y Patel aplica la segunda ley de la termodinámica para analizar los chips y los servidores en el contexto de sus Centros de Proceso de Datos (2003). Kurkjian y Glass proveen elementos útiles para el diseño considerando expansiones prácticas con crecimiento continuo (2005). Kosik y Winn proveen una perspectiva de Centros de Proceso de Datos más eficientes (2005), mientras que Tozer y Ansett describen la necesidad de una participación más amplia con un enfoque holístico con respecto a conceptos intangibles como la fiabilidad y sostenibilidad (Tozer y Ansett 2006). En los últimos años han surgido muchas otras iniciativas. Cabe destacar “The Green Grid” quienes trabajan para avanzar y difundir el conocimiento de eficiencia energética en Centros de Proceso de Datos (2009). El departamento de energía de Estados Unidos ha lanzado la versión beta de un software en línea diseñado para ayudar a las organizaciones a identificar las oportunidades de ahorro energético en Centros de Proceso de Datos (DoE 2008). El Código de Conducta para Centros de Proceso de Datos de la Comisión Europea es un protocolo voluntario lanzado en Londres del 2008 con el objetivo de reducir el consumo energético de las mismas (EU CoC 2008). “The Uptime Institute” provee muchos artículos sobre la eficiencia de Centros de Proceso de Datos (2009). El comité técnico (TC 9.9) de ASHRAE titulado “Mission Critical Facilities” ha estado muy activo en los últimos años. La guía técnica “Design Guidelines” de ASHRAE provee una muy buena orientación sobre la eficiencia energética de equipos y sistemas (2005). ASHRAE ha publicado guías sobre enfriamiento con líquidos (2006) y recientemente casos de estudio y practicas recomendadas para Centros de Proceso de Datos de alta densidad (2008) y las mejores prácticas para eficiencia energética (2008b). Las presiones del mercado han llevado a que haya sobreventa de las credenciales “verdes” de los Centros de Proceso de Datos: “green-washing”. Matt Stansberry, el editor de SearchDataCentre.com ha dicho “Si alguna persona más me viene con el cuento de un Centros de Proceso de Datos verde, voy a vomitar en mi laptop. A menos que su servidor

40% 1990 <10% 2050= Objetivo Energético =

1990 2050

CRECIMIENTO DE MERCADO

(Duplica cada 30 años)

Excluye aviación!

40% 1990 <10% 2050= Objetivo Energético =

1990 2050

CRECIMIENTO DE MERCADO

(Duplica cada 30 años)

Excluye aviación!


literalmente absorba dióxido de carbono de la atmósfera y lo aísle debajo de la tierra, por favor no me quieran vender su posicionamiento verde (2007). Otra consecuencia de las presiones del mercado es la falta de interpretación de certificados energéticos concebidos originalmente para edificios comerciales. Ejemplos de estos planes son BREEAM (Reino Unido) y LEED (USA) (2008). Mientras que estos planes proveen certificados para el edificio, no enfocan sobre las cuestiones que estratégicamente reducirán el impacto medio-ambiental de los Centros de Proceso de Datos. Sin embargo, ambas organizaciones están desarrollando evaluaciones específicamente para casos no estándar, como son los Centros de Proceso de Datos. Los edificios comerciales tienen dos órdenes de magnitud (x100) más ocupantes y un orden de magnitud (x10) menos cargas (termo-mecánicas) que los Centros de Proceso de Datos. Esto resulta que se abordan mejoras que realmente no tienen un impacto positivo para un Centro de Proceso de Datos, por ejemplo, proveer ventilación natural para los ocupantes, proveer casillas para bicicletas, ubicar el edificio cerca de un nodo de transporte público, etc. Ver más detalles en Apéndice B. Evaluaciones Energéticas En el contexto global de la energía, desde la energía primaria (combustible para las centrales térmicas) hasta el procesador (chip) de TI hay las siguientes pérdidas energéticas a considerar:

- Generación de energía eléctrica - Distribución de energía eléctrica - SAI (Sist. Aliment. In-interrumpible) - Luces - Calentadores de cárter (generadores) - Distribución eléctricas (en obra) - Refrigeración - Ventiladores de impulsoras de aire - Humidificación / aire exterior - Varios termo-mecánicos - Combustible (generadores / calderas) - TI perdidas eléctricas - TI parado - TI ventiladores, disco rígido, etc. - TI procesador

Las pérdidas se indican en la siguiente figura. Cabe destacar que de 100% de la energía primaria usada (dedicada a un Centro de Proceso de Datos), solo aproximadamente el

1% es utilizado por el procesador (chip) para realizar trabajo útil. Figura 2: De Energía Primaria a (TI) Tecnología

Informática Si bien todas las pérdidas son importantes, las tres predominantes son:

- Perdidas de generación - Refrigeración - TI parado (procesador inactivo)

Perdidas de generación: donde la energía primaria (gas natural, fuel-oil, carbón) se quema (combustión) en centrales térmicas para generar electricidad, disipan mucha de su energía al medio ambiente a través de torres de enfriamiento. Mientras que su magnitud depende de la eficiencia de la central térmica, otros medios para producir energía eléctrica de fuentes renovables (hidráulica, solar, eólico) minimizaran este impacto. Refrigeración: este es el precio que pagamos por concentrar todo el equipamiento TI en espacios densamente poblados. Las soluciones se discuten más adelante en este trabajo. IT parado: en la mayoría de los Centros de Proceso de Datos, muchos servidores están inactivos sin producir ninguna utilidad. La racionalización (demanda de TI) y los programas de consolidación (incluyendo virtualización) concentran la demanda en menos servidores, por lo tanto aumenta su utilización. La siguiente figura indica la energía consumida por los sistemas Termomecánicos (T) y Eléctricos de un Centro de Proceso de Datos típico. La fuente de información proviene de

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Energ

ía pr

imari

a

Genera

ción

Distrib

ución

AT

SAI

Luce

s

Carter

gene

rador

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BT

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tricas

TI pa

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TI ve

ntilad

ores

, disc

os

TI pr

oces

ador


una serie extensa de Centros de Proceso de Datos evaluados (Salim 2008).

0

100

200

300

400

500

600

700

800

kW

Termo-mecanica TI Elec

Elec varios

Luces

Carter gen

SAI

TI

Mech varios

Combustible

Humidif icacion, AE

Ventiladores

Refrigeracion

Figura 3: Consumo Energético en Centros de

Proceso de Datos En Centros de Proceso de Datos tradicionales generalmente la energía de los sistemas termomecánicos son similares (o un poco menores) a la de los sistemas de TI, mientras que las pérdidas de los sistemas eléctricos son aproximadamente 1/5 de TI (o 1/10 del Centro de Proceso de Datos). Para evaluaciones energéticas de Centros de Proceso de Datos, solamente deben considerarse el consumo energético (energía eléctrica) de TI, pérdidas eléctricas y sistemas termo-mecánicos asociados con el Centro de Proceso de Datos. La energía para el edificio (House) se refiere a todos los otros sistemas que no son requeridos para soportar directamente la sala de CPD (Centro de Proceso de Datos) o sus sistemas. Ejemplos de sistemas propios del edificio (house) son:

- Aire acondicionado oficinas - Ventilación oficinas - Calefacción oficinas - Ascensores - Servicios / baños / toilettes - Servicios para mesas de dinero - Habitaciones satélite de TI - Oficinas de TI - Cocina - Gimnasio

Estos deben ser excluidos de los cálculos energéticos de los Centros de Proceso de Datos, y su proporción puede variar considerablemente de centro a centro. Una evaluación energética superficial (rápida), usando por ejemplo la alimentación eléctrica general al edificio, inevitablemente va a incluir

energía propia del edificio (house), a lo que se le suma la dificultad de destinar su energía. Por ejemplo, un sistema de agua enfriada que suministra un Centro de Proceso de Datos y oficinas del edificio. Para evaluar la eficiencia de la infraestructura (sistemas termo-mecánicos y eléctricos) de Centros de Proceso de Datos, The Green Grid originalmente propuso originalmente utilizar el índice PUE: “Power Utilisation Effectiveness” (2007). PUE es la relación de energía del Centro de Proceso de Datos con respecto a la energía de TI. Lo correcto es utilizar la energía anual ya que la eficiencia termo-mecánica puede variar considerablemente entre las estaciones de verano e invierno. La energía del Centro de Proceso de Datos consiste de la suma de los sistemas termomecánicos, eléctricos y TI. Nótese, que si bien por su facilidad de uso se utilizan unidades de potencia (kW), dado que la relación es de potencia utilizada (Power Utilisation) a lo largo de un periodo de tiempo, en realidad estamos comparando energía (energía es potencia multiplicado por tiempo). Por lo tanto, PUE es una relación de energía anual. Otra forma de verlo, es considerar que la ecuación de PUE es la relación de potencia promedio anual (Centro de Proceso de Datos con respecto a TI).

IT

ITem

IT

DC

EEEE

EE

PUE++

== [1]

PUE es siempre mayor a la unidad, y cuanto más cerca este de uno, mejor será su eficiencia. Según las evaluaciones los valores de PUE varían típicamente de 1.7 hasta 4, con un valor promedio de 2.2. Ver la siguiente figura. Esto significa que de cada kW consumida por un servidor, el Centro de Proceso de Datos requerirá 2.2 kW.

2.171.96

2.062.27

3.31

1.95 1.94

3.53

2.05

2.68

2.30

1.98

2.53

2.24

3.57

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Center Number

PUE:

Dat

a C

entr

e En

ergy

/ IT

Ene

rg


Figura 4: PUE de centros evaluados Recientemente, tanto The Green Grid como el Código de Conducta de la Comisión Europea de Centros de Proceso de Datos (EC CoC) han adoptado la inversa de PUE, que es DCiE (“Data Centre infrastructure Efficiency” o la eficiencia de la infraestructura del Centro de Proceso de Datos) (2008). DCiE varia de cero a la unidad, cuanto más alto sea DCiE, más eficiente será el Centro de Proceso de Datos.

ITem

IT

DC

IT

EEEE

EE

PUEDCiE

++===

1 [2]

La siguiente figura muestra las evaluaciones de la figura de arriba (en función de PUE) expresados en términos de DCiE.

Figura 5: DCiE de centros evaluados Mientras que ambos PUE y DCiE expresan los mismos hechos, lo hacen de maneras diferentes. Las evaluaciones indican una gama de DCiE de 0.28 a 0.53 (PUE de 3.6 a 1.9) con un promedio de 0.47 (PUE 2.15). Por cada kW que entra al Centro de Proceso de Datos solamente 0.47 kW suministra equipos de TI. En línea con la categorización de productos electrodomésticos donde se le asignan letras (A a G) en función de su eficiencia energética, nosotros podemos hacer lo mismo en función de los Centros de Proceso de Datos.

Categoría Energética

DCiE PUE

A > 0.9 < 1.11 B 0.8 – 0.9 1.11 – 1.25 C 0.7 – 0.8 1.25 – 1.43 D 0.6 – 0.7 1.43 – 1.67 E 0.5 – 0.6 1.67 - 2 F 0.4 – 0.5 2 – 2.5 G < 0.4 > 2.5

Tabla 1: Categorías de Centros de Proceso de Datos

Si nosotros categorizamos los Centros de Proceso de Datos evaluados de acuerdo a este criterio obtendríamos lo siguiente:

- Categoría E: 27% - Categoría F: 40% - Categoría G: 33%

Por lo tanto, desafortunadamente, podemos esperar que un tercio de los Centros de Proceso de Datos tengan la categoría más baja, donde por cada kW que alimenta equipos de TI, mas de 1.5kW son utilizados por la infraestructura termo-mecánica y eléctrica. En función de las categorías energéticas, sería injusto comparar sobre la misma base un Centro de Proceso de Datos en un clima cálido (Arabia, Miami, Singapur) con un clima frío (Alaska, Canadá, Escandinavia). En los climas más fríos habrá más oportunidades de enfriamiento gratuito para los sistemas termo-mecánicos. Sumado a esto, la eficiencia de los sistemas de refrigeración también será mejor. HP MCS está investigando el uso del Grado Día de Frío como un factor para categorizar distintos Centros de Proceso de Datos en diferentes climas en todo el mundo, como muestra la figura siguiente.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

DC

iE

CDDBASE

B

F

E

D

C

A

G

Figura 6: Categorización en función de climas

Análisis Energético La figura siguiente es una descomposición de las perdidas energéticas representada en un diagrama de distribución eléctrico ideal.

DCiE : (Ratio of IT Power to Total Data Center Power)

0.460.51

0.49

0.28

0.44

0.30

0.51 0.52

0.28

0.49

0.37

0.44

0.51

0.40

0.45

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Center number

Rat

io


X X X

X

EdificioE

TI

T-M

Red

Refrigeración

Vent

Hum Serv

Ascensores

HVAC

VariosLucesGen

SAI

Comb Varios

T-M TI E

Figura 7: Energía en un Centro de Proceso de

Datos Se agrupan los sistemas termo-mecánicos de la siguiente forma:

- Refrigeración: enfriadoras, compresores, bombas

- Ventiladores: impulsoras de aire - Hum: humidificadores en las

impulsoras CRAC o de aire exterior - Combustible: para generadores y

calderas - Varios: efecto Joule de los sistemas

termo-mecánicos, etc. El sistema de TI es alimentado por el Suministro de Alimentación In-interrumpible (SAI) la cual provee a todo el equipamiento de TI en la sala de CPD. La energía de los sistemas de TI puede agruparse de la forma siguiente:

- TI perdidas eléctricas (efecto Joule) desde 230V corriente alterna a corriente directa a menor voltaje en servidores

- TI parado - TI ventiladores, discos, etc. - TI procesador

Los sistemas eléctricos se agrupan de la siguiente forma:

- SAI: perdidas entre la entrada y salida a TI

- Gen: calentador de cárter de generador - Luces: sala de CPD y de maquinas - Varios: efecto Joule en los sistemas

eléctricos, etc. De la figura previa, es claro que las prioridades en orden decreciente de magnitud de energía son:

- Tecnología Informática (TI) - Refrigeración - Ventiladores de impulsoras de aire, y

SAI (Sistema Alimentación In-interrumpible)

Mientras que claramente se ve que se debe mejorar la eficiencia de los Centros de Proceso de Datos, la cuestión es que puede hacerse al respecto. Esto requiere un análisis adicional de sus pérdidas energéticas más importantes. Energía de TI (Tecnología Informática) El “Electric Power Research Institute” (EPRI) ha publicado un informe sobre como la potencia requerida por los servidores permanece relativamente constante en función de la actividad de CPU (central processing unit) (2008). Por lo tanto, la energía que es requerida para alimentar un servidor que no provee ninguna utilidad para la empresa, es claramente un desaprovechamiento de energía. La utilización típica de servidores dentro de Centros de Proceso de Datos varia, pero sin embargo permanece en valores bastante bajos, por ejemplo 10% no es poco común.

AC Power Input Versus Percent CPU Time

0

25

50

75

100

125

150

Wat

ts

0

20

40

60

80

100

120

% C

PU

Tim

e

WattsProc Time %

Dell Power Edge 2400 (Web/SQL Server)

Actividad muybaja del

Procesador no tiene bajoconsumoenergetico

(Fuente: EPRI) Figura 8: Energía del Servidor y Actividad CPU Las medidas para reducir esto son la racionalización de servidores (sacar los que no están en producción) y consolidación (instalando mas aplicaciones en menor cantidad de servidores, con herramientas como la virtualización). Reducción de cargas eléctricas no es poco común con este tipo de medidas. Otra fuente de pérdidas son las pérdidas por efecto Joule en el sistema de alimentación eléctrica dentro del servidor. Lo más común es que 230V de corriente alterna se transforme a 24V de corriente alterna usando dos transformadores y rectificadores (para redundancia). Luego este voltaje se reduce más aun en el servidor para sus distintos componentes. Estas pérdidas equivalen a aproximadamente 30% para servidores tradicionales, y más aun cuando funcionan a cargas parciales. El siguiente diagrama muestra la energía de un procesador en función de su carga.


0

100

0

100

0 100

% E

ner

gía

% Carga TI

> Carga

> Eficiencia

15%

50%

65%

40%

70%75%

92%85%

> Eficiencia> Carga> Temperatura aire

Figura 9: Rendimiento eléctrico de servidores

tradicionales Las soluciones obvias son que el criterio de selección de compras incluya el rendimiento eléctrico del servidor y que funcionen a cargas más altas. Gestión del Aire El aire del Centro de Proceso de Datos, que circula vía los sistemas termomecánicos (el cual enfría y circula el aire), es el medio para enfriar los equipos de Tecnología Informática (TI). Es importante entender la dinámica del aire en un Centro de Proceso de Datos ya que tiene un efecto significativo (y no tan obvio) sobre los sistemas de refrigeración y circulación (ventiladores) de aire. El modelo conceptual de gestión de aire está representado a continuación (Tozer 2006a, 2006b, 2009a, 2009b, 2009c). Hay otras referencias interesantes (Sharma 2002, Herrlin 2005).

Fluj

o po

r pr

esió

n ne

gativ

a

Fluj

o de

R

e-ci

rcul

ació

n

Mc Mn Mbp Ms Mr

Tc

Ts

Tf

ThTr

CRAC Servidor

Figura 10: Flujos de Aire del Centro de Proceso

de Datos

Flujo de Impulsora (CRAC) (Mc): El caudal total de aire producido por todas las impulsoras funcionando es normalmente mayor al requerido por los servidores, debido a las cargas parciales de los sistemas de TI, y las impulsoras de aire redundantes operativos “hot-standby”.

Flujo de presión negativa (Mn): En realidad este caudal de aire es muy bajo y hasta despreciable, pero se encuentra generalmente en las rejillas de piso cerca de las descargas de las impulsoras donde las velocidades del aire dentro del piso elevado son altas.

Flujo de Bypass (Mbp): Es el caudal de aire que es suministrado por las rejillas o aperturas en el piso elevado a la sala, y regresa directamente a las impulsoras sin enfriar los servidores.

Flujo de Recirculación (Mr): Es el caudal de aire de retorno de los servidores que vuelve a ingresar a los servidores (supuestamente para enfriarlos). Las temperaturas de aire que típicamente se podrían encontrar en un Centro de Proceso de Datos tradicional son: - Tr = 21°C, temperatura de retorno a las

manejadores, es normalmente la temperatura de consigna de las impulsoras de aire.

- Tc = 14°C, temperatura de alimentación de las impulsoras (medida en la impulsora)

- Tf = 14.1°C, temperatura del aire en el piso elevado, después de aspirar el flujo de presión negativa

- Ts = 21°C, temperatura del entrante a los servidores (mezcla de aire de rejillas con la de recirculación)

- Th = 28°C, temperatura del aire expulsado de los servidores (antes de mezclarse con el aire frío de bypass)

El resultado neto de este ejercicio es que en los Centros de Proceso de Datos tradicionales, más de la mitad del caudal de las impulsoras de aire hace bypass a los servidores y vuelve directamente a las impulsoras sin enfriar nada. Claramente, esto es una pérdida de energía de los ventiladores de las impulsoras de aire. También, más de la mitad del aire que alimenta los servidores proviene de la descarga de las mismas. Para compensar el aumento de temperatura por esta recirculación, es entonces necesario bajar las temperaturas de alimentación del aire de las impulsoras, muy por debajo de las temperaturas que entra el aire a los servidores. Los índices de bypass y recirculación pueden obtenerse a partir de una serie de mediciones de temperaturas de alimentación y retorno a las impulsoras y servidores. En la figura siguiente


se indican valores típicos para distintas configuraciones.

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

0 0.25 0.5 0.75 1

BP

R

0.250.50.7511.3324

B(1+NP)

Ideal

Alimentacion directa

Frente y detras

Pasillo Frio - Caliente

Tradicional

N/A

Figura 11: Índices de Gestión del Aire

Energía de Refrigeración La energía de los sistemas de refrigeración, que incluye compresores, bombas y ventiladores (de torre de refrigeración, etc.), es el grupo más grande de la energía termomecánica. La energía promedio de refrigeración es el 27% de la energía de los Centros de Proceso de Datos evaluados, mientras que la energía de los ventiladores de las impulsoras representa el 11% (Salim 2008). Wilson ha realizado una categorización de distintos diseños de Centros de Proceso de Datos en función de los sistemas termomecánicos y para todas las zonas climáticas del mundo (2007). El estudio incluye diseños tradicionales y de buenas prácticas (de aquel momento). Los cuatro sistemas termomecánicos estudiados son (mas detalles en Apéndice C):

- Enfriadoras de agua: condensadas por agua

- Enfriadoras de agua: condensadas por aire

- Impulsoras de Expansión Directa: con condensadores

- Impulsoras de Expansión Directa: con baterías aire-agua / glicol

Los cálculos fueron realizados en base al método BIN, desde los climas más calurosos hasta los más fríos del mundo. El diseño tradicional usó temperaturas de suministro de aire (de las impulsoras) relativamente bajas (mismo criterio para agua enfriada dado el caso) y usó equipos de eficiencia por debajo de lo estándar. Los diseños de buenos estándares usaron temperaturas de alimentación de aire más elevadas y equipos de mejor rendimiento. Los resultados de PUE termo-mecánico (Energía para sistemas termomecánicos / energía para TI) están representados en las figuras siguientes.

Figura 12: PUE termomecánico de sistemas tradicionales

Lo interesante de los diseños tradicionales es la poca variación de PUE entre los climas fríos y cálidos. Hay una diferencia marginal debida al rendimiento de los ciclos de refrigeración para diferentes temperaturas exteriores, pero claramente no es aprovechado el potencial del enfriamiento gratuito. Figura 13: PUE termomecánico de sistemas de

buen estándar Para los sistemas de buen estándar, el potencial del enfriamiento gratuito (por agua) es aprovechado. Los diseños de mas vanguardia (de mas bajo consumo energético) se tratará más adelante. La siguiente figura provee mas detalles para un clima intermedio (templado).

Glycol Cooled DX

Air Cooled DX

Air Cooled Chille

r

Water Cooled Chille

r

Fargo, ND-7

Vancouver, CANADA-5C

Olympia, WA-4C

San Francisco, CA-3C

Phoenix, AZ-2B

Miami, FL-1APUE

mec

hani

caPU

E m

echa

nica

l


0.5

1.5

1

1 2 3 4Enfriadoracondensada por agua

Enfriadoracondensada por aire

Manejadorasde expansion directa -condensador

Manejadoras de expansion directa –intercambiador glicol

ITICATERMOMECANPUE mectermo =−

ICATERMOMECANITDCiE mectermo =−

**

* *

**

**

*

**

*

ITradicional

IIRegular

IIIBueno

IVMejor

DCiEtm = 0.67

DCiEtm = 0.5

DCiEtm = 0.4

CATEGORIAS

~10oC

~18oC

~14oC

Temperatura de alimentación de manejadoras

Figura 14: Rendimientos de sistemas termo-

mecánicos Mientras que los sistemas de enfriamiento incluyen la refrigeración del aire y su circulación con ventiladores por el Centro de Proceso de Datos, estos pueden ser divididos en dos sub-sistemas ya que cada uno requiere distintas medidas para mejorar su eficiencia energética. La energía de refrigeración depende primordialmente de la eficiencia de los compresores, la cual está regida por temperaturas (sumidero de calor, fuente de calor) y de la disponibilidad de energía gratuita (free cooling). La energía de la circulación de aire depende de la eficiencia de los ventiladores y de la presión diferencial que es función de las restricciones al caudal de aire y de las temperaturas de diseño. La energía de refrigeración se discute a continuación, mientras que la energía de los ventiladores esta descripto más adelante. La siguiente ecuación describe el rendimiento de un ciclo de refrigeración ideal.

WQ

TTT

COP evap

evapcond

evap =−

= [3]

Los ciclos reales siguen los mismos principios, por lo tanto, para mejorar el rendimiento de refrigeración, se debe incrementar la temperatura de evaporación y disminuir la temperatura de condensación. Estos principios están indicados en la figura siguiente (para simplicidad, el proceso del compresor se ha indicado como isentrópico).

< Area (Energía)

> Te

< Tc

Figura 15: Rendimiento de Refrigeración

El uso del enfriamiento gratuito (free cooling) aplicado a Centros de Proceso de Datos no es práctica común. Esto ha sido debido a preocupaciones por la calidad y contaminación del aire exterior, los requerimientos de humidificación y la pobre viabilidad económica. La figura siguiente de un diagrama psicrométrico (temperatura y humedad absoluta) indica el contorno de condiciones exteriores para una localidad dada. Este contorno variara de acuerdo con la ubicación geográfica.

ServidorTcrac

Ts

Hum

edad

ab

solu

ta W

Chw

Tdw Temperatura bulbo seco T

Brecha 2

Tmanej - Tenfria

Brecha 1

Gestión del Aire

Chw Aire

| Diagrama psicrométrico

Figura 16: Enfriamiento Gratuito con diseño estándar

El área en color (verde y azul) es donde la temperatura exterior es más baja que la temperatura de alimentación (Tcrac) de la impulsoras del Centro de Proceso de Datos, la cual generalmente está entre 12°C a 16°C, e indica cuando sería posible el enfriamiento gratuito directo por aire. Nótese que las temperaturas de alimentación a los servidores (Ts) es notablemente más alta (el rango recomendado es de 18°C a 27°C (ASHRAE 2008). Esta diferencia de temperaturas (entre Ts y Tcrac) es para compensar la recirculación de aire (de la descarga de los servidores que


se mezcla con eel aire que alimenta los servidores), y se la ha denominado “Brecha 1: Gestión del Aire”. El área en azul indica donde la temperatura del aire exterior requerida para lograr enfriamiento gratuito por un sistema de agua enfriada. La batería agua-aire (dry cooler) debe suministrar agua enfriada a temperaturas en un rango de 7°C a 12°C. Para lograr estas temperaturas de agua enfriada el aire exterior típicamente debería estar de 2°C a 7°C. También nótese que las temperaturas de agua enfriada necesariamente tienen que ser inferiores a la temperatura de alimentación de aire, ya que debe enfriar esta. La diferencia entre la temperatura del aire de alimentación (Tcrac) y la temperatura exterior requerida para lograr enfriamiento gratuito aire-agua es denominado como “Brecha 2: Timpulsora – Tenfriadora”. Para aumentar la eficiencia energética, el desafío es usar mas el enfriamiento gratuito (incrementar las aéreas en color para un contorno ambiental dado). Para hacer esto se debe:

1. Incrementar la temperatura de alimentación a los servidores

2. Reducir la Brecha 1: Gestión del Aire, minimizando la recirculación entre el retorno y alimentación de los servidores

3. Reducir la Brecha 2: Timpulsora –Tenfriadora, usando enfriamiento gratuito de aire o invertir más en los intercambiadores de calor de los sistemas termomecánicos para reducir sus diferencias de temperatura

La figura siguiente muestra un diseño que adopta estas medidas.

ServidorHum

edad

ab

solu

ta W

Temperatura bulbo seco T

Ts

Chw

Tdw

Chw Aire Tcrac

| Diagrama psicrométrico

Brecha 1

Gestión del Aire

Brecha 2

Tmanej - Tenfria Figura 17: Enfriamiento Gratuito con diseño de

buen estándar

Todas las temperaturas involucradas en los procesos descritos están en la gama de 5°C a 50°C, los cuales corresponden a las temperaturas típicas del evaporador y condensador de un sistema de refrigeración. Sin embargo, el proceso central del chip del servidor tiene una temperatura de 80°C a 90°C. El proceso global de enfriamiento incluyendo el enfriamiento del chip se indica en la figura siguiente.

Tchw

Tcrac

Enfriadora

Enfriamiento Gratuito

Enfriamiento Servidor

Servidor

W

TTinvierno

Manejadora

Text

Tverano Figura 18: Proceso de enfriamiento del Centro

de Proceso de Datos Esto muestra el proceso termodinámico ridículo de disipar calor del chip a 80°C-90°C (fuente de calor) al medio ambiente exterior a digamos 40°C (sumidero de calor), usando un ciclo de refrigeración (evaporando a por ejemplo 5°C), la cual no es necesaria. No hay necesidad de refrigeración si la fuente de calor (el chip de TI) esta a una temperatura más alta que el sumidero de calor (el aire exterior), ya que esto puede realizarse por enfriamiento gratuito (free cooling). Además, las diferencias más altas de temperatura generalmente son indicio de las ineficiencias termodinámicas más altas. Por lo tanto, se deben examinar las diferencias de temperatura más altas. La siguiente tabla muestra estas temperaturas típicas (Tozer 2006a). Etapa Temp Dif de.

Temp. Comentario

Servidor 85°C [185°F]

Aire de impulsora

12°C [54°F]

73K [131°F]

Servidor al aire: perdida más alta

Agua enfriada

8°C [46°F]

4K [8°F]

Evaporador 5°C [41°F]

3K [5°F]

Temperatura 30°C -25K Trabajo


exterior [86°F] [-45°F] requerido Tabla 2: Temperaturas típicas de proceso El motivo por el cual nuestra tecnología corriente ha resultado en este sistema de enfriamiento fundamentalmente inapropiado es el resultado de llenar una sala de servidores y tratar de resolver la disipación de calor a través de aire acondicionado. Es necesario cuestionar estos principios fundamentales para poder mejorar la estrategia de enfriamiento. La estrategia para mejorar la eficiencia del ciclo de refrigeración es incrementar los puntos de consigna (y diseño) del evaporador (aire y agua enfriada) lo más posible para obtener así COPs más altos y también lograr más enfriamiento gratuito. También debe reducirse la temperatura de condensación (disipación de calor del condensador) debe ser reducido lo más posible. El desafío es mejorar la gestión del aire (recirculación de aire) para permitir así puntos de consigna más altas, y permitir diferencias de temperatura mas apropiados en los equipos de refrigeración. Esto requerirá mejorar el balance de costes de inversión y energéticos, para lo cual hay herramientas que usan la optimización exergética y termo-económica (Bejan 1996, Kotas 1995, Tozer 1999). Energía de Ventiladores (impulsoras) En tercer lugar, luego de la energía de equipos de TI y de los sistemas de refrigeración, siguen ambos los ventiladores de las impulsoras y las perdidas en los sistemas de SAI, contribuyendo cada uno aproximadamente 11% de la energía total del Centro de Proceso de Datos. Esta energía de impulsoras de aire se refiere específicamente a los ventiladores que circulan aire por la sala de CPD. Excluye a los ventiladores de aire exterior y otras aplicaciones. Una vez que se han resuelto las cuestiones de gestión del aire, particularmente el bypass de aire (caudal de impulsoras que hace bypass a los equipos de TI y retorna a las impulsoras); entonces solamente hace falta suministrar el aire requerido por los equipos de TI. Partiendo de esta base, y suponiendo que el 25% de las impulsoras de aire son redundantes (por ejemplo 3+1, diseñado para 3 y 1 de standby), entonces es posible reducir el caudal de aire al 75%, hasta incluso para plena carga. Usando las leyes de los ventiladores, la potencia requerida disminuirá de acuerdo a la

tercera potencia de 0.75 que resulta en 0.42. Por lo tanto, con una buena gestión del aire y a plena carga, es posible reducir la demanda energética de los ventiladores por debajo del 50%. A cargas parciales, el ahorro de energía seria todavía más alta, sin embargo, la gestión del aire necesita ser tal que solamente la cantidad requerida sea suministrada por las impulsoras a donde haga falta. Esto requerirá un sistema de gestión de aire con segregación física entre los flujos de aire frío y caliente, y un sistema de volumen variable de caudal de aire. Hay tres métodos de segregación física (High Density Heat Containment) (Martin 2007):

- Segregación del pasillo caliente, - Segregación del pasillo frío, y - Segregación del retorno de armario.

Nótese también que hay armarios específicos fabricados con frío incluido que internamente logran contención física para altas densidades. La estrategia clave es usar variadores de velocidad en los ventiladores para suministrar solamente el caudal de aire requerido. También se debe controlar la capacidad de las impulsoras en función del aire de alimentación (no aire de retorno) para lograr así suministrar temperaturas uniformes a la sala de cómputos. Si la recirculación es mínima, entonces el aire suministrado a los servidores será constante. Energía del SAI (Sistema de Alimentación In-interrumpible) El SAI provee energía eléctrica en forma continua en caso de fallos de la red y también suaviza la forma de la onda. Las eficiencias de los SAI varían en forma considerable, dependiendo del fabricante y tipo de SAI (doble conversión, doble conversión con filtro, conversión delta, rotativo). Los SAI de conversión doble son bastante populares en sistemas críticos de gran escala. Estos tipos de sistemas usan un rectificador para convertir la corriente alterna (CA) a corriente directa (CD), donde las baterías proveen el respaldo a la fuente de corriente directa (CD), y luego es convertida nuevamente en corriente alterna (CA) usando inversores de pulso (6 o 12) de banda modulado. Tanto los procesos de rectificación como de inversión tienen perdidas, lo cual se manifiesta en calor. Típicamente estos varían de 5% a 10% de la carga del SAI, pero puede llegar a valores del 30% a bajas cargas parciales.


Los SAI con dos sistemas 2N para redundancia son particularmente propensos a perdidas por baja carga, ya que funcionan siempre por debajo de 50% de su plena carga. Las eficiencias también dependen del tipo de SAI (doble conversión, doble conversión con filtro, conversión delta, rotativo) y fabricante (EC CoC 2008). Otras ineficiencias del SAI en aplicaciones a Centros de Proceso de Datos se deben a lo siguiente:

- SAI montado en los armarios además del SAI central

- Cargas no-criticas en el SAI - Sobre-dimensionamiento del SAI - No utilización del modo de bypass del

SAI (preocupación de fiabilidad del usuario)

- Perdidas en la carga de baterías Un concepto prometedor para reducir las pérdidas de los SAI de forma conjunta con las pérdidas de los equipos de TI es el uso de los sistemas de corriente directa (CD). El equipo de corriente directa solamente tiene perdidas por rectificación (no hay perdidas de inversor) y en el equipo de TI no es necesario rectificar la corriente alterna ya que es provisto directamente de corriente directa (Gross y Ansett 2005). Estrategia Energética La estrategia propuesta se basa en el concepto de la cebolla, comenzando por el proceso central y transitando por las capas por la gestión del aire a los sistemas termo-mecánicos y eléctricos hasta llegar a la alimentación de la red al Centro de Proceso de Datos (Tozer 2006).

TI

Gestióndel Aire

Termo-mecánico

EléctricoEnergíade Red

Figura 19: Estrategia energética de Centros de

Proceso de Datos

La estrategia energética consta de: TI

- Mas utilización del equipo de TI - Mas eficacia (producción empresarial

por energía consumida) del equipo TI - Gama más amplia de temperaturas y

humedad relativa de aire entrante a los servidores para posibilitar ahorros de energía termo-mecánica

Gestión del Aire El propósito de la gestión del aire es reducir la extensión de recirculación para que los puntos de consigna (aire / agua enfriada) puedan incrementarse para lograr eficiencias termomecánicas mas altas. La reducción del bypass de aire también ahorrará energía de los ventiladores de las impulsoras. Esto se logra con lo siguiente:

- Reducir el flujo por presión negativa reduciendo las velocidades del aire debajo de las rejillas cercanas a las impulsoras, etc.

- Reducir el flujo de bypass cerrando las aperturas de cables en el piso (del lado de la descarga de los servidores) y re-ubicando las rejillas de piso para que alimenten la entrada de aire de los servidores, etc.

- Reducir el flujo de recirculación colocando paneles de bloqueo en los armarios y asegurando que suficiente aire frío llegue a la entrada de aire de los servidores, etc.

Termomecánico Los puntos de consigna del sistema termo-mecánico tienen el impacto más grande sobre su eficiencia debido a su impacto en el ciclo de refrigeración y la mejor disponibilidad del enfriamiento gratuito.

- Incrementar los puntos de consigna del agua enfriada / aire de alimentación

Otras mejoras en el sistema de refrigeración normalmente involucran algunos de los siguientes:

- Reducir las cargas parásitas, por ejemplo las bombas que no necesitan funcionar

- Reducir la temperatura de funcionamiento del condensador

- Ajuste de los puntos de consigna para mejorar el funcionamiento del enfriamiento gratuito

- Instalar enfriamiento gratuito (normalmente del lado agua)


Ventiladores de impulsoras: generalmente es factible reducir la velocidad de los ventiladores una vez realizado las mejoras de la gestión del aire (principalmente el bypass). Esto requerirá ventiladores de velocidad variable y algunas veces modificar los ventiladores en si por otros más eficientes. Otro problema típico encontrado es la lucha entre sí de los controles, particularmente humidificación y des-humectación, o calefacción y enfriamiento para la misma zona. Esto generalmente se corrige al revisar las bandas muertas / proporcionales y los puntos de consigna. Eléctrico Esto consta de varios elementos, de los cuales la pérdida predominante es normalmente el Sistema de Alimentación In-interrumpible (SAI).

- SAI: incrementar su carga parcial / eficiencia y poner en funcionamiento sus características de ahorro energético

- Luces: usar luces más eficientes y sistemas de operación automática

- Carter de generadores: operar los calefactores a temperatura de consigna requerida (no mas)

- Otras pérdidas eléctricas: normalmente requiere eliminar equipos en standby, incrementar las cargas parciales y mejorar la calidad del suministro eléctrico, por ejemplo reducir contenido armónico, etc.

Energía de Red Una vez que las medidas de ahorro energético han sido consideradas para los procesos centrales, se pueden considerar mejoras en las opciones de suministro de energía de la red. El principio estratégico a tener en mente es que las emisiones de CO2 producidos por fuentes alternativas, por ejemplo cogeneración, sean más bajas sobre su vida útil que el equivalente producido por la red. Debe considerarse como cada país hace y hará mejoras en su eficiencia medio ambiental con respecto a sus fuentes de energía. Es más, si se está considerando combustibles renovables como los biocombustibles (Colza) se debe prever bien su sostenibilidad. O sea, si habrá suficiente terreno cultivable para satisfacer las necesidades (energéticas y alimentarias) de la población del mundo en el futuro. Debe considerarse lo siguiente:

Soluciones en obra

- Cogeneración con emisiones más bajas de CO2 que la red durante la vida útil de la obra

- Cogeneración usando un bio-combustible sostenible

- Colectores solares foto-voltaicos - Colectores solares térmicos, por

ejemplo para calentar el cárter de los generadores

- Turbinas a viento

Soluciones de la Red - Comprar energía renovable de la red

(generalmente más cara) - Considerar otras ofertas de energía

renovable de proveedores de la red Energía de los Materiales Esta es la energía requerida para extraer, transportar y procesar la materia prima, elaborar y transportar el material producto a la obra. El impacto de la energía de los materiales es muy importante en la industria de la construcción. El “British Research Establishment” (BRE) ofrece herramientas como ser ENVEST (software de impacto medio-ambiental) y “The Green Guide” (2002). Si bien los Centros de Proceso de Datos son mucho más intensivos en su consumo energético que otros edificios, son también muy intensivos en materiales de alta energía contenida en los materiales, por ejemplo, sílice, aluminio, cobre, acero. Shah estima que el impacto de la energía de materiales es del mismo orden de magnitud que la energía de los sistemas de TI o termo-mecánicos en los Centros de Proceso de Datos (2008). Estrategia de Fiabilidad La fiabilidad de los Centros de Proceso de Datos permanece como la prioridad más importante para la mayoría de los clientes. Por lo tanto, la estrategia energética tiene que acomodarse a la estrategia global de fiabilidad. En términos generales, los sistemas serán más fiables en función de sus niveles de respaldo / redundancia. En orden creciente de fiabilidad estos son: N, N+1, N+2, 2N, 2(N+1), etc. Por lo tanto, desde la perspectiva de diseño, se debe partir de los niveles de respaldo / redundancia requerida, para lo cual, la siguiente expresión genérica de fiabilidad puede ser aplicada para determinar el número de equipos (TIA, Uptime 2008):


2(N+1) [4] Esta sección analizara los términos de la expresión de arriba para dar ejemplos de las posibles estrategias energéticas que pueden proponerse en función de los parámetros de fiabilidad. No es necesariamente cierto que para obtener sistemas fiables esto resulte en sistemas de menor eficiencia energética. Es posible diseñar sistemas fiables y energéticamente eficientes, sin embargo, hace falta un cambio de paradigma, para diseñar más en función de una operación a carga parcial. La figura siguiente analiza la variable N, la cual representa el número y por lo tanto capacidad de los equipos. Las cuestiones típicas son:

- Equipo muy pequeño: no tiene suficiente capacidad

- Equipo muy grande: funciona por debajo de su carga parcial mínima, lo cual en diseños convencionales es ineficiente y poco fiable. Nótese que los sistemas de agua enfriada todo variable (bombas, compresores) tienen eficiencias mucho más altas en invierno y a cargas parciales.

- Rango de operación: los diseñadores necesitan evaluar el funcionamiento de los equipos sobre toda su gama operativa (particularmente a bajas cargas) para condiciones climáticas de todo el año (no solamente verano e invierno a plena carga).

N2 x [ ]+

Equipos

RangoOperativo Muy Grande

Muypequeño

1

Figura 20: La N de fiabilidad La figura de abajo analiza el equipo de respaldo / redundante. Para los sistemas termo-mecánicos, si hay equipos de respaldo, habrá más superficie de intercambiadores de calor. Esto puede ser aprovechado si se utilizan todos los equipos (de operación y de respaldo) con ventiladores de velocidad variable. En un sistema de 2+1 con el equipo redundante en operación, los ventiladores (3 x 33%) consumirán menos que la mitad de la energía (45%) que si funcionaran con el equipo de respaldo apagado (2x50%). También, si el

equipo de respaldo funciona, el sistema será más fiable, ya que de haber un fallo, solo se pierde la redundancia. Por ejemplo, un sistema de enfriadores a aire puede tener rociadores adiabáticos para proveer redundancia (N+1 capacidad) y un funcionamiento más eficiente.

1N2 x [ ]+

50% 50% 0%

Mas area de intercambio

Ventiladores con inversor

Equipos Condensadoras

+1 agua (frio adiabatico)

Mas enfriamiento gratuito

Sistemas de Alta Eficiencia Energetica

- Bombas de Calor- Sumideros de Rios / Tierra

Respaldo

33% 33% 33%

Todos funcionan

Figura 21: El ‘1’ de ‘+1’ en fiabilidad La figura de abajo muestra diferentes modos en el cual pueden funcionar los sistemas redundantes en forma más eficiente, pero sin compromiso de la redundancia. Por ejemplo, dos sistemas de enfriamiento independientes, una de las cuales es más eficiente que la otra. El sistema más eficiente puede ser más eficiente por diseño, por ejemplo, un sistema de agua enfriada será más eficiente que un sistema de expansión directa, o puede tener alguna característica de enfriamiento gratuito que no tiene el otro sistema. En este caso, la estrategia debería ser que la opción por defecto sea usar el sistema más eficiente y usar el de respaldo en caso de necesidad.

N2 x [ ]+ 1

2 sistemas diferentes• Enfriamiento gratuito aire/agua - operando• Refrigeracion expansion directa - respaldo

• Operacion1 @ 50% 1 @ 50%

O1 @ 99% 1 @ 1%

• Manejadora con doble serpentin(agua fria / expansion directa)

Figura 22: El ‘2’ de ‘2N’ en fiabilidad El mecanismo de cambio de equipos / sistemas que funcionan mal a los de respaldo se indica en la figura siguiente. Estos son los sistemas de control que hacen funcionar cuando es


requerido por los equipos / sistemas redundantes. En términos generales, los mecanismos de cambio son:

- Central: que por definición se convierten en puntos singulares de fallo, “SPOF: Single Point of Failure”.

- Local: por ejemplo el control de cada impulsora de aire para que cambie de un sistema de frío (agua enfriada) a otro (expansión directa).

- Ninguno: no hay ningún mecanismo de cambio requerido ya que ambos sistemas (o equipos) ya se encuentran funcionando. Este modo operativo es conocido como ‘respaldo en operación’, “hot standby”. Puede hacerse una analogía con el sistema de dos cables de los equipos de informática. En este caso, es importante mejorar la eficiencia energética en las condiciones de carga parcial.

+Nx2 [ ]1

Mecanismo de Cambio• Central – Punto singular de falla• Local• Ninguno

| Mecanismo de Cambio (de sistemas / equipos)

| Análogo a los dos cables de equipos de TI (servidores)

| Aplicar concepto a sistemas termo-mecánicos

Figura 23: El ‘x’ y el ‘+’ en fiabilidad 6. Estrategia Empresarial Mientras que los asesoramientos energéticos proveen valores de PUE y DCiE, estos números son relativamente inútiles si esto no está acompañado de una serie de recomendaciones en orden de su fiabilidad coste-beneficio. La planificación y ejecución de estas mejoras requiere una clara gestión de los objetivos para el Centro de Proceso de Datos en función de la estrategia empresarial. Es más, es normal que estos asesoramientos energéticos se conviertan en verdaderas herramientas estratégicas para el dueño del Centro de Proceso de Datos, a medida que muchos de los principios de los diseños tradicionales son desafiados, lo cual permite aprender mucho sobre lo sucedido. Las estrategias empresariales para Centros de Proceso de Datos tienen que enfrentar los costes operativos (energía) y el coste de inversión (nuevos Centros de Proceso de Datos) para satisfacer el crecimiento comercial. Aunque PUE y DCiE proveen índices de energía, también pueden proveer índices instantáneos, que le permiten a los dueños de los Centros de Proceso de Datos planificar su crecimiento y expansión. La siguiente figura es una herramienta útil para analizar estas variables.


DCiE=0.4 PUE=2.5

DCiE=0.5 PUE=2

DCiE=0.6 PUE=1.67

DCiE=0.7 PUE=1.43

DCiE=0.8 PUE=1.25

DCiE=0.9 PUE=1.11

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 200 400 600 800 1000 1200

Cent

ro de

Com

puto

s

TI

DCiE/PUE

Escenario 1: Crecimiento hasta plena

Escenario 3: Consolidacion TI al 60%

Escenario 4: Mejoras Termo-mecanicos / electricos

Escenario 5: - Crecimiento 50% en 3 años- Consolidacion TI al 60%- Mejoras Termo‐mecanicos / electricos

Asesoramiento

Escenario 2: Crecimiento por encima de plena carga, 50% en 3 años

1

0

2

5

3

1

24

53

0

4

TI

Figura 24: Crecimiento empresarial en función de TI y eficiencia de la infraestructura La estrategia empresarial necesita incluir el crecimiento comercial en función de la infraestructura del Centro de Proceso de Datos (sistemas termo-mecánicos y eléctricos). La figura indica la energía (o potencia promedio) del Centro de Proceso de Datos en función de la energía de TI. La serie de líneas que comienzan en el origen son líneas de DCiE o PUE constantes. El grafico indica varios escenarios (0 a 5). La línea continua (3, 0, 1) representa como varia la energía del Centro de Proceso de Datos en función de la energía de TI donde son considerados las cargas parásitas constantes de los sistemas termo-mecánicos y eléctricos. La línea rallada (5, 4) representa como varia la energía del Centro de Proceso de Datos con mejoras en los sistemas termo-mecánicos y eléctricos en función de la energía de TI. El grafico provee un ejemplo de cómo la carga del Centro de Proceso de Datos podría crecer orgánicamente de ‘0’ a ‘2’ si no se mejoran los sistemas termo-mecánicos y eléctricos y de TI.

Las mejoras de TI pueden incluir racionalización, consolidación y virtualización. Como alternativa, la empresa podría crecer comercialmente de ‘0’ a ‘5’, pero la energía del Centro de Proceso de Datos se reduciría considerablemente al incluir las mejoras termo-mecánicas, eléctrica y de TI. 7. El Futuro Dado que hay mas comunicación entre las disciplinas termo-mecánicas / eléctricas y de TI, ha sido posible a esta altura conceptualizar el Centro de Proceso de Datos ideal con mínimas pérdidas en la infraestructura, por ejemplo con PUE y DCiE acercándose a la unidad (RT 2008). Mientras que no es posible dar más información en esta coyuntura, se puede establecer que los pasos siguientes van a requerir un cambio de paradigma, de trasladar el diseño de los servidores hasta abarcar todo el Centro de Proceso de Datos. Un paso intermedio interesante en esta dirección es el uso de


soluciones modulares en contenedores (POD: portable on demand). Todavía quedan cuestiones de múltiples partes interesadas, diferentes ciclos de vida para la infraestructura, TI y edificio, lo cual requerirá un cambio administrativo elaborado. Sin embargo, puede verse hoy un camino técnico factible. Abreviaturas ASHRAE American Society of Heating

Refrigeration Air-conditioning Engineers

BRE Building Research Establishment BREEAM BRE Energy Assessment Method CRAC Computer Room Air Conditioning CRAH Computer Room Air Handling CO2 Carbon Dioxide DoE Department of Energy (US) EC European Commission EC CoC EC Code of Conduct HVAC Heating Ventilation Air Conditioning LEED Leadership in Energy and

Environmental Design POD Portable on Demand SAI Sistema Alimentacion In-interruptible TI Tecnologia Informatica Lista de simbolos COP Coeficiente de Performance DCiE Data Centre infrastructure Efficiency E Energia (kJ)(kWh) M, m Flujo de masa (kg/s) N Numero (de equipos) NP Factor de Presion Negativa PUE Power Usage Effectiveness Q Calor (kW) R Factor de Recirculacion T Temperatura (°C), absoluta (K) W Trabajo (kW) Subindices bp bypass evap evaporator f floor h hall IT Information Tech. M Termo-mecanica n presion neg . r retorno al CRAC r recirculacion s servidor Referencias ASHRAE, 2004, Thermal Guidelines for Data Processing Environments, American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, ISBN 1-931862-43-5

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Tozer Robert, 2006a, Data Centre Energy Saving: Air Management Metrics, EYP White Paper. Tozer Robert, 2006b, Data Centre Energy Saving: Air Management Metrics, Zerodowntime Journal, Issue 19 Fall 2006 Tozer Robert, 2008, Invention Disclosures, EYP/HP internal communications. Tschudi Bill, 2004, Data Centre Energy Efficiency Research: An Update, Data Centre Dynamics Conference, San Francisco 29 July Wilson Scott, 2007, Data Centre Benchmarking, EYP internal communication. Reconocimiento El autor agradece la ayuda editorial de Goyo Fernández (HP España) y de Eduardo Romano (Echevarria-Romano de Argentina). Apéndice A: Cambio Climático El Panel Internacional de Cambio Climático de las Naciones Unidas se compone de más de 2000 científicos y es fuente de información valiosa (IPCC 2008). La figura siguiente indica el incremento de dióxido de carbono (CO2) en nuestra atmósfera.

Figura A1: Concentración atmosférica de CO2 La siguiente figura indica incrementos de temperatura mundial en los siguientes 100 años para un rango de varios escenarios. Estos varían de 1.4K (optimista) a 5.8K (pesimista). El

objetivo actual del Panel Internacional de Cambio Climático (IPCC) es que el aumento de temperatura mundial se limite a 1.8K entre los años 2000 y 2100.

Figura A2: Variaciones de la temperatura del mundo La siguiente tabla provee una descripción breve de las consecuencias predicadas para el mundo de acuerdo a su incremento de temperatura. Incremento de Temperatura

Impacto

1K (1°C) Corriente del Golfo se detiene Frio intenso en Europa del norte Islas (países) sumergidas Mesetas EEUU son desiertos

2K (2°C) Severos golpes de calor Inundación de ciudades costeras Sequías países Mediterráneos Sequias en California

3K (3°C) Botsuana es un desierto ‘El Niño’ permanente mundial Sequia del Amazona Déficit mundial de comida

4K (4°C) Nivel del mar incrementa +5m Millones de refugiados Iberia es un desierto Refugiados al norte de Europa Falta de agua potable

5K (5°C) Colapso de la civilización 6K (6°C) Extinción masiva

Mientras que la mayoría de nosotros no vamos a estar para ver el 2100, ciertamente esto no es una herencia que queremos dejar. Apéndice B: Certificación de Edificios


Los sistemas de certificación de edificios están basados en sistemas de adjudicación de puntos. En este contexto es importante considerar el peso de cada punto en función de su impacto medio-ambiental, por ejemplo la cantidad de CO2 producido. La figura siguiente indica algunas de estas diferencias entre edificios comerciales (CB) y Centros de Proceso de Datos (DC).

Ligh

ts

Vent

Hea

ting

Tran

spor

t

DC

WS

DC

CB

0

20 0 00 0

CO2 Emissions

DC

CB

Figura B1: Impacto medio ambiental de algunos sistemas El mayor número de ocupantes en edificios comerciales hará que los requerimientos de ventilación y transporte tengan más impacto medio-ambiental. Sin embargo, el panorama completo debe también incluir la energía incorporada y las energías de los sistemas de TI y de enfriamiento, como se indica en la figura siguiente.

Ligh

ts

Vent

Hea

ting

Tran

spor

t

DC

WS

Embo

died IT

Coo

ling

DCCB

0

200000

400000

600000

800000

1000000

1200000

1400000

1600000

1800000

CO2 Emissions

DC

CB

Figura B2: Impacto medio-ambiental de sistemas

La energía incorporada es alta en los Centros de Proceso de Datos debido a la intensidad de metales usado para servidores, bastidores y los sistemas termo-mecánicos y eléctricos que sostienen los sistemas de TI. También, las cargas de TI y enfriamiento son mucho más altas que en edificios comerciales. Por lo tanto, el sistema de puntaje que podría ser adecuado para un edificio comercial es totalmente inapropiado y engañador para un Centro de Proceso de Datos. Apendice C: Sistemas Termomecánicos Las siguientes 4 figuras representan los 4 sistemas clásicos de refrigeración usados para Centros de Proceso de Datos. - Enfriadoras condensadas por agua - Enfriadoras condensadas por aire - Impulsoras de expansión directa - Impulsoras con condensadoras (Glicol)

Enfriadoras condensadas por agua

Cooling Tower

Water Cooled Chiller CRAH

Fan

Air Cooled Chillers

CRAH

Fan

Enfriadoras condensadas por aire


CRAC

Condenser

Fan

Manejadoras de expansion directa

CRACDry Cooler

Fan

Manejadoras con condensadoras (glicol)

Las siguientes 4 figuras ilustran los mismas sistemas previos, pero con enfriamiento gratuito.

Cooling Tower

Water Cooled Chiller CRAH

HE

Fan

Enfriadoras condensadas por agua –con enfriamiento gratuito

Air Cooled Chillers

CRAH

Fan

Enfriadoras condensadas por aire –con enfriamiento gratuito

CRAC

Condenser

Fan

Dry Cooler

Manejadoras de expansion directa –con enfriamiento gratuito

CRACDry Cooler

Fan

Manejadoras con condensadoras (glicol) –con enfriamiento gratuito

Apéndice D: Eficiencia SAI Lo siguiente es una lista de posibles recomendaciones que pueden realizarse para mejorar la eficiencia energética de los sistemas de alimentación in-interrumpibles en instalaciones existentes.


- Des-instalar los SAI individuales de los armarios de la sala de CPD que son alimentados por sistemas de SAI central. Estas pequeñas unidades imponen una penalidad adicional de energía y ocupan espacio en el armario. Si se pueden des-instalar estas pequeñas unidades se podrá ahorrar su energía.

- Eliminar del SAI las cargas que no alimentan equipos de TI en la sala de CPD. La reducción de carga del SAI mejorará su utilización para equipos de TI.

- Considerar usar el SAI en modo de bypass. Operando en este modo ahorra energía ya que la carga que está en bypass no tiene las pérdidas de rectificación e inversor. Cuando el suministro sale de tolerancia, el sistema SAI se transfiere automáticamente al suministro de las baterías e inversor.

- Verificar las condiciones de las baterías del SAI y asegurar que la carga mínima no sea excesivo ya que esto reduce la eficiencia del SAI

- Re-examinar la estrategia de fiabilidad del SAI si está en una configuración de 2N. Cada sistema de SAI es capaz de soportar la carga entera del Centro de Proceso de Datos por sí mismo. Haciendo funcionar un sistema de SAI a cargas más altas logrará eficiencias energéticas más altas (las eficiencias por debajo de 50% en configuraciones 2N caen bastante). También es posible alternar entre los dos sistemas de SAI. Hay otras topologías alternativas como ser las de distribución y los de bloques redundantes.

- Considerar remplazar el equipo SAI. Una vez que el reemplazo es necesario, debe considerarse seleccionar equipos de alta eficiencia sobre todo su rango operativo.

estrategia energetica en centros de proceso de datos

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