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Modulo 6 Progettazione di sistemi di raffreddamento efficienti

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Presentazione sul tema: "Modulo 6 Progettazione di sistemi di raffreddamento efficienti"— Transcript della presentazione:

1 Modulo 6 Progettazione di sistemi di raffreddamento efficienti
Versione Settembre 2011

2 Difficoltà e opzioni per il raffreddamento dell’IT centralizzato

3 Andamento del carico di raffreddamento per l’IT
Trend for the cooling load from different IT systems (expressed in Watts/m2) for the next few years. It can be noted that the specific power installed for cooling will still increase. Thus strategies to adopt more efficient systems/best practices and management for cooling systems are important. Energy efficiency in data centres and server rooms infrastructures has become a major issue for IT and infrastructure management only a few years ago: during the last 10 years the electricity cost has increased, and is expected to continue to rise. In some cases, power costs account for 40-50% of the total data center operation budget Evoluzione del carico termico specifico nelle apparecchaiture IT. Fonte [ASHR2005]

4 Progettazione adeguata per sistemi IT
La scelta del corretto sistema di raffreddamento è vincolata da: La situazione dell’infrastruttura esistente; Il livello di potenza elettrica dell’installazione; La collocazione geografica; I vincoli fisici dovuti all’edificio (forma, dimesnioni, orientamento, accessi) The selection of the appropriate design for a particular cooling system is affected by the existing facility infrastructure, the total power level of the installation, the geographical location, and the physical constraints of the building.

5 Progettazione adeguata per sistemi di raffreddamento
Le opzioni tipiche per la progettazione dei sistemi di raffreddamento derivano direttamente dai sistemi di raffrescamento degli ambienti, anche se gli apparecchi installati sono spesso specificamente progettati per i data center e l’IT Gli apparecchi per il raffreddamento dei data center sono progettati specificamente: Il carico termico in un data center è tipicamente sensibile (richede un abbassamento della temperatura di bulbo secco per il raffreddamento) mentre negli spazi per uffici è allo stesso tempo sensibile e latente (richiede abbassamento dell’umidità relativa – causata dalla presenza umana) The typical options for cooling system design are directly derived from the classical space cooling systems, even though equipment is in the most cases specifically designed for datacenter and IT. The heating load produced in datacenter is typically sensible (needs dry bulb temperature decreasing for cooling) while in an office space is both sensible and latent (needs decreasing of humidity - due to higher human presence).

6 Categorie di data center
Parameteri: Area dei locali; Numerosità dell’IT installato (numero di rack o server); Potenza elettrica totale degli apparecchi; Infrastrutture installate per il raffreddamento.

7 Potenza totale installata per l’ IT [kW]
Categorizzazione in base alle dimensioni Dipendente da numero di rack e potenza installata Tipologia di spazio Rack installati Potenza totale installata per l’ IT [kW] Vani tecnici per i dati 1 - 3 rack enclosures 1 – 18 Computer room 1 – 5 3 – 30 Piccoli data center 5 – 20 7 – 100 Medi data center 20 – 100 28 – 500 Grandi data center > 100 > 200 Source (APC White Paper #59, 2004)

8 Categorizzazione in base alle dimensioni Sito, infrastruttura e caratteristiche del sistema
Tipologia di spazio Area Caratteristiche degli apparecchi IT Sito, infrastruttura e caratteristiche del sistema Vano server < 20 m2 1-2 server Storage interno Uso di sistemi di raffreddamento da ufficio. UPS installati localmente. Condizioni ambientali non controllate strettamente. Efficienza del raffreddamento simile a quella dei sistemi da ufficio. Server room < 50 m2 server Uso di sistemi di raffreddamento da ufficio con capacità di raffreddamento aggiuntiva (tipicamente sistemi split). Raffreddamento e UPS di efficienza mediamente medio- bassa. Data center < 100 m2 30 – 100 server Distribuzione aria sotto pavimento e unità CRAC (opzione più efficiente). Gestione dei sistemi IT senza ottimizzazione dei flussi d’aria. Temperatura e umidità controllati strettamente. Ridondanza di alimentazione e raffreddamento: bassa efficienza complessiva. Data center di medie dimensioni < 500 m2 > 100 server Storage esterno Distribuzione aria sotto pavimento (o in controsoffitto) e unità CRAC (raffreddate ad aria, velocità dell’aria costante a bassa efficienza). Gestione e ottimizzazione dei flussi d’aria. Ridondanza di alimentazione e raffreddamento: bassa efficienza complessiva. Data center enterprise > 500 m2 > 500 server Uso dei sistemi di raffreddamento più efficienti, con sistemi di gestione dell’energia. Uso di best practice nel raffreddamento e nella gestione dei flussi d’aria. Massima ridondanza: efficienza dei sistemi ridotta.

9 La scelta corretta per il raffreddamento
Valutazione dei fabbisogni di raffreddamento: Per le apparecchiature IT il carico termico è identico alla potenza elettrica assorbita: il corretto dimensionamento degli apparecchi IT per un data center è il primo passo verso l’efficienza Per gli UPS il carico varia tra un valore minimo ed uno massimo Per gli apparecchi per l’illuminazione e la presenza di personale è possibile utilizzare valori standard riportati nella normativa La quantità e la dimensione dei sistemi richiesti dipende anche fortemente dal livello di Tier ipotizzato per il data center. Tier 1 = Non-redundant capacity components (single path for power and cooling distribution), guaranteeing % availability Tier 2 = Tier 1 + Redundant capacity components, guaranteeing % availability Tier 3 = Tier 1 + Tier 2 + multiple active power and cooling distribution paths, with a single path active, has redundant components and is concurrently maintainable, guaranteeing % availability Tier 4 = Tier 1 + Tier 2 + Tier 3 + all components are fully fault-tolerant including uplinks, storage, chillers, HVAC systems, servers etc. Everything is dual-powered, gguaranteeing % availability. This categorization affects strongly the infrastructure: the reliability is guaranteed by component redundancy and by the connection of cooling system to the UPS (the electrical system comprises UPS’s), the availability is enforced with thermal storage system (the electrical system is completed with dual power and generators), and the serviceability by doubling ducts and pipes in cooling.

10 Elementi di un sistema di raffreddamento
Fonte: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009 Elementi di un sistema di raffreddamento: Sistema di espulsione del calore; Apparecchiature di produzione del freddo; Terminali (sistemi di rimozione del calore indoor); Carichi termici (apparecchi IT, servizi, operatori).

11 Elementi di un sistema di raffreddamento: la selezione per l’efficienza
Gli apparecchi per il raffreddamento spesso operano in continuo 24 / 7 e tipicamente lavorano a metà carico, in maniera meno efficiente; La selezione di apparecchi efficienti è una fase critica per raggiungere la sostenibilità: Unità CRAC & CRAH; Ventilatori e sistemi per la ventilazione; Pompe; Chiller (raffreddati ad aria o ad acqua); Torri di raffreddamento, evaporatori e condensatori ad aria; Umidificatori.

12 Sistemi per terminali, raffreddamento ed espulsione del calore
I terminali tradizionamente utilizzati per il raffreddamento nei data center sono installati a soffitto o a pavimento. Tutte le altre modalità di posizionamento sono simili concettualmente al montaggio a soffitto. The indoor terminal unit is a CRAC (that exchanges heat thanks to fans trough a evaporator), connected via a distribution system (pumps and pipes) to a condensing unit (air cooled, forced by fans). Fonte: APC White Paper #59

13 Source: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009
Combinazioni tipiche di terminali, sistemi di raffreddamento e di espulsione del calore Sistema di espulsione del calore Sistema meccanico per il raffreddamento Terminali indoor Combinazione 1 Chiller (ad aria) CRAH (ad acqua) Combinazione 2 Torre di raffreddamento Combinazione 3 Condensatore CRAC (Split) Combinazione 4 Dry-cooler CRAC (Acqua / Glicole) Combinazione 5 Air Handler (Split) Computer room air handling (CRAH) units: containing a fan and chilled water cooling coil, typically are installed in larger datacenters with a central cooling plant, with reheat components (can be electric, hot water, hot gas) and humidifiers. Computer room air conditioning (CRAC) units containing a fan, DX cooling coil and a refrigerant compressor that may be cooled by: refrigerant routed through an air-cooled condenser (typical), water pumped through a cooling tower, glycol pumped through a drycooler. Fans, for air circulation (delivers cool air to the servers, returns exhaust air from the room) Pumps, for water and refrigerant liquid distribution Chillers (air & water-cooled), to cool water via a mechanical cooling cycle, exchanging heat with air or water Economizers, to exchange heat without or reducing use of compressors Cooling towers, drycoolers & air-cooled condensers, used to reduce the warmer process water temperature Humidifiers, to respect the lower air humidity limits (fresh air is cooled and consequently exceedingly dehumidified) Ventilation equipment (AHU), to ensure proper ventilation for occupants, for the direct/indirect use of outside air cooling power, for the particulate filtering. Source: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

14 Dimensione del data center, sistemi e tecnologie per il raffreddamento
 Sistema Posizione terminali Adatto per vani tecnici Adatto per computer room Adatto per piccolo data center Adatto per medi data center Adatto per grandi data center Air cooled DX system (split) A soffitto Si, se hanno poca distanza dall’esterno Si, se accesso all’esterno e potenza tra 6-30 kW Si, se accesso all’esterno e potenza tra 6-30 kW No, capacità di raffreddamento insufficiente A pavimento No, occupano spazio a pavimento Si, se accesso all’esterno e potenza > 30 kW Si, se accesso all’esterno e potenza > 25 kW Si, per soluzioni a bassa densità, costo ridotto Air cooled compact system Si, verificare spazio per canali Si, se c’è spazio a soffitto per canali Si, se c’è spazio a soffitto per canali Si, se c’è spazio a soffitto per canali e la potenza è >12 kW Glycol cooled system (split) No, potenza di raffreddamento esagerata Si, se si ha accesso all’esterno No, assenza di spazio a pavimento Si, se si ha accesso all’esterno e spazio a pavimento Si, se si ha accesso all’esterno e spazio a pavimento Si, se si ha accesso all’esterno Si Water cooled system Possibile per edifici elevati Chilled water system

15 Classificazione ASHRAE
Classe A1: spazi per servizi datacom con parametri ambientali strettamente controllati (punto di rugiada, temperatura e umidità relativa) e con operazioni critiche. Le tipologie di prodotti normalmente utilizzati per tali ambienti includono solitamente server e sistemi di storage aziendali. Classe A2: spazi per servizi datacom, uffici o laboratori con un certo controllo dei parametri ambientali (punto di rugiada, temperatura e umidità relativa). Le tipologie di prodotti normalmente utilizzati per tali ambienti includono solitamente piccoli server, prodotti per storage, personal computer e workstation. ……Classe A3/A4, Classe B, Classe C Le classi A1 e A2 coprono gli ambienti specificatamente progettati per le apparecchiature IT centralizzato.

16 Classificazione ASHRAE: condizioni di temperatura dell’aria in ingresso
Classe Temperatura di bulbo umido raccomandata[°C ] Umidità raccomandata Temperatura di bulbo secco ammissibile [°C] Umidità ammissibile A1 18 – 27 Tra T di rugiada 5,5°C e 60% u.r.+ T di rugiada 15°C % T di rugiada max 17°C A2 20 – 25 10 – 35 T di rugiada max 21°C ASHRAE specifies that all conditions refer to the air entering the IT equipment. A frequent error to be avoided is measuring temperatures or positioning sensors in other measurement positions (e.g. at the room walls). Dew point is the better parameter as in fact it refers to the absolute quantity of moisture in air, that could cause problems of condensation on cold surfaces. The humidity level at a specific air temperature is a critical criterion.

17 Classificazione ASHRAE: condizioni di temperatura dell’aria in ingresso
The allowable area for set-point conditions has been enlarged compared to the previous version of the ASHRAE guidelines (see Table 7). The recommended value ensures reliability for the IT hardware in agreement with the state of technique of the IT equipment. Operating equipment outside the allowable conditions for longer periods of time could affect the availability or performance of some components in datacenter in the long term. In the last revised versions of the ASHRAE standard, published in 2008, the ranges of allowed relative humidity were enlarged. The maximum rate of temperature change is important especially for direct free cooling systems options and needs to be controlled to ensure safe operation of the system . The recommended ASHRAE level set the maximum rate of temperature change at 5 °C per hour for class 1 and 2 datacenters.

18 EU code of conduct: condizioni di temperatura proposte
The ASHRAE temperature ranges were taken as a reference for the EU Code of Conduct for datacenters (Code of Conduct on Data Center). The draft ETSI EN of the European Telecommunications Standards Institute defines the parameters of temperature and humidity for telecommunications equipment also for data center areas: these operating temperature range must be met by manufacturers of computer equipment (Code of Conduct endorsers) by January 2012.

19 Soluzioni efficienti per il raffreddamento dei data center

20 Opzioni di miglioramento dell’efficienza Sale server esistenti
Caratterizzazione dei piccoli sistemi IT Opzioni di base per il miglioramento dell’efficienza Sale server esistenti - Bassa densità specifica di potenza - Uso di soluzioni di raffreddamento tradizionali (no CRAC) - Carico distribuito in modo non omogeneo (spazialmente, temporalmente) - Controllo e gestione minima - Poco interesse nell’incremento dell’efficienza - Controllo e gestione delle condizioni ambientali (set point) - Verifica dell’isolamento di tubi e canali (aria/acqua/liquido caldo e freddo) - Valutare la sostituzione dei sistemi o componentio meno efficienti del raffreddamento Controllo e verifica del layout del sistema di raffreddamento installato – distanza tra sistema di raffreddamento e carichi Valutazione corretta (ex-post) della potenza raffreddante installata - Corretto posizionamento dei sensori - Analisi e concentrazione dei carichi (temporale e spaziale) overview on some typical characteristics of small IT systems respectively server rooms and of basic options for improvements both in existing and in new facilities

21 Opzioni di miglioramento dell’efficienza Sale server nuove
Caratterizzazione dei piccoli sistemi IT Opzioni di base per il miglioramento dell’efficienza Sale server nuove - Bassa densità specifica di potenza - Uso di sistemi tradizionali (no CRAC) - Distribuzione del carico non omogenea (spaziale, temporale) - Controllo e gestione ridotti - Scarso interesse nell’incremento di efficienza - Selezione dei sistemi più efficienti per il raffreddamento - Valutazione dell’utilizzo del raffreddamento basato su rack (concentrando I carichi) - Valutazione del possibile uso del free cooling (diretto o meno) overview on some typical characteristics of small IT systems respectively server rooms and of basic options for improvements both in existing and in new facilities

22 Climatizzatori da ufficio – Tipi, efficienza e costi dei sistemi split
Sistemi split sono composti da: un’unità esterna motocondensante; un’unità interna. Sistemi split mobili per il raffreddamento hanno: Un’unità interna portatile che contiene il compressore. Ciò porta a minor efficienza. Le piccole unità portatili sono spesso installate in sale server di maggiori dimensioni per prevenire gli hot spot, o nei vani delle apparecchiature di rete per supplire all’insufficienza del sistema di raffreddamento dell’edificio; Queste piccole unità portatili non sono efficienti! Solitamente hanno un tubo di scarcio del calore che scalda il locale! For small IT facilities and server rooms the simplest solution is the traditional split system installation (also named comfort cooling). Split systems are composed of an outside mounted condensing unit and an internal conditioner unit. Mobile split air conditioners have a portable indoor unit containing the compressor, which leads to less efficiency. Small portable units are often installed in larger server room to prevent hot spots, or in network closets to supplement the building AC system. Split systems are easy to maintain with comparably low overall costs. The technology however is not applicable to every situation and the control of the IT equipment inlet temperature, humidity and of hotspots is poor. The efficiency of a split system depends on the efficiency of the outdoor and indoor heat exchanger and the electric motors in the compressor system. The overall efficiency of the split system technology has increased in the last years with the use of heat recovery modules.

23 Acquisto di apparecchi efficienti
In funzione della potenza raffreddante: < 12 kW: etichetta Energetica EU >12 kW: schema di certificazione Eurovent Efficiency characteristics for system components and technical data about the design and possible applications are available from installers and manufacturers. For units above below 12 kW rated power the energy label and a set of technical specifications are mandatory in the EU. When buying new appliances under 12 kW of coolant power, the Energy label (mandatory in the EU!) should support the purchase decision. Eurovent certification scheme has been developed by industry as a voluntary agreement for labeling of appliances over 12 kW of power. The voluntary scheme adopted an A-G labeling based on the EER performance

24 Etichetta esistente e nuova proposta per apparecchi piccoli (<12 kW)
Data la differente modalità di calcolo dell’efficienza, non è possibile confrontare direttamente valori di EER (vecchio schema) e di SEER (nuovo schema) Approssimativamente: SEER ≈ EER + 3.0 To identify energy efficient equipment both the new EU-labeling scheme linked to the ERP-directive (Ecodesign-directive for energy related products). For systems with power < 12 kW EU labeling is mandatory and new revised criteria will be in force during The new labeling scheme has been completed and approved in Spring 2011 . We should only refer to the last version which will be published soon.

25 Valori di efficienza dei sistemi di raffreddamento
EER – rapporto tra la capacità raffreddante totale e il valore di potenza che alimanta l’unità, espresso in Watt/Watt; SEER (indicatore stagionale di efficienza energetica): definito ed utilizzato in Europa; IPLV (indicatore stagionale di efficienza energetica): definito ed utilizzato in USA; I valori di IPLV e SEER sono ottenuti utilizzando le medie pesate dell’efficienza (EER) dei chiller a differentivalori di carico (25%, 50%, 75% and 100%). The EER rated calculation hypotheses, air temperature 35 °C and water temperature 15 °C, can only serve as a first proxy for the evaluation of the real efficiency. The Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER) calculated as ratio of output cooling (in Btu/hr) to input electrical power (in Watts) at a given operating point (indoor and outdoor temperature and humidity conditions) provides the expected overall performance considering typical local weather conditions.

26 Sistemi split con inverter
La tecnologia split è migliorata sotto diversi aspetti. E 'possibile adattare i sistemi all’acqua refrigerata o combinare diverse temperature ambiente per diverse unità di AC collegate allo stesso condensatore. L'uso di motori a inverter e controlli intelligenti hanno fortemente aumentato l'efficienza di refrigerazione.

27 Raffreddamento a rack in piccole sale server
L'adozione di opzioni di free cooling per i piccoli sistemi IT e server room è soggetta ad un ampio numero di vincoli; La limitazione è soprattutto tecnica: sale server di piccole dimensioni o armadi si trovano spesso in alcune parti dell’edificio in cui l'accesso al aria esterna è difficile; per sale server nei nuovi edifici, l'applicabilità del free cooling è possibile se considerato nella costruzione dell’edificio e nel progetto del locale. Posizione del locale, le possibilità di passaggio per condotti / tubazioni, e i conseguenti costi sono i principali fattori che influenzano l’adozione del free cooling; Per le ristrutturazioni di impianti esistenti, le difficoltà e i costi sono generalmente elevati ed è richiesta un’analisi costi / benefici.

28 Difficoltà e possibilità in data center medio-grandi
Soluzioni di base per sistemi esistenti Soluzioni di base per sistemi nuovi - Controllo e gestione delle condizioni ambientali (set point, pianificazione, posizione e il numero di sensori) - Sostituzione dei componenti obsoleti / meno efficienti del sistema di raffreddamento (confrontare la classe di efficienza dei sistemi esistenti con le più efficienti sul mercato) - Verifica dei condotti / isolamento tubi (aria / acqua / liquido, caldi e freddi) - Evitare la corto-circuitazione dei flussi d'aria - Controllo e verifica del layout del sistema di raffreddamento installato - distanza tra sistemi di raffreddamento e i carichi, ottimizzazione dei flussi d'aria, perdite di aria nelle parti sigillate) - Analisi della tecnologia e dell’efficienza del chiller Utilizzo del design dei flussi d’aria (corridoio freddo / caldo, pavimento sopraelevato/ ritorno a plenum) - Utilizzo di raffreddamento basato su rack - Valutazione di utilizzo del free cooling (diretto / indiretto) - Utilizzo di free cooling ad acqua - Installazione di raffreddamento diretto su processore (liquidi, tubi di calore, rame), - Utilizzo del recupero di calore - Installazione di un sistema di raffreddamento modulare (legato al concetto di progettazione e gestione IT) For medium size to larger data centers higher energy efficiency of IT systems and infrastructure is more profitable, however also some constraints are bigger. For example higher required reliability of systems and higher capital expenses could be a barrier for efficiency measures. The traditional approach for cooling in medium and big data centers has been based on air cooling. A standard data center has been designed to cool an average 7,5–10 KW/m2, which translates to 1–3 KW/rack. Newer, more expensive data centers are designed to cool an average 20 KW/m2, which still limits the power density per rack to 4–5 KW (recall that full rack capacity is higher than 25 KW/rack). The traditional architecture employs CRAC units at the periphery of the data centre room, utilizing chilled water from an outdoor chiller. Besides the IT other heat sources inside and outside the building are to be considered

29 Scelta ed efficienza del chiller
I chiller ad acqua rappresentano la miglior scelta rispetto a quelli ad aria e alle macchine DX: miglior efficienza termodinamica Air cooled and liquid cooled chillers differ regarding their EER (Energy Efficiency Ratio) which typically for water systems is about 3,5 and for air systems about 2,5. ‘Rated energy efficiency ratio’ (EERrated) express the declared capacity for cooling [kW] divided by the Rated power input for cooling [kW] of a unit when providing cooling at standard rating conditions. Standard rating conditions are: water temperature between 15 and 18 °C, outside temperature 35 °C. Water cooled chillers are a first choice over air cooled and DX thanks to the higher thermodynamic efficiency. Fonte: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

30 Layout tipico in data center medio-grandi
From Da: Cooling strategies for IT equipment - HP

31 Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009
Raffreddamento ad aria: progettazione dei flussi di aria, corridoi caldi/freddi, pavimento sopraelevato/ritorno a soffitto Nei data centre più grandi, l’IT è disposto in file con le prese dell’aria verso il corridoio freddo. L’aria fredda è fornita al corridoio corrispondente, attraversa gli apparecchi e viene scaricata nel corridoio caldo Layout per un data center a corridoio caldo/freddo in the datacenter racks are organized in alternative aisles the so called hot aisle/cold aisle layout. The IT equipment is mounted in racks, containing the IT equipment (servers, storage, network equipment, power supply units and power distribution units), that are positioned together in long rows. The intake air comes from the cold aisle, than passes through the IT equipment in the rack and is discharged in the hot aisle. The air inlet conditions are specified in Environmental conditions for IT equipment. The air quantity typically required per rack is between 60 to 85 m3/h. Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

32 Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009
Raffreddamento ad aria: progettazione dei flussi di aria, corridoi caldi/freddi, pavimento sopraelevato/ritorno a soffitto Le caratteristiche del flusso di aria sono elementi da considerare attentamente. Le direzioni dell’aria raccomandate sono: frontale-retro (F-R), frontale-alto (F-T) o frontale- alto/retro (F-T/R). Flussi d’aria nei rack per configurazione a corridoio caldo/freddo in the datacenter racks are organized in alternative aisles the so called hot aisle/cold aisle layout. The IT equipment is mounted in racks, containing the IT equipment (servers, storage, network equipment, power supply units and power distribution units), that are positioned together in long rows. The intake air comes from the cold aisle, than passes through the IT equipment in the rack and is discharged in the hot aisle. The air inlet conditions are specified in Environmental conditions for IT equipment. The air quantity typically required per rack is between 60 to 85 m3/h. Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

33 Distribuzione verticale sottopavimento
Per consentire la fornitura di aria fredda, i locali sono dotati di pavimento tecnico rialzato. Questo layout è uno dei più comuni utilizzati nei data center, l'aria di raffreddamento è fornita attraverso un sistema sottopavimento collegato alle unità CRAC, e l'aria calda fluisce naturalmente dai rack verso il soffitto di nuovo al CRAC. Porta normalmente a un gradiente di temperatura sub-ottimale all'interno del rack, più freddo in basso e più caldo nei settori superiori Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

34 Distribuzione verticale a soffitto
Nel layout di distribuzione verticale a soffitto, l'aria fredda è fornita al rack IT attraverso una canalizzazione installata sul soffitto e ritorna naturalmente (non canalizzata) al sistema di raffreddamento - senza un pavimento tecnico e con un gradiente di temperatura uniforme all'interno dei rack. Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

35 Distribuzione verticale a soffitto con sistema a pavimento tecnico
Tipicamente utilizzata per il raffreddamento supplementare per evitare i punti caldi in rack ad alta densità; La distribuzione del flusso d'aria buona non può essere raggiunta in tutto il rack, o se ci sono densità elevate; Il CRAC a soffitto può essere posizionato sopra i corridoi freddi, o montato su rack scambiatori di calore. Può raffreddare l'aria calda di scarico dal rack, o pre-raffreddare l'aria di alimentazione. Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

36 Incremento di efficienza in un sistema a corridoio caldo/freddo
Utilizzare ritorni a soffitto canalizzati In the hot-aisle / cold-aisle the main action is to increase efficiency is to enhance airstream separation: - Use return air plenums and duct the returns of cooling units to draw the warmest air from the top of the space - Place air supplies (perforated floor tiles or diffusers) in cold aisles only, near the active IT equipment Posizionare le griglie di areazione solo nel corridoio freddo From: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

37 Incremento di efficienza in un sistema a corridoio caldo/freddo
Installare barriere al flusso d’aria per contenere il corridoio caldo o freddo To minimize recirculation (typically using physical barriers): - Install airflow barriers such as hot aisle / cold aisle containment to reduce mixing of hot exhaust air with cooler room air - Install blanking panels at all open rack locations and within racks to prevent recirculation of hot air - Control the positioning and the sealing of cable openings and floor tiles. Installare pannelli di chiusura in tutte le posizioni aperte nei rack

38 Ottimizzazione delle soluzioni di cablaggio
The optimization of cabling systems should be done at the rack level, at room level (ceiling, floor or underfloor) and at the external connection systems. A linear and ordered positioning will also benefit the maintenance and emergency interventions

39 Incremento di efficienza in un sistema a corridoio caldo/freddo
Posizionamento dei CRAC : La posizione ottimale si trova alla fine del corridoio caldo e perpendicolarmente ai corridoi di aria calda: abbreviare il percorso per il ritorno dell'aria, riducendo il corto circuito con aria fredda del corridoio freddo The CRAC location is typically another origin of low efficiency. The optimal CRAC location is at the end of the hot aisle and units are to be placed perpendicularly to the hot aisles, in order to shorten the path for return air, reducing the direct short-circuiting of cold air from cold aisles.

40 (Fonte: HP) Controllo e monitoraggio dei sistemi di raffreddamento – modalità di gestione

41 Immagine a infrarossi, da: http://www.datacentir.com/
Gestione dell’aria Temperatura e velocità dell'aria impattano fortemente sull'efficienza di un sistema e devono essere monitorati in continuo; Punti caldi e inefficienze nei data center esistenti sono relativamente facili da scoprire con l'analisi termografica o l'installazione di una rete di sensori wireless. . Immagine a infrarossi, da:

42 Esempio di simulazione CFD, da: http://emersonnetworkpower.com
Gestione dell’aria La progettazione e ottimizzazione del processo di raffreddamento può essere supportata da software di simulazione CFD (di calcolo fluido dinamico), al fine di prevedere i fenomeni fisici termici / fluido all'interno del datacenter; Misurazioni fisiche e test sul campo non impegnano solo tempo e manodopera, ma a volte sono impossibili.  Inlet air temperature and air speed can strongly affect the efficiency of a system and should be monitored continuously. Esempio di simulazione CFD, da:

43 Impostazioni per temperatura ed umidità nei data center medio-grandi
Impostazioni e capacità di un sistema split (Fonte: P. Riviere et al., Preparatory study on the environmental performance of residential room conditioning appliances) Widening the temperature and humidity control ranges increases the operational “deadbands” and decreases the potential for systems to “fight” each other, with a reduced usage of humidification and dehumidification. For DX and chilled water systems, a warmer temperature setting typically increases the capacity and the efficiency of the cooling systems. In chilled water systems there are additional savings from the increase in coil temperature differences. For systems with air-side economizers, water-side economizers and evaporative cooling, a warmer temperature setting will increase the hours of functioning in non-compressor cooling mode. Una maggiore temperatura dell'aria in ingresso incrementa l’efficienza meccanica del raffreddamento e l’uso degli economizzatori, ma con minore un "fattore sicurezza“ riguardo le condizioni dell’aria in ingresso; Per sistemi DX e ad acqua refrigerata, un setpoint più caldo aumenta la la capacità e l'efficienza dei sistemi di raffreddamento

44 Soluzioni per l’eterogeneità spaziale e temporale
Non omogeneità spaziale: Diffondere i carichi e di conseguenza il calore sotto-occupando i rack. Non omogeneità temporale: Utilizzare sistemi di stoccaggio per l'acqua refrigerata; Per data center con alta densità di potenza (ad esempio più di 15 kW per rack): nuovi sistemi di raffreddamento possono essere integrati nei rack e gestito in modo indipendente (sistemi di raffreddamento basati su rack) Traditionally it was quite a common approach to spread the IT-loads and consequently heat loads by underpopulating of racks. Cooling is normally provided at corridor level, and later at rack level. For the refurbishment of existing systems and to avoid high heat density integration of direct liquid cooling can be considered. Thermographic analysis can help to improve efficiency in air flow management in traditional systems (air leakages, problems in air diffusion, poor control). A good option to cope with temporal inhomogeneities is thermal storage using chilled water to cover exceptional loads, cooling system failures or inadequacy of cooling power. In traditional systems where the cooling air is diffused from the underfloor the arrangement of the racks is a very important factor for the optimization of the cooling system. Proper positioning of the tiles from which cold air is diffused prevents mixing of hot and cold air. Improper placement of the diffuser may also destroy the advantages of the separation between the hot and cold aisle. Air supply shall be located as close as possible to the air intakes of the equipment, keeping the cold air in cold aisles. In the case of underfloor air distribution the perforated tiles must be arranged in the cold aisles.

45 Raffreddamento basato su rack
Il raffreddamento basato su rack , sigillati in modo da garantire una circolazione di un flusso continuo di aria fredda, è in grado di dissipare circa 20 kW di calore. Tale raffreddamento è spesso accoppiato con un sistema a liquido per supportare il raffreddamento ad alta densità. For data centers with high power density, e.g. more than 15 kW per rack, new cooling systems may be integrated in the racks and operated independently. Such cooling systems have a direct expansion or chilled water refrigeration circuit. They may be integrated into a single rack, or installed for a rack file (including power cables, data cables to connect to each other). The technology is also used in cases where space for installation of a cooling system is missing. Fonte: highdensityrackcooling.com

46 Raffreddamento in-row
Layout di un data center con raffreddamento in-row. Fonte: APC by Schneider Electric, 2010; White Paper #139 rev.0

47 Raffreddamento in-row a carico parziale
Row based cooling places the AC within the rows of IT equipment, rather than at the perimeter of the room. The air path is shorter and the mixing of hot and cold air is reduced dramatically. The cooling distruibution is more precise and adjustable to the demand (locally): the efficiency is higher, compared to the room cooling with air handlers. While moderately effective, in-row coolers cannot be used for cooling a specific rack or racks because they are not directly connected to any rack. They cannot determine the exact direction of 100% of their airflow or cooling capacity. Current capacity limitation is around kW per in-row cooler (not per rack). In-row coolers are connected to a central chilled water system via flexible hydraulic hoses. Da : APC White paper #126, rev. 1.

48 Sistemi di raffreddamento a liquido
L’efficienza del raffreddamento ad acqua è 14 volte più efficiente The most efficient and recent cooling technology installed in data centers is liquid cooling. In this approach the heat removal is achieved on or near the heat source. The direct liquid heat exchange can be arranged at rack level, server level or even processor level. No cooling power is lost in the room. Figure shows the principle of water cooling at rack level which can be applied both in new and in refurbished datacenters. The raised floor option indicated is not mandatory for the installation, but facilitates maintenance and lowers overall installation costs. The chiller can be combined with free cooling solutions Da : S. Novotny, Green field data center design – water cooling for maximum efficiency

49 Layout del sistema di raffreddamento a liquido
Figure provides a more detailed overview of a liquid cooling system:the cooling tower (external) connected to a chiller with a condensed water system,. the cooling distribution unit (located in the datacenter) and the rack equipped with a cooling system (direct or via a heat exchanger) and control system (Datacom equipment cooling system). This concept allows higher cooling media temperatures within the IT equipment, increasing opportunities for “free cooling” and supporting advanced solutions like processor based cooling Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

50 Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009
Raffreddamento a liquido a livello rack, con scambiatore di calore centralizzato Liquid cooling can be designed via a fluid cooled heat exchanger contained in a distribution cooling unit in the room (Figure) or with the exchanger installed directly at rack level (installed in the rack) Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

51 Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009
Raffreddamento a liquido a livello rack, con scambiatore liquido / aria The liquid cooling can be also be designed based on a CRAC unit replacing the central heat exchanger (Figure 25), that distributes air in a hot aisle/cold aisle concept, combined with a rack level air to water heat exchanger. Liquid cooling is often used for refurbishment of existing datacenters. Savings regarding space and installation can be high. Existing CRAC can be used in a liquid to air heat exchanger. However implementation costs for liquid cooling can be high. Usually liquid cooling is combined with air cooling. Liquid cooling can cover high heat densities and allows a highly modular approach avoiding any hot spot problems. The redundancy of chillers for direct water systems is less expensive compared with the installation of redundant CRAC systems or other traditional solutions and availability is increased. Optimized setting of cooling conditions depending on monitored load per rack and per server allows a very efficient design. Free liquid cooling can also be based on non-potable water (industrial water, water from rivers, lakes, ..) however requiring a detailed analysis of the supply source (temperatures, flows and water properties during the year). Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

52 Raffreddamento diretto su processore
The latest developments regarding systems for IT cooling is component based cooling using “hot” water. The general concept is already old (going back to the 1960s for IBM processor cooling systems). It is based on the fact that the typical operating temperatures of CPU’s are between 40 and 80 °C. Thus water based cooling at a temperature up to 60°C allows to cool CPUs at the typical operation level . The main disadvantage of the concept is the increased complexity and cost of the system. Each processor or component has to be connected to the cooling system via pipes. This may also involve risks if failures in the piping system occur. Apart from that the advantages of the system in terms of efficiency are considerable. IBM Coldplate Cooling, fonte: thehotaisle.com IBM Aquasar, Fonte: ethlife.ethz.ch

53 Raffreddamento diretto su processore
Gli ultimi sviluppi riguardanti i sistemi per il raffreddamento dell’IT si basano su componenti di raffreddamento con acqua "calda"; Si basano sul fatto che le temperature di funzionamento tipico delle CPU sono tra i 40 e gli 80 ° C; Così il raffreddamento ad acqua ad una temperatura fino a 60°C permette di raffreddare le CPU a livelli normali; Il principale svantaggio di questo concetto è la maggiore complessità e costo del sistema; Ogni processore o componente deve essere collegato al sistema di raffreddamento mediante tubazioni; Ciò può anche comportare dei rischi se si verificano guasti nel sistema di tubazioni. I vantaggi del sistema in termini di efficienza sono comunque notevoli.

54 Esempi ed esperienze di buona pratica

55 Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009
10 buone pratiche La condizione dell'aria in entrata è la più importante per le apparecchiature Implementare layout a corridoio freddo / caldo - separare aria fredda e calda Utilizzare aria / temperatura esterna il più possibile Utilizzare componenti efficienti per la distribuzione elettrica Considerare il raffreddamento localizzato per learee ad alta densità Misurare, analizzare e valutare l'efficienza dell’infrastruttura Verificare ogni componente di raffreddamento per migliorare l'efficienza Migliorare i sistemi di raffreddamento Utilizzare i dati di potenza di targa o dati di temperatura per ottimizzare il layout del Data Center Virtualizzare e consolidare Da: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

56 DOE Energy 101 - Energy Efficient Data Centers
Video con esempi di efficienza - DOE Energy 101

57 Discussione Domande relative al modulo

58 Questions/discutions related to the module
Quando si sceglie un sistema di raffreddamento, quali sono i principali vincoli per il design? Come si fa a aumentare l'efficienza energetica in un sistema a configurazione corridoio caldo / corridoio freddo? Quanto è efficiente il raffreddamento ad acqua in confronto al raffreddamento ad aria? Pensi che il "raffreddamento a processore" non sia possibile nell’uso comune al giorno d'oggi?

59 Ulteriori letture di approfondimanto
White paper Pubblicazioni online Ecc.

60 Ulteriori letture di approfondimanto
ASHRAE TC Thermal Guidelines for Data Processing Environments – Expanded Data Center Classes and Usage Guidance Energy Efficient Cooling Solutions for Data Centers ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series Qualitative analysis of cooling architectures for data center

61 Ulteriori letture di approfondimanto
Fundamentals of data center power and cooling efficiency zones Seven strategies to improve data center cooling efficiency Cooling strategies for IT equipment


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