Muito se fala em Eficiência Energética na área de engenharia nos ambientes de missão crítica, principalmente em Data Centers. Essa preocupação está batendo à porta e precisa ser discutida. Prova disso são dados da Global Survey, da Uptime que apontam:

O resultado da pesquisa revela que os tomadores de decisões estão em busca de reduzir o consumo energético de seus sites, bem como ter a operação mais eficiente.

Vamos falar de Eficiência Energética e Pegada de Carbono e como esses parâmetros estão conectados.

Uma vez que se aplica esforços para reduzir o consumo de energia, pode-se obter melhor eficiência de operação de equipamentos de um DC, e por consequência contribuiremos para melhores números para cálculo da Pegada de Carbono. Para entender melhor sobre o ponto ótimo entre esses dois parâmetros de avaliação de sustentabilidade, é preciso olhar para a necessidade da demanda, e ao se tratar de DC’s esta é a carga de TI. Em outras palavras, qual é a máxima carga de TI que será instalada e qual a capacidade e consumo dos equipamentos de climatização em operação para atender a dada demanda?

Como encontrar o ponto ótimo de operação de um Data Center?

Todo Data Center tem o seu ponto ótimo de operação em que o consumo energético é otimizado e este é ÚNICO e INDIVIDUAL para cada ambiente, ou seja, independe do projeto ou da topologia projetada. Entender qual é esse ponto é a chave para adotar estratégias nas áreas de maior potencial de melhoria de forma a permitir a operação mais eficiente.

Sabendo que, em geral, o maior consumo de energia de um DC é dos equipamentos de climatização, começaremos a investigação para saber onde podemos ganhar eficiência nesse sistema. Dessa forma, é preciso analisar com atenção e focar no gerenciamento do fluxo de ar, tanto interno ao Data Hall, como externo do DC, nos equipamentos que fazem a troca de ar com o ambiente. Quanto à parte interna de um Data Center, quando existe recirculação de ar quente, consequentemente existe o risco de atingir os limites operacionais dos equipamentos, o que pode ocasionar em falha destes, e se quando existe by-pass de ar gelado, consequentemente existe consumo de energia desnecessário.

O primeiro pilar do gerenciamento do fluxo de ar é o Gerenciamento Térmico: este vai buscar as condições térmicas adequadas para a operação dos servidores. O resultado disso será o aumento da confiabilidade e longevidade dos equipamentos de TI.

Em segundo lugar é realizado o Gerenciamento Energético: este pilar que buscará reduzir o consumo de energia no sistema de climatização escolhido para o DC, tendo como principal objetivo a eficiência de trocadores de calor e menor consumo de ventiladores.

Na sequência, realiza-se Gerenciamento de Custos: procedimento que busca a redução de custos operacionais, reduzindo o capital que seria investido em novos equipamentos de climatização. Isso se faz com a avaliação dos equipamentos existentes, verificando se estes ainda estão performando de maneira ideal ou não.

Desta forma o gerenciamento do fluxo de ar tem 3 principais objetivos:

• Aumentar a temperatura de insuflamento;
• Diminuir a vazão de ar de insuflamento;
• Manter ou melhorar a condição de operação dos racks.

Como resultado da busca por esses 3 objetivos, obteremos os seguintes resultados:

• Aumentar a eficiência de trocadores de calor;
• Reduzir o consumo de energia dos ventiladores;
• Garantir a boa condição de operação dos servidores.

E onde entram as métricas que intitulam esse artigo?

Os três parâmetros que vão balizar as análises de eficiência energética e estão diretamente relacionados ao gerenciamento de fluxo de ar são: PUE (Power Usage Effectiveness), RTI (Return Temperature Index) e RCI (Rack Cooling Index).

O PUE nos diz muito do consumo de energia como um todo do site. Este nada mais é do que a relação entre o consumo total do Data Center e o consumo dos equipamentos de TI.

O RTI é um índice que avalia a existência de recirculação de ar, seja quente ou frio.

E o último, RCI, é o parâmetro que avalia a ausência de sobretemperaturas e subtemperaturas na face de admissão de ar dos racks.

Na equação abaixo, um ponto importante quando se avalia o PUE é a parte de cima da fração, que vai nos fornecer o consumo total de ar-condicionado, avaliado pelo COP (Coeficiente de performance), onde, em geral, 0,5° vai influenciar no ganho de 2% de performance dos equipamentos de climatização.

E conforme mencionado anteriormente, outros equipamentos que nos permite obter ganhos no consumo de energia são os ventiladores. Em geral, os ventiladores ficam ligados 100% do tempo.

Detalhando a métrica de RTI, que é a relação da vazão de ar dos racks e a vazão de insuflamento, em outras palavras, se os equipamentos de TI estão sendo atendidos de forma eficiente. Nosso alvo aqui é trabalhar com o parâmetro entre 95% e 105%, preferencialmente abaixo dos 100%.

Por último, o índice que avalia a quantidade de racks que estão com temperaturas acima ou abaixo da faixa recomendada pela ASHRAE (18°C a 27°C). Os índices RCIHI e RCILO indicam a inexistência de temperaturas acima e abaixo do recomendado. Quanto menor for o valor, maior o risco para a operação. Nosso alvo aqui é trabalhar em 100%, uma vez que esse índice está diretamente relacionado com a disponibilidade dos equipamentos de TI.

Depois de entender os parâmetros que influenciam na eficiência energética de um Data Center, é hora de conhecermos melhor a ferramenta que faz a leitura de todos esses parâmetros. Essa ferramenta indispensável se chama CFD (Computational Fluid Dynamics), software que simula computacionalmente a operação de um Data Center e permite compreender o fluxo de ar, sempre em busca do ponto de operação ideal.

A ferramenta é prática e traz imagens elucidativas, porém é necessário que se tenha conhecimento teórico e científico da dinâmica dos fluídos para operar a ferramenta corretamente e assim obter resultados condizentes com a realidade, uma vez que a realidade é complexa e os cálculos por trás da ferramenta são ainda mais complexos. Por isso, a ZIENZ elaborou uma metodologia especifica a ser seguida para que se possa buscar o ponto ótimo do sistema de climatização através da ferramenta.

E como funciona na prática?

Para exemplificar a aplicação dessa metodologia foi modelado um Data Center com os parâmetros que seguem, com o objetivo de avaliar as mencionadas métricas e como, a partir do CFD, estas podem nos direcionar a tomar as melhores decisões para melhorar a Eficiência Energética:

A simulação representa o que acontece na realidade, com uma densidade de carga próxima de 10 kW por rack. No modelo inicial criado, denominado “Caso base”, temos resultados insatisfatórios com excesso de ar dentro do ambiente de TI e a maioria dos racks com temperaturas abaixo da recomendada, ou seja, muita energia está sendo desperdiçada.

A partir dos resultados, pudemos tomar a decisão de reduzir a vazão dos climatizadores, com o objetivo de melhorar a métrica RTI. Por conseguinte, há uma redução no PUE, como pode ser conferido a seguir na Figura 11.

Em seguida, a 2ª otimização foi realizada com o intuito de elevar a temperatura de insuflamento, chegando ao limite de 23,9 °C, e assim, melhorar a métrica de RCILO que se encontrava em 33,71% no cenário anterior. O resultado é alcançado como apresentado pela Figura 12 onde 100% dos racks estão com as temperaturas dentro da faixa recomendada pela ASHRAE. Mais uma vez, como consequência dessa otimização verificamos a redução do PUE.

Pode-se observar que a métrica RCIHI ainda não está dentro do ideal vislumbrado, estando abaixo de 90%. Dessa forma, ainda existe possibilidade de otimização a ser realizada. Dessa forma, buscou-se retirar os possíveis vazamentos no ambiente que influenciam na recirculação de ar quente e prejudicam alguns racks com temperaturas acima da recomendada. Com o resultado da otimização de redução dos vazamentos de ar, o alvo de RCIHI acima de 95% é atingido, conforme apresentado na Figura 13.

Ao se comparar o Caso Base e o cenário da 3ª otimização simulada é possível constatar a aplicação real de Eficiência Energética, consumindo menos recurso com uma melhor operação. Essa diferença gera a redução de custos e a redução de custos projetada ao longo do ano é muito significativa.

Analisando os resultados da simulação CFD para o Data Center pôde-se gerar as imagens da Figura 14 que contém a evolução de cada uma das otimizações realizadas. Nas imagens, as regiões em azul representam a face de admissão de ar dos racks com temperatura abaixo da recomendada pela ASHRAE, as regiões verdes representam temperatura na face de admissão de ar dos racks dentro da faixa recomendada, e as regiões em vermelho são representações da face de admissão de ar dos racks com temperatura acima da recomendada. Na evolução apresentada é possível acompanhar o processo para se obter a melhor operação, partindo de um DC excessivamente gelado, para um DC operando em condições ideais.

Conclusão

Utilizar o CFD como bancada de testes é a chave para encontrar o ponto ideal de operação, o que minimiza o consumo de energia e maximiza a eficiência energética, o que inclusive pode permitir a implantação de novos ativos.

Otimizar o consumo de energia enquanto se mantém a sustentabilidade operacional é um processo iterativo e eficaz quando se utiliza a ferramenta CFD associada as métricas de PUE, RCI e RTI, que trazem maior objetividade para análise das alternativas disponíveis.

Encontrar o ponto de equilíbrio entre vazão, temperatura de insuflamento e outras estratégias de gerenciamento do ar se torna uma tarefa menos complexa e trabalhosa, inclusive consumindo menos recursos e apresentando mais e melhores resultados.

Tem interesse em conhecer mais sobre as soluções da ZIENZ e como podemos, juntos, trazer mais eficiência para seu Data Center?

Estaremos no Data Center Dynamics > Connect | São Paulo, que ocorrerá nos dias 5 e 6 de novembro de 2024. Será um prazer compartilhar informações e conhecimentos para aplicação das melhores soluções de eficiência energética para seu Data Center.