É raro encontrar um Data Center, especialmente com mais de 5 anos, que conta com sua ocupação exatamente conforme previsto no momento de sua criação. Essas alterações vão trazendo alguns danos no ambiente que poderiam ser resolvidos com alterações estruturais como a implementação de Data Centers Com Piso Elevado.
Qual o problema das alterações no layout do Data Center?
Nós vemos que é natural que tanto o layout de ocupação, quanto a densidade de carga localizada sejam alteradas conforme novas tecnologias e soluções são implementadas. A principal consequência desse fenômeno é a queda na eficiência do sistema de climatização.
Isso impacta em um aumento do consumo de energia muitas vezes associado ao surgimento de hotspots. Em casos mais críticos, essas alterações podem colocar em risco a segurança operacional do Data Center, podendo ocasionar eventos de downtime ou instabilidade na prestação de serviços.
Utilizando Data Centers com Piso Elevado
Para resolver este problema, uma estratégia interessante é utilizar o espaço do entre piso para o insuflamento de ar. Esse tipo de estratégia permite que certas ações, como substituição e reposicionamento de placas de piso perfuradas, sejam aplicadas para evitar ou mitigar temperaturas elevadas na face de admissão de ar de racks.
Dessa forma, Data Halls com piso elevado permitem ajustes mais precisos no que se diz respeito à distribuição de ar gelado para os equipamentos de TI. Reduzindo custos e riscos operacionais.
Como CFD pode ajudar?
Não existem dois Data Halls iguais, cada um possui suas peculiaridades, seja do ponto de vista físico ou do ponto de vista operacional!
E, apesar de não existir nenhuma solução única que resolva todos os problemas que possam surgir em um Data Center, conseguimos obter dados valiosos seguindo um processo iterativo por meio de simulações computacionais. Esses dados obtidos de CFD, se bem analisados, resultam em soluções eficientes para a operação daquele ambiente.
O processo iterativo de CFD
Este processo consiste em avaliar a implementação progressiva de estratégias, avaliando a cada nova simulação quais os pontos positivos e negativos.
O objetivo é corrigirmos os pontos negativos nas próximas simulações até que seja atingido parâmetros operacionais de maior eficiência. Ao fim do processo, implementamos a melhor solução avaliada, como se pode observar no fluxograma da figura 1:
Seguir um processo bem definido, com auxílio de situações computacionais aumenta a assertividade na implementação de soluções e reduz o risco e o custo de adotar soluções que não são eficazes.
Um estudo de caso do CFD para estratégia de piso elevado em Data Center
Para exemplificar o passo-a-passo da aplicação desse processo iterativo, vamos apresentar um estudo de caso utilizando a Simulação de Dinâmica dos Fluídos (CFD) para avaliar as estratégias implementadas no ambiente.
A estrutura do Data Hall
O Data Hall simulado conta com aproximadamente 700 kW de carga de TI, distribuídos em aproximadamente 480 m², é atendido por 10 fan coils de precisão de aproximadamente 85 kW de capacidade térmica. O insuflamento de ar é realizado pelo entrepiso de 0,4 metro e o retorno de ar é feito pelo entreforro.
O Layout do Data Hall em sua condição inicial é apresentado na Figura 2. Nesse caso foi realizada a simulação contemplando a instalação de 6 novas filas de racks, totalizando 64 novos racks com 7 kW cada. Esses novos equipamentos estão identificados pela cor laranja.
Associado aos novos equipamentos de TI foram instaladas novas placas de piso perfuradas, com 25% de abertura, seguindo o mesmo padrão já utilizado nas demais regiões do Data Hall.
O processo iterativo do estudo de caso com CFD
Este estudo de caso contou com 4 iterações para exemplificar a aplicação do processo iterativo, desta forma foram desenvolvidos os seguintes cenários de simulação:
- Condição atual: Avaliação inicial, considerando características definidas anteriormente;
- 1ª Iteração: Adoção da estratégia mais simples possível com a substituição de placas de piso de 25% de abertura por placas de piso de 56% de abertura em regiões em que foram observadas temperaturas mais elevadas;
- 2ª Iteração: Refinamento da estratégia adotada na 1ª Iteração, ampliando o número de placas de piso com 56% de abertura associadas ao uso de placas de piso com ventilação forçada;
- 3ª Iteração: Utilização de nova estratégia para mitigar os hotspots observados nas simulações anteriores. Neste caso foi avaliada a utilização de confinamento de corredores frios;
- 4ª Iteração: Refinamento/Otimização da 3ª Iteração com novo ajuste de placas de piso para otimizar a distribuição de ar para as regiões mais demandadas.
A aplicação das estratégias de cada uma das iterações é apresentada na figura abaixo, onde:
- Placas de piso de 25% de abertura são representadas pela cor rosa;
- Placas de piso de 56% de abertura na cor verde;
- Placas contendo ventilação forçada na cor roxa;
- Os confinamentos de corredor são representados pelos retângulos verdes.
Análise das simulações de CFD
A análise foi realizada a partir de dois resultados principais:
- o mapa de temperaturas na face de admissão dos racks;
- o mapa de vazão nas placas de piso.
Esses são resultados que indicaram onde e que tipos de medidas serão mais eficazes a serem testadas na próxima iteração. Outros resultados, como mapa de temperaturas, pressão, velocidade e caminho percorrido pelo ar, são complementares e auxiliam na tomada de decisões.
A Figura 5 apresenta de maneira comparativa a temperatura de admissão dos racks para cada uma das condições simuladas.
A partir dos resultados obtidos, observamos na simulação da condição inicial que a região onde estão instalados os novos servidores registrou temperaturas de até 46°C (o que representa 14°C acima da temperatura máxima permitida pelo envelope A1 da ASHRAE). Sendo que mais de 25% dos equipamentos de TI operam com temperaturas acima da máxima temperatura permitida.
Conforme foram aplicados os ajustes de cada iteração é verificado a redução progressiva na temperatura máxima de admissão dos racks bem como a redução das regiões com temperaturas acima dos 30°C.
Verificamos também que os resultados das primeiras iterações não apresentaram resultados expressivos no que diz respeito a mitigação expressiva ou eliminação dos hotspots identificados.
No entanto, essas duas primeiras iterações servem como base para a aplicação de medidas mais avançadas, como o confinamento de corredor, considerado na 3ª Iteração. Neste ponto a redução de hotspots é mais expressiva, com poucas regiões ainda necessitando de ajustes.
Já a 4ª Iteração promoveu as melhorias finais necessárias, resultando em todos os equipamentos de TI operando dentro da faixa permitida para o envelope A1.
Resultados da aplicação de CFD em Data Centers com Piso Elevado
Os resultados de temperatura na face de entrada dos racks, apesar de serem um dos mais importantes para as análises do processo iterativo são, geralmente, consequência do comportamento do ar no ambiente.
É importante, portanto, identificarmos os elementos que causam tal comportamento para que seja feita a correção e otimização do sistema e assim obter os resultados desejados.
Neste estudo de caso, os principais elementos avaliados foram as placas de piso perfuradas, cuja distribuição, e modelo, tem impacto direto na disponibilização de ar para os equipamentos de TI em cada região da sala.
Mapa de vazões
Para avaliar como é feita a disponibilização de ar pelas placas de piso é utilizado o mapa de vazões nas placas de piso, que é apresentado na Figura 6, onde é possível visualizar de maneira comparativa o mapa de vazões para cada uma das iterações.
A partir desta imagem, conseguimos verificar que, a distribuição de vazão se manteve praticamente a mesma entre a Condição Inicial e a 1ª Iteração.
Entretanto a principal diferença entre as imagens é que a vazão máxima registrada nas placas perfuradas da 1ª iteração foi quase o dobro quando comparada a Condição Inicial, ocorrendo na região próxima a parede do Data Hall, local identificado como mais crítico do ponto de vista da temperatura de admissão dos equipamentos de TI na Figura 5 – Condição Inicial .
Nas iterações seguintes os ajustes de placas de piso, seja no layout, no percentual de abertura ou no uso de placas com ventilação forçada e o uso do confinamento de corredor foram realizados sempre com o objetivo de diminuir os hotspot remanescentes identificados nas imagens da Figura 5.
Por fim na 4ª Iteração, simulação final em que todos os hotspots foram mitigados, é possível observar que a região à direita do ambiente, onde há maior concentração de carga e, portanto, mais demanda de ar frio, apresenta placas de piso com maior vazão, proporcionando assim maior disponibilidade de ar e garantindo os parâmetros operacionais desejados para os equipamentos de TI.
Considerações finais
O processo iterativo, aliado a simulação computacional de dinâmica dos fluidos (CFD) se mostra como uma importante metodologia a ser aplicada às operações de Data Centers com piso elevado.
Esta ferramenta nos ajuda a realizar uma avaliação progressiva de melhorias, obtendo de maneira assertiva a melhor performance de cada solução. Devido à complexidade e peculiaridade de cada ambiente, diversos elementos podem ser testados, entre eles, grelhas de retorno, rede de dutos, parâmetros operacionais dos climatizadores (vazão, temperatura de insuflamento, equipamentos operantes e desligados), layout de equipamentos, interferências entre outros elementos.
Dessa forma, extraímos previamente o máximo de performance de cada solução e com isso são evitados gastos de recursos com a implementações de soluções pouco eficazes.
Além disso, conseguimos minimizar o risco à operação do ambiente, uma vez que, todas as possíveis soluções podem ser validadas antes de serem implementadas, garantindo assim maior confiabilidade e segurança para a operação de um Data Center.
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