Data Centers Hyperscale sem piso elevado: como obter a melhor eficiência?

Primeiramente é importante falarmos o que são Data Center Hyperscale. Os Data Center Hyperscale são significamente maiores que os Data Center corporativos, e pelo simples fato das vantagens econômicas escaláveis juntamente com uma engenharia customizada, isso tudo faz com que a performance seja maior. 

Essencialmente, Data Center Hyperscale não competem apenas em escala, sozinhos, mas também em uma abordagem alinhada na construção e gerenciamento de sua infraestrutura.

Na prática

 Na Zienz, utilizamos a ferramenta CFD (computational fluid dynamics) para auxiliar nossas análises de ganhos em eficiência energética de forma personalizada por meio de um processo pensado e estruturado para o cliente. Através da simulação computacional é possível obter métricas importantes, que vão muito além do PUE. Nosso processo visa o maior contato com o cliente a cada fase do projeto para que ao final, seja entregue não apenas um relatório, mas a solução de fato.

A seguir, apresentaremos um estudo de caso para evidenciar e discutir alguns resultados que julgamos importantes em projetos de grande escala e sem piso elevado.

Geometria

O ambiente estudado é um Data Center Hyperscale com um Data Hall de aproximadamente 900 m², com pé direito de 4,5 m, sem piso elevado com entreforro de 1,25 m de altura. Os equipamentos de ar-condicionado estão distribuídos em 02 (dois) corredores técnicos.

A climatização é realizada por 20 (vinte) Fan Coils com insuflamento frontal direto no ambiente por aberturas alinhadas com o posicionamento dos Fan Coils. O retorno de ar ocorre pela passagem do ar do corredor quente confinado para o entreforro e após isso, para os equipamentos de ar condicionado por meio de dutos. A operação prevista é em configuração N+1 para cada corredor, ou seja, N+2 para a sala. 

Os Racks previstos estão alinhados em corredores, respeitando a divisão de corredores frios e quentes, sendo que é adotado a estratégia de confinamento de corredores quentes, que são conectados ao entreforro. A carga total prevista é de 3000 kW distribuída em 396 Racks. 

Data Center Hyperscale – Condições de avaliação

Os Racks foram analisados de acordo com os padrões recomendados pela ASHRAE TC 9.9 2015, envelope A1 que recomenda que para o tipo de aplicação em questão a temperatura mínima recomendada na entrada dos equipamentos de processamento é de 18°C e a máxima recomendada é de 27°C. Para o caso específico foi admitido como temperatura máxima de operação o valor de 29°C na face dos Racks.

Cenários avaliados e Análise de Resultados

Para o presente estudo de caso, os cenários avaliados buscam analisar o comportamento do ar para diferentes condições de operação dos equipamentos de ar-condicionado. Dessa forma, não foram avaliadas alterações geométricas e alterações de carga de Racks.

Projeto original

Os resultados apresentados na figura abaixo evidenciam que, em praticamente todas as fileiras, a parte superior dos racks ultrapassaram o limite superior máximo de temperaturas recomendadas pela ASHRAE para a face de admissão dos racks. Neste caso, a temperatura mais alta verificada foi de 29,91 °C.

Analisando os pathlines de insuflamento de ar, apresentados pela figura subsequente, é possível verificar a formação de vórtices na região central dos corredores frios que colaboram com a elevação de temperatura observada na figura anterior. Isso acontece devido à velocidade de descarga do ar dos fan coils estar além da velocidade ideal.

Proposta de alteração do Projeto Original

As primeiras análises dos resultados CFD apresentados apontaram que os parâmetros de entrada da simulação (cargas de racks, temperaturas de insuflamento, vazões, etc) não resultaram em condições operacionais dentro dos valores estipulados como objetivo. 

A primeira proposta de alteração apresentada foi o reposicionamento dos fan coils. Estes foram redistribuídos para otimizar a distribuição de ar nos corredores frios de forma a balancear e manter o fornecimento de ar adequado mesmo em caso de falha de dois equipamentos simultaneamente.

A segunda alteração proposta é referente aos confinamentos de corredores quentes. Com o objetivo de diminuir tanto o volume de ar frio do Data Hall quanto a pressão no interior dos corredores quentes, as paredes de confinamento de corredores foram alongadas, ampliando o volume de ar dos corredores quentes confinados.

Por fim, a última recomendação foi o rebaixamento do pé direito do Data Hall. As alterações podem ser observadas a seguir.

Com essas alterações obtemos melhores condições de operação conforme as imagens a seguir. Praticamente a maior parte dos racks dentro do limite recomendado pela ASHRAE.

 Os pathlines nos mostram que a distribuição ficou mais equilibrada reduzindo a formação de vórtices em alguns corredores.  

Data Center Hyperscale – Conclusões e discussões 

O benefício do aumento do volume do corredor quente com a ampliação dos corredores confinados, o reposicionamento dos climatizadores de ar e o aumento da altura do entreforro resultou na diminuição da temperatura máxima de admissão de ar  dos racks em mais de 2,5°C.

Além das melhorias obtidas, alguns pontos ainda podem ser estudados e melhorados, como a redução da vazão de ar dos climatizadores de ar, por meio da instalação de variadores de frequência nos motores dos ventiladores.

Data Center Hyperscale representam um grande desafio para as equipes de engenharia que buscam soluções robustas, versáteis e eficientes. A utilização de novas tecnologias e estratégias de climatização vem acompanhada de novas necessidades. Sistemas que antes se mostravam adequados para Data Centers de médio e grande porte se mostram ineficientes quando aplicados em Data Centers Hyper Scale. O CFD é uma das ferramentas fundamentais para analisar a fundo o impacto de cada elemento presente no Data hall, antecipar problemas e buscar soluções eficientes.