Data centers demandam grandes quantidades de energia para manter as condições operacionais ideais, especialmente por operarem de forma ininterrupta. Em um país de clima tropical como o Brasil, o uso de soluções como free cooling se torna indispensável. Essa tecnologia permite uma gestão mais eficaz da temperatura e da umidade interna, tornando data centers mais eficientes e sustentáveis.
O que são Edge Data Centers?
A crescente demanda por serviços digitais tem demandado cada vez mais de Data Centers. Como representam parte vital da infraestrutura de TI, os DC’s têm suportado muito bem as exigências às quais vêm sendo submetidos.
Entretanto, para reduzir custos operacionais e minimizar o impacto ambiental, às vezes é necessária a utilização de Edge Data Centers. Seu objetivo é descentralizar o processamento de dados e permitir a acessibilidade de alguns serviços para toda a população. Impacto ainda mais considerável para os que vivem em regiões menos povoadas e distantes de grandes centros.
Assim, para uma operação eficiente em um país tão extenso como o Brasil, é essencial, a utilização dos Edge Data Centers, de forma a permitir a integração de toda a população com o sistema central de algumas empresas.
E o free cooling é uma solução promissora para mitigar o consumo de energia e otimizar a utilização de recursos nestes Data Centers, como veremos a seguir.
Nosso estudo de caso de free cooling
Neste estudo de caso, elaborado em parceria entre a CLARO e a ZIENZ, exploramos as vantagens da implementação de sistema de free cooling em um Edge Data Center (Projeto Piloto) versus o sistema convencional.
Este estudo, em sua primeira fase, poderá ter sua implementação em cerca de 70 sites operacionais da região sul do país. Posteriormente, pode alcançar maior aplicabilidade e economia energética e de recursos pode ser implantado em mais de 1000 sites em todo o país.
Todas as análises foram embasadas no desempenho energético da edificação ao longo das 8760 horas do ano. Nosso objetivo é destacar economias energéticas e os benefícios associados à implementação de free cooling no sistema de climatização.
Estrutura do Data Center
O Data Center fica localizado em Florianópolis/SC e tem estrutura de aproximadamente 37 metros quadrados. Ele possui dois equipamentos de climatização que podem operar individualmente e em revezamento ou simultaneamente e de forma paralela. Com o objetivo final de manter a temperatura interna do ambiente em até 25 ᵒC.
Além disso, os equipamentos de climatização adotados possuem capacidade térmica nominal individual de 17585 W, COP de 2,86 e fator de calor sensível de 0,78.
Quando em operação, os climatizadores podem operar com suas serpentinas ligadas, insuflando ar no ambiente a 15,5 ᵒC, ou em modo somente de ventilação, insuflando ar no ambiente com a mesma temperatura de retorno do ar.
As simulações
Foram desenvolvidos dois cenários para o modelo computacional de simulação termoenergética: um cenário com operação convencional e outro com implementação do free cooling.
Ambos possuem a mesma envoltória e características construtivas, mas se diferem quanto à operação dos sistemas de climatização.
Para entender as possibilidades, realizamos o CFD (Simulação de Dinâmica dos Fluidos Computacional) para determinar os limites operacionais internos do Data Center.
A estrutura do Edge Data Center analisado
Devido à disposição e a carga interna do ambiente, verificou-se que a temperatura de insuflamento de até 23ºC é ideal para operação segura do site. Assim, o sistema de free cooling é ativado quando a temperatura externa é igual ou inferior a 23 °C e a umidade relativa do ar externo não ultrapassa 80%.
Durante esse período, o ar externo é insuflado diretamente para o Data Center, eliminando a necessidade de climatização por sistemas mecânicos.
Ressaltamos que a temperatura operacional de até 23°C, interna ao ambiente, é favorável para aplicabilidade deste tipo de solução nas diversas regiões do país. Isto maximiza o potencial de ganhos tanto nas regiões com clima mais frio quanto nas regiões com clima mais quente.
Para ambos os cenários, a carga de iluminação é de 423 W, a carga de equipamentos internos é de 6100 W e não são consideradas pessoas internas ao ambiente. Ainda, foram utilizados materiais convencionais de ambientes construídos em alvenaria para determinar as características construtivas do ambiente.
A Figura 1 mostra a geometria desenvolvida para o ambiente e utilizada em ambos os cenários.
Analisando o clima da cidade
Para demonstrar os benefícios do free cooling, foram realizadas simulações termoenergéticas anuais considerando as condições climáticas da capital catarinense.
Inicialmente, verificamos que em 1860 horas do ano (21,23 % das horas totais do ano) ocorrem temperaturas de bulbo seco externas de até 23 °C e umidade relativa do ar externo de até 80 %.
Assim, utilizamos o percentual de 21,23 % como alvo de economia para o ambiente como um todo. A Figura 2 mostra a carta psicrométrica de Florianópolis com distribuição horária anual do arquivo climático em pontos.
Vamos ver como os dois cenários de simulação se saíram?
Cenário 1: Operação Convencional
As simulações realizadas para o cenário convencional indicam que a edificação opera de forma menos sobrecarregada e mais eficiente durante os meses mais frios do ano (junho, julho e agosto especialmente). Período em que os equipamentos de climatização são menos demandados.
A Figura 3 mostra o percentual de utilização de cada um dos equipamentos para o cenário com sistema convencional de climatização ao longo do ano.
Neste gráfico, notamos que, na maior parte do ano, a operação com apenas um equipamento de climatização ligado não é suficiente. Por isso é necessário, especialmente nos meses mais quentes do ano, a operação com ambos os equipamentos de climatização ligados, ainda que um destes opere ciclando.
Além disso, observamos que a temperatura interna ao Data Center não ultrapassou 23 °C e que a umidade interna do ambiente se manteve praticamente constante ao longo do ano. Isso se deu devido a inexistência de carga térmica latente no ambiente.
A Figura 4 mostra a operação do Data Center analisado durante um dia.
Por fim, avaliamos o consumo anual de energia da edificação para o cenário com o sistema de climatização convencional que obteve o consumo de 281.866,67 kWh-ano.
Cenário 2: Operação com free cooling
Para a análise do cenário com free cooling, foram mantidas todas as características construtivas da edificação. A única alteração foi relativa aos controles do sistema de ar-condicionado que passam a operar com 100% de ar externo. Momento este quando as condições estipuladas para operação com free cooling são atendidas.
A Figura 5 mostra a evolução de temperatura exterior, à esquerda, e a evolução de umidade relativa do ar externo, à direita, para todo o ano na cidade de Florianópolis.
Além disso, a Figura 6 mostra a operação percentual de cada uma das serpentinas dos equipamentos de climatização do cenário com implementação de free cooling ao longo do ano.
Conseguimos verificar que a serpentina é, de modo geral, muito menos demandada (redução de cerca de 40%). Uma vez que, em diversos momentos do ano, o sistema opera somente com o ventilador do equipamento ligado, admitindo 100% de ar externo e expurgando 100% do ar de retorno.
Em alguns outros momentos, mesmo que a condição externa não seja satisfatória para operação com free cooling ativo, o sistema opera apenas ventilado. Ou seja, sem admitir ar externo ou expurgar ar. Com o objetivo de circular o ar gelado dentro da sala e atender a demanda dos equipamentos de TI.
Além disso, observamos que a temperatura interna ao Data Center oscilou muito mais ao longo do ano. Uma vez que quando as condições para operação com free cooling são atendidas, a temperatura interna para este caso de avaliação, pode ser reduzida tal qual a temperatura exterior.
Por fim, foram analisadas a operação dos ventiladores, das serpentinas e das condições climáticas exteriores e internas ao ambiente, em conjunto. A Figura 8 mostra a operação do sistema de climatização com free cooling durante um dia.
Finalmente, o consumo anual de energia da edificação para o cenário com free cooling foi de 231.041,67 kWh-ano. O que resultou em uma economia média de 18,03% no consumo de energia anual, se comparado com o cenário convencional.
Quais foram as conclusões do método Free Cooling para a Claro?
Concluindo, a implementação de free cooling se mostrou uma solução eficaz para melhorar a eficiência energética do site, reduzir custos operacionais e diminuir o impacto ambiental.
Não podemos deixar de lado que, por se tratar de ambiente do tipo Edge Data Center existe grande probabilidade de que a solução possa ser aplicada em diversos sites, o que potencializa o impacto da solução.
Em estimativa, a aplicação da solução em cerca de 70 sites da primeira fase do estudo pode gerar uma economia de mais de 1.000 MWh por ano para a Claro.
Além disso, para aproveitar o clima ameno da região, os gestores de Data Centers podem alcançar economias significativas ao longo do ano. Considerando as pressões atuais para reduzir o consumo de energia e as emissões de carbono, o free cooling se torna uma opção atraente para as instalações de data center em locais com climas semelhantes.
Por fim, a economia vai além do âmbito energético e financeiro, mas também reflete em economia global ao se considerar:
- O menor desgaste dos equipamentos de climatização já que a redução da carga de trabalho dos sistemas de climatização tende a prolongar a vida útil desses equipamentos, reduzindo possíveis necessidades de substituição e/ou manutenção;
- Menor impacto ambiental, uma vez que reduzir a demanda de energia no Data Center diminui a pegada de carbono, apoiando metas de sustentabilidade e responsabilidade ambiental.
Tem interesse em conhecer mais sobre as soluções da ZIENZ e como podemos, juntos, trazer mais eficiência para seu Data Center?