Nos últimos anos, com a crescente demanda de serviços digitais, o mercado de Data Centers passou por um processo de expansão acelerado. Infraestruturas do tipo Hyper Scale têm surgido como solução para as necessidades de grandes volumes de processamento de dados, utilizando e demandando sistemas cada vez mais eficientes. De um lado os provedores de serviço buscam por infraestruturas que tenha capacidade para densidades de carga cada vez maiores, do outro os provedores de Colocation buscam estratégias para aumento de eficiência energética e de novas soluções para viabilizar a instalação de equipamentos de TI de seus clientes.
Recentemente, um dos principais pontos levantados pelos projetistas e fabricantes de equipamentos do setor foram as limitações da tecnologia atual utilizada para a climatização de ambientes de piso branco. Conforme a carga do ambiente aumenta, o número de equipamentos de climatização e/ou seu tamanho também aumentam, o que limita a compactação dos ambientes de TI, uma vez que os equipamentos são instalados perimetrais às salas.
Até então as soluções de climatização utilizando o ar como meio principal de troca de calor entre os equipamentos de TI e o ambiente externo se mostraram eficientes, no entanto, as tecnológicas de Climatização Direta por Líquido (DLC - Direct Liquid Cooling) aparecem cada vez mais nas discussões sobre o assunto devido à promessa de possibilitarem a utilização de densidades de carga muito superiores as praticadas atualmente, a Figura 1 apresenta exemplos de equipamentos utilizados para cada tipo de solução. Na prática, isso significa que novos a projetos de Data Center Hyper Scale que utilizem a solução de Direct Liquid Cooling com Imersão Total podem ocupar áreas menores, o que diminuiria significativamente os custos de implementação.
Com o intuito de avaliar a viabilidade do aumento de carga com as soluções convencionais de mercado e compará-la com soluções de Climatização Direta por Líquido com Imersão Total, foi desenvolvido um estudo de caso como o auxílio da ferramenta de simulação de dinâmica dos fluidos (CFD), a fim de compreender a eficiência da distribuição do ar no ambiente de TI conforme é aumentada a densidade de carga dos racks.
O ambiente de estudos é um Data Hall com 310m² com que comporta até 160 racks, considerando a estratégia de confinamento de corredor quente e insuflamento direto no ambiente. Os equipamentos de climatização estão instalados em dois corredores técnicos perimetrais, sendo possível a instalação de até 4 equipamentos por corredor técnico. Neste estudo foi considerado o uso de equipamentos do tipo Fan Wall em que cada equipamento de climatização possui a capacidade máxima de 500kW. Desta forma, considerando a topologia N+1, sendo N = 7, a carga máxima de TI é de 3500kW. Na Figura 2 é representada a disposição dos equipamentos na sala, em vista superior, para a solução de climatização a ar.
A primeira análise realizada é em relação à taxa de ocupação, uma vez que a área de piso branco é um recurso valioso e não deve ser desperdiçado. A análise foi feita relacionando a área do Data Hall com área ocupada pelos racks, esta última sendo considerada como a soma das áreas ocupadas pelo conjunto racks, corredores quentes e corredores frios, conforme é alterada a densidade de carga dos racks. Os resultados obtidos são apresentados no Gráfico 1, que correlaciona a taxa de ocupação com a densidade de carga por rack. Em azul é a apresentada a curva referente a ocupação considerada utilizando solução de climatização a ar. A curva laranja representa os dados de ocupação considerando a utilização da tecnologia de Climatização Direta por Líquido com Imersão Total.
A partir do gráfico, observa-se que para a solução de climatização a ar o sistema com densidade de até 22 kW/rack apresenta o maior aproveitamento possível do espaço, ocupando cerca de 80% da área útil da sala. A partir de 22 kw/rack a taxa de ocupação diminui rapidamente, uma vez que é atingido o limite de 3500 kW de carga total, disponível nos equipamentos de climatização, e para aumentar a densidade de carga por rack é preciso reduzir o número de racks instalados no ambiente. Com a densidade de 97 kW/rack e apenas 36 racks no ambiente a taxa de ocupação é de 18%, ou seja,
menos de um quinto da área útil do ambiente é utilizada. Ao comparar a curva azul com a laranja é verificado que a ocupação com a solução DLC utilizada, para a mesma carga total de 3500 kW, é de 52% o que equivale a taxa de ocupação da solução com Fan Coil com densidade de carga de aproximadamente 36 kW por rack.
Sob o aspecto da taxa de ocupação é possível avaliar que a ocupação com densidade média de aproximadamente 22 kW/rack representa o ponto em que se inicia o desperdício de área de piso branco. Quando a densidade de carga atinge valores próximos as 36 kW/rack é possível observar que a taxa de ocupação entre a solução com climatização a ar e por DLC com Imersão Total são equivalentes, o que pode indicar que uma possível transição para essa solução seja interessante sob esse aspecto.
Outro aspecto importante a ser avaliado é em relação a distribuição de ar no ambiente e o comportamento do sistema em relação ao aumento de carga. Resultados obtidos a partir da análise CFD são apresentados na Figura 3 e Figura 4 para o cenário com 22 kW/rack e para o cenário crítico, com densidade de rack de 97 kW.
As imagens mostram que em ambos os casos o sistema com Fan Walls mantém as temperaturas controladas dentro da faixa recomendada. De maneira similar, as linhas que representam o caminho percorrido pelo ar apontam para uma distribuição de ar equilibrada no ambiente, atentando apenas para a elevação de velocidade no início dos corredores frios, especialmente no caso com 97 kW/rack em que foram verificadas velocidades próximas a 10 m/s, enquanto no cenário com 22 kW/rack as velocidades ficam próximas a 3,6 m/s.
Outro ponto a se destacar é em relação à pressão estática dos equipamentos de climatização a ar, que aumentam consideravelmente conforme a taxa de ocupação é reduzida e a densidade de carga por rack é aumentada, o que pode ser um fator fundamental para a viabilidade de soluções com maior densidade de carga.
As análises deste estudo foram realizadas diante do limite tecnológico do setor de climatização, considerando como limite para solução de climatização a ar as dimensões e capacidades dos equipamentos de climatização a ar dos principais fabricantes do mercado. No entanto, é interessante avaliar o comportamento da solução com Fan Wall considerando a carga total no ambiente de 6.000 kW, distribuídos em 160 racks, o que equivale a carga operacional máxima da solução de DLC avaliada, com equipamentos de 100 kW para o mesmo ambiente de 310 m².
Para viabilizar esse cenário de ocupação é proposta a utilização de equipamentos “ideais” com capacidade sensível máxima de remoção de calor de aproximadamente 860 kW e vazão de insuflamento de ar máxima de 230.000 m³/h. Além disso, é importante que os equipamentos consigam trabalhar com uma pressão estática próxima a 180 Pa, valores muito mais elevados quando comparados com os praticados atualmente pelos equipamentos utilizados pelo setor.
Os resultados obtidos para a temperatura na entrada dos racks e para o caminho percorrido pelo ar são apresentados na Figura 5. De maneira similar ao observado nos cenários anteriores, a temperatura na face dos racks ficou dentro da faixa recomendada, assim como o caminho percorrido pelo ar de insuflamento apresentou comportamento equilibrado, salvo pela velocidade observada na entrada dos corredores frios, próxima a 10 m/s. É importante ressaltar que a velocidade encontrada pode ser um fator complicador para que as equipes de operação e manutenção realizem qualquer atividade no interior do ambiente.
Avanços tecnológicos e novas estratégias para melhor aproveitamento e disposição de equipamentos podem resultar na possibilidade de maior adensamento de carga utilizando as soluções já consolidadas pelo mercado. Por outro lado, é possível verificar que o aumento de densidade de carga pode gerar outros fatores complicadores como o aumento de pressão estática de ventiladores e velocidades elevadas no interior do Data Hall. Esses fatores podem levar a uma queda considerável na eficiência do sistema de climatização e maiores custos para operação do Data Center.
Em se tratando de Data Centers em operação, o aumento da densidade de carga é especialmente preocupante, uma vez que os novos equipamentos são, tipicamente, instalados de maneira setorizada e isso pode prejudicar significativamente a distribuição de ar e dificultar, ou até inviabilizar, a operação dentro da faixa de temperatura recomendada pelas entidades de referência. Além disso, alterar toda uma infraestrutura existente para adaptá-la para operar com Climatização Direta por Líquido pode possuir custo elevado. Sendo assim, é essencial que, nesses casos, sejam realizados estudos aprofundados para garantir a segurança operacional do ambiente.
Novas tecnologias, como a Climatização Direta por Líquido (DLC) tem um grande potencial especialmente para aplicações com densidade de carga superiores a 40 kW/rack, podendo até abrigar no mesmo espaço quase o dobro de carga quando comparado com a solução com Fan Walls. Por outro lado, as soluções hoje disponíveis ainda têm margem para abrigar densidades de carga elevadas, principalmente se forem utilizadas estratégias inteligentes com auxílio de ferramentas computacionais para determinar a distribuição de carga ideal aliada a eficiência do sistema de climatização.
