Data centers são ambientes críticos que demandam consideráveis quantidades de energia para manter as condições operacionais ideais, especialmente por operarem ininterruptamente. Em um país de clima tropical como o Brasil, especialmente nas cidades mais ao sul do país, a gestão eficaz da temperatura e da umidade interna do ambiente de modo a tornar o empreendimento mais eficiente torna-se promissora.

A crescente demanda por serviços digitais tem demandado cada vez mais de Data Centers, que representam parte vital da infraestrutura de TI, e estes tem suportado muito bem as exigências as quais vêm sendo submetidos. Entretanto, para reduzir custos operacionais e minimizar o impacto ambiental, muitas das vezes faz-se necessária a utilização de Edge Data Centers, de forma a descentralizar o processamento de dados e permitir a acessibilidade de alguns serviços para toda a população, especialmente para os que vivem em regiões menos povoadas e distantes de grandes centros. Assim, para a operação eficiente em um país tão extenso como o Brasil, é fundamental, e até essencial, a utilização dos Edge Data Centers, de forma a permitir a integração de toda a população com o sistema central de algumas empresas.

Nesse contexto, o freecooling, especialmente para regiões mais favoráveis para esta implementação, se apresenta como uma solução promissora para mitigar o consumo de energia e otimizar a utilização de recursos.

Este artigo, explora as vantagens da implementação de sistema de freecooling em um Edge Data Center (Projeto Piloto) de aproximadamente 37 metros quadrados, localizado na capital catarinense, comparando-o com o sistema convencional de climatização. O estudo em questão ainda em sua primeira fase poderá ter sua implementação em cerca de 70 sites operacionais da região sul do país. Em posterior momento, 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, com objetivo de destacar as economias energéticas e os benefícios associados à implementação de freecooling no sistema de climatização.

Foram desenvolvidos dois cenários para o modelo computacional de simulação termoenergética. Ambos possuem a mesma envoltória e características construtivas, mas se diferem quanto a operação dos sistemas de climatização.

No cenário convencional de operação, o Data Center possui dois equipamentos de climatização, que podem operar individualmente e em revezamento ou simultaneamente e de forma paralela a fim de manter a temperatura interna do ambiente em até 25 oC. 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.

No cenário com freecooling, as condições de operação mudam consideravelmente. Para tanto, foram realizadas simulações de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) para determinar os limites operacionais internos do Data Center. Para o site em questão, 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 freecooling 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. Quando o freecooling não é ativado, as unidades de ar-condicionado operam tal qual no cenário convencional.

Ressalta-se que a temperatura operacional de até 23°C, interna ao ambiente, é favorável para aplicabilidade deste tipo de solução nas diversas regiões do país, maximizando 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.

Para demonstrar os benefícios do freecooling, foram realizadas simulações termoenergéticas anuais considerando as condições climáticas de Florianópolis, SC.

Inicialmente, ao analisar o arquivo climático foi possível verificar 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, o percentual de 21,23 % passou a ser o percentual 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.

As simulações realizadas para o cenário convencional de climatização indicam que mesmo com este sistema a edificação opera de forma menos sobrecarrega e mais eficiente durante os meses mais frios do ano (junho, julho e agosto especialmente). É notório que a carga térmica oriunda da envoltória é menor nos meses mais frios e consequentemente, os equipamentos de climatização são menos demandados nesse período. 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.

Ainda sobre a Figura 3, é possível notar que na maior parte do ano a operação com apenas um equipamento de climatização ligado não é suficiente, sendo 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, foi possível observar que a temperatura interna ao Data Center não ultrapassou 23 °C ao longo do ano e que a umidade interna do ambiente se manteve praticamente constante ao longo de todo o ano devido a inexistência de carga térmica latente no ambiente. A Figura 4 mostra a operação do Data Center analisado para um dia específico do ano.

Por fim, avaliou-se o consumo anual de energia da edificação para o cenário com o sistema de climatização convencional e obteve-se o valor de 281.866,67 kWh-ano.

Para a análise do cenário com freecooling, foram mantidas todas as características

construtivas da edificação com a única alteração dos controles do sistema de ar-condicionado, que passam a operar com 100 % de ar externo quando as condições estipuladas para operação com freecooling 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.

A Figura 6 mostra a operação percentual de cada uma das serpentinas dos equipamentos de climatização do cenário com implementação de freecooling ao longo do ano. Nesta, é possível verificar que a serpentina é, de um 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 freecooling ativo, o sistema opera apenas ventilado (sem admitir ar externo ou expurgar ar), de forma a circular o ar gelado dentro da sala e atender a demanda dos equipamentos de TI.

Além disso, foi possível observar que a temperatura interna ao Data Center oscilou muito mais ao longo do ano, uma vez que quando as condições para operação com freecooling são atendidas a temperatura interna para este caso de avaliação, pode ser reduzida tal qual a temperatura exterior. A Figura 7 mostra a temperatura interna do Data Center analisado para ao longo do ano.

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 freecooling para um dia específico do ano.

Finalmente, avaliou-se o consumo anual de energia da edificação para o cenário com freecooling e obteve-se 231.041,67 kWh-ano. Portanto, pode-se calcular a economia geral da edificação quando cada um dos sistemas é implementado, indicando economia de energia considerável quando o sistema de freecooling é implantado, que resultou em uma economia média de 18,03% no consumo de energia anual.

Assim, a implementação de freecooling em um Data Center em Florianópolis-SC, representa uma solução eficaz para melhorar a eficiência energética do site, reduzir custos operacionais e diminuir o impacto ambiental. Ainda, não se pode 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 torna o impacto da solução mais significativo. 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.

Ao 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 freecooling se torna uma opção atraente para as instalações de data center em locais com climas semelhantes.

Ainda, ressalta-se que a economia não é apenas no 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 destes;
• Que a redução do consumo energético se traduz em economia de custos operacionais substanciais, contribuindo para a sustentabilidade financeira do data center;
• 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.

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Estaremos no DCD>Connect | São Paulo, que ocorrerá nos dias 7 e 8 de novembro de 2023. Será um prazer compartilhar informações e conhecimentos para aplicação das melhores soluções de eficiência energética para seu Data Center.