Ahorro de energía con cableado en altura en centros de datos

Ahorro de energía con cableado
en altura en centros de datos
Documento Técnico 159
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Por Victor Avelar
> Resumen Ejecutivo
Colocar los cables de alimentación y de datos de un
centro de datos en bandejas de cableado en altura en
vez de ponerlos debajo del pisos elevados puede tener
como resultado un ahorro de energía del 24%. Los pisos
elevados llenos de cables y otras obstrucciones pueden
dificultar el suministro de aire frío a los racks. Los
orificios para cables en los pisos elevados necesarios
para proporcionar acceso a los cables hasta los racks
y las PDU producen una fuga de aire frío de un 35%.
Debido al bloqueo de los cables y a los problemas de
fugas de aire, será necesario aumentar la potencia de
los ventiladores, obtener unidades de enfriamiento de
tamaño excesivo, aumentar la potencia de la bomba
y disminuir los puntos de referencia de enfriamiento.
Este documento resalta estos problemas y cuantifica
el impacto energético.
by Schneider Electric. Los Documentos técnicos ahora forman parte de la
biblioteca de Schneider Electric producido por el centro de investigación científica
para Centros de Datos de Schneider Electric
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Contenido
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Introducción
2
Derroche de energía debido al
cableado debajo del piso
2
Ahorros de energía a partir del
cableado en altura
4
Bandejas para cables
modulares
6
Conclusión
8
Recursos
9
Ahorro de energía con cableado en altura en centros de datos
Introducción
Aunque no se considera una práctica recomendada desde un punto de vista de eficiencia
energética, un método común para enfriar los equipos de un centro de datos es utilizar un
piso elevado como una cámara para la entrega de aire frío a las entradas de aire de los
servidores. El aire frío se forza por debajo del piso mediante ventiladores al interior de las
unidades manejadoras de aire. Sin embargo, este método no es la única opción. Muchos
centros de datos nuevos hoy en día renuncian al gasto del piso elevado y colocan los
equipos sobre piso sólido. Enfrían los servidores usando aire acondicionado en altura por
hilera con contención de pasillo caliente. El enfoque de piso sólido obliga también a colocar
los cables en altura y muchos centros de datos ya se han acostumbrado a trabajar con esta
modalidad.
En ambos casos, los propietarios de los centros de datos tienen que solucionar el problema
de cómo tender los cables de alimentación y de datos. Los centros de datos que dependen
de una distribución del enfriamiento de piso elevado muchas veces tienden a usar el cableado
de alimentación y de datos de red debajo del piso elevado. Este cableado posteriormente se
lleva a los racks de TI individuales a través de los orificios para cables que se encuentran en
la parte posterior de cada rack. Estos orificios para cables permiten que el aire frío evite las
entradas de aire de los servidores de TI ubicadas en la parte delantera de los racks y se
mezcle con el aire caliente de la parte posterior de los racks. Esta práctica de diseño puede
dar lugar a concentraciones de calor, pisos con cámaras obstruidas y una reducción general
de la eficiencia del sistema de enfriamiento.
Este documento analiza el efecto que tiene el cableado por debajo del piso en la refrigeración
y en el consumo eléctrico y concluye que la decisión de colocar el cableado de alimentación
y de datos de red en bandejas para cables en altura puede disminuir el consumo de
energía del ventilador de enfriamiento y de la bomba en un 24%.
Derroche de
energía debido
al cableado
debajo del piso
El cableado por debajo del piso contribuye a la pérdida de energía de tres formas:
• Bloqueo del aire debido a los cables
• Aire que se desvía por los orificios para cables del rack
• Aire que se desvía por los orificios de la unidad de distribución de energía (PDU)
Bloqueo del aire debido a los cables
Cuando se agregan cables de red o de alimentación nuevos debajo del piso, los cables
antiguos sin usar rara vez se extraen para hacer espacio. Por el contrario, los cables
se dejan intactos para minimizar el riesgo de que se produzca tiempo de inactividad.
La acumulación de cables provoca bloqueos en el flujo de aire, lo que contribuye a la
formación de concentraciones de calor en el centro de datos (consulte la Imagen 1).
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Ahorro de energía con cableado en altura en centros de datos
Imagen 1
Los cables que se
encuentran debajo del piso
obstruyen el flujo de aire en
la cámara de distribución
de aire del piso elevado
Una solución común es agregar más unidades de aire acondicionado, que no se destina
a la capacidad de refrigeración, sino para obtener una mayor potencia del ventilador y así
aumentar la presión estática a fin de superar los bloqueos que se producen debajo del piso.
Con el tiempo, el piso elevado oculta la acumulación de los cables. En contraste, el cableado
en altura es visible y ofrece más probabilidades de que se pueda mantener y administrar
correctamente con los años.
“
Cuando se agregan
cables de red o de
alimentación nuevos debajo
del piso, los cables antiguos
sin usar rara vez se extraen
para hacer espacio. Por el
contrario, se dejan intactos
para minimizar el riesgo de
que se produzca tiempo de
inactividad.
”
Aire que se desvía por los orificios para cables del rack
El cableado por debajo del piso requiere que los cables salgan por las losas del piso
y la parte inferior del rack. Los orificios para cables en la losa miden aproximadamente
20 x 20 cm (8 x 8 pulgadas) y solo se llenan parcialmente con el cableado. Por lo general,
el espacio restante se deja abierto, lo que permite que el aire frío ingrese al pasillo caliente
(suponiendo un diseño de pasillo caliente/frío).
El pasillo caliente debe ser el espacio por donde el aire más caliente del centro de datos
se devuelve a la unidad manejadora de aire de la sala de cómputo (CRAH). El aire frío que
entra al pasillo caliente disminuye la temperatura del aire de vuelta a la CRAH, lo que disminuye
su capacidad de eliminar el calor. Por ejemplo, una unidad de CRAH con aire de retorno
a 27 °C (80 °F) proporciona 70 kW de capacidad de extracción de calor. Sin embargo, una
temperatura de aire de retorno de 22 °C (72 °F), la capacidad de extracción de calor disminuye
a 43 kW. La capacidad que se pierde debido al aire que se desvía puede crear concentraciones
de calor que, en ocasiones, se pueden abordar agregando más unidades de CRAH.
Aire que se desvía por los orificios de la Unidad de Distribución
de Energía (PDU)
Muchas PDU se configuran con cuatro paneles de 42 posiciones, lo que significa que
se pueden distribuir hasta 168 circuitos individuales a los racks de TI. Además de estos
conductores, los conductores de alimentación del PDU que soj de mayor calibre.
2
La instalación y extracción de estos conductores requiere una abertura de 0,8 a 1,5 m
2
(9 a 16 pies ) debajo de la PDU. Este aire que se desvía desde los conductores tiene el
mismo efecto negativo en la eficiencia del sistema de refrigeración que el aire que se les
día por los orificios para cables del rack (consulte la Imagen 2).
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Racks informáticos
Imagen 2
Los orificios y las losas
de piso faltantes son las
principales fuentes de
escape del aire frío
Ahorros de
energía a partir
del cableado en
altura
Se necesitan recortes de piso
elevado para las conexiones del
conductor de entrada de la PDU
Los ahorros en energía que se atribuyen al cableado en altura se derivan a partir de las
menores pérdidas por el ventilador y menores pérdidas por la bomba. También se pueden
realizar ahorros en el costo de energía de la planta de enfriamiento (Chiler) cuando se
aumenta la temperatura del suministro de agua fría. Se modeló un centro de datos hipotético
para evaluar los ahorros que se producen al cambiar los cables de alimentación y de red
a bandejas de cableado en altura. Las suposiciones que se usaron para el análisis incluyen
los siguientes puntos:
• Capacidad del centro de datos: 1 MW
• Sistema de enfriamiento: agua helada
• Ventiladores CRAH con velocidad constante
• Temperatura de entrada al rack con cableado debajo del piso: 18 °C (65 °F)
• Temperatura de entrada al rack con cableado en altura: 20 °C (68 °F)
• Densidad promedio del rack: 2 kW/rack
• ΔT del equipo de TI: 11 °C (20 °F)
• Cantidad de racks de TI: 500
• Área promedio del orificio para cables por rack: 0,03 m2 (0,33 pies2). Es una medida
prudente, debido a que el orificio para cables de 8"x8" se llena con solo unos cables
• Área total del orificio para cables del rack: 15 m2 (167 pies2)
• Flujo de aire mínimo requerido para TI: 56.652 L/s (120.038 CFM)
• Circulación de aire caliente: 5% de flujo de aire requerido para TI
• CFM promedio en la parte delantera de cada rack: 113 L/s (240 CFM)
• Área abierta de 25% de losa perforada abierta: 0,09 m2 (1 pie2)
• Velocidad promedio en la parte delantera de cada rack: 73 m/minuto (240 pies/minuto)
En este análisis, se asume que un centro de datos de 1 MW con una carga de un 100% tiene
500 racks de TI a una densidad de alimentación promedio de 2kW/rack. La Tabla 1 muestra
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el área calculada del espacio para orificio de la losa abierta y la fuga del aire asociada como
porcentaje del flujo de aire total de TI requerido. Es evidente que los orificios para cables detrás
de los rack de TI aportan la mayor cantidad de escape de aire frío en los centros de datos con
enfriamiento porpiso elevado.
Tabla 1
Espacio para orificio en losa
con cableado debajo del
piso frente a cableado en
altura como % del flujo de
aire total de TI requerido
Ubicación
Debajo del piso
m2
% de
(pies2)
fuga
En altura
m2
% de
(pies2)
fuga
Detrás de los
racks de TI
15 (167)
33%
0 (0)
0%
Debajo de las
PDU
2 (20)
4%
0 (0)
0%
Detrás de las
CRAH
8 (88)
18%
6 (65)
13%
25 (274)
55%
6 (65)
13%
Total
Tender el cableado de potencia y de datos en altura reduce la fuga total de aire a un 13%.
Esta importante reducción en la fuga provoca el aumento de las temperaturas de retorno de
la CRAH, lo que posteriormente aumenta la capacidad de enfriamiento de cada CRAH individual
y que, finalmente, reduce la cantidad de unidades CRAH que se necesitan. La Tabla 2
muestra las condiciones de diseño modeladas para escenarios de cableado debajo del piso
y en altura. Las temperaturas del aire de entrada al rack y el aire de suministro y retorno de
la CRAH se basan en ecuaciones de equilibrio de energía que representan las fugas de aire
caliente y aire frío. En este análisis, la cantidad de unidades CRAH se redujo de 42 a 31.
Esto deriva un ahorro estimado de un 24% en la alimentación de ventiladores y bombas.
Este análisis no incluye la ventaja de menos bloqueos de aire debajo del piso elevado.
La extracción del cableado abandonado debajo del piso habría aumentado los ahorros en
energía afirmados anteriormente. Además de los ahorros en energía, se producen importantes
ahorros de costo de capital al prever el costo de 11 unidades CRAH adicionales, un ahorro
estimado de $90.000. Por último, el análisis supuso el uso de la misma temperatura del
suministro de agua helada para ambos escenarios. En casos donde la la planta de enfriamiento
esta dedicada al centro de datos, la temperatura del agua helada se puede aumentar, y de
ese modo se aumentan aún más la eficiencia del enfriador y los ahorros globales.
Debajo del
piso
En altura
Aire de entrada al rack
18,3 °C (65 °F)
20,0 °C (68 °F)
Tabla 2
Aire de suministro de la
CRAH
17,7 °C (64 °F)
19,4 °C (67 °F)
Resumen de los resultados
del análisis
Aire de retorno de la CRAH
23,0 °C (73 °F)
29,6 °C (85 °F)
Delta T de la CRAH
5,3 °C (9 °F)
10,2 °C (18 °F)
42
31
Consumo de energía del
Consumo de energía de la
bomba
160 kW
118 kW
20 kW
19 kW
Total de consumo de
180 kW
137 kW
Cantidad de unidades CRAH
% de ahorro de energía
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24%
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Bandejas
para cables
modulares
Incluso el cableado en altura puede desarrollar el problema de "spaghetti" de cables: una
gran masa de cables entrelazados. Cuando esto ocurre, no se puede tender cableado nuevo
porque es imposible extraer el cable “muerto” de la pila de cables existentes. La bandeja
para cables comienza a encorvarse por el peso de los cables y esto aumenta el riesgo de
que se produzca una falla en el funcionamiento del equipo.
Por ejemplo, considere una fila de racks llena de servidores y de equipo de red. Los cables
conectados a los paneles y los servidores se tienden encima de los racks en las bandejas.
Cuando se interrumpe un contacto, se pierde la conexión entre dos puntos. Cuando sucede
esto, es imposible encontrar o quitar el cable defectuoso porque es difícil localizar dicho
cable dentro de la masa de cables enredados. En estos casos, muchas veces se tiende
cable nuevo entre los dos puntos, pero el cable antiguo y defectuoso se deja en el interior.
Con el paso del tiempo, este montón de cables representa el 80% de los cables inactivos
que se dejan instalados, mientras que la cantidad total de los cables aumenta.
Gradualmente, los soportes de la bandeja para cables no pueden sostener la carga en
aumento, por lo que se deben instalar más soportes. Además, no se deja espacio debajo
del cielo raso debido a que todos los conjuntos de cables se tienden en un nivel.
La solución a este dilema es organizar los cables en bandejas que se monten en diferentes
niveles (consulte las Figuras 3 y 4). La organización en bandejas para cables en varios
niveles permite al personal del centro de datos clasificar los cables y planificar su ubicación,
integración y retiro de manera continua. Si se debe extraer un cable "muerto", este no estará
enredado ni enterrado. Será más fácil extraer el cable desde un solo conjunto pequeño.
A medida que el centro de datos cambia, entran y salen equipos y se agregan componentes
nuevos. Estos cambios producen modificaciones frecuentes en los cables. Por lo tanto, es
importante que el sistema de bandeja para cables se diseñe para adaptarse a esos cambios.
La nueva infraestructura de la bandeja debe ser compatible e intercambiable con el sistema
antiguo. El sistema de bandejas en altura tiene que ser lo suficientemente flexible para que
pueda transformarse sin ningún cambio fundamental en el sistema original.
Imagen 3
Las bandejas para cables
modulares permiten
la colocación en capas de
los cables, lo que permite
su mantenimiento con
mayor facilidad
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Imagen 4
Ejemplo de bandejas para
cables en diferentes
niveles
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Ahorro de energía con cableado en altura en centros de datos
Conclusión
Se produce un derroche de energía significativo en los centros de datos cuando la congestión
de cables forma bolsas de aire debajo del piso elevado y las penetraciones de cables en
las losas del piso elevado permiten que el aire frío escape y se mezcle con el aire caliente.
El modelado y el análisis demuestran que la decisión de colocar el cableado de datos de red
y de alimentación en bandejas para cables en altura puede reducir el consumo de energía de
los ventiladores de refrigeración y las bombas en un 24%.
Es posible tender cables en altura y de ese modo ahorrar energía y mejorar la confiabilidad
a través de mejores prácticas de mantenimiento de los cables. El tendido de cableado
estructurado y de alimentación en bandejas para cables en altura ofrece varios beneficios.
Las cámaras en los pisos elevados ofrecen menos resistencia al flujo de aire si están libres
de cables, por lo tanto, se produciría menos fuga de aire porque el piso elevado no tendría
orificios diseñados para acomodar el cableado. Como resultado, se necesitaría menos
energía para que el ventilador enfríe los servidores. La decisión de colocar los cables en
altura proporciona también una razón menos para absorber el importante costo que tiene
el piso elevado.
La tecnología de bandejas para cables en altura ha tenido avances en los últimos años.
Estos sistemas son ahora modulares y mucho más flexibles para dar lugar a entornos de
centros de datos dinámicos. Algunas de las prácticas acertadas en cuanto a la administración
de cables incluyen la implementación de sistemas de bandejas para cables en altura de
varios niveles.
Sobre el autor
Victor Avelar es Analista de Investigación Senior en el Centro de Estudios de Centros de
Datos de Schneider Electric. Es responsable de las investigaciones relacionadas con el diseño
y la operación de centros de datos y brinda asesoramiento a los clientes sobre evaluación de
riesgos y prácticas de diseño para optimizar la disponibilidad y la eficiencia de los entornos de
los centros de datos. Víctor recibió el título de licenciado en Ingeniería Mecánica del Rensselaer
Polytechnic Institute y el título de MBA del Babson College. Es miembro de AFCOM y la American
Society for Quality.
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