Diseño eléctrico de data center con eficiencia energética

El buen diseño eléctrico de un centro de datos admite una mayor eficiencia energética, estabilidad, crecimiento a largo plazo y agilidad empresarial.

Como indica lo siguiente, el diseño eléctrico se ha convertido en primordial en esta ecuación:

• El diseño eléctrico que soporta el crecimiento da a los centros de datos una vida más larga. Muchos de los centros urbanos construidos, incluso hace tan solo 5-10 años, han alcanzado un final prematuro de la vida útil debido a que su infraestructura se vio superada por las demandas de densidad, energía y enfriamiento que no se planificaron.

• Los diseños modulares, desde la subestacion eléctrica hasta los bastidores de servidores, pueden soportar tanto un crecimiento rápido como un cambio rápido, lo que brinda a las organizaciones la agilidad que necesitan para adaptarse a las cambiantes condiciones comerciales.

• La eficiencia del sistema se puede aumentar mientras no se comprenda la disponibilidad mediante un diseño cuidadoso del sistema y la selección de componentes, como la elección de transformadores de alta eficiencia y fuentes de alimentación ininterrumpida (UPS).

• El uso apropiado y la implementación de la redundancia pueden aumentar la eficiencia y reducir los costos de construcción y operación durante el ciclo de vida del centro de datos. Todos quieren un centro de datos de nivel 4, pero existe una ineficiencia operativa y de capital inherente al tener dos sistemas de distribución completos. En su lugar, un diseño eléctrico flexible y modular puede admitir múltiples niveles de Nivel en el mismo centro de datos, permitiendo que el costo del nivel de servicio más alto se gaste solo en los sistemas que lo requieren.

• La medición en los lugares correctos del sistema de distribución eléctrica es una característica clave que se necesita para evaluar las condiciones operativas del sistema y los componentes.

Las buenas prácticas de diseño de medición son imperativas en el centro de datos para evaluar continuamente la eficiencia del centro de datos de la salud del sistema. La medición debe implementarse comenzando en las fuentes de la utilidad y en cascada a través del sistema hasta el nivel de rack.

Diseño Eléctrico Tradicional de Datacenter:

Desde el punto de vista del diseño eléctrico, un centro de datos es una jerarquía de dispositivos eléctricos que transmiten energía desde una fuente de alimentación a racks de servidores. Una o más alimentaciones llegan de la compañía eléctrica antes o después de que sus voltajes se transformen en niveles utilizables. El equipo de conmutación proporciona, entre otras cosas, un punto de desconexión para la alimentación desde la red.

Donde sea necesario, los UPS y los generadores proporcionan energía de respaldo transitoria y de más largo plazo.
Sistemas de distribución de alimentación por conducto y por cable en los centros de datos. Los mecanismos de distribución de energía entregan electricidad a racks y sistemas independientes. Dentro de los racks, los sistemas de distribución más pequeños proporcionan energía a servidores individuales. Este capítulo describe los diversos pasos en la cadena de distribución; el siguiente capítulo describe las formas en que la eficiencia, la modularidad y la flexibilidad se pueden introducir en cada paso.

Potencia de la red y transformador:

La energía de la compañía eléctrica generalmente se entrega a voltajes desde 480 V a 21 kV y más. El primer paso en el proceso de distribución es transformar este voltaje a un nivel que pueda ser utilizado por el equipo del edificio y del centro de datos.

El transformador puede ser propiedad de la empresa de servicios públicos, pero se puede instalar en un pad provisto por el cliente o puede ser propiedad del cliente.

En muchas partes del mundo, un solo transformador reduce el voltaje medio de la red a 400 / 230V, con 230 el voltaje final suministrado al equipo del centro de datos. (La notación de 400 / 230V indica alimentación trifásica donde el primer número indica fase-fase y el segundo número indica fase a voltaje fase-neutro).

En los Estados Unidos, el voltaje se reduce en dos pasos. Un primer paso a 480 / 277V se utiliza para suministrar dispositivos que incluyen equipos de HVAC e iluminación en todo el edificio.

Un segundo paso a 208 / 120V reduce el voltaje al utilizado por los equipos informáticos. Cada vez que se reduce el voltaje, se introducen algunas pérdidas de energía en el sistema de distribución de energía.

Aumentar la eficiencia de la distribución eléctrica en un centro de datos:

Un centro de datos típico puede perder fácilmente el 10 por ciento de su potencia en el sistema de distribución de energía.

Los transformadores, UPS y distribución contribuyen a la pérdida de energía. Usando varias de las técnicas que se analizan en esta sección, se ha reducido la pérdida del sistema de distribución de energía en el centro de datos de la organización de software de Santa Clara, California, de diez porciento aproximadamente el cuatro por ciento de la carga total de las instalaciones del centro de datos.

El cálculo es el siguiente:
800 kW x .06 = 48 kW
48 kW x 8760 horas x $ 0.08 = $ 33,638 US

Un ahorro del seis por ciento puede no parecer particularmente significativo. Considere centros de datos que tiene una carga de TI de 800 kilovatios (kW).

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Reducir los gastos generales en un seis por ciento es un ahorro de 48 kW, o $ 33,638 US por año. Cualquier pérdida debida a la ineficiencia se convierte en calor, por lo que el ahorro es aún mayor cuando se considera que una mayor eficiencia significa que se necesita menos enfriamiento para eliminar ese calor, otra reducción de costos.

Selección de componentes:

La fruta mas baja del árbol y la mas fácil de alcanzar es aumentar la eficiencia del sistema eléctrico con la elección de componentes de alta eficiencia, desde transformadores y UPS hasta fuentes de alimentación del servidor.

Esta elección directa a menudo se pasa por alto debido a los costos iniciales más altos. Sin embargo, si se evalúa el costo total de propiedad, el período de recuperación resulta ser muy corto. Con la tendencia actual de la iniciativa verde, los costos de estos componentes comienzan a disminuir, lo que hace que la decisión sea más fácil de justificar.

Transformadores de alta eficiencia En los Estados Unidos, la mayoría de los centros de datos tienen al menos dos pasos de conversión de energía que requieren transformadores. Los transformadores típicos imponen alrededor de un 3 por ciento de pérdida, haciéndolos alrededor del 97 por ciento mas eficientes.

El uso de un transformador con clasificación NEMA TP1 de alta eficiencia puede aumentar el rendimiento a un rango de eficiencia del 98%. Esto no solo ahorra energía en el sistema eléctrico sino que, dado que todas las pérdidas del transformador se convierten en calor, también reduce las cargas eléctricas de refrigeración de la habitación.

UPS de alta eficiencia:

Hay muchos factores que contribuyen a la eficiencia de los sistemas UPS. Sin embargo, un factor común en la mayoría de los sistemas de UPS es que cuanto mayor es la utilización, más eficientemente operan. Por ejemplo, si observamos una curva de eficiencia de UPS típica, la eficiencia nominal de la unidad generalmente se establece para cargas mayores al 70% de la capacidad.

Debido a los requisitos de redundancia de UPS, el sistema de UPS rara vez se opera en una región tan alta.
El rendimiento del UPS comienza a disminuir cuando las cargas son el 50 por ciento o menos de las cargas nominales. Con alrededor del 30 por ciento de utilización, la eficiencia del UPS disminuye muy rápidamente a medida que se reduce la utilización. Dado que los sistemas de UPS son un contribuyente importante a las pérdidas del sistema eléctrico, es importante asegurarse de que el sistema de UPS esté diseñado para que pueda funcionar a un nivel de utilización más alto y que la eficiencia de la unidad se maximice para las operaciones de diseño esperadas.

Hay muchas topologías de UPS diferentes que se pueden usar en aplicaciones de centros de datos, incluida la doble conversión en línea, la conversión delta y la línea interactiva. En nuestro centro de datos de Santa Clara, elegimos usar un UPS de conversión delta que usa un enfoque modular para soportar los aumentos de capacidad.

Esto nos permite ajustar el tamaño del UPS para las necesidades del primer día y luego hacer crecer el UPS utilizando módulos de potencia de 200 kW a medida que aumenta la carga, todo sin un gasto importante. Esta opción nos proporciona la eficiencia de UPS en el rango del 97 por ciento, que suele ser alrededor de 3 a 4 por ciento mejor que el UPS de doble conversión tradicional.

Alternativas a los UPS basados ​​en baterías:

Las UPS basadas ​​en baterías son costosas de mantener. Las baterías deben reemplazarse con el tiempo, a veces tan temprano como cuando tienen cinco años; las habitaciones deben estar ventiladas para evitar la acumulación de gas hidrógeno; los recipientes de derrame deben estar en su lugar para proteger contra derrames de ácido; y los UPS basadas ​​en baterías toman una cantidad significativa de espacio.

Las baterías tampoco son muy amigables con el medio ambiente y requieren controles sobre los materiales peligrosos tanto al manipularlos como a su eliminación.

Un enfoque de bajo mantenimiento y más respetuoso con el medio ambiente utiliza la inercia de rotación de un volante para generar electricidad durante la brecha entre un corte de energía y el arranque del generador. Hay dos enfoques comunes para UPS rotacional:

• El enfoque tradicional utiliza una topología típica de UPS, como un modelo de doble conversión o de línea interactiva, que reemplaza las baterías con un volante que almacena energía a través de la inercia rotacional. Cuando se pierde la energía de la red pública, la energía almacenada en el volante impulsa el centro de datos. Puede sustituir directamente un UPS basado en batería dentro de un edificio o centro de datos.

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• Otro enfoque acopla un generador diesel con un embrague de inducción. Cuando falla la energía, el volante gira el generador hasta que el motor diesel arranca y se acelera.

Las UPS basadas ​​en volantes están encontrando una aceptación cada vez mayor en la industria porque reducen en gran medida los costos de mantenimiento y requieren menos espacio en la sala de UPS que los sistemas UPS tradicionales basados ​​en baterías.

La mayor preocupación de los operadores de centros de datos es el tiempo de recorrido relativamente corto que proporciona el volante.

El sistema de UPS con batería normalmente se dimensiona para soportar cargas de 10 a 15 minutos mientras los generadores se conectan. Sin embargo, un generador típico está listo para aceptar la carga completa en 8-10 segundos.

Flywheel UPS o UPS de volante de la serie SG ABB
Flywheel UPS o UPS de volante de la serie SG ABB

Si un generador no arranca en 8 a 10 segundos, generalmente se puede hacer muy poco para repararlo durante los 15 minutos que las baterías pueden suministrar energía. Si bien los UPS rotativa requieren mantenimiento en piezas mecánicas como rodamientos, ocupan mucho menos espacio y mantenimiento que los sistemas de respaldo de batería. El inconveniente actual es que los sistemas de UPS con volante de inercia tienden a tener un costo inicial más alto en comparación con un UPS de batería tradicional. Los costos de mantenimiento reducidos generalmente compensan la diferencia en poco tiempo.

Fuentes de alimentación del equipo:

Las fuentes de alimentación en el servidor, el almacenamiento y los equipos de red también contribuyen a las pérdidas de distribución de energía. Las fuentes de alimentación siempre están dimensionadas para manejar el peor de los casos: un servidor con la memoria máxima, el disco interno y las tarjetas periféricas instaladas y con las CPU y los ventiladores funcionando a plena potencia. Muchos servidores, sin embargo, en realidad operan al 50 por ciento o menos de su potencia de la placa de identificación, un rango en el que, históricamente, los suministros de energía promedio pueden ser relativamente ineficientes.

Con el enfoque actual en la eficiencia energética, los proveedores de servidores, incluido Sun, se esfuerzan por hacer que sus fuentes de alimentación sean más eficientes a bajos niveles de utilización. En los EE. UU., Un programa financiado por servicios públicos llamado «80 Plus» está promoviendo el uso de fuentes de alimentación que sean al menos un 80 por ciento eficientes a 20, 50 y 100 por ciento de su carga nominal.

La mayoría de las fuentes de alimentación en los servidores de Sun superan esta especificación, y algunas de ellas tienen un 93% de eficiencia con una carga del 80%.

Otro tema a considerar es el hecho de que los sistemas con fuentes de alimentación redundantes operan con una carga mucho menor al 50 por ciento, lo que a menudo los coloca en un rango de operación ineficiente. Si la aplicación admitida por los sistemas está diseñada para ser resistente a puntos únicos de falla, entonces se pueden usar servidores con fuentes de alimentación únicas. Esto permite que sus fuentes de alimentación funcionen en una porción mucho más eficiente de su rango operativo.
Independientemente de si se utilizan fuentes de alimentación simples o dobles, se debe tener cuidado para garantizar que cada fuente de alimentación esté conectada a un circuito dedicado.

Características de potencia:

La elección de las características de potencia de una organización (voltajes y CA vs. CC) tiene un impacto en la eficiencia de la distribución de energía del centro de datos.

208V vs. 230V

En los EE. UU., Normalmente reducimos la alimentación de media tensión de la empresa de servicios públicos en dos pasos, utilizando dos etapas de transformadores, hasta 208 / 120V. Otras partes del mundo utilizan voltajes más altos, tales como 230 V monofásicos (línea a neutro), lo que produce algunos beneficios de eficiencia.

El voltaje más alto puede eliminar la ineficiencia de un segundo paso del transformador, y permite el uso de menos cobre, ya que las rutas de distribución internas al centro de datos pueden llevar más energía a un amperaje más bajo.
Prácticamente todos los equipos del centro de datos están diseñados para aceptar un rango de potencia de entrada de 100 a 240 V, por lo que la elección del voltaje a utilizar depende de los niveles de confort y de los códigos eléctricos locales. Si hubiéramos tenido más tiempo para evaluar, probar y revisar el equipo de algunos proyectos cuandose construyo centros de datos como el de California, se podría haber incrementado la eficiencia aún más al implementar 230V en todo el proceso.

Corriente Alterna AC Vs. Corriente continua DC:

Existe una controversia prolongada con respecto a los méritos relativos del uso de DC frente a la alimentación de AC en el centro de datos. El argumento es el siguiente: la DC de (380–575 V) elimina el requisito de grandes cantidades de cobre en el sistema de distribución, haciendo este aspecto competitivo con respecto a la alimentación de AC . El uso de DC en todo el centro de datos elimina tres conversiones de energía AC-DC que se agregan ineficiencia:

El argumento para la alimentación de DC en el centro de datos es que el uso de la alimentación de DC en todo elimina muchas conversiones ineficientes de alimentación de AC a DC.

• 480 VAC se convierte en corriente continua en el UPS para cargar las baterías.
• La energía de la batería se invierte a 480 VAC para alimentar el centro de datos.
• La primera etapa de las fuentes de alimentación del equipo del centro de datos convierte la energía de AC entrante a DC, que luego se regula a los voltajes de DC bajos utilizados en el servidor, el almacenamiento o el equipo de red.

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Junto con un proyecto patrocinado por la Comisión de Energía de California, Sun implementó una prueba de concepto que demostró el ahorro de energía que supone el uso de DC en el entorno del centro de datos.

Sun creó dos centros de datos idénticos, uno con AC y otro con distribución de energía de DC. Se utilizaron equipos disponibles de Sun, Cisco e Intel, con las fuentes de alimentación modificadas a mano para eliminar el circuito de conversión de energía que convierte la alternancia en corriente continua. La energía entrante se rectificó, se distribuyó a 380 VDC y se introdujo directamente en las fuentes de alimentación modificadas. Esta fue solo una demostración de prueba de concepto, ya que las fuentes de alimentación de 380 VDC no están disponibles como productos comerciales. (Sun ofrece equipos con alimentación de 48 VDC a través de su línea de productos Netra ™ diseñada para entornos de portadores de comunicaciones).

Los resultados mostraron una mejora del 2 al 5 por ciento en la eficiencia de la fuente de alimentación, y una mejora de hasta el 10 al 20 por ciento cuando se incluyó en la ecuación el uso de un volante en lugar de un SAI basado en batería.

Creemos que los beneficios demostrados por este experimento son reemplazados por mejoras en la eficiencia del suministro de energía y que son posibles mejoras similares sin el uso de la alimentación de DC. El equipo utilizado en este experimento usaba equipos más antiguos equipados con fuentes de alimentación, donde se podía mostrar una mejora mayor en comparación con las fuentes de alimentación más eficientes de la actualidad.

Otro enfoque que se está discutiendo es el uso del estándar de telecomunicaciones de 48 VDC.

Independientemente de qué enfoque de alimentación de DC se use, vemos algunas desventajas clave:

• El equipo que acepta DC de alto voltaje directamente no está disponible en el mercado hoy en día.
• Hay una selección limitada de equipos que pueden usar 48 VDC.
• Existe una relativa falta de experiencia y comodidad al utilizar la alimentación de DC en el centro de datos. Los sistemas de distribución, las conexiones de alimentación del sistema y los disyuntores son todos diferentes, y todos, desde contratistas eléctricos hasta administradores de sistemas, necesitarían capacitación.
• El mantenimiento y la supresión del arco eléctrico no se han abordado de manera uniforme.
• Para la mayoría de las empresas, la capacidad de aprovechar la tecnología más nueva y mejor para servidores, almacenamiento y redes es clave para mantener una ventaja competitiva. Hoy en día, la elección de la alimentación de DC restringe la elección de equipos de casi todos los principales fabricantes.

Niveles apropiados de redundancia:

La eficiencia de la energía del centro de datos se puede aumentar utilizando la redundancia de manera apropiada.
Primero, elegir un nivel de redundancia que coincida con la misión de la organización, y su nivel de riesgo aceptado, aumenta la eficiencia al reducir la cantidad de equipo redundante que es necesario, y también al reducir las capas de componentes (como UPS) que se agregan ineficientemente. En segundo lugar, la redundancia se puede implementar para que el equipo se utilice en una parte más eficiente de su rango de operación.

Escogiendo Niveles de Tier:

Todos quieren tener un centro de datos de Nivel 4, con dos sistemas completos de distribución de energía, de modo que cualquiera de ellos pueda quedar fuera de servicio sin afectar el tiempo de actividad del centro de datos.

De hecho, la mayoría de las organizaciones solo requieren que una pequeña parte de su centro de datos se construya según las especificaciones del Nivel 4, si es que las hay. El costo de implementar un diseño de Nivel 4 y una operación continua en ese nivel puede ser cinco veces mayor que en una instalación de Nivel 1.

Si bien nuestro enfoque de diseño eléctrico puede admitir cualquier nivel, los centros de datos en Sun se utilizan para el desarrollo interno de productos y generalmente requieren soporte de nivel 1 o nivel 2. Los centros de datos específicos de TI brindan servicios más críticos y, por lo tanto, requieren un nivel de servicio de Nivel 3.

Aquellos que no requieren energía de UPS no lo hacen. Al final, solo aproximadamente el 20 por ciento de los sistemas realmente requieren alimentación de UPS, lo que ayuda a aumentar la eficiencia y reduce significativamente el capital y los costos operativos asociados con la alimentación ininterrumpida.