BR112014028056B1 - Método para operar um centro de dados com uma eficiência de utilidade de energia (eup) de no máximo 1, 3 - Google Patents

Abstract

método para operar um centro de dados a presente invenção refere-se a um método para operar um centro de dados, o qual está adaptado para alojar uma multiplicidade/pluralidade de racks sendo projetada para proporcionar espaço de armazenamento para equipamentos de ti. o centro de dados está equipado com meios de arrefecimento, a fim de proporcionar a dissipação de calor a ser gerado pelo equipamento de ti. o centro de dados operado de acordo com a presente invenção tem uma eficiência de utilidade de energia (eup) de no máximo 1,3, de preferência no máximo 1,2, mais preferida, no máximo 1,15, em particular no máximo 1,1.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um método para operar um centro de dados, o qual está adaptado para alojar uma multiplicidade/pluralidade de racks sendo projetado para proporcionar espaço de armazenamento para equipamentos de TI. O centro de dados está equipado com meios de arrefecimento, a fim de proporcionar a dissipação de calor a ser gerado pelo equipamento de TI.

[002] Na técnica anterior, existem diversas estruturas de construção de dados para alojar uma multiplicidade de racks, cada uma das quais compreendendo espaço de armazenamento para equipamentos de TI.

[003] Centros de dados convencionais mais tipicamente são edifícios, que compreendem um piso falso para uma infraestrutura de computador, que é normalmente alojada em gabinetes de rack de 19". Nos centros de dados convencionais, o resfriamento ainda é realizado pelo ar frio, que é bombeado para os pisos falsos que têm orifícios nos locais apropriados na frente dos racks. Deste modo, o ar frio é fornecido nas entradas de ar dos racks de computador. Esta concepção exige tipicamente o conceito de fluxos de ar guiados, a alimentação de ar frio para os racks e retirar o calor do Equipamento de TI.

[004] O documento WO 2010/000440 revela um edifício do centro de dados do típico do estado da técnica convencional na Figura 1. Este projeto convencional é de alguma forma desfavorável, porque os racks individuais têm de ser projetadas como racks fechadas e o fluxo de ar através dos respectivos racks tem que ser vistoriado e controlado a fim de evitar o bombeamento de quantidades desnecessárias de ar frio a partir do corredor frio. Existem vários conceitos, proporcionando uma regulação do fluxo de ar no corredor frio, de modo que os ventiladores que fornecem o fluxo de ar operam na menor potência possível. O ar quente gerado pelo equipamento dentro do rack é realimentado para trocadores de calor a serem localizados em outro lugar no edifício do centro de dados. O ar aquecido é arrefecido para baixo novamente ou ar fresco é utilizado, a fim de fornecer um fluxo de ar frio.

[005] O estado da técnica, tal como documento WO 2010/000440, descreve o racks resfriados com o uso de água para centros de dados de alta densidade. Na técnica anterior, o calor do equipamento eletrônico é transferido para a água de arrefecimento por meio de trocadores de calor, tal como revelado no documento WO 2010/000440, ou seja, montado nos racks ou nos corredores. Outra técnica anterior usa resfriamento direto do equipamento eletrônico instalado nos racks com água.

[006] Além do típico edifício do centro de dados do estado da técnica convencional, documento WO 2010/000440 divulga uma nova arquitetura eficiente de energia para centro de dados de computador de vários andares usando líquido que faz o arrefecimento da mídia para a dissipação do calor que está sendo gerado pelo equipamento de TI. O chamado conceito Green-IT realizado por documento WO 2010/000440 permite a redução do consumo de energia para o resfriamento. Centros de dados convencionais, muitas vezes, exigem até 50%, e ainda mais, de seu consumo de energia para o resfriamento. O novo conceito de arrefecimento do documento WO 2010/000440 permite que os centros de dados que necessitam de menos do que 10% (PUE parcial <1,1) da sua energia para o arrefecimento.

[007] O centro de dados de computador estacionário de vários andares do documento WO 2010/000440 torna-se uma espécie de ponto de referência para os posteriores conceitos Green-IT para seguir como um desenvolvimento constante para a eficiência energética de centros de dados.

[008] No entanto, os centros de dados de computador estacionários como divulgado no documento WO 2010/000440 exigem uma constante procura de tais centros e, portanto, são considerados como investimentos de longo tempo. Além disso, os centros de dados móveis tornam-se, cada vez mais, atraentes, porque tal contêiner de centro de dados móveis pode ser facilmente instalado no bairro próximo e conter a sua própria infraestrutura para que eles possam ser "ligados", onde o centro de dados de computadores estacionários são subdimensionados e/ou só existem necessidades temporárias.

[009] O projeto dos centros de dados, sejam eles móveis ou fixos, está sujeito a constantes melhorias para otimizar os custos para o resfriamento do equipamento de TI. Ao lado do projeto, os métodos para operar como centro de dados permite melhorar ainda mais para atingir o consumo de energia otimizado para arrefecimento.

[010] Esta invenção é para proporcionar um tal método para operar uma unidade central de dados fixa ou móvel.

[011] Portanto, a presente invenção refere-se a um método para operar um centro de dados, compreendendo: (ii) um edifício para alojar uma multiplicidade de racks (202), cada rack sendo um rack aberto alojando os equipamentos de TI, (iii) os racks (202) sendo um rack aberto alojando equipamentos de TI (200) (iv) os racks (202) compreenderem meios de troca de calor (206, 207) sendo adaptado para transferir o calor gerado pelo equipamento de TI para um refrigerante fluido, o referido meio de troca de calor sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks, (v) pelo menos um primeiro circuito de arrefecimento (203, 204), sendo o dito circuito de arrefecimento um circuito de arrefecimento fechado, o qual está adaptado para abastecer o meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202) com um refrigerante fluido e está ainda adaptado para transmitir o fluido de arrefecimento aquecido para longe dos meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202) através do refluxo do circuito de arrefecimento, (vi) o referido primeiro circuito de arrefecimento (203, 204) a sendo ligado a uma fonte fornecendo frieza, a referida fonte estando localizada fora do espaço que aloja a multiplicidade de racks, (vii) o equipamento de TI (200) localiza-se nos respectivos racks possuindo meios ativos, de preferência ventiladores, para arrefecer as partes do equipamento de TI, de preferência, a CPU e/ou GPU e/ou um hardware de armazenamento, os referidos meios ativos, criando um fluxo de ar (205) no rack para os meios de troca de calor (206, 207), sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks, (viii) os referidos racks (202) não têm quaisquer outros meios ativos, em particular os ventiladores, exceto para aqueles contidos dentro do equipamento de TI acima mencionado, para a criação de um fluxo de ar no rack para o meio de troca de calor, sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks, (ix) o referido edifício alojando a multiplicidade de racks (202) que compreende outros meios ativos, exceto aqueles contidos dentro dos equipamentos de TI acima mencionado (200), para criar um fluxo de ar orientado, (x) pelo menos uma entrada de energia elétrica,

[001] (X) pelo menos um meio para distribuir a energia elétrica a partir da entrada de energia para os racks individuais, permitindo fontes de alimentação redundantes em cada rack,

[002] compreendendo as medidas de (a) fornecimento de um refrigerante fluido a partir da fonte de fornecimento de frio para os meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202) dentro do primeiro circuito de arrefecimento, o referido fluxo de entrada de refrigerante fluido que entra nos meios de troca de calor (206, 207) tendo uma temperatura de 1 K a 5 K, de preferência 1 K a 3 K, mais preferido 1 K para 2 K, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido que sai do meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202), (b) controlar o fluxo do líquido de arrefecimento do fluido no interior do primeiro circuito de arrefecimento (205), que está adaptado para fornecer os meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202) para manter a temperatura do líquido de arrefecimento do fluido que entra nos meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202) (fluxo de entrada), que tem uma temperatura de 1 K a 5 K, de preferência 1 K a 3 K, mais preferido 1 K para 2 K, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido que sai do meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202), (c) transportar o refrigerante fluido aquecido deixando o meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202) (fluxo de retorno) para a fonte de fornecimento de frio, estando a referida fonte situada fora do espaço que aloja a multiplicidade de racks, para remover o calor do refrigerante fluido aquecido a uma temperatura de 1 K a 5 K, de preferência 1 K a 3 K, mais preferido 1 K para 2 K, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido e retornando o refrigerante fluido para, pelo menos, um primeiro circuito de arrefecimento.

[003] A presente invenção proporciona um método para operar um centro de dados, evitando a necessidade de orientar o ar de resfriamento em todos os racks para criar o corredor frio dentro do centro de dados. Os únicos meios ativos são tipicamente ventiladores contidos dentro do equipamento de TI acima mencionado, os quais criam um fluxo de ar (205) na prateleira individual para a troca de calor através do respectivo rack. Estes meios ativos, como ventiladores embutidos no equipamento de TI, normalmente não excedem 10% da energia elétrica do equipamento de TI instalado e operacional.

[004] Enquanto ainda utilizando a presente invenção, pode-se usar meios ativos não-substantivos que não contribuem para o fluxo de ar (205) no rack, por exemplo, instalando ventiladores diferentes daqueles contidas no interior do equipamento de TI acima mencionado. Tal contribuição não substantiva de tais meios ativos adicionais não substantivos fornece no máximo 10% do fluxo de ar (205) gerado pelos meios ativos contidos no interior do equipamento de TI acima mencionado.

[005] A presente invenção proporciona um método para o funcionamento de um centro de dados contendo racks alojando equipamentos de TI. Tais equipamentos de TI incluem todos os equipamentos eletrônicos usados em conexão com equipamentos de TI, o que gera calor durante a operação.

[006] A presente invenção proporciona um método no qual pelo menos um circuito de arrefecimento é operado fornecendo um refrigerante fluido no centro de dados para o arrefecimento. Na presente invenção, a temperatura do refrigerante fluido que entra no centro de dados e a temperatura do refrigerante fluido que entra nos meios de troca de calor (206, 207) é praticamente igual, o que significa que a temperatura do refrigerante fluido que entra no centro de dados é 0.2 K no máximo inferior à temperatura do líquido de arrefecimento do fluido que entra nos meios de troca de calor (206, 207).

[007] Numa concretização preferida, a presente invenção proporciona um método para o funcionamento de um centro de dados, em que a densidade de potência do equipamento de TI nos racks é, pelo menos, 5 kW (elétrica) por rack, mais preferida, pelo menos, 8 kW (elétrica) por rack, mais preferida pelo menos 10 kW (elétrico) por rack. O limite superior para a densidade de potência por rack é principalmente limitado ao espaço disponível no interior do rack. Assim, o limite superior não se limita, por si só e, normalmente, pode chegar a até 1 kW ou 1,5 kW por unidade de altura no rack. Para um rack típico, a densidade de potência por rack equivale até 42 kW (elétrica) por 42 de altura de unidade de rack.

[008] O presente método evita a necessidade de pavimentos falsos utilizados neste contexto, também. Além disso, a invenção tem como objetivo otimizar os requisitos de energia e custos mais organizar os racks de computador mais densamente, a fim de minimizar o comprimento requerido dos cabos de rede e melhorar as capacidades de comunicação do sistema.

[009] O presente método para operar um centro de dados permite que o centro de dados tenha uma estrutura compacta que inclui maiores capacidades escalonáveis e um aumento da densidade de volume. O presente método para operar um centro de dados pode ser usado para centros de dados dispostos bidimensionais, onde os racks estão localizados em um nível, ou para três centros de dados dispostos tridimensionais, onde os racks estão localizados em mais de um nível dentro do centro de dados.

[010] A vantagem do presente método para o funcionamento de um centro de dados aumenta com a densidade de potência do equipamento de TI instalado dentro dos racks. Tal aumento da embalagem ou densidade de armazenamento para equipamentos de TI, como hardware de computador, o que proporciona uma dissipação de calor, o que pode até ultrapassar a taxa de dissipação de calor volumétrico de 1 kW por m3 e mais, de preferência 1,5kW por m3 e mais, de preferência 2 kW por m3 e mais, mais preferivelmente 3 kW por m3 e mais, o que não pode ser conseguido usando os sistemas de arrefecimento de ar convencionais, que são o estado da técnica do sistema de hoje em dia. A taxa de dissipação de calor volumétrica acima mencionada é baseada em um centro de dados com pé-direito de 2,5 m e a área líquida utilizada no centro de dados. A área líquida do centro de dados é a área, que é ocupada pelos racks que abrigam os equipamentos de TI, com exclusão de qualquer espaço adicional para a infraestrutura de construção técnica, tais como transformadores, geradores de energia, salas de baterias, sistemas de extinção de incêndio, a área de armazenamento e afins. Na concretização preferida da invenção, um rack tem 120 centímetros de profundidade e 70 centímetros de largura. Os racks são montados com uma distância de 120 centímetros entre linhas de rack. Portanto, na concretização preferida da invenção, uma rack consome 1,7 m2 de espaço de chão e 4,2 m3 da superfície líquida do centro de dados. Configurações mais próximas, por exemplo, com 60 centímetros de largura e racks de distâncias menores são concebíveis.

[011] Assim, a superfície líquida do centro de dados utilizada em ligação com a presente invenção é a superfície utilizada para abrigar os racks dos equipamentos de TI. É a superfície total do centro de dados menos a superfície utilizada para a infraestrutura técnica (alimentação, arrefecimento, UPS, baterias, geradores, gestão de incêndios e outros), para a infraestrutura de acesso, preparo e armazenamento de superfície (zonas garantidas e não-garantidas) para os equipamentos de TI, bem como as salas de controle de TI e outra superfície necessária para a gestão do centro de dados.

[012] Por razões práticas, a taxa de dissipação de calor volumétrico no sistema de arrefecimento de ar convencional, tipicamente, não excede 6 kW por rack, o que corresponde a cerca de 2,5 a 3 kW/m2 e cerca de 0,7 a 0,9 kW/m3, utilizando os pressupostos acima mencionados.

[013] Todas as densidades de potência por rack e outras unidades derivadas dos mesmos referem-se à energia elétrica do equipamento de TI instalado e operando no respectivo rack.

[014] Como explicado acima, o benefício do presente método para operar um centro de dados aumenta com a densidade de potência do equipamento de TI instalado e operando dentro dos racks. Em particular, para o centro de dados, que tem racks com equipamento de TI instalado e operacional criando uma taxa volumétrica de dissipação de calor, o qual corresponde a pelo menos cerca de 5 kW/m2, de preferência, pelo menos cerca de 10 kW/m2, mais preferido pelo menos cerca de 20 kW/m2, usando a área líquida acima mencionada da sala de centros de dados/centros de dados abrigando os racks, um resfriamento extremamente eficiente é fornecido.

[015] O presente processo para a operação de um centro de dados implementa racks abertos, com trocadores de calor passivos, o referido meio de troca de calor sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks, que são construídos tal que a maior parte do ar aquecido, no melhor modo, todo o ar aquecido do equipamento de TI instalado no interior do rack é arrefecido de volta para a temperatura ambiental estabelecida.

[016] De preferência, os trocadores de calor estão localizados na parte posterior do rack. A posição real dos trocadores de calor é determinada pela direção do fluxo de ar (205) gerado pelos meios ativos do equipamento de TI. Numa concretização preferida da invenção, o ângulo de incidência do fluxo de ar gerado na direção da superfície do trocador de calor é no máximo de 75°, mais preferencial, no máximo, 60°, mais preferivelmente no máximo 45°, mais preferivelmente no máximo 20°, o mais preferido entre 0° e 20°.

[017] O desenho do trocador de calor passivo sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks, sendo de preferência localizado na parte de trás, dos rackes é também importante porque, se eles produzem uma pressão de retorno muito grande na direção do fluxo de ar natural global, a eficiência de arrefecimento é reduzida. Evitar tal pressão para dentro do rack tem múltiplas vantagens. Primeiro, o equipamento heterogêneo pode ser montado no interior da rack, porque a pressão de volta do fluxo não pode ter um efeito negativo sobre o fluxo de ar de outros equipamentos de TI. Por exemplo, um servidor de alta potência, montado sob um servidor de baixa potência não vai empurrar o ar quente de volta para o servidor de baixo consumo de energia, desde que haja pouca pressão para dentro do rack. Uma segunda vantagem é que existem pequenos requisitos para a vedação do cabo que é alimentado no rack. Curtos circuitos normais ou aberturas de cabo exigem inserções auto-vedantes, como, por exemplo, vedações KoldLok®. A utilização de tais inserções auto-vedante na presente invenção é possível, mas não é obrigatória. Devido à prevenção de arrefecimento de ar do estado da técnica e que os fluxos de ar guiados no centro de dados não são necessários; a taxa de vazamento potencial de ar quente é muito limitada na invenção.

[018] A temperatura ambiental do espaço que abriga a multiplicidade de racks corresponde ao escape de ar frio dos trocadores de calor passivos, sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks e, portanto, está ligado à temperatura do refrigerante fluido. De preferência, a temperatura ambiental do espaço que aloja a multiplicidade de racks é de cerca de + 2 K, mais preferencialmente + 1 K, mais preferencialmente + 0,5k, mais preferida sobre a mesma, da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido do primeiro circuito de arrefecimento. O método que possibilita a obtenção de arrefecimento altamente eficiente dos racks permite temperaturas ambientes mais elevadas, como não há riscos de loops de calor em qualquer lugar do centro de dados. A única área de ar quente está dentro dos racks.

[019] O arrefecimento pode ser realizado de volta através da fonte de frio acima mencionada, incluindo, mas não se limitando a, outras fontes de água fria, por exemplo, solo ou água de superfície, arrefecimento por evaporação, que opera com base no princípio de evaporação, incluindo torres de arrefecimento de evaporação, com ou sem torres de arrefecimento abertas, refrigeradores híbridos, refrigeradores secos e afins, e quaisquer outras técnicas de arrefecimento estado da técnica, incluindo chillers de compressão.

[020] A maior eficiência de arrefecimento e de custo é conseguida pelo uso de contra fluxo, projeto indireto, torres de resfriamento de água. O princípio de arrefecimento dessas torres de arrefecimento usa a evaporação de calor de água por evaporação de água. Por exemplo, para arrefecer um centro de dados de 1 MW até cerca de 1,7 m3 de refrigerante fluido, tal como a água, são necessárias para a evaporação por hora. A torre de arrefecimento é totalmente passiva, exceto um ventilador, que é tipicamente operado apenas se a temperatura do ar exterior for superior a 15 °C. A menor temperatura realizável, utilizando refrigeradores molhados abertos corresponde à temperatura do bulbo molhado. Ela é medido psicometricamente cobrindo um termômetro com um pano molhado. A utilização de refrigeradores de evaporação garante que a temperatura mais fria da água está acima do ponto de orvalho. Portanto, não há risco de condensação em qualquer lugar dentro do centro de dados. As fontes de água não têm que ser isoladas.

[021] O método de funcionamento da concretização preferida da presente invenção utiliza a água como refrigerante fluido frio, no qual o refrigerante fluido que entra no centro de dados para arrefecimento através de pelo menos um circuito de arrefecimento tem temperatura quase igual à temperatura que entra no meio de troca de calor (206, 207). Neste contexto, quase igual significa que a temperatura do refrigerante fluido que entra no centro de dados é, no máximo, 0,2 K abaixo da temperatura do refrigerante fluido que entra nos meios de troca de calor (206, 207).

[022] Numa concretização preferida, o presente método funciona com uma temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido do primeiro circuito de arrefecimento sendo dependente da densidade de potência em particular instalada e, operando nos racks. Para densidades de potência de até 10 kW (elétrica) por rack, a temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido do primeiro circuito de arrefecimento, no máximo, sendo 3 K, de preferência, no máximo, 2 K, a mais preferida, no máximo, 1 K, acima da temperatura fornecida pela a fonte de frio que entra no centro de dados e para densidades de potência de, pelo menos, 10 kW (elétrica) por rack, o fluxo de retorno do refrigerante fluido do primeiro circuito de arrefecimento, no máximo, sendo 4 K, de preferência, no máximo, 3 K, acima da temperatura fornecida pela fonte de frio.

[023] A diferença de temperatura acima mencionada entre o fluxo de retorno do refrigerante fluido do primeiro circuito de arrefecimento e o fluxo de entrada do refrigerante fluido pode também ser superior para taxas de fluxo de refrigerante fluido reduzidas. Assim, a demanda de energia pelas bombas necessárias que operam no circuito de arrefecimento é reduzida durante as estações mais frias ou períodos de temperaturas exteriores mais frias, normalmente a temperaturas exteriores inferiores a 17 °C, quando o sistema de arrefecimento de retorno/fonte de frio produz/oferece baixa temperatura suficiente/refrigerante fluido frio, sem custos adicionais.

[024] Tipicamente os racks utilizados no presente método são gabinetes de racks comuns de 19". Numa concretização preferida, os racks são racks altos, que oferecem particularmente economia de espaço. Os racks são colocados no chão do edifício e não necessariamente em sistemas de piso falso. Tubos e/ou bandejas de cabos são montados acima dos racks. No caso de um fundo falso existente para o retroajuste de um centro de dados, tais fundo falso existente pode ser igualmente utilizado para conduzir os tubos. As portas do trocador de calor podem ser ligadas ao circuito de arrefecimento a partir de baixo e de cima. Numa outra concretização preferida, tal como o centro de dados sendo um centro de dados móvel, os racks estão ligadas ao gabinete circundante através de meios de absorção de choque, protegendo, assim, os racks e quaisquer meios associados/conectados, como meio de troca de calor e tubos de arrefecimento, contra vibrações e choques durante o transporte e montagem.

[025] O termo "aberto" em ligação com os presentes racks significa que a frente dos racks é aberta e permite que o equipamento de TI no interior do rack para a entrada de ar ambiente sem resistência ao fluxo. Também é possível ter uma porta da frente aberta, por exemplo, uma porta lattice, o que permite que o ar flua sem resistência ao fluxo, substancial. Tal porta lattice é a concretização preferida, uma vez que permite a medição da temperatura da entrada de ar. Nesta concretização preferida, duas medições são realizadas, tipicamente, uma em um terço da altura da porta lattice, e a segunda a cerca de dois terços da altura da porta latttice. O conceito rack aberto operado no presente método permite a entrada de ar ambiente e a exaustão de tal ar tomando o calor gerado pelo equipamento de TI. Numa concretização preferida, o ar que entra no rack aberto e o ar que sai do equipamento de TI para os meios de troca de calor (206, 207) estão separados por meios de desacoplamento no interior do rack, separando o ar que sai do equipamento de TI para os meios de troca de calor (206, 207) a partir do ar que entra no rack aberto para assegurar que nenhum ar aquecido é embebido no equipamento de TI.

[026] Uma outra vantagem dos meios de troca de calor com base no rack é que os racks em si não têm de ser mantidos fechados e que o fluxo de ar para dentro e para fora dos racks que já não tem que ser controlados. Como um benefício adicional, no interior do centro de dados, não há condicionadores de ar adicionais necessários, como a função de arrefecimento pode ser tomada completamente pela troca de calor unidades de racks.

[027] Os racks utilizados na presente invenção não têm quaisquer outros meios ativos, em particular os ventiladores, para criar um fluxo de ar no rack para o meio de troca de calor, sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks. Apenas o equipamento de TI localizado nos respectivos racks tendo meios ativos, de preferência ventiladores, para partes de arrefecimento do equipamento de TI, de preferência a CPU e/ou GPU e/ou um hardware de armazenamento, e apenas os referidos meios ativos que fazem o arrefecimento de partes do equipamento de TI criando um fluxo de ar no rack para o meio de troca de calor, sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks.

[028] O presente método para operar um centro de dados não requer que o centro de dados tenha piso falso e arranjos ou projeto de corredores frios.

[029] Os mais preferidos são os trocadores de calor passivos com uma profundidade de cerca de 50 a 120 milímetros, que podem causar apenas uma pressão de ar de volta muito baixa. Por isso, o ar quente que sai do equipamento de TI nos racks pode passar o trocador de calor por si só.

[030] Como já mencionado, a densidade de energia nos computadores modernos atingiu 1 kW e ainda mais por unidade de altura instalada em um rack. Os meios de arrefecimento ativos do equipamento de TI instalados em um rack, como os ventiladores de peças de arrefecimento do equipamento de TI, de preferência a CPU e/ou GPU e/ou hardware de armazenamento, criam taxas de fluxo de ar adequadas para remover todo o calor dos equipamentos de TI. A taxa de fluxo de ar depende da diferença de temperatura ΔT entre o ar que entra no rack e o ar que deixa o equipamento de TI. Diferenças de temperatura típicas são ΔT = 5 a 30 K. Esta diferença de temperatura atual requer um volume de ar de 100 a 600 m3/(h * kW), o que corresponde a, pelo menos, 0,5 m/s, de preferência de pelo menos 0,8 m/s, em particular pelo menos 1,1 m/s.

[031] Os equipamentos de TI do estado da técnica são projetados para operar em uma diferença de temperatura entre o ar frio e quente em torno de 10 K. Portanto, a taxa de fluxo de ar no interior de uma unidade de altura 42 no rack de 19 polegadas é uma função linear da energia gerada pelo equipamento eletrônico e a diferença de temperatura média do ar gerado pelo equipamento. Por isso, operando com a diferença de 10 K e tendo os equipamentos de TI instalados correspondendo a 20 kW de energia elétrica, uma corrente volumétrica de ar de 6000 m3/h, o que corresponde a uma taxa de fluxo de ar de 2,1 m/s para tal unidade de altura 42 de rack de 19 polegadas é adequada. Tal taxa de fluxo de ar no presente método é unicamente criada pelos meios de arrefecimento ativos do equipamento de TI por unidade de altura instalada num rack, tais como os ventiladores de arrefecimento para peças do equipamento de TI, de preferência, a CPU e/ou GPU e/ou um hardware de armazenamento.

[032] O presente método para o funcionamento de um centro de dados permite que a transferência do calor gerado pelo equipamento de TI instalado no interior do rack para o refrigerante fluido, sem quaisquer elementos ativos adicionais.

[033] No caso de rack que não estão totalmente equipados com equipamento de TI, é benéfico fechar grandes fendas abertas, por exemplo, sendo maior do que 3 unidades de altura, no interior da rack, a fim de evitar que o ar quente deixe o rack para a sua porção frontal. Pequenas aberturas para cabos não apresentam um problema devido à baixa pressão dentro do rack.

[034] O presente método para operar um centro de dados, de preferência, permite um resfriamento eficiente de um centro de dados em que a densidade de potência do equipamento de TI nos racks sendo pelo menos 5 kW (elétrica) por rack, mais preferido pelo menos 8 kW (elétrica) por rack, a maioria preferido pelo menos 10 kW (elétrica) por rack. O limite superior para a densidade de potência por rack é principalmente limitado no espaço de armazenamento disponível. Assim, o limite superior atinge tipicamente 1 kW por unidade de altura no rack, assim tipicamente valor de até 42 KW (elétrico) por rack.

[035] Os racks utilizados na invenção tipicamente têm dimensões de 1,2 m x 0,7 m x 2 m, e são, de preferência, dispostos de frente para trás para maior eficiência e de costas para maior redundância.

[036] Enquanto a maioria dos equipamentos de TI, como servidores implementam um fluxo de ar da frente para trás, há exceções a esta regra. Por exemplo, série de comutadores da Cisco Nexus recebem ar frio na parte da frente e do lado direito do chassis, enquanto o ar quente se esgota na esquerda e na parte de trás do sistema. Estes comutadores exigem racks de largura de 1m também. Na concretização preferida da presente invenção, tais requisitos de fluxo de ar são acomodados pela utilização de racks de 1 m de largura, que vedam a parte dianteira esquerda e direita posterior do rack. Configurações similares são concebíveis para equipamentos de TI usando os seus lados de chassis para entrada de ar. As aberturas laterais dos racks não têm de cobrir toda a altura da rack. Compartimentos especiais de comutação são concebíveis.

[037] Também separações de fluxo de ar horizontais na parte de trás da rack são concebíveis, por exemplo, a fim de permitir uma determinação muito específica de fontes de fumaça potencial e para desligar seletivamente os servidores apropriados.

[038] Muitos guias de ar de chapa metálica passivos são concebíveis na concretização preferida da invenção, a fim de guiar o ar frio ou quente e para separar potencialmente regiões distintas no interior do rack. Tais guias de ar são inteiramente passivos e não prejudicam a eficiência do arrefecimento do sistema. Deve notar-se que tais guias de ar, em geral, não são necessários na concretização preferida da invenção e são meramente usados para ajustar os dispositivos existentes para os racks.

[039] O presente método para operar um centro de dados implementa racks abertos com trocadores de calor passivos sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks, de preferência, como portas traseiras, que são construídas tal, que a maior parte do ar aquecido, no melhor modo, todo o ar aquecido do equipamento de TI instalado no interior do rack é arrefecido de volta para a temperatura ambiental estabelecida.

[040] O trocador de calor passivo individual sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks, e, preferivelmente, está localizado na parte de trás do rack individual e capaz de transferir todo o calor gerado pelo equipamento de TI instalado e funciona dentro do rack para o refrigerante fluido.

[041] De acordo com uma concretização preferida da invenção, a capacidade dos trocadores de calor é determinada pela natureza do refrigerante fluido, o fluxo de entrada do líquido de arrefecimento e a diferença de temperatura do fluxo de saída de líquido de arrefecimento do fluxo de entrada e refrigerante. No presente método, a capacidade de arrefecimento da soma de todos os meios de troca de calor instalados corresponde ao calor gerado pelo equipamento de TI instalado e operando no centro de dados. Assim, a invenção garante que nenhuma ou nenhuma quantidade substancial de calor gerado pelos equipamentos de TI é liberada para o espaço que aloja a multiplicidade de racks, normalmente referido como o centro de dados.

[042] A presente invenção permite a operação de um centro de dados em que o ar que entra nos racks, normalmente a partir da parte da frente, e o ar que sai dos racks, tipicamente na parte de trás através do meio de troca de calor, tem a mesma ou essencialmente a mesma temperatura e substancialmente todo o calor gerado é removido pelo trocador de calor e o refrigerante fluido. De preferência, a temperatura do ar que entra nos racks e a temperatura do ar que sai dos racks, tipicamente na parte de trás através do meio de troca de calor, diferem menos do que +2 K, mais preferencialmente 1 K, mais preferencialmente +0,5 K, mais preferida é aproximadamente a mesma. Assim, nenhum calor ou nenhum calor substancial é liberado para o espaço/edifício que aloja os racks do centro de dados.

[043] Como resultado, o método que possibilita a obtenção de arrefecimento altamente eficiente dos racks permite temperaturas ambientes mais elevadas, pois não há riscos de calor circulando em qualquer lugar do centro de dados. A única área de ar quente está dentro dos racks.

[044] A presente invenção permite que os meios de troca de calor recebam diretamente o ar quente gerado pelo equipamento de TI no interior da rack e transformem este ar quente de volta para baixo para uma temperatura ambiental desejada, basta transportar o calor para o refrigerante fluido do tubulação de transporte. Desta forma, qualquer encaminhamento de ar quente ou a criação de quaisquer fluxos de ar no interior do centro de dados pode ser evitado. Ao permitir isso, a distância sobre a qual viaja o ar quente ou aquecido pode ser reduzida para um mínimo. Só é necessário transportar o ar aquecido no interior do rack, em particular a partir do equipamento de TI para o meio de troca de calor. Deste modo, qualquer fluxo de ar turbulento de difícil controle pode ser prevenido. Além disso, a presente invenção não exige que o fluxo de alto rendimento de ar frio e os problemas relacionados com qualquer condensação de umidade esteja presente em tal ar. Assim, a utilização de quaisquer desumidificadores de ar torna-se supérflua.

[045] De acordo com uma outra concretização preferida da invenção, os meios de troca de calor não compreendem quaisquer meios ativos, tais como ventiladores, para guiar o calor/ar quente a partir do equipamento de TI para a superfície do meio de troca de calor ou através do meio de troca de calor. O fluxo relativamente baixo e laminar de ar obtido a partir da CPU e/ou ventiladores de resfriamento de GPU dentro do rack especial permitem evitar ventiladores adicionais e evitar qualquer consumo de potência de ventilador adicional.

[046] O presente método para operar um centro de dados utiliza trocadores de calor passivos tendo uma contrapressão do ar baixa. A contrapressão do ar gerada pelo trocador de calor depende da taxa de fluxo de ar. Os trocadores de calor utilizados em conexão com o presente método preferencialmente tem uma contrapressão de ar máxima de 10 Pa para a taxa de fluxo de ar correspondente de até 0,5 m/s, mais preferida 16 Pa máxima para a taxa de fluxo de ar correspondente de até 0,8 m/s, mais preferida de no máximo 20 Pa para a taxa de fluxo de ar correspondente de até para 1,1 m/s.

[047] O referido fluxos de ar e poço de trabalho de pressão de ar de retorno com os equipamentos de TI instalados nos racks, que normalmente operam dentro da diferença de temperatura entre o ar frio e quente sendo em torno de 10 K.

[048] O presente método utiliza o sistema de refrigerante fluido. Uma das principais preocupações em centros de dados é o potencial de fugas, em particular para a água sendo utilizada como refrigerante fluido.

[049] O risco de vazamentos de água e a quantidade de danos causados por derrames corresponde à pressão do sistema de água. Por conseguinte, um aspecto adicional do presente método é a utilização de trocadores de calor tendo uma baixa queda de pressão através do trocador de calor.

[050] O presente método para operar um centro de dados utiliza trocadores de calor passivo tendo uma baixa queda de pressão através do trocador de calor.

[051] A queda de pressão através do trocador de calor depende do fluxo volumétrico do fluido do refrigerante fluido. Portanto, na presente invenção, os trocadores de calor passivos situado na parte traseira dos racks proporcionam uma queda de pressão, de preferência, inferior a 22 kPa para uma corrente de volume de 3 m3/h de água, de preferência inferior a 54 kPa para 5 m3/h de água, mais preferida abaixo de 200 kPa para 10 m3/h de água.

[052] Operando a uma taxa de bombeamento abaixo de 5 m3/h de água, o presente método pode ser realizado abaixo da pressão atmosférica do refrigerante fluido sendo água.

[053] O presente método para a operação de um centro de dados requer controlar o fluxo de refrigerante fluido no interior do primeiro circuito de arrefecimento (205), que está adaptado para fornecer o meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202) para manter a temperatura do refrigerante fluido que entra nos meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202) (fluxo de entrada), que tem uma temperatura de 1 K a 5 K, de preferência 1 K a 3 K, mais preferida de 1 K para 2 K, abaixo da temperatura do refrigerante fluido do fluxo de retorno de fluido que sai dos meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202). Assim, a taxa de fluxo para o refrigerante fluido, tal como água, é de preferência de 0,9 m3 por hora e por kW instalado e operacional para uma diferença de 1 K e de 0,17 m3 por hora e por kW instalado e operacional para uma diferença de 5 K.

[054] Uma preocupação remanescente foi o aumento de energia potencial causada por ventiladores de arrefecimento dos servidores devido à pressão traseira do trocador de calor. Esta foi testada através da abertura e fechamento da porta de trás da rack e a determinação do consumo total de energia de computadores no interior do rack. Ambos, o consumo total de energia de todos os servidores em um rack e a corrente de alimentação para um ventilador de amostra foi medida. Não houve diferença significativa no consumo de energia medido quando se abre a porta de trás, principalmente devido à baixa pressão traseira.

[055] De preferência, cada rack implementa unidades de distribuição de energia autônomas, o fornecimento de energia a todos os componentes elétricos dentro do rack e monitoramento do consumo de energia e propriedades elétricas, em especial para altas densidades de energia, por exemplo, utilizadas em aplicações científicas. Essa funcionalidade é fornecida por um microcontrolador embutido. Ele mede, além disso, a entrada de ar e saída e temperatura da água de arrefecimento. Além disso, cada rack implementa um detector de fumaça independente. No caso de um alarme de incêndio ou de sobreaquecimento dos servidores são configurados para desligar automaticamente. Após exceder limites configurados, o PDU acabará por cortar a energia. Tais medidas de segurança são importantes por causa da rack de alta densidade de energia correspondente e rápida elevação da temperatura no caso de uma falha de arrefecimento.

[056] Os meios de troca de calor dos racks estão ligados a um circuito de arrefecimento que fornece refrigerante fluido, de preferência líquido, para cada um dos meios de troca de calor através de um sistema de tubulação.

[057] Numa concretização preferida da invenção, o circuito de arrefecimento compreende um sistema de canalização para remover o refrigerante fluido. A utilização de um refrigerante fluido tal como a água e outros fluidos de arrefecimento adequados, em particular com capacidades térmicas maiores do que o ar, é vantajoso, devido a inúmeras razões. Em primeiro lugar, a quantidade total de calor que pode ser transferido e transportado é, em comparação com refrigerantes gasosos, muito maior. Em segundo lugar, é possível controlar e monitorar o fluxo e a transmissão do refrigerante fluido mais facilmente, em comparação com um fluxo turbulento e laminar de um refrigerante gasoso.

[058] Numa outra concretização da invenção, a pressão do refrigerante fluido pode ser configurada para abaixo de 2 bar, de modo que em caso de uma fuga de fluido de ejeção mínima do líquido e ocorre a fuga de líquido flui ao longo do circuito de arrefecimento. Em tal concretização do circuito de arrefecimento pode ter um oco/dissipador para recolher qualquer líquido de fuga impedindo que qualquer fuga de líquido entre em contato com o hardware do computador. A tubulação é organizada atrás da porta traseira do rack, que apresenta uma proteção de equipamentos de TI contra vazamentos de água, devido à estrutura granular fina do trocador de calor. Em ambos os casos, quaisquer fugas no sistema de tubulação podem ser detectadas através do monitoramento da pressão no sistema de tubulação e define um alarme, permitindo, assim, tomar as medidas adequadas contra o vazamento, tais como, por exemplo, a parada das bombas, a fim de reduzir a pressão adicional e para parar o abastecimento de água continuado para a fuga.

[059] Além disso, nenhum isolamento do sistema de tubulação é necessário uma vez que a temperatura ambiental corresponde à temperatura de retorno da água fria, o que é significativamente maior do que o ponto de orvalho.

[060] O centro de dados tem pelo menos uma fonte de fornecimento de frio a ser ligado, direta ou indiretamente para o primeiro circuito de arrefecimento, como mencionado antes.

[061] Mais tipicamente, a fonte de fornecimento de frio é, pelo menos, uma torre de arrefecimento operando com fluxo em contra, projeto indireto, torre de arrefecimento molhado, em que a água é pulverizada a partir do topo da coluna e arrefecida por evaporação de parte da água e, assim recolhida para baixo. A fim de evitar a contaminação do primeiro circuito de arrefecimento, a fonte de fornecimento de frio pode ser dissociada a partir da fonte de fornecimento de frio por um segundo circuito de arrefecimento. Essa dissociação é tipicamente alcançada por trocadores de calor redundantes que transferem o calor do primeiro circuito de arrefecimento para o segundo circuito de arrefecimento.

[062] Por meio desta implementação, qualquer contaminação do segundo circuito de arrefecimento a ser ligado diretamente à fonte de frio, que pode ser contaminada por partículas de ar, tais como o pólen, é separada a partir do primeiro circuito de arrefecimento de ir para dentro do centro de dados. As bombas necessárias para bombear o refrigerante fluido podem ser colocadas dentro do centro de dados ou fora do centro de dados.

[063] Dependendo do clima ambiental, em algumas áreas geográficas, resfriadores de água comum causar problemas, por exemplo, durante períodos frios/de congelamento. Em tais casos, é preferível usar as chamados torres de arrefecimento híbridas em vez disso. Mais tipicamente, tais refrigeradores híbridos são placas de trocador de calor, através do qual o fluido de arrefecimento aquecido está fluindo através e arrefecido pelo ar ambiente. Um exemplo de um refrigerador híbrido é mostrado na Patente US N° 7864530. Para aumentar a capacidade de arrefecimento no verão, é possível pulverizar água para a superfície do trocador de calor de placas, e usar a arrefecimento de evaporação de tal água.

[064] Uma vez que estas torres de resfriamento híbridas incluem um trocador de calor não são exigidos trocadores de calor. No entanto, a água de arrefecimento pode exigir aditivos, tais como glicol, a fim de impedi-la de congelação.

[065] Além disso, o fornecimento de fonte de frio tem meios para transportar o refrigerante fluido até a entrada do circuito de arrefecimento. Tais meios são tipicamente tubos, de preferência, sendo flexíveis, feitos de diferentes materiais, tais como aço, aço inoxidável e/ou materiais poliméricos orgânicos sintéticos.

[066] Numa outra concretização da presente invenção, o centro de dados situado numa unidade tal como um recipiente ou o centro de dados é construído utilizando racks sendo pré-instalado na estrutura de apoio, que, de preferência, são quadros de tamanho padrão. Isto permite a pré-instalação/pré-montagem na construção de centros de dados ou para centros de dados móveis. De preferência esses quadros de tamanho padrão, unidades ou recipiente com o tamanho padrão típico de um contentor ISO comum que pode ser transportado, carregado e descarregado, empilhado e transportado de forma eficiente em longas distâncias por navios, ferrovias, caminhões, caminhões semi-reboque ou aviões. Os mais preferidos são de 20 pés (6,1 m), 40 pés (12,2 m), 45 pés (13,7 m), 48 pés (14,6 m), e 53 pés (16,2 m) de unidades de comprimento/contentores. A largura normalmente é 10 pés (3,0 m) de 8 pés (2,4 m) e a altura normalmente é de 9 pés, 6 pol (2,9 m).

[067] O presente método para a operação de um centro de dados fornece um refrigerante fluido a partir da fonte de fornecimento de frio para os meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202) dentro do primeiro circuito de arrefecimento, o referido fluxo de entrada de refrigerante fluido tendo uma temperatura de 1 K para 5 K, de preferência, 1 K para 3 K, mais preferido 1 K para 2 K, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido que sai do trocador de calor (206, 207) dos racks (202).

[068] De preferência, a temperatura do refrigerante fluido que entra no meio de troca de calor é ajustada para 0,1 K a 0,5k por kW instalado e funciona por rack não superior a 10 kW por rack, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido que sai do meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202).

[069] De preferência, a temperatura do refrigerante fluido que entra no meio de troca de calor é ajustada para 0,1 K a 0,2 K por kW instalado e funciona por rack no valor entre 10 kW e 25 kW por rack, abaixo da temperatura de retorno do refrigerante fluido que sai dos meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202).

[070] De preferência, a temperatura do refrigerante fluido que entra no meio de troca de calor é ajustada para 0,1 K a 0.125 K por kW instalado e funciona por rack valor de acima de 25 kW por rack, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido que sai do meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202).

[071] O presente método para operar um centro de dados permite o resfriamento eficiente de um centro de dados. Por exemplo, a temperatura mais baixa possível com tecnologia de resfriamento do estado da técnica utilizando resfriamento por evaporação é a temperatura de bulbo úmido, que na Europa dificilmente atinge 22 °C. As temperaturas de bulbo úmido apropriadas estão disponíveis nos serviços meteorológicos locais. Tipicamente, o refrigerante fluido, em especial água fria, o fornecimento é de cerca de 2 K mais quente do que a temperatura de bulbo húmido, que é o limite teórico. Na concretização preferida da invenção, o trocador de calor acrescenta outros 2 K entre o primeiro e o segundo circuito. No entanto, deve notar-se que esta diferença de temperatura é apenas uma função do tamanho do trocador de calor e pode ser otimizada em custo. Por exemplo, uma diferença de temperatura de +1 K no primeiro circuito de arrefecimento (diferença entre a saída e a entrada do trocador de calor), que corresponde, por exemplo, a 9 m3/h de água como refrigerante fluido e 10 kW de potência elétrica do equipamento de TI instalado e operando dentro dos racks, o menor do refrigerante fluido, em especial água fria, o retorno do sistema de arrefecimento é 5 K acima da temperatura de bulbo húmido. Permitindo outra diferença de +1 K para a temperatura ambiental, devido à radiação dos racks quentes, o ar quente que escapa da temperatura ambiental é 6 K mais quente do que temperatura de bulbo úmido. Este limite pode ser ainda reduzido através do aumento da velocidade de bombeamento, mas à custa de maior requisito de energia das bombas. No entanto, levando em conta que, por exemplo, na Alemanha, a temperatura de bulbo úmido excedeu 20 °C durante os anos de 2007 a 2011, para cerca de 140 horas, em média. Portanto, apenas em uma pequena fração do tempo, as bombas teriam de operar em alta velocidade de bombeamento e, portanto, só irá gerar um pequeno acréscimo ao orçamento geral de energia. Durante as temperaturas exteriores frias, o sistema de arrefecimento é estrangulado a fim de manter a temperatura ambiental acima de 20 °C.

[072] Deve notar-se que, basicamente, todos os sistemas de computadores comerciais e os componentes da rede são classificados para operar-se até 35 °C quase constante de acordo com a norma ASHRAE TC 9.9 (2011) e ETSI EN 300 019-1 - 3; V2.3.2.(2009-07). Muitos fornecedores têm anunciado até mesmo aumentar este número com temperaturas mais altas, porque todos os sistemas de arrefecimento melhoram em eficiência com temperatura ambiental aumentada.

[073] Se o refrigerante fluido, em especial água fria, o retorno chega a 30 °C que pode ser utilizado para o aquecimento de edifícios se implementam chão ou parede de aquecimento sem quaisquer bombas de calor. A única energia adicional necessária é a bomba para mover a água através dos coletores de aquecimento no interior do edifício e, potencialmente, empurrá-la para cima para andares mais altos. No verão, o aquecimento de piso pode ser ligado ao abastecimento de água fria e, por conseguinte, ser utilizado para o arrefecimento muito eficiente do edifício, no entanto em requisitos de arrefecimento adicionais para as torres de arrefecimento.

[074] Mais tipicamente, a maior parte ou mesmo todos os racks são ligados individualmente ao circuito de arrefecimento, o que proporciona um instrumento eficiente para a remoção e descarregar o calor do hardware do computador.

[075] O acoplamento de cada rack que deve ser arrefecido para o circuito de arrefecimento individualmente com o circuito de arrefecimento em conexão com os trocadores de calor específicos de racks adequados para remover todo o calor gerado pelo hardware do computador, fornece a vantagem adicional de que é possível para controlar e monitorar a potência de resfriamento e troca de calor individual e separadamente para cada rack individual dentro da estrutura do centro de dados. O resfriamento do ar quente exclusivamente dentro do rack torna possível instalar quaisquer densidades de pacote de rack sem necessidade de projeto de fluxo de ar, como aaisles frios ou corredores quentes.

[076] A presente invenção permite a utilização de uma assim chamada arquitetura de rack aberta, garantindo que os racks não precisam ser hermeticamente selados mais. Tal estrutura de rack aberto permite ainda um acesso mais fácil ao equipamento de TI, em especial, o hardware do computador, dentro do rack, em caso de quaisquer problemas ou manutenção necessária. Devido à baixa pressão do fluxo de ar na parte de trás dos equipamentos de TI, aberturas normais para o cabeamento podem ser facilmente fechadas.

[077] Outro aspecto preferido da presente invenção é que, pelo menos, alguns ou todos os meios de controle compreendem racks. Desta forma, todo o sistema pode, de forma adaptativa, localmente reagir a falhas no sistema local e poderá iniciar automaticamente respectivas disposições, a fim de compensar a falha.

[078] De acordo com uma outra concretização, os meios de controle compreendem ainda sensores de temperatura, detectores de fugas para a tubulação e/ou detectores de fumaça, pelo que os referidos detectores são acoplados a um sistema de alarme de emergência, o qual está adaptado para exibir seletivamente desligar o hardware, rack e/ou a porção relevante da unidade de tubo de arrefecimento.

[079] O sistema de emergência pode ser projetado e organizado em qualquer dos referidos racks individualmente e separados de um sistema de emergência vizinho ou racks adjacentes. Os detectores de fumaça e de vazamento podem ser instalados separadamente e independentemente um do outro, a fim de desligar equipamentos de TI em queima ou com fumaça individualmente e de ser capaz de manter todas as outras operações do centro de dados. Alternativamente, também pode ser imaginável usar uma combinação de detectores individuais e/ou a utilização de um detector multi-funcional.

[080] De acordo com uma outra concretização, os racks compreendem ainda meios de escalonamento de energia, que estão adaptados para manter uma corrente elétrica inferior a um limiar predefinido. Esta concretização é adaptada para impedir, que todo o centro de dados extraia uma quantidade de energia que não pode ser fornecida por uma fonte de alimentação externa. Portanto, os meios de planejamento de energia são adaptados para regular, que cada rack ou um par/grupo de racks extrai a energia a partir de uma fonte de corrente-tensão elétrica, ou de acordo com uma dada folha de tempo.

[081] Por exemplo, um primeiro rack pode ligar- se depois de um determinado tempo de retardamento em relação a qualquer outro rack do centro de dados. Desta forma, o consumo de pico de consumo de energia de todo o centro de dados pode ser mantido abaixo de um limiar pré-definido, assegurando assim, que a fonte de alimentação externa não se quebra. Os meios de escalonamento de energia podem ser implementados tanto como um algoritmo de atribuição de um indivíduo específico pré-definido, por conseguinte, diferentes, de intervalo de tempo para qualquer um dos racks do edifício do centro de dados.

[082] Alternativamente, é também concebível, que um comutador de potência em vários dos racks é controlado por meio de uma arquitetura centralizada. No entanto, também um sistema interligado de emergência está no escopo da presente invenção, segundo o qual uma multiplicidade de vazamento e/ou detectores de fumaça estão eletricamente acoplados a um sistema de emergência central, que pode iniciar automaticamente respectivas disposições de modo a contrariar uma falha do sistema.

[083] De acordo com uma outra concretização preferida, o centro de dados compreende ainda, pelo menos, um circuito de arrefecimento adicional, por exemplo, um primeiro circuito de arrefecimento redundante, compreendendo a mesma estrutura principal que o primeiro circuito de arrefecimento, que assume o dever da primeira estrutura de arrefecimento em caso de qualquer vazamento ou outro problema. De preferência, o circuito de arrefecimento, incluindo o primeiro circuito de arrefecimento, tem pelo menos duas entradas de refrigerante fluido que permite que a operação também no caso de se verificar uma fuga, desligamento parcial.

[084] De acordo com ainda outra concretização preferida, todas as bombas do centro de dados têm uma bomba de reserva redundante, o que pode ser ativado em caso de falha da bomba primária. Válvulas de corte adequadas permitem a substituição de uma bomba quebrada enquanto o sistema está em funcionamento.

[085] O presente processo permite operar o centro de dados a temperaturas ambientais relativamente elevadas, por exemplo, até 30 °C.

[086] A concretização preferida da invenção implementa uma redundância adicional se os racks são montados de costas com costas. Nesse caso, o ar frio de duas linhas de rack é misturado no corredor entre os racks. As duas filas de rack podem ser facilmente feitas independente por utilização de tubos e bombas independentes. No caso de uma linha inteira de rack falhar devido a uma fuga catastrófica ou uma falha de todas as bombas redundantes o ar que sai dos racks ligados ao sistema de arrefecimento não vai subir lentamente até que a temperatura do ar dos servidores de saída seja atingida, o que é tipicamente 10 K mais elevada do que a temperatura ambiental. Para um rack com consumo de energia 10 kW', a elevação de temperatura é de cerca de 3 K por hora. O ar quente deixando a linha da rack com o sistema de arrefecimento não é misturado com o ar da linha de rack oposta. Por conseguinte, a temperatura do ar no interior do corredor é, em média, apenas 5 K mais quente do que a temperatura ambiental. Este aumento de temperatura pode ser compensado através da redução do fornecimento de água fria para a linha da rack com o sistema de arrefecimento de trabalho.

[087] A eficiência de utilidade de energia (EUP) utilizada em ligação com a presente invenção é definida em "Métricas de eficiência de Centro de dados - PUE™, parcial PUE, ERE, DCcE" (2011) por Dan Azevedo, Jud Cooley, Michael Patterson e Mark Blackburn publicados no www.thegreengrid.org. A maior contribuição de longe para a sobrecarga de energia de um centro de dados é o resfriamento. As contribuições adicionais são transformações elétricas e distribuições, geração de energia de backup, tais como sistemas de backup de bateria, ar condicionado e assim por diante. A invenção apresentada permite reduzir a sobrecarga de arrefecimento a um mínimo. O presente método permite operar o centro de dados a uma eficiência de utilidade de energia (EUP) de, no máximo, 1,3, de preferência, no máximo, 1,2, mais preferido, no máximo, 1,15, em particular, no máximo, 1,1.

[088] No que se segue, a invenção será descrita em pormenores, fazendo referência aos desenhos, nos quais:

[089] A Figura 1 ilustra esquematicamente um centro de dados que opera de acordo com o presente método.

[090] Na concretização ilustrada da figura 1, qualquer um dos racks (202) compreende uma unidade de troca de calor separada (206), que está equipada com um trocador de calor (207). Os meios ativos, tais como o ventilador do processador de arrefecimento, do equipamento de TI (200) facilita um fluxo de ar (205) no interior do rack (202) em direção à unidade de troca de calor (206). As unidades de troca de calor (206) estão todas ligadas a uma tubulação (203/204) transmitindo um refrigerante líquido, por exemplo, água, para qualquer uma dos racks (202).

[091] O refrigerante fluido fornecido por meio de uma tubulação (203/204) é benéfico na medida em que os vários racks (202) são inteiramente passivos e não precisam mais ser concebidos como racks fechados. Por outro lado, a dissipação de calor fora dos diversos racks (202) pode ser eficazmente reduzida a um mínimo ou mesmo completamente evitada. Por isso, já não é necessário controlar uma corrente de ar no interior da estrutura global de construção. Nesta maneira, a geração de pontos de calor, que pode ser devido a algum fluxo de ar quente descontrolado fora dos racks (202) pode ser efetivamente eliminada.

[092] Além disso, o fluxo de ar em toda a estrutura do edifício do centro de dados já não tem de ser ativamente controlado, uma vez que a temperatura ambiental em torno dos racks (202) é mantida em um nível relativamente frio em comparação com a temperatura no interior dos racks (202).

[093] A fim de implementar tolerância a falhas na infraestrutura de arrefecimento, os racks (202) podem ser operados em uma maneira par/ímpar, onde cada segundo rack é acoplado à mesma tubulação, ou seja, em primeiro ou segundo primeiro circuito de resfriamento redundante. Deste modo, os dois primeiros circuitos redundantes de arrefecimento podem ser mantidos proporcionando uma capacidade de arrefecimento residual.

[094] Em caso de falha, por exemplo, devido a um vazamento na tubulação (203/204), um rack em particular pode ser dissociado seletivamente do sistema de tubulação (203/204).

[095] Uma vez que não existe nenhum requisito para orientar qualquer ar em toda a estrutura do centro de dados, tal como o espaço que aloja a multiplicidade de racks, o equipamento de TI (200) contendo os racks (202) pode ser colocado em qualquer arranjo arbitrário. Um centro de dados, na acepção da presente invenção contém mais do que um rack (202).

[096] Subindo a temperatura ambiental no centro de dados, por conseguinte, aumenta o refrigerante fluido, em especial água de arrefecimento, temperatura, que aumenta diretamente a eficiência do arrefecimento do refrigerante fluido aquecido, em particular, a água de arrefecimento aquecida. Lista de referência de número de referência:

[097] 200 - Equipamentos de TI

[098] 201 - chão de grade

[100] 202 - rack

[101] 203/204 - sistema de tubulação para o primeiro circuito de arrefecimento

[102] 205 - fluxo de ar dentro do rack, exclusivamente criado por meios ativos contidos no equipamento de TI

[103] 206 - unidade de troca de calor

[104] 207 - Trocador de calor Exemplo 1

[105] Um centro de dados, que hospeda um computador de alto desempenho consumindo 500 kW de potência e está sendo instalado em 34 racks de 19 polegadas cada e com 42 unidades de altura. Os racks são de profundidade de 1, 2 m e 70 centímetros de largura. O espaço em rack requer menos de 100m2 de área útil.

[106] A infraestrutura de arrefecimento consiste, principalmente, de dois circuitos de arrefecimento, ligados por um trocador de calor. O primeiro circuito de arrefecimento transfere o calor gerado nos racks do centro de dados de 19 polegadas a um trocador de calor, que é arrefecido de volta do circuito secundário. O circuito de arrefecimento secundário usa dois contra fluxos de 313 kW, projeto indireto, torres de resfriamento de água, onde a água de reposição é retirada de um rio vizinho. A infraestrutura de arrefecimento inteira é montada dentro de um contentor de 20 pés, com duas torres de arrefecimento montadas no telhado. As referidas torres podem ser mantidas limpas e uma de cada vez, enquanto o sistema de arrefecimento permanece ativo, mas em potência reduzida. Deve notar-se que este sistema exige um mínimo de 50 kW de energia do computador, a fim de evitar o congelamento dos sistemas de arrefecimento durante o inverno. Uma infraestrutura de drenagem de água de emergência está instalada.

[107] O sistema de arrefecimento todo implementa três consumidores elétricos: a bomba secundária (6 kW), a primeira bomba de circuito de arrefecimento (28 kW) e um ventilador em cada torre de resfriamento (4,5 kW cada). Enquanto a potência do ventilador pode ser regulada, tal como os ventiladores não são requeridos com temperaturas exteriores inferiores a 15 °C. As duas bombas de água são configuradas para executar em um volume fixo constante, atual de 150 m3/h no secundário e 220 m3/h no primeiro circuito de arrefecimento. A taxa de fluxo de água no primeiro circuito de arrefecimento é suficiente para arrefecer até 900 kW de potência, enquanto que o circuito secundário suporta até duas vezes 313 kW até à data. Uma atualização do sistema para uma potência total de 900 kW é possível acrescentando uma torre de resfriamento adicional para a infraestrutura existente. Com a assunção de um típico 35% de utilização média dos ventiladores de torres de resfriamento e 500 kW de potência máxima HPC, uma sobrecarga média de resfriamento de 7,4% ou PUE = 1,074 resulta. No caso do sistema de arrefecimento totalmente utilizado com uma carga de potência de 900 kW, a sobrecarga de arrefecimento seria de 4,9% ou EUP = 1.049. Outras otimizações são concebíveis, em particular, no caso da bomba secundária. No caso desta implementação, a bomba tem de conduzir a corrente de volume sobre uma grande distância de 120 m, porque o recipiente de arrefecimento não pode ser colocado perto da sala do centro de dados. Exemplo 2

[108] Um recipiente de centro de dados móvel com 3m de largura, 2,9 m de altura e 12,2 m de comprimento é equipado com 13 racks de 19", cada equipamento de TI tendo que operar a 35 kW. A potência total de 455 kW é resfriada de volta por um refrigerador híbrido. A água bomba requer 10kW e o arrefecedor híbrida requer um adicional de 6 kW, o que resulta numa eficiência de utilidade de energia EUP = 1,035.

Claims (14)

1. MÉTODO PARA OPERAR UM CENTRO DE DADOS COM UMA EFICIÊNCIA DE UTILIDADE DE ENERGIA (EUP) DE NO MÁXIMO 1,3, compreendendo: (i) um edifício que aloja uma multiplicidade de racks (202), cada rack sendo um rack aberto alojando equipamentos de TI, (ii) os racks (202) sendo um rack aberto alojando equipamentos de TI (200) (iii) os racks (202) compreendem meios de troca de calor (206, 207) sendo adaptados para transferir o calor gerado pelo equipamento de TI para um refrigerante fluido, o dito trocador de calor sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks, sendo de preferência localizado na parte de trás ou elemento dos racks, (iv) pelo menos um primeiro circuito de arrefecimento (203/204), sendo o dito circuito de arrefecimento um circuito de arrefecimento fechado, o qual está adaptado para abastecer o meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202) com um refrigerante fluido e está ainda adaptado para transmitir o fluido de arrefecimento aquecido para longe dos meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202) através do refluxo do circuito de arrefecimento, (v) o referido primeiro circuito de arrefecimento (203/204) sendo conectado a uma fonte de fornecimento de frio, sendo a referida fonte situada fora do espaço que aloja a multiplicidade de racks, (vi) o equipamento de TI (200) localiza-se nos respectivos racks (202) tendo meios ativos, de preferência, ventiladores para arrefecer as partes do equipamento de TI (200), de preferência a CPU e/ou GPU e/ou um hardware de armazenamento, os referidos meios ativos, criando um fluxo de ar (205) no rack (202) na direção dos meios de troca de calor (206, 207), sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks, sendo de preferência localizado na parte traseira ou elemento dos racks (202), (vii) os referidos racks (202) que não tenham outros meios ativos, em particular os ventiladores, exceto para aqueles contidos no interior do equipamento de TI acima mencionados (200), para criar um fluxo de ar (205) no rack (202) para os meios de troca de calor (206, 207) sendo um elemento dos racks ou um elemento ligado aos racks, sendo de preferência localizado na parte traseira ou elemento dos racks (202), (viii) o referido edifício que aloja a multiplicidade de racks (202) que compreende outros meios ativos, exceto aqueles contidos dentro dos equipamentos de TI acima mencionados (200), para criar um fluxo de ar orientado, (ix) pelo menos uma entrada de energia elétrica, (x) pelo menos um meio para distribuir a energia elétrica a partir da entrada de energia para os racks individuais, permitindo fontes de alimentação redundantes em cada rack, caracterizado por compreender as medidas de (ix) fornecimento de um refrigerante fluido a partir da fonte de fornecimento de frio para os meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202) dentro do primeiro circuito de arrefecimento, o referido fluxo de entrada de refrigerante fluido que entra nos meios de troca de calor (206, 207) tendo uma temperatura de 1 K a 5 K, de preferência 1 K a 3 K, mais preferido 1 K para 2 K, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido que sai do meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202), (x) controle do fluxo do refrigerante fluido no interior do primeiro circuito de arrefecimento (203, 204), que está adaptado para fornecer os meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202) para manter a temperatura do refrigerante fluido que entra no meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202) (fluxo de entrada), que tem uma temperatura de 1 K a 5 K, de preferência 1 K a 3 K, mais preferido 1 K para 2 K, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido que sai dos meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202), (xi) transportar o refrigerante fluido aquecido deixando o meio de troca de calor (206, 207) dos racks (202) (fluxo de retorno) para a fonte de fornecimento de frio, estando a referida fonte situada fora do espaço que aloja a multiplicidade de racks, para remover o calor do refrigerante fluido aquecido a uma temperatura de 1 K a 5 K, de preferência 1 K a 3 K, mais preferido 1 K para 2 K, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido e (xii) o método para operar um centro de dados não opera nenhum condicionador de ar adicional, pois a função de arrefecimento é completamente assumida pelas unidades de troca de calor dos racks.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela densidade de energia do equipamento de TI nos racks ser, pelo menos, 5 kW (elétrico) por rack, mais preferido, pelo menos, 8 kW (elétrico) por rack, mais preferido, pelo menos, 10 kW (elétrico) por rack.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos racks (202) estarem dispostos como dois centros de dados dimensionais dispostas, onde os racks estão localizados em um nível, ou como centros de dados tridimensionais dispostos, onde os racks (202) estão localizados em mais de um nível dentro do centro de dados.

4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela densidade de energia do equipamento de TI (200) instalada e operando dentro nos racks (202) criar uma taxa de dissipação de calor volumétrico que corresponde a pelo menos cerca de 5 kW/m2, de preferência de pelo menos cerca de 10 kW/m2, mais preferido pelo menos cerca de 20 kW/m2.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela temperatura ambiental do espaço que aloja a multiplicidade de racks (202) ser de cerca de + 2 K, de preferência, +1 K, mais preferencialmente + 0,5 K, mais preferido sobre a mesma, da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido do primeiro circuito de arrefecimento.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela fonte de frio proporcionar o arrefecimento posterior através de (i) fontes externas de água fria, de preferência a superfície do solo ou da água, (ii) a evaporação de arrefecimento, que opera com base no princípio de evaporação, incluindo sistemas de torres de arrefecimento de evaporação com ou sem torres de arrefecimento abertas, (iii) refrigerador híbrido ou (iv) refrigerador seco.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo refrigerante fluido que entra no centro de dados para o arrefecimento através do pelo menos um circuito de arrefecimento ter uma temperatura no máximo de 0,2 K abaixo da temperatura do refrigerante fluido que entra nos meios de troca de calor (206, 207).

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido do primeiro circuito de arrefecimento, ser no máximo, 3 K, de preferência, no máximo, 2 K, o mais preferido, no máximo, 1 K, acima da temperatura fornecida pela fonte de frio que entra no centro de dados para densidades de potência totais de até 10 kW (elétrico) por rack ou em que a temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido do primeiro circuito de arrefecimento é, no máximo, 4 K, de preferência, no máximo, 3 K, acima da temperatura fornecida pela fonte de frio que entra no centro de dados para densidades de potência total de pelo menos 10 kW (elétrico) por rack.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo método para operar o centro de dados não ter quaisquer outros meios ativos, em particular ventiladores, para criar um fluxo de ar (205) no rack em direção aos meios de troca de calor, exceto para tais meios ativos estando presentes no equipamento de TI localizado no rack.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos meios ativos, em particular os ventiladores, estarem presentes no equipamento de TI (200) criando um fluxo de ar (205) no rack para os meios de troca de calor, o que corresponde a uma corrente de volume de ar de 100 a 600 m3/(h*kW), o que corresponde a, pelo menos, 0,5 m/s, de preferência de pelo menos 0,8 m/s, em particular de pelo menos 1,1 m/s.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos meios ativos, em particular os ventiladores, estarem presentes no equipamento de TI (200) criando um fluxo de ar (205) no rack para os meios de troca de calor, que cria uma pressão de retorno pelo trocador de calor correspondente à máxima para 10Pa para a taxa de fluxo de ar correspondente de até 0,5 m/s, de preferência máxima 16Pa para taxa de fluxo de ar correspondente de até 0,8 m/s, 20Pa máxima mais preferida para a taxa de fluxo de ar correspondente de até para 1,1 m/s.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela queda de pressão através do trocador de calor ser definida abaixo 22 kPa para uma corrente de volume de 3 m3/h para o refrigerante fluido, de preferência água, de preferência inferior a 54 kPa para 5 m3/h para o refrigerante fluido, de preferência a água, o mais preferido abaixo 200 kPa durante 10 m3/h do refrigerante fluido para o fluido, de preferência água.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela taxa de fluxo para o refrigerante fluido, de preferência água, ser definida a partir de 0,9 m3 por hora e por kW instalado e operacional para uma diferença de 1 K e de 0,17 m3 por hora e por kW instalado e operando por uma diferença de 5 K.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela temperatura do fluido de arrefecimento que entra nos meios de troca de calor (206, 207) ser ajustada para 0,1 a 0,5K por kW instalada e operando por rack que não exceda 10kW por rack, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido deixando os meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202) ou em que a temperatura do refrigerante fluido que entra nos meios de troca de calor (206, 207) é ajustada para 0,1 a 0,2 K por kW instalada e operando por rack com quantidade entre 10kW e 25 kW por rack, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido deixando os meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202), ou em que a temperatura do líquido de refrigeração que entra nos meios de troca de calor (206, 207) é ajustada para 0,1 a 0,125 K por kW instalada e operando por rack, acima de 25 kW por rack, abaixo da temperatura do fluxo de retorno do refrigerante fluido do fluido deixando os meios de troca de calor (206, 207) dos racks (202).

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