Soluzioni di raffreddamento per telecomunicazioni per infrastrutture moderne

Questo sviluppo presenta un problema serio e da non sottovalutare: calore.

Le attuali stazioni base 5G utilizzano una potenza da 2 a 3 volte inferiore rispetto ai loro predecessori 4G. Questo maggiore consumo di energia viene direttamente convertito in una maggiore potenza termica. La posta in gioco è troppo alta per i gestori delle infrastrutture e gli ingegneri delle telecomunicazioni. Un raffreddamento inadeguato causa throttling termico, riduzione della durata dei componenti e, peggio ancora, interruzione della rete. I guasti termici non sono più un'opzione in un settore in cui la disponibilità a cinque nove (99,999%) è la norma.

In questa guida si analizzerà lo stato attuale del raffreddamento delle telecomunicazioni e si esamineranno le tecnologie più adatte all'infrastruttura in questione e come ottimizzare la strategia di gestione termica sia in termini di prestazioni che di costi.

L'evoluzione delle sfide termiche nelle telecomunicazioni

Prima di scegliere una soluzione, è importante comprendere le ragioni alla base dell'evoluzione così drastica del profilo termico delle apparecchiature di telecomunicazione.

La densità di potenza è la motivazione principale. In passato, le apparecchiature di telecomunicazione erano ospitate in grandi centri di commutazione, dove le unità CRAC (Computer Room Air Conditioning) erano enormi. Oggi la rete è sempre più densa. Gli array massicci MIMO (Multiple Input, Multiple Output) di antenne e unità di banda base (BBU) collocano più unità di elaborazione in aree più piccole.

Inoltre, è cambiato il luogo in cui sono collocate le apparecchiature. L'infrastruttura si sta spostando ai margini, dove è situata in armadietti stradali, tetti e ai piedi delle torri cellulari. Questi siti non hanno gli standard ambientali puliti di un centro dati. Sono soggetti a:

• Caricamento solare: La luce diretta del sole aumenta le temperature interne dell'armadio.
• Temperature estreme, alte e basse: Notti di gelo, giorni di caldo torrido.
• Vincoli acustici: Si consiglia di adottare misure per l'ubicazione delle apparecchiature nei quartieri residenziali che limitino i livelli di rumorosità dell'apparecchiatura in modo che il ventilatore possa ruotare in modo aggressivo.

Non si tratta più solo di mantenere il freddo, ma di farlo in modo efficiente, silenzioso e affidabile, in luoghi ostili.

Tecnologie di raffreddamento primario: Aria vs. Liquido vs. Ibrido

Un metodo di raffreddamento è migliore di un altro. La decisione corretta dipende in larga misura dal carico termico (in kW) e dalla posizione fisica dell'apparecchiatura.

Raffreddamento ad aria di precisione e free cooling

Il raffreddamento ad aria è ancora lo standard utilizzato dalla stragrande maggioranza dei siti di telecomunicazioni, soprattutto quelli con carichi inferiori a 10-15kW per rack.

Climatizzazione di precisione: In questo metodo si utilizza un sistema ad anello chiuso (come un'unità CRAC) per ridurre meccanicamente la temperatura. Sebbene funzioni bene, si basa su ventole interne ad alta potenza che vengono utilizzate per spingere l'aria condizionata oltre i rack di server a densità impilata e i filtri. Si tratta di un metodo stabile e ben conosciuto, ma che consuma energia poiché il compressore rimane acceso per tutto il tempo in cui le ventole sono attivate.

Free Cooling (raffreddamento diretto ad aria): Per combattere i costi energetici eccessivi, il Free Cooling è diventato lo standard del settore. Nel caso di questo tipo di tecnica, l'aria ambiente esterna viene utilizzata come mezzo per raffreddare l'apparecchiatura quando la temperatura esterna è più fredda del setpoint interno. Un controller intelligente apre le serrande e attiva le ventole di aspirazione e di scarico ad alta efficienza per forzare l'aria fresca nella cabina, bypassando il compressore, che tende a bruciare molta energia.

• Vantaggi: L'uso di ventilatori al posto della refrigerazione potrebbe portare a grandi risparmi di OPEX (fino a 40-50% di risparmio energetico nei climi più freddi) grazie al funzionamento dei ventilatori al posto della refrigerazione.
• Svantaggi: Aggiunge umidità e contaminanti in caso di scarsa filtrazione; non funziona bene nei climi tropicali.

Raffreddamento a liquido (diretto al chip e a immersione)

Al di sopra di densità di rack di 20kW (che si verificano con i nodi edge alimentati da AI), l'aria cessa di condurre efficacemente il calore. Il nuovo concorrente è il raffreddamento a liquido.

1. Direct-to-Chip (DTC): Le piastre fredde vengono posizionate sui componenti caldi (CPU/GPU) e il fluido dielettrico viene utilizzato per trasferire il calore.
2. Raffreddamento a immersione: La scheda del server è completamente immersa in un fluido non conduttivo.

Il controllo della realtà: Sebbene il raffreddamento a liquido possa essere utilizzato per trasferire meglio il calore, comporta una riprogettazione su larga scala dell'infrastruttura attuale, che comporta l'introduzione di impianti idraulici, di pompaggio e di altre nuove procedure di manutenzione sconosciute a molti siti di telecomunicazione remoti. Nel prossimo futuro, come è prevedibile, le soluzioni ibride ad aria saranno l'opzione più praticabile per quanto riguarda l'implementazione di massa.

Strategie di raffreddamento ibride

Raffreddamento ibrido è il futuro che verrà realizzato da molti operatori. Questa strategia si basa sul raffreddamento ad aria della maggior parte della sala o dell'armadio, ma applica una forma localizzata di raffreddamento a liquido (ad esempio, uno scambiatore di calore sul retro) ad alcuni rack ad alta densità. In questo modo gli operatori potranno aumentare la scala del 5G senza rinunciare ai loro investimenti pregressi nel raffreddamento ad aria.

Per visualizzare il processo di selezione, di seguito è riportato un confronto di casi d'uso tipici:

Strategie di raffreddamento per armadi di telecomunicazione esterni

Il moderno frontline della rete è l'armadio esterno. Non ha un involucro edilizio per proteggere le apparecchiature, come nel caso di un data center. In questo caso, la politica di raffreddamento deve essere sia difensiva che funzionale.

Gestione dei fattori ambientali (polvere, umidità e calore)

Sistemi di raffreddamento esterni sono caratterizzati da protezione Ingress (IP) o Classificazione NEMA. La costruzione dell'elemento di raffreddamento, in questo caso la ventola, è l'anello più spesso debole.

1. Polvere e sabbia: I dissipatori e i filtri possono essere intasati da polveri sottili in un ambiente desertico o urbano. La resistenza del flusso d'aria aumenta quando i filtri si riempiono di polvere. Ciò richiede l'uso di Alto Pressione statica I fan in grado di sostenere un flusso d'aria sufficiente in mezzi intasati senza bloccarsi o bruciarsi.
2. Umidità e nebbia salina: La nebbia salina è micidiale per il servizio costiero. Provoca la placcatura del rame e la perdita dei normali cuscinetti della ventola sulle schede dei circuiti. I rimedi a questo problema sono Ventole IP68 con motori completamente incapsulati. Questi ventilatori sono sigillati ermeticamente, a differenza dei normali ventilatori rivestiti, in modo che l'elettronica interna non sia mai esposta all'umidità e alla salsedine.

Metodi di raffreddamento attivi e passivi

La considerazione del raffreddamento attivo o passivo di un armadio esterno è un calcolo di Δ T (delta T) - la discrepanza tra la massima temperatura interna ammissibile e la massima temperatura esterna ammissibile.

1. Raffreddamento passivo (scambiatori di calore/HEX)

È la soluzione più sicura a basso consumo energetico. Ricircola l'aria calda nell'armadio mediante una ventola interna e soffia l'aria fredda dell'ambiente attraverso un nucleo di scambio termico mediante una ventola esterna. I due flussi d'aria non si mescolano mai.

• Il ruolo del tifoso: La capacità di raffreddamento del sistema è spinta dal solo volume del flusso d'aria dei ventilatori, poiché il sistema non dispone di un compressore. I ventilatori ad alte prestazioni possono favorire notevolmente la rimozione del calore dell'unità HEX tradizionale.

2. Raffreddamento attivo (condizionatori d'aria/TEC)

Il raffreddamento attivo è necessario quando l'armadio deve essere esposto al sole, a 40 °C (104°F), e l'apparecchiatura deve essere mantenuta a 25 °C (77°F).

Anche se i condizionatori attivi sono alimentati, utilizzano forti ventole del condensatore per cedere il calore all'atmosfera. Quando tali ventole non funzionano o si usurano in condizioni climatiche avverse, il compressore si surriscalda ed esplode. Pertanto, la qualità delle ventole installate nell'unità CA è un fattore direttamente correlato alla qualità dell'unità stessa.

Il ruolo della tecnologia avanzata dei ventilatori nell'efficienza del sistema

Indipendentemente dal tipo di scambiatore di calore scelto, o da un'unità di climatizzazione di precisione o da un sistema di Free Cooling, un elemento si distingue come molto importante per le prestazioni complessive e l'efficacia dell'intera catena: il ventilatore.

La ventola è spesso considerata una merce, ma in realtà è il cuore pulsante del sistema termico. Se la ventola si rompe, il raffreddamento si interrompe e il luogo diventa buio. Se la ventola non è efficiente, il PUE (Power Usage Effectiveness) sale alle stelle.

Perché i ventilatori sono essenziali per le telecomunicazioni moderne (Soluzioni ACDCFAN)

Un ventilatore generico non è sufficiente nel contesto della moderna infrastruttura di telecomunicazione. È qui che entra in gioco l'ingegneria specializzata nel costo totale di proprietà (TCO).

Noi di ACDCFAN ci siamo resi conto che i clienti del settore delle telecomunicazioni hanno tre particolari problemi, tra cui lo spreco di energia, le condizioni ambientali difficili, le temperature estreme e i costi di manutenzione. La soluzione a questi problemi prevede l'abbandono dei normali ventilatori CA a favore di ventilatori più specifici:

• Raffreddamento intelligente "su richiesta" (tecnologia EC):

  I ventilatori convenzionali funzionano sempre alla massima velocità. Le ventole EC (Electronically Commutated) di ACDCFAN sono compatibili con il controllo intelligente della velocità PWM (Pulse Width Modulation). La ventola è in contatto con il sistema e ruota più rapidamente solo con l'aumento del carico termico.

  • Il valore: Quando il carico di traffico è basso, le ventole vengono rallentate, riducendo così al minimo il consumo di energia e la rumorosità.
• Sopravvivere agli elementi (protezione IP68):

  Le normali ventole non durano a lungo quando sono esposte all'acqua o a minuscole particelle di polvere. Nel caso degli armadi per telecomunicazioni da esterno, utilizziamo uno speciale Incapsulamento IP68 procedura. Questo rende il motore e l'elettronica totalmente resistenti all'ingresso di acqua e polvere. Inoltre, i nostri progetti sono progettati per funzionare bene anche ad altitudini estreme, quando la densità dell'aria è sufficiente e si ottiene un raffreddamento sufficiente, a differenza dei normali ventilatori che non possono funzionare in tali condizioni.

• La longevità come risparmio economico:

  Un cambio di ventilatore che richiede la sostituzione in un armadio in cima a una montagna lontana può essere costoso per un migliaio di euro in camion e ore di lavoro. L'affidabilità è fondamentale. Con l'aiuto dei sistemi a doppio cuscinetto a sfere di alta qualità, i nostri ventilatori sono in grado di raggiungere un MTBF (tempo medio tra i guasti) di oltre 70.000 ore. Si tratta di una caratteristica importante di questa affidabilità install-and-forget per ridurre al minimo l'OPEX nell'infrastruttura remota.

Gestione termica per i centri di calcolo edge

Il centro dati edge è situato un po' più all'interno rispetto all'armadio remoto. Si tratta di data center containerizzati e prefabbricati che vengono posizionati più vicino all'utente per ridurre al minimo la latenza.

Lo spazio è un lusso in queste unità. Le grandi unità di raffreddamento perimetrali sono fuori discussione. La moda in questo settore è il raffreddamento in fila o gli scambiatori di calore posteriori. Questi sono collocati tra i rack di server (o sulla parte posteriore di questi), riducendo la distanza del flusso d'aria.

Anche gli hot spot sono difficili da gestire nei centri Edge. A causa della possibilità di carichi di lavoro diversi su rack diversi (ad esempio, un rack fornisce streaming video, un altro fornisce dati IoT), il calore viene prodotto in modo non uniforme. Per gestire tutti questi microclimi, i sistemi di gestione termica intelligenti devono essere dotati di sensori che li rilevino e indirizzino il flusso d'aria nel punto in cui è necessario. Ventilatori PWM descritto in precedenza.

Ottimizzazione del PUE: efficienza energetica nelle infrastrutture di telecomunicazione

Il PUE (Power Usage Effectiveness) è il rapporto tra l'energia totale della struttura e l'energia delle apparecchiature IT. Un PUE perfetto è pari a 1,0. Le vecchie sedi di telecomunicazione operano in genere con un PUE pari o superiore a 2,0; ciò significa che ogni watt di elettricità consumato per la trasmissione dei dati viene sprecato per il raffreddamento e l'illuminazione.

Ridurre al minimo il PUE non è solo una questione di ecologia, ma anche di redditività che può essere minimizzata attraverso la manutenzione. Il raffreddamento è una componente tipica del 30-50% del fabbisogno energetico di un sito di telecomunicazioni.

Per ottimizzare il PUE:

1. Aumentare il setpoint: Le apparecchiature di telecomunicazione contemporanee sono durevoli. Il setpoint della temperatura interna di 22°C può essere portato a 26°C, con un risparmio enorme.
2. Implementare la gestione del flusso d'aria: Implementare la gestione del flusso d'aria. Separare i corridoi del caldo e del freddo per evitare la miscelazione dell'aria.
3. Aggiornamento ai componenti a velocità variabile: Il passaggio futuro a compressori e ventilatori a velocità variabile vi assicura di pagare per raffreddare solo quanto effettivamente richiesto in quel momento.

Conclusione

Il passaggio alla moderna infrastruttura di telecomunicazione è un processo di gestione della densità. Maggiore è la velocità di trasmissione dei dati utilizzando reti più avanzate, maggiore è la penalizzazione termica. Indipendentemente dalla torre remota, gestita dal 5G o da un centro edge containerizzato, l'obiettivo è simile: affidabilità, efficienza e longevità.

Il budget potrebbe non essere disponibile per costruire strutture completamente nuove con raffreddamento a liquido, come nel caso di molti operatori. È a questo punto che il retrofitting si rivela una strategia efficace.

Per ottenere alcuni vantaggi non è necessario sostituire l'intera unità di raffreddamento. I vecchi armadi possono essere rinnovati aggiornando i vecchi sistemi con i più moderni vassoi per ventole ad alto flusso d'aria o sostituendo le ventole CA degli armadi con equivalenti efficienti di tipo EC. Questo Metodo di microaggiornamento risolve i problemi termici a breve termine delle apparecchiature 5G con il risparmio dei costi di un aggiornamento completo del sito.

ACDCFAN è qui con voi, qualora doveste riscontrare problemi termici nella vostra installazione, sia che si tratti di progettare un nuovo armadio esterno o di aggiornare uno vecchio con la vecchia stazione base. Disponiamo di una gamma completa di ventilatori CA, CC e CE e di solide capacità ODM che ci consentono di fornire una proposta preliminare di soluzione di raffreddamento. entro 10 giorni.

Il futuro delle telecomunicazioni è caldo, ma con un piano di raffreddamento adeguato, la vostra rete di telecomunicazioni sarà ancora fresca, efficiente e online.