Soluções de arrefecimento de telecomunicações para infra-estruturas modernas

Esta evolução coloca um problema grave, que não deve ser subestimado: calor.

As actuais estações de base 5G utilizam cerca de 2 a 3 vezes menos energia do que as suas antecessoras 4G. Este maior consumo de energia é diretamente convertido numa maior produção térmica. Os riscos são demasiado elevados para os gestores de infra-estruturas e engenheiros de telecomunicações. Um arrefecimento deficiente causa estrangulamento térmico, redução da vida útil dos componentes e, pior ainda, tempo de inatividade da rede. A falha térmica já não é uma opção numa indústria em que a disponibilidade de cinco noves (99,999%) é a norma.

Neste guia, este documento explorará o estado atual do arrefecimento das telecomunicações e examinará as tecnologias mais adequadas à infraestrutura em questão, bem como a forma de otimizar a sua estratégia de gestão térmica, tanto em termos de desempenho como de custos.

A evolução dos desafios térmicos nas telecomunicações

É importante compreender a lógica subjacente ao facto de o perfil térmico do equipamento de telecomunicações ter evoluído tão drasticamente antes de escolher uma solução.

A densidade de potência é o principal fator de motivação. Anteriormente, o equipamento de telecomunicações era alojado em grandes centros de comutação, onde as unidades CRAC (Computer Room Air Conditioning) eram enormes. Atualmente, a rede está a tornar-se cada vez mais densa. As matrizes MIMO (Multiple Input, Multiple Output) maciças de antenas e unidades de banda base (BBUs) estão a colocar mais unidades de processamento em áreas mais pequenas.

Além disso, o local onde o equipamento está situado foi alterado. A infraestrutura está a deslocar-se para a periferia, onde está situada em armários à beira da estrada, telhados e ao pé de torres de telemóveis. Estes locais não têm os padrões ambientais limpos de um centro de dados. Eles estão sujeitos a:

• Carregamento solar: A luz solar direta aumenta as temperaturas internas do armário.
• Temperaturas altas e baixas extremas: Noites de frio, dias de calor.
• Restrições acústicas: Devem ser tomadas precauções na localização de equipamentos em bairros residenciais que limitem os níveis de ruído do equipamento para que o ventilador possa rodar de forma agressiva.

Já não se trata apenas de manter a refrigeração, mas também de o fazer de forma eficiente, silenciosa e fiável, em locais hostis.

Tecnologias de arrefecimento primário: Ar vs. Líquido vs. Híbrido

Um método de arrefecimento é melhor do que outro. A decisão correta dependerá em grande medida da carga térmica (em kW) e da localização física do equipamento.

Arrefecimento de precisão e arrefecimento gratuito

O arrefecimento a ar continua a ser o padrão utilizado pela grande maioria dos sites de telecomunicações, especialmente aqueles cujas cargas são inferiores a 10-15kW por bastidor.

Ar condicionado de precisão: Neste método, é utilizado um sistema de circuito fechado (como uma unidade CRAC) para reduzir a temperatura mecanicamente. Embora funcione bem, baseia-se em ventoinhas internas de alta potência que são utilizadas para empurrar este ar condicionado para além de racks de servidores de densidade empilhada e filtros. É estável e bem conhecido e consome energia, uma vez que o compressor está ligado durante todo o tempo em que as ventoinhas estão activadas.

Free Cooling (arrefecimento direto do ar): Para combater os custos excessivos de energia, o Free Cooling tornou-se o padrão da indústria. No caso deste tipo de técnica, o ar ambiente externo é utilizado como meio de arrefecimento do equipamento quando a temperatura exterior é mais fria do que o ponto de regulação interno. Um controlador inteligente abre os registos e ativa as ventoinhas de admissão e de exaustão de alta eficiência para forçar a entrada de ar fresco na cabina, evitando o compressor, que tende a consumir muita energia.

• Vantagens: A utilização de ventiladores em vez de refrigeração poderia resultar em grandes poupanças de OPEX (até 40-50% de poupança de energia em climas mais frios), funcionando com ventiladores em vez de refrigeração.
• Desvantagens: Acrescenta humidade e contaminantes em caso de filtragem deficiente; não funciona bem em climas tropicais.

Arrefecimento líquido (direto ao chip e imersão)

Acima de densidades de rack de 20kW (o que ocorre com nós de borda alimentados por IA), o ar deixa de conduzir o calor de forma eficaz. O novo concorrente é o arrefecimento por líquido.

1. Diret-to-Chip (DTC): As placas frias são colocadas sobre os componentes quentes (CPUs/GPUs) e o fluido dielétrico é utilizado para transferir o calor.
2. Arrefecimento por imersão: A placa do servidor é totalmente imersa num fluido não condutor.

A verificação da realidade: Embora o arrefecimento por líquido possa ser utilizado para uma melhor transferência de calor, implica uma remodelação em grande escala da infraestrutura atual, o que implica a introdução de canalizações, bombagem e outros novos procedimentos de manutenção que não são familiares a muitos locais de telecomunicações remotos. Num futuro próximo, que é previsível, as soluções híbridas assistidas por ar serão a opção mais viável no que respeita à implementação em massa.

Estratégias de arrefecimento híbridas

Arrefecimento híbrido é o futuro a ser realizado por muitos operadores. Esta estratégia baseia-se no arrefecimento a ar da maior parte da sala ou do armário, mas aplica uma forma localizada de arrefecimento líquido (por exemplo, um permutador de calor na porta traseira) a determinadas estantes de alta densidade. Isto permitirá aos operadores aumentar a escala do 5G sem renunciar aos seus antigos investimentos em arrefecimento a ar.

Para que possa visualizar o processo de seleção, é apresentada abaixo uma comparação de casos de utilização típicos:

Estratégias de arrefecimento para armários de telecomunicações exteriores

A linha de frente da rede moderna é o gabinete externo. Não tem um edifício para proteger o equipamento, como é o caso de um centro de dados. A política de refrigeração, neste caso, deve ser defensiva e funcional.

Gerir os factores ambientais (poeira, humidade e calor)

Sistemas de arrefecimento exterior são caracterizados pela proteção contra a entrada (IP) ou Classificação NEMA. A construção do elemento de arrefecimento, neste caso a ventoinha, é o elo mais frequentemente mais fraco.

1. Poeira e areia: Os dissipadores de calor e os filtros podem ficar obstruídos por partículas finas num ambiente desértico ou urbano. A resistência do caudal de ar aumenta à medida que os filtros ficam cheios de pó. Isto requer a utilização de Elevado Pressão estática Fãs que pode manter uma quantidade suficiente de fluxo de ar em meios obstruídos sem parar ou se queimar.
2. Humidade e nevoeiro salino: O nevoeiro salino é fatal para o serviço costeiro. Provoca a formação de placas de cobre e a perda dos rolamentos normais das ventoinhas nas placas de circuitos. As soluções para este problema são Ventiladores IP68 com motores totalmente encapsulados. Estas ventoinhas são hermeticamente fechadas, ao contrário das ventoinhas revestidas normais, de modo que a eletrónica interna nunca é exposta à humidade e ao sal.

Métodos de arrefecimento activos vs. passivos

A consideração do arrefecimento ativo ou passivo de um armário exterior é uma computação de Δ T (delta T) - a discrepância entre a temperatura interna mais elevada permitida e a temperatura exterior mais elevada permitida.

1. Arrefecimento passivo (permutadores de calor/HEX)

Esta é a solução mais segura de baixo consumo de energia. Recircula o ar quente no armário através de um ventilador interno e sopra o ar ambiente frio através de um núcleo de permuta de calor através de um ventilador externo. Os dois fluxos de ar nunca se misturam.

• O papel do adepto: A capacidade de arrefecimento do sistema é impulsionada apenas pelo volume do caudal de ar das ventoinhas, uma vez que o sistema não possui um compressor. Os ventiladores de elevado desempenho podem promover consideravelmente a taxa de remoção de calor da unidade HEX tradicional.

2. Arrefecimento ativo (aparelhos de ar condicionado/TEC)

O arrefecimento ativo é necessário quando o armário tem de estar ao sol, a 40 °C (104 °F), e o equipamento tem de ser mantido a 25 °C (77 °F).

Embora os aparelhos de ar condicionado activos sejam eléctricos, utilizam fortes ventoinhas de condensação para libertar o calor para a atmosfera. Quando essas ventoinhas funcionam mal ou se desgastam em condições climatéricas adversas, o compressor sobreaquece e explode. Assim, a qualidade das ventoinhas instaladas na unidade de AC é um fator que está diretamente relacionado com a qualidade da própria unidade de AC.

O papel da tecnologia avançada de ventiladores na eficiência do sistema

Independentemente do tipo de permutador de calor que selecionar, ou de uma unidade de AC de precisão ou de um sistema Free Cooling, há um elemento que se destaca por ser muito importante para o desempenho geral e a eficácia de toda a cadeia: o ventilador.

A ventoinha é muitas vezes considerada como uma mercadoria; no entanto, na realidade, é o batimento cardíaco do sistema térmico. Se a ventoinha se avariar, o arrefecimento é interrompido e o local fica escuro. Quando esta ventoinha não é eficiente, o seu PUE (Power Usage Effectiveness) dispara para o céu.

Porque é que as ventoinhas são essenciais para as telecomunicações modernas (ACDCFAN Solutions)

Uma ventoinha genérica pronta a utilizar não é suficiente no contexto da infraestrutura de telecomunicações moderna. É aqui que a engenharia especializada entra em ação no Custo Total de Propriedade (TCO).

Na ACDCFAN, apercebemo-nos de que os clientes de telecomunicações têm três problemas específicos, que incluem o desperdício de energia, condições ambientais adversas, temperaturas extremas e custos de manutenção. A solução para estes problemas passa pelo abandono das ventoinhas AC normais em favor de ventoinhas mais específicas:

• Arrefecimento inteligente "a pedido" (tecnologia EC):

  As ventoinhas convencionais funcionam sempre à velocidade máxima. As ventoinhas EC (Electronically Commutated) do ACDCFAN são compatíveis com o controlo de velocidade inteligente PWM (Pulse Width Modulation). A ventoinha terá contacto com o sistema e só rodará mais rapidamente com o aumento da carga térmica.

  • O valor: Quando a carga de tráfego é baixa, as ventoinhas abrandam, o que minimiza significativamente o consumo de energia e o ruído.
• Sobreviver aos elementos (proteção IP68):

  As ventoinhas normais não duram muito tempo quando estão expostas à água ou a pequenas partículas de pó. No caso dos armários de telecomunicações exteriores, estamos a utilizar um ventilador especial Encapsulamento IP68 procedimento. Isto torna o motor e a eletrónica totalmente resistentes à entrada de água e poeira. Além disso, os nossos modelos foram concebidos para funcionar bem em altitudes extremas, quando a densidade do ar é suficiente e se obtém um arrefecimento suficiente, ao contrário das ventoinhas normais que não conseguem funcionar em tais condições.

• A longevidade como fator de poupança de custos:

  Uma mudança de ventilador que exija a substituição num armário distante no topo da montanha pode ser dispendiosa ao ponto de custar meio milhar em camiões e horas de trabalho. A fiabilidade é fundamental. Com a ajuda dos sistemas de rolamento duplo de esferas de alta qualidade, os nossos ventiladores são capazes de atingir um MTBF (tempo médio entre falhas) de mais de 70.000 horas. Esta é uma caraterística importante desta fiabilidade de instalar e esquecer para minimizar o OPEX na infraestrutura remota.

Gestão térmica para centros de computação de ponta

O Edge Data Center está localizado um pouco mais para dentro do que o gabinete remoto. Estes são centros de dados em contentores e pré-fabricados que são colocados mais perto do utilizador para minimizar a latência.

O espaço é um luxo em tais unidades. As grandes unidades de refrigeração perimetral estão fora de questão. A moda nesta área é o arrefecimento em linha ou os permutadores de calor de porta traseira. Estes estão localizados entre as prateleiras dos servidores (ou na parte de trás dessas prateleiras), reduzindo a distância do fluxo de ar.

Também é difícil lidar com os Hot Spots nos centros Edge. Devido à possibilidade de variar as cargas de trabalho em diferentes bastidores (por exemplo, um bastidor está a fornecer streaming de vídeo, outro está a fornecer dados IoT), o calor é produzido de forma desigual. Para gerir todos estes microclimas, os sistemas de gestão térmica inteligentes devem ter sensores que os detectem e direcionem o fluxo de ar para o local necessário. Ventoinhas PWM descrito acima.

Otimizar a PUE: Eficiência energética na infraestrutura de telecomunicações

PUE (Power Usage Effectiveness) é o rácio entre a energia total da instalação e a energia do equipamento de TI. Uma PUE perfeita é 1,0. As instalações de telecomunicações mais antigas funcionam normalmente com uma PUE de 2,0 ou superior, ou seja, cada watt de eletricidade consumido na transmissão de dados é desperdiçado em refrigeração e iluminação.

Minimizar a PUE não é apenas uma questão de ser ecológico, mas é também uma questão de rentabilidade que pode ser minimizada através da manutenção. A refrigeração tem sido um componente típico de 30-50% da demanda de energia de um site de telecomunicações.

Para otimizar a PUE:

1. Aumentar o ponto de regulação: O equipamento de telecomunicações contemporâneo é duradouro. O ponto de regulação da temperatura interna de 22°C pode ser aumentado para 26°C, o que permite poupar quantidades colossais.
2. Implementar a gestão do fluxo de ar: Implementar a gestão do fluxo de ar. Separar os corredores de quente e frio para evitar a mistura de ar.
3. Atualização para componentes de velocidade variável: A mudança futura para compressores e ventiladores de velocidade variável garante-lhe que só pagará para arrefecer a quantidade de água que for realmente necessária nesse momento.

Conclusão

A passagem para a moderna infraestrutura de telecomunicações é um processo de gestão da densidade. Quanto maior for a taxa a que estamos a transmitir dados utilizando redes mais avançadas, maior será a penalização térmica. Independentemente da torre remota, que é gerida pelo 5G ou por um centro de borda em contentor, o objetivo é semelhante, ou seja, fiabilidade, eficiência e longevidade.

O orçamento pode não estar disponível para construir instalações completamente novas com refrigeração líquida, como é o caso de muitos operadores. É nesta altura que a adaptação será uma estratégia eficaz.

A unidade de refrigeração completa não tem necessariamente de ser substituída para obter alguns benefícios. Os armários mais antigos podem ganhar uma nova vida actualizando os sistemas antigos com tabuleiros de ventoinhas de elevado caudal de ar mais modernos ou substituindo as ventoinhas AC nos armários por equivalentes eficientes do tipo EC. Este método de microactualização aborda as preocupações térmicas a curto prazo do equipamento 5G com a poupança de custos de uma atualização completa do local.

ACDCFAN está aqui consigo, caso esteja a ter problemas térmicos na sua instalação, quer esteja a conceber um novo armário exterior ou a atualizar um antigo com a estação de base antiga. Temos a nossa gama holística de ventiladores AC, DC e EC e capacidades ODM robustas que nos permitem apresentar uma proposta preliminar de solução de arrefecimento no prazo de 10 dias.

O futuro das telecomunicações é quente, mas com o plano de arrefecimento adequado, a sua rede de telecomunicações continuará a ser fresca, eficiente e online.