Cálculo da necessidade total de potência para centros de dados

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Cálculo da

necessidade total

de potência para

centros de dados

Por Victor Avelar

Relatório APC N° 3

Revisão 1

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2004 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte dessa publicação pode ser usada, reproduzida, copiada, transmitida ou armazenada sem autorização escrita do proprietário dos direitos autorais. www.apc.com Rev 2004-0

2 Resumo executivo

Parte do projeto e planejamento de um Data Center consiste em alinhar as necessidades de

potência e de refrigeração dos equipamentos de TI com a capacidade dos equipamentos da

infraestrutura para atender essas necessidades. Este relatório apresenta métodos para

calcular a potência e a refrigeração, e fornece orientação para a determinação da capacidade

de potência elétrica total requerida para alimentar um Data Center, incluindo os equipamentos

de TI, equipamentos de refrigeração, iluminação e sistema de reserva de energia.

Índice

Clique na seção para ir para o texto

Introdução

3 Avaliação da necessidade

3 Determinação da capacidade de potência elétrica necessária

4 Cálculo final da capacidade elétrica

7 Conclusão

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3 Introdução

Com a adoção de arquiteturas de no-breaks escaláveis que permitem investir em função do crescimento da empresa, está ficando mais fácil instalar esses sistemas. Assim, o administrador do Data Center pode acrescentar módulos simplesmente à medida que crescem as necessidades do Data Center. No entanto, é fácil perder de vista as necessidades elétricas futuras do Data Center ou da sala de servidores em uma infraestrutura maior.

O dimensionamento das instalações elétricas para um Data Center ou sala de servidores exige o conhecimento da potência necessária para o sistema de refrigeração, para o sistema do no-break e para as cargas de TI críticas. Os requisitos de potência desses equipamentos podem variar substancialmente de um para outro, mas podem ser estimados com precisão utilizando regras simples, quando a potência da carga de TI projetada for determinada. Além de estimar o dimensionamento da instalação elétrica, estes elementos podem ser utilizados para estimar a capacidade de potência de saída de um sistema gerador de reserva, caso seu uso seja necessário para as cargas do Data Center.

Avaliação das necessidades

Todas as iniciativas para melhorar a capacidade do ambiente de um Data Center, independente da dimensão ou escala, deve começar com uma avaliação das necessidades. Essencialmente, a avaliação das necessidades estabelece as necessidades de disponibilidade dos aplicativos comerciais processados pelos equipamentos de TI. Um processo comercial que não precisa ser executado em função do tempo ou opere por um processo em lotes pode determinar a potência e a capacidade de condicionamento de ar para a carga em uma configuração “N”, sem redundâncias internas para aumentar a disponibilidade. Instalações que requerem o processamento em função do tempo podem exigir um certo grau de redundância em sistemas com componentes-chave e serem configuradas com uma topologia “N+1”. Cada elemento chave do sistema teria um equipamento redundante, de tal forma que ainda que um equipamento falhasse, o sistema poderia continuar funcionando e mantendo sua função para a carga crítica de TI. As aplicações mais críticas para Data Centers que requerem disponibilidade total (7x24 horas) teriam uma topologia 2N, onde os sistemas críticos seriam totalmente redundantes. Um sistema crítico poderia falhar, mas o outro manteria as cargas operacionais. Isto também permite um certo grau de manutenção paralela, enquanto a manutenção é feita em um sistema o outro alimenta a carga. Para obter mais informação sobre diversos tipos de configurações de sistemas, consulte o Relatório APC N° 75 "Comparação de configurações para projeto de sistemas No-Break".

Independente de qual for a configuração real do projeto do sistema No-Break (N, N+1, 2N), o problema central de fornecer potência suficiente à carga crítica e mantê-la refrigerada é o mesmo, e deve ser abordado cuidadosamente. Subestimar a capacidade requerida pode resultar em interrupções no fornecimento de energia no futuro quando for necessário o aumento da capacidade de energia elétrica, e superestimar a capacidade gera custos iniciais excessivos de instalação e maiores gastos com manutenção contínua.

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4 Determinação da capacidade de potência elétrica

necessária

A maioria dos Data Centers faz parte de um prédio maior. Os passos para determinar a capacidade elétrica apresentados a seguir vão ajudá-lo a estimar a capacidade necessária para a parte do prédio destinada ao Data Center ou sala de servidores. A diferença entre uma potência em estado estável e a potência de pico é importante quando são calculados os requisitos de capacidade de potência, por isso é indicada ao longo deste artigo. Para obter mais informação sobre por que existem variações de potência, consulte o Relatório APC N° 43 “Variações dinâmicas da potência em Data Centers e salas de servidores”. Para as instalações que compartilham e utilizam componentes críticos, tais como ar condicionado, sistemas de resfriamento ou geradores de reserva para alimentar outras cargas além do Data Center, o dimensionamento do sistema requer uma análise mais completa e complexa que deve ser feita por um engenheiro consultor.

A Figura 1 ilustra a divisão típica da capacidade de potência elétrica entre as diversas cargas de um Data Center. Esta divisão considera um Data Center de 465 metros quadrados com uma carga crítica inicial em estado estável de 50 kW, mais uma carga estável futura de 50 kW. O sistema de refrigeração considerado foi o de expansão direta (DX) e a tensão recebida do sistema elétrico é de 480 VCA.

Figura 1 – Distribuição da capacidade elétrica necessária para um Data Center

Sistema de refrigeração DX

50%

Iluminação

3% Carga de bateria/ falha do No-Break

11%

Cargas críticas 36%

Cargas críticas

Um exercício de projeto adequado ao desenvolver um Data Center, para um ambiente de um rack único até um Data Center completo, começa com a determinação do tamanho da carga crítica que deve ser alimentada e protegida. A carga crítica é a totalidade dos componentes de hardware de TI que compõem a arquitetura comercial de TI: servidores, roteadores, computadores, dispositivos de armazenamento, equipamentos de telecomunicações, etc., bem como os sistemas de segurança, e os sistemas contra incêndios e de

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monitoramento que os protegem. Esse processo começa com uma lista de todos os equipamento , com a potência e a tensão nominal de cada um deles indicadas pelo fabricante, e se são monofásicos ou trifásicos. A informação fornecida pelo fabricante deve ser ajustada para refletir a carga antecipada real. As potências nominais indicadas pelos fabricantes são os valores de consumo de energia nos piores casos, conforme especificado pelo Underwriter’s Laboratory e, quase sempre, se encontram bem por cima do nível de energia esperada para a operação. Estudos realizados por firmas renomadas de engenharia consultiva e fabricantes de fontes de alimentação indicam que os valores nominais indicados pelos fabricantes da maior parte dos dispositivos de TI ultrapassam amplamente a carga de operação real em um fator de pelo menos 33%. O Código Elétrico Nacional (NEC) dos Estados Unidos e órgãos regulamentadores internacionais similares também reconhecem este fato e permitem aos planejadores de sistemas elétricos somar os valores fornecidos pelos fabricantes para as cargas estimadas e multiplicá-los por um fator de diversidade, considerando que nem todos os dispositivos operam com carga plena o tempo todo. Alternativamente, pode ser utilizada uma calculadora de dimensionamento avançado, como a obtida no site indicado a seguir. Calculadoras deste tipo trazem dados de consumo de energia de uma ampla variedade de fabricantes além de especificar diversas configurações de equipamentos.

Seletor de UPS

Neste site, um profissional de TI pode configurar vários racks de servidores representativos com base em componentes de marca. Esta ferramenta funciona somando os requisitos de potência conhecidos de cada componente dentro de uma configuração de um determinado servidor. Por exemplo, quando o usuário especifica um servidor, também vai ser solicitado que ele digite a quantidade de CPUs e outros detalhes. A partir dos dados informados pelo usuário, o Seletor de No-Break calculará a potência total requerida para o rack (a potência será indicada em volt-amperes ou VA). A ferramenta inclui também dados importantes sobre a tensão de entrada e o tipo de plugue de alimentação previsto pelos fabricantes.

Com a lista de componentes estimados que compõesm a carga crítica, pode ser estabelecida a carga base utilizando uma ferramenta de dimensionamento. Para o caso de equipamentos de TI não contemplados pelos seletores, bem como para o requisito de potência dos sistemas contra incêndios, de segurança e de monitoramento, o seguinte processo pode ser utilizado:

1. Somar as potências indicadas pelo fabricante das cargas estimadas. Se a potência não for indicada no equipamento, esse valor pode ser determinado multiplicando-se a corrente (ampères) pela tensão do dispositivo para obter o valor em VA, que se aproxima à quantidade de watts que o dispositivo irá consumir.

2. Multiplicar o valor em VA estimado por 0,67 para calcular a potência real, em watts, que representará a carga crítica.

3. Dividir o número obtido por 1000 para estabelecer o nível de carga em quilowatts (kW) da carga crítica estimada.

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6 Cargas futuras

As cargas de Data Centers não são estáticas. Após sua construção ou estabelecimento os equipamentos de TI mudarão quase continuamente durante a vida útil do Data Center. As atualizações de TI terão, no mínimo, um ciclo de 3 anos, no qual novos dispositivos, mais potentes ou mais eficientes serão instalados ou substituirão os equipamentos da lista de projeto inicial. Uma avaliação realista do escopo e do momento das alterações e atualizações futuras deve ser desenvolvida pela organização de TI para permitir o planejamento adequado da determinação inicial das necessidades de potência. Os elementos a jusante dos sistemas de potência e distribuição elétrica podem crescer ou podem ser ajustados para cargas conhecidas e cargas futuras (ver Relatório APC N° 37 “Como evitar os custos do superdimensionamento da infraestrutura de Data Centers e de salas de gerenciamento de redes”), porém as instalações de suprimento elétrico que alimentam os componentes da infraestrutura física do Data Center devem ser calculados adequadamente para alimentar a carga conhecida no início de operação e também as cargas futuras, ou devem ser feitas previsões para instalar capacidade adicional sem que isto signifique um tempo excessivo de inatividade que poderia afetar negativamente a disponibilidade esperada pelo cliente de TI.

Uma vez realizada uma estimativa da quantidade de carga futura, ela é acrescentada no valor correspondente da carga base desenvolvida acima para estabelecer o valor da carga crítica elétrica em kW.

Cargas do no-break

Assumindo que a determinação da disponibilidade na avaliação das necessidades, explicada anteriormente, vai requerer a inclusão da potência do no-break (em quase todos os casos isto é verdadeiro), a potência total da carga elétrica deve incluir um fator para a ineficiência do sistema no-break bem como a potência adicional necessária para o carregamento das baterias.

A eficiência do no-break varia entre os modelos do produto e varia de maneira muito evidente em função da carga do no-break. Raramente os no-breaks funcionam em pontos de operação que coincidem com a eficiência anunciada pelo fornecedor. um valor realista e suficientemente preciso para a eficiência do no-break em uma instalação típica é de 88%.

A carga de baterias é um fator de consumo de energia significativo, mesmo que intermitente. Em condições de operação normal com uma bateria carregada, a carga de carregamento das baterias é insignificante. No entanto, quando uma bateria se descarregou parcial ou completamente, a potência de carga da bateria pode ser de aproximadamente 20% da carga nominal do no-break. Embora essa carga ocorra raramente, o gerador e as instalações de entrada de energia elétrica devem ser dimensionados para essa carga.

Cargas de iluminação

As cargas de iluminação responsáveis pela iluminação da parte do prédio que corresponde ao Data Center é função da área ocupada pelo Data Center. Para calcular este tipo de carga, pode usar-se como regra geral o valor de 21 watts por metro quadrado.

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7 Cargas de refrigeração

Consulte o Relatório APC N° 25, “Cálculo da necessidade total de refrigeração para Data Centers”, para obter uma análise detalhada das cargas térmicas em ambientes de Data Center. O relatório fornece tabelas que ajudam a calcular o nível de refrigeração requerido conforme o calor gerado pelos equipamentos de TI. Permite também que o planejador do projeto estabeleça os níveis de refrigeração necessária para suportar a carga crítica prevista. A eficiência dos sistemas de refrigeração varia bastante, mas pode ser dividida em sistemas de água gelada e sistemas de expansão direta. Os sistemas de água gelada são geralmente mais eficientes e, como regra geral, para o consumo de energia pode se considerar como 70% da carga máxima total que está sendo resfriada. Sistemas de expansão direta requerem aproximadamente 100% da carga máxima total suportada. Deve se salientar que as cargas de refrigeração têm cargas máximas iniciais que excedem os valores em estado estável considerados neste cálculo. A Tabela 1 deste relatório estima a potência elétrica do sistema de refrigeração de acordo com essas regras. Deste modo é possível estabelecer o tamanho do sistema de distribuição elétrica necessário para alimentar o Data Center completo.

Dimensionamento do sistema de energia elétrica

Foram determinados dois valores importantes que irão ajudar na estimativa do dimensionamento do sistema elétrico que alimentará o ambiente do Data Center: a Carga Crítica Total e a Carga de Refrigeração Total. Em geral, o sistema de suprimento elétrico deve ser suficientemente dimensionado para alimentar à soma destes dois valores, e mais as cargas de iluminação do Data Center.

O consumo de energia em estado estável das cargas dentro de um Data Center estabelece o consumo de energia para determinar os custos elétricos. Entretanto, o suprimento de energia elétrica e o gerador que fornecem energia ao Data Center não podem ser dimensionados em função dos valores em estado estável. Estas fontes devem ser dimensionadas de acordo com o consumo máximo de energia das cargas, mais todas as margens de redução ou de superdimensionado do valor nominal requerido pelos códigos em vigor ou pelas normas de engenharia. Na prática, isto faz com que o dimensionamento das instalações elétricas e do gerador seja substancialmente maior do que o esperado, como será mostrado na seção a seguir.

Cálculo da capacidade elétrica final

Depois que a capacidade elétrica total em quilowatts foi estimada a partir do processo apresentado anteriormente, duas determinações-chave podem ser feitas: a primeira é uma estimativa das instalações elétricas necessárias para alimentar o Data Center, e a segunda é a potência total do gerador reserva que pode ser necessária para atingir a disponibilidade desejada.

Dimensionamento das instalações elétricas

As instalações elétricas podem ser calculadas da seguinte forma:

1. Tomar a capacidade elétrica total necessária em quilowatts e multiplicá-la por 125% para atender os requisitos do Código Elétrico Nacional e órgãos reguladores similares.

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2. Determinar a tensão trifásica de entrada que será fornecida pela concessionária de energia elétrica. Este valor costuma ser 480 VCA nos Estados Unidos e 230 VCA em grande parte do resto do mundo. 3. Utilizar a fórmula a seguir para determinar a corrente de entrada da instalação elétrica que vai

alimentar o Data Center, em ampères (A):

A = (kW x 1000) / (volts x 1,73)

Isto fornece uma estimativa da capacidade elétrica necessária para alimentar a carga crítica, o sistema de refrigeração e as funções do prédio para um Data Center. Partindo das mesmas hipóteses da Figura 1, a Figura 2 salienta a diferença importante entre potência nominal (máxima) e a potência em estado estável, comparando a necessidade das instalações elétricas para as duas condições. Deve levar-se em consideração que esta é apenas uma estimativa, e que a determinação final das instalações elétricas depende em grande parte de informações precisas e específicas da instalação. Recomenda-se enfaticamente que sejam contratados serviços de um engenheiro consultor qualificado para verificar a estimativa inicial e desenvolver o projeto final do sistema de alimentação elétrica do Data Center. A Tabela 1, que aparece no final deste relatório, pode ser utilizada como uma planilha para ajudar a sintetizar tudo o que foi apresentado anteriormente.

Figura 2 – Suprimento elétrico nominal X suprimento elétrico em estado estável para uma carga

crítica típica de 100 kW. O suprimento elétrico nominal é quase 4 vezes o valor da carga crítica em

estado estável

Carga crítica Carga crítica

Carga de No-Break Carga de No-Break Carga de ar condicionado Carga de ar condicionado

0

50

100

150

200

250

300

350

400 Valor nominal da instalação elétrica

Estado estável da instalação elétrica

kW

Carga crítica

Carga de iluminação

Carga de No-Break

Carga de ar condicionado

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9 Dimensionamento dos sistemas de potência do gerador reserva

Quando o dimensionamento das instalações elétricas for determinado, é necessário considerar o dimensionamento de um gerador reserva apropriado, que fará o suprimento da energia em caso de interrupção no serviço elétrico e aumentará a disponibilidade do Data Center. A Figura 3 a seguir mostra a instalação típica de um gerador:

Figura 3 – Sistema de gerador típico

Serviço elétrico Gerador Switch de transferência Bus de emergência No-Break

Cargas mecânicas (ar c.)

Outras cargas (iluminação, etc.)

Carga crítica de TI

A primeira coisa a ser observada no diagrama acima é a premissa de que o Data Center é a única carga e que ela será protegida totalmente pelo gerador de potência reserva. O fornecimento da companhia de eletricidade pode ser apenas uma parte do sistema de distribuição elétrica comercial padrão, de forma tal que este diagrama faria parte de um subconjunto de um sistema elétrico muito maior. Este subconjunto é a parte do Data Center que alimenta as cargas críticas de TI.

Para estimar o tamanho do gerador necessário para as cargas críticas, utilize o cálculo incluído na parte inferior da Tabela 1. Entretanto, deve se considerar as características elétricas das cargas que vão ser conectadas ao gerador através da chave de transferência. As cargas mecânicas, por exemplo, requerem altas correntes de partida e geram correntes harmônicas que dificultam a capacidade de um gerador em fornecer a potência necessária. O próprio no-break pode contribuir para agravar esse problema se não operar com um fator de potência de entrada elevado, e também pode provocar a falha do gerador se apresentar um fator de potência adiantado ao gerador.

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A escolha de um sistema no-break com características operacionais favoráveis para uma operação confiável do gerador requer uma análise exaustiva, não apresentada neste relatório. É suficiente observar que o no-break deve ser selecionado com cuidado para atingir a confiabilidade integral. Devem ser evitados os sistemas no-breaks que apresentem características capacitivas elevadas em condições de carga baixa. Certas topologias de no-breaks, como os de conversão delta, são ideais para sistemas alimentados por gerador e não produzirão características operacionais indesejáveis dos sistemas tradicionais de dupla conversão que incluem capacitores de filtro na entrada. Esta decisão apenas ao escolher um no-break pode influir muito no dimensionamento do gerador requerido, freqüentemente em um fator de 3 (o gerador deveria ser de 1,75 a 3 vezes maior para um no-break típico de dupla conversão do que para um no-break com conversão delta). Como no caso da potência do serviço elétrico, a Figura 4 enfatiza a distinção importante entre potência nominal (máxima) e a potência em estado estável, comparando os requisitos elétricos do gerador para as duas condições.

Ao selecionar um gerador, tome por base o regime em kW do gerador por questões de simplicidade, porém considere que os geradores são projetados para funcionar com cargas com um fator de potência inferior a 1,0, e costuma ser tipicamente de 0,8. Isso significa que a corrente e a tensão estarão levemente fora de fase e que o gerador deverá suportar essa diferença. Um gerador de 1000 kW projetado para funcionar com cargas que possuam um fator de potência de 0,8 terá um valor nominal de 1200 kVA. Não se deve confundir o valor nominal em kVA com a verdadeira capacidade de potência do gerador, que sempre é indicada em kW. Para mais informação sobre o fator de potência, consulte o Relatório AP N° 15 “Watts e volts-amperes: Uma confusão em potência”.

Figura 4 – Potência nominal X potência em estado estável de um gerador elétrico para uma carga

crítica típica de 100 kW. O valor nominal do gerador é quase 4 vezes o valor de carga crítica em

estado estável

Carga crítica Carga crítica

Carga de No-Break Carga de No-Break Carga de ar condicionado Carga de ar condicionado

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450 Valor nominal gerador

Estado estável gerador

kW

Carga crítica Carga de iluminação Carga de No-Break Carga de ar c.

Superdimensionam ento devido a cargas críticas Superdimensionam ento devido a cargas de refrigeração

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11 Tabela 1 – Planilha para o cálculo da estimativa de potência necessária para um Data Center

Item

Dados necessários

Cálculo

Subtotal kW

Necessidade de potência elétrica

Carga crítica – valor obtido com a

calculadora de dimensionamento, do

site da APC na internet

Valor nominal de cada dispositivo

de TI

(Total da calculadora em

VA x 0,67 ) / 1000

N° 1 _________kW

Para equipamentos não incluídos no

seletor, carga crítica – valor indicado

pelo fabricante

Subtotal de VA (incluir sistemas

contra incêndios, de segurança e

de monitoração)

( Subtotal de VA x 0,67 ) /

1000

_{N° 2 __________kW}

Cargas futuras

VA indicado pelo fabricante de

_{cada dispositivo de TI esperado}

[ (Acrescentar valor

nominal de VA para os

dispositivos futuros) x

0,67 ] / 1000

N° 3 __________kW

Consumo de potência máxima devido à

variação das cargas críticas

Consumo total de potência da

carga crítica em estado estável

( N° 1 + N° 2 + N° 3 ) x

1,05

N° 4 __________kW

Ineficiência do no-break e carga de

baterias

Carga real + cargas futuras

(em kW)

( N° 1 + N° 2 + N° 3 ) x

0,32

N° 5

_{____________kW}

Iluminação

Área ocupada total, associada ao

_{Data Center}

0,0215 x área ocupada

_{(metros quadrados)}

_{N° 6 __________kW}

Potência total para atender a

demanda elétrica

Total resultante da soma dos

itens. 4, 5 e 6 acima

N° 4 + N° 5 + N° 6

_{N° 7 _________kW}

Necessidade de potência – Refrigeração

Potência total para atender as

demandas de refrigeração

Total de N° 7 acima

Sistemas ag. gelada N°

7 x 0,7

Sistemas DX N° 7 x 1,0

N° 8 _________kW

Requisito total de potência

Potência total para atender as

demandas elétricas e de refrigeração

Total resultante da soma dos

itens 7 e 8 acima

N° 7 + N° 8

_{N° 9 _________kW}

Estimativa do tamanho das instalações elétricas

Requisitos para atender a Norma NEC e

outras regulamentações

Total do N° 9 acima

N° 9 x 1,25

N° 10 _________kW

Tensão CA trifásica fornecida na

entrada da instalação

Tensão em CA

N° 11 ________VCA

Entrada requerida da companhia de

eletricidade em ampères

Total do N° 10 e tensão CA de

N° 11

( N° 10 x 1000 ) / ( N° 11

x 1,73 )

___________A

Estimativa da potência do gerador reserva (se aplicável)

Cargas críticas que requerem

alimentação do gerador

Total de N° 7 acima

N° 7 x 1,3*

N° 12 ________kW

Cargas de refrigeração que requerem

alimentação do gerador

Total de N° 8 acima

N° 8 x 1,5

N° 13 _________kW

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*ATENÇÃO: A variável 1,3 aplica-se a um no-break com correção de fator de potência total. Quando são utilizados sistemas no-breaks tradicionais de dupla conversão com filtros de harmônicas na entrada, deve-se utilizar o fator multiplicador 3,0.

Conclusão

A avaliação da potência elétrica necessária para alimentar e resfriar cargas críticas de um Data Center é essencial no planejamento do projeto de uma instalação que atenda as expectativas de disponibilidade do usuário final. Empregando o processo apresentado acima, pode se realizar uma estimativa razoável das necessidades de potência. Isso ajudará a determinar o tamanho dos componentes da infraestrutura física do Data Center que permitirá atingir os níveis de disponibilidade determinados pela avaliação das necessidades. Assim que a determinação do dimensionamento estiver concluída, o projeto conceitual e detalhado pode continuar com a assistência de um fornecedor competente de sistemas de infraestrurura física crítica para Data Center ou, no caso de Data Centers de maior porte, com a assistência de um engenheiro consultor. A estimativa de custos pode ser realizada em seguida, com base no tamanho e na configuração de disponibilidade, determinados a partir do processo de avaliação das necessidades de potência apresentado acima.

Acerca do autor

Victor Avelar é analista de pesquisa sênior da APC. É responsável por projeto e pesquisa de operação de Data Centers e faz consultoria para clientes sobre avaliação de riscos e práticas de projeto para otimizar a disponibilidade e eficiência de seus ambientes de Data Center. Victor é graduado em Engenharia Mecânica pelo Renssselaer Polytechnic Institute e possui um MBA pelo Babson College. É membro da AFCOM e da American Society for Quality.

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Relatórios APC No. 25 - Cálculo da necessidade total de refrigeração para Data Centers Relatórios APC No. 15 - Watts e volts-amperes: Uma confusão em potência

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