Ahorro Energético en Sistemas de Data Center

En general, salvo donde se indica, la base para comparar el ahorro energético es un sistema convencional de climatización de un Data Center con chiller, climatizadores enfriados con agua helada, ventiladores centrífugos con tracción mediante poleas y correas, y con válvulas de expansión presostáticas.

Soluciones para lograr el máximo rendimiento frigorífico con el mínimo consumo eléctrico en los centros de procesos de datos.

Ing. Heinrich Stauffer,

Es de conocimiento general que los sistemas de climatización precisa, o Heavy Duty, para enfriar Data Center son de alto consumo energético. Son instalaciones de enfriamiento continuo los 365 días del año y 24 horas por día, verano e invierno; por lo que deben garantizar una operación ininterrumpida, integrando equipos y componentes de reserva para tener sistemas redundantes.

Los conceptos de ahorro energético del presente artículo se dividen en seis soluciones. Las primeras dos son bastante conocidas en el rubro y las demás, poco o nada conocidas.

En general, salvo donde se indica, la base para comparar el ahorro energético es un sistema convencional de climatización de un Data Center con chiller, climatizadores enfriados con agua helada, ventiladores centrífugos con tracción mediante poleas y correas, y con válvulas de expansión presostáticas. Es lo que comúnmente se encuentra hoy como instalación típica en un Data Center  mediano y grande.

Definiciones

Aire Acondicionado de Precisión (PAC, por sus siglas en inglés)

Aire Acondicionado de Salas de Computación y Climatizadores para Data Center (CRAC, por sus siglas en inglés)

Manejadoras de Aire para Data Center (CRAH, por sus siglas en inglés)

Sistemas para mantener en una Sala la Temperatura y Humedad Relativa Constante y en Estrechas Tolerancias, 24 hrs, 365 días al año, en consecuencia el climatizador debe ser capaz de:

• Enfriar
• Humidificar
• Deshumectar
• Poscalentar
• Filtrar

El enfriamiento sensible debe ser mayor que 90 %; óptimo es 100 %. Solamente el enfriamiento sensible puede bajar la temperatura en la sala

El enfriamiento latente debe ser mínimo; provoca reducción de la humedad en la sala

Deshumidificar es una de las funciones de un climatizador de precisión

Comparación climatizador confort v/s precisión

Ítem	Concepto	Equipo confort	Equipo precisión
1	Caudal de Aire	Tiene un caudal de aire pequeño y un salto de temperatura grande a través del serpentín de enfriamiento	Tiene un caudal de aire grande y un salto de temperatura pequeño a través de serpentín de enfriamiento
2	Temperatura evaporación del refrigerante	Baja (rodean los 0 °C)	Alta (temperaturas positivas, 5 a 8 °C)
3	Superficie serpentín de evaporación a igual velocidad de pasos de aire	Pequeña, por motivo del bajo caudal de aire	Grande, por motivo del gran caudal de aire
4	Capacidad sensible	60-70 % de la capacidad total	90 – 100 % de la capacidad total
5	Capacidad latente	30-40 % de la capacidad total	0 – 10 % de la capacidad total
6	Formación de hielo en el evaporador en invierno	Se forma hielo con bajas temperaturas exteriores, no hay regulación individual en el condensador	No se forma hielo gracias a una regulación de presión de condensación constante en el circuito de refrigeración, la cual mantiene estable la temperatura de condensación, independientemente de las temperaturas exteriores
7	Humidificación	No tiene humidificador integrado en el climatizador. Si se requiere, se coloca unhumidificador independiente	Tiene humidificador integrado. La regulación puede ser on-off o proporcional
8	Deshumidificación	El proceso de deshumidificación es constante por motivo de las bajas temperaturas	Tiene proceso de deshumidificación controlado. Tiene poscalefacción para corregir la desestabilización de latemperatura en la sala
9	Selección de calidad de componentes	Componentes para lograr una vida útil de 12 a 15 años con 1 mil 200 horas de funcionamiento  por año	Componentes Heavy Duty para lograr una vida útil de 12 a 15 años con 8 mil 760 horas de funcionamiento por año
10	Nivel de ruido	Nivel de ruido bajo por tener caudales de aire pequeños	Nivel de ruido mediano – alto por tener caudales de aire grandes
11	Costo equipo	Reducido costo de inversión (producción masificada)	Alto costo, tres a cuatro veces el costo del equipo de confort (series pequeñas, a medida)
12	Ubicación del compresor	En unidad condensadora	Dentro del climatizador
13	Desnivel entre compresor y evaporador	Compresor inferior o superior al evaporador, generalmente sin problema. Ver limitantes que indica el proveedor	Compresor inferior al evaporador limitado por motivo del retorno de líquido
14	Control inteligente	Controlador simple, se limita a controlar la temperatura, tolerancias grandes	Amplia prestación: Control de temperatura y humedad relativa en estrechas tolerancias, síntesis de fallas, integra la filosofía de redundancia, rotación entre equipos, enclavamientos, etc.

 

Posibles sistemas de enfriamiento

 

Disponibilidad del CPD según definición TIER

TIER	Tier I	Tier II	Tier III	Tier IV
Redundancia	N	N+1	N+1	2x(N+1)
Número de alimentaciones eléctricas	1	1	1x activo/1x pasivo	2
Mantenimiento en operación	no	no	sí	sí
Posibles puntos de falla	Muchos	Muchos	Algunos	Incendio, fallo humano
Tolerancia a fallos únicos	no	no	no	sí
Interrupción de operación por mantenimiento al año	2 de más de 12 horas	1.5 de más de 12 horas	0	0
Interrupción de servicios por año	2 blockouts de más de 4 horas	1  blockout de más de 4 horas	0 blockouts de más de 4 horas	0.2 blockouts de más de 4 horas
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Tiempo anual de servicio	28,8 horas	22,00 horas	1,6 horas	0,8 horas
Disponibilidad de servicio	99,671%	99,749%	99,982%	99,991%

 

Elementos influyentes sobre la eficiencia de la climatización en un CPD

Temperatura ambienteTemperatura de salaHumedad de salaAltura piso falsoAbertura y número de palmetas perforadasFugas de aire	Superficie evaporadorFuncionamiento a carga parcialTamaño DrycoolerTecnología de ventiladorTamaño de equiposRefrigerante	Diámetro de tuberíasOpcionalesEstado filtrosCarga de refrigeranteDistribución de aireFree Cooling

 

Posibles sistemas de distribución de aire

1.  Por piso técnico	2.  Por piso técnico con pasillos fríos y calientes
3.  Por piso técnico con pasillos fríos cerrados	4.  Climatizadores intercalados entre los rack y pasillo  caliente capsulado
5.  Climatizadores Intercalados entre los rack y pasillo frío capsulado	6.  Sistemas de Enfriamiento Integrados directamente en los Rack

 

Sistemas de enfriamiento con posibilidades de ahorro energético

Sistemas enfriados por aire

Integrar en los climatizadores ventiladores EC (Eléctricamente Conmutado) y válvulas de expansión electrónicas. El ahorro energético en esta aplicación está en el orden del 5 %, haciendo la comparación con un sistema idéntico enfriado por aire. El ahorro está en los ventiladores y en el Mejoramiento del COP (Coefficient of Performance). El ventilador funciona de forma ininterrumpida durante todo el año. Por lo tanto, hay un aspecto fundamental en la tecnología a emplear:

Características del ventilador EC:

• Elevada eficiencia a un bajo consumo eléctrico
• Caudal de aire regulable desde el controlador del climatizador
• Ausencia de vibración
• Ventilador centrífugo con transmisión directa

 

Ventajas:

• Ahorro energético
• Hacer funcionar climatizador Stand-By
• Incremento de la capacidad frigorífica neta
• Fácil adaptación a los cambios de condición de la sala
• Bajo nivel sonoro
• Unidades silenciosas
• No requiere mantenimiento
• No hay presencia de polvo por abrasión de correas

Sistemas enfriados por agua helada   

Climatizadores enfriados por agua helada, integrando ventiladores EC, haciendo trabajar simultáneamente todos los climatizadores, inclusive los que están en stand-by, usando válvulas de 2 vías para regular el caudal del agua helada en el lugar de válvulas de tres vías y en consecuencia de éstas, instalar bombas recirculadoras de agua con regulación de velocidad. Los chiller integran, del lado condensador, serpentines de agua para hacer Free Cooling en días de bajas temperaturas.  El ahorro energético que se logra está en el rango de 4 a 20 %.

 Free Cooling Indirecto, Free Cooling Dinámico (DFC)

Son sistemas enfriados por agua mediante radiadores (DryCooler). Los climatizadores integran ventiladores EC y válvulas de expansión electrónica. En cada climatizador se instala un serpentín de agua junto al evaporador. El agua proveniente de los DryCooler pasa primero por este serpentín para hacer un pre-enfriamiento del aire, siempre y cuando la temperatura del agua esté por debajo de la temperatura de retorno del aire al climatizador. La misma agua, a su vez, es la que transporta después el calor de condensación de los climatizadores hacia los DryCooler. Las regulaciones de caudales de agua del serpentín y del condensador de placa se hacen mediante válvulas de 2 vías. Las fluctuaciones del caudal de agua en la red hidráulica compensan las bombas con regulación de velocidad. Los DryCooler a su vez también tienen ventiladores EC con control de velocidad. Estos sistemas ahorran alrededor de 40 % de energía, dependiendo principalmente de la temperatura del aire exterior.

Si la temperatura de agua proveniente del DryCooler está por debajo de la temperatura de retorno de aire del climatizador, pasa primero por el serpentín de agua. La capacidad faltante la aporta el compresor y evaporador. Si la temperatura del agua es demasiado baja, se detiene el compresor completamente.

DFC controla dinámicamente: Ventiladores EC de los DryCooler, los ventiladores EC de los CRAC, las bombas con variación de velocidad, las válvulas de dos vías, las válvulas electrónicas de expansión, el compresor y doble intercambiador de calor.

Entre 50 y 60 % de ahoro de energía, con  CyberAir 2 y Free Cooling Dinámico

• Selección automática del modo de operación más eficiente, dependiente de temperatura externa y carga térmica.
• Operación con compresor o sólo Free Cooling en cuatro modos.
• La válvula de expansión electrónica mejora el COP en modo mixto (Compresor + Free Cooling).

DX   Compresor Colling

–

MIX   Compresor 8 free colling

–

EFC   Extended free colling

–

FC   Free colling

DFC

 

Free Cooling directo con aire exterior

Enfriamiento directo de la sala con aire exterior. Aquí se abre una solución nueva que todavía requiere mucho trabajo, en conjunto con los fabricantes de equipos IT y operadores de los Data Center. Los proyectos que se basan en las normas ASHRAE pueden usar estos sistemas, gracias a que ASHRAE amplió el rango de las condiciones climáticas dentro de las salas. Estas soluciones dependerán mucho de la calidad del aire exterior en la zona donde se construirá la sala de servidores. Es importante evaluar la carga de polvo y presencia de gases en el aire. El ambiente marino no es apto para estos sistemas. La superficie de filtros instalados en la succión de aire dependerá de la frecuencia de cambio de los mismos. Estos sistemas, de acuerdo con la zona geográfica, ahorran hasta un 90 % de energía eléctrica. Los climatizadores deben integrar un sistema de enfriamiento con compresores enfriados por aire o con agua helada para cubrir la demanda de frío los días de alta temperatura del aire exterior o si éste contiene una humedad absoluta excesiva.

Posible ahorro energético hasta 90 % de acuerdo a temperaturas exteriores y del Data Center

 

Campo de Aplicación, Según la Ashrae

El nuevo campo de aplicación propone ideas novedosas en sistemas de enfriamiento de data center. Cabe aclarar que el enfriamiento directo se hace posible si la temperatura exterior es inferior a 18 °C.

Ventajas:

• Máxima eficiencia por el enfriamiento directo
• No hay pérdidas por la ineficiencia de intercambiadores de calor
• Sistema modular que puede crecer junto con el incremento de carga de la sala
• No requiere una instalación hidráulica inicial de la capacidad final
• Costo de inversión inferior, en comparación con el free cooling indirecto
• El más bajo consumo energético, en comparación con todos los otros sistemas

Consideraciones:

• Control de la humedad relativa en la sala limitada
• Pueden darse condiciones entre 20% y 80%
• Sistemas de humidificación ultrasónicos de alta capacidad (recomendados)
• Calidad de aire exterior en el momento de seleccionar el lugar de construcción
• Evitar proximidad a autopistas, ambientes mineros, zonas con fuerte contaminación, entre otros
• Aceptar efectos momentáneos de humo, gases y otros
• Aceptar menor seguridad del edificio (aberturas de las entradas y salidas del aire)
• Ductos de aire cortos para mantener bajo el diferencial de presión
• Tomas de aire orientadas, opuestas a la radiación solar

Construcción Típica de un Climatizador para el Direct Free Cooling

 

Evaporador con cambio de posición

• Reducción de la caída de presión del lado (flujo de aire)
• Reducción de consumo eléctrico (ventiladores)

 

Funcionamiento con compresores (DX), flujo de aire a través del serpetín	Funcionamiento en free cooling, serpetín en posición fuera del flujo de aire

 

Consumo eléctrico a lo largo del año

Regulación, presión piso falso

Estudios exhaustivos en un gran número de data center han demostrado que más del 50% de las salas mueven el doble del aire necesario para evacuar el calor producido por los equipos IT. El exceso de aire circula por zonas que no requieren enfriamiento. La preocupación es el consumo eléctrico innecesario de los ventiladores en climatizadores. La solución radica en descargar la cantidad justa de aire frío enfrente de la fuente de calor, mediante rejillas o palmetas perforadas de piso falso con regulación (manual o motorizada, con sensor de temperatura).

Esto hace que la presión dentro del piso falso varíe. Se toma esta presión y se compara con la de la sala. En función de este diferencial, aumenta o disminuye la velocidad de giro de los ventiladores EC de los climatizadores. Dentro del piso falso, frente a los climatizadores, es necesario instalar una placa perforada para transformar la mayor parte de la presión dinámica en presión estática. En caso de tener un sólo pasillo frío encapsulado, se mide el diferencial de presión del interior del pasillo con la sala, usando esta señal para regular la velocidad de giro de los ventiladores. En el piso del pasillo encapsulado están los elementos de control de caudal de aire frío, en función de la temperatura dentro de los rack. La presión en el interior del pasillo encapsulado no debe superar un valor máximo para no dañar los ventiladores en el interior de los servidores. En caso de tener múltiples pasillos encapsulados, se instala una regulación por pasillo y una de presión general del piso falso. Al reducir el caudal de aire a  la mitad, el consumo eléctrico es equivalente a la octava parte, obedeciendo a la ley del comportamiento de los ventiladores.

Soluciones para controlar la presión dentro del piso falso y dentro de los pasillos fríos encapsulados

¿Por qué controlar la presión dentro del piso falso?

• Se suministra justo el aire que se necesita
• Ahorro energético significativo de los ventiladores si la sala tiene carga parcial

 

Bajo volumen de aire	Correcto volumen de aire	Alto volumen de aire

Requerimientos técnicos del CRAH para realizar el control de presión diferencial

• Ventilador EC, velocidad variable
• Microprocesador
• Cada CRAH con sensor de presión diferencial
• Toma de presión estática en piso falso
• Toma de presión estática en la sala

 

Recomendaciones para el control de la presión diferencial

• Seleccionar los climatizadores con un caudal de aire ≤70%, creado especialmente para climatizadores que trabajan con agua helada
• Aplicación para climatizadores DX limitada
• Caudal de aire no menor a 60%
• Control de deshumidificación, mediante control de la válvula de agua helada
• Los climatizadores CRAH pueden trabajar de forma independiente o en grupos (zonas), donde el promedio de las lecturas de presión y temperatura son ajustables para cada una de las zonas

Requerimientos para un piso falso

Sólo un piso elevado con suficiente altura y palmetas con aberturas calculadas permitirá una distribución de aire uniforme. El piso falso debe estar sellado herméticamente.

Distribución típica de la presión estática de un piso falso

Distribución típica de la presión estática de un piso falso, con placas perforadas dentro del mismo, enfrente de los climatizadores

Manejo del aire dentro del piso falso

• Placas perforadas en frente de los CRAH transforman la presión dinámica en presión principalmente estática
• Se reducen zonas con altas velocidades de aire

Palmetas perforadas con regulación y pasa cables

• Usar preferiblemente palmetas perforadas con damper rotatorio, en lugar de aletas opuestas
• Sellar todas las filtraciones del piso falso, usando pasa cables
• Los damper deben tener una pérdida mínima en posición cerrada
• El ajuste debe lograrse con un dispositivo que permita la regulación fina y el bloqueo seguro para que no se vuelva a desajustar

Control de presión en pasillo frío encapsulado

Desafíos

• El caudal de aire necesario para los servidores depende de la capacidad de los servidores y de la temperatura de impulsión de aire
• La demanda de caudal de aire puede variar extremadamente
• Riesgo de dañar el ventilador interno del servidor por tener exceso de presión de aire del suministro

 

Observaciones técnicas

• Impulsar aire al pasillo frío encapsulado desde el piso falso mediante rejillas
• Los rack deben tener un mínimo de falsos pasos de aire para tener pérdidas de aire mínimas
• Los equipos IT tienen ventiladores internos que cuentan con control de velocidad variable, que se ajustan a la disipación de calor

Humidificación centralizada en data center

Los sistemas de humidificación normalmente aplicados se basan en electrodos sumergidos en agua que producen vapor (Humidificadores isotérmicos). En general, cada uno de los climatizadores incluye uno de estos humidificadores, los cuales se pueden reemplazar perfectamente por humidificadores ultrasónicos; pero el problema se produce en la alimentación de agua. Se necesita un tratamiento de agua con base en ósmosis a la inversa. Esta agua es muy agresiva y requiere una distribución en tubería inoxidable. Dado el buen comportamiento de la humedad en el aire, que tiende a equilibrarse en poco tiempo, es posible aportar la humedad de forma centralizada. Hoy se encuentran en el mercado equipos de aporte centralizado de vapor, integrando humidificadores ultrasónicos. El humidificador ultrasónico tiene discos sumergidos en el agua que vibran con 1,65 MHz, rompiendo la molécula del agua y produciendo vapor frío que se inyecta en la vena de aire. Se produce un enfriamiento adiabático, de donde proviene el nombre de sistemas adiabáticos de humidificación. Estos equipos centralizados integran directamente el tratamiento de agua que se requiere para un correcto funcionamiento. El consumo eléctrico de estos sistemas es inferior al 10%, en comparación con la producción isotérmica de vapor.

Principio de operación. Humidificadores ultrasónicos (adiabáticos)

• El humidificador trabaja con el principio de nebulización ultrasónica
• El voltaje de 48VAC es transformado en un circuito de oscilación y transferido a una señal de alta frecuencia, de 1.65 MHz
• La señal de alta frecuencia es transmitida a transductores instalados en el agua

 

Carga electrostática en data center

Causantes de humedad baja en los data center:

• Humedad removida por los procesos de enfriamiento
• Renovación de aire por infiltraciones

 

Alerta:

• Si el aire es demasiado seco, se produce un importante potencial eléctrico
• Componentes electrónicos pueden ser dañados y destruidos, como consecuencia de descargas electrostáticas

 

La carga electrostática disminuye a una quinta parte si la humedad sube de 10% a 55% rH.

Humidificador ultrasónico de alta eficiencia

• Caudal de aire: 10.000 m3 / h
• Enfriamiento adibático: 29 kW
• Humidificación: 42 kg/h
• No depende de la calidad de agua disponible
• Control proporcional de la humedad
• EC Fan tecnology
• Consumo eléctrico 3,5 kW

 

Beneficios

• Humidificación ultrasónica de alta eficiencia (sobre 90% de ahorro de energía)
• Enfriamiento adiabático: hasta 29 kW de enfriamiento adicional
• Excelentes características de control
• No depende de la conductibilidad del agua

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