Sistemas de Freecooling aplicado a Data Centers

Los centros de procesamiento de datos (CPDs o Data Centers) están experimentando un crecimiento exponencial en el mundo desarrollado, tanto en cantidad como en la potencia de los mismos, siendo responsables en la actualidad de más de un 2,5% del consumo global mundial, siendo por tanto un foco de atención en el mundo de las Tecnologías de la Información, sector en auge en la última década.

En el interior de estos centros se encuentran los equipos informáticos (equipos IT) responsables de múltiples servicios imprescindibles para las compañías, ya sea servicios de correo electrónico, almacenamiento de datos, operaciones de cálculo complejo, las transacciones bancarias, y un largo etcétera. Si estos servicios se vieran afectados por alguna parada no prevista, la compañía afectada podría incurrir en pérdidas considerables y en función de su naturaleza incluso suponer una posible quiebra.

Para garantizar la continuidad de servicio de estos equipos IT, se dota a la infraestructura de los Data Centers de una tecnología apropiada que garantice su correcto funcionamiento. Para ello se emplean diversos equipos:

• SAI: Sistemas de Alimentación Ininterrumpida, que junto con los grupos electrógenos mantienen el suministro eléctrico en caso de fallo de red y además se aseguran que dicho suministro eléctrico sea de calidad, protegiendo a los equipos IT frente a sobretensiones y/o sobreintensidades.
• Climatización de precisión: unidades específicas para mantener las condiciones medioambientales de temperatura y humedad que se deben dar en este tipo de ambientes críticos.
• Sistemas Auxiliares de seguridad: entre los que se engloban sistemas específicos de detección y extinción de incendios, control de accesos, así como sistemas de control, los operadores que realizan el seguimiento del correcto funcionamiento de la infraestructura y sus equipos informáticos, entre otros.

 

Ya en el año 2005, los Data Centers constituían alrededor del 2% del consumo energético global del planeta. Estos centros estaban por entonces en una fase de maduración, utilizando las tecnologías disponibles en el momento, con multitud de topologías y configuraciones, predominando el crecimiento “desestructurado” de los mismos.

Si tratamos de hacer una foto del reparto de consumos de estos grandes usuarios de energía en tres momentos distintos de su desarrollo, nos encontraríamos con lo siguiente:

 

 

En la Figura 1 podemos observar cómo el consumo específico dedicado a los equipos informáticos es del 50%. Tras los equipos informáticos, el siguiente foco consumidor es la climatización del centro de datos. Estos dos factores consumen casi 7/8 partes de la energía que necesita el Data Center.

Con esta distribución de consumos, el indicador de eficiencia más aceptado para CPDs, el PUE (Power Usage Effectiveness) que mide la energía total empleada en la instalación respecto al consumo de los equipos IT sería igual a 2, tratando siempre de buscar valores lo más cercanos posible a la unidad.

 

 

En la figura 2 podemos observar que 2/3 de la energía consumida son dedicados a los equipos IT, habiendo reducido el resto de los consumos en otros factores, principalmente el consumo en climatización, desde un 37% a cerca de un 24%. Esta disminución de consumos se ha logrado gracias al empleo de tecnologías de última generación para estas aplicaciones (compresores inverter, ventiladores EC, iluminación LED, UPS de alto rendimiento a cargas parciales), además del empleo de buenas prácticas y ordenación de pasillos, mejorando las prestaciones de las topologías más comúnmente empleadas anteriormente.

Gracias a ello, el indicador PUE se reduce de un valor de 2 a un valor de 1,5 bastante más optimizado.

 

Finalmente en la figura 3 podemos observar cómo el consumo en climatización se reduce espectacularmente (poco más del 10% desde el 37% inicial) para poder destinar 5/6 de la energía a los equipos IT. Este gráfico se corresponde con un valor de PUE igual a 1,2 imposible de obtener si no es a través del empleo simultáneo de las últimas tecnologías en los componentes de la instalación mencionados anteriormente y de alguna técnica de enfriamiento gratuito o Freecooling que nos permita reducir drásticamente el consumo en climatización.

Freecooling

En los últimos tiempos se está hablando cada vez más de eficiencia en las instalaciones, reducción de consumos y en el campo de la climatización, estas opciones pasan por sistemas de freecooling.

Pero, ¿qué es el freecooling? El concepto es bastante sencillo ya que supone utilizar el bajo contenido energético (entalpía) del aire exterior para refrigerar un determinado espacio.

En un hogar equivaldría a abrir la ventana para enfriar la casa en verano cuando fuera la temperatura es menor, pero cuando estamos hablando de entornos críticos que deben tener continuidad de servicio, disponibilidad y confiabilidad, hay que tener en cuenta otros factores fundamentales, no solamente la temperatura.

Para poder introducir el aire directamente a nuestro centro de procesamiento de datos debemos considerar las condiciones de humedad, partículas en suspensión, nivel de CO₂ y posibles contaminantes físicos o químicos entre otras, además de la temperatura.

Debe existir por tanto algún sistema que controle todos estos parámetros para decidir en cada momento cuál es la configuración de funcionamiento de menor consumo compatible con las necesidades del ambiente crítico a refrigerar. Por tanto se hace imprescindible contar con un sistema de control de precisión especialmente diseñado para este tipo de aplicaciones.

Tipos de Freecooling

Podríamos clasificar los distintos tipos de freecooling en dos grandes grupos:

• Freecooling directo: Emplea aire exterior introduciéndolo directamente al local cuando las condiciones son propicias para refrigerarlo.

Según hemos apuntado anteriormente, se debe acondicionar el aire exterior para poder aplicarlo como fuente de refrigeración del ambiente crítico, mediante una adecuada filtración, tratamiento antibacteriano o de dilución de agentes químicos si así lo requiere el proyecto en función del ambiente exterior y finalmente con un tratamiento para regular el contenido de humedad.

El siguiente vídeo explica gráficamente cómo funciona esta técnica.

 

 

• Freecooling indirecto: Se emplea un fluido intermedio para intercambiar energía con el aire exterior y de esta manera refrigerar el local sin introducción de aire exterior.

Obviamente, la introducción de un intercambio energético conlleva unas pérdidas de energía que van en función del equipo y sistemas empleados.

Para profundizar algo más en los distintos tipos de freecooling indirecto, exponemos a continuación los principales métodos:

• Freecooling indirecto aire/aire: En este caso se utiliza un intercambiador de placas (no existe intercambio de masa y en función del material empleado puede existir o no intercambio de humedad entre el aire exterior e interior) o rotativo (existe intercambio de masa y humedad entre el flujo de aire exterior e interior del local). Estos equipos tienen un rendimiento en función de la naturaleza de los elementos empleados y la construcción, pudiendo variar entre el 60% y el 90% de rendimiento.

 

 

 

• Freecooling de enfriadora: Las enfriadoras de la mayoría de fabricantes disponen de un opcional que permite refrigerar el agua del circuito primario, haciéndola pasar por una batería adicional en paralelo al condensador del circuito frigorífico cuando las condiciones exteriores lo permiten.

 

 

                               

 

Normalmente este proceso necesita de un posterior enfriamiento mediante compresión mecánica para alcanzar la temperatura de impulsión apropiada, pudiendo únicamente alcanzar la potencia requerida de refrigeración cuando existe un diferencial considerable entre la temperatura exterior y la temperatura de consigna para el agua refrigerada.

En otro caso, se hace necesario sobredimensionar la unidad enfriadora para obtener la potencia requerida mediante el funcionamiento en modo frecooling, con el sobrecoste que ello conlleva.

Además, el funcionamiento en modo convencional se ve penalizado al disminuir el tamaño de la batería de refrigerante para incluir una batería adicional de agua.

Además, existe un segundo intercambio en la batería de la unidad interior entre el agua refrigerada y el aire del interior del Data Center, por lo que ambos intercambios penalizan el rendimiento del sistema.

 

• Freecooling mediante aerorrefrigerador: Esta tecnología se utiliza frecuentemente cuando las enfriadoras del sistema no disponen del opcional de freecooling. En este caso las unidades aerorrefrigeradoras se instalan en serie con las enfriadoras, realizando igualmente el enfriamiento del agua del circuito haciéndola circular por las baterías agua/aire exterior y dirigíendola después hacia las enfriadoras para alcanzar la consigna.

 

                               

Estas unidades aerorrefrigeradoras pueden estar dimensionadas para alcanzar la potencia total necesaria, teniendo normalmente un rendimiento algo superior al sistema de freecooling por enfriadora, pero suponen un elemento independiente más a mantener dentro de la instalación y un punto de control adicional con las válvulas de regulación, sondas y actuadores consecuentes.

Si la temperatura exterior nos permite alcanzar la potencia total necesaria para refrigerar la instalación, se realizaría un by-pass sobre la enfriadora, teniendo dos intercambios totales, uno en el aerorrefrigerador y el segundo en la unidad interior.

 

• Freecooling mediante torre de refrigeración:

Este sistema intercala una torre de refrigeración en la posición del aerorrefrigerador anteriormente mencionado, en serie con las enfriadoras, para realizar un preenfriamiento del circuito de agua, que en algunos casos puede ser suficiente para alcanzar la temperatura deseada.

Estas unidades no trabajan con la limitación de la temperatura exterior, sino que son capaces de realizar un mayor enfriamiento aprovechando la temperatura de rocío (relacionada con la humedad del aire exterior) evaporando en su interior agua que pasa a formar parte de la humedad que contiene el aire exterior. De esta manera se obtienen menores temperaturas para el circuito de agua refrigerada que respecto a las enfriadoras en modo freecooling y aerorrefrigeradores.

 

                               

 

Por el contrario, necesitan un exhaustivo tratamiento antiproliferación de bacterias (legionela principalmente) para evitar la contaminación del circuito de agua. Además consume grandes cantidades de agua, ya que constantemente se evapora agua en su interior y además se hace necesaria una purga periódica.

Todos los métodos de freecooling indirecto anteriormente mencionados necesitan de algún intercambio térmico (1 en el caso aire/aire y 2 en el resto de los casos). Cuando hablamos de rendimiento del sistema, esto se traduce en que al existirs pérdidas además de suponer un mayor consumo eléctrico, se necesita una menor temperatura exterior para poder refrigerar el proceso y consecuentemente se deberá funcionar durante más horas al año, en las que no se alcanza la temperatura necesaria, mediante el sistema de compresión mecánica tradicional.

En el siguiente punto veremos cómo se pueden cuantificar estas pérdidas y cómo se deberían evaluar para definir el método más eficiente de entre los descritos.

 

Selección de sistema de freecooling

Una vez presentados los principales grupos de sistemas de freecooling existentes, deberemos realizar la selección del método más apropiado para nuestro proyecto concreto (nuestro Data Center).

Para ello, acudimos a la siguiente publicación del TC9.9 de ASHRAE “Thermal Guidelines por Data Processing Environments” y concretamente a su 3ª edición de 2012. En ella se fijan las condiciones de temperatura y humedad que se deben mantener en un centro de datos para garantizar el correcto funcionamiento de los equipos, tras numerosas consultas con los fabricantes de los equipos IT.

Cabe destacar que esta publicación, respecto a la realizada por la misma entidad en 2008 supone una ampliación considerable de los rangos de funcionamiento, permitiendo por tanto el funcionamiento en modo freecooling durante un período bastante más prolongado, lo cual es esencialmente el motivo del cambio realizado por ASHRAE en la normativa.

En la Figura 8 podemos observar en un diagrama psicrométrico, los rangos mencionados en la normativa y su ampliación respecto a los publicados en 2008.

 

                               

 

Finalmente, ASHRAE permite temperaturas entre los 15 y 32ºC para cualquier tipología de centro de datos y humedades relativas entre el 20 y 80%.

 

• Climatología: parece obvio que la climatología supone un condicionante fundamental a la hora de seleccionar el sistema de climatización más eficiente.

A grandes rasgos podríamos decir que para ubicaciones secas, el freecooling directo se postularía como la mejor opción y por el contrario para localidades húmedas, los sistemas de freecooling indirecto podrían recuperar la diferencia de eficiencia respecto a sistemas directos con mayor número de horas de funcionamiento.

En cualquier caso, para hacer una comparativa válida entre sistemas, no nos valdría comparar la eficiencia de cada sistema para un determinado punto de trabajo (potencia disipada en el Data Center) y condiciones exteriores, sino que el único método fidedigno de comparación es mediante una simulación energética de los distintos sistemas.

Esta simulación supone disponer de los datos climatológicos de la localidad (si son datos tomados ‘in situ’ mayor será la fiabilidad) y realizar un estudio horario durante las 8.760 horas del año del consumo de la instalación, en función del modo de funcionamiento para cada condición exterior (climatológica) e interior (disipación del CPD).

A la luz de estos resultados, podremos definir el sistema más eficiente para nuestra instalación particular.

 

• Características de la instalación: otro factor a tener en cuenta son las características de cada sistema y como ejemplo palpable, es suficiente comparar una instalación de freecooling a través de aire (ya sea directo o indirecto) donde para refrigerar una potencia dada, se debe suministrar un gran caudal de aire exterior y por tanto supone una sección de conductos de impulsión y extracción considerable, mientras que con una instalación de freecooling indirecto a través de agua, la sección de las tuberías de impulsión y retorno será muy inferior debido al poder caloportador del agua en relación al aire.

Este factor nos hará decidirnos por una instalación de freecooling indirecto a través de agua cuando no dispongamos de patinillos o pasos de conductos suficientes para plantear un freecooling por aire.

Por el contrario, existen numerosas técnicas de refrigeración mediante batería hidráulica en el interior de la sala de cómputo que son rechazadas por algunos responsables o managers de la instalación para proteger los equipos IT frente a posibles roturas de tubería / inundaciones.

 

Dimensionado de la instalación

Una vez determinado el sistema de freecooling que mayor rendimiento nos va a ofrecer, hay que realizar el diseño de detalle de la solución, teniendo en cuenta las características específicas del proyecto.

La simulación energética nos habrá obligado previamente a realizar un diseño preliminar, pero este es el momento en el que hay que tener en cuenta las dimensiones y tamaños de los equipos, tuberías, conductos, selección de ventiladores, bombas, equipos de producción, transporte y unidades terminales, que vendrán fijadas por la potencia disipada por los equipos IT y el resto de elementos de la instalación (SAIs principalmente) así como la difusión, sus interferencias con otras instalaciones y la coordinación de todos los trabajos.

Es fundamental tener en cuenta la posibilidad de crecimiento futuro en este tipo de proyectos. Normalmente se prevé una modularidad que permita poner en marcha la instalación para una carga inicial determinada y con el número de unidades y capacidad apropiada para esa potencia en la primera fase. Esto permitirá reducir la inversión inicial y poder ir creciendo en función de la demanda.

Sin embargo, para poder realizar las siguientes fases posteriores sin afectar al servicio, este crecimiento ha de estar perfectamente planificado y habrá que dotar a la instalación de ciertos elementos que deberán tener la capacidad total desde el primer momento.

Además, se debe definir un sistema de control acorde con los requerimientos de este tipo de sistemas, capaz de regular la instalación en función de la demanda interna de potencia y las condiciones climatológicas exteriores, seleccionando en todo momento el modo de funcionamiento más eficiente. Además, este sistema de control ha de prever también la modularidad de diseño recalcada anteriormente, admitiendo nuevos puntos de control en la arquitectura diseñada.

 

                             

 

 

Testeo de la instalación

Hasta este punto hemos hablado de tipos de sistemas, selección y diseño. Sobre el papel, todas las conclusiones sacadas son válidas y todo cuadra a la perfección. A partir de este momento es cuando hay que trasladar los conceptos a la realidad y esto requiere de un experimentado equipo de ejecuciones de proyectos específicos de Data Center, dada la criticidad de las instalaciones y la complejidad de las mismas.

Es relativamente habitual necesitar alguna revisión, redimensionado o incluso cambio parcial o total de lo contemplado en el proyecto inicial, para poder ejecutar las instalaciones necesarias en el espacio apropiado, obteniendo la funcionalidad y características deseadas.

Hay que hacer un especial hincapié en la regulación en período de pruebas de las instalaciones, ya que debido a la criticidad del entorno, no se puede permitir ningún fallo de funcionamiento en ninguno de los posibles escenarios. Es por ello que se debe testear la instalación a carga inicial, total y en cargas intermedias para todas y cada una de las instalaciones y a ser posible con carga y climatología acorde a la realidad.

De la misma manera, se ha de probar la correcta comunicación de todos los equipos y elementos con el sistema de control y la respuesta ante cada modo de funcionamiento del sistema, incluyendo las transiciones de un modo de funcionamiento a otro.

Es por ello que la etapa en período de pruebas puede dilatarse bastante e incluso es aconsejable su continuidad durante el comienzo de funcionamiento de la instalación, para recogida de datos reales, regulación fina y optimización del sistema.

Commissioning y mantenimiento

La etapa de commissioning es una fase fundamental de toda obra y que en múltiples ocasiones no se realiza con la minuciosidad debida. No se trata de una puesta en marcha tradicional, sino que ha de incluir la documentación exhaustiva de toda la instalación, protocolos de pruebas, procesos de mantenimiento y protocolos de actuación en caso de cualquier incidencia, de manera que los usuarios de la instalación dispongan de la documentación necesaria que permita reducir el fallo humano en el normal funcionamiento de la instalación.

Se deben incluir así mismo los procedimientos necesarios para ejecutar las tareas necesarias a la hora de realizar las ampliaciones o fases siguientes una vez puesto en marcha el complejo con su configuración inicial.

Obviamente, debe incluir una formación a los usuarios para poner en su conocimiento la existencia y naturaleza de dichos protocolos.

De igual manera, realizar un correcto mantenimiento de las instalaciones es fundamental, no sólo para mantener la confiabilidad del Data Center, sino que además nos permitirá ajustar los parámetros de funcionamiento a las condiciones cambiantes de trabajo, ya que todo CPD sufre modificaciones durante su explotación. Estos pequeños ajustes nos permitirán operar en todo momento con la mayor garantía y el mayor rendimiento posible.

 

Conclusiones

Los centros de datos son grandes consumidores de energía y como tales, se debe considerar el empleo de tecnologías de ahorro energético que permitan su operación no sólo bajo un menor coste y gasto energético sino siendo más respetuosos con el medio ambiente.

Para alcanzar el máximo nivel de eficiencia en este tipo de instalaciones se hace indispensable el empleo de sistemas de freecooling para la refrigeración de las instalaciones.

La selección bajo una simulación energética y el diseño del sistema, adaptado a las condiciones de cada proyecto son claves para alcanzar la máxima eficiencia.

El sistema de control, período de pruebas iniciales y commissioning de la instalación son los pilares que garantizan la disponibilidad y continuidad de servicio.

Finalmente, para tener éxito en este tipo de proyectos de ambientes críticos es indispensable contar con un soporte técnico altamente cualificado y con compromiso con el proyecto.

 

 

                             

Este artículo ha sido realizado por los expertos en centros de datos de Gesab

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