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Módulo 6 Diseño de sistemas de refrigeración energéticamente eficientes

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Módulo 6 Diseño de sistemas de refrigeración energéticamente eficientes. Versión 1.0 22 de septiembre de 2011. Dificultades y opciones generales para la refrigeración de los equipos informáticos centrales. Tendencia de las cargas de refrigeración de los sistemas informáticos.

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Presentation Transcript
m dulo 6 dise o de sistemas de refrigeraci n energ ticamente eficientes

Módulo 6Diseño de sistemas de refrigeraciónenergéticamenteeficientes

Versión1.022 de septiembre de 2011

tendencia de las cargas de refrigeraci n de los sistemas inform ticos
Tendencia de lascargas de refrigeración de los sistemasinformáticos

Evolución de la carga de calorespecífica en lasaplicacionesinformáticas. Fuente[ASHR2005]

dise o adecuado de los sistemas de refrigeraci n
Diseñoadecuado de los sistemas de refrigeración
  • La selección del diseñoadecuado de un sistema de refrigeración en particular estáafectadopor
    • la infraestructura de la instalaciónexistente;
    • el nivel de potencia total de la instalación;
    • la ubicacióngeográfica;
    • laslimitacionesfísicas del edificio (forma, tamaño, orientación, acceso)
dise o adecuado de los sistemas de refrigeraci n1
Diseñoadecuado de los sistemas de refrigeración
  • Las opciones típicas para el diseño del sistema de refrigeración se derivan directamente de los clásicos sistemas de refrigeración del espacio, a pesar de que, en la mayoría de los casos, el equipo se encuentra específicamente diseñado para centros de datos y equipos informáticos.
  • El equipo para la refrigeración del centro de datos normalmente está diseñado de forma específica :
    • La carga de calor que se produce en el centro de datos suele estar equilibrada (para su refrigeración, necesita una reducción de la temperatura de bulbo seco), mientras que en un espacio de oficinas está equilibrada y, a la vez, es latente (necesita reducir la humedad como consecuencia del aumento de la presencia humana)
categorizaci n de los centros de datos
Categorización de los centros de datos
  • Parámetros:
    • Área de la sala;
    • Equiposinformáticosinstalados (número de racks o servidores);
    • Potencia total de los equipos informáticos;
    • Infraestructurainstaladapara la refrigeración.
categorizaci n del tama o dependiendo del n mero de racks y de la potencia total instalada
Categorización del tamañoDependiendo del número de racks y de la potencia total instalada

Source (APC White Paper #59, 2004)

los equipos de refrigeraci n adecuados
Los equipos de refrigeraciónadecuados
  • Evaluación de lasnecesidades de refrigeración:
    • Para los equipos informáticos, la carga térmica es igual a la potencia eléctrica absorbida: el correcto dimensionamiento del hardware informático en una instalación de equipos informáticos es el primer paso para lograr la eficiencia
    • En el caso del UPS, varía entre un mínimo y un máximo de carga
    • Respecto a los equipos de iluminación y la presencia humana, se pueden utilizar los valores de referencia estándar ​ ​
  • La cantidad y el tamaño de los sistemas necesarios también está estrictamente ligada a la categorización del TIER de un centro de datos.
elementos de un sistema de refrigeraci n
Elementos de un sistema de refrigeración
  • Elementos de un sistema de refrigeración:
    • Sistema de rechazo del calor;
    • Equipos de refrigeración;
    • Equipos terminales (dispositivo de eliminación del calor interior);
    • Carga de calefacción (equipos informáticos, servicios, operadores).

Fuente: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

elementos de un sistema de refrigeraci n es importante elegir un equipo eficiente
Elementos de un sistema de refrigeraciónEsimportanteelegir un equipoeficiente
  • El equipo de refrigeración opera de forma ininterrumpida y, por lo general, trabaja a la mitad de carga, lo cual no es energéticamente eficiente;
  • La selección de equipos energéticamente eficientes es un paso crítico para lograr la sostenibilidad :
    • Unidades CRAC y CRAH;
    • Ventiladores y otros equipos de ventilación;
    • Bombas;
    • Refrigeradores (aire y agua enfriados);
    • Torres de refrigeración, drycoolersy condensadores de aireenfriado;
    • Humidificadores.
sistemas terminales de enfriamiento y de rechazo del calor
Sistemasterminales,deenfriamiento y de rechazo del calor

Los equipos terminales de sistemas de refrigeración tradicionales de los centros de datos están instalados en el techo o montados en el suelo. Todos los demás sistemas, por ejemplo, los montados en la pared, son similares a los instalados en el techo.

Fuente: Libro Blanco #59 de APC

combinaciones t picas de sistemas de terminal refrigeraci n y rechazo de calor
Combinacionestípicas de sistemas de terminal, refrigeración y rechazo de calor

Fuente: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009

tama o del centro de datos y posible elecci n y distribuci n del sistema de refrigeraci n
Tamaño del centro de datos y posibleelección y distribución del sistema de refrigeración
clasificaci n ashrae
Clasificación ASHRAE
  • Clase A1: instalación de comunicaciones de datos con estricto control de parámetros ambientales (punto de rocío, temperatura y humedad relativa) y operaciones de misión crítica. Los tipos de productos que normalmente están diseñados para ese entorno, son los servidores de empresas y los productos de almacenamiento.
  • Clase A2: espacio para la comunicación de datos, oficinas o laboratorios con algún tipo de control de parámetros ambientales (punto de rocío, temperatura y humedad relativa). Los tipos de productos que normalmente están diseñados para ese entorno son los pequeños servidores, los productos de almacenamiento, los ordenadores personales y las estaciones de trabajo.
  • ... ... Clase A3/A4, Clase B, Clase C
  • Las Clases A1 y A2 son entornos diseñados principalmente para equipos informáticos centrales.
opciones de mejora en los sistemas inform ticos peque os salas de servidores existentes
Opciones de mejora en los sistemasinformáticospequeñosSalas de servidoresexistentes
opciones de mejora en los sistemas inform ticos peque os salas de servidores nuevas
Opciones de mejora en los sistemasinformáticospequeñosSalas de servidoresnuevas
acondicionadores de aire tipos eficiencia y costes de los sistemas divididos
Acondicionadores de aire: tipos, eficiencia y costes de los sistemas divididos
  • Los sistemas divididos se componen de:
    • una unidad de condensación montada en el exterior;
    • y una unidad interna de acondicionamiento.
  • Los acondicionadores de aire móviles divididos tienen:
    • una unidad portátil interior que contiene el compresor, lo que conduce a una menor eficiencia.
  • En las salas de servidores más grandes muchas veces se instalan pequeñas unidades portátiles para evitar la aparición de puntos calientes, o se montan en las salas de redes para complementar el sistema de aire acondicionado del edificio;
    • ¡Estas unidades portátiles pequeñas no son eficientes! ¡Por lo general, tienen un tubo de escape que calienta la zona!
adquisici n de un equipo energ ticamente eficiente
Adquisición de un equipoenergéticamenteeficiente

Dependiendo de la potencia de enfriamiento:

< 12 kW: etiqueta energética de la UE

> 12 kW: sistema de certificación Euroventwww.eurovent-certification.com

etiqueta energ tica de la ue actual y propuesta para unidades peque as de aire acondicionado 12 kw
Etiquetaenergética de la UE actual y propuestaparaunidadespequeñas de aireacondicionado (<12 kW)

Teniendo en cuenta que la eficiencia se calcula de forma diferente, no es posible comparar directamente los valores EER (plan antiguo) y SEER (plan nuevo)

Como regla general :

SEER ≈ EER + 3.0

valor de la eficiencia del sistema de refrigeraci n
Valor de la eficiencia del sistema de refrigeración
  • EER - índice de la capacidad total de enfriamiento a la entrada de potencia efectiva de la unidad, expresada en vatios / vatios;
  • SEER(Relación Estacional de la Eficiencia Energética): se define y se utiliza en Europa;
  • IPLV(Relación Estacional de la Eficiencia Energética): se define y se utiliza en Norteamérica;
  • Los valores IPLV y SEER se obtienen utilizando la media ponderada de la eficiencia (EER) de los enfriadores en los diversos pasos de carga nominal (25%, 50%, 75% y 100%).
sistemas divididos con convertidores
Sistemas divididos con convertidores

La tecnología de sistemas divididos ha mejorado en varios aspectos. Es posible adaptar los sistemas de agua enfriada o combinar diferentes temperaturas ambiente en varias unidades de aire acondicionado conectadas al mismo condensador. El uso de convertidores en motores y en controles inteligentes han aumentado considerablemente la eficiencia de la refrigeración.

refrigeraci n basada en el rack en salas de servidores peque as
Refrigeraciónbasada en el rack en salas de servidorespequeñas
  • La adopción de la ventilación natural en los sistemasinformáticos y en lassalas de servidorespequeñasestásujeta a unaampliagama de limitaciones;
  • La limitaciónesprincipalmentetécnica:
      • las salas o armarios de servidores pequeños a menudo se encuentran en zonas del edificio donde el acceso al aire exterior es difícil;
      • en el caso de las salas de servidores de los edificios nuevos, es posible aplicar la ventilación natural si se considera durante la fase de diseño del edificio y de las habitaciones.
  • La ubicación de la sala, las opciones para instalar conductos / tuberías, y los gastos subsiguientes son los principales factores que influyen en el uso de la ventilación natural;
  • En cuanto a las reformas de los sistemas existentes, las dificultades y los costes suelen ser elevados y es necesario realizar un análisis de gastos y beneficios.
elecci n de los sistemas y la eficiencia del refrigerador
Elección de los sistemas y la eficiencia del refrigerador

Los refrigeradoresporaguarefrigerada son unaopciónmejorque el aireenfriado y el DX: ofrecenuna mayor eficienciatermodinámica

Fuente: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

distribuci n t pica en los centros de datos medianos y grandes
Distribución típica en los centros de datos medianos y grandes

De: Estrategias de refrigeración de equiposinformáticos- HP

slide31
Refrigeraciónporaire: diseño del flujo de aire, de pasillosfríos/calientes, sueloelevado/ concepto plenum

En los centros de datos más grandes los equipos informáticos se colocan filas con entradas de aire dirigidas hacia el pasillo frío. El aire frío se suministra al pasillo frío, pasa a través de los equipos y se descarga en el pasillo caliente

Distribución de pasillosfríos y calientes de un centro de datos

De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

slide32
Refrigeraciónporaire: diseño del flujo de aire, de pasillosfríos/calientes, sueloelevado/ concepto plenum

Las características del flujo de aire son un elemento importante a tener en cuenta. La dirección recomendada del flujo de aire es de adelante hacia atrás (F-R), de delante hacia arriba (F-T) o de delante hacia arriba + atrás(F-T/R).

Direcciones de los flujos de aire en los racks para la configuración de pasillosfríos/calientes

De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

distribuci n vertical en el subsuelo
Distribución vertical en el subsuelo

Para permitir el suministro de aire acondicionado, por lo general las habitaciones están dispuestas con un piso elevado.

Este diseño es uno de los que se utilizan más comúnmente en los centros de datos, donde el aire de refrigeración se suministra mediante un sistema de conductos en el subsuelo conectados a las unidades CRAC, y el aire caliente fluye de manera natural de los racks hacia el techo y de nuevo al CRAC.

Por lo general lleva a un gradiente de temperatura subóptimo dentro de los racks, más fríos en la parte inferior y más calientes en los sectores más altos

De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

vertical por encima de la cabeza
Vertical porencima de la cabeza

En el diseño vertical por encima de la cabeza, el aire frío se suministra a los racks de equipos informáticos a través de un sistema de conductos instalados en el techo y vuelve de forma natural (sin conducto) hacia el sistema de refrigeración: sin piso elevado y con un gradiente de temperatura uniforme dentro de los racks.

De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

unidades locales de refrigeraci n por encima de la cabeza en un sistema vuf
Unidades locales de refrigeraciónporencima de la cabeza en un sistema VUF
  • Normalmente se utilizan para contar con una refrigeración suplementaria con el fin de evitar la aparición de puntos calientes en los racks de alta densidad;
  • Si no se puede lograr una distribución adecuada del flujo de aire a través de los racks, o si hay cargas de alta densidad;
  • Las unidades locales de refrigeración por encima de la cabeza se pueden colocar sobre los pasillos fríos, o los intercambiadores de calor montados en el rack pueden enfriar el aire caliente que sale del rack o preenfriar el aire de alimentación.

De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

incremento de la eficiencia en una configuraci n de pasillos calientes fr os
Incremento de la eficiencia en unaconfiguración de pasilloscalientes / fríos

Utilice plenums de aire de retorno y dirija el aire de retornopor los conductos

Coloque los suministros de aire (difusores o baldosasperforadas) únicamente en los pasillosfríos

De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

incremento de la eficiencia en una configuraci n de pasillos calientes fr os1
Incremento de la eficiencia en unaconfiguración de pasilloscalientes / fríos

Instalebarreras del flujo de airecomoconfinación del pasillocaliente / frío

Instalepanelesciegos en todos los lugaresabiertos

incremento de la eficiencia en una configuraci n de pasillos calientes fr os2
Incremento de la eficiencia en unaconfiguración de pasilloscalientes / fríos
  • Ubicación de las unidades CRAC:
    • La ubicación óptima de las unidades CRAC es al final del pasillo caliente y las unidades deben colocarse perpendicularmente a los pasillos calientes: acorte la ruta de aire de retorno, reduciendo el cortocircuito directo de aire frío que procede de los pasillos fríos
problemas en la gesti n del aire
Problemas en la gestión del aire
  • La temperatura del aire de entrada y la velocidad del aire pueden afectar seriamente a la eficacia de un sistema y se deben supervisar continuamente;
  • Los puntos calientes y las ineficiencias en los centros de datos existentes son relativamente fáciles de identificar realizando análisis termográficos o instalando una red de sensores inalámbricos.

Imagen IR, de: http://www.datacentir.com/

problemas en la gesti n del aire1
Problemas en la gestión del aire
  • Para el diseño y la optimización del proceso de refrigeración se puede ayudar del software de simulación Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), con el fin de predecir los fenómenos físicos térmicos / fluidos en el centro de datos;
  • Las mediciones físicas y las pruebas de campo no son sólo son una tarea ardua y larga, sino que a veces resultan imposibles.

Ejemplo de CFD, de: http://emersonnetworkpower.com

ajustes de temperatura y humedad en los centros de datos medios y grandes
Ajustes de temperatura y humedad en los centros de datosmedios y grandes

Punto de ajuste y capacidad de refrigeración de un sistemadividido

(Fuente: P. Riviere y otros, Estudiopreliminarsobre el rendimientoambiental de aparatosresidenciales de acondicionamiento de salas)

  • Una temperatura de aire mayor suele dar lugar a un incremento en las horas de uso del economizador y a una refrigeración mecánica más eficiente, pero con un "factor de seguridad" más bajo respecto a las condiciones de entrada de los equipos informáticos;
  • En el caso de los DX y de los sistemas de agua helada, realizar un ajuste de temperatura más caliente por lo general aumenta la capacidad y la eficiencia de los sistemas de refrigeración
soluciones para la falta de homogeneidad espacial y temporal
Solucionespara la falta de homogeneidadespacial y temporal
  • Falta de homogeneidadespacial:
    • difunde las cargas informáticas y las cargas de calor consecuentes despoblando los racks.
  • Falta de homogeneidad temporal:
    • Utilizasistema de almacenamiento de aguarefrigerada;
  • En los centros de datos con unadensidad de potenciaelevada (porejemplo, más de 15 kW por rack):
    • se puedenintegrarnuevossistemas de refrigeración en los racks y conseguirqueoperen de forma independiente (sistemas de refrigeraciónbasados en RACK)
refrigeraci n basada en el rack
Refrigeraciónbasada en el rack
  • La refrigeración basada en el rack es capaz de disipar unos 20 kW de calor y está sellada, con el fin de garantizar la circulación de un flujo constante de aire fresco. La refrigeración basada en el rack a menudo se combina con el sistema de refrigeración líquida para ayudar a la refrigeración de alta densidad.

Source: highdensityrackcooling.com

refrigeraci n en hileras
Refrigeración en hileras

Diseño del centro de datos con refrigeración en hileras.

Fuente: APC por Schneider Electric, 2010; Libro Blanco #139 rev.0

refrigeraci n en hileras a carga parcial
Refrigeración en hileras a cargaparcial

De: APC White paper #126, rev. 1.

sistema de refrigeraci n l quida
Sistema de refrigeraciónlíquida
  • La eficiencia de la refrigeraciónporaguaes 14 veces mayor que la de la refrigeraciónporaire

De: S. Novotny, Diseño ecológico de un centro de datos: refrigeración por agua para una máxima eficiencia

dise o del sistema de refrigeraci n l quida
Diseño del sistema de refrigeración líquida

De: presentación de ASHRAE Save energy now, 2009

refrigeraci n l quida a nivel del rack con intercambiador de calor central
Refrigeraciónlíquida a nivel del rack, con intercambiador de calor central

De: presentación de ASHRAE Save energy now, 2009

refrigeraci n l quida a nivel del rack con intercambiador de calor l quido a aire
Refrigeraciónlíquida a nivel del rack, con intercambiador de calorlíquido a aire

De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009

refrigeraci n basada en un procesador
Refrigeraciónbasada en un procesador

Refrigeraciónporplacafría de IBM, fuente: thehotaisle.com

IBM Aquasar, Fuente: ethlife.ethz.ch

refrigeraci n basada en un procesador1
Refrigeraciónbasada en un procesador
  • El último avance en materia de sistemas de refrigeración de equipos informáticos es un componente de refrigeración basado ​​en el uso de agua "caliente" .
  • Se basa en el hecho de que las temperaturas de operación típicas de la CPU se encuentran entre 40 y 80 ° C.
  • Así, la refrigeración basada en agua a una temperatura de hasta 60 ° C permite que la CPU se enfríe al nivel de funcionamiento normal.
  • La principal desventaja que presenta este concepto es la mayor complejidad y coste del sistema. Cada procesador o componente tiene que estar conectado al sistema de refrigeración a través de tuberías. Esto también puede entrañar algunos riesgos en caso de que se produzca un fallo en el sistema de tuberías. Aparte de eso, las ventajas que ofrece este sistema por lo que se refiere a su eficiencia son considerables.
mejores pr cticas 10
Mejores prácticas #10

De: presentación de ASHRAE Save energy now, 2009

doe energy 101 centros de datos energ ticamente eficientes
DOE Energy 101 – Centros de datos energéticamente eficientes
  • Vídeoquecontiene un ejemplo de refrigeracióneficienteelaboradopor DOE Energy 101
    • http://www.youtube.com/watch?v=xGSdf2uLtlo
debate
Debate

Cuestionesrelacionadas con el módulo

cuestiones debates relacionados con el m dulo
Cuestiones / debates relacionados con el módulo
  • Al seleccionar un sistema de refrigeración, ¿cuáles son las principales limitaciones que afectan el diseño?
  • ¿Cómo aumenta la eficiencia energética en una configuración de pasillo caliente / pasillo frío?
  • ¿Cuánta eficiencia tiene la refrigeración por agua en comparación con la refrigeración por aire?
  • ¿Por qué cree que "la refrigeración basada en un procesador" no es de uso común hoy en día?
sugerencias de lecturas complementarias
Sugerencias de lecturascomplementarias

Librosblancos

Publicaciones en línea

Etc

sugerencias de lecturas complementarias1
Sugerencias de lecturascomplementarias
  • ASHRAE TC 9.9 - 2011 Thermal Guidelines for Data Processing Environments – Expanded Data Center Classes and Usage Guidance
    • http://tc99.ashraetcs.org/documents/ASHRAE%20Whitepaper%20-%202011%20Thermal%20Guidelines%20for%20Data%20Processing%20Environments.pdf
  • Energy Efficient Cooling Solutions for Data Centers
    • http://www.cisco.com/web/partners/downloads/765/other/Energy_Efficient_Cooling_Solutions_for_Data_Centers.pdf
  • ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series
    • http://hightech.lbl.gov/presentations/save-energy-now-08-09.pdf
  • Qualitative analysis of cooling architectures for data center
    • http://www.thegreengrid.org/en/Global/Content/white-papers/CoolingArchitectures
sugerencias de lecturas complementarias2
Sugerencias de lecturascomplementarias
  • Fundamentals of data center power and cooling efficiency zones
    • http://www.thegreengrid.org/~/media/WhitePapers/Fundamentals%20of%20Power%20and%20Cooling%20Zones%20White%20Paper.pdf?lang=en
  • Sevenstrategies to improve data centercoolingefficiency
    • http://www.thegreengrid.org/~/media/WhitePapers/White%20Paper%2011%20-%20Seven%20Strategies%20to%20Cooling_092809.pdf?lang=en
  • Cooling strategies for IT equipment
    • http://h20000.www2.hp.com/bc/docs/support/SupportManual/c02507744/c02507744.pdf
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