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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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Módulo 6 Diseño de sistemas de refrigeración energéticamente eficientes

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Presentation Transcript


Módulo 6Diseño de sistemas de refrigeraciónenergéticamenteeficientes

Versión1.022 de septiembre de 2011


Dificultadesy opcionesgeneralespara la refrigeración de los equiposinformáticoscentrales


Tendencia de lascargas de refrigeración de los sistemasinformáticos

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


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)


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)


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.


Categorización del tamañoDependiendo del número de racks y de la potencia total instalada

Source (APC White Paper #59, 2004)


Categorización del tamañoUbicación, insfraestructura y características del sistema


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 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 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.


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


Combinacionestípicas de sistemas de terminal, refrigeración y rechazo de calor

Fuente: ASHRAE: Save Energy Now Presentation Series, 2009


Tamaño del centro de datos y posibleelección y distribución del sistema de refrigeración


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.


Clasificación ASHRAE: condiciones de la entrada de aire


Clasificación ASHRAE: condiciones de la entrada de aire


Código de Conducta de la UE sobre los Centros de Datos: condicionesambientales


Solución de refrigeraciónenergéticamenteeficiente en los centros de datos


Opciones de mejora en los sistemasinformáticospequeñosSalas de servidoresexistentes


Opciones de mejora en los sistemasinformáticospequeñosSalas de servidoresnuevas


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!


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


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 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

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.


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.


  • Dificultadesy opcionesparacentros de datos y sistemasmásgrandes


    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


    Distribución típica en los centros de datos medianos y grandes

    De: Estrategias de refrigeración de equiposinformáticos- HP


    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


    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


    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 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 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 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 unaconfiguración de pasilloscalientes / fríos

    Instalebarreras del flujo de airecomoconfinación del pasillocaliente / frío

    Instalepanelesciegos en todos los lugaresabiertos


    Optimización de los sistemas de cables


    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


    (Source: HP)

    Control y supervisión de los sistemas de refrigeración: problemas de gestión


    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 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 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


    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)


    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


    Refrigeración en hileras

    Diseño del centro de datos con refrigeración en hileras.

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


    Refrigeración en hileras a cargaparcial

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


    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


    Diseño del sistema de refrigeración líquida

    De: presentación de ASHRAE Save energy now, 2009


    Refrigeraciónlíquida a nivel del rack, con intercambiador de calor central

    De: presentación de ASHRAE Save energy now, 2009


    Refrigeraciónlíquida a nivel del rack, con intercambiador de calorlíquido a aire

    De: ASHRAE Save energy now presentation, 2009


    Refrigeraciónbasada en un procesador

    Refrigeraciónporplacafría de IBM, fuente: thehotaisle.com

    IBM Aquasar, Fuente: ethlife.ethz.ch


    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.


    Ejemplos y experiencias de lasmejoresprácticas


    Mejores prácticas #10

    De: presentación de ASHRAE Save energy now, 2009


    DOE Energy 101 – Centros de datos energéticamente eficientes

    • Vídeoquecontiene un ejemplo de refrigeracióneficienteelaboradopor DOE Energy 101

      • http://www.youtube.com/watch?v=xGSdf2uLtlo


    Debate

    Cuestionesrelacionadas con el módulo


    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 lecturascomplementarias

    Librosblancos

    Publicaciones en línea

    Etc


    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 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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