ahorro energético Climatización eficiente en CPDs

Transcripción

1 Climatización eficiente en CPDs I POR M. Sansigre y J. Salom I Grupo de Energía Térmica y Edificación / Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) Desde hace más de una década se está experimentando una revolución en las tecnologías de la información y gestión de las operaciones. Los procesos informáticos y de telecomunicaciones necesitan un motor que los ejecute y dé soporte a todas estas operaciones, llamado centro de proceso de datos (CPD) o data center. Debido al carácter crítico de la información procesada, un CPD ha de ser dotado de una infraestructura que asegure el funcionamiento continuo y seguro del mismo, capaz de cubrir los requerimientos físicos de los equipos y la electrónica que sustenta. El presente artículo plantea la problemática asociada al diseño y explotación de su sistema de refrigeración y las directrices generales para disminuir su consumo energético. 50 I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I MONTAJES E INSTALACIONES Maxi_Ahorro_Energ-03_IREC.indd 50 21/01/11 8:57

2 I AHORRO energético I I Se conoce como CPD (Centro de proceso de datos) al espacio dotado de la infraestructura necesaria para cubrir los requerimientos del hardware alojado. Su tamaño oscila desde pequeños espacios habilitados en oficinas hasta grandes edificios concebidos en su totalidad como CPD. Las salas específicas del CPD donde se alojan los equipos se denominan salas IT (Tecnologías de la información). Los equipos IT se albergan ordenadamente en armarios llamados Racks (Fig. 1). Los equipos IT para operar consumen energía eléctrica y se genera calor por la electrónica de su interior. Dependiendo de la aplicación del CPD (Cómputo, Banca...), se puede requerir un funcionamiento continuo y seguro durante las veinticuatro horas del día, los 365 días del año, donde cualquier posibilidad de fallo ha de ser evitada tanto en el diseño como durante el mantenimiento de sus instalaciones. Dependiendo de la criticidad de las operaciones soportadas por el CPD, de las horas de funcionamiento anuales y de los requerimientos de continuidad y respuesta ante fallo eléctrico, el Uptime Institute establece una clasificación de acuerdo al tipo de infraestructura [1]. Los requerimientos de un CPD para operar correctamente son: Condiciones estrictas de temperatura y humedad en la sala. Alimentación eléctrica de señal estable y sin cese alguno (sistemas de alimentación ininterrumpida, sistema de generación de emergencia...). Seguridad (protección contra incendios, detección de humedad, acceso restringido...). Continuidad: Fiabilidad, redundancia de componentes por sistema. Los anteriores requisitos deben ser cubiertos por las siguientes instalaciones principales: Sistema de refrigeración. Sistemas eléctrico y de continuidad. Sistemas de seguridad. Sistemas de cableado y redes. Por otra parte, un CPD construido en España en el año 2010 consume de veces lo que un edificio de oficinas por unidad de superficie. Con una infraestructura de diseño estándar, el 46% del consumo eléctrico total corresponde a la alimentación eléctrica de los equipos IT, mientras que el 31% pertenece al sistema de climatización y el 23% al resto de sistemas de la infraestructura [2]. Este último aspecto evidencia el peso del sistema de refrigeración en el consumo energético de un CPD, y justifica los esfuerzos de todos los agentes implicados en su diseño y explotación para disminuirlo. I Climatización en CPDs I I Generalidades I La totalidad de los equipos IT de un CPD forman lo que se denomina carga IT. Para dimensionar y diseñar el sistema de climatización de un CPD es fundamental conocer la naturaleza de la carga IT, que fijará la generación térmica en W/m 2 de la Sala IT y las condiciones de temperatura y humedad a las que ha de operar. La carga por rack resultará de la suma del calor disipado de todos los equipos alojados en él. En la figura 2 se muestra el tipo de hardware (equipo IT) según su aplicación por año de introducción en el mercado y de acuerdo a su disipación térmica por rack [3]. Según lo anterior, se clasifican los equipos IT en tres grupos [3]: Densidad Normal: < 20 kw/rack Alta Densidad : >20 kw/rack- <35 kw/rack Extrema Densidad >35 kw/rack Figura 1. Desglose conceptual de los componentes de una Sala IT. Figura 2. Tendencia para la carga térmica por rack estándar (KW/rack) por tipo de equipo IT, ASHRAE. MONTAJES E INSTALACIONES I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I 51 Maxi_Ahorro_Energ-03_IREC.indd 51 21/01/11 8:57

3 Dependiendo de la aplicación del CPD, su carga IT estará formada mayoritariamente por uno u otro tipo de equipos IT, por lo que surgirán salas con diferentes necesidades de climatización. Adicionalmente ha de tenerse en cuenta que el aporte de calor de los equipos a la sala es 100% sensible. I Requerimientos I Las condiciones de humedad y temperatura del aire de refrigeración de entrada a los equipos en las salas IT son parámetros muy importantes para asegurar un correcto funcionamiento de los equipos, y tienen una influencia muy importante en el consumo energético de climatización. Las especificaciones más recientes han sido especificadas por ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers) [4] y se resumen en la tabla 1. El sistema de refrigeración ha de entregar a cada equipo el caudal necesario para mantener en su interior la temperatura correcta de operación marcada por el fabricante. El rango de temperaturas indicado por ASHRAE es el resultado de un benchmarking de las temperaturas requeridas por los distintos equipos que se encuentran en un CPD. I Problemática I La realidad de un CPD supone un entorno heterogéneo de convivencia de diferentes cargas térmicas. El modelo ideal de refrigeración sería aquel en el que la totalidad del aire impulsado a la sala fuese el demandado por la carga para refrigerarse. La realidad demuestra que se impulsa mayor caudal del requerido por los equipos. Son tres los fenómenos que contribuyen a la ineficiencia en la distribución del aire en las salas IT [5]: Recirculación: El defecto de caudal para refrigerar el rack provoca que el aire salga cada vez más caliente. Debido al incremento de la temperatura, la densidad del aire disminuye recirculando hacia la parte delantera, efecto conocido como retroalimentación, y genera los llamados puntos calientes, zonas de los racks con elevadas temperaturas de entrada. En la figura 3 se aprecia la formación de los mismos. I tabla 1 Rango de Temperaturas de entrada a rack, ASHRAE 2008 I Temperatura seca (ºC) Humedad relativa (%) Mínima de entrada a rack Máxima de entrada a rack Figura 3. Proceso de recirculación del aire y creación de punto caliente. Elaboración propia. Bypass: Es el caudal de aire que sale por las rejillas y regresa directamente al retorno del sistema de refrigeración sin llegar a enfriar los servidores. Otra fuente importante de aire de bypass son las aperturas en la parte trasera de los armarios por donde suben los cables. Flujo de presión negativa: Este caudal es inducido por efecto Venturi y se encuentra en las rejillas de impulsión a la sala donde las velocidades del aire bajo ellas son altas (en el plenum del falso suelo debido a la diferencia de presiones). En la figura 4 se ilustra la aparición de bypass y flujo de presión negativa que, junto con la recirculación, causan la deficiente refrigeración del rack que provoca en ocasiones la parada de los equipos. I Estrategias de Eficiencia Energética en las Salas IT I Con el objetivo de disminuir las ineficiencias en la difusión del aire, se recomienda distribuir los racks en la sala formando pasillos fríos y calientes. De esta manera, el aire frío se impulsa en un pasillo y el aire caliente se expulsa en el pasillo siguiente. Esto facilita el mejor aprovechamiento y gestión del aire de refrigeración, tal y como se muestra en la figura 5. Cuando la temperatura exterior lo permite, las condiciones del interior de la sala requeridas pueden obtenerse mediante tratamiento del aire exterior en modo de refrigeración gratuita o freecooling. Desde el punto de vista de ahorro energético, este último sistema resulta el más ventajoso, sea directo, indirecto con enfriamiento evaporativo o rueda desecante. Este caso ha de ser cuidadosamente evaluado en función de la ubicación geográfica y la carga del CPD a refrigerar, y supone una solución que ha de ser contemplada desde el diseño arquitectónico del edificio. En los casos en los que no es posible implementar este tipo de soluciones, el aire frío necesario será aportado por unidades autónomas de expansión directa o por climatizadoras alimentadas por agua enfriada, llamadas CRAC (Computer Room Air Conditioning). 52 I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I MONTAJES E INSTALACIONES Maxi_Ahorro_Energ-03_IREC.indd 52 21/01/11 8:57

4 I AHORRO energético I Figura 4. Flujos de presión negativa y bypass, Robert Tozer. Figura 5. Distribución de los racks en la sala IT según configuración pasillos fríos/calientes, 42U. La ecuación que gobierna la refrigeración de este tipo de cargas (sensibles) es la siguiente (1): (1) Ecuación de la transferencia de calor sensible a través del rack Donde: [kw] es el calor a extraer del rack por el aire del sistema de refrigeración [kg/s] Caudal de aire frío de aporte al rack [kw/kg.k] Calor específico del aire a presión constante. [K] Salto térmico medio alcanzado por el aire a su paso por el rack. Para una carga térmica a refrigerar, pueden variar dos parámetros: el caudal de aire y el salto térmico. De esta manera, a menor caudal de aporte mayor es el salto térmico necesario para refrigerar la carga. Hasta que en 2006 ASHRAE comenzó a especificar las temperaturas de trabajo de la sala, los CPDs se refrigeraban con aire de impulsión a o C. Todavía hoy en día es fácil encontrar salas con estas temperaturas de trabajo. Uno de los objetivos de las recomendaciones de ASHRAE con el incremento de las temperaturas de trabajo de la sala (ver apartado de Requerimientos), es modificar las consignas de operación de los diferentes componentes del sistema de refrigeración y poder trabajar a un mayor rendimiento, lo que repercutirá en la disminución de los costes de explotación. En numerosos casos el incremento de las temperaturas de impulsión a los equipos a o C hace que, por ejemplo, en la planta enfriadora podamos trabajar en lugar de a 7-12 o C a 9-14 o C, y, dependiendo del clima de la ubicación del CPD, incluso a o C sin presentar problemas en la condensación de la enfriadora. El problema que surge al incrementar la temperatura de impulsión a los equipos es que la temperatura de salida de los mismos aumentará también, por lo que se estará facilitando la aparición de puntos calientes. En este caso se precisa la instalación de cerramientos en la sala para independizar los flujos de aire de impulsión y retorno. Existen varias soluciones, y entre las más comunes cabe destacar las siguientes: Cerramiento del pasillo frío: Consiste en contener el aire de impulsión de manera que entre por completo a los racks. Este sistema impide físicamente la creación de puntos calientes y asegura que la temperatura de entrada a los equipos sea la deseada. La temperatura ambiente de la sala en este caso será elevada. Cerramiento del pasillo caliente: Por el contrario, en este caso se facilita la extracción del aire caliente del pasillo y, análogamente, se impide el mezclado de flujos de aire. En este caso la temperatura ambiente de la sala será la de impulsión a los equipos. Otras Técnicas: Racks con extracción conducida del aire caliente. MONTAJES E INSTALACIONES I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I 53 Maxi_Ahorro_Energ-03_IREC.indd 53 21/01/11 8:57

5 El diagrama de la figura 6 muestra los beneficios que conlleva la instalación de cerramientos en las salas IT. Cuando la potencia instalada por rack supera los 20 kw, la solución más eficiente es recurrir a instalación de dispositivos de refrigeración líquida, que consisten en terminales especiales de refrigeración local alimentados por agua entre 12 y 18 o C, lo que permite una refrigeración de cargas de alta y extremada densidad con bajo consumo energético. Dependiendo del dispositivo instalado y de la potencia por rack, se requerirá combinar la refrigeración líquida con el sistema convencional de climatización por aire (sistema mixto), o bien dispositivos de refrigeración líquida capaces de refrigerar la totalidad de potencia disipada en el rack. Existen múltiples soluciones que han de ser contempladas, escogiendo siempre la que cubra el servicio con un menor retorno de la inversión basado en el ahorro energético obtenido. I Mejores prácticas en el mantenimiento del sistema de refrigeración de CPDs I La experiencia demuestra que los caudales de ventilación reales son mayores que los óptimos requeridos por los equipos para su correcta refrigeración. Esto se debe a la falta de optimización del diseño de los sistemas de refrigeración del CPD y a las malas prácticas que en él se observan, por ejemplo: Suelos colapsados (cables, basuras...). Exceso de iluminación. Insuficiente aislamiento de la sala. Utilización de espacio IT como almacén de material que no ha de ser refrigerado (cintas). Mala disposición física de los equipos en la sala. Exceso de frío en la sala. No es necesario refrigerar a 14-17ºC el CPD. Como paso inicial para mejorar el rendimiento del sistema, los primeros aspectos a corregir son los siguientes: Mantener la temperatura de retorno de la sala en un rango de ºC. Niveles de humedad relativa de 40-60%. Evitar orificios en el falso suelo por los que pueda haber pérdidas de caudal de ventilación (utilizar métodos de sellado del paso de cables) y asegurar suficiente caudal de aire frío (rejillas bien ubicadas y suelos sin amontonamientos de cables). Alternar pasillos fríos y calientes. Usar racks con ambas puertas perforadas que faciliten la entrada y salida del aire Alternar racks de equipos de alta densidad con los de baja. I Conclusiones I El primer paso para incrementar la eficiencia del sistema de climatización de un CPD existente es aplicar las mejores prácticas de mantenimiento e intentar evitar las deficiencias en el flujo de aire (recirculación, bypass y flujo de presión negativa), por lo que estaremos aprovechando en mayor medida el caudal impulsado a la sala. Para mejorar el rendimiento global del sistema, sería conveniente aumentar las consignas de trabajo, estableciendo la temperatura de retorno a los CRACs a partir de 28 o C. Para poder incrementar la temperatura es necesario impedir la recirculación, por lo que es necesaria la instalación de cerramientos en los pasillos fríos y/o calientes. El operar, por ejemplo, a temperaturas de 20 o C de impulsión y 30 o C en el retorno, permitirá producir el agua a 9-14 o C y a o C en la planta enfriadora, lo que conlleva ahorros importantes. Si en el CPD existen cargas de alta o extrema densidad, se recomienda la instalación de dispositivos de refrigeración líquida que refrigeran de manera local el exceso de carga sin que dicha disipación altere el entorno de otros equipos de menor potencia. En CPDs de nueva construcción se recomienda siempre evaluar la viabilidad las distintas tecnologías eficientes o la combinación de varias. Figura 6. Diagrama de resultados obtenidos mediante la instalación de cerramientos. Elaboración propia. I Referencias I [1] The Uptime Institute, (2009) Data Center Site Infrastructure tier Standard: Topology. ed, [2] Lawrence Berkeley National Laboratory,(2007). Average data center power application. [3] ASHRAE (American Society American Society of Heating, R., and Air Conditioning Engineers ), (2005) Datacom Equipment Power Trends and Cooling Applications in Technical Committee (TC) 9.9. [4] ASHRAE (2008) Expanding the Recommended Environmental Envelope. [5] Robert Tozer,(2009). Gestión del Aire en Centros de Cómputo. 54 I NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2010 I MONTAJES E INSTALACIONES Maxi_Ahorro_Energ-03_IREC.indd 54 21/01/11 8:57