Uso de dióxido de carbono para la refrigeración de Centros de Proceso de Datos

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1 Uso de dióxido de carbono para la refrigeración de Centros de Proceso de Datos David Romanos Tabuenca Jefe de Producto AITCS de TROX España MERECE LA PENA BUSCAR ALTERNATIVAS ENERGÉTICAMENTE MÁS EFICIENTES PARA LA REFRIGERACIÓN DE CENTROS DE PROCESO DE DATOS? Los Centros de Proceso de Datos (CPD) son instalaciones de funcionamiento crítico que requieren altísimas necesidades eléctricas, tanto para el funcionamiento de los servidores como para la refrigeración de dichos servidores. Para hacernos una idea de magnitud, la energía total de dichas instalaciones representa aproximadamente el 2% de la energía gastada en los Estados Unidos de América, al mismo nivel que la energía necesitada por el sector de la aviación (según Gartner Group). Y por cada dólar invertido en Hardware equivale a un consumo de 50 centavos, con una tendencia a aumentar, ya que para los próximos 4 años se espera que aumente entre un 54% y un 71% (fuente IDC). La cantidad de energía consumida por los servidores se ha doblado en los últimos 5 años y se prevé que crezca un 75% más en 2010 (Berkeley Labs). (Figura 1) Además el rendimiento de los servidores se ha visto triplicado cada dos años mientras que la Eficiencia Energética tan solo se ha duplicado en el mismo periodo. Esta diferencia hará que el coste energético del Data Center se vaya incrementando todos los años (Uptime Institute). TENDENCIAS EN LOS CENTRO DE PROCESO DE DATOS Figura 1 Las cargas térmicas en los rack de los Centro de Proceso de Datos se están incrementando continuamente debido a la compactación de mayor número de transistores en menor espa- 66 El INSTALADOR nº 461 marzo 2009

2 LIMITACIONES DE LA REFRIGERACIÓN POR MEDIO DE AIRE Figura 2 cio. A principios de los años 90 la carga media de un rack estaba entre 1 y 2 kw. Actualmente no es extraño ver cargas de entre 20 y 24 kw, cumpliendose la regla de Moore, que prevé que el número de transistores se multiplique por 2 cada 18 ó 24 meses. (Figura 2) La tecnología que está motivando este cambio es la tecnología de los Servidores de Hoja Blade Server que ha compactado los cuadros permitiendo: Mayor potencia de cálculo. Reducción del número de cuadros. Reducción del espacio necesario en el Centro de Proceso de Cálculo. Pero esta tecnología está generando numerosos retos porque está incrementando las cargas térmicas, tal y como hemos comentado anteriormente. La refrigeración por aire para cargas de entre 5 y 8 kw se hace muy difícil, por lo tanto se tienen que aplicar nuevos métodos de refrigeración para las nuevas condiciones. Figura 3 En la figura 3 se ve la compactación de los circuitos integrados en un chasis, cuando se utiliza la tecnología Blade Server. Tal y como se ve en la figura 4 que muestra los distintos estratos de temperatura dentro de un rack, se ve que dentro del tercio superior del rack se pueden hacer cortocircuitos donde se esté introduciendo en el rack aire caliente de retorno de un rack. Este fenómeno hace que la temperatura de entrada en la parte superior del cuadro sea mucho más alta que en los 2/3 inferiores. Produciéndose, Figura 4 según Kenneth Brill de The Uptime Institute, una tasa de fallo en el 1/3 superior sea 3 veces superior a la tasa de fallo que se produce en el los 2/3 inferiores del cuadro. COMPARACIÓN DEL ESPACIO DISPONIBLE ENTRE UNA INSTALACIÓN DE ALTA Y BAJA DENSIDAD En ciertas instalaciones el espacio requerido en el Centro de Proceso de Datos y en la planta de refrigeración del mismo, es un espacio perdido que podría utilizarse para otras funciones. En algunos edificios situados en los principales centros financieros, el coste de dicho espacio puede ser muy relevante. Por ejemplo, en una instalación de 300 kw, con una densidad térmica de 1000 W/m 2 necesitaría 300 m 2. En una instalación de densidad media (15 kw por rack) la superficie se puede reducir a 150 m 2. Si calculamos un alquiler medio de 20 /m 2 por mes, el ahorro en alquileres sería de al año. En el caso de que la instalación sea de alta densidad (30 kw por rack) la superficie requerida se puede reducir hasta unos 75 m 2. Con lo que el ahorro anual podría llegar hasta los , un coste que representaría aproximadamente el 65% del coste energético de dicha instalación para una refrigeración por aire sin free-cooling. En fin, es un coste muy reseñable en ciertos casos. El INSTALADOR nº 461 marzo

3 POR QUÉ EL USO DE CO 2? La decisión de elegir el CO 2 como refrigerante entre muchos otros son las siguientes: Alta Capacidad de Refrigeración. El CO 2 se va a utilizar a una presión y temperatura en la que va ha haber un cambio de fase. De manera que cuando el CO 2 entra en el Centro de Proceso de Datos está en estado líquido, y una vez absorbido el calor producido en los rack, el CO 2 está una parte en líquido y otra parte en gas. Si tenemos en cuenta que el Calor Latente de Vaporización del Dióxido de Carbono es de 182 kj/kg comparado con la Capacidad Calorífica del H2O que es 4,2kJ/kg. Lo que hace que un Kg. de CO 2 absorbe 7 veces más de energía que el agua (182 kj/ 25.2 kj de energía de elevar de 6 a 12ºC el agua resulta 7,22 veces). El CO 2 es eléctricamente benigno. En contraposición del agua, que por su conductividad eléctrica ningún gestor de Centro de Proceso de Datos desea tener cerca de los servidores, el CO 2 es totalmente inocuo para los dispositivos electrónicos y una posible fuga no afectaría el perfecto funcionamiento de dichos elementos. Aproximación a la fuente de calor. Gracias a la propiedad anterior, se puede aproximar la refrigeración a las fuentes de calor, de manera que hay una mayor diferencia de temperatura entre el elemento refrigerante (CO 2 ) y los rack, incrementándose la eficiencia del intercambio de calor. Tuberías & baterías reducidas. Según hemos comentado en el punto 1, la menor cantidad de CO 2 para evacuar el calor del CPD hace que los tubos y las baterías a situar en los cuadros deben ser mucho menores, haciendo más fácil la integración con el resto de instalaciones. Como la estructura es de un anillo principal que distribuye a los cuadros, la longitud de dichos tubos es más reducida que un esquema condensador/ evaporador individual. Potencia de bombeo mínima. Además de la reducción de la cantidad de CO 2, también la viscosidad es más reducida que el agua, haciendo que la potencia de bombeo sea muy inferior a la del agua. Reducción de emisiones del CO 2. Como hay una reducción del consumo energético, se reduce la emisión de CO 2 inherente a la producción de dicha energía. Reciclado de CO 2. El CO 2 que se utiliza como refrigerante proviene de procesos industriales en los que es un residuo, por lo que además de ser barato se evita que se libere en la atmósfera. ANÁLISIS ENERGÉTICO CO 2 VS AGUA Estudios realizados en el Reino Unido por el consultor HurleypalmerFlatt entre dos sistemas de refrigeración de Centro de Proceso de Datos: Sistema con un 75% de la refrigeración a través de CO 2 y el restante 25% a través de un sistema CRAC refrigerado por agua fría para las zonas con menores cargas y para controlar la humedad, etc. Sistema 100% con un sistema CRAC refrigerado por agua. Teniendo en cuenta que no se han tenido en cuenta ganancias por radiación solar ni la energía necesaria para humidificar. Los resultados de dicha comparativa se pueden ver en la tabla 1. Por ejemplo, en el sistema de 500 kw, el consumo del sistema 2 (CRAC con agua fría), 500x 0,496=248 kw, siendo con el sistema x 0,344 =172 kw, lo que significa un ahorro de 30%. Dicho ahorro se puede deglosar de la siguiente manera: Tabla 1 Potencia del compresor 14%, este ahorro proviene de enfriar a una temperatura más elevada (14ºC para el CO 2 ) mientras que el agua fría se tiene que enfriar a 6ºC. Reducción Potencia Bombeo 6%, debido a la menor cantidad de refrigerante CO 2 necesario para evacuar el calor respecto al agua y a su menor viscosidad. 68 El INSTALADOR nº 461 marzo 2009

4 Energía Ventilador 10%, es mucho más eficiente ventilar y pasar por la batería el aire caliente proveniente directamente desde el rack que ventilar enfriar el aire caliente mezclado ya en el local, ya que el salto térmico es mucho mayor. BASE DE DISEÑO Para que nos hagamos una idea de cómo funciona el sistema, en el siguiente dibujo se muestra la visión de un rack desde la parte superior. El funcionamiento es el que aparece en la figura 5. El aire de la habitación entra el rack a una temperatura aproximada de unos 22 ºC y al pasar por los chasis de servidores de hojas (por ejemplo) absorbe el calor generado por los mismos de modo que al final del rack dicho aire se ha calentado hasta unos 35/40 ºC. Este aire en vez de mezclarse con el aire del Centro de Proceso de Datos como sucedería en un sistema tradicional CRAC, este aire es pasado por unas baterías que llevan CO 2 a 14ºC y son descargadas en el Figura 5 local a una temperatura de unos 22ºC. Esto implica que este sistema es totalmente neutro con el CPD, es decir que para el local, es lo mismo que haya 5 servidores que 10, lo que va a implicar que, como hemos visto anteriormente, se van a poder compactar mucho más los cuadros de servidores reduciendo el espacio requerido. POR QUÉ LA TEMPERATURA DEL CO 2 ES 14º C? La elección de esta temperatura no ha sido casual, ya que esta temperatura es superior a la temperatura de rocío, con lo que conseguimos: Evitamos cualquier condensación de agua en las baterías (que van a estar muy cerca de las placas electrónicas). Ahorros energéticos grandes porque ademas de la energía que hubiéramos empleado la condensación del agua hubiera sido necesaria más para vaporizar más agua para mantener la humedad relativa del local. Posible utilización de enfriadores secos (Drycoolers) que evacue el calor absorbido en los servidores directamente en la atmósfera durante una gran cantidad de horas anuales. Estos enfriadores tienen una gran eficacia pudiéndose alcanzar COP de hasta 50. OPERATIVO INCLUSO CON PUERTA DEL SERVIDOR ABIERTA Figura 6 Figura 7 El sistema es funcional incluso cuando por necesidades de los cuadros es necesario abrir las puertas de los cuadros. Esta operación es sencilla porque las puertas tienen ruedecillas que se apoyan en el suelo del Centro de Proceso de Datos y las conexiones del CO 2 son flexibles, tal y como se puede comprobar en la figura 6. Cuando la puerta está abierta, la eficiencia de las puerta se reduce pero todavía la batería de la puerta absorbe de entre un 60 y 70% del calor, descargándose el restante 30 ó 40% en el pasillo, lo que hace que la temperatura del Centro de Proceso de Datos se incremente en un 2ºC, siendo la temperatura en el local de unos 24ºC. 70 El INSTALADOR nº 461 marzo 2009

5 UN SISTEMA CON RESILIENCIA INTRÍNSECA En el caso de que un ventilador o grupo de ventiladores dejara de funcionar, el grupo de servidores van a funcionar correctamente porque el sistema se va a auto-compensar. Si se abre la puerta de rack en el que no funciona ningún ventilador de la puerta, esto hace que en las proximidades del rack la temperatura sea de unos 35ºC, incrementándose la temperatura general en unos grados. Al incrementarse la temperatura de la habitación, la temperatura que pasa por las baterías de los rack que funcionan, se aumenta el calor absorbido, compensándose la evacuación de la batería que no funcionan con las evacuaciones de las baterías que funcionan, autocompensándose automáticamente. (figura 8) INSTALACIÓN CON SISTEMA DE AGUA FRÍA EXISTENTE EN EL EDIFICIO Hasta ahora solamente hemos visto como se extrae el calor del Centro de Proceso de Datos, pero no cómo se evacua a la atmósfera. El primer tipo de instalación es aquella en la que el circuito primario de refrigeración es el circuito de agua fría existente el edificio. En estos casos, el calor del circuito secundario (CO2 líquido + vapor) es refrigerado en un intercambiador de agua fría 6-12 ºC hasta que el CO 2 está 100% en estado líquido. Para que el CO 2 no se enfríe demasiado se controla el caudal del agua fría que circula por el intercambiador. El esquema típico se muestra en la figura 9. Una vez el CO 2 ha pasado por el intercambiador (condensador), llega un depósito donde se asegura que el CO 2 que llega a las bombas es 100% líquido. ENFRIADORA INDEPENDIENTE PARA EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DEL CPD Figura 8 En numerosas ocasiones, se desea tener un sistema totalmente independiente para la refrigeración del CPD, para tener un sistema de alimentación ininterrumpible diferenciado, etc. en ese caso es posible el tener en la misma planta el circuito primario de refrigeración con el condensador, compresores y el condensador del CO2. En esta planta enfriadora, el refrigerante es el R134a. La figura 10 muestra el esquema de este tipo de sistemas. Figura 9 Figura El INSTALADOR nº 461 marzo 2009

6 SALUD & SEGURIDAD DEL CO 2 Figura 11 TORRE DE REFRIGERACIÓN SECA Cuando en el exterior la temperatura es inferior en unos 2,5 ºC a la temperatura del CO 2 es posible condensar el CO 2 en una torre de refrigeración seca. (Figura 11) Pueden surgir dudas sobre la peligrosidad de tener CO 2 dentro del Centro de Proceso de Datos. En caso de que hubiera una fuga en una batería, los detectores de presencia de CO 2 cortarían el flujo que llega a la batería, de modo que la cantidad que saldría es de unos 5 kg., más o menos la cantidad de CO 2 que hay en un extintor. En la tabla 3 se puede ver las cantidades máximas permisibles de una serie de refrigerantes, donde se puede comprobar que el CO 2 (refrigerante R744) es el que permite mayores concentraciones del listado de algunos de los más importantes. Los ahorros de esta posibilidad son muy grandes, por ejemplo, una instalación en Madrid, con una temperatura del refrigerante de 14ºC podría funcionar un 50,73% de las horas del año, haciendo que el 44,49% del calor se disipe por la torre de refrigeración seca, con uncop de la torre de más de 50. Estas torres tienen la ventaja de no tener problemas de legionela, etc. en comparación con las torres de agua, etc. Tabla 3 En caso de que se hubieran sobrepasado el umbral del CO 2, con 5 minutos de respiración de aire fresco se vuelve al estado inicial. BIBLIOGRAFÍA The future of cooling Institute of Refrigeration 2005 Annual Conference Guy Hutchings para IOR. Health & Safety Executive UK. DataCenter Dynamics Conference por Kenneth Brill, Executive Director The Uptime Institute, Marzo Comparison CO 2 vs CHW, Hurleypalmerflatt. Tabla 2 74 El INSTALADOR nº 461 marzo 2009

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