Cálculo de los requisitos totales de refrigeración para centros de datos

Transcripción

1 Cálculo de los requisitos totales de refrigeración para centros de datos Por Neil Rasmussen Informe interno N 25 Revisión 1

2 Resumen ejecutivo Este documento describe la forma de estimar la energía térmica producida de los equipos de IT y otros dispositivos instalados en un centro de datos, tales como las UPS, a los efectos de dimensionar los sistemas de aire acondicionado. Asimismo, se incluyen una serie de factores de conversión comunes y valores orientativos para el diseño. 2

3 Introducción Todos los equipos eléctricos producen calor, que debe ser extraído para evitar que la temperatura de los equipos se eleve a un nivel inaceptable. La mayoría de los equipos de IT y otros equipos instalados en un centro de datos o sala de gestión de redes son refrigerados por aire. Para dimensionar un sistema de refrigeración es necesario conocer la cantidad de calor producido por los equipos contenidos en un espacio cerrado, y el calor producido por las restantes fuentes térmicas típicas. Medición de la energía térmica producida El calor es energía y se expresa comúnmente en julios, BTU, toneladas o calorías. Las medidas comunes de régimen de energía térmica producida son BTU por hora, toneladas por día y julios por segundo (julios por segundo es igual a vatios). No existe ninguna razón de peso para el uso de todas estas medidas diferentes para expresar los mismos productos; no obstante todas ellas pueden utilizarse para expresar capacidades de potencia o refrigeración. El uso indistinto de estas medidas genera gran confusión entre usuarios y especificadores. Afortunadamente, existe una tendencia mundial entre las organizaciones de definición de estándares a pasar todas las medidas de capacidad de potencia y refrigeración a un estándar común, el vatio. Los términos arcaicos de BTU y toneladas quedarán fuera de uso con el transcurso del tiempo 1. Por tal razón, en este informe se tratarán las capacidades de refrigeración y potencia en vatios. El uso del vatio como estándar común es fortuito, dado que simplifica el trabajo asociado con el diseño del centro de datos, tal como se explicará posteriormente. En Norteamérica, las especificaciones de las capacidades de potencia y refrigeración se siguen expresando con los términos legados BTU y toneladas. Por esta razón, se suministran las siguientes conversiones para asistir al lector: Dado un valor en Multiplicar por Para obtener BTU por hora 0,293 vatios vatios 3,41 BTU por hora toneladas 3530 vatios vatios 0, toneladas 1 El término toneladas se refiere a la capacidad de enfriamiento del hielo y es una reliquia del período cuando la capacidad de refrigeración y de aire acondicionado se cubría mediante la entrega diaria de bloques de hielo. 3

4 La energía transmitida por los equipos de computación u otros equipos de IT a través de las líneas de datos es insignificante. Por lo tanto, prácticamente toda la energía consumida de la línea de alimentación de CA se convierte en calor. Este hecho permite que la energía térmica producida de los equipos de IT en vatios sea igual a su consumo de energía en vatios. Los BTU por hora, valor que a veces se suministra en hojas de datos, no son necesarios para determinar la energía térmica producida de los equipos. La energía térmica producida simplemente es igual a la entrada de energía 2. Determinación de la energía térmica producida de un sistema completo La energía térmica total producida por un sistema es la suma de las generaciones térmicas de los componentes. El sistema completo incluye los equipos de IT, más otros elementos tales como UPS, distribución de energía, unidades de aire acondicionado, iluminación y personas. Afortunadamente, los regímenes de energía térmica producida de estos elementos pueden ser determinados fácilmente aplicando reglas simples y estandarizadas. La energía térmica producida de las UPS y de los sistemas de distribución de energía consta de una pérdida fija y una pérdida proporcional a la energía operativa. Existe bastante uniformidad con respecto a estas pérdidas entre las distintas marcas y modelos de equipos, de forma tal que pueden calcularse de manera aproximada con poco margen de error. Las cifras relativas a la iluminación y las personas también pueden estimarse sin inconvenientes utilizando valores estándar. La única información necesaria para determinar la carga de refrigeración para el sistema completo son unos pocos valores disponibles en forma inmediata, tal como el espacio ocupado en pies cuadrados y la energía eléctrica nominal del sistema. Las unidades de aire acondicionado, con sus ventiladores y compresores, crean una cantidad significativa de calor. Este calor es extraído al exterior y no crea carga térmica dentro del centro de datos. Sin embargo, resta eficiencia al sistema de aire acondicionado y normalmente se toma en consideración cuando se dimensiona el sistema de aire acondicionado. 2 Nota: la única excepción a esta regla se presenta en los routers para VOIP; en estos dispositivos hasta el 30% de la energía consumida por el dispositivo puede ser transmitida a los terminales remotos, de forma tal que su carga térmica puede ser menor que la energía eléctrica que consumen. Partir del supuesto de que toda la energía eléctrica se disipa en forma local en este informe se emplea ese supuesto da como resultado un sobrevalor para la generación térmica en el caso de los routers para VOIP, un error insignificante en la mayoría de los casos. 4

5 Es posible realizar un análisis térmico detallado utilizando datos de producción térmica para cada elemento del centro de datos; pero la estimación rápida basada en reglas simples brinda resultados que se encuentran dentro del margen de error típico del análisis más complicado. Asimismo, la estimación rápida brinda la ventaja de que puede ser realizada por cualquier persona sin conocimientos o capacitación especializados. La Tabla 1 suministra una hoja de trabajo que permite el cálculo rápido de la carga térmica. A partir de la hoja de trabajo, es posible determinar la energía térmica total producida en un centro de datos en forma rápida y confiable. El uso de la hoja de trabajo se describe en el procedimiento explicado debajo de la Tabla 1. Tabla 1 Hoja de trabajo para el cálculo de la energía térmica producida de un centro de datos o sala de gestión de redes Ítem Datos requeridos Cálculo de la energía térmica producida Equipos de IT UPS con batería Distribución de energía Iluminación Personas Potencia total de la carga de IT en vatios Potencia nominal del sistema de energía en vatios Potencia nominal del sistema de energía en vatios Espacio ocupado en pies cuadrados, o Espacio ocupado en metros cuadrados Cantidad máxima de personal en el centro de datos Igual a la potencia total de la carga de IT en vatios (0,04 x régimen del sistema de energía) + (0,06 x potencia total de la carga de IT) (0,02 x régimen del sistema de energía) + (0,02 x energía total de la carga de IT) 2,0 x espacio ocupado (pies cuadrados), o 21,53 x espacio ocupado (metros cuadrados) 100 x cantidad máxima de personal Total Subtotales anteriores Suma de los subtotales de energía térmica producida Subtotal de energía térmica producida Procedimiento Obtener la información solicitada en la columna Datos requeridos. Consultar las definiciones de datos a continuación en caso de dudas. Realizar los cálculos de energía térmica producida y colocar los resultados en la columna de subtotal. Sumar los subtotales para obtener la energía térmica producida total. 5

6 Definiciones de datos Potencia total de la carga de IT en vatios: Suma de las entradas de potencia de todos los equipos de IT. Potencia nominal del sistema de energía: Régimen de potencia del sistema UPS. Si se utiliza un sistema redundante, no incluir la capacidad de la UPS redundante. Ejemplo de sistema típico Se describe la energía térmica producida de un sistema típico. Se utiliza como ejemplo un centro de datos de 5000 pies cuadrados (465 metros cuadrados) con 250 kw nominales, con 150 racks y con una cantidad máxima de 20 personas. En el ejemplo, se parte del supuesto de que la carga del centro de datos alcanza el 30% de su capacidad, lo que resulta típico. Para acceder a un análisis de la utilización típica, véase el Informe interno N 37 de APC: Cómo evitar los costos que ocasiona el sobredimensionamiento de la infraestructura de los centros de datos y las salas de gestión de redes. La carga total de IT del centro de datos en este caso sería del 30% de 250 kw, o sea 75 kw. En estas condiciones, la energía térmica producida total del centro de datos es 108 kw, o aproximadamente el 50% más que la carga de IT. En el ejemplo típico, la contribución relativa de los diferentes tipos de elementos instalados en el centro de datos respecto de la energía térmica producida total se ilustra en la Figura 1. Figura 1 Contribuciones relativas a la energía térmica producida total de un centro de datos típico Distr. energía 6% Iluminación 9% Personas 2% UPS 13% Cargas de IT 70% 6

7 Nótese que las contribuciones a la energía térmica producida de la UPS y la distribución de energía se ven aumentadas por el hecho de que el sistema está operando a solamente el 30% de su capacidad. Si el sistema operara al 100% de su capacidad, se incrementaría la eficiencia de los sistemas de energía y disminuirían sus contribuciones relativas a la energía térmica producida del sistema. La pérdida significativa de eficiencia es un costo real del sobredimensionamiento de un sistema. Otras fuentes térmicas En el análisis anterior no se consideran las fuentes térmicas ambientales tales como la luz solar que pasa a través de las ventanas y el calor conducido desde las paredes exteriores. Muchos centros de datos pequeños y salas de gestión de redes no poseen paredes ni ventanas al exterior, de forma tal que en esos casos no existirá error resultante de este supuesto. Sin embargo, en el caso de los grandes centros de datos con paredes o techo expuestos al exterior, ingresa calor adicional al centro de datos que debe ser eliminado por el sistema de aire acondicionado. Si la sala de datos se encuentra ubicada dentro de los límites de una infraestructura con aire acondicionado, las otras fuentes térmicas pueden pasarse por alto. Si las paredes o el techo del centro de datos se encuentran muy expuestos al exterior, será necesario que un consultor en HVAC estime la carga térmica máxima, valor que deberá agregarse al requisito térmico del sistema completo que fue determinado en la sección anterior. Humidificación Además de extraer el calor, un sistema de aire acondicionado para un centro de datos está diseñado para controlar la humedad. En condiciones ideales, cuando se logra la humedad deseada, el sistema operará con una cantidad constante de agua en el aire y no existirá necesidad de humidificación constante. Desafortunadamente, en la mayoría de los sistemas de aire acondicionado, la función de enfriamiento por aire del sistema de aire acondicionado genera una significativa condensación de vapor de agua y la consecuente pérdida de humedad. Por lo tanto, es necesario recurrir a la humidificación adicional para mantener el nivel deseado de humedad. La humidificación suplementaria representa una carga térmica extra para la unidad CRAC, lo que disminuye efectivamente la capacidad de refrigeración de la unidad; consecuentemente, se requerirá su sobredimensionamiento. 7

8 En el caso de salas de datos pequeñas o grandes salas de cableado, un sistema de aire acondicionado que aísle el aire de retorno global del aire de suministro global utilizando un sistema de ductos puede generar una situación en la que no exista condensación y, por lo tanto, no se necesite recurrir a la humidificación adicional continua. Esto permite que se utilice el 100% de la capacidad nominal de aire acondicionado y se maximice la eficiencia. En el caso de grandes centros de datos con importantes cantidades de mezcla de aire, la unidad CRAC debe suministrar aire a bajas temperaturas para contrarrestar los efectos de recirculación del aire extraído de los equipos con temperatura más alta. Esto da como resultado una deshumidificación sustancial del aire y crea la necesidad de recurrir a humidificación adicional. Como resultado, disminuye significativamente el rendimiento y la capacidad del sistema de aire acondicionado. Así, el sistema CRAC debe sobredimensionarse hasta en un 30%. Por lo tanto, el sobredimensionamiento requerido para una unidad CRAC oscila entre 0% para un sistema pequeño con retorno del aire extraído por ductos, hasta el 30% para un sistema con altos niveles de mezcla de aire dentro de la sala. Para obtener más información sobre la humidificación, véase el Informe interno N 58 de APC: Estrategias de humidificación para centros de datos y salas de gestión de redes. Dimensionamiento del aire acondicionado Una vez determinados los requisitos de refrigeración, es posible dimensionar un sistema de aire acondicionado. Deben considerarse los siguientes factores, que se describieron anteriormente en este informe: El tamaño de la carga de refrigeración de los equipos (que incluye los equipos del sistema de energía) El tamaño de la carga de refrigeración del edificio El sobredimensionamiento necesario para contemplar los efectos de la humidificación El sobredimensionamiento para crear redundancia El sobredimensionamiento para contemplar futuros requisitos Las cargas en vatios de cada uno de estos factores pueden sumarse para determinar la carga térmica total. 8

9 Conclusiones Es posible reducir la determinación de los requisitos de refrigeración para los sistemas de IT a un proceso simple que puede ser realizado por cualquier persona sin capacitación especial. La expresión de todas las medidas de potencia y refrigeración en vatios simplifica el proceso. Una regla general es que la capacidad nominal de un sistema CRAC debe ser 1,3 veces el valor nominal de la carga anticipada de los equipos de IT más la capacidad agregada con propósitos de redundancia. Este enfoque da buenos resultados en el caso de salas de gestión de redes más pequeñas, de superficies por debajo de los 4000 pies cuadrados (372 metros cuadrados). Si se trabaja con centros de datos más grandes, los requisitos de refrigeración por sí solos no suelen ser suficientes para seleccionar un equipo de aire acondicionado. Por lo general, los efectos de otras fuentes térmicas tales como paredes y techo, juntamente con la recirculación, resultan significativos y deben ser examinados para cada instalación en particular. El diseño de la red de ductos para circulación de aire o del piso elevado tiene un efecto significativo sobre el rendimiento total del sistema, y también afecta enormemente la uniformidad de la temperatura dentro del centro de datos. La adopción de una arquitectura de sistema de distribución de aire simple, estandarizada y modular, en combinación con el simple método para estimar la carga térmica descrito, podría reducir significativamente los requisitos de ingeniería para el diseño del centro de datos. Acerca del autor: Neil Rasmussen es uno de los fundadores y Director de Tecnología de American Power Conversion. En APC, Neil dirige el mayor presupuesto mundial de Investigación y Desarrollo que se destina al campo de la infraestructura de energía, refrigeración y racks para redes críticas; los centros de desarrollo de productos principales están ubicados en Massachusetts, Missouri, Dinamarca, Rhode Island, Taiwán e Irlanda. En la actualidad, Neil conduce las iniciativas de APC orientadas al desarrollo de soluciones modulares escalables para centros de datos. Antes de fundar APC en el año 1981, Neil recibió los títulos de Bachelor y Master en Ingeniería Eléctrica del MIT, donde realizó su tesis sobre el análisis de una fuente de potencia de 200 mw para un reactor de fusión Tokamak. Desde 1979 hasta 1981, trabajó para MIT Lincoln Laboratories en sistemas de almacenamiento energético de volante y sistemas de energía eléctrica solar. 9