CLIMATIZACIÓN DE UN CENTRO DE PROCESO DE DATOS. Entidad colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia Comillas.

Transcripción

1 CLIMATIZACIÓN DE UN CENTRO DE PROCESO DE DATOS. Autor: Sánchez Rodríguez, Álvaro. Director: Martín Serrano, Javier. Entidad colaboradora: ICAI-Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO. El proyecto tiene como objetivo el dimensionamiento de las cargas térmicas, los equipos de climatización acordes a las cargas existentes y la ventilación exigida según las condiciones de la sala. En el desarrollo del proyecto se han seguido los siguientes pasos: En primer lugar, es necesario conocer la ubicación exacta del edificio así como su orientación puesto que tiene una influencia decisiva en el valor de las cargas térmicas, tanto en la transmisión como en la radiación. Al localizarse el edificio en Alcobendas, se considerará la zona climática de Madrid En segundo lugar se define el recinto objetivo del proyecto, consta de tres edificios, los edificios 1 y 2 constan de cubierta, una sala de oficinas en la planta baja, una centro de proceso de datos (CPD) y unas salas de control anexas en la planta semisótano. El edificio 3 únicamente constará de una sala de oficinas en la planta baja y la cubierta. Las salas de oficinas están completamente acristaladas mientras que la salas de CPD y las salas de control no cuentan con superficies acristaladas. En el cálculo de cargas térmicas se hará un dimensionamiento en función de las condiciones más desfavorable tanto para invierno como para verano. Las cargas se dividirán en externas e internas, para el cálculo de cargas térmicas no se ha considerado la infiltración por provocarse una sobrepresión, logrado mediante la impulsión de un caudal de aire mayor del que se saca.en verano se consideraran la transmisión y la radiación como cargas externas e iluminación, ocupación y equipos electrónicos como cargas internas. La situación en invierno es diferente, considerando la situación más desfavorable se eliminarán aquellas cargas que sean intermitentes, por lo tanto como carga externa sólo habrá transmisión y la existencia de cargas internas dependerán de si estas son permanentes o intermitentes, en el caso de las salas de oficinas todas las cargas internas serán intermitentes (y por tanto obviadas para el cálculo en invierno), mientras que en las salas de control y las salas de CPD serán permanentes y mayores que las externas, esto hará que no necesiten en ningún caso sistema de calefacción. Las salas de oficinas y las salas de CPD son salas grandes, por lo que estas son divididas en módulos para el cálculo de cargas. El siguiente paso es la determinación de los caudales de ventilación, estos caudales de ventilación vendrán determinados en función de si la sala está ocupada por personas o no. En el caso de las oficinas (salas ocupadas por personas) el RITE establece la

2 necesidad de 45 m 3 /h por persona, mientras que las salas CPD y las salas de control (no ocupadas) se establece una renovación de la sala por hora. Los centros de producción de datos (CPD) son salas ocupadas por grandes equipos informáticos (dimensionadas para un desprendimiento de calor de 2000 vatios por metro cuadrado). Estas salas exigen un control estricto de los sistemas de climatización dado que un fallo, con las elevadas cargas existentes, provocaría que estos equipos fallasen en un espacio corto de tiempo. La empresa americana Up time Institute certifica el funcionamiento de estas salas, estableciendo una calificación (Tier I, Tier II, Tier III o Tier IV, de menor a mayor seguridad ante fallo). Con el objetivo de reducir al máximo la probabilidad de fallo se establecerá un Tier IV. Tier IV establece la necesidad de colocación de 2(n+1) equipos de climatización. El siguiente paso tras el cálculo de las cargas térmicas, es proceder a la elección del sistema de climatización más apropiado, en función de las características de la sala, y su correcto dimensionamiento. En el caso de las salas de oficinas, el control exigido de las condiciones de temperatura y humedad no es muy alto por lo que se opta por un sistema de climatización más barato: el fan coil. Cada fan coil se encuentra en el falso techo y consta de una batería de agua fría, una batería de agua caliente y un ventilador, por lo tanto será necesario hacer llegar hasta cada fan coil el circuito de agua fría y el circuito de agua caliente. El proceso para el correcto dimensionamiento es la determinación del número de fan coils en función del radio de acción de estos, y una vez determinado se divide la carga térmica del módulo entre el número de fan coils necesarios, cada modelo de fan coil viene determinado por la potencia que es capaz de combatir. Se utilizarán fan coils de la marca Carrier, siendo 66 del modelo 42EM 1.0, 44 del modelo 42EM 2.0 y 9 del modelo 42EM 2.2. En el caso de las salas de control, como ocurría con las salas de oficinas, no es muy alto el control exigido en las condiciones de temperatura y humedad, pero en este caso se opta por el sistema VRV (Volumen Refrigerante Líquido) por la ventaja de ser unidades autónomas. El sistema VRV está compuesto por unidades externas y unidades internas. Las unidades externas se encuentran en la cubierta mientras que las unidades internas se encuentran en el falso techo. La determinación del número de unidades interiores vendrá determinada por el tamaño de la sala (uno en salas pequeñas, dos o incluso tres), mientras que la determinación del número de unidades exteriores se hará con el objetivo de garantizar el aislamiento de las salas para evitar posibles fallos. Se utilizaran cuatro unidades exteriores y trece unidades interiores. El caso más especial es de las salas de proceso de datos, como se dijo con anterioridad para garantizar un Tier IV, tiene que haber 2(n+1) equipos. La existencia de dos salas de CPD (una en el edificio 1 y otra en el edificio 2) tiene como objetivo que una de ellas sirva de backup de la otra. Este hecho ya garantiza 2n equipos (n equipos en una sala y

3 sus consiguientes n equipos en la otra sala), sólo se hará necesario un equipo de reserva en cada sala para que haya n+1 equipos por sala. Se considerarán necesarios tres climatizadores por sala para combatir las cargas presentes, por lo que como consecuencia de lo expuesto anteriormente (uno de reserva por sala) se colocarán cuatro climatizadores por sala. El sistema de climatización de estas salas CPD es el de unidades climatizadoras con enfriamiento adiabático y free cooling indirecto: Free cooling: se utiliza el aire exterior para, a través de un recuperador estático, enfriar el aire de circulación de la sala (circuito cerrado). Indirecto: las condiciones de humedad de las salas de CPD hay que mantenerlas constantes, por lo que el aire de impulsión no puede mezclarse con el aire exterior. El proceso de free cooling expuesto anteriormente se realizará con un intercambiador de calor cerrado. Enfriamiento adiabático: el aire exterior utilizado para enfriar el circuito cerrado de aire de circulación es enfriado a través de un aumento de la humedad (proceso de humidificación) a entalpía constante en un humectador (dispersión en el aire de vapor de agua). El resto del proceso de enfriamiento, no conseguido con el free cooling se hará a través de las baterías del climatizador. Los climatizadores constarán de dos circuitos independientes, por un lado el de aire exterior y por otro lado el de aire de circulación constando este último de la ya mencionada batería de agua fría y de un ventilador capaz de impulsar el aire de vuelta a la sala. Estos climatizadores se encuentran situados en la cubierta del edificio. El tratamiento del aire de ventilación antes calculado se hará a través de climatizadores, tratando de conseguir una eficiencia energética, se aprovecharán las condiciones de retorno de la sala en el tratamiento del aire de ventilación. Este aprovechamiento se logrará a través de un intercambiador de calor abierto, en este caso no será importante el mantenimiento de la humedad del aire por venir del exterior y tener que ser posteriormente tratado luego la utilización de este tipo de intercambiadores asegurará un mayor rendimiento en la transferencia de calor. El objetivo de los climatizadores de tratamiento de aire de ventilación es su impulsión a las mismas condiciones en las que se encuentra la sala. Una vez determinados los climatizadores y demás equipos de climatización y con el conocimiento exacto de los caudales de agua fría y agua caliente necesarios los últimos equipos a determinar serán los grupos frigoríficos y las calderas, colocándose uno por cubierta, y en el caso de las cubiertas 1 y 2 (cubiertas de los edificios con CPD) se colocará un equipo frigorífico de reserva a ambas para garantizar una vez más la presencia de 2(n+1) equipos. Los equipos frigoríficos serán de la marca Carrier y se utilizarán los modelos 30HX140 y 30HX080, mientras que las calderas elegidas serán los modelos ADI CE 175, ADI CE 105, ADI CE 70 de la marca ADISA.

4 Una vez obtenidos los equipos necesarios (y por tanto los caudales de agua y de impulsión de aire necesarios) y los caudales de ventilación el siguiente paso es la determinación de la red de tuberías y conductos además de los difusores y las rejillas para garantizar la impulsión y el retorno del aire. Las tuberías son dimensionadas para un pérdida de carga en el agua inferior a 20 milímetros de columna de agua por metro de tubería y una velocidad inferior a 2 m/s, mientras que los conductos son dimensionados para una pérdida de carga en el aire inferior a 0.12 milímetros de columna de agua por metro de conducto y una velocidad inferior a 7 m/s. Cada vez que se reduce el caudal tanto de agua en las tuberías como de aire en los conductos se calcula la sección necesaria, la pérdida producida por pérdidas de carga con cada estrechamiento de la sección es ampliamente justificada por el ahorro en material producido. El último paso es la determinación de los ventiladores en caso del aire y las bombas en caso del agua, en ambos casos quedan determinados por el caudal (de aire o de agua según sea ventilador o bomba) y por la presión estática disponible (calculada a partir de las pérdidas de carga por metro en la red de conductos y tuberías hasta el punto más desfavorable). Una vez dimensionados todos los equipos así como la red de tuberías y conductos el coste total de la instalación asciende a Madrid, 21 de Mayo de 2013.

5 AIR CONDITIONING OF A DATA PROCESSING CENTER. Author: Sánchez Rodríguez, Álvaro. Director: Martín Serrano, Javier. Collaborating identity: ICAI-Universidad Pontificia Comillas. PROJECT SUMMARY. The project is aimed to calculate the thermal loads, the design of the air conditioning and heating systems according to the thermal situation and the ventilation required. In the developing of the project, the next steps had been followed: The first thing that must be known is the accurate location of the building and the orientation since it has a decisive influence in all the parameters related to both radiation heat through the glass areas and all the transmission across all outers surfaces of the building. As the building is located in Alcobendas, Madrid climatic zone is going to be considered. The second step is define the architecture of the enclosed area, it is formed by three buildings, the buildings number one and number two have one roof, one office area located in the ground floor, and a date processing center and a few control rooms located in the basement. While the office areas are glazed surfaces, the data processing center and control room are not. In the calculation of the thermal loads, it is going to be considered as a function of the most disadvantageous situation in Winter as well as in Summer. The thermal loads is going to be divided into extern loads and intern loads, infiltration is not going to be considered because the system is designed to create an overpressure in these areas and the leaks are inside out. In Summer transmission and radiation are going to be considered as extern loads while illumination, occupation and electronic equipment are going to be considered as intern ones. The calculation in Winter is different because of the fact that only the permanent loads will be considered, and those which not will be eliminated in the calculation. In the office areas all the intern loads are intermittent while in the control areas and data processing center these interns loads are permanent and higher than the extern ones, so in any case a heating system will be needed in these areas. The office areas and the data processing center are big areas so in order to make an accurate calculation theses areas will be divided into different units. The next step is the calculation of the ventilation flows, these flows will be defined as a function of the occupation of the room, if the room is occupied or not. In the case of the office areas (occupied rooms) RITE establish the need of 45 m 3 /h per person while the data processing center and control rooms (not occupied areas) a renovation per hour is going to be implemented.

6 Data processing center are areas which contain big equipment (rooms designed for a heat transfer of 2000 watts per square meter of surface). These areas need a very accurate control of the air conditioning systems since a failure in the system, considering the high thermal loads, will cause the failure of all the technical equipments located in the room in a short period of time. An American company called Up Time Institute certify the correct running of the data processing center, they establish a grade (Tier I, Tier II, Tier III and Tier IV) as a function of the risk of failure (ordered since the less safe to the safest one). With the objective of reduce the probability of a failure a Tier IV will be implemented, this establish the need of 2(n+1) air conditioning equipment. The next step after the thermal loads calculation is choosing the correct air conditioning system, considering the characteristics of the area. In the case of the office areas, an accurate control in temperature and wet is not going to be needed so a cheap air conditioning system will be implemented: fan coil. Each fan coils is located in the false ceilings and is formed by a cold battery, a hot battery and a electric fan. The process for the correct running of the installation is considering the number of fan coils needed as a function of the area of action of each fan coil, and after determining the number of fan coils needed per unit, the model that will be implemented is calculated as a function of the total power needed in the unit. Fan coils from Carrier will be implemented and the models will be 42 EM 1.0, 42 EM 2.0 and 42 EM 2.2. In the case of the control rooms, as in the office areas, an accurate control in temperature and wet is not going to be needed, but in this case a self-sufficient air conditioning system will be implemented: VRV. This system is formed by extern equipments and intern equipments, the extern equipments are located in the roof and the intern equipments are located in the false ceiling. The number of intern equipments are going to be determined as a function of the size of the room (one for small rooms, two or even three in some cases) while the number of outside equipments are going to be determined to guarantee the independency of the different areas. Four outside equipments and thirteen interior equipments are going to be implemented. The most complicated case is the data processing centers, as it was told before, 2(n+1) equipments are needed. There are two data processing centers (one in building 1 and the other one in building 2), one of them is the backup of the other one. This fact guarantees the existence of 2n air conditioning equipments so only a reserve air conditioning equipment is going to be needed per room. Three air conditioner will be needed per room so, as it is explained before, four air conditioner will be implemented. The system chosen is air conditioner with adiabatic cooling and indirect free cooling: Free cooling: outside air is used to cool the circulation air, this heat transfer is carried out in close heat exchanger.

7 Indirect: the wet conditions of the air has to remain constant so the air of the inside air could not be mixed up with the outside air. Adiabatic cooling: outside air is cooled in a humidifier, steam is added to the air in an adiabatic process. The remaining cooling process will take place in the batteries of the air conditioner. The air conditioner has two independent circuits, one is the outside air and the other one is the interior air which is circulated through the heat exchanger, the battery and the fan. These air conditioners are located in the roof of the building. The ventilation air must be treated, the flow is already calculated and the treatment will take place in an air conditioner, the return air is employed to cool the outside air. This heat transfer will take place in an open heat exchanger because in this case the wet conditions of the air can change and the efficiency of the heat transfer is higher with this kind of heat exchanger. The objective of these air conditioners is that the conditions of the ventilation air remains equal to the interior air. Once the air conditioner and other air conditioning systems are defined and with an accurate knowledge of the cold water and hot water flows the last equipments that are needed to define are the refrigerator machine and the boiler, one of them will be established per building and in the case of buildings one and two another refrigerator machine will be needed (reserve equipment). Once all the systems are calculated, all flows of air and water are known so the last step is the calculation of pipes and ducts. The air flow that should be prompt from every air conditioning machine to each area will determine the dimensions of sheet metal ducts, insulated to prevent losses by the way. The calculation method is based on maximum losses of 0.12 m.m.c.a. or maximum speed of 7 m/s. The dimensions of the pipes will be calculated with maximum losses of 20 mmca per meter or maximum speed of 2 m/s. The last step is the calculation of the pumps and fans, in both cases the determination of the correct equipment is defined by the flow and static available pressure. Once all the system is determined the total cost of the air conditioning system is Madrid, May 21st 2013.