En qué difieren los
sistemas de
refrigeración de
misión crítica de
los aires
acondicionados
comunes y
por qué
Informe interno
N° 56
Resumen ejecutivo
Las salas informáticas de hoy requieren entornos estables y precisos para que los
componentes electrónicos sensibles funcionen de manera óptima. De hecho, los sistemas de
aire acondicionado de confort estándares resultan inadecuados para las salas informáticas, y
provocan cierres de los sistemas y fallas en los componentes. Como los sistemas de aire
acondicionado de precisión mantienen la temperatura y la humedad dentro de un rango muy
acotado, brindan la estabilidad ambiental que necesitan los equipos electrónicos sensibles, y
así se evita que su negocio sufra costosos tiempos de inactividad.
Definición de las salas informáticas de hoy: ya no son
solo salas de cómputos
En la actualidad, los requisitos de control ambiental d e precisión trasponen los confines del centro de datos o la sala de cómputos tradicional para abarcar una amplia serie de aplicaciones, a las que, en conjunto, se denomina “salas informáticas”. Entre las aplicaciones típicas de las salas informáticas, se encuentran:
1. Series de equipos médicos (unidades de imágenes por resonancia magnética, tomógrafos computarizados)
2. Salas blancas 3. Laboratorios
4. Centros de impresión/ copiado/ diseño asistido por computadora 5. Salas de servidores
6. Instalaciones clínicas (salas de aislamiento, quirófanos) 7. Telecomunicaciones (salas de conmutadores, estaciones base)
Por qué necesito refrigeración de precisión
El procesamiento de la información es el alma de toda operación clave. Por eso, la salud de su empresa depende de la confiabilidad de la sala informática. El hardware informático produce una carga de calor concentrado poco habitual y, a su vez, es muy sensible a los cambios de temperatura o humedad. Un cambio de temperatura o humedad puede provocar diversos problemas, desde procesar información sin sentido hasta el cierre total de los sistemas. Estas situaciones pueden generar enormes costos para la empresa, según la duración de la interrupción y el valor del tiempo y los datos que se han perdido. Los sistemas de aire acondicionado de confort estándares no han sido diseñados para hacer frente a la concentración de cargas de calor y al perfil de las cargas de calor que se registra en las salas informáticas, ni para proporcionar los puntos de referencia precisos en materia de temperatura y humedad que se requieren para estas aplicaciones. Los sistemas de aire de precisión están diseñados para posibilitar un control riguroso de la temperatura y la humedad. Estos sistemas ofrecen altos niveles de confiabilidad funcionando todo el año, y brindan la facilidad de mantenimiento, la redundancia y la flexibilidad necesarias para que la sala informática se encuentre en actividad 24 horas al día.
Condiciones de temperatura y humedad proyectadas
Mantener las condiciones de temperatura y humedad p royectadas resulta fundamental para que una sala informática funcione sin problemas. Las condiciones proyectadas deberían ser de 72-75°F (22-24°C) y 35-50% de humedad relativa (R.H.). Los cambios bruscos de temperatura pueden ser tan perjudiciales como la existencia de condiciones ambientales inadecuadas; tales cambios pueden provocar un efecto negativo en el funcionamiento del hardware. Esta es una de las razones por las cuales el hardware permanece conectado, incluso cuando no se encuentra procesando dato s. Los sistemas de aire acondicionado de precisión están diseñados para mantener la temperatura en ±1°F (0,56°C) y la humedad en ±3-5% R.H. 24 horas al día, 8760 horas al año. A diferencia de estos, los sistemas de confort están pensados para mantener una temperatura de 80°F (27°C) y 50% R.H. solo durante épocas estivales de 95°F (35°C) y cuando en el exterior se registra un nivel de 48% R.H. Por lo general, estos sistemas no incluyen un control dedicado de la humedad y los controladores simples no pueden respetar la tolerancia del punto de referencia requerida para la temperatura, por lo que permiten que se produzcan cambios de temperatura y humedad que pueden resultar perjudiciales.
Problemas ocasionados por condiciones ambientales
inadecuadas
Si las condiciones ambientales de la sala informática no se mantienen adecuadamente, se verán afectadas las operaciones de procesamiento y almacenamiento de datos. Las consecuencias pueden variar desde datos dañados hasta cierres de sistemas enteros y fallas.
1- Temperaturas altas y bajas
Una alta o baja temperatura ambiental o los cambios bruscos de temperatura pueden dañar los datos que se estén procesando y cerrar todo un sistema. Las variaciones de temperatura pueden alterar las características físicas y eléctricas de los chips electrónicos y otros componentes de las placas, lo que ocasiona un funcionamiento anómalo o fallas. Estos problemas pueden ser transitorios o prolongarse por varios días. Aun en el caso de problemas transitorios, puede ser muy difícil diagnosticarlos y corregirlos.
2- Humedad alta
Un alto porcentaje de humedad puede derivar en un deterioro de cintas y superficies, contactos de cabezales, condensación, corrosión, problemas en el manejo de papel, y migración del oro y de la plata que provoca fallas de placas y componentes.
3- Humedad baja
Un bajo porcentaje de humedad conlleva un importante aumento de las posibilidades de descargas electrostáticas. Estas descargas pueden dañar los datos y el hardware.
Diferencias entre sistemas de aire acondicionado de
precisión y de confort
1- Factor de calor sensible (SHR)
Una carga térmica consta de dos componentes independientes: calor sensible y calor latente. La incorporación o la extracción de calor sensible provocan cambios en la temperatura del bulbo seco. El calor latente se relaciona con el aumento o la disminución de la humedad que contiene el aire. La capacidad total de refrigeración de un aire acondicionado es la suma del calor sensible extraído y el calor latente extraído.
Capacidad total de refrigeración = refrigeración sensible + refrigeración latente El Factor de calor sensible es la fracción sensible de la refrigeración total.
ión total
Refrigerac
sensible
ión
Refrigerac
(SHR)
sensible
calor
de
Factor
=
En una sala informática, la carga de refrigeración se compone prácticamente del calor sensible que generan las luces, el hardware informático, los equipos de respaldo y los motores. La carga latente es ínfima, ya que hay poca gente, el ingreso de aire exterior es limitado y suele haber una barrera contra el vapor. El SHR requerido para que un aire acondicionado alcance este perfil de carga de calor es muy alto: entre 0,95 y 0,99. Los sistemas de refrigeración de precisión están diseñados para alcanzar estos altísimos factores de calor sensible.
Por el contrario, el SHR de un aire acondicionado de confort suele ubicarse entre 0,65 y 0,70; por lo tanto, ofrece escasa refrigeración sensible y demasiada refrigeración latente. El exceso de refrigeración latente implica que se extrae demasiada humedad del aire en forma constante. Para poder mantener la
humedad relativa dentro de los valores deseados de entre 35 y 50%, se necesitaría una humidificación continua que, por definición, consume grandes cantidades de energía.
Figura 1
– Factor de calor sensible (SHR)
2- Temperatura y humedad precisas
Los sistemas de aire acondicionado de precisión cuentan con los controles sofisticados, veloces, equipados con microprocesadores que se necesitan para reaccionar con rapidez ante los cambios en las condiciones ambientales y respetar las tolerancias estrictas q ue exige un ambiente estable. Los sistemas de precisión suelen incluir diversas etapas de refrigeración y calefacción, un humidificador y un ciclo de deshumidificación dedicado; por eso, pueden cumplir cualquier requisito de control de
temperatura y humedad.
En general los aires acondicionados de confort tienen controles básicos y limitados que no pueden reaccionar con la rapidez indispensable para respetar la tolerancia necesaria. Estos sistemas no suelen incluir calefacción ni los ciclos de humidificación/ deshumidificación necesarios para entornos
informáticos estables. Los componentes, si están a la venta, suelen ser “accesorios” y no parte integral del sistema.
3- Calidad del aire
Los sistemas de aire acondicionado de precisión funcionan a una alta ta sa de circulación de aire por unidad de calor extraída, en general, 160 pies cúbicos por minuto (271 m³/h) o 76 litros por segundo, por cada kW o valor superior. Esta alta tasa volumétrica mueve mayor cantidad de aire por el lugar, y así mejora la distribución del aire y reduce la posibilidad de que se generen concentraciones de calor localizadas. Como los equipos con tecnología de última generación suelen procesar unos 160 pies cúbicos por minuto por cada kW de consumo eléctrico, es importante que dispongan de esta cantidad de suministro de aire frío en la toma del sistema. De lo contrario, el equipo tomará parte del aire de otras áreas de la sala, lo que a menudo deriva en temperaturas de entrada peligrosamente altas. Gracias a la alta tasa de circulación de aire por kW que tienen los equipos de aire acondicionado de precisión, también es posible hacer circular más aire por los filtros para así obtener un ambiente más limpio. Estos
Refrigeración de precisión: SHR de 0,95 -0,99 Refrigeración de confort: SHR de 0,70 -0,65
equipos suelen usar una batería de filtros plegados de alta y mediana eficiencia para reducir al mínimo la presencia de partículas suspendidas en el aire.
Los aires acondicionados de confort funcionan con una circulación muy inferior de entre 85 y 115 pies cúbicos por minuto (144-195 m³/h) por cada kW o 40-54 litros por segundo / kW. Una baja tasa de circulación puede traducirse en una distribución de aire deficiente y mayor cantidad de contaminantes suspendidos en el aire. Los filtros de los equipos de confort suelen ser medios lisos de baja eficiencia que no extraen el porcentaje necesario de partículas suspendidas en el aire.
4- Horas de funcionamiento
Los sistemas de aire acondicionado de precisión están diseñados y construidos para funcionar 8760 horas al año, sin descanso. Están pensados para asegurar un tiempo de inactividad mínimo, gracias a componentes seleccionados y un sistema de redundancia incorporado. Los controles de los sistemas mantienen constante el ambiente de la sala independientemente de las condiciones ambientales exteriores, ya sean invernales o estivales.
La refrigeración de confort está pensada para funcionar en épocas estivales, hasta un máximo de 1200 horas al año. Los sistemas no están diseñados para funcionar continuamente todo el año, ni se espera que lo hagan. Ni los controles ni los sistemas están diseñados para brindar un tiempo de inactividad 0 o funcionamiento en invierno.
Criterios de diseño
1- Densidad de carga
Debido a la alta concentración de equipos, la densidad de carga en una sala informática puede alcanzar niveles hasta cinco veces superiores a los de una oficina típica. Los sistemas deben estar diseñados para manejar esta densidad de carga extrema. La capacidad sensible y la distribución de aire son de gran importancia.
Densidad de carga
Oficinas: 5 – 15 vatios/pie cuadrado (54 – 161 vatios/m²)
Figura 2
– Densidad de carga
2- Temperatura y humedad
Las condiciones objetivo de diseño deberían ser de 72-75°F (22-24°C) y 35-50% de humedad relativa (R.H.).
3- Cantidad de aire
La alta tasa de flujo de aire que caracteriza a los sistemas de precisión contribuye a brindar un alto factor de calor sensible, mejorar la distribución de aire y aumentar las tasas de filtrado. El alto nivel de flujo de aire no provoca molestias al personal, ya que se distribuye por debajo del piso elevado y sube a través de los equipos y hacia toda la sala.
4- Pureza del aire
Sin la presencia de filtros, el polvo suspendido en el aire puede dañar los equipos. Para lograr un nivel de eficiencia entre medio y alto, los filtros deben ser del tipo plegado. También cuenta el tamaño de los filtros; para que el filtro sea eficaz, debe operar a bajas velocidades medidas en la boca del filtro. Los filtros deben cambiarse periódicamente.
5- Barrera contra el vapor
Como prácticamente todos los materiales de construcción son permeables a la humedad, una sala informática bien diseñada debe incluir una barrera contra el vapor. Sin ella, la sala informática perderá humedad en el invierno y la absorberá en el verano. Esto dificulta el control del punto de referencia de la humedad y aumenta el tiempo de funcionamiento de los compresores y humidificadores que consumen mucha energía.
Para crear una barrera eficaz contra el vapor, debe sellarse el cielorraso con una película de polietileno, las paredes de mampostería deben cubrirse con una pintura de base plástica o caucho, las puertas deben cerrar herméticamente, y todas las entradas de cables y cañerías deben estar selladas.
6- Requisitos de aire proveniente del exterior
Las salas informáticas tienden a estar escasamente pobladas y no requieren mucho aire fresco para el personal. El ingreso de aire del exterior debe reducirse al mínimo para limitar la entrada de carga latente a la sala. En la actualidad, una circulación de 20 pies cúbicos por minuto (9,4 litros por segundo) por persona alcanza para cumplir con los criterios estadounidenses sobre calidad de aire en espacios cerrados (IAQ).
7- Redundancia
La redundancia se logra mediante el funcionamiento de equipos adicionales que provean el 100% de la capacidad de refrigeración requerida, aun después del cierre de una unidad o falla de una o más unidades. El costo de la redundancia debe sopesarse en comparación con los costos proyectados que genere el tiempo de inactividad de la sala informática.
Figura 3
– Redundancia
Debe tenerse presente la diferencia entre redundancia y exceso de capacidad. Una carga de 70 kW con 3 sistemas de 52 kW o 4 sistemas de 35 kW provee redundancia. Para que los equipos de reserva se consideren redundantes, deben funcionar de manera alternada y contar con una interfaz de controles que brinde una puesta en marcha automática.
9- Seguridad
52 kW 52kW 52 kW
Manejan la carga de 104 kW Unidad redundante
70 kW 70 kW
Una capacidad de140 kW representa un exceso de 35 kW
hardware. Los equipos de rechazo de calor del exterior deben u bicarse sobre un techo u otra área segura dentro de la instalación.
Factores para la selección de sistemas
1- Cálculo de la carga
En las salas informáticas, las luces, el hardware, las personas, el aire exterior, las cargas de transmisión, el sol y los equipos de soporte (PDU, UPS, etcétera) generan calor.
• Como regla general, calcule las cargas a razón de 15 pies cuadrados/kW (1,39 m²/kW). Si desea obtener más detalles sobre el cálculo de las cargas, consulte el informe interno N° 25 de APC, “Cálculo de los requisitos de refrigeración total para centros de datos”.
2- Sistemas unitarios
a- Refrigeración por aire
Figura 5
– Sistema de refrigeración por aire
Configuración del sistema
• El sistema de refrigeración se “divide” en un aire acondicionado interior y una unidad exterior que elimina el calor mediante aire frío.
• Los compresores pueden colocarse en los equipos interiores o exteriores. Por razones de seguridad y mantenimiento, suelen ubicarse en la unidad interior.
• Las tuberías de refrigerante (dos p or compresor) interconectan las dos mitades del sistema.
• El diseño de las tuberías de refrigerante es vital. Debe contemplar las pérdidas de presión, las velocidades del refrigerante, el retorno de aceite y las trampas. • La instalación de la unidad debe estar a cargo de un contratista idóneo autorizado. • Excelente para instalaciones de varias unidades y en expansión. Cada sistema es un
módulo independiente y autónomo.
b- Refrigeración por agua
Figura 6
– Sistema de refrigeración por agua
Configuración d el sistema
• La unidad interior es un sistema de refrigeración completo y autónomo.
• El calor se rechaza en dirección a un suministro de agua refrigerante mediante un intercambiador de calor que se halla en la unidad interior. El agua refrigerante suele bombearse hacia una torre de enfriamiento y se la vuelve a hacer circular. También pueden utilizarse otras fuentes de agua, por ejemplo, pozos.
• En climas fríos y templados, la torre de enfriamiento debe prepararse para resistir las condiciones invernales.
• La torre debe estar diseñada con redundancia o debe disponerse de un suministro de agua de respaldo, en caso de emergencia.
• Al utilizar torres de enfriamiento, se necesita tratar el agua.
• El diseño de las cañerías de agua es mucho menos crítico y más fácil de i nstalar que las
Aire
acondicionado
Torre de enfriamiento
c- Refrigeración por glicol
Figura 7
– Sistema de refrigeración por glicol
Configuración del sistema
• La unidad interior es similar a la del siste ma de refrigeración por agua.
• En vez de agua, se hace circular una solución de glicol, y el rechazo del calor se produce en un líquido exterior en dirección al intercambiador de calor de aire o "torre seca”. • Las torres secas requieren menos mantenimiento q ue las torres de enfriamiento. • Brinda excelentes oportunidades para aplicaciones con recuperación de calor.
• Los sistemas con un alto factor de eficiencia energética (EER) son los menos costosos respecto de los tres tipos de unidades.
• Es posible vincular va rias unidades a un solo gran conjunto de torres secas y bombas. En ese caso, deben tenerse presentes los requisitos de redundancia.
d- Glicol y aprovechamiento de la temperatura exterior (free cooling)
Configuración del sistema
• El producto es idéntico al de refrigeración por glicol, pero además cuenta con un serpentín adicional que aprovecha la temperatura exterior, con el consiguiente ahorro de energía.
• Al descender la temperatura exterior, la solución de glicol fría circula a través del serpentín complementario de aprovechamiento y se logra refrigerar sin que funcionen los
compresores.
• Cuando las condiciones climáticas son las adecuadas, aporta una excelente disminución de los costos operativos.
• El serpentín adicional implica más caballos de fuerza en el motor del ventilador.
Aire condicionado
Torre seca
• Para un mayor ahorro de costos, busque sistemas con serpentines de aprovechamiento más extensos. Los serpentines de aprovechamiento de la temperatura exterior deben instalarse antes que el serpentín de expansión directa (DX) y así se logrará una capacidad asistida cuando la temperatura ambiente sea templada.
e- Serpentín complementario de agua helada
Configuración del sistema
• En un sistema DX, puede incluirse un serpentín de agua helada que le proporcione redundancia total a una sola unidad.
• La unidad puede funcionar como sistema de refrigeración por agua helada con el respaldo de un sistema de DX modular total para casos de emergencia.
• También puede actuar como sistema DX con el respaldo de una planta central de agua helada, si así s e requiere en una emergencia.
• La unidad puede utilizar agua helada cuando se cuente con este suministro. Por ejemplo, si la función principal del enfriador es brindar apoyo a un proceso de manufactura en una fábrica o asistir a sistemas de confort en el ve rano, se puede cambiar al sistema DX cuando el agua helada se esté utilizando para estos fines.
f- Refrigeración por agua helada
Figura 8
– Sistema de refrigeración por agua helada
Configuración del sistema
• El agua helada se abastece desde un enfriador central a unidades integrales en la sala informática. El sistema de refrigeración se encuentra en el enfriador unitario.
• Las unidades interiores alojan los controles, el serpentín de agua helada, la válvula de
Aire acondicionado
• La temperatura del agua helada debe ser lo más alta posible para mantener un alto factor de calor sensible (47°F / 8,33°C o superior).
• La redundancia debe hacerse extensiva a los conjuntos de bombas y planta central de enfriamiento.
• Para que la planta central funcione todo el año, debe prepararse para la actividad invernal. • En algunas ciudades, puede requerir operarios.
• No combine con enfriadores de confort, ya que las temperaturas de suministro de agua helada deberían ser distintas (42°F / 5,6°C para los sistemas de confort y 47°F+ / 8,3°C+ para la sala informática).
Costo de propiedad
1- Costos operativos
En las salas informáticas, los costos de refrigeración por pie cuadrado suelen ser diez veces superiores a los de oficinas o de confort. Esto se debe a la necesidad de actividad anual en vez de estacional y el fuerte aumento de la densidad de carga térmica. Sin embargo, los costos operativos de la refrigeración de precisión son muy inferiores a los de la refrigeración de confort si ambos sistemas se aplican a las salas informáticas.
Al comparar niveles de uso equivalentes, los costos de la refrigeración de precisión son inferiores debido a las siguientes causas:
a- Sistema bajo piso: Un alto factor de calor sensible elimina el exceso de deshumidificación y subsiguiente proceso de humidificación.
b- Alto factor de eficiencia energética (EER): Con los serpentines sobredimensionados, una gran circulación de aire y compresores para la bomba de calor calibrados para el trabajo, los sistemas aptos para ofrecer soporte a computadoras logran factores de eficiencia energética superiores a los de la refrigeración convencional de confort.
c- Los equipos de refrigeración de precisión están diseñados con componentes de alta eficiencia para que funcionen durante todo el año.
Concéntrese en las siguientes características:
• Serpentines sobredimensionados con enfriamiento superficial • Motores de ventiladores de gran eficiencia
• Humidificadores con contenedor de va por
• Compresor para la bomba de calor calibrado para el trabajo • Un factor SHR alto
• Ciclo de deshumidificación dedicado • Bajo FLA
• Rodamientos de 100.000 hs. tipo L • Garantías extendidas
2- Costos de mantenimiento
Los costos más elevados en los que se incurre durante el mantenimiento o reparación suelen
producirse por el tiempo de inactividad de la sala informática. Por eso, la incorporación de la redundancia desde el diseño siempre debe ser prioritaria. Sin embargo, para reducir aun más este riesgo, pueden seleccionarse equipos con características que disminuirán drásticamente el tiempo de mantenimiento y reparación. Concéntrese en las siguientes características:
a- Componentes de refrigeración sujetos con pernos. El compresor y el secador de filtros deben poder extraerse sin soplete.
b- Concepción de depósitos de drenaje principal y secundario. c- Rapidez para el cambio del contenedor del humidificador.
d- Los componentes deben estar fuera de la corriente de aire, en una sección mecánica independiente.
e- Plataforma extraíble para el ventilador.
f- Cableado eléctrico numerado y con codificación de color. g- Protectores de arranque del motor, en vez de fusibles. h- Paneles de acceso de fácil extracción o con bisagras. i- Visitas de mantenimiento según el tiempo de funcionamiento.
Conclusiones
Las salas informáticas albergan equipos electrónicos sensibles que, para un funcionamiento óptimo, necesitan condiciones ambientales precisas. Al brindar la estabilidad ambiental que requiere este tipo de dispositivos electrónicos, la refrigeración de precisión ayuda a que su empresa evite costosos cierres de sistemas y fallas de componentes.
