¿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 re-quieren 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 to-tal de dichas insto-talaciones representa aproxi-madamente el 2% de la energía gastada en los Estados Unidos de América, al mismo nivel que
la energía necesitada por el sector de la avia-ción (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 duplica-do en el mismo perioduplica-do. 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
Las cargas térmicas en los rack de los Cen-tro de Proceso de Datos se están incrementan-do continuamente debiincrementan-do a la compactación de mayor número de transistores en menor
espa-Uso de dióxido de carbono
para la refrigeración de
Centros de Proceso de Datos
David Romanos Tabuenca
Jefe de Producto AITCS de TROX Españacio. 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 cam-bio 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 Cen-tro de Proceso de Cálculo.
Pero esta tecnología está generando numero-sos retos porque está incrementando las cargas térmicas, tal y como hemos comentado anterior-mente. 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 refri-geración para las nuevas con-diciones.
En la figura 3 se ve la com-pactación de los circuitos in-tegrados en un chasis, cuando se utiliza la tec-nología ‘Blade Server’. LIMITACIONES DE LA REFRIGERACIÓN POR MEDIO DE AIRE
Tal y como se ve en la figura 4 que mues-tra los distintos esmues-tra- estra-tos de temperatura dentro de un rack, se ve que dentro del ter-cio superior del rack se pueden hacer cor-tocircuitos 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 inferio-res. Produciéndose, 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 perdi-do que podría utilizarse para otras funciones. En algunos edificios situados en los principales cen-tros financieros, el coste de dicho espacio pue-de ser muy relevante. Por ejemplo, en una insta-lación de 300 kW, con una densidad térmica de 1000 W/m2 necesitaría 300 m2. En una instala-ción de densidad media (15 kW por rack) la su-perficie se puede reducir a 150 m2. Si calcula-mos un alquiler medio de 20 €/m2 por mes, el ahorro en alquileres sería de 36.000 €al año. En el caso de que la instalación sea de alta densi-dad (30 kW por rack) la superficie requerida se puede reducir hasta unos 75 m2. Con lo que el ahorro anual podría llegar hasta los 54.000 €, un coste que representaría aproximadamente el 65% del coste energético de dicha instala-ción para una refrigerainstala-ción por aire sin free-co-oling. En fin, es un coste muy reseñable en ciertos casos.
Figura 3 Figura 2
¿POR QUÉ EL USO DE CO2?
La decisión de elegir el CO2 como
refrigeran-te entre muchos otros son las siguienrefrigeran-tes:
Alta Capacidad de Refrigeración. El CO2
se va a utilizar a una presión y temperatu-ra en la que va ha haber un cambio de fase. De manera que cuando el CO2 entra
en el Centro de Proceso de Datos está en estado líquido, y una vez absorbido el calor producido en los rack, el CO2está una
par-te en líquido y otra parpar-te en gas. Si par- tene-mos en cuenta que el Calor Latente de Va-porización 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 CO2absorbe 7
ve-ces 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 CO2 es eléctricamente benigno. En
con-traposición del agua, que por su conducti-vidad eléctrica ningún gestor de Centro de Proceso de Datos desea tener cerca de los servidores, el CO2 es totalmente inocuo
para los dispositivos electrónicos y una po-sible fuga no afectaría el perfecto funcio-namiento de dichos elementos.
Aproximación a la fuente de calor. Gracias a la propiedad anterior, se puede aproxi-mar la refrigeración a las fuentes de calor, de manera que hay una mayor diferencia de temperatura entre el elemento refrige-rante (CO2) y los rack, incrementándose la
eficiencia del intercambio de calor.
Tuberías & baterías reducidas. Según he-mos comentado en el punto 1, la menor cantidad de CO2 para evacuar el calor del
CPD hace que los tubos y las baterías a si-tuar en los cuadros deben ser mucho meno-res, 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 CO2, 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 CO2. Como
hay una reducción del consumo energético, se reduce la emisión de CO2 inherente a la
producción de dicha energía.
Reciclado de CO2. El CO2 que se utiliza
como refrigerante proviene de procesos in-dustriales en los que es un residuo, por lo que además de ser barato se evita que se libere en la atmósfera.
ANÁLISIS ENERGÉTICO CO2VS AGUA
Estudios realizados en el Reino Unido por el consultor HurleypalmerFlatt entre dos siste-mas de refrigeración de Centro de Proceso de Datos:
Sistema con un 75% de la refrigeración a través de CO2 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 refri-gerado 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 pue-den 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 sis-tema 1 500 x 0,344 =172 kW, lo que sig-nifica un ahorro de 30%. Dicho ahorro se puede deglosar de la siguiente manera:
Potencia del compresor 14%, este ahorro proviene de enfriar a una temperatura más elevada (14ºC para el CO2) mientras que
el agua fría se tiene que enfriar a 6ºC.
Reducción Potencia Bombeo 6%, debido a la menor cantidad de refrigerante CO2
ne-cesario para evacuar el calor respecto al agua y a su menor viscosidad.
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 funcio-na el sistema, en el siguiente dibujo se muestra la visión de un rack desde la parte superior. El fun-cionamiento es el que aparece en la figura 5.
El aire de la habita-ción entra el rack a una temperatura aproximada de unos 22 ºC y al pasar por los chasis de servido-res 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 suce-dería en un sistema tradicional CRAC, este aire es pasado por unas baterías que llevan CO2 a 14ºC y
son descargadas en el local a una temperatu-ra 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 CO2
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 ade-mas de la energía que hubiéramos emplea-do la condensación del agua hubiera siemplea-do necesaria más para vaporizar más agua para mantener la humedad relativa del lo-cal.
Posible utilización de enfriadores secos (Drycoolers) que evacue el calor absorbido en los ser vidores 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
El sistema es fun-cional incluso cuan-do por necesidades de los cuadros es necesario abrir las puertas de los cua-dros. Esta opera-ción es sencilla por-que las puertas tie-nen ruedecillas que se apoyan en el suelo del Centro de Proceso de Datos y las conexiones del CO2 son flexibles,
tal y como se pue-de comprobar en la
figura 6.
Cuando la puerta está abierta, la efi-ciencia de las puer-ta se reduce pero todavía la batería de la puerta absor-be de entre un 60 y 70% del calor, descargándose el restante 30 ó 40% en el pasillo, lo que hace que la tempe-ratura del Centro de Proceso de Da-tos se incremente en un 2ºC, siendo la temperatura en el local de unos 24ºC. Figura 5 Figura 6 Figura 7
UN SISTEMA CON RESILIENCIA INTRÍNSECA
En el caso de que un ventilador o grupo de ventiladores dejara de funcionar, el grupo de ser-vidores 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 ven-tilador de la puerta, esto hace que en las proxi-midades 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 evacua-ción de la batería que no funcionan con las eva-cuaciones de las baterías que funcionan, auto-compensándose 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 Da-tos, 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 circui-to de agua fría existente el edificio. En escircui-tos casos, el calor del circuito secundario (CO2 lí-quido + vapor) es refrigerado en un intercam-biador de agua fría 6-12 ºC hasta que el CO2
está 100% en estado líquido. Para que el CO2
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 CO2 ha pasado por el
intercam-biador (condensador), llega un depósito donde se asegura que el CO2 que llega a las bombas
es 100% líquido.
ENFRIADORA INDEPENDIENTE PARA EL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN DEL CPD
En numerosas ocasiones, se desea tener un sistema totalmente independiente para la refri-geración 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 refrige-rante es el R134a. La figura 10 muestra el es-quema de este tipo de sistemas.
Figura 8
Figura 9
TORRE DE REFRIGERACIÓN SECA
Cuando en el exterior la temperatura es infe-rior en unos 2,5 ºC a la temperatura del CO2
es posible condensar el CO2 en una torre de
refrigeración seca. (Figura 11)
Los ahorros de esta posibilidad son muy grandes, por ejemplo, una instalación en Ma-drid, 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.
SALUD & SEGURIDAD DEL CO2
Pueden surgir dudas sobre la peligrosidad de tener CO2
den-tro del Cenden-tro de Proceso de Datos. En caso de que hubiera una fuga en una batería, los de-tectores de presencia de CO2
cortarían el flujo que llega a la batería, de modo que la canti-dad que saldría es de unos 5 kg., más o menos la cantidad de CO2que 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 CO2 (refrigerante R744) es el que
per-mite mayores concentraciones del listado de algunos de los más importantes.
En caso de que se hubieran so-brepasado el umbral del CO2, con
5 minutos de respiración de aire fresco se vuelve al estado inicial.
BIBLIOGRAFÍA
‘The future of cooling – Institu-te of Refrigeration 2005 An-nual Conference’ Guy Hut-chings para IOR.
Health & Safety Executive UK. DataCenter Dynamics Confe-rence por Kenneth Brill, Exe-cutive Director The Uptime Institute, Marzo 2003. Comparison CO2 vs CHW, Hurleypalmerflatt.T Figura 11 Tabla 2 Tabla 3
