Los centros de datos y los sistemas HVAC de centros de datos son infraestructuras críticas que consumen mucha energía y funcionan las veinticuatro horas del día. Proporcionan funciones informáticas que son vitales para las operaciones diarias de las principales organizaciones económicas, científicas y tecnológicas de todo el mundo. La cantidad de energía consumida por estos centros se estima en el 3% del consumo total de electricidad en todo el mundo, con una tasa de crecimiento anual del 4,4%. Naturalmente, esto tiene un tremendo impacto económico, ambiental y de rendimiento que hace que la eficiencia energética de los sistemas de refrigeración sea una de las principales preocupaciones de los diseñadores de centros de datos, por delante de las consideraciones tradicionales de disponibilidad y seguridad. Este artículo discutirá los estándares del centro de datos ASHRAE que se correlacionan con estas preocupaciones.

Los estándares de centros de datos ASHRAE y los estudios que los acompañan también muestran que el mayor consumidor de energía en un centro de datos típico es la infraestructura de refrigeración (50%), seguida de servidores y dispositivos de almacenamiento (26%) . Por lo tanto, para controlar los costos y satisfacer la creciente demanda de instalaciones de centros de datos, los diseñadores deben hacer de la infraestructura de refrigeración y su eficiencia energética su enfoque principal; introduciendo los estándares de centros de datos ASHRAE.

HVAC del centro de datos: ¿Qué Estándares seguir?

Hasta hace poco, esta era una tarea desafiante debido al hecho de que los estándares de la industria utilizados para evaluar la eficiencia energética de los centros de datos y las instalaciones de servidores eran inconsistentes. Para establecer una regla de gobierno para las mediciones de eficiencia energética de HVAC de centros de datos, en 2010 se introdujo la eficacia del uso de energía (PUE). Sin embargo, sirvió como una métrica de rendimiento en lugar de un estándar de diseño y aún no abordó los componentes de diseño relevantes, por lo que el problema persistió.

Nueva Norma de Eficiencia Energética ASHRAE 90.4

Esto llevó a la Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE), una de las principales organizaciones responsables de desarrollar directrices para diversos aspectos del diseño de edificios, a desarrollar un nuevo estándar que sería más práctico para la industria de centros de datos. los estándares de centro de datos ASHRAE diseñados, ASHRAE 90.4, han estado en desarrollo durante varios años y se publicaron en septiembre de 2016, trayendo un estándar muy necesario a la comunidad de centros de datos. Según ASHRAE, este nuevo estándar de HVAC para centros de datos, entre otras cosas, «establece los requisitos mínimos de eficiencia energética de los centros de datos para el diseño y la construcción, para la creación de un plan de operación y mantenimiento y para la utilización de recursos de energía renovable en el sitio o fuera del sitio.»

estándares de centros de datos ashrae modelo de enfriamiento de centros de datos
Modelo de centro de datos

En general, este nuevo estándar ASHRAE 90.4 contiene recomendaciones para el diseño, construcción, operación y mantenimiento de centros de datos. Este estándar de centro de datos ASHRAE aborda explícitamente los requisitos de energía únicos de los centros de datos en comparación con los edificios estándar, integrando así los aspectos y riesgos más críticos que rodean el funcionamiento de los centros de datos. Y a diferencia de la métrica de eficiencia energética PUE, los cálculos en ASHRAE 90.4 se basan en componentes representativos relacionados con el diseño. Las organizaciones necesitan calcular eficiencias y pérdidas para diferentes elementos de los sistemas y combinarlas en un solo número, que debe ser igual o inferior a las cifras máximas publicadas para cada zona climática.

Cómo la dinámica de fluidos Computacional Puede ayudarlo a Cumplir con ASHRAE 90.4

Cualquier número de estrategias de diseño de sistemas de refrigeración diferentes o variaciones en el diseño del piso pueden afectar los resultados, cambiando así la eficiencia, creando puntos de acceso o alterando la cantidad de infraestructura requerida para el diseño. La dinámica de fluidos computacional (CFD) ofrece un método para evaluar nuevos diseños o alteraciones de diseños existentes antes de que se implementen de acuerdo con los estándares de centros de datos ASHRAE.

Para aprender cómo los CFD pueden ayudarlo a reducir el consumo excesivo de energía de los sistemas de su centro de datos y cumplir con ASHRAE 90.4, vea este seminario web:

Estrategias de diseño para reducir el consumo de energía del centro de datos

Diseñar una nueva instalación de centro de datos o cambiar una existente para maximizar la eficiencia de refrigeración puede ser una tarea desafiante. Las estrategias de diseño para reducir la eficiencia energética de un centro de datos incluyen:

  • Posicionamiento de centros de datos en función de las condiciones ambientales (ubicación geográfica, clima, etc.)
  • Decisiones de diseño basadas en la topología de la infraestructura (infraestructura de TI y estándares de nivel)
  • Adaptación de las mejores estrategias de sistemas de refrigeración

Mejorar la configuración del sistema de refrigeración del centro de datos es una oportunidad clave para que el ingeniero de diseño de HVAC reduzca el consumo de energía. Algunas de las diferentes estrategias de refrigeración que los diseñadores e ingenieros siguen para conservar energía son:

  • Acondicionadores de aire y manejadores de aire
    Los tipos más comunes son unidades de aire acondicionado (AC) o manejadores de aire de sala de computadoras (CRAH) que soplan aire frío en la dirección requerida para eliminar el aire caliente del área circundante.
  • Pasillo caliente/pasillo frío
    El aire frío (o pasillo) se pasa a la parte delantera de los bastidores de servidores y el aire caliente sale de la parte trasera de los bastidores. El objetivo principal aquí es administrar el flujo de aire para ahorrar energía y reducir el costo de refrigeración. La siguiente imagen muestra los movimientos del flujo de aire de los pasillos frío y caliente en un centro de datos.
  • Contención de pasillo caliente/pasillo frío
    La contención de los pasillos calientes / fríos se realiza principalmente para separar el aire frío y caliente dentro de la habitación y eliminar el aire caliente de los gabinetes. La imagen de abajo muestra el movimiento detallado del flujo de aire de contención fría y caliente individualmente.

Pasillo caliente pasillo frío contención ASHRAE 90.4

  • Refrigeración líquida
    Los sistemas de refrigeración líquida proporcionan una forma alternativa de disipar el calor del sistema. Este enfoque incluye acondicionadores de aire o refrigerantes con agua fría cerca de la fuente de calor.
  • Refrigeración verde
    La refrigeración verde (o refrigeración gratuita) es una de las tecnologías sostenibles utilizadas en los centros de datos. Esto podría implicar simplemente abrir una ventana del centro de datos cubierta con filtros y rejillas para permitir técnicas de enfriamiento naturales. Este enfoque ahorra una enorme cantidad de dinero y energía.

Identificar la combinación correcta de estas técnicas de enfriamiento puede ser un desafío. Así es como la simulación de CFD puede facilitar esta tarea.

Estudio de caso: La mejora de los Sistemas de refrigeración de centros de datos

La dinámica de fluidos computacional (CFD) puede ayudar a los ingenieros de HVAC y a los diseñadores de centros de datos a modelar un centro de datos virtual e investigar la temperatura, la velocidad del flujo de aire y los campos de presión de una manera rápida y eficiente. El análisis numérico presenta tanto contornos visuales en 3D como datos cuantitativos que son altamente detallados pero fáciles de comprender. Las áreas de flujo de recirculación complejo y los puntos de acceso se visualizan fácilmente para ayudar a identificar posibles fallas de diseño. La implementación de diferentes decisiones y estrategias de diseño en el modelo virtual es relativamente simple y se puede simular en paralelo.

Sistemas de refrigeración de centros de datos: Descripción general del proyecto

Para el propósito de este estudio, utilizamos un proyecto de simulación de la Biblioteca de Proyectos Públicos de SimScale que investiga dos diseños diferentes de sistemas de refrigeración de centros de datos, su eficiencia de refrigeración y el consumo de energía. Puede ser copiado y utilizado libremente por cualquier usuario de SimScale.

Los dos escenarios de diseño se muestran en la siguiente figura:

comparación de diseño de sistemas de refrigeración de centros de datos

El primer diseño que consideraremos utiliza una configuración de piso elevado, un sistema de refrigeración que se implementa con frecuencia en centros de datos. Cuando se utiliza esta técnica, el aire frío entra en la habitación a través de las baldosas perforadas en el suelo y, a su vez, enfría los estantes de servidores. Además, el segundo modelo utiliza contención de pasillo caliente y configuración de techo rebajado para mejorar la eficiencia de refrigeración. Utilizaremos CFD para predecir y comparar el rendimiento de los dos diseños y determinar la mejor estrategia de refrigeración.

Estándares de Centros de datos ASHRAE: Resultados de simulación CFD

Diseño de línea de base del Sistema de enfriamiento del Centro de Datos

Investigamos la distribución de temperatura y el campo de velocidad dentro de la sala de servidores para ambas configuraciones de diseño. Las imágenes de posprocesamiento a continuación muestran los campos de velocidad y temperatura para la sección media del diseño de línea de base. Se puede observar que el aire caliente está presente en la región del pasillo frío. Esto se debe a la mezcla de los pasillos frío y caliente dentro del centro de datos que lo rodea. La velocidad máxima para este diseño de línea de base es de 0,44 m/s con un rango de temperatura de 28,6 a 49,7 grados Celsius.

El contorno de temperatura muestra que las zonas entre los dos bastidores de servidores están mucho más frías en comparación con los demás. Las razones de esto se pueden entender observando los patrones de flujo.

Es evidente en la imagen de arriba que en las filas de servidores donde están presentes las entradas, la parte superior de los bastidores ve una dirección de flujo descendente, en lugar del flujo ascendente deseable desde las entradas mismas. Esto se debe a las fuertes corrientes de recirculación impulsadas por fuerzas de flotabilidad térmica. Este efecto es muy indeseable, ya que reduce la eficacia de enfriamiento específicamente para los estantes superiores de los estantes de servidores. Este efecto podría minimizarse permitiendo un flujo de aire adecuado por encima de los bastidores, ya sea aumentando la altura del techo, colocando más salidas distribuidas en el techo o utilizando algún tipo de sistema de control de flujo activo (ventiladores) para dirigir el flujo por encima de los bastidores de servidores. O más simplemente, evitando que el aire caliente que sale de los estantes circule libremente.

 estándares del centro de datos ashrae

La gráfica de temperatura muestra una estratificación de temperatura significativa que es de esperar dadas las grandes corrientes de recirculación. Podemos observar que solo los servidores más bajos están recibiendo la refrigeración adecuada.

Diseño mejorado del Sistema de refrigeración del Centro de datos

Las dos imágenes siguientes muestran la distribución de velocidad y temperatura para el escenario de diseño mejorado, panel de sección media.

estándares del centro de datos ashrae

El campo de velocidad muestra que el flujo ahora se dirige a los puntos de venta. Esto se debe a la presencia de contención en la parte superior de los estantes. Esto también se traduce en una mejor distribución de la temperatura. Las zonas frías entre los bastidores de servidores están particularmente extendidas.

 estándares del centro de datos ashrae

La imagen de arriba muestra cómo la contención en caliente evita que el flujo ascendente recircule de vuelta a las filas de entrada. Esto da como resultado un patrón de flujo general más limpio en comparación con lo que se vio en el diseño anterior. También es evidente que el nuevo diseño reduce la estratificación de la temperatura, particularmente en las regiones contenidas entre los servidores.

 estándares de centro de datos ashrae

La temperatura promedio calculada para cada rack es menor para el diseño mejorado en aproximadamente un 23%.

Esto también se refleja en la disminución de la cantidad de energía que debe suministrarse al servidor para evitar el sobrecalentamiento. En promedio, se ha logrado un ahorro de energía del 63% para el sistema de refrigeración del centro de datos.

 estándares ashrae para centros de datos

Sistemas de refrigeración para centros de Datos: Conclusiones & Cumplimiento de los estándares de centros de datos ASHRAE

Un centro de datos típico puede consumir tanta energía como 25,000 hogares. Con el aumento del costo de la electricidad, el aumento de la eficiencia energética se ha convertido en la principal preocupación para los diseñadores de centros de datos de hoy en día.

Este caso de estudio fue solo una pequeña ilustración de cómo la simulación CFD puede ayudar a los diseñadores e ingenieros a validar sus decisiones de diseño y predecir con precisión el rendimiento de sus sistemas de refrigeración de centros de datos para garantizar que no se desperdicie energía, y de acuerdo con los estándares de centros de datos ASHRAE. Todo el análisis se realizó en un navegador web y tomó solo unas pocas horas de tiempo manual y de computación. Para obtener más información, vea la grabación del seminario web:

Si desea leer más sobre los estándares de centros de datos ASHRAE y cómo la simulación CFD ayuda a los ingenieros y arquitectos a mejorar los sistemas HVAC de centros de datos junto con el rendimiento general del edificio, descargue este documento técnico gratuito.

  • W. V.Heddeghem et al., Trends in worldwide ICT electricity consumption from 2007 to 2012, Comput. Commun., vol. 50, pp 64-76, Sep. 2014
  • Los 10 mejores consejos para ahorrar energía para un centro de datos más ecológico, Grupo de Investigación de Tecnología de la Información, Londres, ON, Canadá, abril. 2010, http://static.infotech.com/downloads/samples/070411_premium_oo_greendc_top_10.pdf
  • Estándar ASHRAE 90.4 – 2016-Estándar de Energía para Centros de Datos, https://www.techstreet.com/ashrae/standards/ashrae-90-4-2016

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