La refrigeración de los centros de datos

Antes de abordar el tema de la Refrigeración de los centros de datos empezamos con una breve introducción para definir qué son y cómo está valorada su disponibilidad, un aspecto en el que es clave el sistema de refrigeracion CPD y su mantenimiento.

Un centro de procesamiento de datos (CPD) es un lugar donde se concentran todos los recursos necesarios para el procesamiento de la información de una organización. Son edificios o salas debidamente acondicionadas con una gran cantidad de equipamiento electrónico, ordenadores, redes de comunicaciones… La disponibilidad de recursos y el acceso a la información de los data centers es fundamental en las operaciones diarias de las empresas y, por lo tanto, es imprescindible contar con un CPD estable y con la mayor disponibilidad posible, lo que supone que la refrigeración de los centros de datos cobra vital importancia.

Clasificación de los CPD

Para la clasificación de los centros de datos existe un estándar, el AINSI / TIA-942 (Telecomunication Infraestructura Standard for Data Center), creado por miembros de la industria, consultores y usuarios y que incluye las mejores prácticas para la construcción y gestión de centros de datos. Este estándar incluye un anexo sobre los grados de disponibilidad Tier, que indican el nivel de fiabilidad de un centro de datos. A mayor nivel Tier, mayor disponibilidad del CPD.

• Tier I – Data Center Básico. Admite interrupciones tanto planeadas como no planeadas. No hay componentes redundantes en la distribución eléctrica ni refrigeración. Deberá estar fuera de servicio al menos una vez al año por razones de mantenimiento.
• Tier II – Data Center con componentes redundantes. Menos susceptible a interrupciones. Componentes redundantes (diseño N+1, lo que significa que existe un duplicado de cada componente). Conectados a una única línea de distribución eléctrica y refrigeración. El mantenimiento de esta línea de distribución o de otras partes de la infraestructura requiere una interrupción del servicio.
• Tier III – Data Center con mantenimiento concurrente. Permite planificar actividades de mantenimiento sin afectar al servicio. Hay suficiente capacidad y distribución para poder llevar a cabo tareas de mantenimiento en una línea mientras se da servicio por otras. Acepta actividades planeadas como mantenimiento preventivo, reparaciones o sustitución de componentes, realización de pruebas en sistemas o subsistemas, entre otras. Actividades no planeadas, como errores de operación, pueden todavía provocar una interrupción del centro de datos. En sistemas que utilizan el enfriamiento por agua, se instala un doble conjunto de tuberías.  Se instalan componentes redundantes. Están conectados a múltiples líneas de distribución eléctrica y de refrigeración pero únicamente con una activa.
• Tier IV – Data Center tolerante a fallos. Permite realizar cualquier actividad planificada sin interrupciones en el servicio, pero, además, continua trabajando ante un evento crítico no planeado. Esto requiere dos líneas de distribución y de refrigeración con múltiples componentes redundantes (2(N+1)) es decir 2 UPS con redundancia N+1.

El objetivo: La eficiencia energetica en el CPD

Existe en estos momentos una tendencia a la construcción de centros de datos cada vez más grandes, los cuales demandan las mejores tecnologías para garantizar su funcionamiento y mejorar su eficiencia. El consumo de energía en estos centros se incrementa, por tanto, de manera exponencial.

Un centro de datos no sólo es hardware y telecomunicaciones, cuenta con instalaciones eléctricas, de refrigeracion CPD, contraincendios, iluminación, entre otras. Una parte importante de la energía consumida en un data center corresponde a los sistemas de refrigeración industrial, los cuales se convierten en una pieza clave para la reducción de costes energeticos. La refrigeracion CPD está absolutamente ligada a su consumo energético y, consecuentemente, una correcta refrigeración permite obtener unos ahorros energéticos importantes.

Un ejemplo de refrigeracion CPD es el de esta empresa tecnológica, con 4 salas de 1.000 metros cuadrados.

La importancia de la refrigeración de los centros de datos

La producción de calor de los equipos que conforman un centro de datos es uno de los problemas principales y que más preocupa a sus administradores. El exceso de calor en una sala de servidores afecta negativamente el rendimiento del equipo y acorta su vida útil, además de suponer un peligro en el caso de alcanzar niveles elevados. Por eso, es de vital importancia el diseño de un buen sistema de refrigeración de los centros de datos.

En este diseño es fundamental el dimensionamiento del sistema, que exige comprender la cantidad de calor producida por los equipos TI, así como la derivada del funcionamiento de otros elementos habitualmente presentes como los SAI, la distribución de alimentación, unidades de aire acondicionado, iluminación y personas…

Fijarse en todo ello es básico para calcular la carga térmica. En una instalación típica, las cargas que más peso tienen son:

• El 70% se suele corresponder con la carga de los equipos TI.
• El 9%, a la iluminación.
• El 6%, a la distribución de la alimentación.
• El 2%, a las personas.

Además de eliminar el calor, un sistema de aire acondicionado para un centro de datos está diseñado para controlar la humedad. En la mayoría de sistemas de aire acondicionado la función de refrigeracion CPD por aire del sistema causa una importante condensación de vapor de agua y la consiguiente pérdida de humedad. Por tanto, es necesaria una humidificacion suplementaria para mantener el nivel de humedad deseado. Esta humidificacion suplementaria crea una carga de calor adicional en la unidad de aire acondicionado de la sala de ordenadores (CRAC), disminuyendo de forma clara la capacidad de refrigeracion CPD de la unidad y haciendo necesario un sobredimensionamiento. Es importante hablar también del diseño de la red de conductos del aire o el falso suelo, ya que tiene un efecto importante en el rendimiento global del sistema y, además, afecta en gran medida a la uniformidad de la temperatura dentro del centro de datos.

La elección de un sistema de distribución de aire modular, unido a una correcta estimación de la carga térmica, puede reducir significativamente los requisitos de configuración del diseño del centro de datos.

Sistemas de refrigeración de los centros de datos

Estos grandes centros de datos superan normalmente los 500 o 1000 m2 (con una densidad promedia del local de 1500 W/m2) y los sectores de comunicación están en 300 W/m2 aproximadamente y zonas de alta densidad que pueden llegar a 4000 W/m2. Además hay que añadir la refrigeración de salas eléctricas, oficinas, talleres, etc. En general se llega a capacidades de 3 a 5 MW de frío en un Centro de datos completo.

Se suelen seleccionar sistemas con agua helada, no sólo por el consumo eléctrico sino más bien por la flexibilidad en la aplicación y por el bajo volumen de refrigerantes en uso.

Para la producción de agua helada existen distintos tipos de chiller:

• Chiller enfriados por aire con ventiladores axiales estándar o ventiladores de tipo EC-Fan de bajo consumo y compresor de tornillo.
• Chiller enfriados por aire con ventiladores axiales estándar o ventiladores de tipo EC-Fan de bajo consumo con Free-cooling y compresor de tornillo.
• Chiller refrigerados por agua con Torres de enfriamiento con screw o compresor centrífugo.
• Chiller enfriados por agua con Dry Cooler en circuito cerrado con compresor tipo scroll, eventualmente de tornillo o centrífugo.

Los chiller que integran free-cooling ofrecen un interesante ahorro energético, dependiendo principalmente de las condiciones climáticas de la zona donde se instalen y de la selección de temperatura de inyección de aire en los pasillos fríos del centro de datos. El free-cooling consiste en hacer pasar el retorno de agua que proviene del centro de datos primero por un serpentín de intercambio de calor agua-aire montado en la succión de aire del condensador, logrando así un pre-enfriamiento en el retorno del agua.

Solución de refrigeración de los centros de datos TIER III

Esta es una solución típica para el caso de la refrigeración de centros de datos de tipo Tier III, utilizando chiller enfriados por aire sin free-cooling.

Los chiller descargan el agua helada a un colector con doble salida hacia la estación de bombas que alimentan los consumos CRAH (Computer Room Air Handler) y PTU (Puma Transfer Unit).

Un PLC es responsable de calcular la cantidad de chiller en funcionamiento, arrancar la unidad en stand-by en el caso de error en la unidad de operación y realizar la rotación para garantizar un desgaste similar en el tiempo.

Dependiendo de la importancia de la sala de servidores, se pueden instalar adicionalmente estanques de agua helada por si se diera un colapso total en la producción de agua helada.

El principal criterio a la hora de diseñar la producción de agua helada (sistema hidráulico primario) es que se asegure un flujo de agua constante a través del evaporador de cada chiller. Además, se recomienda instalar válvulas de control de flujo de agua con el fin de garantizar el caudal de agua exacto que requiere cada chiller. El principal criterio de diseño de la red hidráulica secundaria (alimentación de los consumos con agua helada) es que se asegure un flujo de agua acorde al consumo del momento. Se suele instalar un by-pass debido a que en ocasiones el caudal de agua primario no coincide con el secundario. Con el by-pass se compensa la diferencia.