Las soluciones HVAC ayudan a los centros de datos a lograr la sostenibilidad

Oct 26, 2023

El crecimiento de los centros de datos se ha disparado en los últimos años; sin embargo, esta mayor demanda de procesamiento de datos tiene un costo, ya que los centros de datos son conocidos por su enorme consumo de energía y su huella de carbono. De hecho, según el Departamento de Energía (DOE), los centros de datos consumen de 10 a 50 veces la energía por superficie de un edificio de oficinas comerciales típico, lo que representa aproximadamente el 2% del uso total de electricidad en Estados Unidos.

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Para abordar este problema, se ha puesto más énfasis en promover la sostenibilidad en los centros de datos. Los sistemas HVAC juegan un papel importante para lograr la sostenibilidad, ya que este equipo se encarga de garantizar que los niveles de temperatura y humedad en un centro de datos se mantengan dentro del rango aceptable las 24 horas del día, los siete días de la semana. Al implementar soluciones HVAC sostenibles, los operadores de centros de datos pueden reducir significativamente su consumo de energía y su impacto ambiental.

Un centro de datos sostenible tiene como objetivo equilibrar la necesidad de un procesamiento de datos confiable y eficaz con la necesidad de minimizar su impacto ambiental. Para lograr ese objetivo, un centro de datos sostenible trabaja activamente para reducir el uso de energía, la energía, el agua y las emisiones de carbono, dijo Michael Strouboulis, director de desarrollo comercial de centros de datos de Danfoss.

“Reducir la efectividad del uso de energía (PUE), que mide la relación entre la energía total que ingresa al centro de datos y la energía consumida por el equipo de tecnología de la información (ITE), así como la efectividad del uso del agua (WUE), la efectividad del uso de carbono (CUE ) y el aumento de la reutilización de energía (ERE), son clave para alcanzar los objetivos de sostenibilidad y carbono neto cero”, dijo Strouboulis. “La transición a estas cuatro métricas naturalmente implica observar toda la infraestructura del centro de datos, incluidos los sistemas mecánicos que respaldan la refrigeración del centro de datos y la gestión térmica de ITE, que representan entre el 30 % y el 40 % de la energía que ingresa a la instalación. .”

Los centros de datos sostenibles también se esfuerzan por alcanzar objetivos de neutralidad de carbono y reducir las emisiones de carbono mediante el uso de fuentes de energía renovables y la adopción de equipos HVAC y tecnologías de monitoreo energéticamente eficientes, todo ello garantizando al mismo tiempo un suministro de energía confiable y eficaz, dijo Mukul Anand, director global de desarrollo comercial, aplicado Productos globales HVAC en Johnson Controls.

"El BMS equipado digitalmente y el software de optimización brindan información y control que ayudan a los administradores de instalaciones a administrar los edificios de la manera más eficiente posible", dijo Anand. “Algunos administradores de instalaciones también están trabajando con fabricantes de HVAC para encontrar formas de utilizar el calor residual en otras áreas del edificio, lo que minimiza el uso de combustibles fósiles. En respuesta, los ingenieros de HVAC están desarrollando productos que pueden utilizar este calor residual de manera muy eficiente”.

La sostenibilidad en un centro de datos se extiende más allá de sus fuentes de energía, y abarca también su construcción y diseño. Por ejemplo, los materiales y componentes empleados deben ser duraderos y minimizar el desperdicio evitando reparaciones y reemplazos innecesarios, dijo Rachel (Ray) Larimore, gerente de proyectos de Ruskin.

"El diseño también debe maximizar el espacio y al mismo tiempo permitir un mantenimiento sencillo", dijo Larimore. “Los sistemas HVAC suelen ser de difícil acceso para su mantenimiento, ya que suelen estar integrados en paredes y techos altos. Sin embargo, los propietarios de centros de datos están poniendo especial cuidado en diseñar sus instalaciones teniendo en cuenta los cronogramas de mantenimiento y la longevidad”.

Finalmente, los centros de datos sustentables tienen una estrategia de final de vida que limita los desechos y los contaminantes ambientales, lo cual es un aspecto clave de este tipo de instalaciones, afirmó Justin Scott, ingeniero de aplicaciones de Infinitum.

"Los operadores deben deshacerse de manera responsable de los refrigerantes y otros fluidos, y trabajar con socios para reciclar o remanufacturar componentes y subcomponentes", dijo Scott. "Los centros de datos también tienen miles de motores con materiales valiosos, como aluminio, acero e imanes, que se beneficiarían de su reacondicionamiento y reutilización, en lugar de ser arrojados a un vertedero".

Lograr la sostenibilidad en un centro de datos nuevo o existente puede ser un desafío, ya que puede resultar difícil equilibrar las condiciones de diseño con la eficiencia energética. El tiempo de actividad es absolutamente fundamental para los centros de datos, por lo que el equipo HVAC debe diseñarse para mantener la instalación operativa en las condiciones más extremas a las que se enfrentará, afirmó Anand.

TIEMPO DE ACTIVIDAD ÓPTIMO: Los centros de datos ejecutan procesos las 24 horas del día, los 7 días de la semana, por lo que el tiempo de actividad y la eficiencia operativa son primordiales. (Cortesía de Danfoss)

"Sin embargo, es posible que un centro de datos sólo experimente condiciones extremas unas pocas veces, si es que alguna vez, y esto puede resultar en una compensación en lo que respecta a la sostenibilidad", dijo Anand. "Esto se debe a que los equipos normalmente funcionan en condiciones para las que no fueron seleccionados originalmente, y eso puede resultar en una menor eficiencia energética".

Una tecnología que se utiliza ampliamente para aumentar la sostenibilidad y reducir el consumo de energía en los centros de datos es el enfriamiento gratuito. El enfriamiento gratuito se refiere al uso de aire exterior más frío para reducir la temperatura del agua o aire de enfriamiento de la instalación sin necesidad de enfriamiento mecánico. Al utilizar refrigeración gratuita, los sistemas HVAC pueden reducir significativamente el consumo de energía y los costos operativos, especialmente en regiones con climas templados.

"Los centros de datos han utilizado refrigeración por evaporación directa para lograr la refrigeración, que puede consumir mucha agua y energía", dijo Anand. “Vemos un cambio allí. Los avances en los enfriadores enfriados por aire permiten en su lugar utilizar la economización. Algunos enfriadores enfriados por aire cuentan con serpentines de enfriamiento gratuito adicionales que generan enfriamiento gratuito cuando las condiciones ambientales son más suaves o más frías. Los enfriadores enfriados por aire más recientes funcionan en condiciones invertidas, lo que significa que pueden proporcionar enfriamiento gratuito incluso en ausencia de serpentines de enfriamiento gratuito, lo que proporciona una eficiencia excelente en condiciones ambientales bajas. Estos enfriadores más ligeros también permiten una menor huella de carbono”.

AHORRO DE COSTES: El uso de motores eficientes, como los motores Infinitum utilizados en este conjunto de ventiladores de centro de datos, puede traducirse en un ahorro del 10 % en consumo de energía y costos. (Cortesía de Infinitum)

El uso de motores y variadores de velocidad (VSD) energéticamente eficientes también es esencial para optimizar el consumo de energía de los componentes del sistema de refrigeración, como compresores, ventiladores y bombas. El VSD permite que la salida del motor coincida con la demanda informática y ahorra energía al entregar la cantidad exacta de energía requerida en un momento dado, dijo Strouboulis.

"El efecto que tienen los VSD sobre el consumo de energía es enorme", afirmó. “Los enfriadores con compresores VSD con cojinete magnético y sin aceite son algunos de los equipos más eficientes utilizados en los centros de datos, porque ofrecen una transferencia de calor eficiente y un enfriamiento confiable durante todo su ciclo de vida sin los requisitos de mantenimiento y la degradación del rendimiento que se experimentan con otros tipos. de compresores”.

Scott coincide en que es importante utilizar componentes eficientes en los equipos HVAC para mejorar la sostenibilidad, especialmente en los centros de datos que experimentan ciclos de uso. Cita a Netflix como ejemplo, señalando que sus centros de datos pueden experimentar una carga máxima a las 8 p.m. cuando los usuarios transmiten contenido, y una carga menor a las 8 a.m. Dado este perfil de uso, tendría sentido disminuir la carga en el sistema HVAC durante las horas de la mañana.

"Los motores EC utilizados junto con un ventilador eficiente crean un ventilador EC altamente eficiente con una curva de eficiencia plana en condiciones de carga total y parcial", dijo Scott. “Los motores EC pueden funcionar a velocidades variables con eficiencia de carga parcial, lo que ahorra energía en horas de menor actividad. Algunos son capaces de mantener altos niveles de eficiencia en una amplia gama de cargas y velocidades. El uso de motores más eficientes, como los motores EC, puede traducirse en un ahorro del 10 % en el consumo de energía y en los costes generales”.

El consumo de energía en un centro de datos también se puede reducir mediante el uso de controles energéticamente eficientes y una planificación cuidadosa para reducir la energía necesaria para operar los sistemas HVAC, dijo Larimore. Por ejemplo, dijo que puede ser posible reducir la cantidad de actuadores utilizados para modular el flujo de aire reduciendo la cantidad de secciones u optimizando las ubicaciones de instalación para alimentar múltiples secciones de compuertas desde un solo actuador. Esto puede reducir las necesidades generales de energía en el diseño.

"También se debe tener en cuenta el diseño del flujo de aire", dijo Larimore. “Mantener la electrónica fría para evitar fallas es de gran importancia en un centro de datos. En lugar de compensar en exceso incorporando aire adicional, los equipos HVAC deben diseñarse para optimizar el flujo de aire y la circulación para mantener el edificio a la temperatura requerida y con suficiente aire limpio sin desperdiciar nada”.

Es probable que la tendencia de los centros de datos sostenibles continúe, dada la creciente demanda de servicios digitales y la creciente conciencia sobre el impacto de este tipo de instalaciones en el medio ambiente. Como tal, los equipos HVAC diseñados para centros de datos seguirán evolucionando. Por ejemplo, la principal forma actual de enfriar los centros de datos es el aire de precisión, y eso estará disponible para los centros de datos de "baja densidad de potencia de rack" durante algún tiempo, dijo Strouboulis.

“Sin embargo, con la proliferación de la computación de alto rendimiento (HPC), la inteligencia artificial (IA), el aprendizaje automático (ML), la IoT y otras tecnologías informáticas en evolución, las densidades de energía de los racks están aumentando y la refrigeración líquida se está volviendo esencial para garantizar la confiabilidad. y rendimiento”, dijo. “Por ejemplo, las soluciones CRAC/CRAH y de enfriamiento de contención basadas en filas son ideales hasta 15 a 20 kW, pero hay un punto, tal vez alrededor de 20 kW, más allá del cual ya no son rentables ni eficientes. En ese punto, se empieza a buscar otras técnicas que enfríen más cerca de la fuente de calor y que estén ubicadas muy cerca de las puertas del rack o incluso más cerca que eso, ya que estas técnicas enfriarán los microchips directamente mediante directo al chip o refrigeración líquida por inmersión”.

En comparación con el enfriamiento por aire tradicional, el enfriamiento líquido es más eficiente a la hora de transferir el calor de los componentes eléctricos, dijo Scott. Esto se debe a que la capacidad de transporte de calor del líquido puede ser hasta 3.500 veces mayor que la del aire.

"Hay algunas formas de aplicar la refrigeración líquida y cada una presenta desafíos", dijo. “Un enfoque es llevar líquido al conjunto de chips para eliminar el calor, pero si bien esto es excelente para el procesador, no enfría otros componentes. Un segundo enfoque es llevar refrigeración líquida al rack donde el aire complementa la refrigeración. Un tercer enfoque es el enfriamiento por inmersión de bastidores de servidores en un tanque, donde el fluido rodea las placas de servidores y elimina el calor. El desafío es mover piezas dentro y fuera del fluido y potencialmente contaminar o dañar otros componentes. Con la refrigeración líquida, todavía se necesitan enfriadores de aire, enfriadores y refrigeración por evaporación tradicionales”.

MÁXIMA EFICIENCIA: El enfriador centrífugo con cojinete magnético enfriado por aire York YVAM puede reducir el consumo de energía a carga completa del enfriador y ofrecer una eficiencia máxima más allá de los estándares típicos de la industria. (Cortesía de Johnson Controls)

Hablando de enfriadores, hay nueva tecnología disponible que puede ayudar a los contratistas a diseñar sistemas de centros de datos más sostenibles. Específicamente, los enfriadores centrífugos de cojinete magnético, enfriados por aire y de baja fricción pueden reducir el consumo de energía a plena carga del enfriador y ofrecer una eficiencia máxima más allá de los estándares típicos de la industria, dijo Anand. Además, la infraestructura eléctrica que alimenta el enfriador (incluidos transformadores, sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), generadores, interruptores de transferencia automática y aparamenta) se puede reducir en tamaño, lo que genera ahorros en los primeros costos.

"También hay disponibles productos de refrigeración que utilizan refrigerantes de bajo PCA para minimizar aún más el consumo de recursos y reducir el impacto en la comunidad y el planeta", afirmó Anand. "Además, los ingenieros de HVAC están trabajando en productos más silenciosos que consumen menos recursos naturales y tienen la máxima cantidad de contenido reciclable".

Otro factor que influirá en el diseño futuro de los equipos HVAC es el aumento del precio de los inmuebles.

"Debido a que la tierra es tan valiosa en lugares clave, incluidos Ashburn, Phoenix, Dallas y Silicon Valley, los centros de datos ahora están creciendo verticalmente en lugar de horizontalmente", dijo Anand. “Cuando un centro de datos crece verticalmente, los metros cuadrados interiores que deben enfriarse aumentan, pero no así la cantidad de espacio en la azotea para colocar enfriadores. Los centros de datos de varios pisos son uno de los desafíos que continúan impulsando la innovación en el diseño de equipos HVAC”.

Los contratistas pueden ayudar a sus clientes de centros de datos a identificar formas de mejorar su sostenibilidad evaluando sus condiciones operativas desde tres perspectivas diferentes, dijo Mukul Anand de Johnson Controls:

"Si bien los dos primeros se explican por sí solos, el tercero se basa en comprender las tendencias de las instalaciones", dijo Anand. “Por ejemplo, si un centro de datos normalmente aumenta la generación de calor a las 8 a. m., se puede automatizar para aumentar gradualmente la capacidad a partir de las 7 a. m. en lugar de alcanzar el 100% de su capacidad a las 7:59 a. m. Esto puede minimizar los picos del sistema, mejorar eficiencia energética y prolongar la vida útil del equipo”.

A veces puede resultar difícil para los contratistas obtener este tipo de información, ya que algunos centros de datos, debido a preocupaciones sobre la ciberseguridad y la privacidad, han desarrollado sus propios sistemas de seguimiento y seguimiento asistidos por IA en tiempo real que se utilizan para optimizar las operaciones, la predicción y el servicio. mantenimiento, optimización del consumo de energía, gestión de capacidad y planificación, dijo Michael Strouboulis de Danfoss.

"Sin embargo, existen paquetes SaaS de terceros que ofrecen información adicional, como análisis predictivos, para dar servicio a centros de datos empresariales y de borde", dijo. “Las auditorías energéticas y la instalación de dispositivos inteligentes, como medidores de energía, pueden ayudar a identificar áreas de mejora. Los contratistas también pueden instalar sensores que proporcionen información para el monitoreo basado en la nube de los componentes esenciales del sistema de enfriamiento para garantizar que los sistemas funcionen al máximo rendimiento y, por lo tanto, reduzcan las emisiones de carbono”.

Joanna Turpin es editora senior. Puede comunicarse con ella al 248-786-1707 o [email protected]. Joanna trabaja en BNP Media desde 1991, y primero dirigió la división de libros técnicos de la empresa. Obtuvo su licenciatura en inglés de la Universidad de Washington y trabajó en su maestría en comunicación técnica en la Universidad Eastern Michigan.