Sistemas de refrigeración para centros de datos

Conceptos del sistema de refrigeración

En un centro de datos, el consumo de energía del sistema HVAC depende de tres factores principales: las condiciones exteriores (temperatura y humedad), el uso de estrategias de economización y el tipo principal de enfriamiento. Considere lo siguiente:

1. El consumo de energía de HVAC está estrechamente relacionado con la temperatura exterior y los niveles de humedad. En términos simples, el equipo HVAC toma el calor del centro de datos y lo transfiere al exterior. Cuanto mayor sea la temperatura del aire exterior (y cuanto mayor sea el nivel de humedad para los sistemas enfriados por agua), se requiere más trabajo de los compresores para bajar la temperatura del aire a los niveles requeridos en el centro de datos.
2. La economización de los sistemas HVAC es un proceso en el que las condiciones exteriores permiten reducir la potencia del compresor (o incluso permitir el apagado completo de los compresores). Esto se logra suministrando aire exterior directamente al centro de datos (economizador de aire directo) o, como en los sistemas enfriados por agua, enfriando el agua y luego usando agua fría en lugar del agua enfriada que normalmente se crearía mediante compresores.
3. Los diferentes tipos de sistemas HVAC tienen diferentes niveles de consumo de energía. Y los diferentes tipos de sistemas funcionarán de manera diferente en diferentes climas. Por ejemplo, en climas cálidos y secos, los equipos enfriados por agua generalmente consumen menos energía que los sistemas enfriados por aire. Por el contrario, en climas más fríos que tienen niveles de humedad más altos, los equipos enfriados por aire consumirán menos energía. El mantenimiento y operación de los sistemas también afectará la energía (posiblemente el mayor impacto). En relación con el tipo de sistema de refrigeración, la temperatura del aire de suministro y los niveles de humedad permitidos en el centro de datos influirán en el consumo anual de energía.

PRINCIPALES TIPOS DE EQUIPOS DE SISTEMA DE REFRIGERACIÓN

Plantas de refrigeración centrales

En términos generales, los sistemas de refrigeración se conectarán a una planta de refrigeración central que genera agua fría o agua de condensador para su uso en las unidades remotas de tratamiento de aire o CRAH. La decisión de utilizar una planta central se puede tomar por muchas razones diferentes: tamaño de la instalación, planes de crecimiento, confiabilidad de la eficiencia y redundancia, entre otras. Generalmente, una planta central consta de equipos primarios como enfriadores y torres de enfriamiento, tuberías, bombas, intercambiadores de calor y sistemas de tratamiento de agua. Normalmente, las plantas centrales se utilizan para grandes centros de datos y tienen capacidad para una futura expansión.

Equipos de planta refrigerados por agua.

Las plantas de agua helada incluyen enfriadores (ya sean enfriados por aire o por agua) y torres de enfriamiento (si están enfriadas por agua). Estos tipos de plantas de refrigeración son complejos en diseño y funcionamiento, pero pueden producir una eficiencia energética superior. Algunas de las enfriadoras enfriadas por agua altamente eficientes actuales ofrecen un consumo de energía que puede ser un 50% menor que los modelos heredados.

Equipos de planta enfriados por aire.

De manera similar a la planta enfriadora enfriada por agua, la planta enfriadora enfriada por aire puede ser compleja pero eficiente. Dependiendo del clima, la enfriadora utilizará más energía anualmente que una enfriadora enfriada por agua de tamaño comparable. Para minimizar esto, los fabricantes ofrecen módulos economizadores integrados en el enfriador que utilizan el aire exterior frío para extraer calor del agua enfriada sin utilizar compresores. Los enfriadores secos o enfriadores evaporativos también se utilizan para preenfriar el agua de retorno al enfriador.

Equipos de expansión directa (DX)

Los sistemas DX tienen la menor cantidad de piezas móviles ya que tanto el condensador como el evaporador utilizan aire como medio de transferencia de calor, no agua. Esto reduce la complejidad pero también puede reducir la eficiencia. Una variación de este sistema es enfriar con agua el condensador, lo que mejora la eficiencia. (Las unidades CRAC enfriadas por agua entran en esta categoría).

Sistemas de enfriamiento evaporativo

El enfriamiento evaporativo utiliza el principio de que cuando el aire se expone a agua pulverizada, la temperatura de bulbo seco del aire se reducirá a un nivel cercano a la temperatura de bulbo húmedo del aire. La diferencia entre el bulbo seco y el bulbo húmedo del aire se conoce como depresión del bulbo húmedo. En climas secos, el enfriamiento por evaporación funciona bien porque la depresión del bulbo húmedo es grande, lo que permite que el proceso de evaporación reduzca significativamente la temperatura del bulbo seco. El enfriamiento evaporativo se puede utilizar junto con cualquiera de las técnicas de enfriamiento descritas anteriormente.

Economización del agua

El agua se puede utilizar para muchos propósitos para enfriar el centro de datos. Puede enfriarse mediante un ciclo de compresión de vapor y enviarse al equipo de refrigeración de la terminal. También se puede enfriar mediante una torre de refrigeración atmosférica utilizando los mismos principios de evaporación y utilizada para enfriar compresores o, si hace suficiente frío, se puede enviar directamente a los dispositivos de refrigeración de los terminales. El objetivo de una estrategia de economización del agua es utilizar la refrigeración mecánica lo menos posible y depender de las condiciones del aire exterior para enfriar el agua hasta lo necesario para generar la temperatura del aire de suministro requerida. Cuando el sistema está en modo economizador, solo funcionarán los ventiladores de la unidad de tratamiento de aire, las bombas de agua enfriada y las bombas de agua del condensador. La energía necesaria para hacer funcionar estos equipos debe examinarse cuidadosamente para garantizar que los ahorros derivados del uso del economizador de agua no se vean disminuidos por un consumo de energía excesivamente alto del motor. Los centros de datos que utilizan servidores refrigerados por agua, como en una instalación informática de alto rendimiento, pueden utilizar agua mucho más caliente debido a la capacidad del servidor para mantener la temperatura interna utilizando agua a una temperatura mucho más alta de lo que normalmente se ve.

Economización directa

La economización directa normalmente significa el uso de aire exterior directamente sin el uso de intercambiadores de calor. Los sistemas economizadores de aire exterior directo mezclarán el aire exterior con el aire de retorno para mantener la temperatura del aire de suministro requerida. A temperaturas del aire exterior que varían desde la temperatura del aire de suministro hasta la temperatura del aire de retorno, se puede lograr una economía parcial, pero es necesaria una refrigeración mecánica suplementaria. En este punto se puede utilizar el enfriamiento evaporativo para ampliar la capacidad de utilizar aire exterior al reducir la temperatura de bulbo seco, especialmente en climas más secos. Una vez que ya no se pueda mantener la temperatura del aire de suministro, se iniciará el enfriamiento mecánico y comenzará a enfriar la carga. Después de que los niveles de humedad y bulbo seco exterior alcancen límites aceptables, el equipo de enfriamiento suplementario se detendrá y las compuertas de aire exterior se abrirán para mantener la temperatura. En muchos climas, es posible realizar una economización directa del aire durante todo el año con poca o ninguna refrigeración suplementaria. Hay climas donde la temperatura exterior de bulbo seco es adecuada para economizar pero el nivel de humedad exterior es demasiado alto. En este caso, se debe implementar una estrategia de control para aprovechar la temperatura de bulbo seco aceptable sin correr el riesgo de condensación en el centro de datos o incurrir involuntariamente en mayores costos de energía.

Economización indirecta

La economización indirecta se utiliza cuando no es ventajoso utilizar aire directamente del exterior para economizar. La economización indirecta utiliza los mismos principios de control que los sistemas de aire exterior directo. En los sistemas directos, el aire exterior se utiliza para enfriar el aire de retorno mezclando físicamente las dos corrientes de aire. Cuando se utiliza la economización indirecta, el aire exterior se utiliza para enfriar un intercambiador de calor en un lado que enfría indirectamente el aire de retorno en el otro lado sin contacto de las dos corrientes de aire. En los sistemas de evaporación indirecta, se rocía agua sobre una parte del intercambiador de calor por donde pasa el aire exterior. El efecto evaporativo reduce la temperatura del intercambiador de calor, reduciendo así la temperatura del aire exterior. Estos sistemas son muy eficaces en varios climas, incluso en climas húmedos. Dado que se utiliza un intercambiador de calor indirecto, se requiere un ventilador para aspirar el aire exterior a través del intercambiador de calor, a veces conocido como ventilador captador. Esta potencia del motor del ventilador no es trivial y debe tenerse en cuenta al estimar el uso de energía.

Opciones de economización

• Hay varios enfoques y tecnologías diferentes disponibles al diseñar un sistema de economización. Para los diseños de economizadores indirectos, la tecnología del intercambiador de calor varía ampliamente.
  1. Puede consistir en un intercambiador de calor giratorio, también conocido como rueda de calor, que utiliza masa térmica para enfriar el aire de retorno utilizando aire exterior.
  2. Otro enfoque es utilizar un intercambiador de calor de flujo cruzado.
  3. La tecnología de tubos de calor también se puede incorporar en una estrategia de economización indirecta.

Dentro de estas opciones, hay varias subopciones impulsadas por la aplicación específica que, en última instancia, informarán la estrategia de diseño para todo el sistema de enfriamiento.