Sistemas de resfriamento de data centers

Conceitos do sistema de resfriamento

Em um data center, o consumo de energia do sistema HVAC depende de três fatores principais: condições externas (temperatura e umidade), uso de estratégias de economia e tipo principal de resfriamento, considere o seguinte:

1. O consumo de energia HVAC está intimamente relacionado com os níveis de temperatura e umidade externa. Em termos simples, o equipamento HVAC retira o calor do data center e o transfere para fora. Quanto mais alta a temperatura do ar externo (e mais alto o nível de umidade para sistemas refrigerados a água), mais trabalho é exigido dos compressores para baixar a temperatura do ar de volta aos níveis exigidos no data center.
2. A economia para sistemas HVAC é um processo em que as condições externas permitem reduzir a potência do compressor (ou mesmo permitir o desligamento completo dos compressores). Isso é obtido fornecendo ar externo diretamente ao data center (economizador de ar direto) ou, como em sistemas refrigerados a água, resfriando a água e usando a água resfriada no lugar da água resfriada que normalmente seria criada usando compressores.
3. Diferentes tipos de sistemas HVAC têm diferentes níveis de consumo de energia. E os diferentes tipos de sistemas funcionarão de maneira diferente em diferentes climas. Por exemplo, em climas quentes e secos, os equipamentos refrigerados a água geralmente consomem menos energia do que os sistemas refrigerados a ar. Por outro lado, em climas mais frios com níveis de umidade mais altos, o equipamento refrigerado a ar usará menos energia. A manutenção e operação dos sistemas também impactarão a energia (possivelmente o maior impacto). Relacionado ao tipo de sistema de resfriamento, a temperatura do ar de suprimento e os níveis de umidade permitidos no data center terão influência no consumo anual de energia.

PRINCIPAIS TIPOS DE EQUIPAMENTOS DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO

Centrais de resfriamento

De um modo geral, os sistemas de resfriamento serão conectados a uma planta de resfriamento central que gera água gelada ou água do condensador para uso nas unidades remotas de tratamento de ar ou CRAHs. A decisão de usar uma planta central pode ser tomada por diversos motivos: tamanho da instalação, planos de crescimento, confiabilidade de eficiência e redundância, entre outros. Geralmente, uma planta central consiste em equipamentos primários, como resfriadores e torres de resfriamento, tubulações, bombas, trocadores de calor e sistemas de tratamento de água. Normalmente, as plantas centrais são usadas para grandes centros de dados e têm capacidade para expansão futura.

Equipamento de fábrica refrigerado a água

As plantas de água gelada incluem chillers (resfriados a ar ou água) e torres de resfriamento (se resfriados a água). Esses tipos de plantas de resfriamento são complexos em projeto e operação, mas podem produzir eficiência energética superior. Alguns dos chillers resfriados a água atuais e altamente eficientes oferecem uso de energia que pode ser 50% menor do que os modelos legados.

Equipamento de planta refrigerado a ar

Semelhante à planta de resfriamento a água, a planta de resfriamento a ar pode ser complexa, mas eficiente. Dependendo do clima, o chiller usará mais energia anualmente do que um chiller refrigerado a água de tamanho comparável. Para minimizar isso, os fabricantes oferecem módulos economizadores embutidos no chiller que usam o ar frio externo para extrair o calor da água gelada sem usar compressores. Resfriadores secos ou evaporativos também são usados ​​para pré-resfriar a água de retorno de volta ao resfriador.

Equipamento de expansão direta (DX)

Os sistemas DX têm a menor quantidade de peças móveis, pois tanto o condensador quanto o evaporador usam ar como meio de transferência de calor e não água. Isso reduz a complexidade, mas também pode reduzir a eficiência. Uma variação desse sistema é resfriar o condensador com água, o que melhora a eficiência. (As unidades CRAC refrigeradas a água se enquadram nesta categoria.)

Sistemas de Resfriamento Evaporativo

O resfriamento por evaporação usa o princípio de que quando o ar é exposto ao spray de água, a temperatura de bulbo seco do ar será reduzida a um nível próximo à temperatura de bulbo úmido do ar. A diferença entre o bulbo seco e o bulbo úmido do ar é conhecida como depressão do bulbo úmido. Em climas secos, o resfriamento evaporativo funciona bem, porque a depressão do bulbo úmido é grande, permitindo que o processo evaporativo reduza significativamente a temperatura do bulbo seco. O resfriamento por evaporação pode ser usado em conjunto com qualquer uma das técnicas de resfriamento descritas anteriormente.

Economia de Água

A água pode ser usada para muitas finalidades no resfriamento do data center. Ele pode ser resfriado por meio de um ciclo de compressão de vapor e enviado para o equipamento de resfriamento do terminal. Também pode ser resfriado por meio de uma torre de resfriamento atmosférico usando os mesmos princípios de evaporação e usado para resfriar compressores ou, se estiver frio o suficiente, pode ser enviado diretamente para os dispositivos de resfriamento do terminal. O objetivo de uma estratégia de economia de água é usar o resfriamento mecânico o mínimo possível e contar com as condições do ar externo para resfriar a água até o nível necessário para gerar a temperatura de ar de suprimento necessária. Quando o sistema está no modo econômico, apenas os ventiladores da unidade de tratamento de ar, as bombas de água gelada e as bombas de água do condensador funcionarão. A energia necessária para operar esses equipamentos deve ser examinada cuidadosamente para garantir que a economia do uso do economizador de água não seja diminuída pelo consumo excessivamente alto de energia do motor. Os datacenters que usam servidores refrigerados a água, como em uma instalação de computação de alto desempenho, podem usar água muito mais quente devido à capacidade do servidor de manter temperaturas internas usando água que está em uma temperatura muito mais alta do que a normalmente vista.

Economia Direta

A economia direta normalmente significa o uso direto do ar externo sem o uso de trocadores de calor. Os sistemas economizadores de ar externo direto misturam o ar externo com o ar de retorno para manter a temperatura do ar de suprimento necessária. Em temperaturas do ar externo que variam entre a temperatura do ar de entrada e a temperatura do ar de retorno, é possível obter uma economia parcial, mas é necessário um resfriamento mecânico suplementar. O resfriamento por evaporação pode ser usado neste ponto para estender a capacidade de usar o ar externo reduzindo a temperatura de bulbo seco, especialmente em climas mais secos. Assim que a temperatura do ar de alimentação não puder mais ser mantida, o resfriamento mecânico será iniciado e começará a resfriar a carga. Depois que o bulbo seco externo e os níveis de umidade atingirem os limites aceitáveis, o equipamento de resfriamento complementar irá parar e os dampers de ar externo serão abertos para manter a temperatura. Para muitos climas, é possível operar com economia direta de ar durante todo o ano com pouco ou nenhum resfriamento suplementar. Existem climas em que a temperatura externa de bulbo seco é adequada para economia, mas o nível de umidade externa é muito alto. Nesse caso, uma estratégia de controle deve estar em vigor para aproveitar a temperatura de bulbo seco aceitável sem arriscar a condensação no data center ou incorrer involuntariamente em custos de energia mais altos.

Economia indireta

A economia indireta é usada quando não é vantajoso usar ar diretamente do exterior para economia. A economia indireta usa os mesmos princípios de controle dos sistemas de ar externo direto. Em sistemas diretos, o ar externo é usado para resfriar o ar de retorno, misturando fisicamente as duas correntes de ar. Quando a economia indireta é usada, o ar externo é usado para resfriar um trocador de calor de um lado que resfria indiretamente o ar de retorno do outro lado sem contato das duas correntes de ar. Nos sistemas evaporativos indiretos, a água é pulverizada em uma parte do trocador de calor por onde passa o ar externo. O efeito evaporativo reduz a temperatura do permutador de calor, reduzindo assim a temperatura do ar exterior. Esses sistemas são muito eficazes em vários climas, até mesmo em climas úmidos. Como um trocador de calor indireto é usado, é necessário um ventilador para puxar o ar externo pelo trocador de calor, às vezes conhecido como ventilador de exaustão. A potência do motor do ventilador não é trivial e precisa ser considerada na estimativa do uso de energia.

Opções de economia

• Existem várias abordagens e tecnologias diferentes disponíveis ao projetar um sistema de economia. Para projetos de economizadores indiretos, a tecnologia do trocador de calor varia muito.
  1. Pode consistir em um trocador de calor rotativo, também conhecido como roda de calor, que usa massa térmica para resfriar o ar de retorno usando o ar externo.
  2. Outra abordagem é usar um trocador de calor de fluxo cruzado.
  3. A tecnologia de tubo de calor também pode ser incorporada em uma estratégia de economia indireta.

Dentro dessas opções, existem várias subopções orientadas pela aplicação específica que, em última análise, informarão a estratégia de design de todo o sistema de resfriamento.