Nuevas Tendencias en Chile en la Construcción de Salas de Servidores de más de 500 m2 y módulos de crecimiento iguales.
Hay una demanda creciente en la construcción de grandes Salas Servidores (Data Center) en consecuencia de un incremento exponencial de nuevas tecnologías informáticas. Una de las principales consecuencias es el incremento de las cargas térmicas y por lo tanto una demanda de mejores tecnologías de enfriamiento que garanticen un funcionamiento exento de fallas, eficientes y amigables con el medio ambiente. Hoy en día existe una gran presión internacional sobre los Gobiernos para pasar de la situación actual en la que las organizaciones adoptan de forma voluntaria medidas de conservación del medio ambiente, a otra en la que exista una legislación medioambiental que cubra este compromiso.
En Chile se sigue esta tendencia de preocupación por el cuidado del medio ambiente y es ese compromiso el que nos guía en la elaboración y aplicación de nuestras soluciones y productos.
El crecimiento de la necesidad de procesar y almacenar datos aumenta a su vez el consumo de energía en los centros de datos. El costo del suministro de energía para los sistemas de refrigeración está en fuerte aumento y se convierte en un objetivo central para la reducción de los costos energéticos.
Para entender el aumento en los costos de inversión en los Nuevos Data Center basta con describir, entre otros, las exigencias adoptadas por el uso de normas y estándares que otorgan una mayor fiabilidad. Un Data Center no sólo es construcción, hardware, software y telecomunicaciones. La infraestructura física de un Data Center la componen una serie subsistemas como el de la climatización, el eléctrico, el sistema de protección contra incendios, grupos generadores y otros.
Adicionalmente se deben tomar en cuenta otros aspectos como los recursos humanos y los procesos asociados que deben generar la capacidad de mantenerse en funcionamiento aunque existan accidentes o desastres naturales.
La ejecución de este tipo de instalaciones requiere un estricto control de calidad en los equipos a instalar y procedimientos claramente definidos durante el montaje, por ejemplo radiografiado de soldaduras.
El estándar TIA-942 (Telecomunication Infrastructure Standard for Data Center) incluye un Anexo informativo sobre los Grados de Disponibilidad (Tier) con los que se pueden clasificarse los Data Centers. Estos Tier están basados en información desarrollada por el Uptime Institute, un consorcio dedicado a proveer a sus miembros las mejores prácticas y benchmarks para mejorar la planificación y gerenciamiento de Data Centers. Para cada uno de los 4 Tier, el anexo describe detalladamente las recomendaciones para la infraestructura, seguridad, electricidad, mecánica, telecomunicaciones y clima. A mayor número de Tier mayor grado de fiabilidad de la instalación.
Tier I: Data Center Básico
Un Data Center Tier I puede admitir interrupciones tanto planeadas como no planeadas. Cuenta con sistemas de aire acondicionado y distribución de energía, pero puede no tener piso técnico, UPS o generador eléctrico. Si no los posee pueden tener varios puntos únicos de falla. La carga máxima de los sistemas en situaciones críticas es del 100%. La infraestructura del Data Center deberá estar fuera de servicio al menos una vez al año por razones de mantenimiento y/o reparaciones. Errores de operación o fallas en los componentes de su infraestructura causarán la interrupción del Data Center. La tasa de disponibilidad máxima del Data Center es 99.671% del tiempo o 28,8 horas en 1 año.
Tier II: Data Center con Componentes Redundantes
Un Data Center con componentes redundantes son ligeramente menos susceptibles a interrupciones, tanto planeadas como las no planeadas. Estos Data Center cuentan con piso falso, UPS y generadores eléctricos, pero está conectado a una sola línea de distribución eléctrica. Su diseño es (N+1), lo que significa que existe al menos un duplicado de cada componente de la infraestructura. La carga máxima de los sistemas en situaciones críticas es del 100%. El mantenimiento en la línea de distribución eléctrica o en otros componentes de la infraestructura, pueden causar una interrupción del servicio. La tasa de disponibilidad máxima del Data Center es 99.749% del tiempo o 22,0 horas en 1 año.
Tier III: Data Center con Componentes Redundantes y Mantenimiento Concurrente
Las capacidades de un Data Center de este nivel le permiten realizar cualquier actividad planeada sobre cualquier componente de la infraestructura sin interrupciones en la operación. Actividades planeadas incluyen mantenimiento preventivo, reparaciones o reemplazo de componentes, agregar o eliminar componentes, realizar pruebas de sistemas o subsistemas, entre otros. Para infraestructuras que utilizan sistemas de enfriamiento por agua, significa doble conjunto de tuberías. Debe existir suficiente capacidad y doble línea de distribución de los componentes, de forma tal que sea posible realizar mantenimiento o pruebas en una línea y mientras que la otra atienda la totalidad de la carga. En este nivel, actividades no planeadas como errores de operación o fallas espontáneas en la infraestructura pueden todavía causar una interrupción del Data Center. La carga máxima en los sistemas en situaciones críticas es de 90% de los 100 % instalados, sin incluir los equipos redundantes. La tasa de disponibilidad máxima del Data Center es 99.982% del tiempo o 1,6 horas en 1 año.
Tier IV: Data Center con Componentes Redundantes 2 x (N+1) Tolerante a Fallas
Un Data Center de este nivel provee capacidad para realizar cualquier actividad planeada sin interrupciones en el servicio, pero además la funcionalidad tolerante a fallas le permite a la infraestructura continuar operando aún ante un evento crítico no planeado. Esto requiere dos líneas de distribución simultáneamente activas, típicamente en una configuración System+System. Eléctricamente esto significa dos sistemas de UPS independientes, cada sistema con un nivel de redundancia (N+1). La carga máxima de los sistemas en situaciones críticas es de 90%. Persiste un nivel de exposición a fallas, por el inicio una alarma de incendio o porque una persona inicie un procedimiento de apagado de emergencia (EPO), los cuales deben existir para cumplir con los códigos de seguridad contra incendios o eléctricos. La tasa de disponibilidad máxima del Data Center es 99.991% del tiempo o 0,8 horas en 1 año.
En Chile no se puede instalar Tier VI por no disponer de 2 alimentaciones eléctricas independientes de 2 Compañías diferentes de generación eléctrica.
La solución técnica que se describe en este artículo responde a Tier III. Actualmente hay varios Data Center grandes en fase de proyecto y/o construcción en Chile.
Capacidades típicas en grandes Data Center en Chile:
Normalmente son grupos de salas de 500 a 1.000 m2, con una densidad promedia por sala de 1.000 a 1.500 W/m2, donde los sectores de comunicación están en 300 W/m2 aproximadamente y zonas de alta densidad que pueden llegar a 4.000 W/m2. A parte está el enfriamiento de la(s) Sala(s) eléctrica(s), Oficinas, Talleres y Vigilancia. En general se llega a capacidades de 3 a 5 MW de frío en un Data Center completo.
Soluciones de sistemas de enfriamiento:
Para estas capacidades se seleccionan sistemas con agua helada. No absolutamente por el consumo eléctrico que puede ser inferior en comparación con sistemas DX (Compresores y condensadores enfriados por aire), mas bien por la flexibilidad en la aplicación y por el bajo volumen de refrigerantes en uso.
Para la producción del agua helada existen diferentes tipos de chiller:
• Chiller enfriados por aire con Ventiladores axiales estándar y screw compressor.
• Chiller enfriados por aire con Ventiladores tipo EC-Fan de bajo consumo eléctrico y screw compressor.
• Chiller enfriados por aire con Ventiladores axiales estándar con Free-Cooling y screw compressor.
• Chiller enfriados por aire con Ventiladores tipo EC-Fan de bajo consumo eléctrico y Free-Cooling y screw compressor.
• Chiller enfriados por agua con Torres de enfriamiento con screw o centrifugal compressor.
• Chiller enfriados por agua con Dry Cooler en circuito cerrado con SCROLL compressor, eventualmente screw o centrifugal compressor.
El Free-Cooling consta en hacer pasar el retorno de agua proveniente del Data Center 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 de agua.
La aplicación de Chiller enfriados por agua con Torres de enfriamiento está cuestionada en la cuenca de Santiago por el alto consumo de agua junto con los pronósticos que anuncian disminución en las precipitaciones.
Los Chiller enfriados por aire se deben ubicar en el intemperie.
Los Chiller que integran Free-Cooling ofrecen un interesante ahorro energético, dependiendo principalmente de las condiciones climáticas de la zona donde se instalan y en la selección de la temperatura de inyección de aire en los pasillos fríos del Data Center.
A) Lo que normalmente se aplica:
Agua helada de 7,0 °C en el surtidor con temperatura inyección en pasillo frío de 14,0 °C, ahorro energético con temperaturas exteriores de 10,0 °C y menores, lo que se refleja en poco ahorro energético.
B) Tendencia a futuro:
Agua helada de 12,0 °C en el surtidor con temperatura inyección en pasillo frío de 20,0 °C, ahorro energético con temperaturas exteriores de 15,0 °C y menores, lo que se refleja en un muy interesante ahorro energético. La temperatura del pasillo frío requiere ser confirmada y aprobada por los fabricantes de los servidores.
Las capacidades unitarias disponibles de los Chiller de Precisión para esta aplicación están en el orden de 1.000 a 1.600 kW.
Ver Esquema “Solución típica Chiller (N+1) doble red hidráulica”
Ver Esquema “Solución típica Chiller (N+1) doble red hidráulica con Freecooling”
Solución típica de Sistema de Climatización Tier III con Chiller Enfriados por Aire sin Free-Cooling
General
Los Chiller en disposición (N+1) 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 (Pump Transfer Unit). Un PLC es responsable de calcular la cantidad de chiller en operación, arrancar la unidad en Stand-By en caso de falla en la unidad en operación y realizar rotación para garantizar un desgaste parejo en el tiempo. Dependiendo de la importancia de la sala servidores, se pueden instalar adicionalmente estanques con agua helada. El volumen de éstos depende de la capacidad requerida a un tiempo asociado. Esto para prever un colapso total en la producción de agua helada.
Estación de bombas de chiller
El principal criterio de diseño para la red hidráulica primaria (Producción de agua helada) es que, bajo cualquier condición de funcionamiento, se asegure un flujo de agua constante a través del evaporador de cada Chiller. El mismo PLC anteriormente mencionado asegura que funcionen siempre la misma cantidad de Bombas como Chiller: 1-1, 2-2, 3-3, etc. Por esto se instalan válvulas de 2 vías que cortan el agua en los Chiller parados por demanda de capacidad de frío y/o el que está en stand-by. A demás 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 colector de succión de agua de las bombas tiene 2 retornos de la red de agua de los consumos, y de igual manera, el colector de descarga de agua de las bombas alimenta el grupo de chilles con 2 cañerías. No hay asignación fija de una bomba con un chiller. Los Chiller trabajan independientes entre sí (N+1) y así mismo también las bombas trabajan independientes entre sí (N+1).
Ver Esquema “Solución típica Bombas Chiller (N+1) doble red hidráulica caudal de agua fija”
Estación de bombas de consumos
El principal criterio de diseño para la red hidráulica secundaria (Alimentación de los consumos con agua helada) es que, bajo cualquier condición de funcionamiento, se asegure un flujo de agua acorde al consumo del momento. Un PLC se encarga que funcionen solamente la cantidad de bombas de acuerdo a la demanda de frío. Por el hecho de tener válvulas de 2 vías en cada uno de los CRAH y PTU, se produce un caudal de agua variable, el cual se regula con bombas con velocidad variable, usando la señal de la presión diferencial entre la succión y descarga de agua de la bomba. El objetivo es mantener la presión constante. El colector de succión de agua de las bombas tiene 2 retornos de agua proveniente del colector de descarga de agua helada de los chiller y de igual manera, el colector de descarga de agua de las bombas alimenta los consumos CRAH y PTU con 2 cañerías. La cantidad de bombas debe responder a la filosofía (N+1).
Ver Esquema “Solución típica Bombas Consumo (N+1) doble red hidráulica caudal de agua variable”
By-Pass
Por motivo que el caudal de agua primario (Producción de agua helada) no coincide con el caudal de agua secundario (Consumos), se instala un By-Pass para compensar la diferencia. Acorde a lo que indica en la norma Tier III, se deben instalar 2 By-Pass.
Ver unión indicado en Esquema “Solución típica Bombas Chiller (N+1) doble red hidráulica caudal de agua fija” y Esquema “Solución típica Bombas Consumo (N+1) doble red hidráulica caudal de agua variable”.
Ver también las válvulas indicadas en los total 6 colectores que permiten aislar secciones de la red hidráulica, permitiendo reparaciones sin detener el sistema de enfriamiento.
Red de agua hidráulica
Hay un esquema donde se muestra un ejemplo de la distribución de agua para un Data Center con 2 salas servidores. Se puede observar que cada una de los CRAH y PTU están alimentados desde 2 redes hidráulicas, respondiendo a lo indicado en la norma Tier III. En este esquema no se indican las derivaciones a otras zonas.
Los diferentes elementos como válvulas, bombas, codos, etc. caracterizan el funcionamiento del conjunto. Cada una de las cañerías tiene una longitud, diámetro y coeficiente de rugosidad, características que deben ser consideradas a la hora de diseñar las 2 redes de distribución hidráulica, teniendo siempre presente que las redes cumplan tanto la Ley de Conservación de la Masa como la Ley de Conservación de la Energía. Las ecuaciones correspondientes a estas leyes son las que gobiernan el funcionamiento de las redes hidráulicas, por lo que se debe estudiar cuidadosamente el nivel de presiones que se generan en los sistemas y los caudales que circulan por las cañerías hacia cada uno y desde cada uno de los CRAH y PTU.
Ver Esquema “Solución típica Doble Red Hidráulica para un conjunto de 2 Salas Servidores”
CRAH (Computer Room Air Handler)
La climatización del Data Center se lleva a cabo mediante el funcionamiento continuo de todas las unidades de climatización precisa inclusive la unidad en Stand-By (N+1). Se divide la carga total de frío requerida de la sala servidores con 90% de la capacidad sensible neta disponible de cada CRAH seleccionado, + 1. En otras palabras, hay 10 % mas de climatizadores instalados que lo requerido, +1. Un control lógico entre todos los CRAH de la propia sala debe garantizar un adecuado funcionamiento. Se dejan funcionar todos los CRAH en paralelo (Ningún CRAH en Stand-By) pero con caudal de aire reducido, lo que se refleja en un importante ahorro en el consumo eléctrico de los ventiladores. El consumo eléctrico se reduce en la tercera potencia en comparación con el caudal de aire. A continuación se indican algunas de las características típicas de un CRAH:
• Flujo de aire descendente.
• Ventiladores EC-Fan de bajo consumo energético.
• Damper on-off en el retorno de aire para evitar recirculación falsa de aire en el caso que esté el CRAH detenido.
• Retorno de aire conducido, lo que aumenta la capacidad del CRAH por tener un diferencial mayor en la temperatura de aire de retorno y la temperatura en el surtidor de agua helada.
• Humidificador integrado.
• Válvula de 2 vías de regulación del agua helada.
• Filtros de aire G4.
PTU (Pump Transfer Unit)
El área de alta densidad de la sala servidores integra Rack con unidades de enfriamiento integrados (Cooling-Rack). Estos Rack se alimentan con agua helada con la temperatura en el surtidor mayor que el sistema general de agua helada, fuera del punto de rocío de la sala, para evitar goteo por condensación.
Esto se logra mediante la instalación de equipos PTU. Las PTU cumplen básicamente con 4 funciones:
A) Suben la temperatura del agua de por ejemplo de 7,0 a 12,0 °C, mediante intercambiadores de placa.
B) Separan el circuito primario de agua helada de gran contenido de agua en circuitos de poco contenido de agua mediante los mismos intercambiadores de placa mencionadas en A). Así se garantiza que el agua que se liberaría en caso de una rotura de la cañería no se transforme en una situación catastrófica.
C) Bombeo del agua mediante 2 bombas, una redundante.
D) Control de la temperatura del agua mediante válvulas de 2 vías instaladas en la alimentación de agua helada proveniente del sistema hidráulico central.
Algunas consideraciones básicas de las grandes Salas Servidores
• Piso falso de alturas considerables (800 mm y mayores).
• Formación de pasillos fríos y calientes.
• Capsular los pasillos fríos para evitar falsa circulación de aire.
• Cielo falso que a su ves es plenum de retorno de aire caliente.
• Damper cortafuego-antihumo en los ductos de aire que entran y salen de la sala de servidores.
• Tanto los climatizadores de precisión como las unidades de transferencia y bombeo se ubican en pasillos técnicos que rodean las salas de servidores.
• La impulsión de aire en los pasillos fríos se hace mediante palmetas perforadas o rejillas para piso de alto tráfico.
