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Elección entre la refrigeración por sala, por hilera y por rack para centros de datos

Revisión 2

por Kevin Dunlap y Neil Rasmussen

Introducción 2

Refrigeración por sala, por hilera y por rack

2

Comparación de los tres métodos de refrigeración

7

Conclusión 15

Recursos 16

Haga clic en una sección para saltarlaContenido

Documento Técnico 130

Los equipos de IT más modernos de alta densidad y densidad variable generan condiciones para las que la refrigeración tradicional para centros de datos nunca fue diseñado. Por eso, los sistemas de refrigeración resultan sobredimensionados, ineficaces e imprevisibles. Los métodos de refrigeración por sala, por hilera y por rack fueron desarrolladas para encarar estos problemas. Este informe describe estos métodos mejorados de refrigeración y proporciona pautas para determinar cuándo se debe usar cada uno de ellos en la mayoría de centros de datos de nueva generación.

Resumen ejecutivo >

by Schneider Electric. Los Documentos técnicos ahora forman parte de la biblioteca de Schneider Electric producido por el centro de investigación científica para Centros de Datos de Schneider Electric [email protected]


Schneider Electric – Data Center Science Center Documento Técnico 130 Rev 2 2

En un centro de datos, casi toda la energía eléctrica suministrada a las cargas de IT termina convirtiéndose en calor residual que debe extraerse para evitar que se generen temperaturas extremas. Prácticamente todos los equipos de IT utilizan refrigeración por aire, es decir que cada equipo toma aire del ambiente y emana calor residual hacia la salida de aire. Como los centros de datos pueden albergar miles de dispositivos informáticos, en consecuencia, pueden tener miles de vías de circulación de aire caliente que, al sumarse, representan el total de calor residual producido en el centro de datos, y este calor residual debe extraerse. El objetivo de los sistemas de aire acondicionado para centros de datos es captar satisfactoriamente este complejo flujo de calor residual y extraerlo de la sala. Históricamente, el método para refrigerar un centro de datos es usar unidades perimetrales que distribuyen aire frío por debajo de un piso elevado sin ninguna forma de contención. Esto se conoce como distribución de aire con aporte orientado y retorno por inundación tal como se analiza en el informe n.º55, Los distintos tipos de equipos distribución de aire para entornos de TI. Mediante este método, uno o más sistemas de aire acondicionado que trabajan en paralelo despiden aire frío hacia el centro de datos y extraen el aire del ambiente más cálido. El principio básico de este método es que los acondicionadores de aire no solo brindan capacidad de refrigeración en bruto, sino que también funcionan como grandes mezcladoras que agitan y mezclan constantemente el aire de la sala para generar una temperatura promedio homogénea y evitar que se produzcan concentraciones de calor. El enfoque resulta eficaz siempre que la energía necesaria para mezclar el aire sea una pequeña fracción del consumo total de energía del centro de datos. La experiencia y los datos de simulaciones demuestran que este sistema es efectivo cuando el promedio de densidad de potencia en el centro de datos se encuentra entre 1 y 2 kW por rack, es decir entre 323 y 753 W/m² (entre 30 y 70 W/pie²). Existen varios métodos para aumentar la densidad de potencia con esta forma tradicional de refrigeración, pero sigue habiendo limitaciones prácticas. Puede encontrar más información sobre las limitaciones de la refrigeración tradicional en el informe técnico n.º 46 "Estrategias de refrigeración para racks y servidores Blade con densidades ultra altas". Las densidades de potencia de los equipos de IT modernos elevan la densidad de potencia de cresta hasta los 20 kW por rack o más, con lo cual, la experiencia y los datos de simulación demuestran que la refrigeración tradicional (sin contención) de la sala por mezcla de aire pierde toda eficacia. Con el fin de encarar este problema, existen métodos que se centran en la refrigeración basada en la sala, las hileras y los racks. En estos métodos, los sistemas de aire acondicionado se integran de forma específica con la sala, las hileras de racks o los racks individuales con el fin de minimizar la mezcla de aire. Así se logra mayor previsibilidad, densidad y eficacia, entre otros beneficios. En este informe, se explican y comparan los distintos enfoques. Se mostrará que cada una de estas aproximaciones tiene una aplicación adecuada y, en general, que existe la tendencia hacia la refrigeración basada en las hileras para los centros de datos más pequeños con zonas de alta densidad y hacia la refrigeración basada en la sala con contención en los centros de datos mayores. Todos los sistemas de aire acondicionado de un centro de datos tienen dos funciones fundamentales: mejorar la capacidad de refrigeración en conjunto y distribuir el aire hacia las cargas de equipos informáticos. La primera función, proveer una capacidad de refrigeración global, es invariable para la refrigeración por sala, por hilera y por rack. En esencia, significa que la capacidad de refrigeración global del sistema de aire acondicionado expresada en kilovatios debe extraer la potencia total de la carga (kW) de los equipos informáticos. Las diversas tecnologías para el desempeño de esta función no varían, ya sea que se trate de un sistema de refrigeración diseñado para el ámbito de la sala, de la hilera o del rack. La principal diferencia entre la refrigeración por sala, por hilera y por rack está en la ejecución

Introducción

Refrigeración por sala, por hilera y por rack

Estrategias de refrigeración para racks y servidores Blade con densidades ultra altas

Conectarse al recurso Documento Técnico 46

Los distintos tipos de equipos distribución de aire para entornos de TI




de la segunda función clave: la distribución de aire a las cargas. A diferencia de la distribución de energía, en la que el flujo se circunscribe a los cables y se distingue claramente como parte del diseño, la circulación de aire se ve apenas demarcada por el diseño de la sala y el trayecto del aire no es visible, con variaciones considerables entre las distintas instalaciones. El control del flujo del aire es el principal objetivo de los distintos enfoques de diseño en sistemas de refrigeración. En la Figura 1 se ilustran cada una de las tres configuraciones básicas y su típica disposición en el piso. En la figura, los cuadrados negros representan los racks dispuestos en hileras y las flechas azules, la asociación lógica de las unidades de manejo de aire de la sala de computadoras (CRAH) con respecto a las cargas en los racks de IT. La disposición física de las unidades CRAH puede variar. Con la refrigeración basada en la sala, las unidades CRAH se asocian a la sala; con la refrigeración basada en la hilera, las unidades CRAH están asociadas a hileras o grupos y con la refrigeración basada en racks, las unidades CRAH van asociadas a los racks individuales.

En las siguientes secciones, se presenta un resumen de los principios básicos de funcionamiento de cada método:

Refrigeración para la sala En la refrigeración basada en la sala, las unidades CRAH se asocian con la sala y funcionan en simultáneo para disipar la carga térmica total de la sala. La refrigeración basada en la sala puede constar de uno o más acondicionadores de aire que suministran aire frío sin ninguna restricción impuesta por ductos, reguladores, ventilaciones, etcétera, o bien el suministro o el retorno pueden tener una limitación parcial por un sistema de piso elevado o una cámara de retorno instalada en altura. Para obtener más información, consulte el informe técnico n.º 55, Los distintos tipos de equipos distribución de aire para entornos de TI. Durante el diseño, la atención que se presta a la circulación del aire suele variar mucho. En salas pequeñas, a veces no se planifica la ubicación de los racks; por lo tanto, tampoco se planifican las limitaciones para la circulación de aire. En instalaciones más sofisticadas, puede utilizarse el piso elevado para distribuir el aire en una disposición de pasillo caliente/pasillo frío bien planificada, con el expreso propósito de dirigir y alinear el flujo de aire con los gabinetes de IT. El diseño de refrigeración basada en la sala se ve muy afectado por las limitaciones propias de cada sala, entre ellas, la altura del techo, la forma de la sala, las obstrucciones por encima y por debajo del piso, la disposición de los racks, la ubicación de la unidades CRAH, la distribución eléctrica entre las cargas de IT, etcétera. Si las rutas de aporte y retorno no están contenidas, el resultado es que la predicción y la uniformidad del rendimiento no son satisfactorias, en especial, a medida que aumenta la densidad de potencia. Por lo

Basada en la sala Basada en la hilera Por rack

Figura 1 Disposición en el piso que muestra el concepto básico de la refrigeración por sala, por hilera y por rack. Las flechas celestes indican la relación de las principales vías de suministro de refrigeración a la sala.

Los distintos tipos de equipos distribución de aire para entornos de TI




tanto, con los diseños tradicionales, puede ser preciso recurrir a un complejo método de simulaciones por computadora denominado dinámica de fluidos computacional (CFD) para ayudar a comprender el rendimiento del diseño de instalaciones específicas. Más aun, las modificaciones, como los agregados, los traslados y los cambios de equipos informáticos, pueden invalidar el modelo de rendimiento y exigir pruebas o análisis más detallados. En especial para asegurarse de que existe redundancia en las unidades CRAH, debe realizarse un análisis muy complicado que resulta difícil de validar. En la Figura 2 se muestra un ejemplo de una configuración tradicional de refrigeración basada en la sala.

Otra carencia significativa de la arquitectura de refrigeración basada en la sala sin contención es que en muchos casos no es posible utilizar toda la capacidad nominal de la unidad CRAH. Esto se produce cuando una fracción importante de las vías de distribución de aire proveniente de las unidades CRAH se desvía de las cargas informáticas y recircula directamente hacia las unidades CRAH. Este aire que se desvía representa la circulación de aire de la unidad CRAH que no ayuda a refrigerar las cargas; en esencia, se trata de una disminución de la capacidad de refrigeración general. El resultado es que los requisitos de la distribución de los equipos informáticos pueden superar la capacidad de las unidades CRAH a pesar de la cantidad requerida que figure en las placas de características. Este problema se analiza con mayor detalle en el Informe técnico Nº 49, Errores evitables que ponen en riesgo el rendimiento del sistema de refrigeración de centros de datos y salas de gestión de redes. Para centros de datos nuevos de más de 200 kW, la refrigeración basada en la sala se debería especificar con contención de pasillos calientes a fin de evitar los problemas arriba descritos. Este método es eficaz con y sin piso elevado, y las unidades de refrigeración se pueden ubicar dentro del centro de datos o en el exterior. En el caso de centros de datos existentes con refrigeración con piso elevado, se recomienda la contención con pasillos fríos, ya que por lo general es más fácil de implantar. Tanto la contención por pasillos fríos como por pasillos calientes se utilizan para minimizar la mezcla de aire en los centros de datos. Cada una de estas soluciones tiene sus propias ventajas exclusivas, las cuales se describen en más detalles en el Informe técnico n.º 135, Impacto de la contención de pasillos calientes y fríos en la temperatura y la eficiencia de los centros de datos. La Figura 3 muestra dos ejemplos de refrigeración basada en la sala de nueva generación.

Enfriamiento por hilera En una arquitectura de enfriamiento basada en hileras, las unidades CRAH se asocian con una hilera y, a los efectos del diseño, se consideran unidades dedicadas a una hilera. Las unidades CRAH se pueden ubicar entre los racks de equipos informáticos o se pueden instalar en altura. En comparación con la refrigeración tradicional basada en la sala sin contención, los caminos de flujo del aire son más cortos y están mejor definidos. Además, la circulación de aire es mucho más predecible, puede utilizarse toda la capacidad nominal de la unidad CRAH y se logra una mayor densidad de potencia. La refrigeración basada en hileras presenta varias ventajas adicionales además del rendimiento de la refrigeración. Al reducirse el trayecto del aire, también se reduce la potencia que debe tener el ventilador de la unidad CRAH, con lo cual se aumenta la eficacia.

Figura 2 Ejemplo de refrigeración basada en la sala tradicional sin contención

Figura 3 Ejemplos de refrigeración de nueva generación basada en la sala con contención

Impacto de la contención de pasillos calientes y fríos en la temperatura y la eficiencia de los centros de datos


Errores evitables que ponen en riesgo el rendimiento de la refrigeración en Centros de datos y salas de gestión de redes




No se trata de un beneficio menor si se tiene en cuenta que, en muchos centros de datos de poca carga, la potencia del ventilador de la unidad CRAH por sí sola supera el consumo energético total de las cargas de IT. El diseño de enfriamiento basado en hileras permite que la capacidad de enfriamiento y la redundancia respondan a la demanda real de las hileras específicas. Por ejemplo, una hilera de racks puede ejecutar aplicaciones de alta densidad, como con servidores Blade, mientras otra hilera se ocupa de aplicaciones de baja densidad de potencia, como los gabinetes de comunicaciones. Es más, se puede apuntar a una redundancia N+1 o 2N para determinadas hileras. Para centros de datos nuevos de menos de 200 kW, la refrigeración basada hileras se debería especificar e implantar sin piso elevado. En los centros de datos existentes, se debería pensar en la refrigeración basada en hileras al implementar cargas de mayor densidad (5 kW por rack o más). En el Informe técnico n.º 134, Implementación de bloques de alta densidad en un centro de datos de baja densidad, se analizan las distintas aproximaciones para implantar zonas de alta densidad en un centro de datos existente. Las Figuras 4a y 4b muestran ejemplos de refrigeración basada en hileras.

Los dos sistemas de las Figuras 4a y 4b también pueden configurarse como sistemas de contención de pasillo caliente, la cual amplía la capacidad de densidad de potencia. Este diseño incrementa la previsibilidad del rendimiento ya que elimina cualquier posibilidad de mezcla de aire. La disposición geométrica, sencilla y predefinida de la refrigeración basada en hileras da lugar a un rendimiento predecible que el fabricante puede representar en su totalidad y es relativamente inmune a los efectos de la geometría de la sala u otras restricciones. Así se simplifica tanto la especificación como la implementación de los diseños, en especial con densidades superiores a los 5 kW por rack. La especificación de la densidad de potencia se define en detalle en el Informe técnico Nº 120, Pautas para la especificación de la densidad de potencia de un centro de datos.

Refrigeración basada en rack Con la refrigeración basada en rack, las unidades CRAH se asocian con un rack y, a los efectos del diseño, se consideran unidades dedicadas a un rack. El montaje de las unidades CRAH se realiza directamente dentro de los racks de IT o en dirección a ellos. En comparación con la refrigeración basada en la sala o por hileras, el trayecto del aire es aun más corto y mejor definido, de modo que la circulación de aire es totalmente inmune a cualquier variación de la instalación o restricción de la sala. Puede utilizarse toda la capacidad nominal de la unidad CRAH y es posible lograr la mayor densidad de potencia (hasta 50 kW por rack). En la Figura 5 se ilustra un ejemplo de refrigeración por rack.

Figura 4 4a (izquierda) Refrigeración basada en hileras instalada en el piso 4b (derecha) Refrigeración basada en hileras montada en altura

Pautas para la especificación de la densidad de potencia de un centro de datos


Implementación de bloques de alta densidad en un centro de datos de baja densidad.




Similar a la refrigeración por hilera, la refrigeración por rack presenta otras características exclusivas, además de la capacidad de densidad extrema. Al reducirse el trayecto del aire, también se reduce la potencia que debe tener el ventilador de la unidad CRAH, con lo cual se aumenta la eficacia. Como se mencionó anteriormente, no se trata de un beneficio menor si se tiene en cuenta que, en muchos centros de datos de poca carga, la potencia del ventilador de la unidad CRAH por sí sola supera el consumo energético total de las cargas de IT. El diseño de enfriamiento basado en el rack permite que la capacidad de enfriamiento y la redundancia respondan a la demanda real de las racks específicos, por ejemplo, diferentes densidades de potencia para servidores Blade en comparación con los gabinetes de comunicaciones. Es más, se puede apuntar a una redundancia N+1 o 2N para determinados racks. En contraste, la refrigeración basada en hileras solo permite que estas características se especifiquen en el ámbito de la hilera, y la refrigeración basada en la sala solo permite que se especifiquen en el ámbito de la sala. Al igual que sucede con la refrigeración basada en la sala, la geometría determinística de la refrigeración basada en el rack da lugar a un rendimiento predecible que el fabricante puede caracterizar por completo. De este modo, una simple especificación de densidad de potencia y diseño basta para implementar la densidad especificada. La refrigeración basada en rack se puede usar en centros de datos de todos los tamaños que necesiten la refrigeración para racks de alta densidad autónomos. La principal desventaja de este enfoque es que se precisa una gran cantidad de dispositivos de aire acondicionado y tuberías correspondientes en comparación con los otros enfoques, en especial en instalaciones de baja densidad de potencia.

Refrigeración mixta No existe impedimento para que las arquitecturas de refrigeración basada en la sala, por hilera y por rack se utilicen juntas en la misma instalación. De hecho, existen muchos casos en los que una arquitectura mixta es muy útil. Ubicar distintas unidades de refrigeración en lugares distintos de un centro de datos se considera una fórmula mixta tal como la que se muestra en la Figura 6. Esta fórmula aporta ventajas a los centros de datos que utilizan una amplia variedad de densidades de potencia de rack. Las refrigeración por hilera o por rack también son eficaces para aumentar la densidad dentro de un diseño existente de enfriamiento de la sala con baja densidad. En este caso, algunos pequeños grupos de racks en un centro de datos existente se equipan con sistemas de enfriamiento por hilera o por rack. Los equipos de enfriamiento por hilera o por rack aíslan los nuevos racks de alta densidad con gran eficacia y los transforman en “térmicamente neutros” para el sistema de enfriamiento existente basado en la sala. No obstante, es bastante probable que esto tenga un efecto positivo ya que añade capacidad de refrigeración al resto de la sala. De esta manera, es posible agregar cargas de alta densidad a un centro de datos de baja densidad, sin necesidad de modificar el sistema de enfriamiento basado en la sala existente. La implantación de esta fórmula da lugar a la misma refrigeración mixta que se ilustra en la Figura 6.

Figura 5 Unidad de enfriamiento basada en rack con enfriamiento totalmente dentro del rack



Otro ejemplo de forma mixta es usar un sistema de refrigeración de racks en chimenea para capturar el aire de escape a nivel de rack y conducirlo directamente de vuelta a un sistema de refrigeración basado en la sala. Este sistema presenta algunos de los beneficios de los sistemas de enfriamiento por rack, pero puede integrarse con un sistema de enfriamiento basado en la sala existente o planificado. En la Figura 7 se ilustra un ejemplo de este sistema.

Para tomar decisiones correctas respecto de la elección entre la refrigeración basada en la sala, por hilera o por rack para actualizaciones o centros de datos nuevos, es fundamental relacionar las características de rendimiento de los métodos de refrigeración con cuestiones prácticas que afectan el diseño y el funcionamiento de los centros de datos reales.

d

Basada en la hilera

Por rack

Basada en la sala

Comparación de los tres métodos de refrigeración

Figura 6 Diseño del piso en un sistema con refrigeración simultánea de sala, hilera y rack

Figura 7 Extracción por rack mediante ductos hacia un falso cielorraso



Esta sección compara los tres métodos de refrigeración frente a distintos criterios identificados normalmente por los usuarios de los centros de datos, incluidos: Agilidad

Disponibilidad de los sistemas

Costo de vida útil (TCO)

Capacidad de mantenimiento

Capacidad de administración

Primer coste

Eficiencia eléctrica

Conductos de transporte de agua u otros conductos cerca de los equipos de IT

Ubicación de la unidad de refrigeración

Redundancia

Método de eliminación del calor

La Tabla 1 resume los primeros cinco criterios mostrando las ventajas y los inconvenientes entre la refrigeración basada en la sala, por hilera y por rack. A partir de la tabla se pueden resumir las conclusiones siguientes: La refrigeración por rack es la más flexible y rápida de implementar, y logra una

densidad extrema, pero con un costo adicional.

La refrigeración basada en hileras proporciona una buena parte de las ventajas de flexibilidad, velocidad y densidad del método basado en el rack, pero con menor costo.

La refrigeración basada en la sala permite realizar cambios rápidos en el patrón de distribución de la refrigeración reconfigurando las baldosas del piso. La redundancia en enfriamiento se comparte entre todos los racks del centro de datos con bajas densidades. Este método presenta ventajas de costes y simplicidad.



Categoría Por rack Basada en la hilera Basada en la sala

Agilidad Ventajas

Planificación fácil de la densidad de potencia. Aislar con sistema de refrigeración existente

Planificación fácil de la densidad de potencia. La capacidad de refrigeración se puede compartir.

Cambio rápido de la distribución de refrigeración para densidad de potencia < 3 kW.

Ventajas La capacidad de refrigeración no se puede compartir con otros racks

Requiere un diseño con pasillos calientes y fríos

Menos eficiente cuando no se contiene todo el espacio

Disponibilidad de los sistemas

Ventajas

El acoplamiento bien ajustado elimina los puntos calientes y los gradientes de temperatura verticales. Las soluciones estándar minimizan los errores humanos.

Las unidades redundantes se pueden compartir entre distintos racks en un bloque. El acoplamiento bien ajustado elimina los gradientes de temperatura verticales.

Las unidades redundantes de pueden compartir entre todos los racks del centro de datos.

Ventajas Redundancia necesaria para cada rack

Redundancia necesaria para cada bloque de racks

Contención necesaria para separar flujos de aire

Costo de vida útil (TCO)

Ventajas Sistema de diseño previo y componentes estandarizados que elimina o reduce la planificación y la ingeniería.

Capacidad de cubrir las necesidades de refrigeración. Es posible eliminar o reducir la planificación y la ingeniería.

Es fácil reconfigurar las baldosas perforadas del piso

Ventajas

Es probable que el sistema de refrigeración esté sobre-dimensionado y se desperdicie capacidad, lo cual puede aumentar el costo de la primera inversión

El primer costo de esta aproximación puede ser mayor a medida que el tamaño del centro de datos aumenta

El envío de aire obliga a sobredimensionar la capacidad; los requisitos de área de envío de aire por debajo del piso se determinan en función del tamaño de la sala y la profundidad del piso.

Capacidad de mantenimiento

Ventajas

Los componentes estandarizados reducen la necesidad de recurrir a conocimientos técnicos. El personal interno puede realizar procedimientos de servicio rutinario.

Los componentes modulares reducen el tiempo de parada y los componentes estandarizados reducen los conocimientos técnicos.

Los equipos de refrigeración se ubican en el perímetro o fuera de la sala, lo cual mantiene a los técnicos más alejados de los equipos de TI

Ventajas Se requiere redundancia 2N para realizar las reparaciones y el mantenimiento del sistema de forma concurrente

Los equipos de refrigeración se ubican en la fila, donde los técnicos deberán trabajar junto a los equipos de TI

Se requiere un técnico formado o expertos para realizar las reparaciones

Capacidad de administración

Ventajas Fácil de navegar mediante una interfaz con menús y capaz de proporcionar análisis predictivo de fallos

Fácil de navegar mediante una interfaz con menús y capaz de proporcionar cuasi análisis predictivo de fallos

Los sistemas mayores simplifican el número de puntos que se deben conectar y gestionar

Ventajas Para grandes instalaciones requiere muchos puntos de conexión

Para grandes instalaciones requiere muchos puntos de conexión

Requiere formación en servicio avanzado. Es imposible proporcionar análisis en tiempo real.

Tabla 1 Ventajas e inconvenientes de la refrigeración basada en rack, hilera y sala. El buen rendimiento se indica resaltado.



Primer costo A la mayoría de gerentes de centros de datos les preocupa el primer costo de los distintos métodos de refrigeración. Se realiza un análisis para mostrar cómo varía para tres métodos distintos de refrigeración con agua helada en función de las densidades de potencia de los racks La Figura 8 ilustra los resultados para un centro de datos, teniendo en cuenta los supuestos que se indican al margen.

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

3 kW 6 kW 12 kW 20 kW

Co

st P

er

Wa

tt ($

)

Average Per-Rack Power Density

Room-based / Raised floor

Room-based / Raside floor with HAC

Row-based / Close coupled

Row-based / Close coupled with HAC

Rack-based

La refrigeración basada en la sala tiene el primer costo menor porque utiliza menos unidades de refrigeración y menos tuberías. El costo se reduce ligeramente a medida que la densidad de potencia de los racks aumenta, con la misma capacidad del centro de datos ya que el modelo asume una superficie menor del centro de datos a medida que la densidad aumenta. Como resultado se necesitan menos piso elevado y tuberías y el costo inicial decrece. Tenga en cuenta que la eficacia eléctrica de la instalación basada en la sala será peor a medida que la densidad de potencia de los racks aumente (como se verá en la sección siguiente). La HAC (contención con pasillos calientes) aumenta la densidad de potencia de los racks para ambos métodos de refrigeración y reduce de forma muy importante el consumo de energía del sistema (como se verá en la sección siguiente), aunque el primer costo aumente ligeramente debido al costo de la contención. La refrigeración basada en hileras tiene un primer costo ligeramente mayor que la basada en la sala porque el sistema basado en hileras necesita relativamente más unidades de refrigeración y más tuberías. Este coste se reduce a medida que aumenta la densidad de potencia de los racks por el mismo motivo que en la refrigeración basada en la sala, excepto porque el número de unidades de refrigeración también se reduce al aumentar la densidad. La contención con pasillos calientes no solo reduce el consumo de potencia con el método basado en hileras, sino que también reduce el primer costo porque se necesitan menos unidades de refrigeración. EL primer costo de la refrigeración basada en racks es bastante mayor que para la basada en la sala y la basada en hileras con densidades menores de potencia de rack. Esto se debe al aumento del número de unidades de refrigeración, que aumenta los costes de capital de las unidades y las tuberías a las densidades más bajas. Por ejemplo, en el caso de 3 kW por rack, la refrigeración basada en hileras requiere 48 unidades de refrigeración en total, mientras que la refrigeración basada en rack aumenta esta cifra hasta 160 unidades. Además, la refrigeración basada en rack requiere contención anterior y posterior de la unidad

Figura 8 Primer costo en función de la densidad de potencia promedio por rack para los tres métodos de enfriamiento

> Supuestos del centro de datos Carga informática: 480 kW Ubicación: St. Louis, MO Densidad de los racks: 3, 6, 12,

20 kW por rack (120 cfm/kW) Mezcla de aire y bypass frío para

basado en la sala sin contención con pasillos calientes: 125 % del nominal Costos de conductos basados en

la base de datos de costos RSMeans: tuberías de acero Coste de la energía: 0,15 $/kWh El primer costo incluye: unidad de

refrigeración, tuberías, refrigerador integrado, instalación y contención El costo eléctrico anual incluye:

ventilador de la unidad de refrigeración y bombas Redundancia de refrigeración: N



de refrigeración de rack, lo cual aumenta el primer costo del sistema. A medida que la densidad aumenta, el primer costo mejora drásticamente porque el número de unidades de refrigeración se reducirá a fin de optimizar el primer costo. así pues, la refrigeración basada en el rack es más económica a las densidades de potencia de rack mayores.

Eficiencia eléctrica Los costos de electricidad representan una fracción cada vez mayor del total de costos operativos, debido a las tarifas de electricidad en aumento, el incremento de energía eléctrica requerida por los servidores y el ascenso de la densidad de potencia. Si bien se logra comprender la dependencia existente entre los costos de electricidad y las tarifas de electricidad y la potencia de los servidores, no suele contemplarse la incidencia de la densidad de potencia sobre los costos de electricidad. La Figura 9 ilustra el efecto de la densidad de potencia sobre los costos anuales de la electricidad con tres métodos de refrigeración mediante agua helada, utilizando los mismos supuestos que la Figura 8.

90

95

100

105

110

115

120

125

130

135

140

3 kW 6 kW 12 kW 20 kW

An

nu

al E

letr

ica

l Co

st (

1,00

0$)

Average Per-Rack Power Density

Room-based / Raised floor

Room-based / Raised floor with HAC

Row-based / Close coupled

Row-based / Close coupled with HAC

Rack-based

Los costos de la electricidad para refrigeración basada en la sala sin contención por pasillos calientes son los más elevados porque con la refrigeración basada en la sala se necesita mover el aire distancias mayores y las unidades de CRAH necesitan consumir electricidad para remover o mezclar el aire dentro de la sala con el fin de evitar los puntos calientes. El costo de la electricidad se reduce con la contención por pasillos calientes gracias a la separación de los flujos de aire. A medida que la densidad aumenta, los costos de la energía se reducen ligeramente gracias a la reducción de las longitudes de las tuberías y la reducción correspondiente del consumo eléctrico de las bombas. Los costos de la electricidad de la refrigeración basada en hileras son consecuentemente menores que los de la refrigeración basada en la sala porque las unidades CRAH están acopladas más próximas a la carga y dimensionadas conforme a la misma. Se evita el flujo de aire innecesario, lo cual puede ahorrar más del 50 % de la potencia consumida por los ventiladores en comparación con la refrigeración basada en la sala. El costo de la electricidad aumentará a medida que aumente la densidad de potencia porque se reducirá el número de unidades de refrigeración, y se necesitará más flujo de aire y de agua para que cada unidad

Figura 9 Costo anual de la electricidad en función de la densidad de potencia promedio por rack para los tres métodos de enfriamiento



de refrigeración pueda alcanzar la capacidad necesaria para mantener la temperatura. La velocidad mayor de funcionamiento del ventilador reduce el ahorro que se puede alcanzar realmente con ventiladores de velocidad variable. En este caso, al agregar unidades redundantes se reducirá el consumo de energía, pero el costo inicial será mayor. Además, el flujo de agua mayor necesario para mantener la capacidad consume energía adicional. El costo de la electricidad para la refrigeración basada en rack es mayor con densidades menores debido al aumento del número de unidades de refrigeración, lo cual requiere más consumo de potencia para mover el aire y el agua. Incluso con ventiladores de velocidad variable, el aumento de las unidades de refrigeración a las densidades menores limita el ahorro de energía debido a las velocidades mínimas de funcionamiento de los ventiladores. A las densidades menores, la velocidad mínima de los ventiladores proporciona un flujo de aire mayor que el necesario. Además, se necesitan más tuberías para hacer circular el agua. A medida que la densidad de potencia de racks aumenta, se reducen los costos de la energía. Sin embargo, con densidades elevadas, el costo empieza a aumentar porque cada rack tiene una unidad de refrigeración y, a medida que las densidades aumentan, se necesita un flujo de aire mayor desde cada unidad de refrigeración, los ventiladores de las CRAH se acercarán a la máxima velocidad de funcionamiento y se reducirá el ahorro que se puede conseguir realmente con ventiladores de velocidad variable. Además, el flujo de agua mayor necesario para mantener la capacidad también consume energía adicional.

Conductos de transporte de agua u otros conductos cerca de los equipos de IT La investigación muestra que a los usuarios les preocupan las tuberías de agua o refrigerante próximas a los equipos informáticos debido a la posibilidad de fugas de líquidos sobre los equipos informáticos, y los daños y el tiempo de inactividad que esto puede suponer. Los centros de datos de alta densidad con varios acondicionadores de aire suelen contar con sistemas de refrigeración con agua helada y se espera que esta tendencia continúe debido a cuestiones económicas y ambientales. Aunque existan refrigerantes que pueden dañar menos los equipos informáticos, son una alternativa más costosa que el agua. La preocupación relativa a la disponibilidad y la evolución hacia densidades mayores han dado lugar a la introducción de sistemas de refrigerantes bombeados dentro del entorno del centro de datos. Por lo general, estos sistemas constan de un intercambiador de calor y una bomba que aíslan el medio refrigerante del centro de datos del agua helada y permite una refrigeración sin aceites para reducir la contaminación en caso de que se produzca una fuga. No obstante, el sistema también podría aislar otros líquidos refrigerantes como el glicol. Consulte el informe técnico n.º 59 Distintas tecnologías de refrigeración de centros de datos para obtener más información sobre los sistemas de refrigerante bombeado.

Ubicación de la unidad de refrigeración La ubicación de una unidad de aire acondicionado puede tener un efecto importantísimo en el rendimiento del sistema. En el caso de la arquitectura de enfriamiento basada en rack, este problema de previsibilidad del rendimiento queda totalmente eliminado porque la ubicación exacta del acondicionador de aire de modo que se dirija a la carga está determinada. La ventaja es que el rendimiento del enfriamiento puede representarse en su totalidad con antelación. Si, como parte del diseño del sistema, se contempla una implementación en etapas, la ubicación de las futuras unidades de aire acondicionado necesita poca planificación o previsión, y se implementan automáticamente con cada rack.

Distintas tecnologías de refrigeración de centros de datos




La refrigeración basada en hileras depende de sencillas reglas de diseño para ubicar los acondicionadores de aire. La cantidad y las ubicaciones de los acondicionadores de aire por hileras se determinan por reglas que se han establecido a través de pruebas y simulaciones. Naturalmente esto incluye asegurarse de que los acondicionadores de aire estén dimensionados en forma adecuada para la especificación de densidad de las hileras. Además, existen otras reglas, como la de evitar las ubicaciones al final de la hilera, que maximizan el rendimiento y la capacidad del sistema. Durante futuros despliegues, se conserva cierta flexibilidad de ubicación hasta el momento de la implementación. La densidad de potencia promedio o de cresta a promedio de los racks de una hilera se puede utilizar para establecer la cantidad y las ubicaciones de los acondicionadores de aire en un proceso realizado al momento. La refrigeración basada en hileras es la más flexible en comparación con el sistema basado en racks, ocupa menos espacio y conlleva un menor costo. En el caso de la refrigeración basada en la sala sin contención, la eficiencia depende de forma muy importante de la ubicación de las unidades de refrigeración. Por ejemplo, las ubicaciones más eficaces pueden no ser viables, debido a las limitaciones físicas de la sala, incluidas puertas, ventanas, rampas e imposibilidad de acceso de las tuberías. Como resultado, suele obtenerse un diseño subóptimo aun cuando se le dedique muchísimo trabajo de ingeniería. Además, la logística de las instalaciones de acondicionadores de aire para refrigeración basada en la sala acostumbra a requerir que los aparatos se coloquen en la sala antes de comprender todas las etapas futuras de implementación de IT. Dado que puede desconocerse la disposición exacta de las etapas futuras de IT, la ubicación de los acondicionadores de aire suele ser bastante poco eficaz. Por este motivo la contención es tan importante en los diseños de refrigeración basados en la sala. La contención facilita mucha más flexibilidad de colocación de las unidades de refrigeración. La refrigeración basada en la sala también permite la opción adicional de ubicar las unidades de CRAH fuera del centro de datos.

Redundancia Los sistemas de enfriamiento necesitan redundancia para permitir el mantenimiento de sistemas sin interrumpir el servicio y asegurar que el centro de datos cumpla su misión en caso de que un dispositivo de aire acondicionado presente alguna anomalía. Para asegurar la redundancia, los sistemas de energía suelen valerse de alimentaciones de doble circuito hacia los sistemas informáticos, ya que los cables de alimentación y las conexiones mismas representan un posible punto único de falla. En el caso del enfriamiento, es habitual encontrar el diseño N+1 en vez de enfoques de doble circuito porque los circuitos de distribución de aire normales, al consistir en solo aire libre circulando alrededor del rack, presentan una muy baja probabilidad de fallas. La idea es que, si el sistema requiere cuatro unidades CRAH, el agregado de una quinta unidad al sistema permitirá que cualquiera de las unidades quede fuera de servicio y que igual se cubra la carga total de enfriamiento. De ahí el nombre de redundancia “N+1”. Para densidades de potencia más altas, este simple concepto de redundancia no se cumple. La manera en que se brinda redundancia es distinta para los tres métodos, como se explica a continuación: Para la refrigeración basada en rack, la refrigeración no se comparte entre los racks y no hay una vía de distribución de aire en común. Por lo tanto, la única manera de conseguir redundancia es mediante un sistema CRAH con doble circuito N+X o 2N por cada rack: en síntesis, por lo menos 2 sistemas CRAH por rack. Es una gran desventaja en comparación con las otras alternativas. Sin embargo, para racks de alta densidad aislados, es una solución muy eficaz ya que la redundancia está totalmente determinada y es predecible e independiente de todos los demás sistemas CRAH. La refrigeración basada en hileras proporciona redundancia a nivel de hilera. Esto requiere una unidad CRAH adicional o N+1 por cada hilera. Aun si las unidades CRAH de la hilera fueran pequeñas y menos costosas que las unidades de la sala, este enfoque implica una desventaja en entornos de poca carga de 1 o 2 kW por rack. Sin embargo, en densidades mayores, la



desventaja se desvanece y el enfoque N+1 tiene un buen fundamento en entornos de hasta 25 kW por rack. Es una ventaja fundamental en comparación con los diseños de refrigeración basada en la sala o por rack, ya que ambos suelen necesitar redundancia 2N en entornos de mayor densidad. La capacidad de proporcionar redundancia en situaciones de alta densidad con menos unidades CRAH adicionales es un beneficio clave de la refrigeración basada en hileras y presenta una ventaja en cuanto a costo total de propiedad (TCO). En el caso de la refrigeración basada en la sala, la sala en sí misma es una ruta de suministro de aire común a todas la cargas de IT. En principio, esto permite proporcionar redundancia con el agregado de una sola unidad CRAH adicional, independientemente del tamaño de la sala. Este es el caso de la refrigeración basada en la sala sin contención con densidades muy bajas y proporciona una ventaja de costo a este método a densidades bajas. Sin embargo, en instalaciones de mayor densidad con refrigeración basada en la sala, la capacidad de una determinada unidad CRAH para compensar la pérdida de otras se ve muy afectada por la geometría de la sala. Por ejemplo, el patrón de distribución de aire de una unidad CRAH específica no puede reemplazarse por una unidad CRAH de respaldo que esté ubicada lejos de la unidad que presenta anomalías. Como resultado, la cantidad de unidades CRAH adicionales que se necesitan para establecer la redundancia se incrementa desde la única unidad adicional que requieren los entornos de baja densidad hasta la duplicación de la cantidad de unidades CRAH en instalaciones con una densidad superior a los 10 kW por rack. Esto no sucede en el caso de la refrigeración basada en la sala con contención porque los caminos de suministro y retorno de aire están separados.

Método de eliminación del calor El método de eliminación del calor influye en los problemas específicos analizados en esta sección. Los acondicionadores de aire (CRAC) de expansión directa para salas de computadoras que se utilizan para refrigerar el centro de datos funcionan de forma distinta que las unidades por agua helada (CRAH). El uso de unidades CRAC de este modo afectará a su eficiencia, la humidificación, el funcionamiento redundante, etc. Es necesario realizar un análisis de diseño que abarque el funcionamiento y el control de cada solución de refrigeración en un proyecto en concreto. Consulte el informe técnico n.º 59 Distintas tecnologías de refrigeración de centros de datos para obtener más información sobre los métodos de eliminación del calor.

Distintas tecnologías de refrigeración de centros de datos




El enfoque convencional de enfriamiento de centros de datos mediante refrigeración basada en la sala sin contención presenta limitaciones técnicas y prácticas para los centros de datos de próxima generación. Los centros de datos de próxima generación deben adaptarse a requisitos cambiantes, brindar apoyo confiable a entornos de densidad de potencia alta y variable, y reducir el consumo de energía eléctrica y otros costos operativos. Estas exigencias dieron origen al desarrollo de las estrategias de contención para la refrigeración basada en la sala, por hilera y por rack. Estos desarrollos posibilitan abordar densidades de funcionamiento de 3 kW por rack o mayores. El enfoque convencional de enfriamiento basado en la sala ha sido muy útil en la industria informática, y sigue siendo eficaz y práctico para instalaciones de menor densidad de potencia y aplicaciones en las que los cambios de tecnología de IT son mínimos. Las arquitecturas de refrigeración basadas en la sala, por hilera y por rack con contención brindan la flexibilidad, la previsibilidad, la escalabilidad, el consumo reducido de energía eléctrica, el TCO reducido y la disponibilidad óptima que necesitan los centros de datos de próximas generaciones. Es de esperar que se apliquen estos enfoques en nuevos productos que ofrezcan los proveedores. Se espera que muchos centros de datos utilicen una combinación de los tres métodos de refrigeración. El enfriamiento basado en rack se verá fundamentado en situaciones de densidades extremas, implementación de alta granularidad o disposiciones no estructuradas. El enfriamiento basado en la sala sin contención mantendrá su eficacia para aplicaciones de baja densidad o donde no se acostumbra a introducir cambios. Para la mayoría de los usuarios con las tecnologías de servidores de alta densidad más recientes, la refrigeración con contención basada en la sala y por hilera proporcionará el mejor equilibrio de alta previsibilidad, alta densidad de potencia y adaptabilidad, al mejor TCO general.

Conclusión

Neil Rasmussen es Vicepresidente Senior de Innovación en Schneider Electric. Orienta el destino tecnológico del mayor presupuesto mundial de Investigación y Desarrollo dedicado al tema de la infraestructura de energía, enfriamiento y racks para centros de datos. Neil tiene 25 patentes relacionadas con la infraestructura de refrigeración y el suministro eléctrico a centros de datos de alta eficiencia y densidad, y ha publicado más de 50 informes técnicos relacionados con los sistemas de alimentación y refrigeración, muchos de ellos publicados en más de 10 idiomas, los más recientes con un enfoque en la mejora de la eficiencia energética. Es reconocido internacionalmente por sus conferencias sobre el tema de los centros de datos de alta eficiencia. Actualmente se dedica a desarrollar la ciencia de las soluciones de infraestructura para centros de datos escalables, de alta densidad y alta eficiencia, y es el principal diseñador del sistema InfraStruXure de APC. Después de fundar APC en 1981, Neil fue Vicepresidente Sénior de Ingeniería y CTO durante 26 años, y asumió su rol actual después de que APC se uniese a Schneider Electric en 2007. Recibió los títulos de licenciado y máster en Ingeniería Eléctrica del MIT, donde realizó su tesis sobre el análisis de una fuente de alimentación de 200 MW para un reactor de fusión Tokamak. Desde 1979 hasta 1981 trabajó para MIT Lincoln Laboratory en sistemas de almacenamiento energético de volante y sistemas de energía eléctrica solar. Kevin Dunlap es Director General de Soluciones de Refrigeración de Schneider Electric. Es licenciado en ciencias empresariales con énfasis en sistemas de información de gestión por la Universidad de Phoenix. Kevin ha estado implicado en el sector de la gestión energética desde 1994. Trabajó anteriormente en Systems Enhancement Corp., un proveedor de hardware y software para gestión energética adquirido por APC en 1997. Después de la adquisición, Kevin se unión a APC como gerente de producto de tarjetas de gestión y después de soluciones de refrigeración de precisión después de la adquisición de Airflow Company, Inc. En 2000. Kevin ha formado parte de numerosos paneles sobre enfriamiento y administración de energía, además de agrupaciones del rubro y comisiones de la organización ASHRAE sobre

Sobre los autores



Los distintos tipos de equipos distribución de aire para entornos de TI Documento Técnico 55

Estrategias de enfriamiento para racks y servidores Blade con densidades ultra altas Documento Técnico 46

Errores evitables que ponen en peligro el rendimiento de los sistemas de enfriamiento Documento Técnico 49

Pautas para la especificación de la densidad de potencia de un centro de datos Documento Técnico 120

Sistemas de humidificación: Reducción de costos energéticos en entornos informáticos Documento Técnico 133

Implementación de bloques de alta densidad en un centro de datos de baja densidad Documento Técnico 134

Impacto de la contención de pasillos calientes y fríos en la temperatura y la eficiencia de los centros de datos Documento Técnico 135

Distintas tecnologías de refrigeración de centros de datos Documento Técnico 59

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