Forma práctica de estimar la energía térmica producida de los equipos de
IT y otros dispositivos, tales como las UPS, a los efectos de
dimensionar los sistemas de aire acondicionado.
Todos los equipos
eléctricos producen calor, que debe ser extraído para evitar que la
temperatura de los equipos se eleve a un nivel inaceptable. La mayoría
de los equipos de IT y otros equipos instalados en un centro de datos o
sala de gestión de redes son refrigerados por aire. Para dimensionar un
sistema de refrigeración es necesario conocer la cantidad de calor
producido por los equipos contenidos en un espacio cerrado, y el calor
producido por las restantes fuentes térmicas típicas.
Medición de la energía térmica producida
El calor es energía y se expresa comúnmente en BTU, toneladas o
calorías. Las medidas comunes de régimen de energía térmica producida
son BTU por hora, toneladas por día. Todas ellas pueden utilizarse para
expresar capacidades de potencia o refrigeración.
Sin embargo existe una tendencia mundial entre las organizaciones de
definición de estándares a pasar todas las medidas de capacidad de
potencia y refrigeración a un estándar común, el watt. Los términos
arcaicos de BTU y toneladas quedarán fuera de uso con el transcurso del
tiempo (El término “toneladas” se refiere a la capacidad de enfriamiento
del hielo y es una reliquia del período 1870-1930 cuando la capacidad de
refrigeración y de aire acondicionado se cubría mediante la entrega
diaria de bloques de hielo). Por tal razón, en este informe se tratarán
las capacidades de refrigeración y potencia en watts. El uso del watt
como estándar común es fortuito, dado que simplifica el trabajo asociado
con el diseño de nuevos centros de datos o ampliaciones, tal como se
explicará posteriormente.
En Norteamérica, las especificaciones de las capacidades de potencia y
refrigeración se siguen expresando con los términos legados BTU y
toneladas. Por esta razón, se suministran las siguientes conversiones
para asistir al lector:
La energía transmitida por los equipos de computación u otros equipos de
IT a través de las líneas de datos es insignificante. Por lo tanto,
prácticamente toda la energía consumida de la línea de alimentación de
CA se convierte en calor. Este hecho permite que la energía térmica
producida de los equipos de IT en sí sea igual a su consumo de energía
en watts. Los BTU por hora, valor que a veces se suministra en hojas de
datos, no son necesarios para determinar la energía térmica producida de
los equipos. La energía térmica producida simplemente es igual a la
entrada de energía (la única excepción a esta regla se presenta en los
routers para VOIP; en estos dispositivos hasta el 30% de la energía
consumida por el dispositivo puede ser transmitida a los terminales
remotos, de forma tal que su carga térmica puede ser menor que la
energía eléctrica que consumen o también la actual tendencia de utilizar
switches POE para la alimentación de dispositivos por cables UTP en
redes Ethernet. Partir del supuesto de que toda la energía eléctrica se
disipa en forma local –en este informe se emplea ese supuesto– da como
resultado un sobrevalor para la generación térmica en el caso de los
routers para VOIP, un error insignificante en la mayoría de los casos).
Determinación de la energía térmica producida de un sistema completo
La energía térmica total producida por un sistema es la suma de las
generaciones térmicas de los componentes. El sistema completo incluye
los equipos de IT, más otros elementos tales como UPS, distribución de
energía, unidades de aire acondicionado, iluminación y eventualmente
personas. Afortunadamente, los regímenes de energía térmica producida de
estos elementos pueden ser determinados fácilmente aplicando reglas
simples y estandarizadas.
La energía térmica producida de las UPS y de los sistemas de
distribución de energía consta de una pérdida fija y una pérdida
proporcional a la energía operativa. Existe bastante uniformidad con
respecto a estas pérdidas entre las distintas marcas y modelos de
equipos, de forma tal que pueden calcularse de manera aproximada con
poco margen de error.
Las cifras relativas a la iluminación y las personas también pueden
estimarse sin inconvenientes utilizando valores estándar. La única
información necesaria para determinar la carga de refrigeración para el
sistema completo son unos pocos valores disponibles en forma inmediata,
tal como el espacio ocupado en metros cuadrados y la energía eléctrica
nominal del sistema.
Las unidades de aire acondicionado, con sus ventiladores y compresores,
crean una cantidad significativa de calor. Este calor es extraído al
exterior y no crea carga térmica dentro del centro de datos. Sin
embargo, resta eficiencia al sistema de aire acondicionado y normalmente
se toma en consideración cuando se dimensiona el sistema de aire
acondicionado.
Es posible realizar un análisis térmico detallado utilizando datos de
disipación térmica para cada elemento del centro de datos; pero la
estimación rápida basada en reglas simples brinda resultados que se
encuentran dentro del margen de error típico del análisis más
complicado. Asimismo, la estimación rápida brinda la ventaja de que
puede ser realizada por cualquier persona sin conocimientos o
capacitación especializados.
La figura 2 suministra una hoja de trabajo que permite el cálculo rápido
de la carga térmica. A partir de la misma, es posible determinar la
energía térmica total producida en un centro de datos en forma rápida y
confiable. El uso de la hoja de trabajo se describe en el procedimiento
explicado a continuación.
Item
Datos requeridos
Cálculo de la energía térmica producida
Subtotal de energía térmica producida
Equipos IT
Potencia total de la carga IT (en watts)
Igual a la potencia total de la carga de IT (en watts)
----------- watts
UPS con batería
Potencia nominal del sistema de UPS (en watts)
(0.04 x potencia del sistema de UPS) + (0.06x potencia de la
carga de IT)
----------- watts
Distribución de energía
Potencia nominal del sistema de UPS (en watts)
(0.02 x potencia del sistema de UPS) + (0.02x potencia de la
carga de IT)
----------- watts
Iluminación
Espacio ocupado en metros cuadrados
21,53 por espacio ocupado en metros cuadrados
----------- watts
Personas
Cantidad máxima de personas en el centro de datos
100 x cantidad de personas
----------- watts
Total
Subtotales anteriores
Suma de los subtotales de la energía térmica producida
----------- watts
Figura 2 – Hoja de trabajo para el cálculo de la energía térmica
producida de un centro de datos o
sala de gestión de redes
Procedimiento
Obtener la información solicitada en la columna “Datos requeridos”.
Consultar las definiciones de datos a continuación en caso de dudas.
Realizar los cálculos de energía térmica producida y colocar los
resultados en la columna de subtotal. Sumar los subtotales para obtener
la energía térmica producida total.
Definiciones de datos
Potencia total de la
carga de IT en watts: Suma de las consumos de potencia de todos los
equipos de IT.
Potencia nominal del sistema de energía: La de potencia del sistema de
UPS. Si se utiliza un sistema redundante, no incluir la capacidad de la
UPS redundante.
Ejemplo de sistema típico
Se describe la energía térmica producida de un sistema típico. Se
utiliza como ejemplo un centro de datos de 465 metros cuadrados, con 250
kW nominales, con 150 racks y con una cantidad máxima de 20 personas. En
el ejemplo, se parte del supuesto de que la carga del centro de datos
(los equipos IT) alcanza el 30% de la potencia del sistema de UPS, lo
que resulta típico en la mayoría de los datacenters.
La carga total de IT del centro de datos, en este caso, sería del 30% de
250 kW, o sea 75 kW. En estas condiciones, de la hoja de trabajo
anterior encontramos que la energía térmica producida (disipada) total
del centro de datos es 108 kW, o aproximadamente un 50% más que la carga
de IT.
En este ejemplo típico, la contribución relativa de los diferentes tipos
de elementos instalados en el centro de datos respecto de la energía
térmica producida total se ilustra en la Figura 3.
Figura 3 –
Contribuciones relativas a la energía térmica producida total de un
centro de datos típico
Nótese que las contribuciones a la energía térmica producida de la UPS y
la distribución de energía se ven aumentadas por el hecho de que el
sistema está operando a solamente el 30% de su capacidad. Si el sistema
operara al 100% de su capacidad, se incrementaría la eficiencia de los
sistemas de energía y disminuirían sus contribuciones relativas a la
energía térmica producida del sistema. La pérdida significativa de
eficiencia es un costo real del sobredimensionamiento de un sistema.
Otras fuentes térmicas
En el análisis anterior no se consideran las fuentes térmicas
ambientales tales como la luz solar que pasa a través de las ventanas y
el calor conducido desde las paredes exteriores. Muchos centros de datos
pequeños y salas de gestión de redes no poseen paredes ni ventanas al
exterior, de forma tal que en esos casos no existirá error resultante de
este supuesto. Sin embargo, en el caso de los grandes centros de datos
con paredes o techo expuestos al exterior, ingresa calor adicional al
centro de datos que debe ser eliminado por el sistema de aire
acondicionado. Si la sala de datos se encuentra ubicada dentro de los
límites de una infraestructura con aire acondicionado, las otras fuentes
térmicas pueden pasarse por alto. Si las paredes o el techo del centro
de datos se encuentran muy expuestos al exterior, será necesario que un
consultor en HVAC estime la carga térmica máxima, valor que deberá
agregarse al requisito térmico del sistema completo que fue determinado
en la sección anterior.
Humidificación
Además de extraer el calor, un sistema de aire acondicionado de
precisión para un centro de datos está diseñado para controlar la
humedad. En condiciones ideales, cuando se logra la humedad deseada, el
sistema operará con una cantidad constante de agua en el aire y no
existirá necesidad de humidificación constante. Desafortunadamente, en
la mayoría de los sistemas de aire acondicionado, la función de
enfriamiento por aire del sistema de aire acondicionado genera una
significativa condensación de vapor de agua y la consecuente pérdida de
humedad. Por lo tanto, es necesario recurrir a la humidificación
adicional para mantener el nivel deseado de humedad.
La humidificación suplementaria representa una carga térmica extra para
la unidad de aire acondicionado, lo que disminuye efectivamente la
capacidad de refrigeración de la unidad; consecuentemente, se requerirá
su sobredimensionamiento.
En el caso de salas de datos pequeñas o grandes salas de cableado, un
sistema de aire acondicionado que aísle el aire de retorno global del
aire de suministro global utilizando un sistema de ductos puede generar
una situación en la que no exista condensación y, por lo tanto, no se
necesite recurrir a la humidificación adicional continua. Esto permite
que se utilice el 100% de la capacidad nominal de aire acondicionado y
se maximice la eficiencia.
En el caso de grandes centros de datos con importantes cantidades de
mezcla de aire, la unidad de aire acondicionado debe suministrar aire a
bajas temperaturas para contrarrestar los efectos de recirculación del
aire extraído de los equipos con temperatura más alta. Esto da como
resultado una deshumidificación sustancial del aire y crea la necesidad
de recurrir a humidificación adicional. Como resultado, disminuye
significativamente el rendimiento y la capacidad del sistema de aire
acondicionado. Así, el sistema de aire acondicionado debe
sobredimensionarse hasta en un 30%. Por lo tanto, el
sobredimensionamiento requerido para una unidad de aire acondicionado
oscila entre 0% para un sistema pequeño con retorno del aire extraído
por ductos, hasta el 30% para un sistema con altos niveles de mezcla de
aire dentro de la sala (para obtener más información sobre la
humidificación, véase el white paper N° 58 de APC: “Estrategias de
humidificación para centros de datos y salas de gestión de redes”).
Dimensionamiento del aire acondicionado
Una vez determinados los requisitos de refrigeración, es posible
dimensionar un sistema de aire acondicionado. Deben considerarse los
siguientes factores, que se describieron anteriormente en este informe:
El total de la carga a refrigerar de los equipos (que incluye los
equipos del sistema de energía)
El total de la carga de refrigeración del edificio
El sobredimensionamiento necesario para contemplar los efectos de la
humidificación
El sobredimensionamiento para crear redundancia
El sobredimensionamiento para contemplar futuros requisitos
Las cargas en watts de cada uno de estos factores pueden sumarse para
determinar la carga térmica
total.
Conclusiones
Es posible reducir la determinación de los requisitos de refrigeración
para los sistemas de IT a un proceso simple que puede ser realizado por
cualquier persona sin capacitación especial. La expresión de todas las
medidas de potencia y refrigeración en watts simplifica el proceso. Una
regla general es que la capacidad nominal de un sistema de aire
acondicionado debe ser 1,3 veces el valor nominal de la carga anticipada
de los equipos de IT más la capacidad agregada con propósitos de
redundancia. Este enfoque da buenos resultados en el caso de salas de
gestión de redes más pequeñas, de superficies por debajo de los 370
metros cuadrados.
Si se trabaja con centros de datos más grandes, los requisitos de
refrigeración por sí solos no suelen ser suficientes para seleccionar un
equipo de aire acondicionado. Por lo general, los efectos de otras
fuentes térmicas tales como paredes y techo, juntamente con la
recirculación, resultan significativos y deben ser examinados para cada
instalación en particular.
El diseño de la red de ductos para circulación de aire o del piso
elevado tiene un efecto significativo sobre el rendimiento total del
sistema, y también afecta enormemente la uniformidad de la temperatura
dentro del centro de datos. La adopción de una arquitectura de sistema
de distribución de aire simple, estandarizada y modular, en combinación
con el simple método para estimar la carga térmica descrito, podría
reducir significativamente los requisitos de ingeniería para el diseño
del centro de datos.
Autor: Extraído de White Paper Nro. 25 de APC.
Consultas: infraestructura@arnaldocastro.com.uy
Teléfono: (02) 902 7000
