El número de centros de datos en los Estados Unidos sigue creciendo en respuesta a la enorme cantidad de información digital almacenada y transmitida.
La gran potencia informática dentro de estos centros de datos genera calor, haciendo que el enfriamiento eficiente sea un requisito clave en la construcción. Las torres de refrigeración por evaporación son parte integral de muchos sistemas de refrigeración de centros de datos.
Recientemente algunos han cuestionado el uso de torres de enfriamiento, citando la escasez de agua para reforzar sus argumentos. Sin embargo, un examen exhaustivo del uso del agua para torres locales de refrigeración en el sitio en comparación con el uso del agua para generar energía en las plantas regionales de energía de combustibles fósiles revela resultados sorprendentes.
Opciones de enfriamiento del centro de datos
Hay varias maneras de enfriar los centros de datos, dependiendo del tamaño, la capacidad de computación que debe ser enfriada, los costos regionales de energía y la carga y densidad de datos. Las opciones más populares incluyen:
- Planta enfriadora refrigerada por agua - incluye sistema enfriador, bombas, torre de enfriamiento e intercambiador de calor
- Planta enfriadora refrigerada por aire - incluye sistema de refrigeración y bombas
- Refrigeración evaporativa directa - sin refrigeración mecánica, también conocida como "swamp cooling"
- Refrigeración adiabática - sistema de refrigeración por aire asistido por sistema de refrigeración por agua durante momentos pico
Para atraer clientes, los operadores de centros de datos sopesan las opciones y buscan sistemas que reduzcan los costos de operación y el impacto ambiental. Prestan mucha atención a la eficacia del uso de la energía (PUE), definida como la relación de la cantidad total de energía utilizada por un centro de datos a la energía entregada al equipo informático.
Los operadores de centros de datos también están preocupados por la eficacia del uso del agua (WUE). Las torres de enfriamiento evaporan el agua, pero el impacto depende de la ubicación.
Según Tim Chiddix, PE, vicepresidente de ingeniería mecánica de Swanson Rink, líder en diseño de infraestructura de centros de datos, los centros de datos pueden oscilar entre unos pocos cientos de metros cuadrados y varios cientos de miles de pies cuadrados y ninguna tecnología de refrigeración funciona bien para todas las regiones, criterios de cliente y aplicaciones.
"Cada instalación debe ser analizada para determinar el enfoque que mejor satisface las necesidades del cliente y aprovechar las oportunidades de ahorro de energía y agua de la región en particular".
Swanson Rink especifica el equipo como parte de su práctica de centros de datos y frecuentemente combina torres de enfriamiento con enfriadores mecánicos para un enfriamiento eficiente.
Evaluar el uso del agua de manera holística
La prolongada sequía en todo el oeste de Estados Unidos ha causado que muchas compañías reexaminen el impacto del uso del agua para enfriar los centros de datos. Algunos han cuestionado si las torres de enfriamiento onsite usan demasiada agua dada esta escasez.
Al evaluar la mejor estrategia de enfriamiento para un centro de datos, es crítico ver el uso del agua de manera holística, incluyendo el uso del agua donde se hace la energía. Visto bajo esta luz, los sistemas mecánicos de refrigeración evaporativa son a menudo mucho más eficientes que los sistemas secos alternativos.
La cantidad de agua utilizada por el ciclo de vapor de una planta de energía basada en combustibles fósiles para generar electricidad puede ser mayor que la cantidad de agua utilizada por la torre de enfriamiento del centro de datos.
Un ejemplo es un sistema refrigerado por aire que usa 1 megavatio (MW) de energía al año comparado con un sistema enfriado por agua que usa 0.5 MW al año y 3.000 galones de agua por minuto. El número de galones que la planta utiliza para hacer los 0.5 MW adicionales para alimentar el sistema refrigerado por aire es realmente mayor que la cantidad de agua que sería usada localmente por la torre de enfriamiento del sistema enfriado por agua. Reducir la energía utilizada de las plantas de energía puede ahorrar agua.
Tim Chiddix y Brook Zion, de Swanson Rink, evaluaron el problema del uso del agua en un documento técnico titulado "Uso del agua en los centros de datos de Denver, Phoenix y Los Ángeles: Una mirada al panorama general". Chiddix y Zion examinaron si la reducción en el uso del agua en una instalación de centro de datos individual resulta en una reducción agregada en el uso de agua para el sistema regional de suministro de agua.
Los autores señalan que el agua es un medio más eficiente que el aire para eliminar el calor porque la evaporación mejora el proceso de enfriamiento. "El uso de sistemas de condensación refrigerados por agua frente a sistemas de condensación refrigerados por aire puede reducir significativamente los costos de energía de refrigeración. Sin embargo, la eficacia del enfriamiento evaporativo es muy dependiente de la ubicación, ya que el clima más seco resulta en una mayor eficiencia".
Estudiaron si esta reducción de energía acarrea un aumento en el uso de agua onsite debido a la evaporación. También consideraron si esta evaporación está desperdiciando agua y si los dueños de los centros de datos deberían utilizar equipos enfriados por aire en su lugar.
La evaluación comparó una muestra de centros de datos ubicados en Denver, Phoenix y Los Ángeles. Examinó la red de energía regional para determinar la cantidad de agua que las compañías eléctricas consumen para producir un kilovatio-hora (kWh) de energía. Los datos de la tasa de consumo de agua del informe técnico del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) TP-550-33906 [1] se muestran en la Tabla 1.
El estudio examinó la refrigeración para un centro de datos de muestra con una carga de refrigeración constante de 1.500 kW. Los autores compararon un sistema enfriado por agua de eficiencia estándar y un sistema enfriado por aire de eficiencia estándar, así como un sistema evaporativo sin enfriamiento mecánico. La planta refrigerada por agua incluye un chiller, bombas, torre de enfriamiento e intercambiador de calor. La enfriadora refrigerada por aire incluye el sistema de refrigeración y las bombas.
La Tabla 2 muestra que el consumo de energía a plena carga del chiller refrigerado por aire era significativamente mayor que el del chiller enfriado por agua.
El uso del agua, a través de la evaporación, se basó en los datos de la temperatura de bulbo seco (conocida como dry-bulb) y de bulbo húmedo (wet-bulb) de un año meteorológico típico obtenido por la National Solar Radiation Data Base (NSRDB).
Los autores vieron que el sistema refrigerado por agua en Denver consumió 1.610.748 kWh de energía y el sistema refrigerado por aire consumió 4.663.740 kWh al año.
La Figura 1a muestra el uso de energía y la Figura 1b muestra el uso de agua para los sistemas enfriadores mecánicos analizados en cada ciudad. El uso del agua muestra diferencias significativas porque la cantidad de agua consumida en las instalaciones de generación de energía es mucho mayor que el agua consumida en el sitio.
El sistema refrigerado por aire consume más energía y no evapora el agua onsite. Todo su uso de agua se basa en el consumo de agua de la planta de energía. Por el contrario, el sistema refrigerado por agua tiene un menor consumo de energía y una combinación de consumo de agua en el sitio y en la planta de energía.
De acuerdo con Chiddix, los municipios que requieren que los centros de datos usen menos energía y agua en el lugar pueden no haber considerado todas las implicaciones de estos requisitos. En su opinión, si la planta de generación de energía es tenida en cuenta en la ecuación, las tecnologías de enfriamiento seleccionadas para el centro de datos pueden en realidad resultar en un uso más global de la energía y el agua.
Factores adicionales de ahorro de energía
Las tecnologías de refrigeración por agua son más eficientes, particularmente cuando se emplea free cooling durante períodos de tiempo más fresco.
El free cooling mediante economizadores de agua es un método económico que implica usar las temperaturas de aire bajas externas para ayudar en el enfriamiento del agua. Cuando se opera en modo de free cooling, el agua de la torre de refrigeración está lo suficientemente fría como para que no se requiera refrigeración mecánica por parte de chillers.
Esto reduce significativamente el requerimiento de energía, normalmente en un 75% o más. Para aprovechar los ahorros de energía posibles con free cooling, debe haber suficientes horas de tiempo frío o fresco como para justificar la inversión en equipo adicional para el intercambiador de calor y otros componentes.
Una evaluación de los beneficios de las torres de enfriamiento en el centro de datos también debe considerar el "flujo variable", otro método para reducir el consumo de energía.
Las torres de refrigeración están dimensionadas para la condición de diseño en verano; el flujo variable permite a los usuarios reducir el flujo de agua desde la torre de refrigeración hasta el chiller durante las estaciones más frías. Los ventiladores funcionan a una velocidad menor, lo que reduce el consumo de energía.
Aprovechar los modos de free cooling y de flujo variable puede reducir drásticamente el uso de energía de la torre de enfriamiento.
La modularidad de la torre de enfriamiento proporciona otra ventaja. Los propietarios de centros de datos pueden preferir construir sus instalaciones a lo largo del tiempo a medida que crece la demanda de servidores. Para controlar los gastos iniciales de capital y los costos operativos, los operadores de centros de datos pueden agregar posteriormente capacidad de enfriamiento según sea necesario, utilizando sistemas que incorporen torres de refrigeración modulares montadas en fábrica cuando la instalación crezca.
Es importante que la construcción del centro de datos se complete en el plazo previsto para que los servidores puedan operar rápidamente para generar ingresos. Las torres de enfriamiento modulares pre-montadas pueden cumplir con los requisitos urgentes de entrega y con los plazos de construcción.
Sopesando las opciones de agua
Hay muchas combinaciones de soluciones de refrigeración por evaporación y mecánicas que pueden ser evaluadas para satisfacer los requisitos de enfriamiento del centro de datos.
Si se añade el debate sobre el agua a la lista de consideraciones de diseño, es importante comprender y evaluar la relación entre electricidad y el consumo local de agua para tomar decisiones bien fundamentadas que permitan alcanzar los objetivos de conservación de energía y agua.
Douglas Bougher es director comercial de HVAC y mercados de refrigeración en SPX Cooling Technologies, y Kent Martens es gerente regional de ventas de SPX Cooling Technologies.