Este tipo de aplicación representa un 1,3% del consumo mundial de energía eléctrica, porcentaje relativamente bajo. Sin embargo, si se analiza su crecimiento se observa que este sector ha aumentado un 70% entre los años 2015 y 2022. Aunque en los últimos años se han logrado avances significativos en el rendimiento de los equipos destinados a Data Centers, son necesarias más iniciativas tanto por parte de los gobiernos como de la industria para seguir mejorando la eficiencia energética con el fin de reducir la demanda de energía para obtener una disminución de las emisiones en la próxima década y poder alcanzar el objetivo de cero emisiones netas en 2050. [1]
Teniendo en cuenta esta perspectiva, es necesario tomar las decisiones correctas en el diseño de los Data Centers, donde la eficiencia energética es un factor importante para minimizar el impacto medioambiental.[2]
La reducción de la huella ecológica de estas instalaciones está directamente relacionada con los sistemas de climatización, ya que el consumo eléctrico de estos sistemas representan un 30% aproximadamente en las paplicaciones de los Data Centers.
[1] https://www.iea.org/energy-system/buildings/data-centres-and-data-transmission-networks
Esquema general del sistema de climatización de un Data Center
Este esquema muestra un diagrama básico de la solución completa de Daikin para climatizar un Data Center y está compuesta por los siguientes elementos:
· Enfriadora aire-agua
· Unidad de tratamiento de aire de sala de servidores (CRAH)
· Sistema de control
· Servicio Postventa
En este artículo, analizaremos los principales retos a la hora de seleccionar enfriadoras para Data Centers y cómo Daikin puede ayudar a superarlos.
Reto nº 1: condiciones exteriores de temperatura
Como ya se ha mencionado, estamos experimentando un crecimiento cada vez más rápido de los Data Centers en todo el mundo. A la hora de diseñar las instalaciones del Data Center, conviene primero considerar las temperaturas ambiente externas de funcionamiento en las que trabajarán los sistemas de climatización. Es necesario evaluar los rangos de funcionamiento de los equipos para asegurarse de que funcionarán correctamente en las condiciones requeridas.
Dado el fuerte crecimiento de los Data Centers en diferentes climatologías del mundo, es posible que se den condiciones de temperatura extremas en las que se necesiten sistemas de refrigeración que puedan garantizar y asegurar un funcionamiento correcto. Las instalaciones se pueden localizar tanto en regiones cálidas como Oriente Medio como frías, por ejemplo, el norte de Europa.
Razón 1 : Para superar este reto, Daikin garantiza con sus enfriadoras un rango de funcionamiento que va desde -30°C hasta +55°C de temperatura ambiente, lo que permite realizar proyectos a escala mundial.
Reto nº 2: Optimizar los espacios de la instalación
El diseño interior del Data Center, la potencia IT de los servidores y la capacidad del sistema de refrigeración son condiciones inherentes dentro de un proyecto de este tipo. Como en cualquier otro edificio, incluso en los Data Centers, el espacio de instalación para los equipos de climatización es limitado.
Razón 2 : Aunque los Data Centers puedan requerir una gran potencia de refrigeración, Daikin ha tenido en cuenta que las dimensiones de los equipos para este tipo de aplicaciones tenían que ser muy reducidas, es por esto que nuestras enfriadoras de condensación por aire son extremadamente compactas y permiten su instalación en zonas muy acotadas. Especialmente en el caso de las unidades con batería free-cooling, se tuvo en cuenta que su configuración no excediera la huella de la unidad por lo que incluir esta tecnología no aumenta las dimensiones de esta.
Esto es el resultado del rediseño de la batería de condensación que se ha optimizado para reducir la longitud de las unidades. Esto es especialmente importante porque debido al espacio limitado en las instalaciones, es posible ahorrar espacio a la vez que se obtiene una mayor redundancia de la capacidad (en caso de que sea necesario) además de facilitar las labores de mantenimiento.
Reto nº 3: cómo reducir los costes de explotación y el impacto medioambiental
Dado el gran tamaño de las instalaciones, la elección de estrategias que mantengan bajos los costes de explotación representa una prioridad. La contención de los costes de explotación está directamente vinculada a reducir el impacto medioambiental. En cuanto al sistema de climatización, la mayor parte del consumo energético se debe a la producción de las unidades enfriadoras. Es por esto que pueden aplicarse 6 estrategias para disminuir los costes de funcionamiento y por consiguiente reducir la huella ambiental:
· Seleccionar enfriadoras que garanticen un rendimiento óptimo en condiciones de carga parcial, como por ejemplo las unidades con tecnología Inverter
· Incluir batería de free-cooling en la selección de enfriadoras
· Ajustar el diseño de la instalación de climatización para que las enfriadores funcionen con una temperatura elevada de salida del agua del evaporador.
· Implantar soluciones de control para reducir costes mejorando la eficiencia del sistema
· Diseñar un sistema de refrigeración que permita reutilizar el calor residual del Data Center para aplicaciones de District Heating.
· Añadir filtro activo de armónicos para limitar la distorsión armónica relacionada con las enfriadoras.
Optimizar el rendimiento a cargas parciales
Las cargas parciales representan más del 95% del tiempo de funcionamiento de muchas instalaciones debido a la variación de las condiciones ambientales (temperatura, humedad). Al ser un aspecto crítico a tener en cuenta, se debe analizar adecuadamente la tecnología del compresor que incorpore la enfriadora y, lo que es más importante, la inclusión de un variador de frecuencia (VFD) para modular la capacidad de este.
Razón 3 : El compresor monotornillo diseñado y patentado por Daikin es un componente que cuenta con una gran eficiencia. Además, integra la tecnología de relación de volumen variable (VVR) para ajustar la geometría del compresor en función de las condiciones reales de funcionamiento. El VVR consiste en una válvula de regulación que modula la relación de compresión mejorando la eficiencia del compresor con condiciones ambientales variables. Además, el compresor monotornillo de Daikin cuenta con una característica única: su VFD está integrado en el propio cuerpo del compresor y está refrigerado por el refrigerante.
Energía frigorífica gratuita para reducir aún más el consumo de energía
Una ayuda adicional para reducir aún más el consumo eléctrico es el uso de la tecnología Free Cooling, ya que cuando las condiciones exteriores son favorables, las enfriadoras pueden apagar los compresores y aprovechar la baja temperatura exterior para enfriar el agua.
Razón 4 : Daikin ofrece diferentes opciones de unidades con tecnología free-cooling cubriendo desde los 150 hasta los 2150 kW de potencia frigorífica. Entre ellas se puede encontrar por ejemplo el glicol-free que permite ahorrar además en el sistema de bombeo.
Mayor temperatura del agua de salida de la enfriadora para una mayor optimización del sistema
Otra potencial opción de reducción del consumo está relacionada con las temperaturas de diseño del Centro de Datos. En efecto, cuando se realiza una contención de pasillos, separando los fríos y calientes, el sistema de refrigeración puede funcionar a temperaturas más altas, incluso en el rango de 25 a 30 °C. Esto supone ventajas en términos de eficiencia de las enfriadoras y, por tanto, una reducción de los costes de funcionamiento.
Razón 5 : La nueva gama de enfriadoras condenadas por aire de Daikin puede suministrar una temperatura de salida del agua del evaporador de hasta +30°C. Este aumento en la temperatura de impulsión representa además una mejora del rendimiento de la batería de free-cooling, lo cual es especialmente relevante para países con climas templados (por ejemplo, el sur de Europa, Australia) o incluso más cálidos con temperaturas exteriores más favorables.
Soluciones de control de los sistemas para aumentar aún más la eficiencia
Es posible que según la potencia instalada, sea necesario instalar varias unidades enfriadoras para alcanzar la capacidad requerida. Esto implica que no basta con considerar la eficiencia de una sola enfriadora para garantizar los objetivos de eficiencia, sino de todo el sistema de climatización. Es aquí donde entran las soluciones de control de nivel superior que optimice el rendimiento del conjunto.
Razón 6 : Daikin presenta su iDCM, un Gestor Inteligente de Data Centers. Se trata de un control externo que es capaz de modular hasta 20 enfriadoras, además del bombeo del circuito primario y del circuito de free-cooling. El iDCM está diseñado para garantizar la máxima fiabilidad del sistema y se basa en un algoritmo avanzado de aprendizaje automático, que funciona a partir de los datos suministrados por el fabricante y de los datos reales registrados in situ. El iDCM puede garantizar un aumento de la eficiencia del sistema de hasta un 10% para los sistemas de refrigeración mecánica y de hasta un 15% para el circuito de free-cooling. Además, este panel de control es totalmente adecuado para Data Center TIER III y, como solución personalizada, también para TIER IV.
Recuperación del calor residual para District Heating
Idealmente, toda la electricidad consumida por lo servidores se convierte en calor, y su eliminación es una de las principales necesidades de las instalaciones de los Data Centers. El calor es un subproducto de las operaciones de los Data Centers, pero está disponible a una temperatura relativamente baja y por esta razón no encuentra un uso práctico por lo es desperdiciado. Si esa energía calorífica pudiera estar disponible a mayor temperatura podría ser reutilizado en lugar de ser desaprovechado al medio ambiente, convirtiéndose sin embargo en un bien valioso para diferentes fines. Hasta el 90% de la energía utilizada por los equipos informáticos de los Data Centers puede recuperarse en forma de calor, lo que proporciona miles de megavatios de potencia térmica en todo el mundo.
La mayoría de los proyectos de recuperación de calor de los Data Centers dependen de las redes de District Heating como captadores de calor.
Razón 7 : Para este propósito Daikin puede plantear soluciones para recuperar el calor producido por la instalación. El esquema que puede ver a continuación describe una posible solución, en el que una bomba de calor de condensación por agua extrae el calor del bucle de agua del Data Center y eleva la temperatura a niveles adecuados para dar servicio a la demanda de calefacción (por ejemplo, un bucle de District Heating). La enfriadora de condensación por aire trabajará a una menor carga de refrigeración gracias al funcionamiento de la bomba de calor de agua que extrae el calor del bucle. La recuperación de calor que proviene del interior del Data Center que de otro modo se desperdiciaría, hace que aumente la eficiencia de todo el sistema.
Dentro de las posibilidades de recuperación de energía, Daikin también puede ofrecer otra opción que se muestra en el siguiente esquema. En este caso, el calor se recupera directamente de la unidad enfriadora de condensación por aire, mientras funciona en modo de refrigeración mecánica. Esto se garantiza mediante un intercambiador de calor adicional colocado en serie con la batería de condensación. El calor recuperado se puede suministrar a un sistema de calefacción urbana. Esta solución también puede integrarse en una configuración de enfriadora de free-cooling, ofreciendo así a los gestores de las instalaciones una alternativa competitiva para satisfacer las necesidades de calefacción y reducir los costes de explotación al mismo tiempo.
Reducción de las distorsiones armónicas
La distorsión armónica está causada por cargas no lineales, como dispositivos electrónicos, variadores de frecuencia y ciertos tipos de iluminación, que producen corrientes armónicas en el sistema eléctrico. Dicho esto, la distorsión armónica puede darse en los Data Centers y provoca un consumo adicional de energía en los sistemas eléctricos. Además puede producir un aumento de las pérdidas de energía y una reducción de la eficiencia, con el consiguiente aumento de los costes energéticos. Una distorsión armónica baja ayuda a minimizar estas pérdidas, mejorando la eficiencia energética y reduciendo los gastos operativos. Muchos países han establecido reglamentos y normas para limitar el nivel de distorsión armónica producida por los equipos eléctricos. Al mantener la distorsión armónica dentro de los límites prescritos, los fabricantes y operadores de Data Centers pueden garantizar el cumplimiento de estas normas.
Los filtros activos de armónicos (FAA) son dispositivos electrónicos utilizados para reducir la distorsión armónica en los sistemas eléctricos. Son capaces de compensar dinámicamente las corrientes armónicas en tiempo real, mejorando así la calidad eléctrica del sistema. Los FAA controlan activamente las corrientes de armónicos y generan corrientes de compensación que las anulan, lo que reduce la distorsión armónica total (THD).
Razón 8 : Dado que las enfriadoras pueden generar distorsiones armónicas, Daikin ofrece una solución única de filtrado activo de armónicos. Basado en la misma tecnología patentada del compresor, el filtro activo de armónicos de Daikin está totalmente integrado en la enfriadora. El dispositivo se instala dentro del cuadro eléctrico y es refrigerado por el refrigerante del propio circuito de la enfriadora, lo que garantiza el control de la temperatura independientemente de las condiciones ambientales para todas las condiciones de funcionamiento. Al estar el FAA totalmente integrado, no se requiere espacio, instalación ni mantenimiento adicionales. Además, los AHF de Daikin se montan y prueban por completo en fábrica.
Reto nº 4: garantizar la fiabilidad de los equipos
La gestión de un centro de datos es especialmente difícil y compleja, ya que el objetivo principal es garantizar un funcionamiento continuo 24/7. Esto plantea grandes exigencias en cuanto a la fiabilidad y calidad del sistema de climatización. Según una encuesta respecto a las causas de los fallos de los sistema de los Data Center, el Uptime Institute informa que el 14% de los momentos de inactividad están causados por problemas en el sistema de refrigeración, lo que repercute negativamente en la actividad comercial. Además, este informe refleja que las causas del tiempo de inactividad son predecibles en la mayor parte de los casos (76%), ya que suelen estar relacionadas con errores humanos. En este aspecto, los problemas debidos a una gestión y un mantenimiento inadecuados de los equipos son significativos (36%). Por este motivo, la fiabilidad de los sistemas HVAC implantados para los Data Centers es crucial y depende en gran medida de las unidades enfriadoras. Por esto, deben tenerse en cuenta 6 consideraciones:
· Las diferentes tecnologías de compresores disponibles en el mercado
· El tipo de variador de frecuencia que debe emplearse
· El tipo de protecciones contra cortes de electricidad
· El potencial impacto de entornos corrosivos que afecten a la batería de condensación de la enfriadora
· Cómo limitar los efectos de posibles fugas de refrigerante
· Si la enfriadora está verificada por un organismo de certificación y puede probarse antes de la entrega
La importancia del diseño del compresor
Razón 9 : Desde el punto de vista del producto, Daikin ofrece tecnología diseñada para ser extremadamente fiable y duradera, incluso en los entornos más complejos. Este es el caso del compresor monotornillo Inverter de Daikin. A diferencia de un compresor de tornillo estándar, el compresor monotornillo de Daikin utiliza un tornillo único que se acopla con 2 rotores en estrella para producir un ciclo de compresión de volumen adaptado. Debido a que el rotor principal está equilibrado tanto en dirección radial como axial, el cojinete del compresor tiene una fiabilidad extremadamente alta.
Variador de frecuencia refrigerado para todas las condiciones de funcionamiento
Razón 10 : Por lo que respecta al VFD integrado, está específicamente diseñado para soportar las condiciones ambientes más difíciles. El VFD integrado en el compresor monotornillo Inverter de Daikin se diferencia de otros variadores del mercado por estar también refrigerado por el propio refrigerante y no se ve afectado por condiciones ambientales como la temperatura exterior, la altitud o la calidad del aire (presencia de contaminantes, polvo o arena).
Componentes electromecánicos que reducen el impacto de posibles cortes de electricidad
El correcto funcionamiento del sistema de refrigeración es fundamental para garantizar el tiempo de actividad del centro de datos. Por lo tanto, se sugiere considerar la inclusión de interruptores de transferencia automática (ATS) para limitar el impacto de los cortes de energía en el funcionamiento adecuado de las unidades enfriadoras.
Razón 11 : Daikin puede incluir interruptores ATS (bajo petición) en las unidades en caso de que sea un requisito del proyecto. Junto con los ATS, también se debe estudiar añadir componentes adicionales para garantizar que la enfriadora alcance su plena capacidad en el menor tiempo posible, limitando así el impacto de posibles cortes de alimentación del Data Center. Este es el caso del opcional Rapid Restart de Daikin. Este opcional consiste en un SAI que mantiene encendido el controlador de la unidad durante 180 segundos durante un fallo de alimentación. Cuando el reinicio rápido está activado, el compresor se activa en 30 segundos tras el restablecimiento de la alimentación (gracias al ATS) y se consigue un tiempo de recuperación a plena capacidad que puede ser inferior a 3 minutos.
Protección de las baterías de condensación con tratamientos anticorrosivos
Dado que las enfriadoras de condensación por aire se utilizan para refrigerar Data Centers, se recomienda evaluar el potencial corrosivo del entorno en el que se instalarán. El efecto de la corrosión reduce la capacidad de refrigeración con los consiguientes riesgos para el funcionamiento del Centro de Datos.
Razón 12 : Daikin ofrece varios tipos de tratamientos anticorrosivos para ambientes con riesgo de corrosión de leve a muy elevado.
Control de fugas de refrigerante
El correcto funcionamiento de la enfriadora está relacionado con la cantidad adecuada de refrigerante que debe llevar la unidad. Otro punto a tener en cuenta para reducir futuras posibles incidencias es el uso de sistemas de supervisión de fugas de refrigerante a través de los cuales la enfriadora pueda comunicar cualquier anomalía al sistema de gestión del Data Center.
Razón 13 : Daikin ofrece una supervisión completa del estado de funcionamiento de las unidades a través de su plataforma de supervisión remota Daikin on Site (DoS). Gracias a este servicio, los gestores de las instalaciones pueden intervenir rápidamente y también planificar con antelación las actividades de mantenimiento basándose en la tendencia de los parámetros de funcionamiento de las unidades.
Certificaciones de productos y pruebas de aceptación en fábrica
Otro factor crucial para garantizar nuestra fiabilidad es que nos comprometemos a que nuestros productos estén certificados por organismos externos.
Razón 14 : Daikin certifica sus unidades bajo los programas de Eurovent y AHRI. Dentro de estos programas de certificación, se establecen las normas que los fabricantes deben cumplir y básicamente consisten en las normativas locales. Con estos programas se declaran los datos de rendimientos, así como los software utilizados por fabricantes para simular el rendimiento de las unidades en unas condiciones de diseño específicas. El software se certifica y posteriormente se somete a pruebas periódicas, tanto de rendimiento a plena carga como a carga parcial. Además, todos los productos declarados bajo certificación deben someterse a pruebas para validar los datos obtenidos. Todas las unidades Daikin vendidas en Europa están certificadas por Eurovent y muchas unidades Daikin cuentan además con la certificación AHRI , incluidas las configuraciones de free-cooling de los últimos lanzamientos de productos con compresores monotornillo Inverter y con compresores scroll.
Además, en aplicaciones críticas como los Data Centers, normalmente se solicitan pruebas adicionales de las enfriadoras antes de su entrega.
Razón 15 : Para cumplir este requisito, Daikin puede ofrecer pruebas de funcionamiento en fábrica presenciales para certificar que las unidades que se instalarán pueden satisfacer los requisitos del proyecto a unas temperaturas ambiente específicas.
La fábrica de enfriadoras de Daikin Applied Europe dispone de instalaciones de ensayo certificadas, incluida una cámara climática para probar unidades de hasta 2000 kW de capacidad frigorífica. Esta instalación es capaz de testear enfriadoras en una amplia gama de modos de funcionamiento y para todas las condiciones climáticas, tanto en condiciones ambientales extremadamente bajas (-18 °C) como con temperaturas extremadamente altas (+52 °C). La cámara climática funciona siguiendo un riguroso conjunto de procedimientos para garantizar el cumplimiento de las normas internacionales establecidas por organismos de certificación como AHRI y Eurovent.
Reto nº 5: nivel sonoro de los equipos de climatización
Los sistemas de refrigeración, que implican el uso de enfriadoras, bombas, compresores, etc., emiten ruido al entorno circundante. Dado que los Data Centers se encuentran en diferentes tipos de entornos, podría ser recomendable emplear soluciones que reduzcan el ruido de dichos equipos, como por ejemplo en zonas residenciales.
Razón 16 : Daikin cuenta con diferentes configuraciones sonoras que garantizan una reducción del nivel sonoro de hasta 7 dB(A) con la inclusión de encapsulados de compresores y elementos aislantes en las tuberías de descarga de los compresores. Si se desea disminuir aún más el nivel sonoro, Daikin garantiza una mayor reducción del ruido mediante la regulación de la velocidad de los ventiladores con la inclusión de variadores de frecuencia.
Reto nº 6: Consultar con fabricantes capaces de gestionar los requisitos del proyecto
Los proyectos de Data Centers son especialmente complejos, y con frecuencia implican una serie de requisitos específicos para las unidades enfriadoras en cuanto a características de producto, plazos de entrega y servicio Post-venta que pueda incluir mantenimiento y reparaciones entre otros. Este servicio sólo puede ser satisfecho por fabricantes especializados, capaces de atender las exigencias y rendir con la debida capacidad que este tipo de proyectos requiere.
Razón 17 : Daikin es la empresa líder mundial en el sector de la climatización, presente en todo el mundo con oficinas de venta y centros especializados en el diseño y la producción de equipos HVAC. El desarrollo y la producción de enfriadoras es una de las principales competencias de Daikin. Daikin ha gestionado proyectos altamente complejos que alcanzan incluso los 105 MW de capacidad de refrigeración para un único proyecto de centro de datos en el norte de Europa. Gracias a su presencia mundial, Daikin cuenta con una amplia red de Servicio Técnico, capaz de proporcionar tanto mantenimientos como un servicio personalizado adecuado para instalaciones críticas como los Data Centers.