Replanteamiento del diseño de centros de datos para maximizar la eficiencia energética y la sustentabilidad

Gordon Johnson, ingeniero sénior de dinámica de fluidos computacional (CFD), Subzero Engineering
William Frantz, científico principal sénior, miembro de ASHRAE

La mayoría de las salas de computación y los centros de datos tradicionales están equipados con pisos elevados, donde la distribución de aire de suministro frío bajo piso se proporciona a los equipos de TI a través de plafones perforados. Además, el piso elevado también se ha utilizado como espacio para cables de datos y cableado eléctrico. Este diseño existe desde hace décadas y, sin duda, se seguirá implementando en proyectos de construcción de centros de datos.

Sin embargo, los centros de datos continúan evolucionando y, en los últimos tiempos, cada vez más centros de datos se diseñan con pisos de losa y cableado por techo. En lugar de instalar conductos costosos y no flexibles para suministrar enfriamiento desde las rejillas de ventilación del difusor del techo, los ingenieros están descubriendo una alta eficiencia y sustentabilidad al llenar la habitación con aire de suministro frío desde las unidades de enfriamiento perimetrales, el aire de enfriamiento de salas informáticas o galerías de manejo de aire en salas informáticas (CRAC/CRAH), u otros métodos de enfriamiento (unidades de enfriamiento en el techo, paredes con ventiladores, etc.). La contención de pasillo caliente (HAC) separa el aire de suministro frío del aire de escape caliente, y un cielo acústico con pleno devuelve el aire de escape a las unidades de enfriamiento. Este diseño también está ganando popularidad por su simplicidad y flexibilidad.

¿Por qué tanto los grandes centros de datos a hiperescala como los más pequeños se están cambiando a este diseño? ¿Qué hace que este diseño sea más simple y versátil? ¿Cómo incide el diseño en la optimización del flujo de aire y el enfriamiento? ¿Qué lo hace eficiente y sustentable en términos energéticos? ¿Qué sucede con la fiabilidad del equipo?

Esta pregunta, y el debate que surge de ella, ha existido desde que tenemos centros de datos. También hay una cantidad ilimitada de material de lectura sobre este tema, incluidos innumerables informes técnicos para respaldar cada postura. Para algunos, la elección de uno u otro simplemente se reduce a “así es como siempre hemos diseñado nuestros centros de datos”.

Pero como se mencionó en la introducción, los centros de datos y sus metodologías de enfriamiento están evolucionando, al igual que la necesidad de hacerlos energéticamente eficientes y sustentables. El hecho de que la industria de los centros de datos haya hecho algo o haya construido centros de datos de cierta manera durante los últimos 20 años no significa que sea la mejor o la más adecuada en el futuro.

Por ejemplo, la mayoría de los primeros centros de datos estaban equipados con pisos elevados, que se utilizan para distribuir el aire bajo piso a través de un sistema de piso elevado con aire presurizado que suministra aire frío a los equipos de TI a través de plafones perforados. Además, esta área de piso elevado se usa a menudo como un área para tender cableado de datos y cables de alimentación.

Los pisos de losa también existen desde hace décadas, pero no han gozado de la misma popularidad que los pisos elevados. Hasta hace poco, los diseños de piso de losa implicaban que el aire de suministro frío se entregara a los equipos de TI a través de conductos por techo y difusores. Un problema con este diseño ha sido la falta de flexibilidad para mover y agregar bastidores al piso. Una vez que el sistema de conductos está instalado en su lugar, los bastidores deben ubicarse de tal manera que los difusores queden directamente sobre los pasillos fríos, lo que desafortunadamente no siempre sucede. Esto genera dificultades para llevar el aire de suministro frío a donde se lo necesita: en las entradas del servidor. A medida que las densidades de los bastidores cambian y aumentan, incrementar los pies cúbicos por minuto (CFM) del flujo de aire a ubicaciones específicas también resulta un desafío, al igual que determinar cuánto flujo de aire se suministra desde cada difusor individual.

Además, devolver el aire de escape caliente a las unidades de enfriamiento también puede ser problemático, ya que los retornos se encuentran delante o debajo de las galerías de CRAC/CRAH, y el aire de escape caliente, naturalmente, intenta subir hacia el cielo acústico. La contención de pasillo frío (CAC) puede y debe usarse para estos diseños, pero puede ser difícil de instalar por la ubicación y la altura de los conductos existentes.

¿Qué sucede con la optimización del flujo de aire y la eficiencia de enfriamiento? Depende de a quién le pregunte. Algunos dicen que, desde la perspectiva de la flexibilidad del diseño, un piso elevado es mejor, ya que es más fácil agregar y reorganizar plafones perforados según sea necesario. Otros argumentan que el enfriamiento por techo tiende a producir menos problemas de fugas de aire o aire desviado (aire desperdiciado). ¿Entonces cuándo se debe usar un piso elevado y cuáles son algunas de las ventajas de su diseño?

Cuándo usar pisos elevados

Una situación en la que el piso elevado aún podría ser la mejor opción es con los centros de datos que sirven como instalaciones o colocaciones de múltiples inquilinos (MTDC). El piso elevado es favorable porque puede ofrecer flexibilidad para agregar enfriamiento y elementos eléctricos cuando sea necesario, como cuando nuevos clientes se mudan o necesitan ampliar su diseño. A menudo, es más fácil colocar nuevos conductos y tuberías debajo del piso elevado que por el techo. Otro escenario en el que se pueden preferir los pisos elevados es cuando el centro de datos tiene bastidores de baja densidad de potencia. Esto puede significar mucho movimiento y cambios en los bastidores, especialmente en espacios de alojamiento confinados, por lo que un piso elevado suele ser la mejor opción. ¹

Además, puede ser difícil distribuir el aire de suministro frío de manera eficiente y donde sea necesario a través de conductos por techo en una sala con piso de losa. Con un piso elevado, es posible que todo lo que se necesite para cambiar correctamente la distribución del flujo de aire a los equipos de TI sea reorganizar los plafones perforados. ²

Independientemente de estas y otras ventajas, hay muchas razones por las que cada vez más diseños de centros de datos nuevos, tanto grandes como pequeños, descartan el piso elevado tradicional y, en cambio, utilizan el diseño de piso de losa. ¿Entonces cuándo se debe usar un piso de losa y cuáles son algunas de las ventajas de su diseño?

Centro de datos con pisos elevados

Cuándo usar pisos de losa

Cuando se trata de instalación y movimiento de equipos, así como de costos de mantenimiento, el piso de losa es la mejor opción. No hay preocupaciones acerca de colocar y mover equipos más nuevos y pesados en áreas del piso que no están diseñadas para soportar el peso. Para las regiones propensas a los terremotos, el desempeño sísmico también es importante, lo que vuelve a hacer que el piso de losa sea la opción preferida. No solo cuesta menos que un piso elevado, sino que el anclaje del equipo es más fácil, y el apuntalamiento lateral y el refuerzo asociados con un sistema de piso elevado ya no son un problema. ³

Varios grandes centros de datos de hiperescala, con su demanda sin precedentes de almacenamiento, ahora eligen el piso de losa en lugar del piso elevado. Incluso los centros de datos más pequeños, con espacio reducido, están teniendo esta tendencia, ya que ahorran espacio verticalmente al no instalar el piso elevado y las rampas asociadas que, por lo general, forman parte de este diseño. ¿Recomendamos que los nuevos diseños de centros de datos sigan el diseño de piso de losa tradicional con enfriamiento de flujo ascendente a través de conductos y difusores por techo? No. Este diseño, similar a los pisos elevados, existe desde hace décadas, pero presenta desafíos diferentes para la gestión eficiente del flujo de aire y el enfriamiento de los equipos informáticos. Lo que recomendamos es un diseño que cada vez más centros de datos utilizan para lograr eficiencia y sustentabilidad, así como menores costos de instalación y mantenimiento. 

Centro de datos con pisos de losa

Los pisos de losa simplifican el enfriamiento de los equipos informáticos

Con el desarrollo de la tecnología de enfriamiento, se ha reducido la necesidad de proporcionar un pleno de aire de suministro bajo el piso, al igual que proporcionar aire de suministro a través de conductos y difusores por techo. En su lugar, los nuevos diseños de centros de datos están optando por usar pisos de losa y el enfoque simple de llenar la sala con aire de suministro frío mientras se expulsa el aire caliente a través de la contención hacia el retorno del cielo acústico con pleno. Este diseño se está utilizando en sitios más pequeños y se está convirtiendo en el estándar en grandes implementaciones a hiperescala por sus numerosas ventajas.

El enfriamiento utilizado para cubrir la sala puede ser a través de unidades de CRAC/CRAH ubicadas en muros perimetrales o fuera del centro de datos en galerías de CRAC/CRAH, unidades de enfriamiento evaporativo indirecto (IDEC) y economizadores tanto del lado del aire como del lado del agua, solo por nombrar algunos. Las tecnologías de enfriamiento adicionales, incluidas las paredes con ventiladores, que consisten en una pared exterior con unidades de enfriamiento, y una pared con ventiladores dentro del centro de datos que cubre la sala con aire de suministro frío, también son excelentes opciones para este diseño.

Otro beneficio es que la contención de pasillo caliente (HAC) se usa para eliminar el aire de escape caliente del centro de datos, en lugar de la contención de pasillo frío (CAC).

Desde un punto de vista termodinámico, ambos tipos de contención tienen resultados similares, ya que evitan que el aire de suministro frío y el aire de escape caliente se mezclen en el centro de datos. Dado que la HAC confina los pasillos calientes y convierte el resto del centro de datos en un gran pasillo frío, los operadores de centros de datos y los administradores de las instalaciones tienden a configurar temperaturas de aire de suministro más altas con la HAC que con la CAC.

El resultado es que los equipos informáticos reciben el aire de suministro frío necesario para satisfacer la demanda de flujo de aire, y el proceso se simplifica ya que el centro de datos se puede ver como un gran pasillo frío que se cubre con el aire de suministro frío.

Una nota importante es que la CAC no se puede implementar para este diseño, ya que evitaría que el aire de suministro frío enfríe los equipos informáticos. En su lugar, siempre se debe usar la HAC para contener el aire de escape caliente, y también se debe instalar un retorno de cielo acústico con pleno para eliminar el aire de escape del centro de datos. Además, cuando se trata de la HAC, es importante elegir una solución de contención que adopte un enfoque simplista para un diseño típicamente complejo.

El sistema de contención AisleFrame de Subzero Engineering está diseñado para proporcionar una solución completa para la contención de pasillos, y también proporciona una estructura elegante que sirve como soporte de infraestructura para electroductos, bandejas de cables y fibra. AisleFrame se apoya completamente en el suelo y todo lo que se necesita es un piso de losa plana simple.

El objetivo de cualquier sistema de contención es mejorar las temperaturas del aire de entrada en los equipos informáticos y crear un entorno en el que se puedan realizar cambios que reduzcan los costos operativos y aumenten la capacidad de enfriamiento. Lo que hace que el sistema de contención AisleFrame sea único es que puede lograrlo fácilmente, al tiempo que permite que tanto las instalaciones existentes como las nuevas, incluidos los grandes centros de datos a hiperescala, construyan y escalen los centros de datos de manera rápida y eficiente.

Los métodos tradicionales para respaldar la infraestructura del centro de datos, tal como la contención, la distribución de energía y el direccionamiento de cables, pueden ser costosos y lentos. Se requieren múltiples oficios trabajando uno encima del otro para realizar su tarea. La estructura AisleFrame proporciona un método para la implementación rápida de soportes de infraestructura y contención de pasillos. Por ejemplo, todas las rutas de cables y el electroducto se pueden colocar cuando se instala el confinamiento AisleFrame, lo que permite que los electricistas regresen cuando sea necesario para energizar el electroducto a medida que se instalan los equipos informáticos y, en el futuro, a medida que se expande el espacio informático. AisleFrame también le brinda al usuario final la capacidad de implementar en pequeños módulos replicables. Esto ayuda a limitar la cantidad de capital inicial gastado en comparación con la construcción de salas de datos completas al proporcionar toda la infraestructura necesaria a nivel de módulos, al tiempo que permite una escala casi ilimitada si la situación lo requiere. ⁴

Al seleccionar una solución de contención, ya sea una contención AisleFrame o un sistema de HAC típico que consiste en puertas de final de pasillo y contención hasta el retorno del cielo acústico con pleno, el desempeño de sellado o fuga (normalmente, un porcentaje) del sistema de contención es esencial. A menudo, se afirma que las fugas son la némesis de todos los sistemas de contención. El sistema AisleFrame y todas las soluciones de contención Subzero tienen una fuga de 2% aproximadamente. Esto reduce y elimina prácticamente tanto el aire desviado como el aire de recirculación caliente que elevan las temperaturas de entrada del servidor en los equipos informáticos. El resultado es una eficiencia superior del sistema de enfriamiento.

Hay otro elemento importante en este diseño: el retorno del cielo acústico con pleno que se implementa.

Aporte de Bill Frantz

Se presta mucha atención a reducir las fugas en los pasillos de contención y los suelos elevados. Estos componentes son factores conocidos de fugas pasajeras y distribuidas que contribuyen a las pérdidas por desviación del aire. El mismo cuidado que se le presta al sellado de los suelos elevados y de las rejillas, debería aplicarse también a los cielos acústicos. Los cielos acústicos forman un pleno de aire de retorno y, lo que es más importante, separan el aire caliente de retorno de la habitación acondicionada. Los espacios alrededor de los plafones y las separaciones entre las barras de montaje impiden que el aire acondicionado llegue a los equipos informáticos. El aire desviado debe compensarse aumentando el suministro de aire frío procedente de las unidades de enfriamiento, con lo que se consume más energía.

Los sistemas de cielos acústicos normales tienen tasas de fuga mucho mayores que los sistemas de suelo elevado. A una presión diferencial de 0.02 [en columna de agua (WC)], un sistema de suelo elevado puede tener una fuga de entre 0.05 y 0.30 [cfm/ft²]. Un cielo acústico sin juntas y con separaciones normales entre las barras de montaje tendrá una fuga de alrededor de 1.44 [cfm/ft²]. Cuando se combina el plafón Armstrong ULTIMA AIRASSURE con el sistema de suspensión estructural DYNAMAX, la fuga se reduce a alrededor de 0.19 [cfm/ft²] y se vuelve comparable a los sistemas de suelos elevados y paredes de contención.

Los plafones ULTIMA AIRASSURE con sistema de suspensión estructural DYNAMAX representan una solución de ingeniería diseñada para centros de datos.Los plafones ULTIMA AIRASSURE cuentan con una junta perimetral capaz de reducir las fugas al cielo acústico que se producen en los bordes de los plafones. El sistema de suspensión estructural DYNAMAX elimina las separaciones entre las barras de montaje del cielo acústico. La combinación de ambos hace que el sistema reduzca las fugas de desviación a niveles de los mejores sistemas de piso elevado. La solución de cielo acústico de Armstrong brinda accesibilidad y contención que mejora la eficiencia del sistema de enfriamiento y ahorra energía consumida por el ventilador.

Los cálculos de balance de calor y flujo de aire se resolvieron para satisfacer las ecuaciones aplicables para 4,000 combinaciones aleatorias de parámetros.

El gráfico resultante muestra claramente los efectos de cambiar de un cielo acústico típico (fuga alta) al sistema de suspensión ULTIMA AIRASSURE con DYNAMAX (fuga baja).

Los sistemas de cielo acústico y sistema de suspensión forman plenos de aire de retorno en los centros de datos y separan el aire de suministro frío del aire de retorno caliente. Las fugas a través de este plano de contención contribuyen a las pérdidas por desviación del aire, al aumento de la energía que consume el ventilador y al incremento de los costos operativos. El uso de plafones con juntas ULTIMA AIRASSURE con sistema de suspensión estructural DYNAMAX reduce las tasas de fuga a niveles similares al resto de los sistemas de contención.

Hemos mencionado la importancia de maximizar la eficiencia energética y la sustentabilidad. Llenar el centro de datos con aire de suministro frío para los equipos informáticos y contener los pasillos calientes para que el aire de escape caliente regrese a las unidades de enfriamiento (o sea expulsado por algún otro método) es un diseño simple, fácil y flexible. Los diseñadores de todos los centros de datos nuevos deben considerar estas opciones para implementaciones futuras. Otro beneficio de esto (y la mayoría de los diseños de HAC) es que es más fácil lograr la optimización del flujo de aire y el enfriamiento. En un mundo perfecto, simplemente igualaríamos nuestra capacidad de enfriamiento total (flujo de aire de suministro) con nuestra carga de informática (flujo de aire de demanda) y aumentaríamos los puntos de ajuste de la unidad de enfriamiento lo más alto posible. Sin embargo, existe una fuga inherente en cualquier diseño, incluso dentro de los bastidores de informática. El objetivo es minimizar esta fuga tanto como sea posible, por lo que la estructura de contención y cielo acústico que se elija es crucial.

Cuanto menor sea la fuga general, menos aire de suministro frío se necesitará. Para maximizar la eficiencia energética, queremos usar la menor cantidad posible de aire de suministro frío mientras mantenemos una presión positiva desde los pasillos fríos hacia los pasillos calientes en todo el centro de datos. Cuando se logre esto, habrá temperaturas de suministro uniformes en las entradas del servidor en todos los bastidores del centro de datos. Debido a que la HAC se usa con este diseño, el centro de datos es esencialmente un gran pasillo frío, por lo que la suma total del flujo de aire de suministro frío debe ser solo un poco más alta que la suma total del flujo de aire de demanda (el objetivo debería ser entre 10% y 15%). Este porcentaje se puede conseguir fácilmente si las fugas se mantienen al mínimo cuando se utiliza una solución de cielo acústico y contención de calidad, junto con buenas prácticas de gestión del flujo de aire, tal como la instalación de paneles ciegos en los bastidores, el sellado de los rieles de los bastidores, etc.

A continuación, aumente los puntos de ajuste de enfriamiento mientras mantiene las temperaturas de entrada del servidor a un nivel igual o menor que las especificaciones recomendadas por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Enfriamiento y Aire Acondicionado (ASHRAE), para enfriar equipos informáticos (80.6 °F/27 °C), ¡y que comiencen los ahorros de energía! Esto también da como resultado una mayor fiabilidad de los equipos y un menor tiempo medio entre fallas (MTBF). Se ha dicho que la mejor energía ahorrada es la energía que no consumimos en primer lugar, y eso es cierto sobre todo en la industria del centro de datos a medida que continuamos progresando y evolucionando en nuestra meta de volvernos más sustentables y reducir nuestra huella de carbono.

La industria de los centros de datos está en constante evolución, al igual que nuestros diseños. La eficiencia energética debería seguir siendo una de las principales preocupaciones de los centros de datos en el futuro. Los diseñadores y propietarios de centros de datos deben evaluar cuidadosamente todas las opciones, en lugar de simplemente copiar o elegir según proyectos antiguos. El dicho “así son las cosas porque siempre han sido así y no hay razón para cuestionarlas” no tiene cabida en este sector.

El sistema de contención AisleFrame de Subzero Engineering, en combinación con los plafones Armstrong ULTIMA AIRASSURE y el sistema de suspensión estructural DYNAMAX, ofrece un centro de datos sustentable, flexible y energéticamente eficiente. Construido para hoy y mañana.