Soluzioni su misura per il controllo climatico dei Data Center

Con il termine di Data Center si indicano strutture molto diverse tra loro per dimensione e scopo, dalle piccole Server Room di proprietà alle grandi Webfarm dei provider. Per ognuna di queste applicazioni il controllo delle condizioni ambientali è affidato a soluzioni specifiche che devono garantire efficienza, affidabilità e flessibilità.

(Saifor)

Secondo una recente ricerca i Data Center presenti sul territorio nazionale sono circa un migliaio. 30 di questi sono quelli dei grandi service provider, outsourcer e centri servizi, 100 quelli dei grandi clienti mentre circa 500 sono i Data Center di dimensioni più piccole di proprietà mista tra aziende e service provider. A completare il quadro vi sono i CED aziendali di piccole dimensioni.

I Data Center contengono gli armadi rack e una serie di apparecchiature complementari. La disposizione dei rack è organizzata per file che alternano corridoi caldi a corridoi freddi (figura 1). Essi sono infatti disposti in modo tale che le loro parti frontali si fronteggino l’una con l’altra verso il corridoio freddo dal quale si realizza il prelievo dell’aria per il raffreddamento, mentre l’aria espulsa dalla parte posteriore fluisce nel corridoio caldo, dal quale viene estratta per essere convogliata alle unità di climatizzazione.

Fig. 1 – Data Center con condizionatori installati in ambiente.

Le condizioni di progetto

Fino ad una decina di anni fa, le condizioni termoigrometriche richieste per l’aria in ingresso ai rack erano molto stringenti, con una temperatura compresa tra 20 e 25 °C (e un valore ottimale pari a 22 °C) e un’umidità relativa compresa tra il 40 e il 55%. Al fine di garantire una maggiore flessibilità di utilizzo e minori consumi energetici per gli impianti di climatizzazione, sono state condotte specifiche ricerche da parte dell’ASHRAE che hanno portato all’emissione di nuove linee guida in base alle quali i limiti ritenuti accettabili per garantire l’affidabilità degli apparati sono stati estesi: la temperatura è ora compresa tra 18 e 27 °C mentre l’umidità deve essere compresa tra un valore minimo di 5,5 °C della temperatura di rugiada e uno massimo del 60% di umidità relativa.

Nei Data Center dove è prevista la velocità dell’aria immessa non deve essere superiore a 0,15 m/s mentre il ricambio d’aria deve essere sufficiente per garantire il benessere degli occupanti (7 L/s pro capite) e per mantenere il locale in sovrapressione, in modo da limitare le rientrate di aria dai locali adiacenti.  In località ove l’aria esterna contiene elevate quantità di contaminanti, essa deve essere opportunamente filtrata prima di essere introdotta in ambiente. La presenza di polvere può infatti causare anomalie di funzionamento ai computer. Si prevedono quindi filtri a tasche preceduti da prefiltri con un valore minimo di efficienza complessivo pari a 80% secondo ISO ePM1. L’impianto di climatizzazione non deve presentare un livello di rumorosità superiore a quello dei computer. I valori limite sono compresi tra 45 dB(A) e 50 dB(A). Le macchine devono essere dotate di antivibranti per evitare la trasmissione attraverso la struttura dei computer.

CONDIZIONI DI PROGETTO E CARICHI TERMICI

  • Temperatura: compresa tra 18 e 27 °C
  • Umidità: compresa tra 5,5 °C t.r. e 60% U.R.
  • Velocità dell’aria: inferiore a 0,15 m/s 
  • Aria di rinnovo: 7 L/s a persona
  • Filtrazione: classe ISO ePM1 80%
  • Livelli sonori: 45-50 dB(A)
  • Carichi termici:
  • Persone: 1 persona ogni 20 m
  • lluminazione: 20 W/m2
  • Computer: 500-1000 W/m2, 1500 W/m2 nei per Blade Server

I carichi termici

I Data Center sono caratterizzati da un’elevata densità dei carichi frigoriferi. Il valore medio è intorno a 500 W per m2 di superficie destinata a ospitare le apparecchiature, ma può arrivare fino a 1500 W/m2 nel caso di strutture che utilizzano computer del tipo Blade Server. Per un corretto dimensionamento è necessario innanzitutto ottenere dal costruttore dei rack i dati sulla quantità di calore da essi dissipata. Solitamente questo dato viene usato senza applicare alcuna riduzione di contemporaneità, a meno che ciò non sia suggerito dall’esperienza acquisita su un impianto analogo oppure da indicazioni fornite dallo stesso costruttore.

Il calore dissipato dalle lampade non è superiore a quello tipico di ambienti per uffici (20 W/m2). In caso di presenza di persone, l’affollamento si può considerare pari a una persona ogni 20 m2. I carichi esterni attraverso la struttura dipendono dal luogo e dal tipo di costruzione. Solitamente non sono previste pareti vetrate e quindi i carichi esterni sono ridotti.

A causa del livello di occupazione relativamente modesto e delle ridotte portate d’aria esterna, i carichi termici risultano quasi esclusivamente di tipo sensibile e il fattore di carico, ovvero il rapporto tra calore sensibile e totale, varia da 0,9 a 1. Le unità di trattamento aria devono quindi essere dimensionate in modo specifico tenendo conto di tali caratteristiche di carico. L’aria immessa per unità di carico di raffreddamento è maggiore di quella tipica di applicazioni di benessere. La quantità relativamente bassa di raffreddamento latente è sufficiente per neutralizzare il carico di umidità senza causare un’inutile deumidificazione.

Le tipologie di impianti

Le tipologie di impianti possono essere classificate in tre diverse categorie in base alla dimensione e alla tipologia dei Data Center:

  • Server Room di proprietà di piccole e medie dimensioni.
  • Data Center aziendali di grandi dimensioni.
  • Webfarm multitenant.

I criteri fondamentali sui quali si basa la progettazione impiantistica sono l’affidabilità, l’efficienza e la flessibilità. Per quanto riguarda l’affidabilità, gli elevati costi di un eventuale guasto comportano l’installazione di apparecchiature di completa riserva già predisposte al funzionamento con avviamento automatico. Solitamente l’impianto viene inoltre collegato a un’alimentazione elettrica preferenziale.

A causa dell’elevato consumo di energia per mantenere le condizioni ambientali di progetto 24 ore su 24 tutto l’anno, devono essere prese in considerazione tipologie di impianto e componenti che assicurino un’elevata efficienza energetica.

Poiché la tecnologia dei computer risulta in continua evoluzione e il carico termico in costante aumento, durante la vita operativa di un Data Center è probabile che parte delle apparecchiature informatiche debbano essere sostituite o modificate. L’impianto di climatizzazione deve pertanto presentare un’elevata flessibilità per permetterne la ristrutturazione e l’espansione.

Tutti questi requisiti possono essere soddisfatti in misura diversa da due tipologie di sistemi per il controllo delle condizioni dell’aria ambiente:

  • sistemi con condizionatori di precisione installati direttamente in ambiente, di tipo autonomo a espansione diretta oppure ad acqua refrigerata;
  • sistemi centralizzati con unità di trattamento aria e gruppi frigoriferi ubicati all’esterno dell’ambiente.

Una differente tipologia è costituita dai sistemi di raffreddamento ad acqua direttamente integrati nelle apparecchiature informatiche.

 

L’INDICE PUE

Per misurare l’efficienza energetica di un data center è stato introdotto l’indice PUE (Power Usage Effectiveness). L’indice è stato sviluppato nel 2008 dal consorzio Green Grid e rappresenta il rapporto tra l’energia assorbita dal data center e quella usata dai soli apparati IT. In tal modo è possibile misurare il consumo di energia elettrica dedicata all’alimentazione degli apparati IT rispetto a quella utilizzata per i servizi ausiliari come la climatizzazione, l’illuminazione o per le perdite energetiche degli UPS.

PUE=PTPITUn valore ideale di PUE pari a 1 indica che tutta l’energia assorbita dall’impianto viene utilizzata per gli apparati IT. In base alle valutazioni del Green Grid e dell’agenzia americana per l’ambiente EPA, il valore medio di PUE per i data center in tutto il mondo si aggira intorno a 1,8. Ciò significa che i consumi energetici per i servizi ausiliari sono mediamente pari all’80% del valore relativo agli appartati IT e pari a circa il 45% dell’energia complessiva consumata.

Attualmente i data center più efficienti presentano valori di PUE pari a circa 1,2.

Ovviamente il valore del PUE è fortemente influenzato dalle condizioni climatiche del sito in cui si trova il data center.

 

Impianti per Server Room di piccole dimensioni

Per le Server Room aziendali di piccole e medie dimensioni la tipologia di impianto più utilizzata si basa su condizionatori a espansione diretta installati direttamente in ambiente, solitamente sul perimetro della sala (figura 1). Queste unità, dette anche Close Control, sono progettate specificamente per questo tipo di applicazioni e sono pertanto caratterizzate da standard di prestazioni e di affidabilità superiori a quelli tradizionali per applicazioni di benessere (figura 2). Le unità sono composte da una batteria di raffreddamento a espansione diretta, da compressori multipli con circuiti frigoriferi indipendenti, da filtri d’aria, da umidificatori a vapore del tipo a elettrodi immersi e da una batteria di riscaldamento (elettrica o ad acqua calda). Il calore di condensazione viene smaltito mediante un condensatore remoto raffreddato ad aria oppure ad acqua, in questo caso collegato con un raffreddatore evaporativo. Un sistema a microprocessore garantisce il controllo del funzionamento e la segnalazione allarmi (guasto, intasamento filtri, alta temperatura, ecc.), con possibilità di collegamento a un sistema di controllo centralizzato.

Le unità possono essere di tipo Under, con ripresa dall’alto e mandata dal basso con griglia frontale oppure nel pavimento sopraelevato, oppure di tipo Over, con ripresa frontale o dal pavimento sopraelevato e mandata frontale direttamente in ambiente oppure verso l’alto nel controsoffitto.

Fig. 2 – Unità Close Control a espansione diretta (Hiref).

Il sistema con unità autonome poste direttamente in ambiente presenta il vantaggio di una notevole flessibilità, in quanto permette di rispondere in modo semplice a eventuali cambiamenti nella disposizione del locale e all’eventuale necessità di espansione. L’affidabilità del sistema è garantita dall’impiego di unità multiple e dalla presenza di unità di riserva. Il guasto di una o più unità provoca un impatto minimo sulle prestazioni globali dell’impianto. L’aria esterna di rinnovo viene trattata da un’unità dedicata.

Impianti per Data Center aziendali

Per i Data Center aziendali di grandi dimensioni si utilizzano solitamente unità ad acqua refrigerata, anch’esse installate all’interno degli ambienti. Esse sono simili a quelle ad espansione diretta, con l’unica differenza che esse sono dotate di una batteria ad acqua refrigerata prodotta da un gruppo frigorifero dedicato.

Fig.3 – Unità del tipo in-row da inserire tra i rack (Aermec).

Il sistema di regolazione della temperatura gestisce il funzionamento modulante della valvola di alimentazione della batteria di raffreddamento. Sono anche disponibili unità del tipo a doppio fluido, ovvero dotate di due batterie di raffreddamento, una a espansione diretta, l’altra ad acqua refrigerata. Tale soluzione consente di scegliere la priorità su un circuito oppure sull’altro ed eventualmente di utilizzare entrambe le batterie contemporaneamente. Essa assicura inoltre un elevato livello di affidabilità e di flessibilità grazie alla possibilità di scegliere di volta in volta il sistema di raffreddamento più efficiente.

Per il raffreddamento integrativo dei rack ad alta densità di carico (ad esempio per gli Internet Data Center), in aggiunta a un impianto di base è possibile utilizzare unità delocalizzate, dette in-row, da inserire direttamente tra i rack, che aspirano l’aria dal corridoio caldo e la distribuiscono a tutta altezza nel corridoio freddo (figura 3). In alternativa possono essere utilizzate unità booster installate direttamente sopra i rack oppure nel pavimento sopraelevato (figura 4).

Fig.4 – Unità booster per installazione nel pavimento sopraelevato (Aermec).

Essendo le unità posizionate in prossimità delle apparecchiature da raffreddare, si aumentano le prestazioni dell’impianto eliminando i problemi dovuti alla distribuzione dell’aria. Le unità possono essere ad acqua refrigerata oppure a espansione diretta.

Free cooling per unità close control

I Data Center presentano carichi frigoriferi di valore elevato e relativamente costante, con un funzionamento degli impianti 24 ore su 24. Poiché la richiesta di raffreddamento è costante tutto l’anno, un sistema ottimale di risparmio energetico è costituito dal free cooling, utilizzando l’aria esterna per il raffreddamento gratuito dell’ambiente limitando in tal modo l’utilizzo dei compressori frigoriferi.

SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO AD ACQUA

A causa degli elevati carichi termici prodotti, per le più potenti Central Processing Unit (CPU) non è sufficiente il raffreddamento ad aria. Esse richiedono infatti un raffreddamento aggiuntivo ad acqua per mantenere i componenti interni entro i limiti di temperatura previsti. Solitamente viene previsto un circuito chiuso di raffreddamento in cui circola acqua, fornito dal costruttore del computer come parte integrante della macchina.

 

 

Il raffreddamento dell’acqua avviene in uno scambiatore di calore alimentato a sua volta con acqua refrigerata. Questa può provenire da un gruppo frigorifero dedicato a queste utenze e dimensionato in base alla loro richiesta, oppure da una derivazione del circuito principale a servizio delle unità di trattamento. La costruzione e l’isolamento delle tubazioni di acqua refrigerata deve essere tale da eliminare qualsiasi rischio di perdite e di condensa, in particolare all’interno dell’ambiente.

 

Negli impianti con unità a espansione diretta con condensazione ad acqua, il sistema di free cool­ing prevede l’impiego di batterie di raffreddamento dotate di due circuiti separati, uno a espansione diretta, l’altro con miscela acqua-glicole trattata mediante il dry-cooler normalmente utilizzato per il condensatore ad acqua (figura 5). Il free cooling totale avviene quando la differenza di temperatura tra interno ed esterno è superiore a circa 8 °C. Durante le stagioni intermedie, con temperatura esterna sotto i 18 °C, il sistema funziona con utilizzo parziale o totale dei compressori. Quando la differenza tra la temperatura interna ed esterna è inferiore a 5 °C, il raffreddamento dell’ambiente viene realizzato interamente mediante il circuito a espansione diretta.

In caso di impiego di unità ad acqua refrigerata è possibile sfruttare il free-cooling prevedendo una seconda batteria collegata a un dry-cooler oppure a un gruppo frigorifero dotato di batteria aggiuntiva.

Sistemi per Data Center multitenant

Per i Data Center multitenant, che erogano servizi di hosting, colocation e cloud computing, la soluzione più efficiente è costituita dall’impiego di sistemi centralizzati con unità di trattamento collocate all’esterno del Data Center.  Questa soluzione consente l’impiego di componenti con efficienza superiori rispetto a quelle delle unità locali, non occupa spazio utile in ambiente e semplifica le operazioni di manutenzione. La continuità di funzionamento viene assicurata dalla suddivisione del carico su più macchine e da unità di riserva.

Questa soluzione consente inoltre di sfruttare in modo ottimale il free cooling. Grazie allo sviluppo di rack sempre più efficienti in grado di funzionare con più elevate temperature all’interno dei Data Center, è possibile utilizzare l’aria esterna per il free cooling su un maggior numero di ore annue anche in zone climatiche calde. A tale scopo sono state sviluppate unità di trattamento dotate di sistema di raffreddamento adiabatico indiretto con scambiatori aria/aria a flussi incrociati che consentono una sensibile riduzione del periodo di funzionamento dei compressori e quindi dei costi di gestione (figura 6). Il sistema evita la contaminazione tra l’ambiente interna del Data Center e l’aria esterna. Polveri e inquinanti non entrano nelle sale e quindi non è necessaria filtrazione aggiuntiva.

Fig. 6 – Unità di trattamento aria per Data Center con raffreddamento adiabatico (Hiref).

Il raffreddamento adiabatico viene utilizzato soltanto in condizioni di aria esterna calda e secca e prevede la nebulizzazione dell’acqua nel flusso d’aria esterna a monte del recuperatore. L’evaporazione dell’acqua raffredda l’aria ripresa dall’ambiente che quindi attraversa lo scambiatore a flussi incrociati a una temperatura prossima alla temperatura a bulbo umido. I due flussi d’aria, esterna e di ripresa, non entrano mai in contatto diretto garantendo la purezza dell’aria immessa. Solitamente le unità sono in ogni caso dotate di una batteria di raffreddamento integrativa (ad espansione diretta o ad acqua refrigerata) per fronteggiare le condizioni più critiche con aria esterna calda e umida.

La distribuzione dell’aria

I sistemi di distribuzione dell’aria sono generalmente di due tipi: dal basso oppure dall’alto.

Il sistema dal basso utilizza il sottopavimento come plenum per la distribuzione dell’aria. A tale scopo sono disponibili unità close control dotate di ventilatori integrati nella sottobase da installare nel pavimento sopraelevato nel quale l’aria viene quindi inviata in senso orizzontale (figura 7).

Fig. 7 – Unità close control per mandata dal basso dotata di ventilatori integrati nella sottobase da installare nel pavimento sopraelevato (Aermec).

Il plenum viene mantenuto in pressione mediante un flusso d’aria con portata e temperatura in grado di neutralizzare il carico termico emesso dalle macchine e di mantenere le condizioni termoigrometriche richieste. L’aria viene immessa in ambiente in prossimità dei computer attraverso pannelli forati o griglie pedonabili (figura 8) inserite nei pannelli del pavimento. Questa soluzione permette un buon bilanciamento delle portate e una notevole flessibilità nel posizionamento delle macchine, grazie alla possibilità di spostare facilmente i pannelli del pavimento e le griglie di mandata per adattarsi a eventuali cambiamenti del lay-out o dei carichi.

 

Fig.  8 – Griglia a pavimento per la distribuzione dell’aria.

È fondamentale che l’altezza del plenum del pavimento sopraelevato sia sufficiente per consentire il flusso dell’aria. L’altezza consigliabile è di 550 mm, quella minima di 300 mm. Nelle applicazioni che prevedono la presenza di una notevole quantità di cavi o di elevate portate d’aria, l’altezza deve essere aumentata.

Il plenum sottopavimento deve essere a tenuta, perfettamente pulito e rifinito con un trattamento antipolvere in modo tale da evitare il trascinamento di materiali estranei nel flusso d’aria.

La ripresa avviene solitamente in modo diretto senza canalizzazioni, con ingresso nelle unità dalla parte superiore.

Per migliorare le prestazioni è possibile prevedere la chiusura dei corridoi freddi oppure di quelli caldi mediante pannelli orizzontali e verticali in modo da evitare la miscelazione tra l’aria fredda immessa dal pavimento e l’aria calda scaricata dalle apparecchiature (figura 9).

Fig. 9 – Sistema di contenimento dei flussi d’aria caldo e freddo.

In alternativa è possibile utilizzare una distribuzione dell’aria dall’alto (figura 10).

Fig. 10 – Sistema di distribuzione dell’aria dall’alto.

In questo caso l’aria trattata viene convogliata mediante canali di distribuzione posti nel controsoffitto e distribuita in ambiente mediante diffusori posti a soffitto sopra i corridoi freddi, che devono essere ubicati in modo tale da non interferire con l’aria calda espulsa dalla parte superiore del computer. Anche in questo caso è possibile e consigliabile adottare una configurazione con corridoi freddi e caldi tra loro fisicamente separati.

La grande portata d’aria necessaria per neutralizzare le dissipazioni di calore richiede un’alta prevalenza del ventilatore delle unità di climatizzazione. Il sistema non è flessibile come quello con distribuzione a pavimento, in quanto lo spostamento dei diffusori può risultare problematico. In alcuni casi per la distribuzione dell’aria viene impiegato il controsoffitto come plenum, in modo analogo a quanto avviene per il sottopavimento, con diffusione realizzata mediante pannelli forellati. Anche in questo caso la ripresa dell’aria avviene in modo diretto senza canalizzazioni con ingresso nelle unità dalla griglia frontale.

La centrale frigorifera

I Data Center aziendali e multitenant sono generalmente serviti da una centrale frigorifera dedicata che provvede alla produzione dell’acqua refrigerata a servizio dei condizionatori locali oppure delle unità di trattamento aria. Solitamente vengono adottati a tale scopo gruppi frigoriferi con condensatori ad aria, che possono essere dotati di batterie aggiuntive per sfruttare il free-cooling (figura 11) oppure di sistemi di raffreddamento adiabatico mediante acqua nebulizzata per aumentare la resa con elevate temperature dell’aria esterna (figura 12).

Fig. 11 – Chiller condensati ad aria con sistema di free cooling (Aermec).
Fig. 12 – Chiller condensato ad aria con sistema di raffreddamento adiabatico (Hiref).

In alternativa possono essere adottati gruppi condensati ad acqua collegati a raffreddatori ad aria a secco (dry coolers) oppure ad un circuito ad acqua di falda (geotermia a circuito aperto).

Il sistema deve consentire un funzionamento continuo tutto l’anno, 24 ore su 24 con una potenzialità di riserva proporzionata al grado di sicurezza richiesto. Le operazioni di manutenzione devono essere effettuate senza compromettere il funzionamento dell’impianto. L’impianto deve inoltre consentire futuri ampliamenti e possedere un elevato grado di flessibilità. Per soddisfare queste richieste vengono impiegate unità multiple. Se l’installazione è particolarmente critica, è necessario prevedere una riserva di capacità del 100% o comunque adeguata alle richieste minime che possono essere tollerate fino alla riparazione del guasto. La riserva di energia frigorifera può anche essere assicurata da un impianto di accumulo frigorifero che consenta il raffreddamento del Data Center per alcune ore anche in caso di fermata dei gruppi. In considerazione del funzionamento continuo è fondamentale utilizzare unità ad alta efficienza.

Il sistema di distribuzione dell’acqua refrigerata deve possedere le stesse caratteristiche di affidabilità e di flessibilità del resto dell’impianto. Ciascun componente deve essere provvisto di un’unità di riserva per consentire l’esecuzione delle operazioni di ordinaria manutenzione. La rete di acqua refrigerata deve prevedere la possibilità di una futura espansione con l’aggiunta di altre unità, senza dover interrompere il funzionamento. A tale scopo il circuito di distribuzione viene realizzato ad anello ed è dotato di gruppi di sezionamento dotati di valvole che permettono di intervenire su qualsiasi parte senza interrompere il funzionamento dell’impianto (figura 13).

Fig. 13 – Circuito di distribuzione ad anello dell’acqua refrigerata.

La temperatura dell’acqua refrigerata deve essere tale da neutralizzare i carichi termici senza provocare la condensazione sulle tubazioni fredde, in particolare nei tratti posti all’interno dell’ambiente. Poiché i carichi sono essenzialmente di natura sensibile, è possibile far circolare acqua a una temperatura relativamente alta e ottenere un effetto positivo sul funzionamento e sull’efficienza dell’impianto. La rete deve essere provata in pressione e bacinelle di raccolta devono essere poste al di sotto di valvole o altri componenti che non possono essere completamente isolati.

Luca Stefanutti

 

 

 

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