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Retos hacia la eficiencia energética: Sistemas de aire acondicionado en data centers

El creciente desarrollo de los data centers en México y su incremento en el consumo energético, plantean un reto importante para los fabricantes de aire acondicionado, para quienes el mayor desafío es encontrar soluciones eficientes de enfriamiento en centros de datos de alta densidad.

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El creciente desarrollo de los data centers en México y su incremento en el consumo energético, plantean un reto importante para los fabricantes de aire acondicionado, para quienes el mayor desafío es encontrar soluciones eficientes de enfriamiento en centros de datos de alta densidad.

Por:  Susana Paz

Los data centers se han constituido en los últimos años como importantes sistemas emergentes de uso de energía, debido a la gran demanda que tienen en todos los sectores de la vida. En el país y en el mundo, no hay mediana ni gran empresa que no tenga un centro de cómputo.

Debido a que su ritmo de crecimiento es acelerado y dinámico, los centros de datos han experimentado un dramático incremento en el consumo de energía, que para 2006 alcanzó la cifra de 61 billones de kWh o su equivalente a 4.5 billones de dólares en costos anuales por facturación eléctrica. Esto representó el 1.5% del consumo total de energía eléctrica en los Estados Unidos. Para 2011, la proyección es de 100 billones de kWh, con costos que rondarán los 7.4 billones de dólares anuales.

Este consumo ha sido impulsado por la demanda de una mayor capacidad de los sistemas computarizados y el aumento de la centralización de los sistemas de Tecnologías de Información (TI). Si bien esta tendencia se ha venido presentando desde décadas atrás, los precios mundiales de la electricidad han experimentado un aumento del orden de 56% desde el 2002 hasta la fecha.

En este contexto, la eficiencia de los data centers se ha convertido en un típico foco de discusión global que abarca a fabricantes de equipos, proveedores de tecnología, diseñadores, compañías de suministro de energía y usuarios finales.

Gerentes de TI en todo el mundo, han tenido que involucrarse en una carrera por atender aspectos relacionados con potencia, enfriamiento y espacio, buscando prácticas que apoyen la eficiencia energética y la sostenibilidad, como estrategias para reducir costos, administrar la capacidad y promover la responsabilidad con el medio ambiente.

De acuerdo a una encuesta publicada en el 2007 por “Survey of Data Center Users Goup” (DCUG) un influyente grupo de gerentes de data centers identificaron las limitaciones en energía, como principal factor para el crecimiento (46% de los consultados).

En ese mismo estudio, se encontró que 77% de los encuestados ya tenían en sus data centers disposiciones de pasillo frío-pasillo caliente, para aumentar la eficiencia en el sistema de climatización; 65% utilizaba paneles ciegos para reducir al mínimo la recirculación del aire caliente y 56% habían sellado el suelo para evitar pérdidas de aire frío.

Según los especialistas, los tres obstáculos más importantes que enfrentan los administradores de data centers hoy en día son: Energía, Enfriamiento y Espacio.

No obstante, para el experto en centros de datos y presidente de la International Computer Room Experts Association (ICREA), Eduardo Rocha Álvarez, las soluciones que ahora existen en sistemas de aire acondicionado y climatización todavía no son suficientes para enfrentar los grandes retos que implican estos centros, sobre todo los de alta densidad.

A su juicio, el gran desafío para los fabricantes de sistemas de aire acondicionado es lograr enfriar eficientemente equipos racks que disipen unos 30 kW: “Tenemos una enorme cantidad de crecimiento en estos centros, y no hay la capacidad técnica alrededor del mercado para satisfacer las necesidades”.

Eduardo Rocha Álvarez lleva más de 40 años construyendo, diseñando y asesorando las instalaciones de data centers en México, es presidente fundador de la única asociación de carácter internacional que representa este sector.

El panorama Mexicano
Actualmente en México cientos de centros de cómputo se construyen cada año, en extensiones que van desde 16 m2 hasta 2 mil m2: “El año anterior pasaron por mis manos más de 250 mil m2 de piso elevado. Eso es una cantidad muy significativa a considerar. No hay países latinoamericanos con ese nivel de crecimiento salvo Brasil, pero fuera de eso, los demás países ni remotamente tienen ese nivel en Latinoamérica”, aseguró Rocha Álvarez.

Con un ritmo de crecimiento acelerado y dinámico, la reciente importancia de los data centers se puede conjugar afirmando que no hay mediana, ni gran empresa en el país, que no tenga un centro de cómputo: “Estamos hablando de las mil empresas más importantes de México, más 250 mil medianas, y no menos de mil centros de cómputo que tiene el gobierno en sus diferentes niveles, son miles de centros los que existen”, afirmó el experto.

De esta manera, se trata de 250 mil m2 de centros de cómputo en todo el país en 2010, y para este año se perfila un desarrollo similar. Según Rocha Álvarez, “vamos a tener lo mismo el año que viene y los próximos cinco años igual. Se trata de un crecimiento mundial, en el que van a pasar varios, muchos años, antes de que pueda disminuir su ritmo de crecimiento”.

Con una larga trayectoria en este medio tecnológico, el presidente del ICREA asegura que son al menos 10 años en los que se ha desarrollado desmedidamente este sector, derivado de los cambios y el impacto que tiene en la vida de todos los ciudadanos: “Hoy por hoy, las tarjetas de crédito están gobernadas por los centros de cómputo; las líneas aéreas están gestionadas por un data, toda la administración pública, la administración privada, y podemos extrapolarlo a todas las áreas, comercial, industrial, manufacturera, a todos los ámbitos. De tal manera que el ser humano, hasta para ir a despacharse gasolina del auto, está involucrado con un proceso informático”.

Los centros de datos representan un consumo considerable de energía y son los de más rápido crecimiento
31%        Industria & Infraestructura
2%          Centros de Datos & Redes
18%        Edificios
21%        Residencial
28%        Transportación
Fuente: EERE, Building Energy y Databook 2006

Sistemas de enfriamiento
Hay dos elementos primordiales para el funcionamiento de un data center: El suministro de energía eléctrica y el enfriamiento, “que son los dos puntos básicos en que un centro de cómputo puede volverse un caos”, aseguró el experto.

El sistema de aire acondicionado constituye uno de los retos tecnológicos más importantes a enfrentar. En la Norma expedida por el ICREA, que es el único organismo internacional que norma y certifica especialistas, ambientes y productos de infraestructura de TI, en el área de aire acondicionado se considera que: “Se entiende por instalación de aire acondicionado para ambientes de TI a aquella instalación que sirva para proporcionar enfriamiento, humedad relativa y limpieza apropiada del aire a equipos de cómputo y telecomunicaciones y sus correspondientes equipos de soporte… La instalación de aire acondicionado deberá cumplir con los requisitos y/o especificaciones de los fabricantes de hardware y con los códigos locales aplicables a este tipo de instalaciones”.

Para el presidente del ICREA, en las reuniones y congresos hay muchas corrientes de cómo enfriar: “Hay quienes proponen poner un gabinete interno en el data center para enfriar. Otros dicen que eso no funciona, que lo que funciona es la inyección por el plenum”, comentó.

A su juicio, todos los sistemas funcionan correctamente. El problema se torna, dice, cuando se empieza a entrar en ambientes de alta densidad, en donde hay más de  10 kW por un metro cuadrado: “Entonces enfriar estos equipos ya no es tan sencillo, ya que requiere un flujo importante de aire. Mientras se hable de mediana y baja intensidad, cualquier solución es buena, pero si se habla de alta densidad, se debe hacer un poco más estricto en eso”.

Los diferentes fabricantes proponen diversas alternativas para lograrlo. Hay soluciones que hacen un flujo, una corriente de aire de arriba hacia abajo, suficientemente intensa para que los sistemas absorban humedad con toda la precisión que los equipos de cómputo requieren.

En primer lugar, para seleccionar el sistema, se realiza el cálculo térmico para determinar la capacidad de equipo de aire a instalar, considerando redundancia para aumentar la confiabilidad y la disponibilidad.

Según expone en un artículo el experto Dante Reynoso Franco, entidades como el Uptime Institute hacen recomendaciones para redundancia en categorías desde TIER 1 con redundancia N, hasta TIER 4 con una redundancia de mínimo N+1. El nivel de redundancia depende de qué tan crítica sea la operación y continuidad de la sala. Una vez que se determina la capacidad y el nivel de redundancia que requiere, se selecciona el sistema de enfriamiento.

Existen los siguientes sistemas básicos de enfriamiento en equipos de aire acondicionado de precisión:

  • Sistemas de expansión directa DX: Enfriados por aire, agua y glycol
  • Sistemas enfriados por agua helada
  • Sistemas mixtos, evaporador con serpentín de expansión directa y serpentín de agua helada

La selección va a depender de las distancias entre unidad interior y exterior, si se tiene una distancia menor a 30 metros entre unidades se recomienda utilizar sistemas de expansión directa enfriados por aire.

En el caso de la problemática en sistemas de alta densidad, diferentes fabricantes de aire acondicionado de precisión han diseñado soluciones, como por ejemplo, colocar equipos junto a los gabinetes de servidores, situar equipos de enfriamiento en la parte superior de los gabinetes como complemento al equipo de enfriamiento a través de la colocación de piso falso y otros elementos que pueden ser compatibles con el diseño.

Sin embargo, existe una alternativa muy eficiente, que consiste en emplear como apoyo al sistema de distribución de aire hacia el piso falso, gabinetes diseñados para alta densidad con chimenea hacia el plafón y extractores de aire redundantes con operación automática en caso de mal funcionamiento o falla de uno de ellos.

 Mejores prácticas de enfriamiento
Si bien muchas consultoras de data centers y diversos organismos han propuesto alternativas a seguir para disminuir el consumo energético, la estrategia de la guía “Uso inteligente de energía” emitida por el grupo Data Center Consultores, resulta, según expertos, muy adecuada por el perfil holístico que ofrece.

En ella se manejan 10 acciones para disminuir y eficientar el consumo de energía. Los puntos se toman a partir de los resultados obtenidos de un modelo de data center de 570 m2, en el que se logró la reducción de hasta 52% en el uso de energía sin comprometer el rendimiento o la disponibilidad.

En el rubro específico de los sistemas de aire acondicionado, algunas prácticas recomendadas son la implementación del pasillo frío-pasillo caliente en los arreglos de gabinetes. Señala también el enorme potencial de optimización en aspectos de sellado de aberturas en los pisos elevados, utilizando paneles ciegos en los espacios libres de los bastidores, y evitando la mezcla de aire frío y aire caliente. La American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) ha publicado algunos puntos sobre estas mejores prácticas.

Las simulaciones computarizadas de dinámicas de fluidos, también pueden ser utilizada para identificar las deficiencias y optimizar el flujo de aire en el data center.

Además, muchas organizaciones están contratando ya, como parte de los estudios de diseño y diagnóstico de data centers, servicios de evaluación centrados en la mejora de la eficiencia de los sistemas de climatización.

Caminos hacia la eficiencia
Grandes centros de datos en todo el mundo están buscando implementar las mejores prácticas y estrategias para eficientar energía. En el caso de Facebook, estudiaron las lecturas de temperatura y humedad de todo su centro en Santa Clara, California, Estados Unidos, utilizando un programa informático de dinámica de fluidos para estudiar el movimiento del aire, lo que les permitió cerrar 15 de sus controladores de aire de su sistema de refrigeración y ahorrar 230 mil dólares anuales.

La empresa Yahoo!, inauguró un centro de datos diseñado para aprovechar su situación geográfica y los recursos naturales para obtener una mayor eficiencia energética. El nuevo centro está en Lockport, al norte de Nueva York, y se construyó para albergar 50 mil servidores y utilizar el aire fresco de la zona como refrigeración natural.

Otros puntos que se pueden tomar en cuenta para la eficiencia son:

Enfriamiento con capacidad variable. Los data centers normalmente son diseñados para manejar cargas pico, aunque rara vez se presentan. En consecuencia, datos de la eficiencia a plena carga, a menudo no son una buena indicación de la eficiencia de funcionamiento real.

Tecnologías más nuevas, tales como compresores digitales tipo scroll y variadores de frecuencia en los equipos de aire acondicionado de la sala de cómputo (CRAC), permiten una alta eficiencia con cargas parciales.

Estos compresores digitales permiten que la capacidad de los aires acondicionados se ajuste a las condiciones ambientales de la sala, sin necesidad de estar apagando y encendiendo el compresor.

Normalmente los ventiladores de las unidades CRAC corren a una velocidad constante y entregan en su funcionamiento un volumen constante de flujo de aire.

Mediante ventiladores con variadores de frecuencia es posible ajustar la velocidad de los ventiladores y el consumo de energía conforme se reduce la carga. La potencia del ventilador es directamente proporcional al cubo de las revoluciones por minuto del ventilador, por lo tanto, una reducción del 20% en la velocidad del ventilador proporciona casi 50% de ahorro en energía de los ventiladores.

Enfriamiento suplementario. Los sistemas de enfriamiento tradicionales han demostrado ser eficaces en el mantenimiento seguro y controlado del ambiente del cuarto de cómputo. Sin embargo, la optimatización de la eficiencia energética requiere migrar de un data center con densidades de carga tradicionales (2 a 3 kW por rack) a ambientes que pueden soportar densidades altas de carga (excediendo los 30 kW por rack).

Esto requiere la aplicación de un enfoque en la climatización que suple parte de las necesidades de enfriamiento mediante los sistemas convencionales, mientras que la otra parte de la carga es suplida por sistemas de enfriamiento suplementario.

Esos sistemas son unidades de climatización que pueden ir montadas encima de los gabinetes de servidores o a un lado de dichos gabinetes, entre filas, extrayendo el aire caliente directamente del pasillo caliente y suministrando aire frío, al pasillo frío.

Las unidades de enfriamiento suplementario pueden reducir los costos por concepto de enfriamiento hasta 30% en comparación con los enfoques tradicionales.

Eficiencia vs disponibilidad
Según Eduardo Rocha Álvarez, los sistemas de enfriamiento convencionales, se iniciaron como sistemas poco eficientes pero, con el tiempo, se han ido eficientando cada vez más, al grado de que los equipos actuales son bastante efectivos: “No al grado perfecto que quisiéramos, pues nos falta mucho camino que recorrer en el ámbito de la eficiencia en cuanto al aire acondicionado”, afirma.

Y es que considera que entre la eficiencia y la disponibilidad hay una situación antagónica: “Cuando se requiere un data center de muy alta disponibilidad y de emisión crítica, no se puede andar buscando en eficientar, porque por eficientar se puede poner en riesgo la disponibilidad. Es por ello que son ligeramente antagónicos. Entre más eficiente es el sistema de enfriamiento y de suministro de energía, el riesgo de la disponibilidad va decayendo. Consecuentemente se debe buscar un balance, en donde tiene que aceptar una cierta suficiencia, a cambio de una muy alta disponibilidad”.

Para el experto, en ambientes de muy alta densidad, la tecnología de sistemas de aires acondicionados todavía no ha alcanzado a resolver al 100% el problema de enfriamiento: “Hay propuestas y posibles soluciones, pero aún no hay una solución formal. Existen racks en donde puede uno tener 30 kW adentro de un metro cuadrado, disipándose de calor, y la verdad es que resolver la disipación de 30 kW en un metro cuadrado, con los equipos que hay ahora en el mercado, es realmente difícil”, expone.

En este caso, según afirma, hay empresas que han propuesto meter en un rack manejadoras de aire y forzar un flujo de aire lateral, para enfriar los equipos adyacentes, “es una muy buena solución, pero tiene sus límites. Está limitado a los racks adyacentes, aunque ellos defienden su punto en la parte comercial, al decir que el aire que sale puede dar la vuelta. La verdad es que funciona bien en los equipos adyacentes únicamente, claro, para ambientes de mediana y baja densidad”, explica.

Para el presidente de ICREA, ese es el gran desafío para los fabricantes de equipos de aire acondicionado: “El gran reto es lograr enfriar eficientemente equipos racks que disipen unos 30 kW, cuando se tiene un ambiente grande, en donde coexisten muchos equipos que disipan mucho calor, pero también hay otros que disipan una cantidad mediana, lo que se pretende es formar un ambiente que se ocupe de todo eso”, aseveró.

Mirada hacia el Futuro
Para el ingeniero Eduardo Rocha Álvarez, cuya trayectoria y experiencia en el rubro es inigualable, lo que se espera en el ámbito de sistemas de aire acondicionado es muy claro: “Esperaríamos que surgiera una solución integral al data center, que no sean soluciones muy focalizadas, sino soluciones generales en donde la dinámica propia de un centro de cómputo se pueda dar. Es decir, los centros de cómputo son entidades vivas, que todos los días van creciendo. Entonces no se puede diseñar un centro de cómputo, pensando que esto va a ser estático los próximos dos años, ya que a lo largo del año va a ir creciendo y a los dos años va a ser casi del doble de lo que se planeó en su origen. Eso es experiencia mía vivida durante 45 años que llevo haciendo centros de cómputo”, expresó.

A fin de cuentas, afirma el especialista Eduardo Rocha, la mayor expectativa en sistemas de aire acondicionado en data center está centrada en el surgimiento de una solución tecnológica “que pudiera ser de crecimiento dinámico, fácilmente implementable, que presente una sustentabilidad fantástica, muy eficiente desde el punto de vista de energía eléctrica, y que sea muy estable en temperatura y humedad, para todo lo que es el ambiente”.

A mediano y largo plazo, los data center seguirán creciendo rápida y dinámicamente. La tecnología seguirá avanzando, “y no se detendrá ante nada”, aseguró el presidente del ICREA. Sólo resta esperar que surjan soluciones más eficientes en los sistemas de aire acondicionado para data centers de alta densidad, que respondan a las necesidades energéticas de esta avasallante tecnología de información.

Center Mexicano: Centro de Datos Triara
Datos Triara es uno de los centros de datos más importantes en América Latina. En 2012 construirá una nueva superficie de 5 mil 100 m2. En los últimos tres años, creció 33% cubriendo su capacidad en 75%.

Representa una inversión de más de 100 millones de dólares que ha colocado Telmex en su complejo situado en Querétaro, que surgió en 2007 como una alianza de inversión entre Telmex y Hewlett Packard.

El complejo cuenta con más de 2 mil 500 clientes nacionales e internacionales, grandes empresas gubernamentales y del sector privado.

Tiene la certificación de ICREA nivel 5, ­sello que ofrece certeza de que la información y respaldo de datos se encuentran bajo estrictos estándares de seguridad.

Triara está conformado por 11 bunkers, cajas de concreto de 480 metros cuadrados y paredes de 22 centímetros de grosor, cuya función es almacenar la información. Dentro de ellos se encuentran los servidores resguardados con la mayor seguridad, ya que estas bóvedas están dentro de otras dos cajas de concreto.

Está equipado con el mejor sistema de aire acondicionado, ya que brinda la temperatura y humedad exacta para la función de estos equipos de cómputo estipulado por el ICREA.
Fuente: www.telmex.com.mx

International Computer Room Experts Association (ICREA)
Es el único organismo internacional que norma y certifica especialistas, ambientes y productos de Infraestructura de TI. Fundada en México en 1999, está formada por ingenieros especializados en el diseño, construcción, operación, mantenimiento, adquisición, instalación y auditoría de centros de cómputo.

Cuenta con presencia internacional en 20 países entre ellos Estados Unidos, Italia, Filipinas, Singapur, Colombia, Honduras, Costa Rica, Panamá, Salvador, Venezuela, Bolivia y Argentina.

Está formada por 1 800 miembros activos en países y 700 en México. ICREA se enfoca en cinco especialidades con respecto a data centers: Comunicaciones, Sistema Eléctrico, Aire Acondicionado, Seguridad y Entorno.

La Norma ICREA es un conjunto de recomendaciones y mejores prácticas consensadas entre varios países y un grupo de expertos en CPD’s e incluye aspectos específicos enfocados en la mejora y optimización de recursos. Comprende aspectos como: Instalaciones eléctricas, aire acondicionado, comunicaciones, enviroment (piso elevado, acabados, obra civil) y seguridad (CCTV), control de acceso, detección y supresión de incendios.
Fuente: ICREA
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