La cantidad de centros de datos en los Estados Unidos continúa creciendo en respuesta a la enorme cantidad de información digital almacenada y transmitida. La enorme potencia informática de estos centros de datos genera calor, lo que hace que la refrigeración eficiente sea un requisito clave del sistema del edificio. Las torres de enfriamiento evaporativo son una parte integral de muchos sistemas de enfriamiento de centros de datos.
Recientemente algunos han cuestionado el uso de torres de enfriamiento, citando la escasez de agua para reforzar sus argumentos. Pero un examen exhaustivo del uso de agua para las torres de enfriamiento locales en sitio en comparación con el uso de agua para generar energía en plantas de energía regionales de combustibles fósiles revela resultados sorprendentes.
Opciones de refrigeración del centro de datos
Hay varias formas de enfriar los centros de datos, según el tamaño, la capacidad de la computadora que debe enfriarse, los costos de energía regionales y la carga y densidad de datos. Las opciones populares incluyen:
• Planta enfriadora enfriada por agua: incluye sistema de enfriadora, bombas, torre de enfriamiento e intercambiador de calor de placas/marco en serie con el enfriador.
• Planta enfriadora enfriada por aire: incluye sistema de enfriamiento y bombas.
• Enfriamiento evaporativo directo – sin refrigeración mecánica, también conocido como “enfriamiento por pantano”
• Enfriamiento adiabático: sistema enfriado por aire asistido por un sistema enfriado por agua durante las condiciones pico
Para atraer clientes, los operadores de centros de datos sopesan las opciones y buscan sistemas que reduzcan los costos operativos y el impacto ambiental. Prestan mucha atención a la efectividad del uso de energía (PUE), definida como la relación entre la cantidad total de energía utilizada por un centro de datos y la energía entregada al equipo informático. Un PUE de 1 significa que la potencia de rechazo de calor es igual a la potencia utilizada por el equipo informático.
Los operadores de centros de datos también están preocupados por la eficacia del uso del agua (WUE). Las torres de refrigeración evaporan el agua, pero el impacto depende de la ubicación. Según Tim Chiddix, PE, vicepresidente de ingeniería mecánica de Swanson Rink, líder en el diseño de infraestructura de instalaciones de centros de datos, los centros de datos pueden variar desde unos pocos cientos de pies cuadrados hasta varios cientos de miles de pies cuadrados y ninguna tecnología de refrigeración funciona bien en todas las regiones. , criterios del cliente y aplicaciones. "Se deben analizar todas y cada una de las instalaciones para determinar el enfoque que mejor satisfaga las necesidades del cliente y aproveche las oportunidades de ahorro de energía y agua de la región en particular".
Swanson Rink especifica equipos como parte de su práctica de centro de datos y frecuentemente combina torres de enfriamiento con enfriadores mecánicos para un enfriamiento eficiente.
Las cuestiones relacionadas con el uso del agua deben evaluarse de manera integral
La sequía prolongada en los estados occidentales ha provocado que muchas empresas reexaminen el impacto del uso de agua para enfriar los centros de datos. Algunos han cuestionado si las torres de enfriamiento en sitio usan demasiada agua dada esta escasez. Al evaluar la mejor estrategia de enfriamiento para un centro de datos, es fundamental considerar el uso del agua de manera integral, incluido el uso del agua donde se genera la energía. Vistos desde esta perspectiva, los sistemas de enfriamiento evaporativo mecánico suelen ser mucho más eficientes que los sistemas secos alternativos.
La cantidad de agua utilizada por el ciclo de vapor de una central eléctrica 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 enfriado por aire que usa 1 megavatio (MW) de energía por año en comparación con un sistema enfriado por agua que usa 0,5 MW por año y 3000 galones de agua por minuto. La cantidad de galones que usa la planta de energía para generar los 0,5 MW adicionales para alimentar el sistema enfriado por aire es en realidad mayor que la cantidad de agua que usaría localmente la torre de enfriamiento del sistema enfriado por agua. Reducir la energía utilizada en las centrales eléctricas puede en realidad ahorrar agua.
Tim Chiddix y Brook Zion de Swanson Rink evaluaron el problema del uso del agua en un documento técnico, "Uso del agua en centros de datos para Denver, Phoenix y Los Ángeles: una mirada al panorama general". Chiddix y Zion examinaron si la reducción en el uso de agua en una instalación de centro de datos individual da como resultado una reducción agregada en el uso de agua para el sistema de suministro de agua regional.
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 enfriados por agua en lugar de sistemas de condensación enfriados por aire puede reducir significativamente los costos de energía de refrigeración; sin embargo, la eficacia del enfriamiento por evaporación depende en gran medida de la ubicación, ya que el clima más seco da como resultado una mayor eficiencia”.
Estudiaron si esta reducción de energía viene acompañada de un aumento en el uso de agua en el sitio debido a la evaporación. También consideraron si esta evaporación es un desperdicio de agua y si los propietarios de centros de datos deberían considerar equipos refrigerados por aire. La evaluación comparó muestras de centros de datos ubicados en Denver, Phoenix y Los Ángeles. Examinó la red eléctrica regional para determinar cuánta agua consumen las compañías eléctricas para producir un kilovatio-hora (kWh) de energía.
Los datos de la tasa de consumo de agua del informe técnico TP-550-33906 del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) se muestran en la Tabla 1.
| Estado | Galones/kWh |
| Colorado | 1.20 |
| Arizona | 7.88 |
| California | 4.64 |
El estudio analizó la refrigeración de un centro de datos de muestra con una carga de refrigeración constante de 1500 kW. Los autores compararon un sistema de refrigeración enfriado por agua de eficiencia estándar y un sistema de refrigeración enfriado por aire de eficiencia estándar, así como un sistema evaporativo sin refrigeración mecánica. La planta enfriada por agua incluye un sistema de enfriamiento, bombas, una torre de enfriamiento y un intercambiador de calor de placas/marco en serie con el enfriador. El enfriador enfriado por aire incluye el sistema de enfriamiento y las bombas. La Tabla 2 muestra que el consumo de energía a plena carga del enfriador enfriado por aire fue significativamente mayor que el del enfriador enfriado por agua.
| Tipo de enfriador | Denver (kW/tonelada) | Phoenix (kW/Ton) | LA (kW/Ton) |
| Aire enfriado | 1.250 | 1.340 | 1.250 |
| Enfriado hidráulicamente | 0.431 | 0.462 | 0.426 |
El uso del agua, a través de la evaporación, se basó en datos de temperatura de bulbo seco y de bulbo húmedo de un Año Meteorológico Típico (TMY3) obtenidos de la Base Nacional de Datos de Radiación Solar (NSRDB). Los autores descubrieron que el sistema de refrigeración por agua de Denver consumía 1.610.748 kWh de energía y el sistema de refrigeración por aire consumía 4.663.740 kWh al año.
La Figura 1 muestra el uso de energía y agua de los sistemas de 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 enfriador enfriado por aire consume más energía y no evapora agua en el sitio. Todo su uso de agua se realiza al ritmo del consumo de agua de la central eléctrica. Por el contrario, el enfriador enfriado por agua tiene un menor consumo de energía y una combinación de consumo de agua en el sitio y en la planta de energía.
Según Chiddix, es posible que los municipios que exigen que los centros de datos utilicen menos energía y agua in situ no hayan considerado todas las implicaciones de estos requisitos. En su opinión, si se considera la planta generadora de energía en la ecuación, las tecnologías de enfriamiento seleccionadas para el centro de datos pueden en realidad resultar en un mayor uso general de energía y agua.
Factores adicionales de ahorro de energía a considerar
Las tecnologías enfriadas por agua son más eficientes, particularmente cuando se emplea "enfriamiento gratuito" durante períodos de clima más frío. El enfriamiento gratuito, también conocido como enfriamiento con “economizador del lado del agua”, es un método económico para utilizar bajas temperaturas del aire externo para ayudar a enfriar el agua. Cuando se opera en modo de enfriamiento gratuito, el agua de la torre de enfriamiento está lo suficientemente fría como para que no se requiera refrigeración mecánica por parte del enfriador. Esto reduce significativamente el requerimiento de energía, generalmente en un 75 por ciento o más. Para aprovechar los ahorros de energía posibles con el enfriamiento gratuito, debe haber suficientes horas de clima frío para justificar la inversión adicional en equipos para el intercambiador de calor de placa/marco y otros componentes.
Una evaluación de los beneficios de las torres de enfriamiento en la refrigeración de centros de datos también debe considerar el “flujo variable”, otro método para reducir el consumo de energía. Las torres de enfriamiento están dimensionadas para las condiciones de diseño de verano; El flujo variable permite a los usuarios reducir el flujo de agua desde la torre de enfriamiento al enfriador durante las estaciones más frías. Los ventiladores funcionan a menor velocidad, lo que reduce el consumo de energía. Aprovechar los modos de enfriamiento gratuito y flujo variable puede reducir drásticamente el uso de energía de la torre de enfriamiento.
La modularidad de la torre de enfriamiento proporciona otra ventaja. Es posible que los propietarios de centros de datos prefieran construir sus instalaciones con el tiempo a medida que crece la demanda de servidores. Para controlar los gastos de capital iniciales y los costos operativos, los operadores de centros de datos pueden agregar capacidad de enfriamiento más adelante según sea necesario utilizando sistemas que incorporan torres de enfriamiento modulares ensambladas en fábrica a medida que la instalación crece. Es importante que la construcción del centro de datos se complete a tiempo para que los servidores puedan estar operativos rápidamente y generar ingresos. Las torres de enfriamiento modulares preensambladas y montadas en el campo pueden cumplir con los requisitos de entrega y los cronogramas de construcción urgentes.
Sopesando las opciones de agua
Existen muchas combinaciones de soluciones de enfriamiento mecánico y evaporativo que se pueden evaluar para cumplir con los requisitos de enfriamiento del centro de datos. A medida que se agrega la discusión sobre el agua a la lista de consideraciones de diseño, es importante comprender y evaluar la relación entre la energía eléctrica y el consumo de agua local para tomar decisiones bien razonadas para lograr la conservación de energía y agua.
| Denver | Fénix | los Angeles | |
| Consumo Anual de Energía (kW) | Consumo Anual de Energía (kW) | Consumo Anual de Energía (kW) | |
| Enfriador enfriado por agua | 1,610,748 | 1,726,603 | 1,592,062 |
| Enfriador enfriado por aire | 4,663,470 | 4,999,089 | 4,663,470 |
| Sistema | Uso anual de agua (galones/año) | Uso anual de agua (galones/año) | Uso anual de agua (galones/año) |
| Enfriador enfriado por agua | 3,593,000 | 14,844,000 | 7,732,000 |
| Enfriador enfriado por aire | 4,645,000 | 36,182,000 | 16,640,000 |
| Diferencia | 1,052,000 | 21,338,000 | 8,908,000 |
| % de reducción del uso de agua | 22.60% | 59.00% | 53.50% |
Acerca de los autores: Paul Erlinger es gerente de desarrollo comercial global: centros de datos y tecnología y Kent Martens es gerente de ventas regional de SPX Cooling Technologies, Inc.
