Il numero di data center negli Stati Uniti continua a crescere in risposta all'enorme quantità di informazioni digitali archiviate e trasmesse in streaming. L'enorme potenza dei computer all'interno di questi data center genera calore, rendendo il raffreddamento efficiente un requisito fondamentale del sistema edilizio. Le torri di raffreddamento evaporative sono parte integrante di molti sistemi di raffreddamento dei data center.
Recentemente alcuni hanno messo in dubbio l’uso delle torri di raffreddamento, citando la scarsità d’acqua per sostenere le loro argomentazioni. Ma un esame approfondito dell’uso dell’acqua per le torri di raffreddamento locali rispetto all’uso dell’acqua per generare energia nelle centrali elettriche regionali a combustibili fossili rivela risultati sorprendenti.
Opzioni di raffreddamento del data center
Esistono diversi modi per raffreddare i data center, a seconda delle dimensioni, della capacità del computer da raffreddare, dei costi energetici regionali, del carico e della densità dei dati. Le opzioni più popolari includono:
• Impianto di refrigerazione raffreddato ad acqua: comprende sistema di refrigerazione, pompe, torre di raffreddamento e scambiatore di calore a piastre/telaio in serie con il refrigeratore
• Impianto di refrigerazione raffreddato ad aria – comprende sistema di refrigerazione e pompe
• Raffreddamento evaporativo diretto – senza refrigerazione meccanica, denominato anche “raffreddamento a palude”
• Raffreddamento adiabatico – sistema raffreddato ad aria assistito da un sistema raffreddato ad acqua durante le condizioni di picco
Per attirare i clienti, gli operatori dei data center valutano le opzioni e cercano sistemi che riducano i costi operativi e l'impatto ambientale. Prestano molta attenzione all'efficacia dell'uso dell'energia (PUE), definita come il rapporto tra la quantità totale di energia utilizzata da un data center e l'energia fornita alle apparecchiature informatiche. Un PUE pari a 1 significa che la potenza di rifiuto del calore è uguale alla potenza utilizzata per le apparecchiature informatiche.
Gli operatori dei data center sono preoccupati anche per l'efficacia dell'uso dell'acqua (WUE). Le torri di raffreddamento fanno evaporare l'acqua, ma l'impatto dipende dalla posizione. Secondo Tim Chiddix, PE, VP Mechanical Engineering presso Swanson Rink, leader nella progettazione di infrastrutture per data center, i data center possono variare da poche centinaia di piedi quadrati a diverse centinaia di migliaia di piedi quadrati e nessuna tecnologia di raffreddamento funziona bene per tutte le regioni , criteri e applicazioni del cliente. “Ogni singola struttura deve essere analizzata per determinare l’approccio che meglio soddisfa le esigenze del cliente e sfrutta le opportunità di risparmio energetico e idrico della particolare regione.”
Swanson Rink specifica le apparecchiature come parte della pratica del data center e spesso combina torri di raffreddamento con refrigeratori meccanici per un raffreddamento efficiente.
I problemi legati all’uso dell’acqua devono essere valutati olisticamente
La prolungata siccità in tutti gli stati occidentali ha indotto molte aziende a riesaminare l’impatto dell’utilizzo dell’acqua per il raffreddamento dei data center. Alcuni si sono chiesti se le torri di raffreddamento in loco utilizzino troppa acqua date queste carenze. Nel valutare la migliore strategia di raffreddamento per un data center, è fondamentale considerare l'utilizzo dell'acqua in modo olistico, compreso l'utilizzo dell'acqua nel luogo in cui viene prodotta l'energia. Se visti in questa luce, i sistemi di raffreddamento evaporativo meccanico sono spesso molto più efficienti dei sistemi a secco alternativi.
La quantità di acqua utilizzata dal ciclo del vapore di una centrale elettrica a combustibile fossile per generare elettricità può essere maggiore della quantità di acqua utilizzata dalla torre di raffreddamento del data center. Un esempio è un sistema raffreddato ad aria che utilizza 1 megawatt (MW) di energia all'anno rispetto a un sistema raffreddato ad acqua che utilizza 0,5 MW all'anno e 3.000 litri d'acqua al minuto. Il numero di galloni che la centrale utilizza per produrre gli ulteriori 0,5 MW necessari per alimentare il sistema raffreddato ad aria è in realtà maggiore della quantità di acqua che verrebbe utilizzata localmente dalla torre di raffreddamento del sistema raffreddato ad acqua. Ridurre l’energia utilizzata dalle centrali elettriche può effettivamente far risparmiare acqua.
Tim Chiddix e Brook Zion di Swanson Rink hanno valutato il problema dell'uso dell'acqua in un libro bianco, "Utilizzo idrico dei data center per Denver, Phoenix e Los Angeles: uno sguardo al quadro generale". Chiddix e Zion hanno esaminato se la riduzione del consumo idrico presso una singola struttura del data center si traduce in una riduzione complessiva del consumo idrico per il sistema di approvvigionamento idrico regionale.
Gli autori notano che l’acqua è un mezzo più efficiente dell’aria per rimuovere il calore perché l’evaporazione migliora il processo di raffreddamento. “L'utilizzo di sistemi di condensazione raffreddati ad acqua rispetto ai sistemi di condensazione raffreddati ad aria può ridurre significativamente i costi energetici di raffreddamento; tuttavia, l’efficacia del raffreddamento evaporativo dipende molto dalla posizione, poiché il clima più secco si traduce in una maggiore efficienza”.
Hanno studiato se questa riduzione energetica si accompagna a un aumento del consumo di acqua in loco a causa dell’evaporazione. Hanno inoltre valutato se questa evaporazione stia comportando uno spreco di acqua e se i proprietari dei data center debbano invece prendere in considerazione apparecchiature raffreddate ad aria. La valutazione ha confrontato data center campione situati a Denver, Phoenix e Los Angeles. Ha esaminato la rete elettrica regionale per determinare quanta acqua consumano le società elettriche per produrre un kilowattora (kWh) di energia.
I dati sul consumo di acqua tratti dal rapporto tecnico TP-550-33906 del National Renewable Energy Laboratory (NREL) sono mostrati nella Tabella 1.
| Stato | Galloni/kWh |
| Colorado | 1.20 |
| Arizona | 7.88 |
| California | 4.64 |
Lo studio ha esaminato il raffreddamento di un data center campione con un carico di raffreddamento costante di 1.500 kW. Gli autori hanno confrontato un sistema di raffreddamento ad acqua con efficienza standard e un sistema di raffreddamento ad aria con efficienza standard, nonché un sistema evaporativo senza raffreddamento meccanico. L'impianto raffreddato ad acqua comprende un sistema di refrigerazione, pompe, torre di raffreddamento e scambiatore di calore a piastre/telaio in serie con il refrigeratore. Il refrigeratore raffreddato ad aria comprende il sistema di refrigerazione e le pompe. La tabella 2 mostra che il consumo energetico a pieno carico del refrigeratore raffreddato ad aria era significativamente superiore a quello del refrigeratore raffreddato ad acqua.
| Tipo di refrigeratore | Denver (kW/Tonnellata) | Fenice (kW/Tonnellata) | LA (kW/Tonnellata) |
| Raffreddato ad aria | 1.250 | 1.340 | 1.250 |
| Acqua raffreddata | 0.431 | 0.462 | 0.426 |
L’uso dell’acqua, attraverso l’evaporazione, è stato basato sui dati della temperatura a bulbo secco e a bulbo umido di un anno meteorologico tipico (TMY3) ottenuti dal National Solar Radiation Data Base (NSRDB). Gli autori hanno scoperto che il sistema di refrigerazione raffreddato ad acqua a Denver consumava 1.610.748 kWh di energia e il sistema di refrigerazione raffreddato ad aria consumava 4.663.740 kWh all'anno.
La Figura 1 mostra l'utilizzo di energia e acqua per i sistemi di refrigerazione meccanica analizzati in ciascuna città. L’uso dell’acqua mostra differenze significative perché la quantità di acqua consumata negli impianti di produzione di energia è di gran lunga maggiore di quella consumata in loco.
Il sistema di refrigerazione raffreddato ad aria consuma più energia e non fa evaporare l'acqua in loco. Tutto il suo utilizzo di acqua è pari al consumo di acqua della centrale elettrica. Al contrario, il refrigeratore raffreddato ad acqua ha un consumo energetico inferiore e una combinazione di consumo di acqua in loco e della centrale elettrica.
Secondo Chiddix, i comuni che richiedono ai data center di utilizzare meno energia e acqua in loco potrebbero non aver considerato tutte le implicazioni di questi requisiti. A suo avviso, se nell'equazione si considera l'impianto di generazione di energia, le tecnologie di raffreddamento selezionate per il data center potrebbero effettivamente comportare un maggiore consumo complessivo di energia e acqua.
Ulteriori fattori di risparmio energetico da considerare
Le tecnologie di raffreddamento ad acqua sono più efficienti, in particolare quando viene utilizzato il “raffreddamento gratuito” durante i periodi di clima più fresco. Il freecooling, noto anche come raffreddamento “economizzatore lato acqua”, è un metodo economico per utilizzare basse temperature dell’aria esterna per favorire il raffreddamento dell’acqua. Quando si opera in modalità freecooling, l'acqua proveniente dalla torre di raffreddamento è sufficientemente fredda da non richiedere la refrigerazione meccanica da parte del refrigeratore. Ciò riduce significativamente il fabbisogno energetico, in genere del 75% o più. Per sfruttare il risparmio energetico possibile con il freecooling, devono esserci sufficienti ore di clima freddo per giustificare l'investimento aggiuntivo in apparecchiature per lo scambiatore di calore a piastre/telaio e altri componenti.
Una valutazione dei vantaggi delle torri di raffreddamento nel raffreddamento dei data center deve considerare anche il “flusso variabile”, un altro metodo per ridurre il consumo energetico. Le torri di raffreddamento sono dimensionate per le condizioni di progettazione estive; il flusso variabile consente agli utenti di ridurre il flusso d'acqua dalla torre di raffreddamento al refrigeratore durante le stagioni più fresche. I ventilatori funzionano a una velocità inferiore, riducendo così il consumo di energia. Sfruttare il freecooling e le modalità a flusso variabile può ridurre drasticamente il consumo energetico delle torri di raffreddamento.
La modularità delle torri di raffreddamento offre un altro vantaggio. I proprietari di data center potrebbero preferire costruire le proprie strutture nel tempo man mano che la domanda di server cresce. Per controllare le spese iniziali in conto capitale e i costi operativi, gli operatori dei data center possono aggiungere successivamente la capacità di raffreddamento secondo necessità, utilizzando sistemi che incorporano torri di raffreddamento modulari assemblate in fabbrica man mano che la struttura cresce. È importante che la costruzione del data center venga completata nei tempi previsti in modo che i server possano essere operativi rapidamente per generare entrate. Le torri di raffreddamento modulari preassemblate e montate sul campo possono soddisfare requisiti di consegna e programmi di costruzione sensibili al fattore tempo.
Pesare le opzioni dell'acqua
Esistono molte combinazioni di soluzioni di raffreddamento evaporativo e meccanico che possono essere valutate per soddisfare i requisiti di raffreddamento del data center. Poiché la discussione sull'acqua viene aggiunta all'elenco delle considerazioni progettuali, è importante comprendere e valutare la relazione tra l'energia elettrica e il consumo idrico locale al fine di prendere decisioni ben ragionate per ottenere il risparmio energetico e idrico.
| Denver | Fenice | Los Angeles | |
| Consumo energetico annuo (kW) | Consumo energetico annuo (kW) | Consumo energetico annuo (kW) | |
| refrigeratore raffreddato ad acqua | 1,610,748 | 1,726,603 | 1,592,062 |
| refrigeratore raffreddato ad aria | 4,663,470 | 4,999,089 | 4,663,470 |
| Sistema | Utilizzo annuale dell'acqua (gal/anno) | Utilizzo annuale dell'acqua (gal/anno) | Utilizzo annuale dell'acqua (gal/anno) |
| refrigeratore raffreddato ad acqua | 3,593,000 | 14,844,000 | 7,732,000 |
| refrigeratore raffreddato ad aria | 4,645,000 | 36,182,000 | 16,640,000 |
| Differenza | 1,052,000 | 21,338,000 | 8,908,000 |
| % di riduzione dell'uso dell'acqua | 22.60% | 59.00% | 53.50% |
Informazioni sugli autori: Paul Erlinger è Global Business Development Manager – Data Centers and Technology e Kent Martens è Regional Sales Manager per SPX Cooling Technologies, Inc.
