TECNAIR book tecnico Data center [IT] by TECNAIR LV

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technical

Considerazioni in margine alla progettazione di impianti di condizionamento per

Data Centers

Considerazioni in margine alla progettazione di impianti di Condizionamento

per Data Centers

Alta efficienza energetica e minimo impatto ambientale Gli attuali Data Center derivano, sotto molti

alle condizioni richieste dalle apparecchiature

aspetti, dagli originari CED, ambienti altamen-

elettroniche. I dati disponibili all’epoca erano

te informatizzati, dedicati ad ospitare compu-

tuttavia limitati e le norme esistenti altrettanto

ter di alta potenza e apparecchiature inerenti.

scarse e lacunose.

Le condizioni termoigrometriche al loro inter-

Oggi i moderni Data Center costituiscono

no dovevano essere accuratamente control-

delle strutture dedicate soprattutto al conte-

late entro limiti molto ristretti per rispondere

nimento di server ad alta capacità e di altre

Figura 1 - Andamento della potenza installata di apparecchiature dell’Information Technology nel tempo (ASHRAE).

apparecchiature dell’Information Technology.

apparecchiature elettroniche può concentrare

Nel frattempo, la concentrazione dei carichi

una potenza termica fino a 25 - 30 kW, come

termici nei Data Center ha raggiunto valo-

dimostra la figura 1.

ri estremamente elevati: un singolo rack di

Per questa ragione i Data Centers e le centrali

essere mantenute condizioni termoigrometri-

telefoniche rappresentano un reale problema

che capaci di assicurare il migliore ambiente

per la progettazione degli impianti di raffredda-

operativo, ma deve essere garantita altresì l’

mento, sia sotto l’aspetto della scelta più idonea, sia per quanto riguarda l’utilizzo dell’energia e quindi la loro efficienza energetica. Infatti, la quantità di energia richiesta dai sistemi di raffreddamento può avvicinarsi anche al 50% di quella totale utilizzata dal Data Center, come

assoluta continuità del servizio. Per rispondere a questi fondamentali requisiti sono state sviluppate di recente delle norme specifiche, soprattutto da parte dell’ASHRAE. E’ stata quindi sviluppata una impiantistica

rivela la figura 2.

specifica che si integra nel layout stesso dei

All’interno dei Data Centers, come del resto in

rack contenenti le apparecchiature elettroni-

tutti gli ambienti close control, non solo devono

che da raffreddare.

Figura 2 - Suddivisione indicativa dei consumi di energia da parte dei diversi impianti e apparecchiature di un moderno Data Center.

Recenti sviluppi normativi e impiantistici Tra i principali sviluppi normativi, tecnologici e impiantistici intervenuti ad oggi si possono riportare: zz

ti disposti al piede degli stessi rack, mentre nei “corridoi caldi”, sul retro dei rack, avviene l’espulsione dell’aria calda verso la ripresa delle unità di raffreddamento. Vedi figura 3;

definizione di specifiche classi ambientali e condizioni termoigrometriche da rispettare (vedi di seguito);

sistemi di raffreddamento ad alta temperatura rispetto al passato, per estendere per quanto possibile nell’anno il numero di ore di funzionamento senza l’intervento dei compressori frigoriferi delle macchine. Ciò è stato raggiunto sviluppando varie tipologie di sistemi cosiddetti di “free cooling”;

allineamento dei rack secondo “corridoi freddi” e “corridoi caldi”. Nei primi viene immessa l’aria di raffreddamento dal pavimento rialzato attraverso opportuni quadrot-

dotazione di ventilatori all’interno dei rack per mantenere sotto controllo il flusso d’aria di raffreddamento in funzione del carico effettivo al quale il rack è sottoposto nel corso delle 24 ore;

sistemi “cold pool” o “hot pool”, costituiti da tettucci (generalmente trasparenti) montati al di sopra dei corridoi freddi o caldi, per prevenire la miscelazione tra aria fredda e calda ed aumentare così l’efficienza energetica delle macchine di raffreddamento. Le caratteristiche di questi sistemi sono più diffusamente descritte nel paragrafo

Figura 3 Rappresentazione della disposizione dei rack secondo corridoi caldi e corridoi freddi in un Data Center.

Le condizioni termoigrometriche raccomandate Come si è detto sopra, di recente l’ASHRAE ha determinato 4 classi ambientali che si riferiscono ad altrettante tipologie di applicazioni per ciascuna delle quali sono state definite delle condizioni termoigrometriche di riferimento. zz

Classe 1. Data Centers con parametri ambientali strettamente controllati (punto di rugiada, temperatura, U.R.) per operazioni critiche. Server di grande capacità e sistemi analoghi.

Classe 2. Spazi destinati a tecnologie informatiche, uffici, laboratori con un certo controllo dei parametri ambientali c.s. Sever di piccola capacità, personal computer e workstation.

Classe 3. Uffici, abitazioni o ambienti mobili o trasportabili con limitato controllo dei parametri ambientali per la sola temperatura.

Classe 4. Punti vendita o ambienti dell’industria leggera con riscaldamento invernale e ventilazione.

Ai fini di questa relazione saranno considerate solo le Classi 1 e 2, le più critiche e quelle maggiormente pertinenti alla produzione di Tecnair LV. Le condizioni termoigrometriche per le prime due classi ambientali, quelle che interessano espressamente i Data Centers e i loro spazi ausiliari, sono delineate nel diagramma psicrometrico nella figura 4. I limiti di funzionamento sono inoltre specificati nella tabella 1. Ciò permette di stabilire correttamente le caratteristiche dell’impianto e le condizioni di funzionamento per la regolare operatività dei Data Centers.

Figura 4 - Condizioni di progetto per le classi ambientali 1 e 2 secondo le prescrizioni ASHRAE.

Tabella 1 Specifiche e limiti di funzionamento per Data Center di classe ambientale 1 e 2 Classe

Temperatura B.S. °C

ambientale

Umidità relativa % (assenza di Punto di condensazione)

rugiada max, °C

Ammessa

Raccomandata Ammessa

Raccomandata

15 a 32

20 a 25

20 a 80

40 a 55

10 a 35

20 a 25

20 a 80

40 a 55

Fonte: ASHRAE

Le condizioni termoigrometriche di progetto: i rischi per le apparecchaiture IT. Esistono svariate condizioni di rischio per le apparecchiature di Information Technologiy (IT) quando sottoposte a condizioni termoigrometriche al di fuori dei limiti raccomandati. E’ soprattutto l’umidità relativa dell’aria, eventualmente in presenza di sostanze corrosive aerodisperse, che comporta i rischi maggiori.

La umidità relativa Una elevata umidità relativa influenza il tasso di guasto dei componenti elettronici. Le cause di malfunzionamento riguardano soprattutto guasti di conduttività anodica, guasti a causa di polveri igroscopiche, errori sulle memorie magnetiche, usura eccessiva e corrosione. Anche un’umidità relativa troppo bassa può provocare guasti poiché i dispositivi elettronici sono suscettibili di danni per effetto di scariche elettrostatiche, mentre i nastri e i media magnetici manifestano un elevato numero di errori in ambienti con umidità relativa troppo ridotta. L’umidità relativa deve quindi essere mantenuta tra il 40% e 55%. Questo è valido sia in estate che in inverno in quanto l’influenza delle condizioni dell’aria esterna (in quantitativi trascurabili, non più di ½ volume ora, con il solo scopo di mantenere in sovrappressione l’ambiente rispetto all’esterno o ai locali circostanti)

e della trasmissione di calore attraverso i muri, sono del tutto ininfluenti rispetto all’elevato calore endogeno generato dai server. Praticamente l’intero calore prodotto dai server è di tipo sensibile, quindi non esiste potenzialmente necessità di deumidificazione, se non nelle fasi di messa a regime del Data Center dopo il completamento della costruzione o di eventuali ristrutturazioni. Le macchine di raffreddamento potrebbero quindi essere realizzate prive di bacinella di raccolta condensa, senza prevedere linee di scarico o quantomeno senza la tradizionale verniciatura idrofilica delle alette delle batterie di raffreddamento che garantiscono la eliminazione del trascinamento di gocce di condensa ma che riducono sensibilmente lo scambio delle stesse e quindi la prestazione della macchina. Questa possibilità è valida soprattutto in zone dal clima arido, come in molti paesi del Medio Oriente. Essa merita di essere esplorata per il risparmio economico che consente nella realizzazione degli impianti. Altrettanto inutile può essere la funzione di umidificazione, solo comunque legata al trattamento, normalmente in unità dedicata, dell’aria primaria. La umidità relativa in un data center si assesta normalmente intorno al 40%.

La temperatura Anche condizioni di temperature eccessivamente elevate dell’aria che alimenta i rack può dare malfunzionamento: esse mettono a rischio l’affidabilità e la vita delle apparecchiature IT. Come detto sopra le norme recenti ammettono che la temperatura sia più elevate rispetto al passato. Attualmente, per via della necessità di risparmio energetico, la tendenza progettuale va verso le temperature massime ammesse; è noto infatti che quanto più alta è la temperatura mantenuta nel Data Center, tanto minore è il consumo di energia dell’impianto HVAC. Ciò inoltre favorisce l’impiego di sistemi a “free cooling” ampliandone la fascia di ore di

funzionamento. Alcuni anni fa la tendenza invece era di andare verso più basse temperature per avere più tempo per rimediare ad un eventuale guasto dell’impianto di condizionamento; venivano selezionate, specialmente per centrali telefoniche periferiche, temperature interne anche di 18°C. La centralizzazione dell’utenza in grandi data centers dotati di assistenza e manutenzione interna, le ridondanze di progettazione attualmente in uso: rete locale, telegestione ecc, minimizzano, o di fatto eliminano, il rischio di guasto bloccante e quindi permettono di settare temperature interne di 25-26°C.

Il PUE e il DciE: i nuovi parametri per valutare l’efficienza dei Data Centers Proprio a causa degli ingenti consumi di energia dei Data Centers sono stati definiti di recente due nuovi parametri con lo scopo di misurarne l’efficienza energetica complessiva. Essi sono: 1. Power Usage Effectiveness (PUE) = rapporto tra consumo energetico totale della struttura e consumo energetico degli apparati IT. Dovrebbe essere inferiore a 2, con valori ottimali tendenti a 1. 2. Data Centers Infrastructure Efficiency (DCiE)

= rapporto, moltiplicato per 100, tra Il consumo energetico degli apparati ed il consumo energetico totale della struttura. Ne risulta un valore percentuale: tanto più esso risulta elevato, tanto maggiore è il rendimento. Questi parametri mettono a confronto la quantità di energia elettrica che il Data Center consuma per l’alimentazione e il raffreddamento della struttura con la quantità di energia utilizzata dalle apparecchiature informatiche.

Il layout dei rack e dei condizionatori d’aria La caratteristica comune alle differenti soluzioni per il layout dei Data Centers è la presenza di un pavimento sopraelevato normalmente di grande altezza: almeno 600 mm. Diverse comunque sono le soluzioni sviluppate per la posizione delle macchine di raffreddamento.

Posizionamento perimetrale Questa soluzione, adottata per i primi Data Centers, prevede i condizionatori, sempre con mandata aria verso il basso, allineati perimetralmente alla sala mentre i rack con i server sono al centro della stessa. La mandata dell’aria avviene tramite griglie nel pavimento sopraelevato, mentre la ripresa è dall’alto. Uno schema rappresentativo è riportato nella figura 5.

Posizionamento esterno Ove possibile i condizionatori vengono installati fuori dal Data Center, normalmente di spalle ad esso, in un corridoio o locale tecnico adiacente in modo da mandare comunque l’aria nel pavimento sopraelevato della sala stessa. Questa soluzione riduce il livello di pressione sonora

in ambiente e rende più agevole la manutenzione dei condizionatori. Per contro, l’installazione dei condizionatori al di fuori della sala server li espone al rischio di interventi non autorizzati. La regolazione della temperatura viene effettuata grazie ad una sonda installata sulla ripesa aria dei condizionatori.

Posizionamento “in row” I condizionatori vengono allineati in mezzo ai rack. La mandata dell’aria è tramite griglie dal sotto pavimento. Il vantaggio di questa soluzione è che lo spazio sotto pavimento è così meno vincolato dal passaggio dell’aria ma può essere dedicato a cavi elettrici ed altre applicazioni. Questa soluzione presenta tuttavia il rischio di ostruzioni dei flussi d’aria proprio per la presenza incontrollata di cavi dovuti anche ad interventi successivi. In questa soluzione si raccomanda di avere un doppio interruttore generale per poter fermare la macchina, in caso di emergenza, da qualsiasi parte ci si trovi rispetto alle file dei rack. La regolazione della temperatura viene effettuata grazie a sonde installate nelle riprese delle macchine.

Figura 5 - Esempio di installazione di condizionatori con mandata dell’aria verso il basso, nella sala, mentre i rack con i server sono al centro della stessa (ASHRAE).

La distribuzione dell’aria Da sotto pavimento E’ la soluzione tradizionalmente prevista per i centri di elaborazione dati. L’aria esce dal pavimento sopraelevato tramite griglie opportunamente collocate in vicinanza dei server e viene aspirata da essi. L’aria calda esce poi dai server superiormente e torna ai condizionatori. Si tratta della soluzione più semplice e flessibile, adatta a Data Center di piccola o media dimensione. L’inconveniente di questo modello di distribuzione è l’inevitabile mescolarsi dell’aria fredda, che in parte non viene aspirata dai server e quindi ripresa dai condizionatori con quella calda uscente invece dagli stessi server. Questo porta ad una riduzione dell’efficienza frigorifera ed aeraulica dei condizionatori con inevitabile maggior consumo di energia elettrica.

Con corridoi freddi e corridoi caldi Per evitare il rischio che l’aria trattata possa bypassare i server, è oggi affermata la tendenza a disporre i rack allineati secondo una configurazione di corridoi caldi e corridoi freddi. (Si riveda la figura 3). In questo modo le apparecchiature si fronteggiano con i pannelli di presa d’aria e le parti posteriori di scarico dell’aria calda. La mandata dell’aria è sempre da sotto pavimento, ma il miglioramento rispetto alla soluzione precedente è notevole. Tuttavia ancora una parte dell’aria di raffreddamento viene ripresa dai condizionatori senza passare attraverso i rack. La regolazione della temperatura viene effettuata anche in questo caso grazie ad una sonda installata all’interno delle macchine.

consiste nella delimitazione dei corridoi freddi installando un tettuccio, solitamente trasparente, sopra ai rack e delle pareti con porte di accesso agli estremi dei corridoi, come visibile nella figura 6. In questa modo l’aria fredda viene aspirata nella sua totalità dai server e non vi è alcuna forma di bypass con un elevato guadagno di efficienza energetica. Anche in questa soluzione la regolazione della temperatura viene effettuata grazie ad una sonda installata all’interno della macchina.

Hot pool E’ una variante della “cold pool”. Invece del corridoio freddo qui viene compartimentato quello caldo. La manutenzione dei server viene normalmente fatta dal corridoio freddo per cui in quello caldo non è prevista presenza di operatori e quindi i condizionatori aspirano direttamente l’aria calda, a 35 o 40 °C, raggiungendo efficienze altissime. Anche in questo caso l’installazione di condizionatori “in row” garantisce le migliori prestazioni. La regolazione della temperatura viene effettuata grazie ad una sonda installata all’interno della sezione di mandata aria del condizionatore. Il set point di temperatura di mandata è di circa 20°C.

Cold pool E’ l’evoluzione della soluzione “corridoi freddi corridoi caldi” ed è la più funzionale alla eliminazione dei bypass d’aria e quindi adatta per le potenze più elevate dei server. Sostanzialmente

Figura 6

Acqua refrigerata o espansione diretta? I sistemi di condizionamento per i Data Centers possono essere sostanzialmente di due tipi per quanto riguarda la produzione e distribuzione dell’energia frigorifera: zz

ad acqua refrigerata;

a espansione diretta.

Entrambi presentano delle caratteristiche specifiche funzionali ed operative che il progettista dell’impianto deve valutare attentamente. A vantaggio della soluzione ad acqua refrigerata vi sono: zz

Migliore gestione del “free cooling” invernale

Modulazione della potenza frigorifera proporzionale alla richiesta

A vantaggio invece della soluzione ad espansione diretta vi sono: zz

Maggiore efficienza energetica – a parità di condizioni – in quanto si ha un solo scambio di calore: tra il refrigerante e l’aria che attraversa la batteria. Invece nella soluzione ad acqua refrigerata gli scambi di calore sono due: tra refrigerante e acqua (nel gruppo frigorifero) e tra acqua e aria nell’unità di condizionamento.

Maggiore semplicità impiantistica e quindi manutentiva

Eliminazione del rischio dovuto alla presenza di acqua sotto al pavimento sopraelevato.

In mancanza di prescrizioni vincolanti, la scelta normalmente ricade su impianti ad acqua refrigerata per potenze superiori ai 200 – 400 kW, e ad espansione diretta per potenze inferiori a questo limite.

La sicurezza di funzionamento Impianti ad espansione diretta zz

Rete locale E’ indispensabile che le macchine vengano selezionate per funzionamento in rete locale. Nelle applicazioni in rete locale ad una o più macchine viene assegnata la funzione “slave” e alle rimanenti il ruolo di “master”. L’unità slave è chiamata ad intervenire in presenza di condizioni di emergenza di una delle altre o di punte della domanda che superano il valore di progetto. La funzione di intervento in “cascata” offre inoltre una valida risorsa per il risparmio energetico in quei locali dove il carico termico non è costante nel tempo, attivando il numero di unità effettivamente necessarie a garantire il comfort termoigro-

metrico di operatori e apparecchiature. Le unità slave vengono inoltre ruotate a periodi determinati dall’utente (ad esempio ogni 12 o 24 ore) e passate al ruolo di master per equalizzare il numero di ore di funzionamento dei componenti di regolazione. zz

Telegestione Nelle applicazioni di telegestione le macchine possono essere controllate da posizioni remote mediante sistemi di supervisione (BMS) grazie alla comunicazione seriale per mezzo di un software di supervisione, oppure tramite Gateway (BacNet – Lonworks).

Impianti ad acqua refrigerata zz

Rete locale Anche in questo caso, pur non essendoci il rischio di blocco della macchina per guasto del circuito frigorifero tipico delle unità ad espansione diretta, è indispensabile che i condizionatori lavorino in rete locale per garantire l’indispensabile ridondanza.

Circuito ad acqua refrigerata E’ consigliato per gli impianti di maggiore importanza il doppio circuito idraulico, ovviamente con doppie pompe e ridondanza

anche sui refrigeratori. In tal caso vengono previsti condizionatori con sistema “two sources” in modo da poter essere collegati ai due circuiti idraulici. zz

Rischio d’acqua sotto pavimento Come già detto è un rischio da valutare accuratamente. Bisogna quindi prevedere vasche di contenimento al di sotto dei condizionatori collegate ad un opportuno scarico. Sono poi indispensabili sensori di presenza acqua da installare nei punti critici con il compito di interrompere tramite valvole motorizzate di intercettazione il flusso dell’acqua refrigerata. Altra interessante possibilità, pur con qualche svantaggio estetico, è il far transitare i tubi dell’acqua refrigerata vicino al soffitto della sala in posizione ben visibile in modo che anche un principio di perdita possa essere immediatamente individuato.

Il risparmio energetico Impianti ad acqua refrigerata zz

Variazione della capacità frigorifera delle unità ad acqua refrigerata Negli impianti ad acqua refrigerata di potenza medio-grande la variazione continua della potenza frigorifera erogata dai condizionatori può offrire ulteriori contributi al risparmio di energia. A questo scopo Tecnair LV offre come accessori delle particolari valvole modulanti che sostituiscono quelle flottanti. Esse consentono una regolazione di grande precisione con in più una elevata velocità di risposta. A seconda della tipologia di circuito idraulico le valvole possono essere a due o a tre vie.

Aumento dell’efficienza energetica della sezione aeraulica L’aumento dell’efficienza energetica complessiva può essere ottenuta con l’impiego degli speciali ventilatori elettronici EC (Electronically Commutated) Questi ventilatori costituiscono la novità più recente ed importante in fatto di risparmio energetico nel settore della ventilazione. Nella sostanza si tratta di ventilatori “Plug Fan” accoppiati a un motore brushless (senza spazzole) a corrente continua a rotore esterno. Questi motori in generale sono del 30% più efficienti dei normali

motori asincroni a corrente alternata. Inoltre essi consentono la variazione continua della velocità secondo il segnale di comando del microprocessore della macchina (0-10 V) senza necessità di Inverter o di altri dispositivi elettronici. I ventilatori Plug-Fan a loro volta sono ormai noti per i diversi vantaggi offerti rispetto ai ventilatori centrifughi normalmente utilizzati nelle unità di climatizzazione. L’abbinamento tra motori EC e Plug-Fan offre perciò vantaggi rimarchevoli, sia funzionali, sia di efficienza energetica, sia di silenziosità e assenza di vibrazioni nel funzionamento, sia di minor corrente assorbita allo spunto (soft start). zz

Portata d’aria variabile secondo la potenza frigorifera richiesta dall’impianto. Si tratta della situazione classica di impianto VAV (Variable Air Volume) che risponde all’aumento della domanda attraverso un aumento proporzionale della portata d’aria. Com’è noto, questo tipo di impianto offre interessanti vantaggi energetici ai carichi parziali, che si verificano estesamente durante l’anno. Il sistema VAV richiede che sia prevista una regolazione modulante della potenza frigorifera.

Impianti a espansione diretta Anche per gli impianti a espansione diretta l’aumento dell’efficienza energetica della sezione aeraulica può essere ottenuto con l’impiego

degli speciali ventilatori elettronici EC (Electronically Commutated) in abbinamento con i ventilatori Plug Fan, come detto sopra.

Free cooling aria-acqua: l’utilizzo delle energie rinnovabili Questo sistema usa l’aria esterna - una fonte d’energia rinnovabile - invece o in aggiunta al raffreddamento meccanico. Previsto per i condizionatori OCW – UCW/FC prodotti da Tecnair LV, esso è costituito da una batteria separata ad acqua fredda, con una valvola a tre vie modulante comandata dal microprocessore. Si possono perciò presentare tre regimi diversi di funzionamento: zz

Solo free cooling, quando la temperatura dell’aria esterna è sufficientemente bassa per portare la temperatura dell’acqua in circolo nella batteria a un valore rispondente alla domanda di raffreddamento nel Data Center o, più in generale, nello spazio da climatizzare. Si tratta della condizione di massimo risparmio energetico in quanto i compressori sono costantemente esclusi dal servizio.

Free cooling + raffreddamento meccanico. Se la temperatura dell’aria esterna è più

elevata del necessario, per mantenere il raffreddamento dell’acqua alla temperatura voluta viene comandato l’avviamento del (dei) compressori per il periodo strettamente necessario a raggiungere le condizioni volute. E’ anche questa una condizione di risparmio energetico, sebbene non così elevata come la precedente. zz

Solo raffreddamento meccanico senza free cooling. Si realizza quando la temperatura dell’aria esterna è troppo elevata per produrre un raffreddamento sufficiente. In questo caso la macchina attiva il normale funzionamento dei compressori. L’esercizio usufruisce comunque dell’alta efficienza energetica dei circuiti frigoriferi e dei compressori. Quindi anche il solo raffreddamento meccanico comporta un contenimento dei consumi di energia rispetto ad altri sistemi.

I circuiti ad anello d’acqua Le caratteristiche di questi circuiti rispondono positivamente ai requisiti dei Data Centers, soprattutto perché offrono l’affidabilità necessaria per la continuità del servizio anche nei casi di estese manutenzioni sui circuiti tubieri senza arrestare l’impianto. Inoltre consentono di stabilire la posizione delle apparecchiature IT secondo la voluta pianificazione del Data Center. A questo riguardo, gli attacchi per l’alimentazione dei sistemi di raffreddamento delle apparecchiature possono essere realizzati in punti diversi offrendo perciò una notevole flessibilità. Un’altra caratteristica importante consiste nel fatto che la direzione del flusso d’acqua può avvenire in due direzioni dall’origine e, in teoria, circa alla metà del circuito, si realizza una zona di “assenza di flusso”. Nei casi di manutenzione o implementazioni del Data Center gli utilizzi a valle della sezione isolata possono

venire alimentati dalla parte rimanente del circuito invertendo la direzione del flusso. I circuiti ad anello d’acqua trovano diverse soluzioni che permettono di realizzare un numero maggiore o minore di livelli di sezionamento, come pure di modularità. Un circuito base, di riferimento, è schematizzato nella figura 9 e presenta un solo punto di collegamento alla centrale frigorifera. Si tratta di un sistema autobilanciante e consente la continuità del servizio anche nel caso di sezionamento delle linee principali per manutenzione o per aggiunte nel tempo di nuove apparecchiature IT. Esso rappresenta una soluzione tra le più funzionali quando le macchine di raffreddamento sono disposte sul perimetro del locale. Questa funzionalità rimane confermata anche quando le macchine sono disposte perpendicolarmente ai tubi collettori.

Figura 9 - Schema fondamentale un semplice sistema ad anello d’acqua. I condizionatori sono allineati lungo le pareti (ASHRAE)

Nella figura 10 è schematizzata una versione di maggior funzionalità rispetto al circuito precedente. Essa consente di distribuire le apparecchiature sull’intera superficie del locale e la sua specificità sta nei rami trasversali che consentono l’alimentazione indiretta degli utilizzi

rispetto all’anello principale, comportandosi come tubi comuni sia per la mandata che per il ritorno dell’acqua. Inoltre il sistema consente un flusso d’acqua bidirezionale non solo nel circuito principale dell’anello, ma anche attraverso gli stessi tubi comuni.

Figura 10 - Ulteriore evoluzione di un circuito ad anello nel quale i condizionatori sono distribuiti sull’intera superficie del locale (ASHRAE).

Di questo circuito, una variante ulteriormente evoluta è schematizzata nella figura 11. Essa prevede una doppia alimentazione da due punti differenti. Non solo, ma possono essere addirittura due impianti differenti, e del tutto indipendenti l’uno dall’altro, a fornire l’acqua refrigerata per l’anello. Questo

circuito offre quindi un’affidabilità molto superiore a quello precedente, una ridondanza che può raddoppiare, mantenendo i vantaggi già detti e la caratteristica di autobilanciamento. Va riconosciuto però che questo circuito comporta costi e complessità maggiori dei precedenti

Figura 11 Circuito ad anello con doppia alimentazione del circuito idraulico che può essere realizzata anche da parte di due impianti differenti. Offre un’affidabilità superiore ai precedenti e una ridondanza anche doppia, mantenendo la caratteristica di autobilanciamento.

Gestione dell’efficienza energetica nei Data Centers La scelta dei gruppi frigoriferi e delle unità di condizionamento per i Data Centers viene effettuata di solito con riferimento a condizioni standard di funzionamento, spesso senza tenere conto del fatto che variazioni anche di leggera entità possono produrre sensibili risparmi di energia e aumenti di potenza resa. Basti dire, come esempio, che ogni aumento di appena 0,6°C della temperatura di evaporazione di un gruppo frigorifero, pur senza considerare quelli dell’eventuale sistema di free cooling, porti ad un aumento dell’efficienza energetica tra l’1% e il 3%. Una ulteriore caratteristica riguarda la differenza di temperatura tra ingresso e uscita dell’acqua refrigerata dall’evaporatore: l’efficienza infatti rimane sostanzialmente costante tra 5,5° e 11°C. Questo può indurre ad aumentare il differenziale di temperatura, così da movimentare una minor portata d’acqua e risparmiare sull’energia assorbita dalla pompa. Nei gruppi frigoriferi condensati ad aria e nelle unità condensanti una insufficiente portata d’aria alle batterie dei condensatori può penalizzare l’efficienza energetica della macchina. Correntemente la temperatura (10° C per ambienti con clima tropicale) di condensazione di progetto risulta di 14 – 15 °C maggiore della temperatura dell’aria esterna. Se però, per effetto di restrizioni sul percorso dell’aria, la portata d’aria si riduce rispetto al valore di progetto

(a parità di temperatura esterna), si produce un aumento della temperatura di condensazione che produce due effetti negativi: zz

una diminuzione della capacità frigorifera erogata, e

una diminuzione, sebbene minore della precedente, del consumo di energia

Si produce quindi una diminuzione globale dell’efficienza energetica. Lo stesso fenomeno si produce nel caso di parziali ricircoli tra aria espulsa e aria entrante alla batteria. Le condizioni di funzionamento a carico parziale, in particolare, offrono le più interessanti opportunità di risparmio energetico, come le più serie di spreco. Alle condizioni di carico parziale ormai i compressori scroll rispondono o mediante l’avviamento/arresto o mediante la la variazione della velocità per mezzo di Inverter. In vari modelli di compressori a vite, è invece l’azione di valvole a cassetto che modula la capacità frigorifera resa. Si ottiene come risultato una variazione proporzionale della capacità frigorifera resa e una diminuzione della potenza elettrica assorbita. Uno dei vantaggi dei compressori scroll con Inverter è che essi possono essere fatti funzionare per brevi periodi con frequenza più elevata dei 50 Hz; in questo modo essi erogano una maggior capacità frigorifera che può meglio controllare eventuali punte di carico o portare più rapidamente a regime l’ambiente.

Installazione delle macchine per non penalizzare l’efficienza energetica Una errata installazione delle macchine frigori-

vato mentre lo spazio disponibile può risultare

fere e delle unità condensanti può penalizzarne

insufficiente per la loro corretta installazione,

anche sensibilmente le prestazioni, vanifican-

con il rischio di successivi malfunzionamenti o

do gli sforzi fatti dai costruttori per aumentarne l’efficienza energetica. L’installazione infatti rimane in larga parte a discrezione dell’installatore, spesso impreparato per scegliere le condizioni migliori per favorire o non penalizzare l’efficienza energetica. Infatti tutte le macchine condensate ad aria richiedono opportuni spazi liberi per il prelievo e lo scarico dell’aria di raffreddamento dei condensatori. Spazi ristretti, ostacoli sui percorsi del flusso d’aria ecc. possono produrre due effetti negativi: zz

portate d’aria insufficienti per il raffreddamento del condensatore previste in fase di

riduzioni di capacità e aumenti dei consumi di energia. Per i gruppi frigoriferi, le unità condensanti e i condensatori ad aria, viene di solito consigliata una distanza tra 1000 e 1500 mm tra batterie e pareti solide in prossimità. Lo scarico verso l’alto richiede la completa assenza di ostruzioni per un’altezza di almeno 1800 mm dal filo superiore della bocca di scarico dei ventilatori. Quando i gruppi frigoriferi presentano potenze tra 400 e 1000 kW, la distanza tra due unità parallele dovrebbe essere di almeno 3 metri. Ciascuno dei due circuiti affacciati perderebbe

progetto, con le conseguenze dette sopra, e

lo 0,5% della potenza frigorifera con un au-

ricircoli dell’aria calda espulsa verso le bat-

mento dell’1% della potenza elettrica assorbi-

terie realizzando un raffreddamento insufficiente, con le medesime conseguenze.

ta, una penalizzazione tollerabile nella maggior parte dei casi. Se invece la distanza è minore

Nelle medie e grandi installazioni il numero di

le prestazioni possono diminuire sensibilmente

condensatori ad aria esterni può essere ele-

come dimostra la tabella 2.

Tabella 2 - Abbassamento della resa frigorifera e aumento della potenza assorbita in funzione della distanza tra due macchine ad aria installate parallele Distanza tra le due macchine, m

Abbassamento della resa del circuito affacciato a quello della macchina opposta, %

Aumento della potenza assorbita del circuito affacciato a quello della macchina opposta, %

3,5

0,5

2,5

1,5

Il mancato rispetto delle distanze minime indicate dal costruttore tra le batterie ed ostacoli al flusso d’aria e tra i ventilatori di scarico ed eventuali tettoie è uno dei casi che contribuiscono a penalizzare la resa e l’efficienza energetica delle macchine. L’efficienza energetica delle unità esterne è influenzata pure dalla superficie della batteria

che viene effettivamente attraversata dall’aria. Lo sporcamento progressivo nel tempo dovuto a contaminanti e sostanze aerodisperse produce una progressiva riduzione della superficie utile e un costante aumento della temperatura di condensazione, con le conseguenze già dette.

Conclusioni La progettazione dei moderni Data Centers, in relazione anche al contenimento dei consumi di energia, richiede un approccio globale che tenga conto di tutti gli aspetti che possono influenzarne le prestazioni, dalle previste condizioni di esercizio fino alla scelta degli spazi di installazione di gruppi frigoriferi e unità condensanti.

Non c’è dubbio che queste strutture siano oggi tra le più complesse e, per le grandi realizzazioni, richiedano un approccio multidisciplinare con il concorso integrato di tutte le parti in causa: progettista degli impianti, costruttore delle macchine, energy manager, costruttore dei sistemi di gestione e regolazione (BMS) e installatore.

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