Ogni server, GPU e switch in un data center trasforma l'elettricità in calore, e questo calore deve essere dissipato dall'edificio senza che le apparecchiature IT si surriscaldino eccessivamente. Il chiller è la macchina che rende possibile questa dissipazione. Produce l'acqua refrigerata che trasporta il calore fuori dagli ambienti chiusi e la sua progettazione determina in gran parte la quantità di elettricità e acqua consumata dall'intera struttura per mantenere la temperatura ideale.
Per gli operatori e gli ingegneri degli impianti, la questione pratica raramente è se un sito necessiti di un refrigeratore. È piuttosto quale tipo si adatti al carico, al clima e alla situazione idrica. Questo articolo si concentra su tale decisione e tralascia il circuito a livello di chip, raffreddamento a liquido del data center, l'unità di distribuzione del refrigerante e il ciclo di refrigerazione stesso saranno oggetto di discussioni separate.
Dove si colloca un refrigeratore nella catena di raffreddamento di un data center
Un refrigeratore per data center è la macchina frigorifera che produce acqua refrigerata e dissipa il calore dell'ambiente verso l'esterno. La sua funzione richiesta dipende dalla densità dei rack e dal clima in cui opera. All'interno dell'edificio, le unità di trattamento aria delle sale computer, le unità in-row o un circuito a piastre fredde a contatto diretto con i chip catturano il calore dalle apparecchiature e lo trasferiscono a un circuito di acqua refrigerata. Il lavoro del refrigeratore inizia dove l'acqua ritorna riscaldata e termina dove il calore raggiunge l'ambiente esterno.
Il refrigeratore è solo un anello della catena, non l'intera catena stessa. Il modo in cui gestisce il trasferimento finale del calore all'esterno è ciò che distingue le due principali famiglie di refrigeratori, e questa differenza incide notevolmente sui costi e sull'efficienza a valle.
Raffreddamento ad aria contro raffreddamento ad acqua: la vera differenza sta nella dissipazione del calore.
Le etichette "raffreddato ad aria" e "raffreddato ad acqua" descrivono dove un refrigeratore invia il calore, non come vengono raffreddati i server, e la scelta giusta dipende dalla disponibilità di acqua e dalla temperatura ambiente massima. Un impianto può far circolare acqua refrigerata in tutto l'edificio ed essere comunque "raffreddato ad aria", perché il termine si riferisce alla fase di dissipazione del calore piuttosto che al rack.
Un refrigeratore raffreddato ad aria dissipa il calore direttamente nell'aria esterna attraverso serpentine e ventilatori del condensatore, quindi non necessita di una torre di raffreddamento e consuma poca o nessuna acqua durante il normale funzionamento. Un refrigeratore raffreddato ad acqua trasferisce il calore a un circuito acqua-condensatore e a una torre di raffreddamento, dove l'evaporazione effettua la dissipazione finale. Il vantaggio in termini di efficienza del raffreddamento ad acqua è fisico, non di marketing: una torre di raffreddamento dissipa il calore contro la temperatura di bulbo umido esterna, che è inferiore alla temperatura di bulbo secco contro cui deve lavorare un condensatore raffreddato ad aria, quindi il refrigerante condensa a una temperatura inferiore e il compressore assorbe meno energia. Questo vantaggio comporta un consumo idrico continuo, il trattamento dell'acqua e maggiori infrastrutture impiantistiche.
| Dimensione | refrigeratore ad aria | refrigeratore ad acqua |
|---|---|---|
| Dissipazione finale del calore | Aria esterna tramite serpentine di condensazione | Torre di raffreddamento ad evaporazione |
| Driver di efficienza | Limitato dalla temperatura a bulbo secco | Benefici derivanti da una temperatura di bulbo umido inferiore |
| consumo di acqua | Minimo in condizioni di normale funzionamento | Continuo; necessita di trattamento e scarico |
| sensibilità ambientale | La capacità diminuisce con l'aumento della temperatura esterna. | Più stabile in condizioni ambientali elevate |
| Infrastruttura dell'impianto | Autonomo, più semplice da installare | Torre, circuito del condensatore, pompe, impianti idrici |
| vestibilità tipica | Siti più piccoli, periferici o con scarsità d'acqua | Grandi impianti centrali dove l'acqua è disponibile |
In questa tabella si cela un errore di dimensionamento comune. Nei climi caldi e secchi, il condensatore di un refrigeratore ad aria è la prima parte a perdere capacità quando la temperatura ambiente estiva raggiunge il picco. Un impianto dimensionato per una giornata di progetto con temperature miti si ritrova quindi insufficiente proprio nei giorni in cui è più importante. La verifica che evita questo problema consiste nel confrontare la temperatura ambiente di progetto con le peggiori condizioni locali, non con le medie annuali.
Norme e criteri di valutazione da verificare prima di confrontare i refrigeratori
Il confronto tra refrigeratori ha senso solo se effettuato rispetto a specifici standard di valutazione, poiché i dati di due produttori diversi non sono comparabili a meno che non siano stati misurati con lo stesso metodo. Prima di confrontare un impianto con un altro, è fondamentale verificare la provenienza di ciascun dato.
- AHRI 550/590 (IP) o 551/591 (SI) Valutano i pacchetti di raffreddamento ad acqua prefabbricati secondo il ciclo a compressione di vapore, coprendo sia le unità raffreddate ad aria che quelle raffreddate ad acqua. Definiscono l'efficienza a pieno carico in kW/ton (dove kW/ton ≈ 3,516 ÷ COP) più l'IPLV e l'NPLV a carico parziale. Si noti l'avvertenza inserita nella norma stessa: l'IPLV rappresenta la prestazione media di un singolo refrigeratore, quindi un'analisi specifica per l'edificio prevede il consumo energetico reale con maggiore precisione.
- Norma ASHRAE 90.4 è lo standard energetico per i data center, applicabile a strutture con densità di pavimento climatizzato superiore a 20 W/ft² e carico IT superiore a 10 kW. Valuta l'impianto attraverso la componente di carico meccanico (MLC), ovvero il rapporto tra l'energia consumata da raffreddamento, ventilatori, pompe e dissipazione del calore e l'energia consumata dalle apparecchiature IT. ASHRAE afferma che l'MLC non è direttamente analogo al PUE, quindi è necessario considerarli come controlli separati.
- Linee guida termiche ASHRAE TC 9.9 Definire gli intervalli di temperatura e umidità di alimentazione consentiti che determinano la temperatura massima dell'acqua refrigerata, la quale a sua volta regola il numero di ore di raffreddamento gratuito che l'impianto può richiedere.
- Il PUE e il WUE della griglia verde inquadrare il compromesso tra energia e acqua discusso di seguito.
Una breve lista di controllo preliminare evita che questi aspetti diventino astratti: temperatura di bulbo secco e di bulbo umido al momento della progettazione, temperature target di mandata e ritorno dell'acqua refrigerata, kW/ton a pieno carico e IPLV/NPLV alle effettive condizioni del sito, livello di ridondanza e conseguente numero di unità, e bilancio idrico comprensivo di reintegro, spurgo e trattamento.
Le variabili che determinano quale tipo di refrigeratore è più adatto al tuo sito
La scelta del refrigeratore dipende da una serie di variabili interconnesse del sito, piuttosto che da un'unica tecnologia ottimale. Il carico termico rappresenta il punto di partenza: le unità raffreddate ad aria sono comunemente utilizzate per potenze piccole e medie, mentre le centrali più grandi sono spesso dotate di sistemi di raffreddamento ad acqua, sebbene gli intervalli dichiarati varino a seconda del produttore e il punto di svolta cambi una volta applicata la ridondanza. Il clima, poi, influenza il risultato, perché la capacità di raffreddamento ad aria diminuisce quando la temperatura a bulbo secco raggiunge il picco, quindi una lunga estate calda spinge i calcoli verso la soluzione di raffreddamento ad acqua o ibrida, rendendo meno conveniente il raffreddamento.
La disponibilità idrica è spesso il fattore determinante. Dove l'acqua è scarsa, costosa o soggetta a regolamentazione, un impianto raffreddato ad aria o a circuito chiuso evita il prelievo continuo di acqua dalla torre e le relative problematiche burocratiche. Lo stesso vale per lo spazio e la struttura dell'impianto: torri, tubazioni del condensatore e pompe richiedono spazio e supporto strutturale, pertanto un tetto con spazio limitato o un intervento di ammodernamento spesso favoriscono un impianto autonomo raffreddato ad aria. La ridondanza amplifica ulteriormente questi vantaggi, poiché un obiettivo N+1 o 2N aumenta il numero di unità e l'ingombro a tal punto che la singola macchina, più economica, può risultare meno conveniente in termini di costo totale di installazione.
Gli errori ricorrenti nelle specifiche derivano direttamente dal tralasciare una di queste variabili: dimensionare solo in base al tonnellaggio di carico IT, convalidare rispetto alla temperatura ambiente media anziché a quella di picco, ignorare la temperatura di bulbo umido, dimenticare l'ingombro aggiunto dalla ridondanza e non verificare mai la temperatura dell'acqua di ritorno che l'architettura di raffreddamento sarà effettivamente in grado di fornire.
Raffreddamento gratuito e comportamento a carico parziale, dove l'energia va effettivamente
Il consumo energetico reale di un refrigeratore è determinato dalle prestazioni a carico parziale e dalle ore di raffreddamento gratuito, che dipendono dal clima e dal setpoint dell'acqua refrigerata molto più che dall'efficienza nominale a pieno carico. Il carico di un data center funziona a carico parziale per la maggior parte dell'anno, quindi il comportamento al 40 o al 60 percento della capacità è più importante della potenza nominale al 100 percento, e l'IPLV esiste proprio per descrivere questo intervallo.
Il free cooling è la leva che distingue un impianto efficiente da uno costoso. Quando le temperature esterne sono sufficientemente basse, un refrigeratore può ridurre o interrompere la compressione meccanica e lasciare che sia la temperatura ambiente a raffreddare l'acqua. Nei climi temperati, questo riduce il consumo energetico del compressore per gran parte dell'anno. Aumentando il setpoint dell'acqua refrigerata si amplia questo intervallo, e corridoi caldi e freddi ben separati consentono all'impianto di funzionare a temperature più elevate senza mettere a rischio le apparecchiature IT.
Il compromesso risiede in due parametri. Il PUE (Power Usage Effectiveness) è pari al consumo energetico totale dell'impianto diviso per il consumo energetico delle apparecchiature IT, mentre il WUE (Water Use Effectiveness) è pari al consumo idrico annuo del sito diviso per il consumo energetico delle apparecchiature IT, espresso in litri per kWh. Un progetto può risultare vincente in base a un parametro e perdente in base all'altro; pertanto, un impianto di raffreddamento ad acqua con un PUE eccellente potrebbe avere un WUE elevato, risultando inadeguato in una regione con scarsità idrica. Negli impianti ibridi aria-liquido, il solo PUE può sottostimare il quadro generale, motivo per cui a volte vengono aggiunti parametri supplementari come l'efficienza totale del consumo energetico. La variabile che vale la pena verificare fin da subito è quale parametro viene effettivamente utilizzato per valutare l'impianto.
Come i refrigeratori e il raffreddamento a livello di chip si dividono il lavoro con l'aumentare della densità dei rack.
Man mano che la densità dei rack supera la capacità di trasporto dell'aria ambiente, l'impianto di raffreddamento alimenta sempre più un circuito di liquido a livello di chip invece di raffreddare direttamente l'aria, tuttavia il suo ruolo di spina dorsale di dissipazione del calore non cambia. In una configurazione diretta al chip, piastre fredde catturare il calore nel processore, un unità di distribuzione del liquido di raffreddamento gestisce il circuito di raffreddamento tecnologico, e un refrigeratore o un raffreddatore a secco disperde il calore all'esterno. Il refrigeratore si trova comunque alla fine della catena.
Una condizione limite viene spesso interpretata in modo errato: il raffreddamento diretto al chip non implica automaticamente acqua refrigerata più fredda. A seconda della configurazione delle piastre di raffreddamento, della temperatura di avvicinamento all'unità di raffreddamento (CDU), del tipo di refrigerante e dei limiti di ingresso del chip, alcune architetture consentono temperature dell'acqua refrigerata o del circuito secondario notevolmente più elevate, il che può aumentare il free cooling e l'efficienza di sollevamento. Questi setpoint più elevati sono risultati specifici dell'architettura, non valori di progetto universali, quindi devono essere verificati per il circuito effettivo anziché essere dati per scontati. Ciò che rimane costante è che il chiller deve essere adeguato all'architettura di raffreddamento a cui è destinato: rack più densi e una specifica temperatura del refrigerante modificano le condizioni dell'acqua di ritorno che l'impianto deve gestire.
Riportare la decisione relativa al refrigeratore al carico che serve
La scelta del refrigeratore dipende da tre variabili interconnesse: dove viene dissipato il calore, cosa consentono le condizioni climatiche e la disponibilità idrica, e come viene suddiviso il carico per garantire la ridondanza. La scelta tra raffreddamento ad aria o ad acqua è una decisione da prendere in base allo specifico sito, confermata dai valori di carico pieno e parziale certificati AHRI e da una valutazione complessiva del carico meccanico secondo la norma ASHRAE 90.4, non da un criterio di classificazione qualitativa.
In Trumonytechs il nostro lavoro si colloca sul lato chip-to-coolant di questa catena, nelle piastre fredde e materiali di interfaccia termica quel calore manuale al circuito che il refrigeratore alla fine rigetta. Da questo punto di vista, una variabile si rivela ripetutamente decisiva ancor prima che venga specificato un refrigeratore: la temperatura dell'acqua di ritorno, perché determina le condizioni dell'evaporatore del refrigeratore, le ore di raffreddamento gratuito disponibili, la temperatura di avvicinamento dell'unità di trattamento aria (CDU) e la temperatura di ingresso della piastra fredda che i chip effettivamente vedono. Costruire il circuito a livello di chip attorno a una temperatura del refrigerante ottimistica e un impianto correttamente dimensionato può comunque avere difficoltà.
Se state adattando un'architettura di raffreddamento a un impianto di refrigerazione, il passo successivo pratico è definire con precisione le temperature di progetto a bulbo secco e a bulbo umido, le temperature target di mandata e ritorno dell'acqua refrigerata e il livello di ridondanza prima di confrontare le apparecchiature. Per quanto riguarda il chip, comunicate il carico termico della piastra di raffreddamento, il TDP del chip, il tipo di refrigerante, le temperature target di ingresso e uscita dell'unità di refrigerazione, lo spessore e la conduttività termica del TIM e il budget di caduta di pressione, e il nostro team di ingegneri potrà aiutarvi ad allineare la progettazione del raffreddamento a livello di chip all'impianto di dissipazione del calore che state pianificando.
FAQ
I refrigeratori dei data center sono raffreddati ad aria o ad acqua?
Entrambi i sistemi esistono e l'etichetta descrive come il refrigeratore disperde il calore nell'ambiente, non come vengono raffreddati i server. I refrigeratori ad aria disperdono il calore nell'aria esterna; i refrigeratori ad acqua lo inviano a una torre di raffreddamento. Molti data center con raffreddamento ad aria utilizzano ancora la circolazione di acqua refrigerata all'interno.
Qual è la differenza tra un refrigeratore a secco e un refrigeratore ad aria?
Un refrigeratore a secco disperde il calore da un circuito idraulico nell'aria esterna senza un proprio ciclo di refrigerazione, quindi può solo raffreddare il fluido fino alla temperatura ambiente. Un refrigeratore ad aria, invece, contiene un ciclo a compressione di vapore e può produrre acqua refrigerata a temperature inferiori a quella ambiente, cosa che un refrigeratore a secco non può fare. Molti impianti ad alta densità utilizzano refrigeratori a secco per il raffreddamento gratuito e un refrigeratore per le ore in cui la temperatura ambiente è troppo elevata.
I refrigeratori ad aria utilizzano acqua?
I refrigeratori ad aria consumano poca o nessuna acqua durante il normale funzionamento, il che rappresenta il loro principale vantaggio nelle regioni con scarsità idrica. Alcuni modelli prevedono un pre-raffreddamento adiabatico o a spruzzo che utilizza piccole quantità di acqua solo durante le ore di punta più calde per preservare la capacità.
È possibile utilizzare acqua calda per il raffreddamento diretto del chip?
In molti casi sì, perché la dissipazione del calore sul chip può tollerare temperature del refrigerante più elevate rispetto al raffreddamento ad aria ambiente. La temperatura raggiungibile dipende dalla progettazione della piastra di raffreddamento, dalla temperatura di avvicinamento dell'unità di dissipazione del calore (CDU), dal tipo di refrigerante e dal limite di ingresso del chip, quindi dovrebbe essere verificata per ogni singola architettura piuttosto che data per scontata.
Un refrigeratore ad acqua ha sempre un PUE migliore?
Non sempre, perché il PUE dipende dal clima, dai setpoint e dalle ore di raffreddamento gratuito, oltre che dal tipo di refrigeratore. Un impianto raffreddato ad acqua è spesso più efficiente dal punto di vista energetico, ma può avere un WUE elevato, e nei climi freddi un impianto raffreddato ad aria con molte ore di raffreddamento gratuito può colmare gran parte del divario.
I refrigeratori sono ancora necessari con il raffreddamento a liquido diretto sul chip?
È comunque necessario un refrigeratore o un dispositivo equivalente per la dissipazione del calore, poiché il raffreddamento diretto al chip avvicina il calore al processore ma non lo rimuove dall'edificio. Il circuito della piastra di raffreddamento e l'unità di distribuzione del liquido refrigerante restituiscono calore al refrigeratore, che lo disperde all'esterno.
