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technic

al

Considerazioni in margine alla progettazione di impianti di condizionamento per

Data Centers

Considerazioni in margine alla

Gli attuali Data Center derivano, sotto molti

aspetti, dagli originari CED, ambienti altamen-

te informatizzati, dedicati ad ospitare compu-

ter di alta potenza e apparecchiature inerenti.

Le condizioni termoigrometriche al loro inter-

no dovevano essere accuratamente control-

late entro limiti molto ristretti per rispondere

alle condizioni richieste dalle apparecchiature

elettroniche. I dati disponibili all’epoca erano

tuttavia limitati e le norme esistenti altrettanto

scarse e lacunose.

Oggi i moderni Data Center costituiscono

delle strutture dedicate soprattutto al conte-

nimento di server ad alta capacità e di altre

Alta efficienza energetica e minimo impatto ambientale

progettazione di impianti di Condizionamento per Data Centers

Figura 1 - Andamento della potenza installata di apparecchiature dell’Information Technology nel tempo

(ASHRAE).

apparecchiature dell’Information Technology.

Nel frattempo, la concentrazione dei carichi

termici nei Data Center ha raggiunto valo-

ri estremamente elevati: un singolo rack di

apparecchiature elettroniche può concentrare

una potenza termica fino a 25 - 30 kW, come

dimostra la figura 1.

Per questa ragione i Data Centers e le centrali

telefoniche rappresentano un reale problema

per la progettazione degli impianti di raffredda-

mento, sia sotto l’aspetto della scelta più ido-

nea, sia per quanto riguarda l’utilizzo dell’ener-

gia 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

rivela la figura 2.

All’interno dei Data Centers, come del resto in

tutti gli ambienti close control, non solo devono

essere mantenute condizioni termoigrometri-

che capaci di assicurare il migliore ambiente

operativo, ma deve essere garantita altresì l’

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

specifica che si integra nel layout stesso dei

rack contenenti le apparecchiature elettroni-

che da raffreddare.

Figura 2 - Suddivisione indicativa dei consumi di energia da parte dei diversi impianti e apparecchiature

di un moderno Data Center.

Tra i principali sviluppi normativi, tecnologici e impiantistici intervenuti ad oggi si possono ri-portare:

z definizione di specifiche classi ambien-tali e condizioni termoigrometriche da ri-spettare (vedi di seguito);

z sistemi di raffreddamento ad alta tempe-ratura 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”;

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

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;

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

z sistemi “cold pool” o “hot pool”, costituiti da tettucci (generalmente trasparenti) mon-tati al di sopra dei corridoi freddi o caldi, per prevenire la miscelazione tra aria fredda e calda ed aumentare così l’efficienza energe-tica delle macchine di raffreddamento.

Le caratteristiche di questi sistemi sono più dif-fusamente descritte nel paragrafo

Recenti sviluppi normativi e impiantistici

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

Come si è detto sopra, di recente l’ASHRAE ha determinato 4 classi ambientali che si riferisco-no ad altrettante tipologie di applicazioni per ciascuna delle quali sono state definite delle condizioni termoigrometriche di riferimento.

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

z Classe 2. Spazi destinati a tecnologie infor-matiche, uffici, laboratori con un certo con-trollo dei parametri ambientali c.s. Sever di piccola capacità, personal computer e wor-kstation.

z Classe 3. Uffici, abitazioni o ambienti mobili o trasportabili con limitato controllo dei para-metri ambientali per la sola temperatura.

z Classe 4. Punti vendita o ambienti dell’indu-stria leggera con riscaldamento invernale e ventilazione.

Ai fini di questa relazione saranno considerate solo le Classi 1 e 2, le più critiche e quelle mag-giormente 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 psicro-metrico nella figura 4. I limiti di funzionamen-to sono inoltre specificati nella tabella 1. Ciò permette di stabilire correttamente le caratte-ristiche dell’impianto e le condizioni di funzio-namento per la regolare operatività dei Data Centers.

Le condizioni termoigrometriche raccomandate

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

Classe

ambientale

Temperatura B.S. °C Umidità relativa % (assenza di

condensazione)

Punto di

rugiada max, °C

Ammessa Raccomandata Ammessa Raccomandata

1 15 a 32 20 a 25 20 a 80 40 a 55 17

2 10 a 35 20 a 25 20 a 80 40 a 55 21

Fonte: ASHRAE

Esistono svariate condizioni di rischio per le apparecchiature di Information Technologiy (IT) quando sottoposte a condizioni termoigro-metriche al di fuori dei limiti raccomandati. E’ soprattutto l’umidità relativa dell’aria, even-tualmente in presenza di sostanze corrosive aerodisperse, che comporta i rischi maggiori.

La umidità relativaUna 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 ma-gnetici manifestano un elevato numero di errori in ambienti con umidità relativa troppo ridotta.

L’umidità relativa deve quindi essere mante-nuta 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 tra-scurabili, non più di ½ volume ora, con il solo scopo di mantenere in sovrappressione l’am-biente rispetto all’esterno o ai locali circostanti)

e della trasmissione di calore attraverso i mu-ri, sono del tutto ininfluenti rispetto all’elevato calore endogeno generato dai server. Pratica-mente l’intero calore prodotto dai server è di tipo sensibile, quindi non esiste potenzialmente necessità di deumidificazione, se non nelle fa-si di messa a regime del Data Center dopo il completamento della costruzione o di eventuali ristrutturazioni. Le macchine di raffreddamento potrebbero quin-di 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 raffred-damento che garantiscono la eliminazione del trascinamento di gocce di condensa ma che ri-ducono 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 rea-lizzazione degli impianti.

Altrettanto inutile può essere la funzione di umidificazione, solo comunque legata al tratta-mento, normalmente in unità dedicata, dell’aria primaria.La umidità relativa in un data center si assesta normalmente intorno al 40%.

Le condizioni termoigrometriche di progetto: i rischi per le apparecchaiture IT.

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

La temperatura

Il PUE e il DciE: i nuovi parametri per valutare l’efficienza dei Data Centers

Anche condizioni di temperature eccessiva-mente elevate dell’aria che alimenta i rack può dare malfunzionamento: esse mettono a rischio l’affidabilità e la vita delle apparecchia-ture 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 anda-re verso più basse temperature per avere più tempo per rimediare ad un eventuale guasto dell’impianto di condizionamento; venivano se-lezionate, 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 attual-mente in uso: rete locale, telegestione ecc, minimizzano, o di fatto eliminano, il rischio di guasto bloccante e quindi permettono di setta-re temperature interne di 25-26°C.

Proprio a causa degli ingenti consumi di ener-gia dei Data Centers sono stati definiti di recen-te due nuovi parametri con lo scopo di misu-rarne l’efficienza energetica complessiva. Essi sono:

1. Power Usage Effectiveness (PUE) = rapporto tra consumo energetico totale della struttura e consumo energetico degli apparati IT. Do-vrebbe essere inferiore a 2, con valori ottimali tendenti a 1.

2. Data Centers Infrastructure Efficiency (DCiE)

= rapporto, moltiplicato per 100, tra Il consu-mo energetico degli apparati ed il consumo energetico totale della struttura. Ne risulta un valore percentuale: tanto più esso risulta ele-vato, tanto maggiore è il rendimento.

Questi parametri mettono a confronto la quan-tità di energia elettrica che il Data Center con-suma per l’alimentazione e il raffreddamento della struttura con la quantità di energia utiliz-zata dalle apparecchiature informatiche.

La caratteristica comune alle differenti soluzio-ni per il layout dei Data Centers è la presenza di un pavimento sopraelevato normalmente di grande altezza: almeno 600 mm. Diverse co-munque sono le soluzioni sviluppate per la po-sizione delle macchine di raffreddamento.

Posizionamento perimetraleQuesta soluzione, adottata per i primi Data Centers, prevede i condizionatori, sempre con mandata aria verso il basso, allineati perime-tralmente alla sala mentre i rack con i ser-ver sono al centro della stessa. La mandata dell’aria avviene tramite griglie nel pavimen-to sopraelevato, mentre la ripresa è dall’alto. Uno schema rappresentativo è riportato nella figura 5.

Posizionamento esternoOve possibile i condizionatori vengono installa-ti fuori dal Data Center, normalmente di spalle ad esso, in un corridoio o locale tecnico adia-cente 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 manutenzio-ne 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 effet-tuata grazie ad una sonda installata sulla ripe-sa 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 soluzio-ne è che lo spazio sotto pavimento è così meno vincolato dal passaggio dell’aria ma può esse-re dedicato a cavi elettrici ed altre applicazioni.Questa soluzione presenta tuttavia il rischio di ostruzioni dei flussi d’aria proprio per la pre-senza incontrollata di cavi dovuti anche ad in-terventi successivi.In questa soluzione si raccomanda di avere un doppio interruttore generale per poter fermare la macchina, in caso di emergenza, da qualsia-si parte ci si trovi rispetto alle file dei rack.La regolazione della temperatura viene effet-

tuata grazie a sonde installate nelle riprese delle macchine.

Il layout dei rack e dei condizionatori d’aria

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’ariaDa sotto pavimentoE’ la soluzione tradizionalmente prevista per i centri di elaborazione dati. L’aria esce dal pa-vimento sopraelevato tramite griglie opportuna-mente 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 dimen-sione. L’inconveniente di questo modello di distribuzio-ne è l’inevitabile mescolarsi dell’aria fredda, che in parte non viene aspirata dai server e quin-di 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 mag-gior consumo di energia elettrica.

Con corridoi freddi e corridoi caldiPer evitare il rischio che l’aria trattata possa bypassare i server, è oggi affermata la tenden-za a disporre i rack allineati secondo una con-figurazione di corridoi caldi e corridoi freddi. (Si riveda la figura 3). In questo modo le apparec-chiature 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 so-luzione precedente è notevole. Tuttavia ancora una parte dell’aria di raffreddamento viene ripre-sa dai condizionatori senza passare attraverso i rack.La regolazione della temperatura viene effettua-ta anche in questo caso grazie ad una sonda installata all’interno delle macchine.

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

consiste nella delimitazione dei corridoi freddi installando un tettuccio, solitamente traspa-rente, 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 vie-ne aspirata nella sua totalità dai server e non vi è alcuna forma di bypass con un elevato guada-gno di efficienza energetica.Anche in questa soluzione la regolazione della temperatura viene effettuata grazie ad una son-da installata all’interno della macchina.

Hot poolE’ una variante della “cold pool”. Invece del cor-ridoio freddo qui viene compartimentato quello caldo. La manutenzione dei server viene nor-malmente fatta dal corridoio freddo per cui in quello caldo non è prevista presenza di operato-ri e quindi i condizionatori aspirano direttamente l’aria calda, a 35 o 40 °C, raggiungendo efficien-ze altissime.Anche in questo caso l’installazione di condizio-natori “in row” garantisce le migliori prestazioni. La regolazione della temperatura viene effettua-ta 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.

Figura 6

I sistemi di condizionamento per i Data Centers possono essere sostanzialmente di due tipi per quanto riguarda la produzione e distribuzione dell’energia frigorifera:

z ad acqua refrigerata;

z a espansione diretta.Entrambi presentano delle caratteristiche spe-cifiche funzionali ed operative che il progettista dell’impianto deve valutare attentamente.

A vantaggio della soluzione ad acqua refrigera-ta vi sono:

z Migliore gestione del “free cooling” invernale

z Modulazione della potenza frigorifera propor-zionale alla richiesta

A vantaggio invece della soluzione ad espan-sione diretta vi sono:

z Maggiore efficienza energetica – a parità di condizioni – in quanto si ha un solo scambio di calore: tra il refrigerante e l’aria che attraver-sa 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.

z Maggiore semplicità impiantistica e quindi manutentiva

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

In mancanza di prescrizioni vincolanti, la scelta nor-malmente ricade su impianti ad acqua refrigerata per potenze superiori ai 200 – 400 kW, e ad espan-sione diretta per potenze inferiori a questo limite.

Acqua refrigerata o espansione diretta?

La sicurezza di funzionamento

Impianti ad espansione diretta

Impianti ad acqua refrigerata

z Rete localeE’ 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 “sla-ve” 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 equa-lizzare il numero di ore di funzionamento dei componenti di regolazione.

z TelegestioneNelle applicazioni di telegestione le macchi-ne possono essere controllate da posizio-ni remote mediante sistemi di supervisione (BMS) grazie alla comunicazione seriale per mezzo di un software di supervisione, oppure tramite Gateway (BacNet – Lonworks).

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

z TelegestioneNelle applicazioni di telegestione le mac-chine possono essere controllate da po-sizioni remote mediante sistemi di super-visione (BMS) grazie alla comunicazione seriale per mezzo di un software di super-visione, oppure tramite Gateway (BacNet – Lonworks), come detto sopra per i sistemi ad espansione diretta.

z Circuito ad acqua refrigerataE’ consigliato per gli impianti di maggiore importanza il doppio circuito idraulico, ov-viamente con doppie pompe e ridondanza

anche sui refrigeratori. In tal caso vengo-no previsti condizionatori con sistema “two sources” in modo da poter essere collegati ai due circuiti idraulici.

z Rischio d’acqua sotto pavimentoCome già detto è un rischio da valutare accuratamente. Bisogna quindi prevede-re 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 trami-te valvole motorizzate di intercettazione il flusso dell’acqua refrigerata. Altra interes-sante possibilità, pur con qualche svantag-gio estetico, è il far transitare i tubi dell’ac-qua refrigerata vicino al soffitto della sala in posizione ben visibile in modo che anche un principio di perdita possa essere imme-diatamente individuato.

Il risparmio energetico

Impianti ad acqua refrigerata

z Variazione della capacità frigorifera delle unità ad acqua refrigerataNegli impianti ad acqua refrigerata di poten-za medio-grande la variazione continua della potenza frigorifera erogata dai condizionato-ri può offrire ulteriori contributi al risparmio di energia. A questo scopo Tecnair LV offre come accessori delle particolari valvole mo-dulanti che sostituiscono quelle flottanti. Es-se 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.

z Aumento dell’efficienza energetica della sezione aeraulicaL’aumento dell’efficienza energetica com-plessiva può essere ottenuta con l’impiego degli speciali ventilatori elettronici EC (Elec-tronically Commutated) Questi ventilatori co-stituiscono la novità più recente ed importan-te 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 conti-nua a rotore esterno. Questi motori in gene-rale 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 dispositi-vi elettronici. I ventilatori Plug-Fan a loro vol-ta sono ormai noti per i diversi vantaggi offerti rispetto ai ventilatori centrifughi normalmente utilizzati nelle unità di climatizzazione. L’abbi-namento tra motori EC e Plug-Fan offre per-ciò 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).

z Portata d’aria variabile secondo la poten-za frigorifera richiesta dall’impianto. Si tratta della situazione classica di impian-to 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 in-teressanti vantaggi energetici ai carichi par-ziali, che si verificano estesamente durante l’anno. Il sistema VAV richiede che sia previ-sta una regolazione modulante della potenza frigorifera.

Free cooling aria-acqua: l’utilizzo delle energie rinnovabili

Impianti a espansione diretta

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

z 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 do-manda di raffreddamento nel Data Center o, più in generale, nello spazio da climatizzare. Si tratta della condizione di massimo rispar-mio energetico in quanto i compressori sono costantemente esclusi dal servizio.

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

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

z Solo raffreddamento meccanico senza free cooling. Si realizza quando la tempera-tura dell’aria esterna è troppo elevata per produrre un raffreddamento sufficiente. In questo caso la macchina attiva il normale funzionamento dei compressori. L’eserci-zio usufruisce comunque dell’alta efficien-za energetica dei circuiti frigoriferi e dei compressori. Quindi anche il solo raffred-damento meccanico comporta un conteni-mento dei consumi di energia rispetto ad altri sistemi.

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

degli speciali ventilatori elettronici EC (Electro-nically Commutated) in abbinamento con i venti-latori Plug Fan, come detto sopra.

I circuiti ad anello d’acqua

Le caratteristiche di questi circuiti rispondono positivamente ai requisiti dei Data Centers, so-prattutto perché offrono l’affidabilità necessa-ria per la continuità del servizio anche nei casi di estese manutenzioni sui circuiti tubieri senza arrestare l’impianto. Inoltre consentono di sta-bilire la posizione delle apparecchiature IT se-condo la voluta pianificazione del Data Center. A questo riguardo, gli attacchi per l’alimenta-zione dei sistemi di raffreddamento delle appa-recchiature possono essere realizzati in punti diversi offrendo perciò una notevole flessibili-tà. 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 ma-nutenzione o implementazioni del Data Center gli utilizzi a valle della sezione isolata possono

venire alimentati dalla parte rimanente del cir-cuito invertendo la direzione del flusso. I circuiti ad anello d’acqua trovano diverse so-luzioni 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 au-tobilanciante e consente la continuità del servi-zio 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 fun-zionali quando le macchine di raffreddamento sono disposte sul perimetro del locale. Questa funzionalità rimane confermata anche quando le macchine sono disposte perpendicolarmen-te 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 pre-cedente. Essa consente di distribuire le appa-recchiature sull’intera superficie del locale e la sua specificità sta nei rami trasversali che con-sentono 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 cir-cuito principale dell’anello, ma anche attraver-so gli stessi tubi comuni.

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

Di questo circuito, una variante ulteriormen-te 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 for-nire l’acqua refrigerata per l’anello. Questo

circuito offre quindi un’affidabilità molto su-periore a quello precedente, una ridondanza che può raddoppiare, mantenendo i vantag-gi già detti e la caratteristica di autobilancia-mento. Va riconosciuto però che questo cir-cuito 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 ef-fettuata di solito con riferimento a condizioni standard di funzionamento, spesso senza te-nere conto del fatto che variazioni anche di leg-gera entità possono produrre sensibili risparmi di energia e aumenti di potenza resa. Basti di-re, come esempio, che ogni aumento di appe-na 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 differen-za di temperatura tra ingresso e uscita dell’ac-qua refrigerata dall’evaporatore: l’efficienza in-fatti rimane sostanzialmente costante tra 5,5° e 11°C. Questo può indurre ad aumentare il differenziale di temperatura, così da movimen-tare una minor portata d’acqua e risparmiare sull’energia assorbita dalla pompa.

Nei gruppi frigoriferi condensati ad aria e nel-le unità condensanti una insufficiente portata d’aria alle batterie dei condensatori può pena-lizzare l’efficienza energetica della macchina. Correntemente la temperatura (10° C per am-bienti con clima tropicale) di condensazione di progetto risulta di 14 – 15 °C maggiore della temperatura dell’aria esterna. Se però, per ef-fetto di restrizioni sul percorso dell’aria, la por-tata 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:

z una diminuzione della capacità frigorifera erogata, e

z una diminuzione, sebbene minore della pre-cedente, 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 parzia-le, in particolare, offrono le più interessanti op-portunità di risparmio energetico, come le più serie di spreco. Alle condizioni di carico par-ziale 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 ca-pacità frigorifera resa. Si ottiene come risultato una variazione proporzionale della capacità fri-gorifera resa e una diminuzione della potenza elettrica assorbita. Uno dei vantaggi dei com-pressori scroll con Inverter è che essi possono essere fatti funzionare per brevi periodi con frequenza più elevata dei 50 Hz; in questo mo-do essi erogano una maggior capacità frigori-fera 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-fere e delle unità condensanti può penalizzarne anche sensibilmente le prestazioni, vanifican-do gli sforzi fatti dai costruttori per aumentarne l’efficienza energetica.L’installazione infatti rimane in larga parte a di-screzione dell’installatore, spesso impreparato per scegliere le condizioni migliori per favorire o non penalizzare l’efficienza energetica. Infatti tutte le macchine condensate ad aria ri-chiedono opportuni spazi liberi per il prelievo e lo scarico dell’aria di raffreddamento dei con-densatori. Spazi ristretti, ostacoli sui percorsi del flusso d’aria ecc. possono produrre due ef-fetti negativi:

z portate d’aria insufficienti per il raffredda-mento del condensatore previste in fase di progetto, con le conseguenze dette sopra, e

z ricircoli dell’aria calda espulsa verso le bat-terie realizzando un raffreddamento insuffi-ciente, con le medesime conseguenze.

Nelle medie e grandi installazioni il numero di condensatori ad aria esterni può essere ele-

vato mentre lo spazio disponibile può risultare insufficiente per la loro corretta installazione, con il rischio di successivi malfunzionamenti o 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 ostruzio-ni 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 lo 0,5% della potenza frigorifera con un au-mento dell’1% della potenza elettrica assorbi-ta, una penalizzazione tollerabile nella maggior parte dei casi. Se invece la distanza è minore le prestazioni possono diminuire sensibilmente come dimostra la tabella 2.

Il mancato rispetto delle distanze minime indi-cate 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 contribui-scono a penalizzare la resa e l’efficienza ener-getica 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 produ-ce una progressiva riduzione della superficie utile e un costante aumento della temperatu-ra di condensazione, con le conseguenze già dette.

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 0

3 0,5 1

2,5 1 2

2 1,5 3

Conclusioni

La progettazione dei moderni Data Centers, in relazione anche al contenimento dei consumi di energia, richiede un approccio globale che ten-ga conto di tutti gli aspetti che possono influen-zarne le prestazioni, dalle previste condizioni di esercizio fino alla scelta degli spazi di installa-zione di gruppi frigoriferi e unità condensanti.

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

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