I data center adottano torri di raffreddamento per l'efficienza energetica

Mentre i massicci flussi di dati inondano il cloud, alimentando la rapida crescita economica digitale, i data center si stanno diffondendo in tutto il mondo. Tuttavia, l'enorme potenza di calcolo che supporta queste strutture genera quantità di calore sbalorditive. La dissipazione efficiente del calore è emersa come una sfida critica per le operazioni sostenibili dei data center. Le torri di raffreddamento, a lungo considerate controverse per il loro utilizzo di acqua, vengono rivalutate come componenti essenziali che possono effettivamente contribuire a un'infrastruttura dati più ecologica se implementate correttamente.

Le soluzioni di raffreddamento dei data center variano in modo significativo a seconda di molteplici fattori, tra cui le dimensioni della struttura, i requisiti di calcolo, i costi energetici regionali e la densità del carico di dati. I principali approcci di raffreddamento includono:

• Refrigeratori raffreddati ad acqua: Sistemi che incorporano refrigeratori, pompe, torri di raffreddamento e scambiatori di calore a piastre che dissipano il calore attraverso l'evaporazione.
• Refrigeratori raffreddati ad aria: Sistemi semplificati che utilizzano solo refrigeratori e pompe che si basano sull'aria per il rifiuto del calore.
• Raffreddamento evaporativo diretto: Sistemi di "raffreddamento a palude" che impiegano mezzi umidi che sfruttano l'evaporazione dell'acqua senza refrigerazione meccanica.
• Raffreddamento adiabatico: Sistemi ibridi che combinano il raffreddamento ad aria e ad acqua, utilizzando il raffreddamento assistito dall'acqua durante i periodi di picco della domanda.

Gli operatori devono considerare sia i costi operativi che l'impatto ambientale quando selezionano le soluzioni di raffreddamento. Due metriche chiave guidano queste decisioni: l'Efficacia dell'utilizzo dell'energia (PUE) che misura il consumo totale di energia rispetto all'utilizzo delle apparecchiature IT (con 1,0 come ideale) e l'Efficacia dell'utilizzo dell'acqua (WUE) che valuta il consumo di acqua del sistema di raffreddamento.

Sebbene le torri di raffreddamento consumino acqua attraverso l'evaporazione, gli esperti del settore sostengono che ciò debba essere valutato rispetto a impatti più ampi del sistema energetico. Tim Chiddix, vicepresidente dell'ingegneria meccanica presso Swanson Rink, sottolinea che la selezione della tecnologia di raffreddamento richiede un'analisi localizzata considerando le condizioni climatiche, l'infrastruttura energetica e i requisiti operativi.

Una valutazione completa deve tenere conto del consumo di acqua in tutta la catena energetica. Le centrali elettriche tradizionali come gli impianti a carbone consumano una quantità sostanziale di acqua durante la generazione di elettricità. Mentre i sistemi raffreddati ad aria riducono l'uso di acqua in loco, le loro maggiori esigenze energetiche aumentano indirettamente il consumo di acqua presso gli impianti di generazione. In molti casi, i sistemi di raffreddamento evaporativo meccanico dimostrano un'efficienza complessiva superiore rispetto alle alternative raffreddate ad aria.

Ad esempio, un sistema raffreddato ad aria che consuma 1 MW all'anno rispetto a un sistema raffreddato ad acqua che utilizza 0,5 MW con un consumo di acqua di 3.000 galloni al minuto potrebbe effettivamente conservare più acqua quando si tiene conto dei requisiti di generazione aggiuntivi dell'opzione raffreddata ad aria meno efficiente.

Un white paper co-autore da Chiddix e Brook Zion, "Data Center Water Usage in Denver, Phoenix, and Los Angeles: The Big Picture", ha esaminato se la riduzione del consumo di acqua nelle singole strutture diminuisce veramente l'utilizzo regionale dell'acqua. Lo studio ha rilevato che le superiori capacità di trasferimento del calore dell'acqua la rendono più efficiente dell'aria per il raffreddamento, sebbene l'efficacia vari a seconda del clima, con le regioni aride che ne traggono maggior beneficio.

Analizzando data center campione da 1.500 kW in tre città, incorporando i dati sull'intensità idrica della rete locale dal National Renewable Energy Laboratory, i ricercatori hanno confrontato tre sistemi: refrigeratori standard raffreddati ad acqua, refrigeratori raffreddati ad aria e raffreddamento evaporativo. I risultati hanno mostrato che i sistemi raffreddati ad aria richiedevano molta più energia (4.663.740 kWh all'anno a Denver contro 1.610.748 kWh per i sistemi raffreddati ad acqua), con quasi tutto il consumo di acqua spostato agli impianti di generazione di energia piuttosto che essere eliminato.

Chiddix avverte che le normative locali ben intenzionate che impongono la riduzione dell'uso di acqua ed energia in loco possono inavvertitamente aumentare il consumo totale di risorse quando si tiene conto degli impatti della generazione di energia. I sistemi raffreddati ad acqua spesso si dimostrano più efficienti, in particolare quando incorporano modalità di "raffreddamento gratuito" (o economizzatore lato acqua) che sfruttano l'aria fredda esterna per raffreddare l'acqua senza refrigerazione meccanica, riducendo potenzialmente il fabbisogno energetico del 75% o più in condizioni favorevoli.

La tecnologia a flusso variabile consente agli operatori di ridurre il flusso d'acqua dalle torri di raffreddamento durante le stagioni più fredde, con velocità delle ventole regolabili che forniscono ulteriori risparmi energetici. I progetti modulari delle torri di raffreddamento offrono ulteriori vantaggi, consentendo l'espansione della capacità in linea con la crescita dei server, controllando al contempo le spese in conto capitale e operative. I sistemi modulari prefabbricati supportano anche un'implementazione più rapida, fondamentale per i progetti di data center sensibili al tempo.

Poiché i data center continuano ad espandersi a livello globale, una valutazione completa delle soluzioni di raffreddamento deve considerare sia il consumo diretto che quello indiretto di risorse. Se implementate correttamente con una prospettiva a livello di sistema, le soluzioni di raffreddamento a base d'acqua possono offrire un'efficienza superiore, supportando lo sviluppo di un'infrastruttura digitale sostenibile, preservando al contempo le risorse energetiche e idriche.