Arquitectura modular de producción térmica para infraestructura crítica

Uno de los elementos técnicamente más relevantes de USX es que la redundancia no se limita a instalar varias enfriadoras.

La arquitectura USX utiliza un concepto 4-in-1 module-in-module, basado en cuatro circuitos frigoríficos independientes dentro de cada módulo. Cada circuito incorpora su propio compresor Twin Rotary inverter y sus intercambiadores asociados. Esto introduce un primer nivel de diversificación del riesgo. En una enfriadora convencional de circuito único, una avería frigorífica de importancia puede comprometer una proporción muy elevada de la capacidad instalada de la máquina. En USX, un fallo localizado queda confinado a uno de los circuitos. Los otros circuitos pueden continuar produciendo.

Desde el punto de vista de ingeniería de disponibilidad, esto cambia completamente el comportamiento de la instalación: un fallo de componente  supone una pérdida parcial de capacidad en lugar de que el fallo de componente suponga la pérdida total de la máquina. Esta diferencia es especialmente importante cuando la planta forma parte de una infraestructura IT que debe permanecer operativa 24/7.

La arquitectura USX permite plantear la redundancia en diferentes niveles:

• Nivel 1 — Circuito frigorífico: Cada módulo incorpora cuatro circuitos independientes.
• Nivel 2 — Módulo: Los módulos pueden trabajar de forma conjunta y distribuir la capacidad frigorífica requerida.
• Nivel 3 — Sistema: La arquitectura puede combinar hasta 16 módulos por grupo, con una capacidad de grupo de hasta 3,2 MW, y hasta ocho grupos para alcanzar una capacidad total de 25,6 MW.

Esta estructura permite al proyectista configurar la redundancia en función de la filosofía de disponibilidad del data center. Por ejemplo, en una configuración N+1, la capacidad de una unidad adicional puede mantenerse disponible como reserva, pero la ventaja diferencial es que la protección frente a fallos no comienza en N+1.

Existe una primera barrera de protección dentro de cada propio módulo incluido dentro de un grupo.

En un data center, N+1 significa que la instalación dispone de una unidad adicional respecto a las necesarias para cubrir la carga de diseño.

Supongamos una carga frigorífica de diseño de 2.000 kW. Si se seleccionan unidades de 200 kW, podrían ser necesarias 10 unidades para cubrir la carga.

Una arquitectura N+1 requeriría 11 módulos instalados / 10 módulos necesarios. La capacidad instalada sería 2.200 kW y y la pérdida de un módulo de 200 kW no debería comprometer la carga de diseño.

Pero la arquitectura USX introduce una segunda capa de seguridad. Cada uno de esos módulos dispone de cuatro circuitos frigoríficos independientes, por tanto, la disponibilidad real del sistema no depende exclusivamente del número de unidades instaladas, depende también de la distribución interna de los circuitos frigoríficos.

Esta es una diferencia importante frente a una arquitectura basada en grandes chillers de circuito único.

Con la arquitectura USX la disponibilidad real del sistema no depende exclusivamente del número de unidades instaladas, depende también de la distribución interna de los circuitos frigoríficos

El dimensionamiento de la planta frigorífica suele realizarse considerando una carga máxima de diseño, sin embargo, la instalación opera la mayor parte del tiempo por debajo de ese punto.

La carga puede variar debido a diversos factores como la utilización de CPU, virtualización, tráfico de datos, almacenamiento, densidad de racks, ampliaciones de servidores, redundancia IT, funcionamiento de sistemas auxiliares, condiciones ambientales, o configuración de las salas. Por ello, el punto de máxima potencia no representa necesariamente el comportamiento energético anual, la variable realmente importante es el perfil de carga. Y aquí aparece una de las principales ventajas de la tecnología USX.

Una planta frigorífica puede alcanzar excelentes valores de eficiencia en condiciones nominales y, sin embargo, presentar un consumo anual elevado si su comportamiento a carga parcial no está optimizado.

USX combina refrigerante R32, compresores DC Twin Rotary inverter y control modular para adaptar la producción frigorífica a la demanda. Toshiba especifica una capacidad de modulación hasta aproximadamente el 5 % de carga, dependiendo de la configuración. Esto permite que la capacidad de producción se aproxime progresivamente a la carga real. La consecuencia es doble: menor potencia eléctrica instantánea y mejor eficiencia energética estacional.

En una instalación que trabaja 8.760 horas al año, esta segunda variable puede ser más importante que el rendimiento obtenido en el punto de máxima carga.

La carga IT presenta una característica particular: aunque puede variar, no desaparece.

Un data center normalmente necesita refrigeración durante las 24 horas del día, incluso cuando la carga IT se encuentra por debajo de su máximo, esto genera largos periodos de funcionamiento a carga parcial.

La tecnología inverter permite variar la velocidad del compresor para ajustar la producción frigorífica, frente a una estrategia basada exclusivamente en arranque/parada de compresores. La modulación continua permite reducir ciclos de arranque, adaptar la potencia frigorífica, mantener mayor estabilidad de temperatura, reducir pérdidas asociadas a funcionamiento innecesario y mejorar el rendimiento a cargas reducidas.

En otras palabra, el objetivo no es tener siempre disponible la máxima potencia, sino disponer exactamente de la potencia necesaria en cada momento manteniendo la reserva necesaria para garantizar la disponibilidad.

En un proyecto convencional puede ser suficiente calcular que la potencia frigorífica instalada sea mayor o igual que la carga máxima.

En un data center esta ecuación es insuficiente. Debe considerarse que la potencia frigorífica disponible sea mayor o igual que la carga máxima, más la reserva de redundancia.

Pero también la potencia frigorífica efectiva debe ser igual a la capacidad disponible después del fallo del componente crítico. Este segundo parámetro es fundamental, pues una instalación puede disponer de 2.400 kW instalados y, tras un fallo, quedar reducida a 1.800 kW.

Otra instalación puede disponer de una potencia instalada similar pero mantener una capacidad operativa significativamente mayor después de una avería, por ello, para comparar soluciones de data center no debería utilizarse exclusivamente el valor de kW instalados.

Debe analizarse el concepto de kW frigoríficos disponibles después del fallo. Es aquí donde la arquitectura modular adquiere todo su sentido.

En una infraestructura crítica, el mantenimiento debe formar parte del diseño inicial. No debería ser necesario esperar a que aparezca una avería para descubrir qué porcentaje de la capacidad frigorífica queda fuera de servicio durante una intervención.

La arquitectura USX permite aislar unidades y realizar operaciones de mantenimiento conservando operativa la capacidad restante. Toshiba especifica que una unidad puede retirarse del sistema para mantenimiento mediante una función específica, permitiendo realizar trabajos sin poner todo el sistema fuera de servicio. Desde la perspectiva del operador del data center, esto se convierte en una parte de la disponibilidad.

No se trata solamente de que el equipo sea fiable, se trata de que pueda mantenerse sin provocar una indisponibilidad innecesaria.

La arquitectura 4-in-1 ofrece además una ventaja durante determinadas operaciones de funcionamiento.

Toshiba indica que los cuatro circuitos pueden trabajar de forma independiente y que, durante determinadas operaciones, como el desescarche, los circuitos se gestionan de forma alterna para mantener la producción del resto del módulo.

Aunque el desescarche tiene una relevancia mayor en aplicaciones de calefacción que en refrigeración de data centers, el principio de diseño resulta muy interesante: una función de mantenimiento o protección de un circuito no tiene por qué implicar necesariamente la pérdida completa del módulo.

Es un ejemplo de cómo la arquitectura interna contribuye directamente a la continuidad operacional.

La arquitectura USX permite construir instalaciones de gran potencia mediante la combinación de módulos.

La configuración actual contempla:

• 150, 180 y 200 kW por módulo;
• hasta 16 módulos por grupo;
• hasta 3,2 MW por grupo;
• hasta 8 grupos;
• hasta 25,6 MW de capacidad total.

Esta configuración permite adaptar la planta a la evolución del data center. Esto es especialmente interesante en proyectos desarrollados por fases. En lugar de instalar desde el primer día toda la potencia correspondiente a la capacidad futura, el proyecto puede estructurarse de acuerdo con la evolución real de la carga IT.

La modularidad permite así optimizar simultáneamente: CAPEX inicial + OPEX + redundancia + capacidad futura.

El sobredimensionamiento tiene dos consecuencias. Por una parte, incrementa el CAPEX inicial y por otra, puede provocar que las máquinas funcionen durante largos periodos muy alejadas de sus condiciones óptimas.

La arquitectura modular permite dimensionar la planta alrededor de la carga real y añadir capacidad cuando sea necesario. Por ejemplo:

• Fase 1: Carga IT: 1 MW
• Fase 2: Carga IT: 1,8 MW
• Fase 3: Carga IT: 2,8 MW

Una arquitectura modular permite acompañar progresivamente el crecimiento, esto puede resultar especialmente interesante en grandes campus de data centers, donde la construcción de capacidad IT se desarrolla durante varios años.

El espacio técnico es otro recurso crítico. La configuración en X de USX está diseñada para optimizar el flujo de aire alrededor de los intercambiadores y reducir la superficie ocupada. Toshiba identifica el diseño X como una de las características fundamentales de ahorro de espacio.

Una comparación técnica debería incorporar un indicador adicional: kW frigoríficos / m² y no únicamente €/kW frigorífico.

Esto es especialmente relevante en data centers urbanos, donde el terreno disponible puede representar una parte significativa del coste global del proyecto.

En una instalación de varios megavatios, la eficiencia eléctrica debe estudiarse desde diferentes perspectivas:

• Eficiencia frigorífica: Relación entre potencia frigorífica y potencia eléctrica.
• Eficiencia a carga parcial: Comportamiento cuando la carga se encuentra por debajo de la nominal.
• Eficiencia estacional: Comportamiento acumulado durante el año.
• Calidad de la energía eléctrica: Factor de potencia y contenido armónico.

USX incorpora electrónica orientada a reducir armónicos y mejorar el factor de potencia. Toshiba tiene un factor de potencia de hasta 99 %. En grandes instalaciones esto tiene relevancia porque la potencia eléctrica demandada por la planta frigorífica puede alcanzar varios megavatios.

Una buena solución debe minimizar no solamente los kWh consumidos, sino también las penalizaciones y sobrecostes asociados a la infraestructura eléctrica.

El PUE —Power Usage Effectiveness— permite evaluar la eficiencia energética global del data center: PUE = energía total de la instalación / energía consumida por los equipos IT.

La refrigeración es uno de los principales consumidores que no son IT; una mejora de eficiencia de la planta frigorífica puede repercutir directamente sobre el PUE global.

Sin embargo, sería incorrecto afirmar que una determinada enfriadora garantiza por sí sola un PUE concreto. El PUE final depende también de la distribución eléctrica, UPS, pérdidas de transformación, ventiladores, bombas, iluminación, gestión térmica, free cooling, envolvente y carga IT. Por eso, la contribución de USX debe analizarse dentro del sistema energético completo del data center.

El rendimiento de la planta no depende exclusivamente del circuito frigorífico, la distribución de agua fría también tiene impacto. USX incorpora un módulo de bomba con control de bypass variable que permite adaptar el volumen de agua a la carga requerida, contribuyendo a la eficiencia global del sistema.

En una planta de varios megavatios, la potencia consumida por bombas puede ser significativa, por ello, una optimización real debe considerar: compresores + ventiladores + bombas + pérdidas hidráulicas + control.

No tiene sentido conseguir una mejora del rendimiento frigorífico si posteriormente se pierde una parte significativa de esa ventaja mediante un circuito hidráulico sobredimensionado o mal controlado.

En una instalación crítica, las enfriadoras deben integrarse en el sistema global de gestión del edificio o de la infraestructura técnica; el objetivo no es solamente recibir una señal de marcha/parada.

El sistema debe poder supervisar el estado de cada módulo, la capacidad disponible, alarmas, temperaturas, presiones, consumo, funcionamiento de compresores, secuencia de unidades, y disponibilidad de reserva.

Las unidades USX incorporan conectividad WLAN orientada a la recopilación y análisis de datos. Toshiba presenta esta capacidad como una herramienta para supervisión y análisis del rendimiento. En una estrategia avanzada, estos datos pueden utilizarse para desarrollar modelos de mantenimiento predictivo y detectar desviaciones de funcionamiento antes de que se conviertan en una pérdida de capacidad.

Toshiba destaca, además de su menor GWP respecto a R410A, que la utilización de R32 permite reducir la carga de refrigerante en comparación con determinadas soluciones.

Para proyectos de nueva construcción, la elección del refrigerante debe analizarse considerando no solo el rendimiento actual, sino también: GWP, disponibilidad futura, evolución del Reglamento F-Gas, requisitos de mantenimiento, carga total de refrigerante y estrategia de descarbonización del operador.

La evolución de la inteligencia artificial y de la computación de alto rendimiento está aumentando considerablemente la densidad térmica de determinados racks. Cuando la potencia por rack aumenta, también aumenta la importancia de disponer de una infraestructura hidráulica estable y de una planta frigorífica capaz de responder rápidamente a cambios de carga. La arquitectura modular permite distribuir la capacidad frigorífica y mantener una reserva operacional.

Esto adquiere especial importancia en instalaciones donde coexisten racks convencionales y de alta densidad, GPU clusters, almacenamiento y redes de alta velocidad.

La climatización deja de ser únicamente una cuestión de ‘potencia total’, pasa a ser una cuestión de: densidad térmica + estabilidad + disponibilidad + capacidad de respuesta.

Desde un punto de vista de ingeniería, quizá el concepto más interesante de USX pueda resumirse como risk diversification.

En lugar de concentrar la capacidad en pocos elementos de gran tamaño, la arquitectura distribuye la capacidad entre múltiples elementos. Esto permite limitar el impacto potencial de fallo de compresor o de circuito, mantenimiento, intervención eléctrica o frigorífica, indisponibilidad de un módulo.

El objetivo no es conseguir que ningún elemento falle, eso no es técnicamente realista, el objetivo es conseguir que el fallo de un elemento no provoque el fallo del sistema.

Esta es una de las diferencias fundamentales entre diseñar climatización para un edificio convencional y diseñar climatización para una infraestructura crítica.

La filosofía anterior no se basa exclusivamente en prestaciones de catálogo.

En Toshiba podemos documentar un proyecto real de data center donde se instalaron 14 módulos Universal Smart X para garantizar la operación requerida de 24 horas al día y 365 días al año. El proyecto partía de una instalación con una enfriadora de tornillo de 16 años que había perdido fiabilidad y eficiencia. La solución USX fue seleccionada precisamente por tres características: control inverter para adaptarse a las variaciones de carga, reducido espacio ocupado gracias a la arquitectura modular y diversificación del riesgo mediante unidades de respaldo.

Este caso es particularmente relevante porque demuestra que la arquitectura modular no es únicamente una estrategia teórica de diseño, pues se ha aplicado a una infraestructura cuya exigencia principal era precisamente la continuidad de operación.

Para comparar dos soluciones de climatización para un data center, sería un error limitar el análisis a: “Esta planta tiene 3 MW y esta otra también tiene 3 MW.” La comparación técnicamente correcta debería incluir:

1. ¿Cuántos kW quedan disponibles después del fallo de un módulo?
2.  ¿Cuántos kW quedan disponibles después del fallo de un circuito?
3.  ¿Qué ocurre durante el mantenimiento?
4.  ¿Cuál es el rendimiento a 25 %, 50 % y 75 % de carga?
5.  ¿Cuál es el consumo anual estimado?
6.  ¿Cuál es la potencia eléctrica máxima demandada?
7.  ¿Qué superficie ocupa la planta?
8.  ¿Cómo se amplía la instalación?
9.  ¿Cómo se integra con el BMS?
10.  ¿Cuál es la estrategia de redundancia?

La arquitectura USX resulta especialmente interesante porque intenta resolver simultáneamente dos problemas que tradicionalmente pueden entrar en conflicto.

Por un lado, disponibilidad, mediante modularidad, circuitos independientes y capacidad de respaldo. Por otro, eficiencia, mediante compresores inverter, funcionamiento a carga parcial, control modular, R32 y optimización de ventiladores y bombas. El objetivo final es conseguir alta disponibilidad sin mantener permanentemente toda la capacidad instalada funcionando a máxima potencia. Este equilibrio es especialmente importante en un data center.

La tecnología Toshiba USX debe analizarse, en aplicaciones de data center, no como una simple enfriadora de alta potencia, sino como una arquitectura modular de producción térmica para infraestructura crítica.

Su principal diferenciación reside en la combinación de varios niveles de protección: cuatro circuitos frigoríficos independientes, módulos independientes, configuración N+1/N+X, control inverter, funcionamiento a carga parcial, mantenimiento modular y escalabilidad hasta 25,6 MW.

A esto se añaden elementos orientados a la eficiencia energética, como la tecnología DC Twin Rotary inverter, el control hidráulico, la reducción de armónicos y la corrección del factor de potencia.

En consecuencia, la ventaja competitiva de USX no debería expresarse simplemente como “más eficiente“o”más fiable”.

La ventaja está en una proposición mucho más concreta: USX permite diseñar la capacidad frigorífica de un data center como una infraestructura distribuida, redundante y modulable, en la que el fallo o mantenimiento de un elemento puede quedar limitado a una fracción de la capacidad total.

Y en una infraestructura que debe funcionar 8.760 horas al año, esa capacidad para limitar el impacto de los fallos, mantener eficiencia a carga parcial y crecer con la demanda IT puede ser mucho más determinante que la potencia nominal de una única enfriadora.

La pregunta no es cuántos kW puede producir una máquina, sino cuántos kW puede garantizar la planta cuando más los necesita el data center. Ahí es donde la arquitectura USX adquiere su verdadero valor diferencial.