Il calore dell'informatica.
La nuova sala server della "Fondazione Bruno Kessler". Un nuovo approccio energetico alla climatizzazione dei centri di calcolo.
Criticità tecnologiche nei Centri Elaborazione Dati
La realizzazione di un centro di calcolo comporta in generale l’installazione di un sistema tecnologico piuttosto complesso, in relazione ai diversi servizi richiesti: alimentazione forza motrice, cablaggio dati, climatizzazione, rilevazione ed estinzione incendi. Questi servizi devono essere organizzati in modo razionale per evitare interferenze, assicurare ispezionabilità, garantire la necessaria protezione, configurando un assieme ordinato ed esteticamente gradevole.
Tali aspetti assumono particolare rilevanza, sia in condizioni di esercizio ordinario - per offrire agi operatori un ambiente confortevole ed ergonomico ed alle apparecchiature condizioni di esercizio chimico-fisiche controllate - sia in situazione di manutenzione ordinaria e straordinaria - come per esempio richiesto nell’ambito di uno sviluppo progressivo del parco delle apparecchiature di calcolo.
L’assieme che ne deriva può diventare piuttosto complesso laddove la potenza di calcolo diventi particolarmente significativa e la sua installazione in spazi piuttosto compatti comporti una concentrazione di flussi di energia e di dati fuori dell’ordinario.
La Sala Server di FBK
E’ il caso della nuova Sala Server che la Fondazione Bruno Kessler sta realizzando nella propria sede di Trento, nella località di Povo. Si tratta infatti di un centro di elaborazione dati che, nella configurazione di massima espansione, prevede concentrati in un unico sito ben 14 “torri”, ovvero rack a pavimento comprendenti ciascuno 16 elaboratori, distribuiti su una superficie calpestabile di 65 metri quadrati: il che equivale a concentrare la capacità di elaborazione di circa 450 PC di ultima generazione nello spazio di un piccolo appartamento.
Questa centrale è destinata a diventare il cuore pulsante della struttura scientifica tecnologica della Fondazione, fornendole il richiesto supporto informativo per i più ambiziosi ed avanzati progetti di sviluppo previsti per l’immediato futuro: l’attivazione della centrale, seppure in una configurazione iniziale ridotta, è prevista per il mese di maggio, con la prospettiva di andare a regime nei mesi successivi.
Questa breve introduzione permette di inquadrare l’assoluta criticità dell’installazione e la necessità di valutare con la massima attenzione le problematiche connesse alla continuità di servizio di alimentazione, all’affidabilità della trasmissione dati e allo smaltimento del calore localmente prodotto.
Il progetto tecnologico
All’inizio di questo prestigioso intervento, l’Ufficio Tecnico di FBK ha messo a fuoco con TESI Engineering, cui nel 2008 è stato affidato il progetto, i requisiti generali tecnologici dell’opera: affidabilità, espandibilità e modularità, facile manutenzione, limitazione del rischio d’incendio (prevenzione, rilevazione tempestiva, estinzione, limitazione delle conseguenze).
Il processo di progettazione e validazione ha tenuto in considerazione gli ulteriori requisiti specifici per le diverse aree tecnologiche coinvolte: alimentazione elettrica (continuità di servizio, ridondanza delle alimentazioni, selettività delle protezioni, protezione da sovratensioni), trasmissione dati (immunità ai disturbi, affidabilità delle connessioni, massima flessibilità), climatizzazione (efficienza energetica, controllo termoigrometrico accurato, elevata filtrazione, ridondanza delle fonti frigorifere, razionale ed uniforme distribuzione interna dell’aria).
In particolare nell’ambito della climatizzazione si sono riproposti i temi e le soluzioni a suo tempo valutati su un caso analogo – il Centro di Calcolo di Villa Tambosi, della stessa Fondazione -, sebbene di proporzioni ridotte (circa il 30 %), ed al tempo affrontati in termini di esperienza pilota. Gli esiti lusinghieri ed incoraggianti hanno suggerito di estendere all’intervento attuale lo stesso approccio e le stesse riflessioni.
L’elemento che quasi sempre contraddistingue le considerazioni svolte da TESI Engineering nell’affrontare una progettazione inedita, l’efficienza energetica, si ripropone puntualmente anche in questo caso, incontrando peraltro terreno fertile ed opportunità singolari.
Le citate 14 “torri” rack richiedono al sistema di climatizzazione la capacità di smaltire i 120 kW assorbiti, inclusi i modesti contributi per illuminazione ed affollamento (mentre risultano trascurabili le rientrate di calore, stante la posizione interrata del sito), per assicurare all’ambiente la richiesta temperatura interna massima di 24 °C.
Free cooling
La prima opportunità energeticamente razionale che si prospetta è lo sfruttamento dell’aria fresca esterna, che per circa 7200 ore annue (oltre l’80% dell’esercizio continuo previsto) è inferiore alla temperatura interna richiesta, per oltre 4000 delle quali risulta inferiore alla temperatura di immissione nominale (12 °C).
Si configura quindi la possibilità di attuare una strategia di free cooling, in misura totale per 4000 ore annue, e parziale (ovvero con integrazione frigorifera crescente all’aumentare della temperatura esterna) per le ulteriori 3200 ore (mentre ci si deve rassegnare ad un esercizio in mera refrigerazione, per le rimanenti 1600 ore annue).
A tale scopo l’impianto è previsto con schema a doppio ventilatore (mandata e ripresa), per consentire il ricambio dell’aria ambiente senza variarne il regime di pressione.
Heat recovery
Ancora più interessante è la seconda opportunità che si concretizza, in virtù dell’opportunità di recuperare il calore sottratto alla Sala Server per trasferirlo ad altri ambienti (riscaldamento invernale) o ad altre utenze di calore (produzione sanitaria, deumidificazione estiva).
Questa opportunità di recupero termico (heat recovery, laddove si voglia allineare l’espressione all’alternativa prospettata di free cooling) presuppone il trasferimento del calore ad un termovettore - per ovvie ragioni di semplicità impiantistica l’acqua dell’impianto termico - ad un livello termico compatibile con le temperature del ciclo frigorifero, ovvero per valori massimi nell’ambito dei 50 °C.
In tali condizioni la macchina frigorifera si comporta come una pompa di calore che trasferisce l’energia termica da un ambiente a 24 °C (corrispondente ad una temperatura estiva) ad acqua a 50 °C, con un’efficienza tale da rendere il calore così prodotto energeticamente più conveniente rispetto ad una tradizionale generazione da combustibili fossili.
Per sfruttare l’attitudine a produrre calore a bassa temperatura e consentirne un adeguata integrazione dai tradizionali generatori di calore, il sistema è previsto collegato in serie a monte di questi ultimi, in modo da poter intervenire per temperature di ritorno inferiori a 50 °C. Laddove le condizioni climatiche esterne dovessero richiedere regimi termici più elevati per l’acqua, l’impianto non riuscirà a cedere calore al circuito di riscaldamento, dovendo seguire le altre modalità di funzionamento previste.
Modulazione della portata
E’ evidente che le strategie di free cooling e heat recovery presuppongono, come poi previsto in progetto, collocazioni delle unità di climatizzazione rispettivamente all’esterno ed in prossimità della centrale termica. Le potenze elettriche di ventilazione, pur relativamente contenute, sono anch’esse oggetto di ottimizzazione.
Per seguire la variabilità del carico termico senza comportare in ogni condizione la circolazione d’aria richiesta in condizioni nominali, la portata è modulata – beninteso, entro certi limiti prestabiliti – per mezzo di convertitori statici di frequenza, che assicurano significative riduzioni di assorbimento elettrico.
La portata così modulata verrà introdotta in ambiente attraverso diffusori pedonabili inseriti nel pavimento galleggiante in corrispondenza dei rack, mentre l’estrazione avverrà da griglie in posizioni sovrastanti collocate nel controsoffitto, in modo da garantire una circolazione forzata che assecondi i moti ascensionali naturali.
Regolazione
In questo contesto, il sistema di controllo e regolazione viene a ricoprire un ruolo particolarmente cruciale, in quanto deputato ad attuare la priorità delle modalità di funzionamento fin qui descritte, acquisendo le condizioni di esercizio istantanee e trasmettendo i conseguenti segnali di comando ai rispettivi attuatori.
Più precisamente il sistema provvederà a richiedere la circolazione minima consentita dalle condizioni di carico e nel rispetto delle soglie minime di progetto, attuando poi strategie di heat recovery (finchè sussista un fabbisogno termico appropriato), di free cooling in alternativa e/o in aggiunta (finchè le condizioni termoigrometriche esterne ne indichino la convenienza), per ripiegare sulla convenzionale refrigerazione con dissipazione solo quale extrema ratio (cfr. Diagramma di funzionamento).
Va da sé che il sistema provvederà poi all’inserzione in sequenza dei vari gradini di potenza disponibile, rispettando i tempi minimi di ciclo imposti dalla tecnologia dei compressori ed i limiti manometrici di evaporazione e condensazione richiesti dalla tecnica frigorifera.
Allestimento
Quanto descritto in progetto ed attualmente in fase di installazione, si concretizza in una coppia di unità modulari preassemblate roof-top, da posizionare sopra la centrale termica, nelle immediate vicinanze della sala server, ad essa collegate mediante canalizzazioni per il convogliamento dell’aria di mandata ed estrazione.
A bordo di ciascuna unità, a sviluppo lineare con sezioni affiancate, saranno installi i componenti di trattamento aria (ventilatori, batterie, prefiltri e filtri), i componenti frigoriferi (compressori, condensatori, organi di laminazione), gli apparecchi di risparmio energetico (serrande per free cooling, recuperatori di heat recovery, inverter di modulazione portata), le apparecchiature elettriche (potenza, protezione, comando, controllo e regolazione).
Software di simulazione
Per poter predire con sufficiente attendibilità i benefici delle soluzioni prospettate e valutarne in modo appropriato l’effettiva redditività economica, si è resa necessaria la predisposizione di un modello di calcolo, sviluppato in funzione di una variabile indipendente principale: la temperatura esterna.
Un consolidato modello climatico permette di stimare la temperatura esterna in funzione dell’ora e del giorno dell’anno, consentendo di costruire agevolmente una distribuzione spettrale della frequenza delle diverse temperature (cfr. diagramma Frequenza ore).
Un ulteriore passo obbligato risiede nella stima del fabbisogno termico dell’edificio (in ragione delle sue caratteristiche) e della corrispondete temperatura del fluido termovettore (dipendenti dal tipo di terminali riscaldanti), entrambi espressi in funzione della temperatura esterna.
L’implementazione nell’ambito del modello di calcolo dei criteri di regolazione, secondo le priorità indicate in precedenza, consente di valutare la condizione istantanea di esercizio (unità attive e rispettivi carichi), la potenza termica disponibile e quella effettivamente recuperata, le quote di freddo generato in modo tradizionale (dissipativo) e quelle in regime di heat recovery e di free cooling, le potenze elettriche risparmiate per free cooling ed inverter.
L’estensione alle ore annue indicate per ciascuna temperatura dallo spettro di frequenza delle potenze suddette permette infine di determinare le energie termiche, elettriche e primarie, nonché la loro valorizzazione a prezzi correnti di mercato da raffrontare con la soluzione tradizionale corrispondente.
Risultati
I risultati della sono riportati nella tabella Sintesi benefici. Il risparmio di energia primaria che il modello prospetta per il sistema di climatizzazione è superiore al 60 % rispetto alla soluzione tradizionale.
Tra le stime svolte e la realtà con cui ci si confronterà a partire dalla messa in servizio, vanno peraltro considerate, da un lato la progressiva crescita della potenza di calcolo, dall’altro le inevitabili semplificazioni introdotte nel modello matematico (prevista nell’arco di diversi mesi), soprattutto per quanto riguarda la differenza tra sistema di regolazione ideale e reale (influenzata da inevitabili scarti ed isteresi delle variabili controllate).
Conclusioni
Le prospettive delineate dalle considerazioni sopra esposte accreditano l’intervento proposto di un interesse energetico-ambientale rilevante.
Il successivo monitoraggio, supportato per mezzo di sistemi di contabilizzazione energetica opportunamente articolato, permetterà di verificare l’accuratezza delle previsioni e di operare le opportune ottimizzazioni, restituendo un assieme candidato a possibili riproposizioni.
