Consideraciones de diseño del centro de datos

Las topologías anteriores suponen una instalación de un UPS de bajo voltaje. Sin embargo, se pueden desarrollar sistemas similares utilizando un UPS de medio voltaje. Más allá de la configuración de redundancia, estas topologías de UPS de bajo voltaje también pueden evaluarse en función de la facilidad de administración de la carga, la generación de potencia de respaldo, su capacidad de implementación y puesta en marcha inicial y cuando se amplía, los primeros costos y el costo total de propiedad, la huella física de los equipos que componen la topología y el tiempo de construcción de la instalación inicial, así como la ampliación del sistema.

Una característica común a las diferentes topologías presentadas es la necesidad de transferir la carga entre sistemas. Independientemente de la topología del sistema, debe cumplirse el requisito de transferir la carga entre sistemas eléctricos, ya sea para actividades de mantenimiento planificadas, ampliaciones o modalidades de falla. La administración de carga se refiere a cómo se gestiona la carga entre los distintos sistemas.

Topología 2N La premisa detrás de un sistema 2N es que hay dos ocurrencias de cada pieza de equipo eléctrico crítico para permitir la falla o el mantenimiento de cualquier pieza sin afectar al funcionamiento general del equipo de TI del centro de datos. Esta configuración tiene una serie de impactos:

• Administración de carga: entre las topologías presentadas aquí, la 2N tiene un esquema de administración de carga relativamente sencillo. El sistema funcionará independientemente de otros sistemas de distribución y puede ser dimensionado para acomodar la carga de demanda total del bloque de TI y los equipos de HVAC asociados, minimizando la zona de falla. La principal consideración para la administración de carga es garantizar que la carga total no sobrecargue una única subestación/sistema UPS.
• Generación de potencia de respaldo: esta topología utiliza una generación de respaldo 2N con el más simple de los esquemas: tener el generador conectado al bloque de distribución. Cada generador está dimensionado para toda la carga del bloque y soportará el 50 % de la carga en condiciones normales. Para los grandes centros de datos, existe la opción de conectar en paralelo varios grupos electrógenos para crear una fuente de reserva "A" y conectar en paralelo un número igual de generadores para crear una fuente de respaldo "B", distribuyendo la energía a través de dos conjuntos diferentes de equipos de conmutación en paralelo. Normalmente, esto es más caro debido a la adición del equipo de conmutación en paralelo y los controles. La selección de la clase de voltaje suele depender del tamaño de la carga, así como del espacio físico y del costo del tendido de cables desde el generador hasta el equipo de conmutación. La capacidad de poner en paralelo los generadores tiende a estar limitada por las capacidades de ampacidad del bus del equipo de conmutación en paralelo, así como por las capacidades de cortocircuito. Por encima de los 6.000 amperios a 480 V, considere la posibilidad de utilizar generadores de 15 kV.
• Implementación: cada sistema 2N puede diseñarse para albergar un bloque informático discreto. Esto permite implementar múltiples sistemas de forma independiente, facilitando la adquisición, construcción, puesta en marcha y operaciones sin impacto en los sistemas existentes o futuros.
• Primer costo/TCO: el sistema 2N requiere el doble de cantidad y capacidad de equipos eléctricos de lo que requiere la carga, lo que hace que el sistema funcione teóricamente al 50 % de la capacidad nominal. Debido a la naturaleza del funcionamiento de los equipos eléctricos, esto tiende reducir la eficiencia con respecto a la que puede obtenerse en otras topologías. Un efecto adicional de la topología del sistema 2N es que el primer costo tiende a ser mayor debido a la cantidad de equipos. Además, al haber sistemas adicionales, los costos de operación y mantenimiento continuos tienden a ser mayores.
• Consideraciones espaciales: dado que suele tener el mayor número de equipos, la configuración 2N suele ser la que más espacio físico ocupa. Sin embargo, este sistema es el más sencillo de construir a medida que se amplían las instalaciones, lo que minimiza el trabajo adicional y permite que las instalaciones crezcan con las demandas de TI.
• Tiempo de comercialización: como se ha comentado, este sistema tendrá más equipos para respaldar la topología, por lo que construir y poner en marcha el equipo puede llevar más tiempo. Los sistemas son duplicados entre sí, lo que permite una mayor eficiencia en la construcción y puesta en marcha cuando se instalan varios sistemas, suponiendo que los equipos de instalación se mantengan.

Topología redundante distribuida (3M2). La premisa de un sistema 3M2 es que hay tres rutas independientes para el flujo de energía, cada ruta diseñada para funcionar a aproximadamente el 66,7 % de su capacidad nominal y al 100 % durante un suceso de falla o mantenimiento. Esta configuración se lleva a cabo asignando cuidadosamente la carga de forma que la conmutación por error se distribuya adecuadamente entre los sistemas restantes.

Esta configuración tiene una serie de impactos en la distribución:

• Administración de carga: la administración de carga para el sistema 3M2 debe considerarse con cuidado. La carga deberá equilibrarse entre los sistemas A, B y C para garantizar que la carga crítica reciba el respaldo adecuado sin sobrecargar ningún sistema individual. La administración de carga de un sistema como éste puede recibir la ayuda de un Sistema Monitor de la energía.
• Generación de potencia de respaldo: esta topología sigue el flujo normal de energía y utiliza una generación de respaldo 3M2 donde el generador está emparejado al bloque de distribución. Cada generador está dimensionado para toda la carga del bloque y soportará el 66,7 % de su capacidad en condiciones normales. Las configuraciones de generadores en paralelo rara vez se utilizan en los sistemas 3M2. Al igual que en los sistemas 2N, la selección de la clase de voltaje depende del tamaño de la carga, así como del espacio físico y del costo del tendido de cables desde el generador hasta el equipo de conmutación (ver Figura 3).
• Implementación: cada sistema 3M2 puede diseñarse para albergar un bloque informático discreto. La expansión dentro de un sistema 3M2 implementado es excepcionalmente desafiante y difícil, sino imposible de poner en marcha. La implementación de múltiples sistemas 3M2 es la mejor opción para abordar la expansión y la puesta en marcha.
• Primer costo/TCO: el sistema 3M2 requiere aproximadamente 1,5 veces la capacidad del equipo eléctrico que requiere la carga y funciona al 66,7 % de su capacidad nominal. Dado que el equipo funciona a un porcentaje mayor, el sistema 3M2 tiende a ser más eficiente energéticamente que el 2N, pero menos eficiente que cualquiera de los sistemas redundantes compartidos. Un impacto adicional de la topología del sistema 3M2 es que se pueden utilizar equipos de menor capacidad para soportar un bloque de TI de tamaño similar, lo que hace que el sistema tenga un mayor costo por kilovatio a instalar. Sin embargo, si la mayor capacidad se consigue dimensionando los bloques de TI lo suficientemente grandes como para aprovechar las ventajas de esta topología o instalando dos bloques de TI en cada sistema de distribución, el primer costo será menor. Esencialmente, el sistema 2N necesita dos subestaciones y equipos asociados para cada bloque de TI, mientras que el sistema 3M2 solo necesitaría tres sistemas de subestación para soportar el bloque de TI. El ahorro en el primer costo se suma al ahorro operativo porque hay menos equipos que mantener. Y el ahorro de energía se debe a que los equipos funcionan con una mayor eficiencia.
• Consideraciones espaciales: al igual que en el caso del primer costo, la distribución espacial puede ser menor o mayor que la de un sistema 2N, dependiendo de cómo se implemente la topología y de cuántos bloques de TI admita cada sistema.
• Tiempo de comercialización: el equilibrio entre los bloques de TI admitidos por cada sistema y la cantidad de equipos tendrá un impacto en el tiempo de comercialización, aunque es poco probable que el equilibrio para este sistema sea significativo. El equipamiento adicional debe equilibrarse con piezas más pequeñas que permitan un tiempo de instalación más rápido por unidad. Los sistemas son duplicados entre sí, lo que permite una mayor eficiencia en la construcción y puesta en marcha cuando se instalan varios sistemas, suponiendo que los equipos de instalación se mantengan.

Redundancia compartida N+1 (N+1 SR). La premisa del sistema N+1 SR es que cada bloque informático está respaldado por una trayectoria primaria. En caso de mantenimiento o de una falla, hay un módulo redundante pero compartido que proporciona soporte de respaldo. El módulo compartido en esta topología tiene las mismas capacidades y configuración de equipos que el sistema de alimentación primario, lo que minimiza los tipos de equipos a mantener.

Por ejemplo, si se van a instalar seis bloques de TI, habrá que instalar siete sistemas de distribución (subestaciones, generadores y SAI) para un sistema N+1. Este sistema N+1 puede reconfigurarse fácilmente a un sistema N+2 con un impacto mínimo (adquiriendo ocho sistemas en lugar de siete). Esta reconfiguración permitiría que el sistema proporcione toda la capacidad de reserva incluso mientras se realiza su mantenimiento.

Esta configuración tiene varios impactos a considerar:

• Administración de carga: el sistema N+1 SR tiene la administración de carga más sencilla de las topologías presentadas. Mientras el UPS local y el generador no estén sobrecargados, el sistema no se sobrecargará.
• Generación de potencia de respaldo: esta topología sigue el flujo normal de energía y utiliza una generación de respaldo N+1 SR donde el generador está emparejado al bloque de distribución. Cada generador está dimensionado para la carga de todo el bloque, con el generador SR también dimensionado para llevar un bloque. La generación en paralelo puede utilizarse en sistemas redundantes en bloque. Sin embargo, hay que tener muy en cuenta la necesidad de redundancia en el equipo de conmutación conectado en paralelo. Una verdadera redundancia N+1 requeriría un equipo de conmutación en paralelo redundante. Sin embargo, este nivel de redundancia puede no ser necesario cuando se utiliza la energía del generador.
• Implementación y puesta en marcha: la implementación del sistema N+1 SR es modular porque cada sistema funciona de forma independiente. Sin embargo, la puesta en marcha de un nuevo sistema con un sistema redundante existente puede ser un reto si la redundancia tiene que estar siempre disponible para la carga crítica. En el caso de un escenario de múltiples fallas (varios generadores que no funcionan o varios UPS que no soportan la carga mientras los generadores se ponen en marcha), las fallas se producirán en cascada y sobrecargarán el sistema redundante. Hay múltiples formas de mitigar este riesgo (disyuntores de administración de carga o inhibición del STS), pero la preocupación es válida. Cualquiera de los métodos aplicados para evitar una falla en cascada provocará la desconexión de algunas cargas informáticas.
• Primer costo/TCO: para una implementación a gran escala (es decir, que supere los dos módulos), el sistema N+1 SR tiene el menor costo instalado por kilovatio de los sistemas aquí estudiados que cuentan con protección completa de UPS para los sistemas de distribución de energía normal y redundante, debido a la menor cantidad de equipos. Además, un menor número de equipos también debería traducirse en menores costos de operación y mantenimiento continuos.
• Consideraciones espaciales: la disposición N+1 SR tendrá el menor impacto espacial. Se requiere una distribución adicional entre los módulos, así como una ubicación central para albergar el sistema redundante.
• Tiempo de comercialización: el equilibrio entre el sistema de distribución de los bloques de TI y la cantidad de equipos tendrá un impacto en el tiempo de comercialización. Sin embargo, debido a que el SR N+1 tiene la menor cantidad de equipos, esta configuración tiene potencialmente el menor tiempo de comercialización de todos los sistemas explorados hasta ahora. Este plazo se ve respaldado además por los duplicados del sistema, que deberían permitir una mayor eficiencia en la construcción y puesta en marcha de las instalaciones posteriores, suponiendo que los equipos se mantengan.

Bus común N+1 (N+1 CB). La premisa detrás del sistema N+1 CB es que hay una trayectoria primaria que soporta cada bloque de TI. Esta trayectoria también cuenta con un UPS de capacidad N+1 para facilitar el mantenimiento y el funcionamiento en caso de falla del UPS. El sistema está respaldado por un sistema de conmutación simple con un generador de respaldo.

Esta configuración tiene una serie de impactos en la distribución:

• Administración de carga: al igual que el sistema N+1 SR, la administración de carga para el CB N+1 es sencilla. Mientras la combinación local de UPS/generador no se sobrecargue, el sistema no se sobrecargará.
• Generación de potencia de respaldo: al igual que la topología anterior, hay un generador emparejado a cada bloque de distribución, incluido el bloque redundante.
• Implementación y puesta en marcha: la implementación del sistema N+1 CB es modular porque cada sistema funciona de forma independiente. El único lugar donde hay que probar el trabajo existente con el nuevo equipo es en el sistema de bus común.
• Primer costo/TCO: el sistema N+1 CB tiene potencialmente el menor costo instalado por kilovatio de todos los sistemas. Este menor costo se debe a una combinación de menores cantidades de UPS y generadores junto con una distribución más sencilla. Además, un menor número de equipos significa que los costos de operación y mantenimiento continuos también deberían ser menores.
• Consideraciones espaciales: la disposición N+1 CB tendrá un impacto espacial menor. Se requiere una distribución adicional entre los módulos, así como una ubicación central para situar el sistema de bus central (interruptores de transferencia y generador).
• Tiempo de comercialización: al igual que el sistema N+1 SR, el CB N+1 tiene un número significativamente menor de equipos que los sistemas 2N o 3M2. Este número de equipos debería permitir un tiempo de comercialización más rápido. Sin embargo, es difícil determinar cuál de los sistemas N+1 tendría un plazo de comercialización más rápido.

Las descripciones de las topologías anteriores solo destacan algunos sistemas. Existen otras topologías y múltiples variaciones de las mismas. No hay un sistema de clasificación de topologías; no hay una mejor que otra. Cada topología tiene pros y contras que deben sopesarse con el rendimiento, el presupuesto, el calendario y la función final de cada centro de datos.

¿Qué clasificación del generador debe utilizarse para un centro de datos?

Los generadores deben ser capaces de suministrar potencia de respaldo durante un número indeterminado de horas cuando la red eléctrica no está disponible. Para ayudar a seleccionar el generador adecuado, los fabricantes han desarrollado clasificaciones para los motores-generadores con el fin de satisfacer los requisitos de carga y tiempo de funcionamiento en diferentes condiciones. La norma 8528-2005 de la Organización Internacional de Normas (ISO), Grupos electrógenos de corriente alterna accionados por motores de combustión interna, trata de dar coherencia a todos los fabricantes. Sin embargo, la norma ISO solo define los requisitos mínimos. Si el generador es capaz de ofrecer un rendimiento superior, el fabricante puede determinar la potencia nominal indicada. Para complicar aún más las clasificaciones de los generadores, algunas industrias tienen sus propias clasificaciones específicas para esa industria y aplicación. Estas diferentes clasificaciones pueden complicar la selección del tipo de generador correcto.

Existen cuatro clasificaciones definidas por la norma ISO-8528:

1. Potencia continua: diseñada para una carga constante y horas de funcionamiento ilimitadas; proporciona el 100 % de la potencia nominal durante el 100 % de las horas de funcionamiento.
2. Potencia principal: diseñada para una carga variable y horas de funcionamiento ilimitadas; proporciona el 100 % de la potencia nominal durante un período corto pero con un factor de carga del 70 %; se permite una sobrecarga del 10 % durante un máximo de 1 hora en 12 horas y no más de 25 horas/año.
3. Funcionamiento limitado: diseñado para una carga constante con un tiempo de funcionamiento máximo de 500 horas anuales; la misma potencia nominal que una unidad con clasificación principal, pero permite un factor de carga de hasta el 100 %; no se permite una sobrecarga del 10 %.
4. Potencia de respaldo de emergencia: diseñada para una carga variable con un tiempo de funcionamiento máximo de 200 horas al año; está clasificada para funcionar al 70 % de la capacidad nominal.

La industria de los generadores también tiene dos clasificaciones adicionales que no están definidas por la norma ISO-8528: la potencia de respaldo de misión crítica y la potencia de respaldo. La potencia de respaldo de misión crítica permite un factor de carga del 85 % con solo el 5 % del tiempo de funcionamiento de capacidad nominal. Un generador con clasificación de reserva puede proporcionar la potencia nominal durante una interrupción, suponiendo un factor de carga del 70 % y un tiempo de funcionamiento máximo de 500 horas al año.

Los diseños de los centros de datos suponen una carga constante y las peores temperaturas ambientales. Esto no refleja el funcionamiento en el mundo real y da lugar a un exceso de equipamiento. Además, no es realista esperar una carga del 100 % durante el 100 % de las horas de funcionamiento, ya que el generador suele necesitar mantenimiento y cambios de aceite cada 500 horas de funcionamiento. Siendo realistas, durante una interrupción prolongada, la temperatura ambiente fluctuará por debajo de la temperatura máxima de diseño. Del mismo modo, la carga en un centro de datos no es constante. Según la investigación realizada por Caterpillar, las aplicaciones de los centros de datos del mundo real muestran una variabilidad inherente en las cargas. Esta variabilidad, tanto en las cargas como en las temperaturas ambientales, permite a los fabricantes afirmar que un generador con clasificación de reserva proporcionará la potencia nominal durante la interrupción y es apropiado para una aplicación de centro de datos. Sin embargo, si un usuario final desea realmente un número ilimitado de horas de funcionamiento, entonces un generador con clasificación de reserva no es la opción adecuada.

¿Qué tipo de transformador es mejor?

El tipo de transformador que se debe utilizar para un centro de datos es constantemente cuestionado y desafiado por los usuarios finales que tratan de entender si deben invertir en un transformador de alto rendimiento o no. Existen dos categorías de transformadores de distribución: los de tipo seco y los rellenos de líquido. Dentro de cada categoría, hay varios tipos diferentes. La categoría de tipo seco puede subdividirse en cinco categorías con las siguientes características:

1. Los transformadores de bobina abierta aplican una capa de barniz en las bobinas del conductor calentado y hornean las bobinas hasta que el barniz se cura.
2. Los transformadores impregnados al vacío (VPI, Vacuum-Pressure Impregnated) se impregnan con un barniz de poliéster a alta temperatura, lo que permite una mejor penetración del barniz en las bobinas y ofrece una mayor resistencia mecánica y al cortocircuito.
3. Los bobinados de los transformadores encapsulados al vacío (VPE, Vacuum-pressure encapsulated) se encapsulan con resina de silicona, aplicada normalmente de acuerdo con una especificación militar y se utilizan en lugares expuestos a la niebla salina, como las aplicaciones navales de la Marina de los Estados Unidos. Los transformadores VPE son superiores a los transformadores VPI, con mejor resistencia dieléctrica, mecánica y al cortocircuito.
4. Los transformadores encapsulados tienen bobinados abiertos que están aislados con epoxi, lo que los hace muy resistentes a las fuerzas de cortocircuito, a las condiciones climáticas severas y a las cargas cíclicas.
5. Los transformadores de bobina fundida tienen bobinados herméticamente sellados con epoxi para proporcionar una resistencia eléctrica y mecánica a fin de obtener mayores niveles de rendimiento y protección medioambiental en entornos con mucha humedad, cargados de polvo y químicos.

En el caso de los transformadores llenos de fluido, se pueden utilizar varios tipos de fluidos para aislar y refrigerar los transformadores. Entre ellos se encuentran los fluidos menos inflamables, los fluidos no inflamables, el aceite mineral y el Askarel.

En el contexto de un entorno de misión crítica, destacan dos transformadores: el transformador de bobina fundida, por su excepcional rendimiento y el transformador sumergido en líquido menos inflamable, por su confiabilidad y longevidad en entornos comerciales e industriales. Aunque ambos tipos de transformadores son apropiados para un centro de datos, cada uno de ellos presenta ventajas y desventajas que requieren una evaluación para cada entorno.

Los transformadores llenos de líquido son más eficientes que los de bobina fundida. Dado que el aire es el sistema básico de refrigeración y aislamiento de los transformadores de bobina fundida, serán más grandes que las unidades llenas de líquido del mismo voltaje y la misma capacidad. Cuando funcionan a la misma corriente, con más material y más núcleo y bobina implican mayores pérdidas para la bobina fundida. Los transformadores rellenos de líquido tienen las propiedades adicionales de refrigeración y aislamiento asociadas a los sistemas de aceite y papel y suelen tener menos pérdidas que las unidades de bobina fundida correspondientes.

Los transformadores rellenos de líquido tienen una vida media de 25 a 35 años. La vida media de un transformador de bobina fundida es de 15 a 25 años. Dado que los transformadores rellenos de líquido duran más que los de bobina fundida, ahorran en material, en mano de obra para sustituirlos y en impacto operativo debido a la sustitución.

El mantenimiento anual recomendado para un transformador de bobina fundida consiste en la inspección, el examen por infrarrojos de las conexiones atornilladas y la aspiración de las parrillas y bobinas para mantener una refrigeración adecuada. La mayoría de las veces, la limpieza de las parrillas y bobinas requiere que el transformador esté sin tensión, por lo que a menudo este procedimiento no se realiza. La acumulación de material en las parrillas y bobinas del transformador puede reducir la eficiencia del transformador debido a la disminución del flujo de aire.

El mantenimiento de un transformador lleno de líquido consiste en tomar y analizar una muestra de aceite. El análisis del aceite proporciona una evaluación precisa del estado del transformador y permite una reparación o sustitución programada en lugar de una falla imprevista. Este tipo de evaluación no es posible en un transformador de bobina fundida. Además, omitir el muestreo de aceite no disminuye la eficiencia del transformador.

Los transformadores de bobina fundida tienen un historial de fallas catastróficas en los centros de datos debido a los voltajes transitorios inducidos por la conmutación de los disyuntores de vacío. Los comités del IEEE han llevado a cabo importantes investigaciones, que han dado lugar a directrices sobre técnicas de mitigación (es decir, amortiguadores resistivos-capacitivos [RC]) publicadas en la norma IEEE C57.142-2010: Guía del IEEE para describir la ocurrencia y mitigación de los transitorios de conmutación inducidos por los transformadores, el dispositivo de conmutación y la interacción del sistema. Los transformadores llenos de líquido parecen menos susceptibles a este problema, ya que no hay datos publicados sobre su falla. Independientemente del tipo de transformador instalado, la mejor práctica de la industria es realizar un estudio de los transitorios de conmutación e instalar amortiguadores RC en los sistemas, si se justifica.

Cuando un transformador falla, hay que decidir si se repara o se sustituye. Los transformadores de bobina fundida no suelen ser reparables, sino que deben sustituirse. Sin embargo, hay algunas empresas que construyen transformadores de bobina fundida reciclables. Por otro lado, en la mayoría de los casos, los transformadores de carga líquida pueden repararse o rebobinarse.

Cuando un transformador de bobina fundida falla, todo el bobinado queda inutilizado porque está encapsulado en resina epoxi. Debido a su construcción, los materiales son difíciles y caros de reciclar. Los transformadores rellenos de líquido se reciclan fácilmente una vez que han llegado al final de su vida útil. El acero, el cobre y el aluminio pueden reciclarse.

Los transformadores de bobina fundida tienen un nivel sonoro de funcionamiento más alto que los transformadores llenos de líquido. Los transformadores típicos de bobina fundida funcionan en la gama de 64 a 70 dB, mientras que los transformadores llenos de líquido lo hacen en la gama de 58 a 63 dB. Un decibelio es una función logarítmica y la presión sonora se duplica por cada aumento de 3 dB.

Los transformadores rellenos de líquido tienen menos material para el núcleo y la bobina y utilizan sistemas de enfriamiento de aceite y papel muy eficaces, lo que les permite ocupar poco espacio físico y pesar menos que la unidad de bobina fundida correspondiente. Como los transformadores de bobina fundida están refrigerados por aire, suelen ser más grandes que sus homólogos de líquido, suponiendo el mismo voltaje y la misma capacidad (kVA nominal). Los transformadores de bobina fundida tienen más material de núcleo, lo que implica mayores costos y pérdidas.

Los transformadores de tipo seco tienen la ventaja de ser fáciles de instalar y de ser resistentes al fuego y poseen beneficios ambientales. Los transformadores rellenos de fluido tienen la clara desventaja de requerir la contención del fluido. Sin embargo, los avances en los fluidos aislantes, como el Envirotemp FR3 de Cargill, un éster natural derivado del aceite vegetal renovable, están reduciendo las ventajas de los transformadores de tipo seco.

Para las instalaciones interiores de transformadores, la bobina fundida debe estar ubicada en una sala de transformadores con una construcción resistente al fuego de al menos 1 hora, de acuerdo con la norma NFPA 70-2017: artículo 450.21(B) del Código Eléctrico Nacional (NEC). Sin embargo, si los transformadores con aislamiento de líquido menos inflamable se instalan en el interior, pueden montarse en un área que esté protegida por un sistema automático de extinción de incendios y que tenga un área de confinamiento de líquidos de acuerdo con el artículo 450.23 del NEC.

Tradicionalmente, los transformadores llenos de líquido menos inflamable se instalan en el exterior. Sin embargo, ambos tipos pueden instalarse en el exterior. Esta opción de instalación en el exterior tiene la ventaja adicional de reducir los requisitos de refrigeración del centro de datos. En este caso, los transformadores de bobina fundida deben tener un recinto impermeabilizado y no pueden ubicarse a menos de 12 pulgadas de materiales de construcción combustibles según el artículo 450.22 del NEC. El transformador lleno de líquido debe estar físicamente separado de puertas, ventanas y aberturas similares del edificio, de acuerdo con el artículo 450.27 del NEC.

La elección entre una bobina de fundición y un transformador lleno de líquido menos inflamable puede ser un desafío. Un transformador relleno de líquido es una opción sólida para una aplicación de centro de datos porque es más eficiente, físicamente más pequeño y ligero, más silencioso, reciclable y tiene una vida útil más larga. Sin embargo, si la exigencia de un alto rendimiento eléctrico y mecánico es lo más importante, la bobina de fundición sería la opción adecuada.

¿Qué voltaje de distribución de TI debe utilizarse?

A estas alturas, en la industria de los centros de datos se sabe que los circuitos de tres fases pueden proporcionar más energía al gabinete informático que un circuito de una fase. Sin embargo, la elección del voltaje de distribución entre 208 Y/120 V o 415 Y/240 V depende de las respuestas a varias preguntas, como por ejemplo:

• ¿Cuánta potencia hay que suministrar a cada gabinete informático inicialmente y cómo es la curva de crecimiento de la potencia en el futuro?
• ¿Cuáles son los requisitos de las fuentes de alimentación de los equipos informáticos?
• ¿Se instalarán equipos heredados en el centro de datos?
• ¿Puede el equipo de planta decidir las fuentes de alimentación que se pedirán cuando se compren nuevos equipos de TI?

Empecemos por la potencia de un circuito de tres fases. Un circuito de tres fases de 208 Y/120 V y 20 amperios puede alimentar un gabinete de 5,7 kVA. Según el artículo 210.20 del NEC, los disyuntores de los circuitos derivados pueden utilizarse hasta el 80 % de su capacidad nominal, suponiendo que no se trate de un dispositivo con capacidad nominal del 100 %. Por lo tanto, un circuito de 208 V, de tres fases y de 20 amperios puede alimentar un gabinete de hasta 5,7 kVA (20 amperios x 0,8 x √3 x 208 V). Ahora bien, si ese mismo circuito de 20 amperios funcionara a 415 Y/240 V, en tres fases, entonces ese circuito podría alimentar un gabinete hasta 11,5 kVA (20 amperios x 0,8 x √3 x 415 V). Eso es más del doble de potencia del mismo circuito sin costo adicional de distribución.

Si las especificaciones de los equipos informáticos pueden controlarse estrictamente, la decisión de estandarizar la distribución de 415 Y/240 V es bastante sencilla. Sin embargo, si el entorno informático no puede controlarse estrictamente, la decisión es más difícil. En la actualidad, la mayoría de las fuentes de alimentación de TI tienen una amplia gama de voltajes de funcionamiento, de 110 V a 240 V. Esto permite alimentar los equipos con numerosas opciones de voltaje, y solo hay que cambiar la configuración del enchufe de la fuente de alimentación. Sin embargo, los equipos heredados o los equipos informáticos especializados pueden tener requisitos de voltaje muy precisos, por lo que no permiten el funcionamiento a más de 240 V. Para abordar este problema, se pueden implementar tanto 208 Y/120 V como 415 Y/120 V dentro de un centro de datos, pero esto no suele hacerse ya que crea confusión para la implementación de los equipos de TI.

La siguiente pregunta que se suele hacer es si todo el centro de datos puede funcionar a 415 V, en lugar de traer 480 V y tener la pérdida de energía asociada a la transformación a 415 V. Aunque es técnicamente factible, los costos de los equipos son elevados porque los motores estándar de HVAC funcionan a 480 V. El uso de 415 V para HVAC requeriría motores especialmente bobinados, lo que aumentaría el costo de los equipos de HVAC.

¿Debemos instalar un sistema de apagado de emergencia?

Los botones de apagado de emergencia (EPO) son el temor de todos los operadores de centros de datos. Con solo pulsar un botón, se puede apagar toda la energía y la refrigeración del centro de datos. Debido a la devastación que puede causar la activación de un EPO, los EPO suelen estar diseñados con un proceso de activación de dos o tres pasos, como levantar una tapa y pulsar el botón o tener dos botones EPO que deben activarse simultáneamente. Estas opciones de varios pasos dan por sentado que la autoridad competente ha dado su aprobación a este diseño. Sin embargo, los EPO no son un requisito. La necesidad de un EPO suele ser provocada por el artículo 645.10 del NEC, que permite métodos de cableado alternativos y significativamente relajados en comparación con los requisitos del capítulo 3 y los artículos 708, 725 y 770. Estos métodos de cableado relajados se permiten a cambio de añadir un sistema de EPO y garantizar la separación de las ocupaciones de HVAC del equipo de TI de otras ocupaciones. La principal ventaja de utilizar el artículo 645.10 es que permite métodos de cableado más flexibles en los espacios de cámara y los suelos elevados. Sin embargo, si el cableado cumple con lo dispuesto en el capítulo 3 y los artículos 708, 725 y 770, no es necesario el EPO.

¿Podemos utilizar sistemas fotovoltaicos para alimentar nuestro centro de datos?

Las empresas y los inversores en centros de datos exigen que la sostenibilidad se incorpore al centro de datos. No se puede subestimar el impacto positivo que tiene en las relaciones públicas el hecho de mostrar un centro de datos sostenible, sobre todo si se tiene en cuenta que los centros de datos pueden consumir mucha energía. Además, muchas empresas de servicios públicos ofrecen incentivos por el uso de tecnologías sostenibles y de bajo consumo. Un punto que se cuestiona a menudo es si los sistemas fotovoltaicos pueden utilizarse para cumplir algunos de los requisitos de sostenibilidad en un entorno de centro de datos. La respuesta es sí, pero es necesario conocer bien los sistemas fotovoltaicos y las limitaciones e impactos en un centro de datos antes de realizar la inversión (ver Figura 4).

La producción de energía de los equipos fotovoltaicos varía considerablemente según el tipo y la ubicación del sistema instalado. Hay tres tipos principales de tecnologías de paneles solares. El silicio cristalino (c-Si) es el tipo de conjunto fotovoltaico más común, junto con el de película fina y el fotovoltaico de concentración. Los de capa fina suelen ser menos eficientes que los de c-Si, pero también son más económicos. Los conjuntos fotovoltaicos de concentración utilizan lentes y espejos para reflejar la energía solar concentrada en células de alta eficiencia. Los sistemas fotovoltaicos de concentración requieren luz solar directa y sistemas de seguimiento para ser más eficaces y suelen utilizarlos las empresas de servicios públicos.

Las celdas solares no son 100 % eficientes. En la región infrarroja de la luz, las celdas solares son demasiado débiles para crear electricidad; y en la región ultravioleta de la luz, las celdas solares crean calor en lugar de electricidad. La cantidad de energía que se puede generar con un conjunto fotovoltaico también varía debido a la insolación media (la entrega de radiación solar a la superficie de la tierra) junto con la temperatura y el viento. Por lo general, los conjuntos fotovoltaicos tienen una temperatura nominal de 77 ˚F, lo que les permite funcionar mejor en climas fríos que en los cálidos. A medida que las temperaturas superan los 77 ˚F, el rendimiento del conjunto disminuye (la cantidad de disminución varía según el tipo de sistema). En definitiva, esto significa que la generación de energía de un conjunto puede variar a lo largo del día y del año. A esto se añaden las ineficiencias del inversor y, si se utilizan, de las baterías de almacenamiento.

El espacio físico necesario para instalar el conjunto fotovoltaico puede ser importante. Una regla sencilla es suponer 9290 metros cuadrados (alrededor de 1 hectárea) para una planta de generación fotovoltaica de 1 MW. Sin embargo, esto no incluye el espacio necesario para el acceso u otros accesorios montados en el suelo. Una mejor estimación del terreno total necesario es de unas 1,6 hectáreas por MW. Esta estimación supone un conjunto fotovoltaico c-Si tradicional (sin rastreadores). Si se utiliza la tecnología de capa fina (sin rastreadores), hay que aumentar esta superficie en un 30 %, hasta un total de 2,43 hectáreas, debido a la ineficacia de esta tecnología.

Una instalación fotovoltaica puede o no suministrar energía durante un fallo de la red eléctrica, dependiendo del tipo de inversor instalado. Un inversor estándar conectado a la red desconectará el sistema fotovoltaico de la red de distribución para evitar el aislamiento. El inversor volverá a conectarse cuando la red eléctrica esté disponible. Un inversor interactivo permanecerá conectado a la red de distribución, pero está diseñado para producir energía solo cuando esté conectado a una fuente de alimentación externa de la frecuencia y el voltaje correctos (es decir, se conectará con la energía del generador). Por lo general, los inversores interactivos incluyen baterías para que el sistema funcione durante los cortes de energía, por lo que el sistema debe diseñarse de forma que haya suficiente capacidad fotovoltaica para suministrar la carga y cargar las baterías.

La mayoría de los centros de datos no tienen el terreno necesario para instalar un sistema fotovoltaico, que compensa sustancialmente la demanda de energía. Luego está la cuestión de qué ocurre cuando el sistema fotovoltaico genera poca o ninguna energía. Se pueden instalar inversores interactivos y baterías de almacenamiento de ciclo profundo para cubrir estos períodos de baja producción fotovoltaica, pero esto introduce nuevos requisitos de equipamiento, mantenimiento y espacio en el centro de datos, lo que genera más costos y más mantenimiento de lo que se había previsto originalmente. Por lo general, la sostenibilidad de los centros de datos se aborda más directamente a través de sistemas eficientes de refrigeración y distribución eléctrica. La sostenibilidad lograda a través de la energía solar, aunque es agradable, no suele ser el objetivo de las inversiones en los centros de datos.

La tendencia es proporcionar un sistema fotovoltaico que compense parte del uso de energía no crítica para la administración. Estos sistemas suelen ser pequeños (menos de 500 kW) y pueden situarse en los tejados de los edificios, en las cocheras o en el suelo. Utilizan un inversor estándar conectado a la red a través del sistema de distribución eléctrica de la administración, que en última instancia se conecta al equipo de conmutación de distribución del sitio donde se encuentra el contador de la compañía eléctrica. Un sistema de inversor conectado a la red se desconectará de la compañía eléctrica si se produce una falla o cuando se utilice la energía del generador.

Dado que la conexión del inversor conectado a la red se encuentra a continuación del contador de ingresos de la empresa, se suele utilizar un mecanismo de facturación conocido como medición neta. Con la medición neta, los propietarios reciben un crédito por la electricidad que añaden a la red cuando la producción fotovoltaica es mayor que el uso del sitio. Aunque en la mayoría de los centros de datos, la carga crítica empequeñece a la no crítica, por lo que es raro que un sistema fotovoltaico genere energía en la red. Existen diferencias entre los estados y las empresas de servicios públicos en cuanto a la aplicación, la normativa y los incentivos para la medición neta. Además, hay algunas empresas de servicios públicos que perciben la medición neta como una pérdida de ingresos y no permiten la conexión a su sistema.

Un gran recurso para la energía fotovoltaica y renovable en general es el Laboratorio Nacional de Energías Renovables. El sitio web del NREL ofrece información sobre investigación fotovoltaica, aplicaciones y publicaciones, así como una herramienta gratuita en línea, Watts fotovoltaicos, que calcula la producción y el costo de la energía de los sistemas fotovoltaicos conectados a la red en todo el mundo. La herramienta Watts fotovoltaicos desarrolla fácilmente estimaciones del rendimiento potencial de las instalaciones fotovoltaicas.

Una alternativa de voltaje medio a los UPS de bajo voltaje

La evaluación de la topología de diseño también debe considerar el sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) de voltaje medio. Al igual que las topologías que utilizan el UPS de bajo voltaje, el UPS de voltaje medio puede implementarse en configuraciones 2N, N+1 y 3N/2. Independientemente de la topología utilizada, los sistemas UPS de voltaje medio ofrecen ventajas sobre los sistemas UPS de voltaje bajo. Por lo general, se instalan al aire libre en contenedores, minimizando así la huella del edificio acondicionado. Aunque no es necesario, las topologías de UPS de voltaje medio suelen utilizarse para la protección de toda la instalación en lugar de utilizar sistemas de UPS independientes de tecnología de la información y de refrigeración mecánica, lo que reduce aún más el espacio del edificio. Los sistemas UPS de voltaje medio son sistemas de gran tamaño, a partir de 2,5 MVA y escalables hasta 20 MVA por UPS. Los diferentes fabricantes tienen diferentes ofertas de voltaje, pero los sistemas UPS de voltaje medio pueden ir desde 5 kV hasta 25 kV, con sistemas UPS rotativos diésel de voltaje medio que llegan hasta 34,5 kV.

A principios de 2018, se espera que la Universidad Estatal de Michigan finalice la construcción de un nuevo centro de datos de 25.000 pies cuadrados con 10.600 pies cuadrados de espacio para servidores y que inicialmente albergará unos 300 racks de servidores. Esta planta de 46 millones de dólares utilizará un sistema UPS de voltaje medio, comenzando con 2,5 MW de potencia crítica y la capacidad de aumentarla según sea necesario. La infraestructura de servicios públicos está construida para soportar un aumento de la carga de hasta 10 MW. Las Figuras 5, 6 y 7 destacan el interruptor electrónico de potencia exterior, el equipo de conmutación y el UPS de voltaje medio instalados por la universidad.

Debra Vieira es ingeniera eléctrica senior en CH2M, Portland, Oregón, con más de 20 años de experiencia en clientes industriales, municipales, comerciales, educativos y militares en todo el mundo.