Indirect evaporative cooling systems : a numerical analysis for data center application

In most data centers. a great share of energy consumption is caused by the cooling equipment, which is usually based on vapour compression refrigeration. However, in 2011 ASHRAE updated the thermal guidelines for safe and reliable operation of electronic equipment, establishing new classes of ICT spaces which can safely operate at higher temperatures. Due to higher operational temperatures, new free cooling-based technologies can be used to backup or replace the traditional systems based on vapour compression refrigeration. One of such technologies is indirect evaporative cooling, which is investigated in this work. In particular, this study has the following scopes: estimating the possible energy savings which can be achieved through indirect evaporative coolers (IEC); calculating the optimal values of secondary air velocity and supplied water in any system working condition; testing different IEC regulation strategies to identify the most efficient one; performing seasonal analysed to evaluate the IEC profitability in different climates. In order to do that, a mathematical model was created in Matlab environment, in order to simulate the main components of a data center cooling system. The IEC was also simulated in Matlab environment, starting from an experimental model developed by De Antonellis et al. in the facilities of Politecnico di Milano [11]. The following results were achieved: the best regulation method consists of reducing both the supplied water and the secondary air velocity in order to maintain a constant ratio Q_w⁄Q_s ; then, once v_s is down to its minimum allowable value, additional regulation can be provided by further reducing the amount of supplied water, and finally performing a partial IEC bypass if necessary. With regard to the seasonal analyses, it was found that in a cold climate this technology gave an energy saving higher than 80%; however it was also found that similar energy savings could be achieved with simple indirect airside free cooling without sprayed water supply. In a temperate locality, the estimated energy saving was once again roughly 80%, and this time simple indirect airside free cooling proved to be slightly less performant. In a hot and dry climate, an energy saving superior than 70% was estimated, whereas simple indirect airside free cooling proved much less profitable. Finally, in a hot and humid climate, high energy savings could only be achieved by increasing the data center operational temperatures from 23-35 °C to 27-39 °C.

Nella maggior parte dei data center una grossa quota di energia elettrica è consumata dalle apparecchiature dedicate al raffreddamento, che sono generalmente basate su macchine a compressione di vapore. Tuttavia, nel 2011, l’ASHRAE ha aggiornato le linee guida riguardanti le condizioni ambiente che devono essere mantenute all’interno del data center, al fine di garantire il corretto funzionamento delle apparecchiature elettroniche. In particolare, sono state definite due nuove classi di sale server che possono funzionare a temperature maggiori rispetto al passato. Grazie alle più elevate temperature mantenute all’interno del data center, nuove tecnologie di raffreddamento basate sul free cooling possono essere utilizzate per supportare, o in certi casi sostituire del tutto, i sistemi di refrigerazione tradizionali. Una di queste nuove tecnologie è il raffreddamento evaporativo indiretto, che è l’oggetto principale di questo studio. In questo lavoro si è svolta un'analisi numerica volta all'ottimizzazione di tale tecnologia, ed in particolare a: stimare il risparmio energetico che può essere ottenuto in diverse condizioni operative; calcolare, per ogni condizione di lavoro, la velocità ottimale dell’aria secondaria e il valore ottimale della portata di acqua introdotta nella corrente d’aria secondaria; testare diverse logiche di regolazione ed individuare la più efficiente; effettuare analisi stagionali per stimare la redditività, in termini di risparmio energetico, del raffreddamento evaporativo indiretto in diverse zone climatiche. Al fine di raggiungere questi obbiettivi, è stato creato un modello matematico in ambiente Matlab, allo scopo di simulare i componenti principali del sistema di raffreddamento di un data center. Lo scambiatore evaporativo indiretto è stato simulato in Matlab a partire da un modello numerico già sviluppato dal gruppo di ricerca. Sono stati ottenuti i seguenti risultati. Il metodo migliore di regolazione consiste nel ridurre contemporaneamente l'acqua erogata e la velocità dell'aria secondaria per mantenere costante il rapporto Q_w/Q_s; quando la v_s raggiunge il suo valore minimo, un’ulteriore regolazione può essere effettuata riducendo la portata di acqua erogata dagli ugelli; infine, se le regolazioni precedenti non sono sufficienti, si può realizzare un bypass parziale dello scambiatore. Riguardo alle analisi stagionali, si è constatato che in un clima molto freddo questa tecnologia garantisce un risparmio energetico superiore al 80%, ma che in tale clima un risultato simile potrebbe essere ottenuto anche con il semplice free cooling indiretto, senza ricorrere all’apporto d’acqua nebulizzata. In un clima temperato il risparmio stimato è stato di nuovo vicino all’80%, mentre il sistema basato sul free cooling indiretto semplice è stato leggermente meno performante. In un clima caldo e secco, lo IEC garantisce un risparmio energetico superiore al 70%, al contrario del semplice free-cooling indiretto, che è risultato questa volta molto meno redditizio. Infine, in un clima caldo e umido, lo IEC ha garantito un elevato risparmio energetico soltanto con un innalzamento delle temperature operative del data center, da 23-35 °C a 27-39 °C.