Enhancing data center efficiency and reliability through cooling system improvement: a real case study

This thesis presents a comprehensive analysis and proposed energy-efficient and reliability improvement solution for a real case large-scale data center facility. The research commenced with a thorough analysis of the existing state of the data center, primarily focusing on Computer Room Air Handlers (CRAH) units, IT rooms, and the water system. The investigation identified significant inefficiencies within the AHUs and FCUs, primarily due to suboptimal performance and mismanaged temperature regulation[1]. The research explored several weak points of the current system. For CRAH units, the inefficiency was tied to a low air-side delta T and under-utilized coil exchange capacity. The IT rooms were evaluated in terms of temperature distribution, and the water system was found to be lacking in effective cooling strategies. An extensive solution was formulated to mitigate these inefficiencies, comprising of three steps: retrofitting CRAH units, implementing cold containment across all IT rooms, and introducing a new dedicated cooling system for FCUs and AHUs[2]. The retrofit of CRAH units aimed at reducing energy consumption by increasing the air delta T and enhancing coil capacity utilization. Cold containment in all IT rooms was proposed to improve air temperature homogeneity, minimizing hot spots, and enhancing the overall efficiency of the cooling system. Lastly, the dedicated cooling system was designed to provide a more focused and effective cooling mechanism for FCUs and AHUs. Ventilation demand and the required flow rate were calculated based on design conditions. The cooling demand for fan coil units was analyzed, and a new chiller was installed, accompanied by modifications to the heating and cooling pipework and electrical systems[3] The implementation of these solutions resulted in substantial energy savings, slashing the facility's energy usage by hundreds of thousands of kWh annually. Additionally, the evaluation of efficiency and reliability took into account these enhancements, uncovering the influence of the suggested measures on the overall performance, dependability, and effectiveness of the system. This thesis provides an evidence-based blueprint for enhancing energy efficiency and reliability within data centers. It emphasizes the pivotal role of HVAC systems in data center energy management, ultimately offering a model for future energy optimization endeavors in similar facilities.

Questa tesi presenta un'analisi approfondita e una soluzione proposta per il miglioramento dell'efficienza energetica e dell'affidabilità di un grande data center in un caso reale. La ricerca è iniziata con un'analisi approfondita dello stato attuale del data center, concentrandosi principalmente sulle unità di gestione dell'aria della sala computer (CRAH), sulle sale IT e sul sistema idrico. L'indagine ha identificato inefficienze significative nelle unità AHU e FCU, principalmente a causa di prestazioni non ottimali e di una regolazione della temperatura non adeguata [1]. La ricerca ha esplorato diversi punti deboli del sistema attuale. Per le unità CRAH, l'inefficienza era legata a un basso delta T lato aria e a una capacità di scambio di bobine sottoutilizzata. Le sale IT sono state valutate in termini di distribuzione della temperatura e si è riscontrato che il sistema idrico era carente di strategie efficaci di raffreddamento. È stata formulata una soluzione estesa per mitigare queste inefficienze, composta da tre fasi: ricondizionamento delle unità CRAH, implementazione di contenitori freddi in tutte le sale IT e introduzione di un nuovo sistema di raffreddamento dedicato per le unità FCU e AHU [2]. Il ricondizionamento delle unità CRAH mirava a ridurre il consumo energetico aumentando il delta T dell'aria e migliorando l'utilizzo della capacità delle bobine. È stato proposto di implementare contenitori freddi in tutte le sale IT per migliorare l'omogeneità della temperatura dell'aria, riducendo i punti caldi e aumentando l'efficienza complessiva del sistema di raffreddamento. Infine, è stato progettato un nuovo sistema di raffreddamento dedicato per fornire un meccanismo di raffreddamento più mirato ed efficace per le unità FCU e AHU. La richiesta di ventilazione e il flusso richiesto sono stati calcolati in base alle condizioni di progettazione. È stata analizzata la domanda di raffreddamento per le unità fan coil, ed è stato installato un nuovo chiller, accompagnato da modifiche alle condotte di riscaldamento e raffreddamento e ai sistemi elettrici [3]. L'implementazione di queste soluzioni ha portato a significativi risparmi energetici, riducendo l'uso di energia della struttura di centinaia di migliaia di kWh all'anno. Inoltre, la valutazione dell'efficienza e dell'affidabilità ha tenuto conto di questi miglioramenti, rivelando l'influenza delle misure suggerite sulle prestazioni complessive, l'affidabilità e l'efficacia del sistema. Questa tesi fornisce una base di evidenze per il miglioramento dell'efficienza energetica e dell'affidabilità nei data center. Sottolinea il ruolo cruciale dei sistemi HVAC nella gestione dell'energia nei data center, offrendo in definitiva un modello per futuri sforzi di ottimizzazione energetica in strutture simili.