Cooling and ventilation systems for Data Center Facilities: current design strategies, future outlooks and practical case studies

This thesis aims to present the Data Center Facilities cooling and ventilation systems, giving an overview of the state of art for the current main widespread technologies, through real applications comparison, and introducing the emerging solutions and future outlooks. The work has been developed during an internship in the engineering studio RISE srl in Varese following the construction of a new Data Center as job task. In the first part, an accurate description of Data Center Facilities is provided, outlining their main characteristics and explaining the key role and impact on energy distribution and consumption of a modern country. Then, after giving an explanation of the actual standards and norms concerning the Data Center design, the general requirements for the cooling and ventilation systems are exposed. In the second part, the current design strategies are discussed in detail, in particular taking into account the type of cooling medium, the heat rejection, the air delivery paths and the concerns related to particulate and gaseous pollutants. In the third part, a comparison of real applications is executed, considering different projects, in which the engineering studio RISE srl was involved. The discussion is mainly focused on the systems adopted and on the related efficiencies. The last part aims to expose the future trends in the Data center design to reach higher efficiencies in the cooling and ventilation systems. In addition, the predicted changes in facility requirements due to the future shift to the new computing technologies, as quantum computers, and the resulting effect on the design strategies are discussed.

La tesi si propone di presentare i sistemi di raffreddamento e ventilazione caratteristici dei Data Center, fornendo una panoramica sullo stato dell'arte delle principali tecnologie attualmente diffuse, attraverso il confronto delle applicazioni reali, introducendo le soluzioni emergenti e le prospettive future. L'opera è stata sviluppata durante uno stage presso lo studio di ingegneria RISE srl di Varese, seguendo la costruzione di un nuovo Data Center come job task. Nella prima parte, viene fornita una descrizione accurata del Data Center, delineandone le caratteristiche principali e spiegando il ruolo chiave e l'impatto sulla distribuzione e il consumo di energia di un paese moderno. Successivamente, dopo aver spiegato gli standard e le norme attuali riguardanti la progettazione di Data Center, vengono esposti i requisiti generali per i sistemi di raffreddamento e ventilazione. Nella seconda parte, le attuali strategie di progettazione sono discusse in dettaglio, in particolare tenendo conto del tipo di mezzo di raffreddamento, dello smaltimento del calore, dei percorsi di mandata dell'aria e delle preoccupazioni relative alla presenza di particolato e inquinanti gassosi. Nella terza parte, viene eseguito un confronto di applicazioni reali, considerando diversi progetti, in cui è stato coinvolto lo studio di ingegneria RISE srl. La discussione si concentra principalmente sui sistemi adottati e sui relativi incrementi di efficienza. L'ultima parte ha lo scopo di esporre le tendenze future nella progettazione del data center per raggiungere maggiori efficienze nei sistemi di raffreddamento e ventilazione. Inoltre, vengono discussi i cambiamenti previsti nei requisiti dei Data Center a causa del futuro passaggio alle nuove tecnologie di calcolo, come i computer quantistici, e l'effetto risultante sulle strategie di progettazione.