Analysis of different solutions for data center cooling

The goal of the study is to evaluate and compare cooling solutions within a data center. Specifically, the study analyses traditional systems, such as air and water chillers plus cooling towers, and heat recovery systems, where heat is reused to create a useful effect instead of being dispersed into the environment. Examples include the production of hot water for district heating and domestic hot water, and the use of absorption chillers powered by heat sources. In the absence of actual data from the Data Centers, some basic assumptions are made, such as the cooling capacity required by the DC and provided by each chiller, the cooling technology at the rack level, and the maximum temperatures that could be achieved at the inlet and outlet of the electrical cabinets. This is done with the goal of being able to compare different technologies operating under the same conditions in the final chapter. For this study, the best York technologies offered by Johnson Controls are analysed for two different cities: Milan and Dubai. In fact, by evaluating two different climatic conditions, it is possible to analyse the technological limitations of the different solutions. These evaluations are supported by detailed energy and economic analyses. The challenge of this work is to analyse existing technologies for new temperature ranges. In fact, the last few years have seen the introduction of new CPU/GPU models capable of reaching higher and higher temperatures. These systems, combined with liquid cooling systems, make it possible to maintain high temperatures at the inlet and outlet of the rack, allowing the chiller to operate at higher ranges. This is of paramount importance because a smaller gap between the evaporator and condenser allows for better performance and reduced chiller consumption. The challenge of this work is to select machines capable of operating at 32/22°C on the evaporator side and 40/45°C (Milan) and 50/55°C (Dubai) on the condenser side. The results of the energy and economic analysis show that the mixed solution with absorption machines and chillers is much better than any traditional solution.

L'obiettivo dello studio è analizzare e confrontare le soluzioni di raffrescamento all'interno di un data center. Nello specifico, vengono analizzati sistemi tradizionali come il raffrescamento ad aria ed acqua tramite chillers e torri evaporative, e sistemi con recupero di calore dove, invece di disperdere il calore in ambiente, questo viene riutilizzato al fine di generare un effetto utile. A titolo di esempio, si considerano la produzione di acqua calda per il teleriscaldamento e l'acqua sanitaria, oppure l'adozione di macchine ad assorbimento alimentate da sorgenti termiche. Non avendo a disposizione i dati reali dei data center, sono state fatte alcune assunzioni di base, come la capacità di raffreddamento richiesta dal DC e quella offerta da ogni chiller, la tecnologia di raffrescamento a livello di rack e le massime temperature che è possibile ottenere in ingresso e in uscita dagli armadi elettrici. Questo è stato fatto con l’obiettivo di poter confrontare, nel capitolo finale, diverse tecnologie che operano nelle stesse condizioni di lavoro. Per questo studio sono state analizzate le migliori tecnologie York offerte da Johnson Controls per due città diverse: Milano e Dubai. Infatti, valutando due condizioni climatiche diverse, è possibile analizzare le limitazioni tecnologiche delle varie soluzioni. A sostegno di queste valutazioni, sono associate analisi energetiche ed economiche dettagliate. La sfida di questo lavoro è quella di analizzare tecnologie esistenti per nuovi intervalli di temperature. Infatti, negli ultimi anni si è assistito all'implementazione di nuovi modelli di CPU/GPU capaci di raggiungere temperature sempre più elevate. Questi sistemi, quando associati a impianti di raffreddamento a liquido, permettono di mantenere alti valori di temperatura in ingresso e in uscita dal rack, consentendo al chiller di lavorare a sua volta con range più elevati. Questo aspetto è di fondamentale importanza in quanto un minore salto tra evaporatore e condensatore permette di ottenere prestazioni migliori e consumi ridotti dei chiller. La sfida di questo lavoro è stata proprio quella di selezionare macchine in grado di lavorare con valori di 32/22 °C lato evaporatore e 40/45 °C (Milano) e 50/55 °C (Dubai) lato condensatore. I risultati dell’analisi energetica ed economica mostrano che la soluzione mista con macchine ad assorbimento e chillers è di gran lunga migliore di ogni soluzione tradizionale.