Thermal management solutions in data centers: HVAC design for air and liquid-cooled data halls

As the energy consumption of data centers continues to escalate globally, developing efficient thermal management strategies has become a critical engineering challenge. This thesis, based on a project for the ASHRAE Region XIV design competition, presents a comprehensive mechanical design for a scalable, mission-critical data center. The facility employs a hybrid cooling approach to optimize energy performance across varying power densities, addressing an initial 1.2 MW load with a planned expansion to 2.1 MW. The design encompasses two distinct data halls for initial deployment: a 300 kW low-density hall cooled by a conventional air-cooled system and a 900 kW high-density hall utilizing a direct-to-chip liquid cooling system. To ensure future-readiness, a third 900 kW data hall is also provisioned, designed to accommodate a state-of-the-art immersion cooling system. The design methodology encompasses a complete end-to-end engineering process, including detailed thermal load calculations, hydraulic analysis of the piping network, and the strategic selection of all primary mechanical equipment. A unified chilled water plant, featuring a significant free-cooling circuit projected to reduce annual chiller energy consumption by 40%, serves both halls. A multi-tiered resiliency strategy was implemented with N+2 redundancy for primary cooling equipment and N+1 for hydraulic systems. The system's operational logic is defined by a detailed Sequence of Operation to guarantee reliability and efficiency. The primary outcome of this design is the achievement of an annualized Power Usage Effectiveness (PUE) of 1.18. This result was calculated from a total annual IT equipment energy consumption of 10,512 MWh and a total annual facility energy consumption of 12,456 MWh. This PUE signifies a highly efficient design that substantially outperforms the current industry average. The analysis concludes that the strategic application of a hybrid cooling architecture—matching advanced liquid cooling to high-density loads while leveraging an optimized, free-cooling-enabled central plant—is an effective method for minimizing energy overhead and achieving superior performance in modern data center design.

Poiché il consumo energetico dei centri di elaborazione dati (data center) continua ad aumentare a livello globale, lo sviluppo di strategie efficienti di gestione termica è diventato una sfida ingegneristica di fondamentale importanza. Questa tesi, basata su un progetto per la competizione di progettazione della Regione XIV dell'ASHRAE, presenta un progetto meccanico completo per un data center scalabile e mission-critical. L'impianto adotta un approccio di raffreddamento ibrido per ottimizzare le prestazioni energetiche, gestendo un carico iniziale di 1,2 MW con un'espansione a 2,1 MW. Il progetto comprende una sala a bassa densità da 300 kW con raffreddamento ad aria convenzionale e una sala ad alta densità da 900 kW con raffreddamento a liquido direct-to-chip. Per garantire la prontezza futura (future-readiness), è prevista anche una terza sala dati da 900 kW, progettata per un sistema di raffreddamento a immersione. La metodologia di progettazione comprende un processo ingegneristico end-to-end, con calcoli dettagliati del carico termico, analisi idraulica e selezione strategica delle apparecchiature. Una centrale frigorifera unificata, dotata di un circuito di free-cooling che si prevede ridurrà del 40% il consumo energetico dei chiller, serve entrambe le sale. È stata implementata una strategia di resilienza a più livelli con ridondanza N+2 per le apparecchiature di raffreddamento primarie e N+1 per i sistemi idraulici. La logica operativa è definita da una dettagliata Sequenza di Operazioni per garantirne l'affidabilità. Il risultato principale è un Power Usage Effectiveness (PUE) annualizzato di 1.18, calcolato da un consumo energetico annuo IT di 10.512 MWh e un consumo totale della struttura di 12.456 MWh. Questo PUE indica un progetto ad alta efficienza che supera sostanzialmente la media del settore. L'analisi conclude che l'applicazione strategica di un'architettura di raffreddamento ibrida — abbinando il raffreddamento a liquido a carichi ad alta densità e sfruttando una centrale ottimizzata con free-cooling — è un metodo efficace per minimizzare i consumi ausiliari e ottenere prestazioni superiori nei data center moderni.