En un centro de datos, cada servidor, GPU y conmutador transforma la electricidad en calor, y ese calor debe disiparse sin que los equipos informáticos se sobrecalienten. El sistema de refrigeración es el encargado de hacer posible esta disipación. Produce el agua fría que transporta el calor fuera del edificio, y su diseño determina en gran medida la cantidad de electricidad y agua que consume toda la instalación para mantenerse refrigerada.
Para los operadores e ingenieros de instalaciones, la pregunta práctica rara vez es si un sitio necesita un enfriador. Es qué tipo se ajusta a la carga, el clima y la situación del agua. Este artículo se centra en esa decisión y deja el ciclo a nivel de chip, refrigeración líquida del centro de datos, la unidad de distribución de refrigerante y el ciclo de refrigeración en sí se tratarán en discusiones separadas.
Dónde encaja un enfriador en la cadena de refrigeración del centro de datos
Un enfriador de centro de datos es la máquina de refrigeración que produce agua fría y disipa el calor de las instalaciones al exterior. Su funcionamiento depende de la densidad de racks y del clima al que sirve. Dentro del edificio, las unidades de tratamiento de aire de las salas de servidores, las unidades en fila o un circuito de placas frías de conexión directa a los chips capturan el calor de los equipos y lo transfieren a un circuito de agua fría. La función del enfriador comienza donde el agua regresa caliente y termina donde el calor llega al exterior.
El enfriador es solo un eslabón, no la cadena completa. La forma en que realiza esa transferencia final al exterior es precisamente lo que diferencia a las dos familias principales de enfriadores, y esa distinción determina la mayoría de las consecuencias en términos de costo y eficiencia en la cadena de suministro.
Refrigeración por aire frente a refrigeración por agua: la verdadera diferencia radica en la disipación del calor.
Las denominaciones “enfriado por aire” y «enfriado por agua» describen a dónde envía el calor un enfriador, no cómo se enfrían los servidores, y la elección correcta depende de la disponibilidad de agua y la temperatura ambiente máxima. Una instalación puede hacer circular agua fría por todo el edificio y aun así considerarse «enfriada por aire», ya que el término se refiere a la etapa de disipación de calor, no al rack.
Un enfriador enfriado por aire rechaza el calor directamente al aire exterior a través de serpentines de condensador y ventiladores, por lo que no necesita torre de enfriamiento y consume poca o ninguna agua en funcionamiento normal. Un enfriador enfriado por agua transfiere el calor a un circuito de agua de condensador y a una torre de enfriamiento, donde la evaporación realiza el rechazo final. La ventaja de eficiencia del enfriamiento por agua es física, no de marketing: una torre de enfriamiento rechaza el calor contra la temperatura de bulbo húmedo exterior, que es más baja que la temperatura de bulbo seco contra la que debe trabajar un condensador enfriado por aire, por lo que el refrigerante se condensa a una temperatura más baja y El compresor consume menos energía.. Esa ventaja implica un consumo continuo de agua, su tratamiento y una mayor infraestructura de la planta.
| Dimensión | Enfriadora refrigerada por aire | Enfriador refrigerado por agua |
|---|---|---|
| rechazo final del calor | Aire exterior a través de serpentines de condensación | Torre de enfriamiento por evaporación |
| Impulsor de eficiencia | Limitado por la temperatura de bulbo seco | Beneficios de una temperatura de bulbo húmedo más baja |
| Consumo de agua | Mínimo en funcionamiento normal | Continuo; necesita tratamiento y purga. |
| Sensibilidad ambiental | La capacidad disminuye a medida que el aire exterior se calienta. | Más estable en ambientes altos |
| Infraestructura de la planta | Autónomo, más sencillo de instalar | Torre, circuito de condensación, bombas, sistemas de agua |
| Ajuste típico | Sitios más pequeños, periféricos o con escasez de agua. | Grandes centrales donde hay agua disponible |
Un error común de dimensionamiento se oculta en esta tabla. En climas cálidos y secos, el condensador de un enfriador de aire es lo primero que pierde capacidad cuando la temperatura ambiente alcanza su punto máximo en verano. Una planta dimensionada para un día de diseño templado se queda corta precisamente en los días más críticos. El paso de verificación que lo evita consiste en comparar la temperatura ambiente de diseño con las peores condiciones locales, no con los promedios anuales.
Estándares y puntos de clasificación que debe confirmar antes de comparar enfriadoras.
Las comparaciones entre enfriadoras solo son válidas según estándares de clasificación específicos, ya que las cifras de dos fabricantes no son comparables a menos que se hayan medido de la misma manera. Antes de comparar una planta con otra, verifique la procedencia de cada dato.
- AHRI 550/590 (IP) o 551/591 (SI) Califican los sistemas de refrigeración por agua prefabricados según el ciclo de compresión de vapor, abarcando tanto las unidades enfriadas por aire como por agua. Definen la eficiencia a plena carga en kW/tonelada (donde kW/tonelada ≈ 3,516 ÷ COP), además del IPLV y el NPLV a carga parcial. Cabe destacar la advertencia incluida en la propia norma: el IPLV representa el rendimiento promedio de un solo enfriador, por lo que un análisis específico del edificio predice el consumo energético real con mayor precisión.
- Norma ASHRAE 90.4 El MLC es el estándar energético para centros de datos, aplicable a instalaciones con una densidad de piso acondicionado superior a 20 W/ft² y una carga de TI de 10 kW. Evalúa la planta mediante el Componente de Carga Mecánica (MLC), que representa la relación entre la energía de refrigeración, ventiladores, bombas y disipación de calor y la energía de los equipos de TI. ASHRAE indica que el MLC no es directamente análogo al PUE, por lo que deben considerarse como controles independientes.
- Directrices térmicas ASHRAE TC 9.9 Se establecen los límites de temperatura y humedad de suministro permitidos, que determinan la temperatura máxima a la que puede circular el agua refrigerada, lo que a su vez rige la cantidad de horas de refrigeración gratuita que la planta puede reclamar.
- El PUE y el WUE de la Red Verde enmarcar la disyuntiva entre energía y agua que se analiza a continuación.
Una breve lista de verificación previa a la selección evita que estos aspectos se vuelvan abstractos: temperatura de bulbo seco y húmedo en el día del diseño, temperaturas objetivo de suministro y retorno de agua fría, kW/tonelada a plena carga e IPLV/NPLV en las condiciones reales del sitio, nivel de redundancia y número de unidades resultante, y el presupuesto de agua que incluye reposición, purga y tratamiento.
Las variables que determinan qué tipo de enfriador se adapta mejor a su sitio
La selección del sistema de refrigeración depende de varias variables del sitio que interactúan entre sí, en lugar de una única tecnología óptima. La carga de refrigeración establece el punto de partida: las unidades refrigeradas por aire se suelen utilizar en instalaciones de capacidad pequeña y media, mientras que las centrales más grandes suelen optar por la refrigeración por agua, aunque los rangos publicados varían según el fabricante y el punto de inflexión cambia al considerar la redundancia. El clima también influye en el resultado, ya que la capacidad de refrigeración por aire disminuye cuando la temperatura de bulbo seco alcanza su punto máximo, por lo que un verano largo y caluroso inclina la balanza hacia el descarte de la refrigeración por agua o de sistemas híbridos.
La disponibilidad de agua suele ser el factor determinante. Cuando el agua es escasa, costosa o está regulada, un diseño de refrigeración por aire o de circuito cerrado evita la extracción continua de agua de la torre y los trámites de permisos que esto conlleva. El espacio y la estructura de la planta funcionan de la misma manera: las torres, las tuberías del condensador y las bombas requieren espacio y soporte estructural, por lo que un techo limitado o una modernización suelen favorecer una planta autónoma de refrigeración por aire. La redundancia multiplica todo esto, ya que un objetivo N+1 o 2N aumenta el número de unidades y el espacio ocupado lo suficiente como para que la máquina individual más económica resulte menos rentable en términos de costo total de instalación.
Los errores de especificación recurrentes se derivan directamente de omitir alguna de estas variables: dimensionar en función únicamente de la carga de TI, validar con respecto a la temperatura ambiente promedio en lugar de la máxima, ignorar la temperatura de bulbo húmedo, olvidar el espacio que ocupa la redundancia y no confirmar nunca la temperatura del agua de retorno que la arquitectura de refrigeración proporcionará realmente.
Refrigeración gratuita y comportamiento a carga parcial, donde realmente va la energía.
El consumo energético real de un enfriador está determinado por su rendimiento a carga parcial y las horas de refrigeración gratuita, que dependen mucho más del clima y del punto de ajuste del agua fría que de la eficiencia nominal a plena carga. Los centros de datos funcionan a carga parcial la mayor parte del año, por lo que el comportamiento al 40 o 60 por ciento de su capacidad es más importante que la clasificación al 100 por ciento, y el IPLV existe precisamente para describir ese rango.
La refrigeración gratuita es el factor clave que distingue una planta eficiente de una costosa. Cuando la temperatura exterior es lo suficientemente baja, un enfriador puede reducir o detener la compresión mecánica y permitir que el ambiente enfríe el agua. En climas templados, esto reduce el consumo de energía del compresor durante gran parte del año. Aumentar el punto de ajuste del agua fría amplía este margen, y los pasillos fríos y calientes bien separados permiten que la planta funcione a temperaturas más elevadas sin poner en riesgo los equipos informáticos.
La disyuntiva se basa en dos métricas. El PUE equivale a la energía total de la instalación dividida por la energía de los equipos de TI, y el WUE equivale al consumo anual de agua del sitio dividido por la energía de los equipos de TI, expresado en litros por kWh. Un diseño puede ser superior en una métrica y inferior en la otra; por lo tanto, una planta refrigerada por agua con un PUE excelente puede tener un WUE elevado que la haga ineficiente en una región con escasez de agua. En instalaciones híbridas de aire y líquido, el PUE por sí solo también puede subestimar la situación, razón por la cual a veces se añaden medidas complementarias como la eficiencia del consumo total de energía. La variable que conviene confirmar desde el principio es qué métrica se utiliza para evaluar la instalación.
Cómo los sistemas de refrigeración y la refrigeración a nivel de chip dividen el trabajo a medida que los racks se vuelven más densos.
A medida que las densidades de los racks superan la capacidad del aire de la sala, la planta de enfriamiento alimenta cada vez más un circuito de líquido a nivel de chip en lugar de enfriar el aire directamente, pero su función como columna vertebral de rechazo de calor no cambia. En una configuración directa al chip, placas de frío capturar calor en el procesador, un unidad de distribución de refrigerante Gestiona el circuito de refrigeración de la tecnología, y un enfriador o un enfriador seco expulsa ese calor al exterior. El enfriador sigue estando al final de la cadena.
Una condición límite se interpreta erróneamente con frecuencia: la refrigeración directa al chip no implica automáticamente agua fría. Dependiendo del diseño de la placa fría, la temperatura de aproximación de la unidad de refrigeración, el tipo de refrigerante y los límites de entrada del chip, algunas arquitecturas permiten temperaturas de agua fría o de circuito secundario notablemente más altas, lo que puede ampliar la refrigeración gratuita y aumentar la eficiencia. Estos puntos de ajuste más cálidos son resultados específicos de la arquitectura, no valores de diseño universales, por lo que deben confirmarse para el circuito real en lugar de asumirse. Lo que permanece constante es que el enfriador debe adaptarse a la arquitectura de refrigeración a la que sirve: racks más densos y una temperatura específica del refrigerante modifican las condiciones del agua de retorno que la planta debe gestionar.
Volviendo a la decisión sobre el enfriador, consideremos la carga a la que sirve.
La elección del enfriador depende de tres variables interrelacionadas: dónde se disipa el calor, qué permiten el clima y la disponibilidad de agua, y cómo se distribuye la carga para garantizar la redundancia. La decisión de utilizar un sistema de refrigeración por aire o por agua se basa en las características específicas de cada emplazamiento, y se confirma con los valores de carga completa y parcial según la norma AHRI, así como con la evaluación de la carga mecánica total conforme a la norma ASHRAE 90.4; no se trata de una clasificación de calidad.
En Trumonytechs nuestro trabajo se sitúa en el lado del chip al refrigerante de esta cadena, en placas frías y materiales de interfaz térmica Ese calor residual llega al circuito que el enfriador finalmente rechaza. Desde esa perspectiva, una variable resulta ser decisiva incluso antes de especificar un enfriador: la temperatura del agua de retorno, ya que determina la condición del evaporador del enfriador, las horas de refrigeración disponibles, la temperatura de aproximación de la unidad de distribución de calor (CDU) y la temperatura de entrada de la placa fría que realmente reciben los chips. Si se diseña el circuito a nivel de chip con una temperatura de refrigerante optimista, una planta con la capacidad adecuada aún puede tener problemas.
Si está adaptando una arquitectura de refrigeración a una planta de enfriamiento, el siguiente paso práctico es definir las temperaturas de bulbo seco y húmedo de diseño, las temperaturas objetivo de suministro y retorno de agua enfriada, y el nivel de redundancia antes de comparar equipos. En cuanto al chip, comparta la carga térmica de la placa fría, el TDP del chip, el tipo de refrigerante, las temperaturas objetivo de entrada y salida de la CDU, el espesor y la conductividad térmica del TIM, y el presupuesto de caída de presión, y nuestro equipo de ingeniería podrá ayudarle a alinear el diseño de refrigeración a nivel de chip con la planta de disipación de calor que está planificando.
PREGUNTAS FRECUENTES
¿Los sistemas de refrigeración de los centros de datos son de aire o de agua?
Ambos sistemas existen, y la etiqueta describe cómo el enfriador disipa el calor al ambiente, no cómo se enfrían los servidores. Los enfriadores de aire envían el calor al aire exterior; los enfriadores de agua lo envían a una torre de refrigeración. Muchos centros de datos con refrigeración por aire aún hacen circular agua fría en el interior.
¿Cuál es la diferencia entre un enfriador seco y un enfriador de aire?
Un enfriador seco disipa el calor de un circuito de fluido al aire exterior sin un ciclo de refrigeración propio, por lo que solo puede enfriar el fluido hasta la temperatura ambiente. Un enfriador de aire contiene un ciclo de compresión de vapor y puede producir agua fría por debajo de la temperatura ambiente, algo que un enfriador seco no puede hacer. Muchos diseños de alta densidad utilizan enfriadores secos para refrigeración gratuita y un enfriador para las horas en que la temperatura ambiente es demasiado alta.
¿Los enfriadores refrigerados por aire utilizan agua?
Los enfriadores de aire utilizan poca o ninguna agua en su funcionamiento normal, lo que constituye su principal ventaja en regiones con escasez de agua. Algunos diseños incorporan un preenfriamiento adiabático o por pulverización que utiliza pequeñas cantidades de agua únicamente durante las horas de mayor calor para proteger la capacidad.
¿Es posible utilizar agua caliente para la refrigeración directa del chip?
En muchos casos, sí, ya que la captación de calor en el chip puede tolerar temperaturas de refrigerante más elevadas que la refrigeración por aire ambiente. La temperatura alcanzable depende del diseño de la placa fría, la temperatura de aproximación de la unidad de refrigeración, el tipo de refrigerante y el límite de entrada del chip, por lo que debe confirmarse para cada arquitectura en lugar de asumirse.
¿Un enfriador refrigerado por agua siempre tiene un PUE mejor?
No siempre, ya que la eficiencia energética (PUE) depende del clima, los puntos de ajuste y las horas de refrigeración gratuita, así como del tipo de enfriadora. Una planta refrigerada por agua suele ser más eficiente energéticamente, pero puede tener una alta eficiencia en el uso del agua (WUE), y en climas fríos, una planta refrigerada por aire con muchas horas de refrigeración gratuita puede compensar gran parte de la diferencia.
¿Siguen siendo necesarios los sistemas de refrigeración con refrigeración líquida directa al chip?
Sigue siendo necesario un enfriador o un dispositivo de disipación de calor equivalente, ya que la refrigeración directa al chip acerca el calor al procesador, pero no lo elimina del edificio. El circuito de placas frías y la unidad de distribución de refrigerante devuelven el calor al enfriador, que lo expulsa al exterior.
