Em um data center, cada servidor, GPU e switch transforma eletricidade em calor, e esse calor precisa sair do prédio sem que os equipamentos de TI superaqueçam. O chiller é a máquina que torna essa saída possível. Ele produz a água gelada que transporta o calor para fora do ambiente, e seu projeto determina em grande parte a quantidade de eletricidade e água que toda a instalação consome para se manter refrigerada.
Para operadores e engenheiros de instalações, a questão prática raramente é se um local precisa de um chiller. A questão é qual tipo se adequa à carga, ao clima e à situação hídrica. Este artigo se concentra nessa decisão e deixa de lado o circuito em nível de chip., resfriamento líquido do data center, A unidade de distribuição do fluido refrigerante e o próprio ciclo de refrigeração são assuntos que merecem ser discutidos separadamente.
Qual o papel de um chiller na cadeia de refrigeração de um data center?
Um chiller de data center é a máquina de refrigeração que produz água gelada e dissipa o calor do ambiente para o exterior. Sua capacidade de processamento depende da densidade de racks e do clima que atende. Dentro do prédio, unidades de tratamento de ar da sala de servidores, unidades em linha ou um circuito de placa fria diretamente no chip capturam o calor dos equipamentos e o transferem para um circuito de água gelada. A função do chiller começa onde a água retorna aquecida e termina onde o calor atinge o ambiente externo.
O chiller é apenas um elo, não a corrente inteira. A forma como ele realiza essa transferência final para o ambiente externo é exatamente o que diferencia as duas principais famílias de chillers, e essa distinção é o principal fator que influencia os custos e a eficiência nas etapas subsequentes.
Resfriamento a ar versus resfriamento a água: a verdadeira diferença está na rejeição de calor.
Os termos "resfriado a ar" e "resfriado a água" descrevem para onde um chiller envia o calor, não como os servidores são resfriados, e a escolha correta depende da disponibilidade de água e da temperatura ambiente máxima. Uma instalação pode circular água gelada por todo o edifício e ainda ser considerada "resfriada a ar", porque o termo se refere ao estágio de rejeição de calor e não ao rack em si.
Um chiller resfriado a ar rejeita calor diretamente para o ar externo através de serpentinas de condensação e ventiladores, portanto, não precisa de torre de resfriamento e consome pouca ou nenhuma água em operação normal. Um chiller resfriado a água transfere calor para um circuito de condensação-água e uma torre de resfriamento, onde a evaporação realiza a rejeição final. A vantagem de eficiência do resfriamento a água é física, não de marketing: uma torre de resfriamento rejeita o calor contra a temperatura de bulbo úmido externa, que é menor do que a temperatura de bulbo seco contra a qual um condensador resfriado a ar precisa trabalhar, de modo que o refrigerante se condensa a uma temperatura mais baixa e O compressor consome menos energia.. Essa vantagem tem como custo o uso contínuo de água, o tratamento e uma infraestrutura mais robusta para as usinas.
| Dimensão | Resfriador refrigerado a ar | Resfriador refrigerado a água |
|---|---|---|
| Rejeição final de calor | Ar externo através de serpentinas de condensação | Torre de resfriamento por evaporação |
| Impulsionador de eficiência | Limitado pela temperatura de bulbo seco | Benefícios de uma temperatura de bulbo úmido mais baixa |
| Consumo de água | Mínima em operação normal | Contínuo; necessita de tratamento e limpeza. |
| Sensibilidade ambiental | A capacidade diminui à medida que o ar externo aquece. | Mais estável em ambientes com alta temperatura ambiente. |
| Infraestrutura da planta | Autossuficiente e mais fácil de instalar. | Torre, circuito de condensação, bombas, sistemas de água |
| Ajuste típico | Locais menores, periféricos ou com escassez de água | Grandes centrais de abastecimento de água disponíveis. |
Um erro comum de dimensionamento se esconde nesta tabela. Em climas quentes e secos, o lado do condensador de um chiller refrigerado a ar é o primeiro a perder capacidade quando a temperatura ambiente atinge seu pico no verão. Uma instalação dimensionada para um dia de projeto ameno acaba apresentando desempenho insuficiente justamente nos dias em que mais importa. A etapa de verificação que evita esse problema consiste em comparar a temperatura ambiente de projeto com as piores condições locais possíveis, e não com as médias anuais.
Verifique as normas e classificações antes de comparar os chillers.
A comparação entre chillers só faz sentido quando comparada a padrões de classificação específicos, pois os números de dois fabricantes não são comparáveis a menos que tenham sido medidos da mesma maneira. Antes de comparar uma instalação com outra, confirme a origem de cada dado.
- AHRI 550/590 (IP) ou 551/591 (SI) A norma classifica unidades de refrigeração a água pré-fabricadas no ciclo de compressão de vapor, abrangendo unidades refrigeradas a ar e a água. Ela define a eficiência em plena carga em kW/ton (onde kW/ton ≈ 3,516 ÷ COP), além do IPLV e NPLV em carga parcial. Observe a ressalva presente na própria norma: o IPLV representa o desempenho médio de um único chiller, portanto, uma análise específica para cada edifício prevê o consumo real de energia com maior precisão.
- Norma ASHRAE 90.4 é o padrão de energia para data centers, aplicável a instalações com densidade de área climatizada acima de 20 W/ft² e carga de TI de 10 kW. Ele avalia a planta por meio do Componente de Carga Mecânica (MLC), a razão entre a energia consumida por refrigeração, ventiladores, bombas e dissipação de calor e a energia consumida pelos equipamentos de TI. A ASHRAE afirma que o MLC não é diretamente análogo ao PUE, portanto, os dois devem ser tratados como verificações separadas.
- Diretrizes térmicas ASHRAE TC 9.9 Define os limites de temperatura e umidade de fornecimento permitidos, que determinam a temperatura máxima da água gelada, o que, por sua vez, define quantas horas de resfriamento gratuito o local pode reivindicar.
- O Green Grid PUE e WUE enquadrar a relação de compromisso entre energia e água discutida abaixo.
Uma breve lista de verificação de pré-seleção evita que esses aspectos se tornem abstratos: temperatura de bulbo seco e bulbo úmido do projeto, temperaturas alvo de fornecimento e retorno de água gelada, kW/ton em plena carga e IPLV/NPLV nas condições reais do local, nível de redundância e número de unidades resultante, e o balanço hídrico, incluindo reposição, purga e tratamento.
As variáveis que determinam qual tipo de chiller é o mais adequado para o seu local.
A seleção do chiller depende de uma série de variáveis do local que interagem entre si, em vez de uma única tecnologia ideal. A carga de refrigeração define o ponto de partida: unidades refrigeradas a ar são comumente aplicadas em capacidades menores e médias, enquanto as maiores centrais de refrigeração geralmente utilizam sistemas refrigerados a água, embora as faixas de valores publicadas variem de acordo com o fabricante e o ponto de transição se altere quando a redundância é implementada. O clima também influencia o resultado, pois a capacidade de refrigeração a ar diminui à medida que a temperatura de bulbo seco atinge seu pico, de modo que um verão longo e quente tende a favorecer sistemas refrigerados a água ou híbridos.
A disponibilidade de água é frequentemente o fator limitante decisivo. Onde a água é escassa, cara ou regulamentada, um projeto com resfriamento a ar ou em circuito fechado evita a extração contínua de calor pelas torres e a consequente necessidade de licenças. O espaço e a estrutura da planta funcionam da mesma forma: torres, tubulações de condensação e bombas exigem espaço e suporte estrutural, portanto, um telhado com espaço limitado ou uma reforma geralmente favorecem uma planta autônoma com resfriamento a ar. A redundância multiplica tudo isso, já que uma meta de N+1 ou 2N aumenta o número de unidades e a área ocupada o suficiente para que a máquina única mais barata apresente prejuízo no custo total de instalação.
Os erros recorrentes de especificação decorrem diretamente da omissão de uma destas variáveis: dimensionamento baseado apenas na tonelagem de carga de TI, validação com base na temperatura ambiente média em vez da máxima, desconsideração da temperatura de bulbo úmido, esquecimento do espaço ocupado pela redundância e ausência de confirmação da temperatura da água de retorno que a arquitetura de refrigeração realmente fornecerá.
Resfriamento gratuito e comportamento em carga parcial, onde a energia realmente vai.
O consumo real de energia de um chiller é determinado pelo desempenho em carga parcial e pelas horas de resfriamento gratuito, que dependem muito mais do clima e da temperatura de água gelada definida do que da eficiência nominal em plena carga. A carga de um data center opera em carga parcial na maior parte do ano, portanto, o comportamento a 40% ou 60% da capacidade importa mais do que a classificação a 100%, e o IPLV existe precisamente para descrever essa faixa.
O resfriamento gratuito é o fator que diferencia uma planta eficiente de uma dispendiosa. Quando as condições externas estão suficientemente frias, um chiller pode reduzir ou interromper a compressão mecânica, permitindo que as condições ambientais resfriem a água. Em climas temperados, isso reduz o consumo de energia do compressor durante grande parte do ano. Aumentar a temperatura de ajuste da água gelada amplia essa janela, e corredores quentes e frios bem separados permitem que a planta opere em temperaturas mais altas sem comprometer os equipamentos de TI.
A relação de compromisso reside em duas métricas. O PUE (Power Use Effectiveness - Eficiência do Uso de Energia) é igual à energia total da instalação dividida pela energia dos equipamentos de TI, e o WUE (Water Use Effectiveness - Eficiência do Uso de Água) é igual ao consumo anual de água do local dividido pela energia dos equipamentos de TI, expresso em litros por kWh. Um projeto pode ser vantajoso em uma e deficiente na outra; portanto, uma planta refrigerada a água com um excelente PUE pode apresentar um WUE elevado que comprometa sua eficiência em uma região com escassez hídrica. Em instalações híbridas ar-líquido, o PUE por si só também pode subestimar o desempenho, razão pela qual medidas complementares, como a eficiência do uso total de energia, são às vezes adicionadas. A variável que vale a pena confirmar desde o início é qual métrica será utilizada para avaliar o desempenho da instalação.
Como os chillers e o resfriamento em nível de chip dividem o trabalho à medida que os racks ficam mais densos
À medida que a densidade dos racks ultrapassa a capacidade de dissipação do ar ambiente, o sistema de refrigeração alimenta cada vez mais um circuito de líquido no nível do chip, em vez de resfriar o ar diretamente, sem, no entanto, alterar sua função como principal elemento de rejeição de calor. Em uma configuração direta para o chip, placas frias capturar calor no processador, um unidade de distribuição de líquido refrigerante O sistema gerencia o circuito de resfriamento da tecnologia, e um chiller ou resfriador a seco rejeita esse calor para o exterior. O chiller permanece no final do sistema.
Uma condição limite é frequentemente mal interpretada: o resfriamento direto do chip não significa automaticamente água gelada mais fria. Dependendo do projeto da placa fria, da temperatura de aproximação da CDU, do tipo de fluido refrigerante e dos limites de entrada do chip, algumas arquiteturas permitem temperaturas consideravelmente mais altas da água gelada ou do circuito secundário, o que pode expandir o resfriamento gratuito e aumentar a eficiência. Esses pontos de ajuste mais altos são resultados específicos da arquitetura, não valores de projeto universais, portanto, devem ser confirmados para o circuito real, em vez de serem assumidos. O que permanece constante é que o chiller deve ser compatível com a arquitetura de resfriamento que atende: racks mais densos e uma temperatura específica do fluido refrigerante alteram a condição da água de retorno que a planta precisa suportar.
A decisão sobre o chiller deve ser baseada na carga que ele atende.
A escolha do chiller depende de três variáveis interligadas: onde o calor será rejeitado, o que o clima e a disponibilidade de água permitem e como a carga será distribuída para garantir redundância. A decisão entre um chiller resfriado a ar ou a água deve ser tomada considerando as características específicas do local, levando em conta os valores de carga total e parcial classificados pela AHRI e a análise da carga mecânica total de acordo com a norma ASHRAE 90.4, e não uma classificação de qualidade.
Na Trumonytechs, nosso trabalho se concentra na transição do chip para o fluido refrigerante, em placas frias e materiais de interface térmica O calor residual no circuito é rejeitado pelo chiller. Desse ponto de vista, uma variável se mostra decisiva mesmo antes da especificação do chiller: a temperatura da água de retorno, pois ela define a condição do evaporador, as horas de resfriamento gratuito disponíveis, a temperatura de aproximação da unidade de descontaminação (CDU) e a temperatura de entrada da placa fria que os chips efetivamente recebem. Mesmo com uma planta dimensionada corretamente, o circuito de resfriamento em nível de chip pode apresentar problemas.
Se você estiver adaptando uma arquitetura de resfriamento a uma central de chillers, o próximo passo prático é definir as temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido do projeto, as temperaturas alvo de entrada e saída de água gelada e o nível de redundância antes de comparar os equipamentos. No que diz respeito aos chips, compartilhe a carga térmica da placa fria, o TDP do chip, o tipo de fluido refrigerante, as temperaturas alvo de entrada e saída da unidade de resfriamento, a espessura e a condutividade térmica da camada de interface térmica (TIM) e o orçamento de perda de carga. Nossa equipe de engenharia poderá ajudar a alinhar o projeto de resfriamento em nível de chip com a central de rejeição de calor que você está planejando.
FAQ
Os chillers de data center são resfriados a ar ou a água?
Ambos existem, e a etiqueta descreve como o chiller rejeita calor para o ambiente, não como os servidores são resfriados. Chillers refrigerados a ar enviam calor para o ar externo; chillers refrigerados a água o enviam para uma torre de resfriamento. Muitos data centers refrigerados a ar ainda fazem circular água gelada em ambientes internos.
Qual a diferença entre um resfriador a seco e um chiller resfriado a ar?
Um resfriador a seco rejeita o calor de um circuito de fluido para o ar externo sem seu próprio ciclo de refrigeração, portanto, ele só pode resfriar o fluido até a temperatura ambiente. Um chiller resfriado a ar contém um ciclo de compressão de vapor e pode produzir água gelada abaixo da temperatura ambiente, o que um resfriador a seco não consegue. Muitos projetos de alta densidade utilizam resfriadores a seco para resfriamento gratuito e um chiller para as horas em que a temperatura ambiente está muito alta.
Os chillers refrigerados a ar utilizam água?
Os chillers refrigerados a ar consomem pouca ou nenhuma água em operação normal, o que representa sua principal vantagem em regiões com escassez hídrica. Alguns projetos incluem pré-resfriamento adiabático ou por aspersão, que utiliza pequenas quantidades de água apenas durante os horários de pico de temperatura para preservar a capacidade instalada.
O resfriamento direto do chip pode usar água morna?
Em muitos casos, sim, porque a captura de calor no chip pode tolerar temperaturas de fluido refrigerante mais altas do que o resfriamento com ar ambiente. A temperatura alcançável depende do projeto da placa fria, da temperatura de aproximação da unidade de resfriamento, do tipo de fluido refrigerante e do limite de entrada do chip, portanto, deve ser confirmada para cada arquitetura, em vez de presumida.
Um chiller resfriado a água sempre apresenta um PUE melhor?
Nem sempre, pois o PUE depende do clima, dos pontos de ajuste e das horas de resfriamento gratuito, bem como do tipo de chiller. Uma central resfriada a água costuma ser mais eficiente em termos de energia, mas pode apresentar um WUE elevado, e em climas frios, uma central resfriada a ar com muitas horas de resfriamento gratuito pode compensar grande parte dessa diferença.
Ainda são necessários chillers com resfriamento líquido direto no chip?
Um chiller ou dispositivo equivalente de rejeição de calor ainda é necessário, pois o resfriamento direto do chip move o calor para mais perto do processador, mas não o remove do ambiente. O circuito da placa fria e a unidade de distribuição do fluido refrigerante devolvem o calor para o chiller, que o rejeita para o exterior.
