Centro de Datos: Energía y Refrigeración

Cuanto más equipo empacas en un centro de datos, más calor generará la instalación. Sin un enfriamiento adecuado del centro de datos, este calor conducirá a un rendimiento subóptimo de los servidores y a una vida útil reducida del hardware.

Para empeorar las cosas, el informe anual del Uptime Institute para 2024 revela que los problemas relacionados con la refrigeración fueron la causa directa del 19% de todas las interrupciones en centros de datos en los últimos tres años. Con tanto en juego, no es de extrañar que la refrigeración sea una de las principales prioridades para los administradores de centros de datos.

Este artículo es una guía para principiantes sobre el enfriamiento de centros de datos que cubre todo lo que debes saber sobre cómo mantener el hardware a temperaturas óptimas. Sumérgete para aprender cómo los administradores de instalaciones experimentados garantizan que el exceso de calor nunca cause problemas a largo plazo para el centro de datos.

¿Qué es la refrigeración de centros de datos?

El enfriamiento de centros de datos se refiere al conjunto de equipos, sistemas y procesos que regulan la temperatura, la humedad y el flujo de aire de la instalación. Los sistemas de enfriamiento disipan el calor generado por los servidores, sistemas de almacenamiento, hardware de red y otros equipos dentro de un centro de datos.

El propósito principal de la refrigeración en los centros de datos es mantener condiciones ambientales adecuadas dentro de la instalación. La Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE) recomienda que la temperatura en los centros de datos siempre debe estar dentro del rango de 64°F a 81°F (18°C a 27°C).

ASHRAE también aconseja que los niveles de humedad deben estar entre el 40% y el 60%, dependiendo de factores regionales y ambientales. Niveles de humedad adecuados previenen la acumulación de electricidad (que daña componentes sensibles) y la condensación (que conduce a la corrosión).

El enfriamiento de los centros de datos es vital para las operaciones diarias de la instalación. La mayoría de los dispositivos en un centro de datos generan calor y deben deshacerse de él rápidamente para evitar la degradación del rendimiento. El exceso de calor y humedad también provoca que el equipo falle y deje de funcionar, lo que puede llevar a interrupciones totales en algunas partes o en todo el centro de datos.

Tipos de sistemas de enfriamiento de centros de datos

Los sistemas de enfriamiento de centros de datos varían desde la refrigeración tradicional por aire hasta sistemas de enfriamiento más avanzados basados en líquidos o evaporativos. Cada tipo tiene beneficios y desventajas únicas, y seleccionar la estrategia de enfriamiento adecuada depende del tamaño de la instalación, su ubicación, el presupuesto disponible y el equipo.

Enfriamiento Basado en Aire

Los sistemas de enfriamiento basados en aire circulan aire frío a través de las salas de servidores y expulsan el aire caliente generado por los equipos de TI. Estos sistemas son el método más común para regular las temperaturas en los centros de datos. Aquí están los dos tipos de sistemas de enfriamiento basados en aire que se utilizan comúnmente en los centros de datos:

• Aire acondicionado para salas de computadoras (CRAC). Las unidades CRAC utilizan refrigerantes para enfriar el aire antes de distribuirlo por todo el centro de datos para mantener temperaturas óptimas.
• Unidades de manejo de aire en salas de computadoras (CRAH). Una unidad CRAH utiliza agua fría de un enfriador externo para enfriar el aire. Los ventiladores soplan aire sobre bobinas de enfriamiento llenas de agua fría, y las unidades CRAH circulan aire frío por todo el centro de datos.

Muchas instalaciones combinan unidades CRAC o CRAH con contención de pasillos fríos/calientes. Esta estrategia requiere que organices los estantes de servidores en filas alternas. Los frentes (lado de entrada) de las dos filas se enfrentan entre sí, lo que crea un pasillo frío. La parte trasera (lado de escape) de las dos filas se enfrenta entre sí, lo que forma un pasillo caliente. La contención de pasillos reduce la mezcla de aire caliente y frío, lo que mejora la eficiencia del enfriamiento.

Además, la mayoría de las instalaciones que utilizan sistemas de refrigeración basados en aire dependen de pisos elevados, baldosas perforadas y retornos ductados para dirigir el aire frío hacia el equipo y el aire caliente alejándolo de él.

El principal argumento de venta de los sistemas basados en aire es que son muy asequibles y ampliamente disponibles. Estos sistemas de refrigeración también son simples de mantener, especialmente en comparación con la refrigeración de centros de datos basada en líquidos. En cuanto a las desventajas, estos sistemas requieren mucha energía, lo que incrementa los costos operativos. Los sistemas basados en aire también pueden tener dificultades para refrigerar entornos de servidores de alta densidad o instalaciones con cargas de trabajo intensivas.

Enfriamiento Basado en Líquido

Los sistemas de enfriamiento basados en líquidos utilizan agua o refrigerantes especializados para absorber y disipar el calor. Los líquidos tienen una conductividad térmica más alta que el aire, por lo que estos sistemas de enfriamiento eliminan el calor de los servidores de manera más efectiva que el enfriamiento basado en aire.

Aquí están los principales tipos de sistemas de refrigeración basados en líquidos:

• Sistemas de agua fría. Estos sistemas de refrigeración circulan agua fría a través de tuberías conectadas a bobinas de enfriamiento o directamente en unidades de enfriamiento cerca del equipo. El agua absorbe calor y recircula a través de una planta de enfriamiento para su refrigeración.
• Enfriamiento por inmersión en líquido. En el enfriamiento por inmersión en líquido, los componentes del servidor están sumergidos en un líquido térmicamente conductor y no conductor eléctricamente. El líquido absorbe el calor directamente del hardware y lo transfiere a un sistema de enfriamiento externo.
• Enfriamiento directo al chip. Utilizando tubos pequeños, un sistema de enfriamiento directo al chip bombea líquido directamente a los componentes que generan calor (por ejemplo, CPUs, GPUs).

La refrigeración líquida es significativamente más eficiente que la refrigeración basada en aire, especialmente en centros de datos de alta densidad con cargas de trabajo de computación que generan mucho calor (por ejemplo, inteligencia artificial, aprendizaje automático, computación de alto rendimiento, minería de criptomonedas). Los sistemas de refrigeración líquida también ocupan menos espacio físico que los sistemas basados en aire, lo que libera valioso espacio en el suelo.

La principal desventaja de la refrigeración en centros de datos basada en líquido es el alto costo inicial. La instalación de sistemas de refrigeración líquida es costosa debido a la infraestructura necesaria. Los sistemas de refrigeración líquida también introducen riesgos adicionales en el centro de datos, ya que los empleados deben prepararse para posibles fugas que podrían dañar el equipo.

Enfriamiento Evaporativo

El enfriamiento evaporativo utiliza el proceso natural de evaporación del agua para bajar la temperatura. Cuando el aire caliente fluye a través de un medio empapado en agua (como un pad húmedo), el agua se evapora, absorbiendo el calor del aire y lowering su temperatura. Hay dos tipos comunes de enfriamiento evaporativo:

• Enfriamiento evaporativo directo (DEC). Un sistema DEC enfría el aire mediante el contacto directo con un medio empapado en agua. A medida que el aire pasa a través de un panel húmedo, se enfría y se vuelve más húmedo antes de volver a entrar en el centro de datos.
• Enfriamiento evaporativo indirecto (IEC). Un sistema IEC enfría el aire utilizando procesos evaporativos, pero el agua no entra en contacto directo con el aire que ingresa al centro de datos. En su lugar, los intercambiadores de calor transfieren la frescura de los procesos evaporativos al aire entrante.

El enfriamiento evaporativo utiliza significativamente menos energía que los sistemas de aire acondicionado basados en refrigerantes. Dado que se basa en la evaporación del agua, el proceso de enfriamiento es más natural y requiere menos electricidad.

Sin embargo, estos sistemas no funcionan bien en todos los climas. La refrigeración evaporativa es más efectiva en climas secos y cálidos donde el agua se evapora rápidamente, por lo que estos sistemas no son óptimos en entornos húmedos. Los sistemas DEC también introducen humedad en el aire, lo que aumenta el riesgo de condensación dentro del centro de datos.

Enfriamiento gratuito

El enfriamiento gratuito se basa en el aire naturalmente frío para disipar el calor y es una estrategia de enfriamiento popular en regiones más frías con bajas temperaturas durante gran parte del año. Hay dos tipos comunes de enfriamiento gratuito:

• Economizadores de aire exterior. Estos sistemas traen aire fresco del exterior directamente al centro de datos. 
• Economizadores de aguas exteriores. Estos sistemas utilizan temperaturas exteriores frescas para enfriar el agua, que circula a través de intercambiadores de calor para absorber el calor dentro del centro de datos.

La refrigeración libre reduce drásticamente el consumo de energía al disminuir la necesidad de sistemas de refrigeración mecánicos. La falta de refrigeración mecánica también conduce a menores costos de mantenimiento.

La principal desventaja del enfriamiento gratuito es que esta estrategia depende en gran medida de las temperaturas del aire ambiente. Este tipo de enfriamiento no es una opción viable en climas cálidos. Introducir aire exterior en el centro de datos también requiere sistemas de filtración de aire robustos para evitar que el polvo, los contaminantes y las impurezas dañen los equipos sensibles.

Enfriamiento Híbrido

Los sistemas de refrigeración híbridos combinan dos o más métodos de refrigeración diferentes (aire, líquido, evaporativo y refrigeración gratuita) en un sistema integrado. Un sistema de refrigeración híbrido cambia automáticamente entre modos de refrigeración según las condiciones en tiempo real (por ejemplo, temperatura actual o carga de trabajo computacional). La instalación utiliza el sistema de refrigeración más eficiente en energía en cada momento.

Una de las configuraciones de enfriamiento híbrido más comunes es combinar sistemas basados en aire y en líquido. Durante períodos de baja generación de calor, la instalación se basa principalmente en el enfriamiento tradicional por aire. Cuando aumenta el calor, el sistema activa el enfriamiento por líquido para gestionar de manera más eficiente los puntos calientes.

El enfoque híbrido añade redundancia al sistema de refrigeración. Si un sistema falla o se vuelve menos efectivo (por ejemplo, un sistema de refrigeración gratuita en un día caluroso), el sistema híbrido puede cambiar automáticamente a otro método de refrigeración para garantizar un funcionamiento continuo.

En cuanto a los aspectos negativos, integrar múltiples métodos de refrigeración aumenta los costos iniciales de instalación. Los sistemas híbridos requieren controles sofisticados, sensores e infraestructura para alternar entre los métodos de refrigeración sin problemas. Mantener un sistema híbrido también es un desafío porque los miembros del personal deben gestionar múltiples tecnologías de refrigeración.

Los Componentes de Refrigeración de un Centro de Datos

Los componentes de refrigeración de un centro de datos trabajan juntos para garantizar que el equipo de TI funcione en configuraciones óptimas. Aquí hay un resumen de los componentes de refrigeración más comunes que se encuentran típicamente en los centros de datos:

• Unidades CRAC y CRAH. Los sistemas CRAC/CRAH son los componentes más comunes de la refrigeración basada en aire.
• Enfriadores de agua. Los enfriadores utilizan un ciclo de refrigeración para enfriar activamente el agua, lo que permite un control de temperatura preciso.
• Torres de enfriamiento. Una torre de enfriamiento utiliza enfriamiento evaporativo para eliminar pasivamente el calor, dependiendo de la evaporación para enfriar el agua.
• Sistemas de tuberías y distribución. Estos sistemas transportan líquidos refrigerantes desde los enfriadores hasta las unidades de enfriamiento y de regreso. También llevan agua caliente lejos de los componentes de enfriamiento.
• Sistemas de gestión del flujo de aire. Estos sistemas incluyen pasillos de contención y paneles de flujo de aire que dirigen el aire fresco hacia las entradas de los servidores y expulsan el aire caliente lejos del equipamiento.
• Sensores. Los sensores monitorean la temperatura, la humedad y los niveles de flujo de aire dentro del centro de datos.
• Accionadores. Un accionador controla el flujo de aire dentro del centro de datos al ajustar el flujo de aire frío y los gases de escape calientes.
• Sistemas de control de refrigeración. Estos sistemas gestionan el funcionamiento del equipo de refrigeración basado en datos en tiempo real. La mayoría de los centros de datos dependen de una combinación de sistemas de control automáticos y manuales.
• Sistemas de control de humedad. Estos sistemas regulan los niveles de humedad para prevenir la condensación y la electricidad estática.
• Sistemas de bombeo. Un sistema de bombeo circula refrigerantes a través de los lazos de enfriamiento en configuraciones de enfriamiento a base de líquido.
• Ventiladores y sopladores. Estos componentes mueven aire dentro del centro de datos. Los ventiladores y sopladores suministran aire fresco a los racks y expulsan el aire caliente lejos del equipo.
• Intercambiadores de calor. Los intercambiadores de calor transfieren calor de un medio a otro. Estos componentes se utilizan a menudo en sistemas de refrigeración líquida para absorber el calor del equipo de servidores.
• Sistemas de filtración. Los filtros aseguran que el polvo, los contaminantes y los contaminantes no entren en el centro de datos durante el proceso de enfriamiento.

¿Cómo funciona la refrigeración de un centro de datos?

El enfriamiento del centro de datos funciona moviendo el calor lejos del equipo y disipándolo afuera del centro de datos o reacondicionándolo en aire fresco. Diferentes sistemas de enfriamiento dependen de diferentes métodos de enfriamiento:

• Las unidades de aire acondicionado (CRAC/CRAH) utilizan aire frío para enfriar la instalación. El aire frío circula hacia los racks, mientras que el aire caliente regresa a las unidades de tratamiento de aire para enfriarse y recirculase.
• Los sistemas de enfriamiento basados en líquidos utilizan agua para enfriar los estantes de servidores. El líquido absorbe el calor del equipo y lo transporta a un enfriador o torre de enfriamiento para la eliminación del calor.
• Los sistemas de enfriamiento evaporativo enfrían el aire entrante evaporando agua. El aire caliente pasa a través de algo húmedo, como un almohadilla empapada en agua. A medida que el agua se evapora, enfría el aire. El aire fresco se envía de vuelta al centro de datos para reducir la temperatura.
• Los sistemas de enfriamiento gratuito utilizan aire exterior para enfriar la instalación. El uso del clima local elimina la necesidad de métodos de enfriamiento tradicionales.

La estrategia de enfriamiento de un centro de datos depende de los siguientes factores:

• La ubicación geográfica de la instalación.
• La densidad del equipo de TI.
• Objetivos de eficiencia energética.
• Restricciones presupuestarias.
• Los requisitos operativos específicos de la organización.

Una vez que los miembros del personal instalan un sistema de refrigeración, miden su eficiencia con el índice de efectividad del uso de energía (PUE). PUE ayuda a rastrear la eficiencia de los sistemas de refrigeración en relación con el consumo de energía de toda la instalación.

¿Por qué es importante el enfriamiento en los centros de datos?

Sin un enfriamiento adecuado, los centros de datos estarían en riesgo constante de sobrecalentamiento, lo que podría provocar daños en el equipo y costosas interrupciones. Examinemos las razones principales por las que el enfriamiento en los centros de datos es tan vital para las instalaciones:

• No hay sobrecalentamiento del equipo. Los servidores, las unidades de almacenamiento y los dispositivos de red generan cantidades significativas de calor. Los sistemas de refrigeración aseguran que el equipo se mantenga dentro de temperaturas seguras para prevenir la degradación del rendimiento, la corrupción de datos o el daño de componentes.
• Maximizar el rendimiento del sistema. El calor excesivo ralentiza los servidores debido a mecanismos integrados que reducen las velocidades de procesamiento en entornos de alta temperatura. Al regular la temperatura, los sistemas de refrigeración garantizan que el equipo opere a su máxima capacidad.
• Menos probabilidad de tiempo de inactividad. Un buen enfriamiento mantiene estables las temperaturas del hardware y reduce las posibilidades de fallos en el equipo que conducen al tiempo de inactividad.
• Vida útil prolongada del equipo. La exposición continua a altas temperaturas acorta la vida útil de los componentes electrónicos. Los sistemas de refrigeración ayudan a extender la vida de los servidores y el equipo de red, retrasando reemplazos costosos y reduciendo los gastos de mantenimiento.
• Menor humedad. Los sistemas de refrigeración controlan los niveles de humedad para prevenir la acumulación de electricidad estática y la condensación.
• Menos consecuencias ambientales. Un enfriamiento eficiente reduce la huella de carbono general de un centro de datos.
• Mejores condiciones de trabajo. Un enfriamiento adecuado ayuda a mantener un entorno seguro y cómodo para los operadores dentro del centro de datos.
• Reduzca los costos operativos. El enfriamiento eficiente afecta directamente el consumo de energía. Al optimizar el proceso de enfriamiento, los centros de datos pueden reducir la potencia necesaria para mantener condiciones estables, lo que reduce directamente los costos de energía.

Mejores Prácticas para Enfriar un Centro de Datos

Aquí hay algunas mejores prácticas que ayudan a los gerentes de instalaciones a garantizar que todo el hardware del centro de datos funcione a temperaturas óptimas:

• Implementar el control de pasillos fríos/calientes. Siempre disponga los racks de servidores en filas alternas, de modo que el frente de cada fila mire hacia el frente de otra y la parte trasera mire hacia la parte trasera de otra. De esa manera, evita que el aire caliente y frío se mezclen, lo que mejora el flujo de aire y limita el número de puntos calientes.
• Utilice paneles de bloqueo. Instale paneles de bloqueo en los espacios vacíos del rack para bloquear la fuga de aire frío y evitar que el aire caliente sea aspirado de nuevo en la entrada del servidor. 
• Optimizar la gestión del flujo de aire. Utilice pisos elevados con baldosas perforadas para dirigir el aire frío hacia las tomas de aire del equipo y asegúrese de que los ductos de retorno eliminen efectivamente el aire caliente. Mantenga los cables y otros obstáculos alejados de las vías de flujo de aire.
• Monitorear y ajustar los niveles de temperatura y humedad en tiempo real. Utilice sensores y sistemas de monitoreo para seguir los niveles de temperatura y humedad de manera continua.
• Utilice sistemas de enfriamiento que ahorren energía. Implemente soluciones eficientes en energía como enfriamiento gratuito, enfriamiento por líquido o enfriamiento evaporativo donde sea posible. Estos métodos reducen la dependencia del aire acondicionado tradicional y disminuyen los costos operativos.
• Mantén el equipo de refrigeración regularmente. Realiza mantenimiento rutinario para las unidades de refrigeración (unidades CRAC/CRAH, chillers, torres de refrigeración, etc.) para asegurarte de que funcionen de manera eficiente. Aborda cualquier posible problema antes de que tenga la oportunidad de causar problemas.
• Utiliza ventiladores de velocidad variable. En lugar de hacer funcionar los ventiladores a plena capacidad todo el tiempo, equípales con controles de velocidad variable para ajustar el flujo de aire según la demanda de refrigeración en tiempo real.
• Selle las filtraciones y aberturas. Asegúrese de que todos los huecos, agujeros y espacios abiertos en pisos, paredes y techos estén sellados. Esta precaución evita que el aire frío escape y que el aire caliente vuelva a entrar.
• Adopte la refrigeración líquida para áreas de alta densidad. Utilice soluciones de refrigeración líquida para equipos de alta densidad que generan más calor de lo que los sistemas basados en aire pueden manejar de manera eficiente.

Desafíos de la refrigeración de centros de datos

A continuación se muestra un vistazo detallado a los desafíos más comunes que enfrentan los propietarios de centros de datos al configurar y gestionar sistemas de refrigeración:

• Alto consumo de energía. Los sistemas de refrigeración representan una gran parte del consumo energético de un centro de datos. Muchos gerentes de instalaciones luchan por mantener la rentabilidad al enfriar centros de datos grandes o de alta densidad.
• Problemas relacionados con la densidad. Gestionar el calor se vuelve más difícil a medida que los centros de datos agrupan más equipos en espacios más pequeños. Muchos propietarios de centros de datos luchan por ajustar los sistemas de refrigeración a medida que el personal despliega más hardware y crea nuevos puntos calientes.
• El equilibrio entre eficiencia y rendimiento. Los administradores de centros de datos deben encontrar un equilibrio entre el enfriamiento eficiente en términos de energía y el mantenimiento de niveles óptimos de rendimiento para el equipo de TI. Este equilibrio a menudo es un desafío cuando las instalaciones tienen cargas de trabajo fluctuantes.
• Restricciones geográficas y climáticas. Lograr un enfriamiento eficiente en energía es más difícil y puede llevar a mayores costos operativos en regiones con climas cálidos o húmedos.
• Problemas de escalabilidad. Asegurarse de que los sistemas de enfriamiento escalen de manera eficiente sin convertirse en un cuello de botella es un desafío constante a medida que los centros de datos crecen en capacidad.
• Altos costos iniciales. La inversión inicial para sistemas de refrigeración avanzados puede ser sustancial. Los sistemas híbridos son especialmente costosos ya que la organización debe invertir en dos o más configuraciones de refrigeración diferentes pero completamente funcionales.
• Complejidad de la integración. Muchas organizaciones enfrentan dificultades al integrar sistemas de refrigeración con la infraestructura existente de los centros de datos, especialmente al modificar instalaciones más antiguas.
• Problemas de mantenimiento diarios. Los equipos de refrigeración, como los enfriadores y las torres de enfriamiento, requieren monitoreo y mantenimiento 24/7. Gestionar este equipo sin causar interrupciones en las operaciones del centro de datos es un desafío común.

Preguntas Frecuentes sobre la Refrigeración de Centros de Datos

A continuación se presentan las respuestas a algunas de las preguntas más frecuentes sobre la refrigeración de centros de datos.

¿Cuánto cuesta el enfriamiento de un centro de datos?

El costo de la refrigeración de los centros de datos depende del tamaño del centro de datos, su ubicación, los métodos de refrigeración y los esfuerzos en eficiencia energética. Los costos anuales para sistemas de refrigeración a nivel empresarial pueden fácilmente alcanzar cientos de miles de dólares, mientras que los centros de datos hiperescalables pueden incurrir en costos anuales de refrigeración en millones.

¿Qué tan frío es demasiado frío para un centro de datos?

ASHRAE recomienda que los centros de datos mantengan sus niveles de temperatura entre 64°F y 81°F (18°C a 27°C). Bajar de 64°F puede llevar a un uso ineficiente de la energía y a posibles problemas de condensación.

¿Cuánta agua se utiliza para enfriar los centros de datos?

El uso exacto de agua depende del sistema de refrigeración. Los grandes centros de datos pueden utilizar millones de galones por año si dependen de métodos de refrigeración basados en agua.

¿Qué gas se utiliza para enfriar los centros de datos?

La mayoría de los sistemas de aire acondicionado utilizados para el enfriamiento de centros de datos dependen de gases refrigerantes como el R-134a o el R-410a.

¿Cuál es el futuro de la refrigeración de los centros de datos?

La industria de la refrigeración en centros de datos se centra actualmente principalmente en aumentar la eficiencia energética y la sostenibilidad. Esto es lo que deberías esperar ver en los próximos años:

• La refrigeración directa al chip y la refrigeración por inmersión aumentarán en popularidad en los próximos años a medida que los servidores se vuelvan más potentes y densos en calor.
• Hay un impulso evidente hacia métodos de enfriamiento gratuito que utilizan aire o agua del exterior. El objetivo es reducir la dependencia del aire acondicionado tradicional para mejorar la rentabilidad y reducir las huellas ambientales.
• Se espera que más instalaciones comiencen a adoptar tecnologías de inteligencia artificial para optimizar las temperaturas en tiempo real sin la intervención humana.
• Los propietarios de centros de datos continuarán experimentando con fuentes de energía renovable para reducir costos y satisfacer las crecientes demandas de los modernos centros de datos.
• Veremos que más instalaciones adopten sistemas de refrigeración modular que el personal puede agregar o quitar fácilmente sin grandes reformas en la infraestructura.
• Los centros de datos buscarán cada vez más formas de reutilizar el calor residual para otras aplicaciones. Las ideas más destacadas son calentar edificios cercanos o producir agua caliente en entornos urbanos.
• Se espera más instalaciones para experimentar con materiales de cambio de fase (PCMs). Estos materiales absorben y liberan energía térmica durante las transiciones de fase, lo que permite una gestión del calor y una regulación de la temperatura más eficientes.

La refrigeración es la columna vertebral de cada centro de datos

El enfriamiento efectivo es un componente crítico de las operaciones de los centros de datos que influye directamente en el rendimiento, la fiabilidad y la eficiencia energética. Ahora que sabes qué métodos de enfriamiento existen y en qué consisten, tienes toda la información que necesitas para tomar una decisión informada sobre la mejor manera de enfriar tu instalación.