Sistemas de refrigeración en centros de datos: entre la sostenibilidad y el rendimiento

El crecimiento exponencial del procesamiento de datos ha llevado a una evolución continua en las estrategias de refrigeración para data centers. La eficiencia energética, la reducción de la huella de carbono y la adaptabilidad a entornos de alta densidad son factores clave que impulsan la innovación en los sistemas HVAC.  

Nos encontramos en una encrucijada que nos puede llevar a triplicar la demanda creciente de electricidad para los Data Centers en la década 2020-2030. La tecnología de información y comunicación cada vez demanda más energía, estableciendo un gran reto para las infraestructuras de producción y distribución de electricidad.  

Además, la generación de energía debe apoyarse en tecnologías que no contribuyan a la emisión de CO₂ ni de otros gases de efecto invernadero, evitando así el incremento de la huella de carbono. 

Se estima que en 2024 el 1% de la energía eléctrica mundial (460 TWh) fue consumida por los Data Centers, pero la expectativa a medio-corto plazo es que en 2030 esta cifra pueda llegar a superar los 900 TWh. España, en los siguientes cinco años, será uno de los focos importantes de desarrollo de nuevas instalaciones de Datacenters, ya que hay varios proyectos de los grandes centros hiperescala previstos que pueden triplicar la potencia instalada. Esto contribuirá a posicionar España como un Hub digital clave en Europa. Sin duda es un reto en el que ya estamos trabajando todos los actores del mercado, tanto desde el punto de vista de construcción y operación de los centros, como el de las infraestructuras necesarias. 

La selección dependerá de factores como densidad de carga térmica, disponibilidad de recursos hídricos y objetivos de eficiencia 

En un centro de datos, el mayor consumo de energía es el que se da en los propios equipos IT como servidores de procesamiento de datos, sistemas de almacenamiento y otros equipos de comunicación a red. Pero hay que tener en cuenta que prácticamente todo este consumo energético es disipado en forma de calor.  

Dependiendo del sistema de refrigeración utilizado y de las características de la demanda, los sistemas de enfriamiento pueden representar entre un 30% y un 50% del consumo total de la energía. De ahí la necesidad de optimizar la eficiencia de los sistemas de refrigeración.  

Hay que tener en cuenta que la tecnología de los equipamientos IT (nivel de temperatura máxima admisible, densidad de carga, posibilidad de refrigeración líquida, rango de humedad admisible, etc.) va a limitar en gran medida la definición del sistema de refrigeración considerado.  

En este sentido, estamos también enfrentando un cambio de tecnología que nos lleva a sistemas con una densidad de carga tan elevada, que las soluciones habituales basadas exclusivamente en refrigeración por aire no son capaces de compensar por las propias limitaciones del aire como agente de refrigeración. Por tanto, ya aparecen sistemas con refrigeración líquida directa, inmersión total o combinada con refrigeración por aire. 

Requisitos en cuanto a las necesidades de refrigeración 

Antes de enumerar los sistemas existentes, revisamos los parámetros a controlar en los sistemas de refrigeración que nos van a orientar a cada una de las alternativas. 

En primer lugar, nos encontraremos con las condiciones de temperatura y humedad relativa de consigna para el funcionamiento de los servidores. Estos parámetros dependen mucho del tipo de servidores. En equipos estándar la salida de aire de refrigeración puede estar entre 30 ºC y 35 ºC pero ya es habitual contar con tipología de servidores en los que la extracción de aire se puede realizar hasta 45 ºC. 

Podemos basarnos en las recomendaciones de Ashrae en su Standard TC 9.9: 

Aparte de las condiciones de temperatura y humedad, otro factor fundamental que nos va a fijar el sistema de refrigeración es la densidad de carga térmica a eliminar de los servidores. En función de esta densidad habrá sistemas que no podamos utilizar por la imposibilidad de disipar tanta carga térmica. A este respecto se puede hacer una primera aproximación basada en los criterios siguientes: 

Una vez seleccionado el sistema de acuerdo con las necesidades de eliminación de carga térmica se debe introducir la necesidad de eficiencia energética para reducir el consumo eléctrico y la huella de carbono. Se busca disminuir el PUE (Power Usage Effectiveness) con medidas de eficiencia como pueden ser free-cooling en aire, free-cooling en agua fría, reducción de caudales de aire en función de la demanda, etc.  

En varias localizaciones o por estrategia de sostenibilidad de la compañía, el consumo de agua puede ser reducido o eliminado. El valor de referencia para este consumo es el WUE (Water Usage Effectiveness) que relaciona el agua utilizada anualmente con los kWh consumidos por el equipo IT. Esto habilitará o no sistemas como los equipos de free-cooling directo o indirecto con refrigeración adiabática. 

Sistemas de refrigeración 

Exploramos a continuación los equipos que dan servicio directamente al data center realizando el tratamiento del aire en temperatura y humedad en las soluciones de refrigeración por aire o impulsando el agua o líquido de refrigeración a los sistemas de liquid cooling. No se entra a la definición de los sistemas de producción y distribución de agua fría que alimentan a estos equipos y se comenzará con aquellos utilizados en los sistemas de menor hasta los de mayor densidad de carga.  

CRAC/CRAH: un estándar en refrigeración perimetral 

Los sistemas CRAC (Computer Room Air Conditioning) y CRAH (Computer Room Air Handler) han sido durante años la solución predominante para la refrigeración de Data Centers. 

• CRAC: Equipos que utilizan compresores para la producción de frío, operando de manera similar a sistemas de aire acondicionado tradicionales. 

• CRAH: Funcionan con agua fría en intercambiadores de calor, eliminando la necesidad de compresores y permitiendo una mayor eficiencia energética. 

Ambos sistemas distribuyen aire frío bajo piso elevado o a través de conductos, manteniendo un control estricto sobre la temperatura y humedad del Data Center. Aunque siguen siendo una solución fiable, su eficacia disminuye a medida que aumentan las densidades de calor por rack. 

Fanwalls: distribución de aire homogénea y flexible 

Los sistemas Fanwall representan una evolución en la distribución del aire dentro de los Data Centers. Su diseño consiste en módulos de ventiladores EC de alta eficiencia dispuestos en la parte posterior o lateral de la sala, generando un flujo de aire uniforme y adaptable a las necesidades de refrigeración. 

Beneficios: 

• Eliminación de puntos calientes al mejorar la distribución del aire. 
• Reducción del consumo eléctrico gracias a los ventiladores con variadores de frecuencia. 
• Mayor adaptabilidad a cambios en la carga térmica. 

Este sistema es ideal para infraestructuras en las que se busca optimizar el flujo de aire sin recurrir a soluciones completamente nuevas. 

UTAs con free cooling directo e indirecto 

Para aumentar la eficiencia y reducir el consumo energético, muchas instalaciones optan por UTAs customizadas con Free Cooling, las cuales permiten el uso del aire exterior y la refrigeración adiabática para la refrigeración en lugar de depender exclusivamente de sistemas mecánicos. 

• Free cooling directo: introduce aire exterior filtrado en el Data Center cuando la temperatura y humedad lo permiten. 

• Free cooling indirecto: separa el aire exterior del interior mediante intercambiadores de calor, evitando la contaminación del ambiente del data center. 

Estos sistemas pueden reducir drásticamente el PUE (Power Usage Effectiveness) y contribuir a estrategias de sostenibilidad al minimizar el uso de la refrigeración mecánica y el consumo de agua. 

In Row y Rear Door Cooling: soluciones localizadas para alta densidad 

Los sistemas de refrigeración In Row y Rear Door han ganado popularidad en Data Centers con configuraciones de alta densidad, donde la disipación de calor por rack supera los 15-20 kW. 

• In Row Cooling: unidades de refrigeración situadas entre racks, que trabajan en proximidad con los servidores, reduciendo la distancia del aire frío al equipo y mejorando la eficiencia térmica. 

• Rear Door Cooling: paneles intercambiadores instalados en la parte trasera de los racks que capturan el calor antes de que ingrese a la sala, permitiendo una disipación más efectiva. 

Estos sistemas permiten reducir la mezcla de aire caliente y frío, optimizando la gestión térmica en infraestructuras con mayor densidad de cálculo. Se pueden instalar en combinación con los sistemas anteriores. 

Liquid Cooling: el futuro de la refrigeración para alta densidad 

A medida que las densidades térmicas siguen en aumento, la refrigeración líquida se ha convertido en una solución clave para Data Centers de hiperescala y aplicaciones de alto rendimiento. 

Modalidades de Liquid Cooling

1. Refrigeración Directa al Chip (Direct-to-Chip Liquid Cooling): placas frías sobre los procesadores que disipan el calor con un circuito de líquido refrigerante. 
2. Inmersión total: servidores sumergidos en un fluido dieléctrico, eliminando completamente la necesidad de aire para la refrigeración. 

Cada una de estas soluciones de refrigeración responde a necesidades específicas dentro de los centros de datos

Ventajas: 

• Reducción del consumo eléctrico al eliminar ventiladores y optimizar la transferencia térmica. 
• Capacidad para gestionar racks con potencias superiores a 30-100 kW. 
• Disminución del espacio requerido para sistemas de climatización tradicionales. 

Conclusiones 

Cada una de estas soluciones de refrigeración responde a necesidades específicas dentro de los centros de datos. Mientras que los sistemas CRAC/CRAH y Fanwalls siguen siendo opciones confiables, la evolución de las cargas de trabajo impulsa la adopción de UTAs con Free Cooling, soluciones localizadas como In Row y Rear Doors, y tecnologías disruptivas como Liquid Cooling. La selección adecuada dependerá de factores como la densidad de carga térmica, la disponibilidad de recursos hídricos y los objetivos de eficiencia energética. 

Conforme avanza la demanda de procesamiento de datos, la refrigeración seguirá siendo un pilar clave en el diseño y operación de data centers, impulsando innovaciones que permitan alcanzar una mayor sostenibilidad y rendimiento.