Antes de abordar el tema de la Refrigeración de los centros de datos empezamos con una breve introducción para definir qué son y cómo está valorada su disponibilidad, un aspecto en el que es clave el sistema de refrigeracion CPD y su mantenimiento.
Un centro de procesamiento de datos (CPD) es un lugar donde se concentran todos los recursos necesarios para el procesamiento de la información de una organización. Son edificios o salas debidamente acondicionadas con una gran cantidad de equipamiento electrónico, ordenadores, redes de comunicaciones…
La disponibilidad de recursos y el acceso a la información de los data centers es fundamental en las operaciones diarias de las empresas y, por lo tanto, es imprescindible contar con un CPD estable y con la mayor disponibilidad posible, lo que supone que la refrigeración de los centros de datos cobra vital importancia.
Es una infraestructura crítica que incide directamente en la continuidad de servicio, en la reducción del riesgo operativo, en la vida útil de los equipos y en el coste energético del centro de datos. Una parada del CPD no es solo una incidencia técnica. Puede afectar a procesos internos, comunicaciones, operaciones industriales, trazabilidad, disponibilidad de aplicaciones, productividad, cumplimiento de acuerdos de servicio y reputación corporativa.
Clasificación de los CPD
Para la clasificación de los centros de datos existe un estándar, el ANSI / TIA-942 (Telecomunication Infraestructura Standard for Data Center), creado por miembros de la industria, consultores y usuarios y que incluye las mejores prácticas para la construcción y gestión de centros de datos. Este estándar incluye un anexo sobre los grados de disponibilidad Tier, que indican el nivel de fiabilidad de un centro de datos. A mayor nivel Tier, mayor disponibilidad del CPD.
- Tier I – Data Center Básico. Admite interrupciones tanto planeadas como no planeadas. No hay componentes redundantes en la distribución eléctrica ni refrigeración. Deberá estar fuera de servicio al menos una vez al año por razones de mantenimiento.
- Tier II – Data Center con componentes redundantes. Menos susceptible a interrupciones. Componentes redundantes (diseño N+1, lo que significa que existe un duplicado de cada componente). Conectados a una única línea de distribución eléctrica y refrigeración. El mantenimiento de esta línea de distribución o de otras partes de la infraestructura requiere una interrupción del servicio.
- Tier III – Data Center con mantenimiento concurrente. Permite planificar actividades de mantenimiento sin afectar al servicio. Hay suficiente capacidad y distribución para poder llevar a cabo tareas de mantenimiento en una línea mientras se da servicio por otras. Acepta actividades planeadas como mantenimiento preventivo, reparaciones o sustitución de componentes, realización de pruebas en sistemas o subsistemas, entre otras. Actividades no planeadas, como errores de operación, pueden todavía provocar una interrupción del centro de datos. En sistemas que utilizan el enfriamiento por agua, se instala un doble conjunto de tuberías. Se instalan componentes redundantes. Están conectados a múltiples líneas de distribución eléctrica y de refrigeración pero únicamente con una activa.
- Tier IV – Data Center tolerante a fallos. Permite realizar cualquier actividad planificada sin interrupciones en el servicio, pero, además, continua trabajando ante un evento crítico no planeado. Esto requiere dos líneas de distribución y de refrigeración con múltiples componentes redundantes (2(N+1)) es decir 2 UPS con redundancia N+1.
En el caso de la refrigeración de los centros de datos, esta clasificación es especialmente relevante porque condiciona el diseño de los equipos, los circuitos hidráulicos, la redundancia, la capacidad de mantenimiento y la estrategia de control.
La importancia de la refrigeración de los centros de datos
La producción de calor de los equipos que conforman un centro de datos es uno de los problemas principales y que más preocupa a sus administradores. El exceso de calor en una sala de servidores afecta negativamente el rendimiento del equipo y acorta su vida útil, además de suponer un peligro en el caso de alcanzar niveles elevados. Por eso, es de vital importancia el diseño de un buen sistema de refrigeración de los centros de datos.
En este diseño es fundamental el dimensionamiento del sistema, que exige comprender la cantidad de calor producida por los equipos TI, así como la derivada del funcionamiento de otros elementos habitualmente presentes como los SAI, la distribución de alimentación, unidades de aire acondicionado, iluminación y personas…
Fijarse en todo ello es básico para calcular la carga térmica. En una instalación típica, las cargas que más peso tienen son:
- El 70% se suele corresponder con la carga de los equipos TI.
- El 9%, a la iluminación.
- El 6%, a la distribución de la alimentación.
- El 2%, a las personas.
Además de eliminar el calor, un sistema de aire acondicionado para un centro de datos está diseñado para controlar la humedad. En la mayoría de sistemas de aire acondicionado la función de refrigeracion CPD por aire del sistema causa una importante condensación de vapor de agua y la consiguiente pérdida de humedad.
Por tanto, es necesaria una humidificacion suplementaria para mantener el nivel de humedad deseado. Esta humidificacion suplementaria crea una carga de calor adicional en la unidad de aire acondicionado de la sala de ordenadores (CRAC), disminuyendo de forma clara la capacidad de refrigeracion CPD de la unidad y haciendo necesario un sobredimensionamiento.
Es importante hablar también del diseño de la red de conductos del aire o el falso suelo, ya que tiene un efecto importante en el rendimiento global del sistema y, además, afecta en gran medida a la uniformidad de la temperatura dentro del centro de datos.
La elección de un sistema de distribución de aire modular, unido a una correcta estimación de la carga térmica, puede reducir significativamente los requisitos de configuración del diseño del centro de datos.
El objetivo: La eficiencia energetica en el CPD
Existe en estos momentos una tendencia a la construcción de centros de datos cada vez más grandes, los cuales demandan las mejores tecnologías para garantizar su funcionamiento y mejorar su eficiencia. El consumo de energía en estos centros se incrementa, por tanto, de manera exponencial.
Un centro de datos no sólo es hardware y telecomunicaciones, cuenta con instalaciones eléctricas, de refrigeracion CPD, contraincendios, iluminación, entre otras.
Una parte importante de la energía consumida en un data center corresponde a los sistemas de refrigeración industrial, los cuales se convierten en una pieza clave para la reducción de costes energeticos. La refrigeracion CPD está absolutamente ligada a su consumo energético y, consecuentemente, una correcta refrigeración permite obtener unos ahorros energéticos importantes.
En este punto aparece una métrica de referencia en el sector: el PUE, Power Usage Effectiveness. Esta métrica relaciona la energía total consumida por el centro de datos con la energía consumida por los equipos TI. Cuanto más eficiente sea la infraestructura auxiliar, incluida la refrigeración, más optimizado será el comportamiento energético del CPD.
Un ejemplo de refrigeracion CPD es el de esta empresa tecnológica, con 4 salas de 1.000 metros cuadrados.
La eficiencia energética en la refrigeración de los centros de datos no depende de una única medida. Requiere una combinación de diseño, regulación, mantenimiento y control:
| Medida | Aportación al CPD |
|---|---|
| Fee-cooling | Permite aprovechar las condiciones exteriores para reducir el uso de refrigeración mecánica cuando el clima lo permite. |
| Recuperación de calor | Puede permitir el aprovechamiento del calor extraído del CPD en otros usos térmicos, siempre que el proyecto lo haga viable. |
| Regulación de bombas, ventiladores y chillers | Ajusta el funcionamiento de los equipos a la demanda real y evita consumos innecesarios. |
| Correcta distribución de aire | Reduce puntos calientes y mejora el rendimiento global del sistema. |
| Control de temperaturas de impulsión y retorno | Mejora el rendimiento del sistema y evita trabajar con consignas más exigentes de lo necesario. |
| Monitorización energética | Permite conocer el consumo real de la refrigeración y detectar desviaciones de rendimiento. |
Estas mejoras tienen una lectura directa: menor coste operativo, menor exposición a paradas, mejor aprovechamiento de la inversión y mayor seguridad en la continuidad del negocio.
Sistemas de refrigeración de los centros de datos
Estos grandes centros de datos superan normalmente los 500 o 1000 m2 (con una densidad promedio del local de 1500 W/m2) y los sectores de comunicación están en 300 W/m2 aproximadamente y zonas de alta densidad que pueden llegar a 4000 W/m2.
Además hay que añadir la refrigeración de salas eléctricas, oficinas, talleres, etc. En general se llega a capacidades de 3 a 5 MW de frío en un centro de datos completo.
Se suelen seleccionar sistemas con agua helada, no sólo por el consumo eléctrico sino más bien por la flexibilidad en la aplicación y por el bajo volumen de refrigerantes en uso.
Para la producción de agua helada existen distintos tipos de chiller:
- Chiller enfriados por aire con ventiladores axiales estándar o ventiladores de tipo EC-Fan de bajo consumo y compresor de tornillo.
- Chiller enfriados por aire con ventiladores axiales estándar o ventiladores de tipo EC-Fan de bajo consumo con Free-cooling y compresor de tornillo.
- Chiller refrigerados por agua con Torres de enfriamiento con screw o compresor centrífugo.
- Chiller enfriados por agua con Dry Cooler en circuito cerrado con compresor tipo scroll, eventualmente de tornillo o centrífugo.
Los chiller que integran free-cooling ofrecen un interesante ahorro energético, dependiendo principalmente de las condiciones climáticas de la zona donde se instalen y de la selección de temperatura de inyección de aire en los pasillos fríos del centro de datos.
El free-cooling consiste en hacer pasar el retorno de agua que proviene del centro de datos primero por un serpentín de intercambio de calor agua-aire montado en la succión de aire del condensador, logrando así un pre-enfriamiento en el retorno del agua.
Esta estrategia puede reducir el funcionamiento de los compresores en determinados periodos del año, lo que contribuye a disminuir el consumo energético del CPD. No obstante, su viabilidad debe analizarse en cada proyecto, teniendo en cuenta clima, temperaturas de trabajo, demanda térmica, régimen de funcionamiento y objetivos de eficiencia.
Solución de refrigeración de los centros de datos TIER III
Esta es una solución típica para el caso de la refrigeración de centros de datos de tipo Tier III, utilizando chiller enfriados por aire sin free-cooling.
Los chiller descargan el agua helada a un colector con doble salida hacia la estación de bombas que alimentan los consumos CRAH (Computer Room Air Handler) y PTU (Puma Transfer Unit).
Un PLC es responsable de calcular la cantidad de chiller en funcionamiento, arrancar la unidad en stand-by en el caso de error en la unidad de operación y realizar la rotación para garantizar un desgaste similar en el tiempo.
Dependiendo de la importancia de la sala de servidores, se pueden instalar adicionalmente estanques de agua helada por si se diera un colapso total en la producción de agua helada.
El principal criterio a la hora de diseñar la producción de agua helada (sistema hidráulico primario) es que se asegure un flujo de agua constante a través del evaporador de cada chiller. Además, se recomienda instalar válvulas de control de flujo de agua con el fin de garantizar el caudal de agua exacto que requiere cada chiller.
El principal criterio de diseño de la red hidráulica secundaria (alimentación de los consumos con agua helada) es que se asegure un flujo de agua acorde al consumo del momento. Se suele instalar un by-pass debido a que en ocasiones el caudal de agua primario no coincide con el secundario. Con el by-pass se compensa la diferencia.
Criterios para seleccionar una solución de refrigeración CPD
La elección de una solución de refrigeración para CPD debe tener en cuenta criterios técnicos, energéticos y de negocio. No todos los centros de datos requieren la misma arquitectura, ni todos tienen el mismo nivel de criticidad. Antes de definir la solución, conviene analizar:
La solución adecuada no es necesariamente la de mayor potencia instalada, sino la que ofrece el equilibrio correcto entre disponibilidad, eficiencia, seguridad, mantenibilidad y coste total de operación.
| Criterio | Aspecto que condiciona |
|---|---|
| Criticidad del CPD | Condiciona el nivel de redundancia, disponibilidad y respuesta ante fallos. |
| Carga térmica actual y futura | Define la potencia frigorífica necesaria y evita infradimensionamientos o sobredimensionamientos. |
| Nivel Tier objetivo | Determina la arquitectura de distribución, mantenimiento concurrente y toleranica al fallo. |
| Escalabilidad | Permite ampliar racks, potencia TI o densidad térmica sin rediseñar toda la instalación. |
| Mantenibilidad | Que la instalación esté diseñada para poder intervenir equipos, sustituir componentes o hacer mantenimiento sin comprometer la operación del CPD. |
| Mantenimiento predictivo | Que la instalación disponga de monitorización avanzada y analítica predictiva para detectar desviaciones antes de que se conviertan en incidencias. |
| Integración digital | Permite monitorizar variables críticas, analizar consumos y anticipar desviaciones |
| Coste total de la operación | Ayuda a valorar no solo la inversión inicial, sino también consumo, mantenimiento y vida útil. |
Estoy diseñando, ampliando o revisando un CPD. ¿Qué debo tener en cuenta?
A modo de resumen, antes de diseñar, ampliar o revisar la refrigeración de un CPD conviene valorar el punto de partida del proyecto, los criterios técnicos de diseño y la capacidad de la instalación para ser monitorizada, optimizada y mantenida con datos durante toda su vida útil.
Conclusión: una decisión técnica con impacto directo en el negocio
La refrigeración de los centros de datos es una parte esencial de la infraestructura crítica de una empresa. Su diseño influye en la disponibilidad del CPD, en el consumo energético, en la seguridad de los equipos TI, en la reducción del riesgo operativo y en la continuidad del negocio.
Una instalación correctamente dimensionada, con redundancia adecuada, distribución eficiente de aire, control de humedad, monitorización y mantenimiento predictivo permite proteger los sistemas críticos y mejorar la eficiencia energética del data center.
En soluciones de tipo Tier III, la refrigeración debe permitir mantenimiento concurrente, asegurar caudales adecuados, gestionar equipos en stand-by y mantener la estabilidad térmica incluso durante operaciones planificadas.
En Cofrico diseñamos soluciones de refrigeración industrial para centros de datos adaptadas a la criticidad, la carga térmica, las necesidades de eficiencia energética y los objetivos de continuidad de cada instalación. Si tu empresa necesita refrigerar, ampliar u optimizar un CPD, podemos ayudarte a definir la solución técnica más adecuada y valorar su impacto energético, operativo y económico.
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