La generación de calor en los centros de datos es tema de gran preocupación para propietarios y administradores, por lo que resulta necesario tomar medidas específicas para mejorar su eficiencia energética a través de la innovación.
El objetivo de las medidas de eficiencia energética en la refrigeración es reducir la energía necesaria para eliminar el calor, recuperarlo y reutilizarlo.
Shrikant Bhat, Carsten Franke, Lennart Merkert, Naveen Bhutani.
Es necesario que un sistema de refrigeración moderno cuente con un método radical y se centre en la mejora de la eficiencia energética, la gestión integrada y el mantenimiento de una fiabilidad elevada para el centro de datos.
Hasta hace poco, las técnicas de gestión del calor en los centros de datos se basaban en los métodos que se utilizan para refrigerar edificios. Térmicamente, un servidor se consideraba como un “humano equivalente”, hipótesis que funcionaba bastante bien; pero el flujo de calor de los microprocesadores comerciales aumentó de alrededor de 1 W/cm2 a 100 W/cm2 en la última década, y se espera que esta tendencia continúe, lo que supone un incremento masivo de la demanda exigida a cualquier sistema de refrigeración.
La refrigeración de los centros de datos implica el transporte de calor generado por los equipos de TI (fuente) al medioambiente (sumidero) en un proceso de dos pasos: en el primero, el calor se transporta fuera de los bastidores de servidores utilizando un medio (aire o líquido); en el segundo, se expulsa al medioambiente. Queda claro que ambos consumen energía eléctrica, y en consecuencia, el objetivo de las medidas de eficiencia energética en la refrigeración es reducir la energía necesaria para eliminar el calor, recuperarlo y reutilizarlo en la mayor medida posible. Esto puede lograrse mediante innovaciones en el diseño del propio sistema de refrigeración, así como de estrategias de funcionamiento imaginativas, como la detección y supervisión inteligentes, y la gestión integrada de sistemas.
El diseño y la gestión de sistemas de refrigeración presenta diversas áreas importantes y merece la pena examinar cada una de ellas.
 Flujo térmico en centros de datos |
Nuevos diseños de refrigeración
Hay diversas tecnologías de refrigeración disponibles en distintas fases de madurez comercial y algunas de ellas han mostrado resultados prometedores. El cerramiento de pasillos, por ejemplo, se practica comercialmente y puede mejorar la eficiencia del sistema hasta en 30 por ciento. La refrigeración on-chip está en fase de investigación preliminar y se habla de enfriamientos de hasta 15 °C para flujos de calor de hasta 1 mil 300 W/cm2. Se espera que la refrigeración por líquido reduzca el consumo de energía para el enfriamiento hasta en 50 por ciento, en comparación con los sistemas convencionales de enfriamiento por aire; y ya se está comercializando. Se estima que el secado de aire por membrana y el enfriamiento evaporativo reducen las necesidades de energía hasta en 86.2 por ciento, a diferenca de los sistemas mecánicos de compresión de vapor clásicos. El calor residual de un centro de datos puede aumentar con la energía térmica solar a fin de accionar una enfriadora de absorción y reducir la relación de eficiencia del uso de energía a menos de 1 (las enfriadoras de absorción emplean el agua caliente del circuito primario de refrigeración y, en ocasiones, el calor solar para impulsar otro circuito de enfriamiento).
La refrigeración por líquido, la refrigeración por absorción y la refrigeración basada en la evaporación ya se ha utilizado en otras industrias, pero los centros de datos plantean dificultades únicas de producción de calor no homogénea asociada con el comportamiento de cargas muy dinámicas y de requisitos de alta fiabilidad.
Supervisión y detección
La primera etapa para gestionar y controlar la refrigeración consiste en supervisar el comportamiento térmico del centro de datos. Los puntos calientes son un motivo importante de preocupación y pueden detectarse por medio de sensores infrarrojos o inalámbricos. Otra herramienta importante son los sensores soft que combinan datos ya disponibles con modelos detallados de dinámica de fluidos computacionales o modelos empíricos.
También es importante tomar en cuenta tecnologías emergentes:
– ¿Cuáles son las tecnologías actuales de refrigeración y sus limitaciones?
– ¿Qué soluciones avanzadas pueden integrarse en el sistema de refrigeración?
– ¿Hasta qué nivel es factible la integración o la adaptación, y cuáles son las limitaciones del sistema?
– ¿Cuál es el impacto de una nueva solución en la fiabilidad del sistema general de refrigeración y de TI?
– ¿Cuál será el valor (costo-beneficio, rentabilidad, etc.) del recurso que se incorpora?
Algunas empresas han conseguido demostrar el uso útil de conceptos como la comunicación inalámbrica de la detección por infrarrojos y la detección e identificación mediante sensores en soft en diferentes áreas de aplicación dentro del ámbito de la alimentación y la automatización. Este conocimiento se puede ampliar con las adaptaciones adecuadas al seguimiento de las prestaciones de los centros de datos.
Control de la refrigeración
Un equipo de refrigeración para centros de datos consta de una enfriadora, una torre de enfriamiento, bombas y almacenamiento térmico. A menudo, dispone de un economizador que ofrece una forma de refrigeración gratuita; los economizadores complementan la refrigeración al hacer entrar aire exterior más frío y utilizarlo en la reducción del consumo de energía de la enfriadora. El aire exterior pasa a través de uno o varios conjuntos de filtros para atrapar las partículas que podrían dañar los equipos. También se acondiciona con la humedad relativa adecuada.
La optimización integrada de un sistema de refrigeración de tales características implica minimizar el costo neto de la energía, con lo que se asegura el cumplimiento de los requisitos de refrigeración para una determinada carga de TI. Esto suele dar lugar a un complejo problema de demanda-respuesta que incluye entradas de predicciones meteorológicas, precios de la energía y curvas de carga en función de la eficiencia para todos los equipos. Un método integrado para la refrigeración que sólo incluye la integración del economizador, junto con un modelo predictivo de estrategias de control de la temperatura, ha demostrado reducir los costos por gestión de la refrigeración hasta en 30 por ciento. Esta situación podría mejorarse aún más con el uso de almacenamiento adicional y gestión de demanda-respuesta a fin de aprovechar la variación de precios de la energía.
| Impulsos de la innovación en refrigeración y casos representativos | ||
| Factor impulsor | Casos representativos | Comentarios |
| Eficiencia termodinámica | Cerramiento de pasillos | Minimización del consumo y la pérdida de energía mediante la eliminación localizada de calor y al evitar mezclas de corrientes con temperaturas diferentes |
| Materiales | Refrigeración por líquido/ Secado y refrigeración del aire mediante membrana | Materiales innovadores ofrecen una extracción de calor más rápida y eficiente |
| Recuperación de calor residual | Refrigeración por absorción | La refrigeración con el calor residual recuperado de los centros de datos es una de las opciones más prometedoras |
| Integración renovable | Refrigeración solar | La refrigeración solar es una de las opciones más prometedoras de utilización de fuentes renovables para la refrigeración de centros de datos |
Un método modular
Las unidades de refrigeración modulares permiten que los centros de datos amplíen su capacidad gradualmente. Tan populares se han hecho estas unidades que ahora constituyen una norma de diseño. Pero suponen un problema para el control integrado de la refrigeración al existir una interacción entre ellos y las instalaciones comunes relacionadas, como la enfriadora, el evaporador y el economizador. Esto añade limitaciones al problema del control integrado de la refrigeración descrito.
Gestión integrada de energía, TI y refrigeración
En casi todos los centros de datos existentes, la gestión de la carga de TI no está vinculada con las de refrigeración o alimentación. Esto quiere decir que el software de gestión de la carga de TI toma decisiones independientes para el inicio de nuevas tareas o migración de tareas en ejecución, sin tomar en cuenta la refrigeración o la energía. Este comportamiento “egoísta” puede reducir la energía utilizada por el equipo de TI, pero a costa de un mayor consumo de refrigeración.
Para evitar esta situación, hay que coordinar los tres subsistemas. Además, es necesario poseer una herramienta de gestión de la carga de TI, dinámica y predictiva, para poder tener en cuenta la ubicación del centro de datos y el correspondiente aprovisionamiento de energía variable a lo largo del tiempo. Dicha gestión avanzada de la carga puede producir ahorros de energía de entre 20 y 40 por ciento.
Esta solución puede acomodar directamente aspectos de mantenimiento; por ejemplo, compartiendo cargas entre los servidores y sus dispositivos de refrigeración para equilibrar el envejecimiento de los componentes. Al mismo tiempo, puede ayudar en la gestión de la alimentación: si los requisitos de refrigeración o los precios de la energía alcanzan valores críticos. La técnica, llamada modificación dinámica de la tensión y la frecuencia, se realiza de manera que las tareas de TI no incumplan los acuerdos formales de nivel de servicio. Las tareas de TI pueden desplazarse a otros servidores y ahorrar electricidad o refrigeración. Anteriormente, la migración se limitaba a muy pocas aplicaciones que admitían check-pointing, ahora, el mayor uso de servidores virtualizados facilita la migración.
La gestión coordinada puede ampliarse e incorporar recursos de varios centros de datos distribuidos geográficamente, lo que puede ofrecer ahorros de energía adicionales de entre 5 y 10 por ciento. La principal ventaja de distribuir las cargas de TI entre centros de datos es que la capacidad instalada en cada uno puede ser menor que el máximo que se necesitaría si trabajaran aisladamente, ya que algunos recursos se pueden compartir: esto conduce indirectamente a un mejor uso de la energía. Una estrategia de reparto de cargas de TI aprovecha las variaciones de los precios de la energía a lo largo del día y las diferencias de temperatura ambiente entre los emplazamientos.
La gestión de las cargas de TI por todos los centros de datos proporciona beneficios, aunque está sujeta a limitaciones logísticas y legales. Por ejemplo, los datos pueden ligarse a una determinada jurisdicción, lo que limita las posibilidades de migración. Además, los aspectos de protección de datos y seguridad resultan importantes si estos sitios pertenecen a entidades jurídicas distintas. Será importante tomar en cuenta la demanda adicional de energía y los costos de comunicación acarreados por la migración.
 Esquema de cargas y demandas en un centro de datos |
Fiabilidad
Los principales fenómenos relacionados con el uso de un economizador que influyen en la fiabilidad son las fluctuaciones de humedad, la mala calidad del aire y las variaciones de temperatura. Para mejorar la fiabilidad, se puede controlar la calidad del aire de entrada y, si cae por debajo de ciertos umbrales, tomar medidas preventivas.
Los puntos calientes igualmente influyen desfavorablemente en la fiabilidad. La supervisión y el control efectivos pueden tratar estas situaciones sin necesidad de aumentar la disponibilidad de refrigeración para todo el centro de datos. Esto reduce directamente los costos energéticos.
Otro método utilizado en el aumento de la fiabilidad es realizar labores de mantenimiento periódico en los equipos críticos o sustituirlos antes de que se produzca el fallo. La intervención puede efectuarse después de un periodo fijo indefinido por el tiempo medio entre fallos o por la garantía del fabricante; sin embargo, un método que sigue un periodo fijo no es lo ideal. Los perfiles de carga y las condiciones ambientales y operativas pueden variar respecto de los valores promedio indicados por el fabricante, por lo que es recomendable adaptar de forma individualizada el mantenimiento y la sustitución de cada elemento del equipo. Una pérdida de rendimiento o un comportamiento inusual de los equipos puede indicar la proximidad de un fallo, por lo que la supervisión de las condiciones de funcionamiento de los componentes críticos ayuda a planificar mejor las medidas de mantenimiento.
Por ejemplo, las tensiones entre diversos condensadores de un convertidor de potencia muestran caídas de tensión bruscas y oscilaciones inusuales antes de que falle el adaptador de alimentación. Si las desviaciones se vigilan y rastrean automáticamente, se podrían iniciar medidas preventivas, como la reparación o la sustitución, en el momento idóneo. Esto reduce los tiempos de inmovilización de los equipos, ya que los fallos se predicen y se corrigen antes de que ocurran. En consecuencia, aumentan la fiabilidad y la disponibilidad del centro de datos. Además, se eliminan acciones de mantenimiento innecesarias y costos de sustitución.
———————————————————————————————————————————-
