Refrigeración Líquida: Infraestructura
El edificio y las modificaciones necesarias
Para convertir un centro de datos refrigerado por aire a refrigeración líquida, hay que tener en cuenta varios factores para instalar correctamente componentes como CDU, placas frías, depósitos y tuberías. Los bastidores y servidores no pueden utilizarse sin modificaciones, aunque se utilice refrigeración líquida directa al chip. Hay que incorporar en el rack un colector para las tuberías que van a los servidores individuales, y puede ser necesario insertar orificios adicionales en el rack para que salgan las tuberías. Lo mismo ocurre con los servidores: también en este caso debe haber aberturas para las tuberías, y como éstas son relativamente gruesas y también hay que integrar placas frías en la carcasa, puede haber falta de espacio, lo que obliga a realizar modificaciones adicionales.
El siguiente factor clave tiene que ver con los requisitos de seguridad más estrictos que se aplican al tendido de las tuberías de los circuitos individuales de refrigeración líquida, si funcionan con una mezcla de agua y glicol. Las tuberías deben colocarse de forma que no queden por encima de componentes activos o servidores, para evitar daños por entrada de agua en caso de fuga. Lo ideal es que estas tuberías se coloquen en el suelo elevado, que en la mayoría de los casos ya existe en las instalaciones refrigeradas por aire. Además, las tuberías deben revisarse periódicamente para detectar corrosión y fugas. En cambio, las tuberías que transportan fluidos dieléctricos no suelen plantear problemas, ya que no son conductoras y no pueden dañar los componentes en caso de fuga.
También hay que tener en cuenta la estructura del edificio al pasar a la refrigeración líquida. En general, no es necesario tomar medidas con la refrigeración líquida directa al chip, porque el peso por metro cuadrado no cambia significativamente en comparación con la refrigeración por aire. Sin embargo, si se utiliza refrigeración por inmersión, en las plantas más grandes existe el riesgo de que aumente drásticamente la carga puntual en el techo debido a la mayor densidad del servidor y a las grandes cantidades de líquido. Por tanto, es esencial que los ingenieros estructurales comprueben las posibles cargas en el techo antes de la conversión y que se tomen las medidas estructurales necesarias para aumentar la capacidad de carga. Si, además, se van a utilizar brazos robóticos para mantener los servidores sumergidos, es obvio que esto debe tenerse en cuenta durante la planificación, para garantizar que los sistemas robóticos puedan montarse de forma segura y tengan suficiente libertad de movimiento.
Si el coste de una conversión completa es demasiado elevado, por supuesto es posible convertir sólo una parte de la superficie del centro de datos a refrigeración líquida. En algunos casos, tal vez incluso tenga más sentido construir un nuevo edificio o ampliación, que cumpla los requisitos para la refrigeración líquida desde el principio.
Los armarios de aire acondicionado existentes para la refrigeración de salas pueden seguir utilizándose para enfriar el calor residual que aún emiten a la sala los componentes no refrigerados por líquido, como las fuentes de alimentación, por ejemplo. Con la refrigeración líquida directa al chip, el calor residual es aproximadamente el 20% de la carga térmica total, mientras que en la refrigeración por inmersión es sólo del 5%.
Unidad de distribución de refrigerante (CDU) - Un componente clave
El diseño básico de un sistema de refrigeración líquida en un centro de datos es el siguiente: con la refrigeración líquida directa al chip, las placas frías de las placas del servidor están conectadas mediante tuberías flexibles a un colector en el rack. Este colector del rack está a su vez conectado mediante tuberías a una unidad de distribución de refrigerante (CDU). Si se utiliza refrigeración por inmersión en lugar del método directo al chip, es el depósito, y no el rack, el que se conecta a la CDU. La CDU separa el sistema de agua de la instalación (FWS - el circuito de refrigeración del edificio) del sistema de refrigeración de la tecnología (TCS - el sistema de refrigeración líquida para los servidores) a través de un intercambiador de calor. Además, la CDU utiliza válvulas y bombas para controlar el caudal y la temperatura del líquido refrigerante.
Es importante separar los circuitos, porque se aplican distintos requisitos de pureza al circuito de refrigeración y al agua de la instalación. Además, en el circuito de refrigeración también pueden utilizarse líquidos dieléctricos, no sólo mezclas de agua y glicol. La calidad del líquido necesaria en un circuito de refrigeración de este tipo depende, entre otras cosas, de los materiales de que estén hechos los intercambiadores de calor y las placas frías, y del tamaño de los microcanales integrados. Si los microcanales son muy pequeños, el tamaño máximo de las partículas en el líquido es un factor decisivo para el funcionamiento fiable de un sistema de refrigeración líquida.
¿Cuáles son las normas y especificaciones para la refrigeración líquida?
La mayoría de las normas sobre centros de datos no incluyen actualmente especificaciones o recomendaciones para diseñar sistemas adecuados para la refrigeración líquida. La única excepción actual es la directriz TC 9.9 de ASHRAE, que trata explícitamente de la refrigeración líquida. Nombra dos diseños recomendados, que difieren en la ubicación y el número de CDU. La primera versión tiene una CDU central a la que se pueden conectar varios bastidores. Esto ahorra espacio en el rack pero ocupa espacio adicional en la sala de servidores. Si se utiliza este diseño de CDU central, lo ideal sería establecer una redundancia 2N, para compensar fallos en cualquier momento. Además, la capacidad de las CDU debe ser tal que ofrezcan una reserva para el escalado, pero que también sean eficientes energéticamente incluso a baja carga.
En la segunda versión, se incorpora una CDU dedicada en cada bastidor. Esto significa que los bastidores no pueden alojar tantos servidores, pero no se necesita espacio adicional fuera de los bastidores. Si falla una CDU, sólo afecta a un bastidor; todos los demás servidores pueden seguir funcionando sin problemas. El escalado también es más fácil de conseguir, porque cada vez que se añade otro rack, se añade también una CDU adecuada adaptada a la capacidad de refrigeración requerida. Sin embargo, con este método el sistema gana más intercambiadores de calor en total, lo que reduce ligeramente la cantidad de frío que se puede extraer del agua de la instalación debido a las mayores pérdidas por transferencia que en las versiones con CDU central.
¿De qué otra forma puede aplicarse la refrigeración líquida?
Algunas plantas prescinden por completo de la CDU. Sin embargo, esto sólo es posible con la refrigeración por inmersión, porque en el depósito ya hay un intercambiador de calor para separar los circuitos. La temperatura debe regularse a través del agua de la instalación, lo que ofrece menos flexibilidad que cuando se utiliza una CDU. Sin embargo, un diseño sin CDU también tiene ventajas: mayor eficiencia, por ejemplo, porque no es necesario utilizar intercambiadores de calor para enlazar con el agua de la instalación y, por tanto, no se producen pérdidas de transferencia en este punto. Además, no se necesita espacio adicional para alojar las CDU. En cambio, con la refrigeración líquida directa al chip siempre se necesita una CDU. Esto se debe a que las tuberías de la placa fría tienen un diámetro reducido y, por tanto, se requiere una alta calidad del agua para mantener limpios los circuitos. Por regla general, las ventajas mencionadas al principio de este artículo - y la mayor flexibilidad de la versión CDU - superan los méritos de la versión sin CDU - y son la opción más popular para los centros de datos con refrigeración líquida. Esto también se debe a que, sin la separación del sistema mediante una CDU, hay que añadir glicol al agua de la instalación, lo que reduce la eficiencia.
Además de las dos versiones descritas, existe otro método para el uso de refrigeración líquida. En este caso, también se montan placas frías en las placas del servidor y las tuberías salen de la carcasa y se conectan a una CDU a través de un colector. Además, en la parte trasera del rack hay una puerta trasera activa que también puede conectarse a una CDU. Contiene un intercambiador de calor aire-agua que transfiere el calor residual de los componentes no refrigerados por líquido del rack desde el aire al circuito de refrigeración.
¿Cómo se refrigera el agua de la instalación?
Todas las tecnologías de refrigeración líquida están diseñadas para ajustar la temperatura del agua de la instalación de forma que haya suficientes reservas disponibles para los circuitos de refrigeración. Sin embargo, para evitar la condensación, estas ventanas de temperatura no deben acercarse demasiado al punto de rocío de la sala. En todas las versiones de refrigeración líquida, el agua de la instalación se enfría de forma similar a la refrigeración por aire, pero generalmente a temperaturas más altas. Y dependiendo de la temperatura requerida, pueden utilizarse enfriadores secos, torres de refrigeración y enfriadores. A modo de orientación, ASHRAE TC 9.9 ha definido clases de temperatura con recomendaciones sobre qué tipo de refrigeración puede utilizarse para cada temperatura del agua de la instalación. Si el centro de datos ya estaba equipado con free-cooling o free-cooling indirecto para el agua de la instalación antes de la conversión, puede utilizarse -dependiendo del nivel de temperatura requerido- para alimentar la CDU.
Ahora que en este artículo hemos analizado en profundidad la infraestructura necesaria para la refrigeración líquida en un centro de datos, en la siguiente parte examinaremos cómo se puede implementar en la práctica este tipo de solución utilizando productos de Stulz, y qué factores especiales hay que tener en cuenta.