Refrigeración eficiente en centros de datos: clave para la descarbonización digital

• ¿Qué es la refrigeración del centro de datos y por qué importa?
• ¿Por qué es necesaria la refrigeración del centro de datos?
• ¿Cómo funciona la refrigeración del centro de datos?
• ¿Cuáles son los tipos de refrigeración de centros de datos?
• Refrigeración por aire vs. refrigeración líquida ¿Cuál es mejor?
• ¿Cómo afecta la refrigeración al consumo energético de tu centro de datos?
• Preguntas frecuentes sobre refrigeración del centro de datos 

¿Qué es la refrigeración del centro de datos y por qué importa?

La refrigeración del centro de datos es el conjunto de tecnologías, procesos y estrategias de gestión térmica diseñados para mantener los equipos informáticos dentro de rangos de temperatura y humedad operativos seguros. No hay que olvidar que prácticamente toda la energía eléctrica que consume un servidor se convierte en calor. Si este calor no se extrae de forma continua, los componentes electrónicos alcanzan temperaturas críticas que provocan fallos en el hardware, reducción de la vida útil de los equipos o paradas no programadas del servicio.

La refrigeración tiene un impacto en el consumo energético del centro de datos nada despreciable. De hecho, el sistema de climatización es el mayor consumidor de energía después de la propia carga informática. Según el Joint Research Centre (JRC) de la Comisión Europea, el consumo asociado a la refrigeración puede suponer hasta el 40% de consumo total de la infraestructura. Y no sólo eso, además el consumo asociado a refrigeración ha escalado debido al aumento de la densidad en los racks, desde la llegada de la IA y el HPC (High Performance Computing).

Con todo ello, cabe afirmar que la refrigeración importa en los centros de datos porque es la garantía de la disponibilidad del servicio sin interrupciones. Un error en el sistema de refrigeración puede hacer caer servicios críticos en segundos. 

¿Por qué es necesaria la refrigeración del centro de datos?

La refrigeración del centro de datos es necesaria, según el estándar ANSI/TIA-942, para garantizar las condiciones ambientales constantes y evitar el fallo de los servidores digitales. Es decir, no sirve para que los técnicos estén cómodos, sino para que las máquinas no fallen.

Los procesadores CPUs, los aceleradores GPUs y los módulos de regulación de voltaje VRMs, generan calor masivo durante el procesamiento de datos. Si este calor no se extrae de forma eficaz, los componentes alcanzan su temperatura crítica de funcionamiento. Para protegerse, el hardware activa el thermal throttling (reducción de potencia), lo que degrada el rendimiento. Si la temperatura sigue subiendo, superando los umbrales de seguridad, el equipo ejecuta un apagado térmico de emergencia, para evitar daños permanentes.

Además, está comprobado que el funcionamiento constante fuera de los rangos recomendados, acelera la degradación de los circuitos y reduce la vida útil de los servidores. En este contexto la refrigeración estable garantiza la disponibilidad del servicio o Uptime, factor crítico en sectores como el de la salud o la banca.

Por lo tanto, el sistema de refrigeración se puede considerar una extensión directa del hardware. Y no solo eso, además el sistema de refrigeración debe ser tolerante a fallos. Es decir, que, si se produce un fallo o una rotura, debe existir otra vía para mantener el correcto funcionamiento del sistema de refrigeración sin interrumpir el servicio digital. Esta particularidad tiene que ver con el nivel de resiliencia de la infraestructura o Rating, el cual debe garantizar una disponibilidad del 99,98% o superior.

Por otro lado, no sólo se debe controlar la temperatura. La humedad también es un factor ambiental a tener en cuenta. Es por ello que la refrigeración moderna gestiona la calidad del aire teniendo en cuenta que una humedad relativa baja aumenta el riesgo de descargas electrostáticas, y una humedad relativa alta puede provocar corrosión.

Otra referencia normativa técnica para centros de datos, es la UNE-EN 50600-2-3 que regula el control ambiental. Para ello define las condiciones de temperatura y humedad, y establece los requisitos para los sistemas de refrigeración para garantizar las continuidad de la actividad. 

¿Cómo funciona la refrigeración del centro de datos?

El proceso de refrigeración permite capturar, transportar y expulsar hacia el exterior el calor generado en el interior del centro de datos como consecuencia de la actividad de computación:

• Captura del calor. El calor se genera a nivel de componente (CPU, GPU y VRM) dentro del servidor. En sistemas tradicionales, los ventiladores del servidor fuerzan el aire a través de disipadores de alta conductividad (aluminio o cobre). En sistemas de refrigeración líquida, el calor se transfiere directamente a un fluido mediante intercambiadores de calor de contacto (placas frías) o por inmersión total en fluido dieléctrico.

• Transporte y transferencia. Una vez que el calor está en el aire o en el líquido, este debe moverse fuera de la sala técnica:

• En aire, se utilizan sistemas de pasillos confinados para dirigir el aire caliente hacia las unidades de tratamiento de aire (CRAH/CRAC).

• En líquido, el circuito de baterías transporta el líquido caliente hacia un intercambiador de calor de placas.

• Expulsión del calor al exterior. El calor capturado a nivel de sala, se transfiere a un circuito (solución de agua con glicol o refrigerante) que lo transporta hacia otras unidades, las cuales expulsan finalmente el calor a nivel de edificio hacia el exterior. Para ello se utilizan:

• Enfriadoras o chillers. Son equipos que utilizan un ciclo de refrigeración por compresión de vapor (alto consumo energético). Son capaces de enfriar el fluido incluso cuando la temperatura exterior es alta, pero tienen un elevado consumo energético debido al funcionamiento de los compresores.

• Torres de refrigeración. Disipan el calor mediante la evaporación parcial del agua. Son muy eficientes térmicamente, pero requieren un consumo constante de agua dulce y un tratamiento riguroso para evitar problemas como la legionela.

• Free-cooling. El free-cooling es una estrategia de ahorro energético que aprovecha las condiciones climáticas favorables. Si la temperatura del aire exterior es suficientemente baja, se utiliza para enfriar el fluido del circuito directamente sin activar los compresores de las enfriadoras.

• Reutilización de calor. En lugar de expulsar el calor a la atmósfera, se emplea un intercambiador de calor para elevar la temperatura de un circuito externo. Este calor residual se inyecta en redes de calefacción urbana o procesos industriales. 

¿Cuáles son los tipos de refrigeración de centros de datos?

La elección de la tecnología depende principalmente de la densidad de potencia por rack y de los objetivos de eficiencia energética.

Refrigeración por aire acondicionado: el método tradicional

Es el sistema estándar basado en el transporte de calor mediante el movimiento de grandes volúmenes de aire. Utiliza dos tipos principales de unidades: tipo CRAC (Computer Room Air Conditioner) que son unidades que incluyen su propio compresor y ciclo de refrigeración por expansión directa, y tipo CRAH (Computer Room Air Handler) que son unidades que utilizan un serpentín de agua enfriada proveniente de una planta enfriadora externa.

La eficiencia de la refrigeración por aire acondicionado depende del confinamiento de pasillos (frío o caliente). Una estrategia diseñada para maximizar el gradiente térmico, evitar el bypass (aire frío que no llega a los servidores) o la recirculación (aire caliente que vuelve a la entrada de los equipos). Aunque tradicionalmente se apoya en suelos técnicos elevados para la distribución del aire, la tendencia actual en alta densidad también incluye distribuidores por techo o conductos directos.

Pero la refrigeración por aire presenta una barrera física. Y es que cuando la carga térmica supera los 15-20 kW por rack, la baja capacidad calorífica del aire exige caudales y velocidades tan elevados que el consumo de los ventiladores se dispara y el ruido supera los límites operativos. En este punto el aire ya no es capaz de extraer la densidad calorífica generada, lo que obliga a la transición hacia tecnologías de refrigeración líquida.

Refrigeración líquida: mayor eficiencia para alta densidad

Históricamente, un rack de servidores consumía entre 5-10 kW. En la actualidad, la IA y el HPC, supone que los racks superen los 50-100 kW o más. En este escenario el aire ya no es capaz de extraer ese calor de forma eficiente porque el calor generado supera la capacidad térmica del aire. Aquí es donde entra la refrigeración líquida, que puede transportar el calor de forma más eficaz que el aire. Y no sólo eso, además la refrigeración líquida es una herramienta necesaria para cumplir con el indicador FRE (Factor de Reutilización de la Energía) del centro de datos, ya que el agua transporta el calor a una temperatura más alta y constante que el aire, facilitando mucho su reutilización en redes de calefacción.

Por lo tanto, la refrigeración líquida tiene una mayor eficiencia para la alta densidad de calor permitiendo gestionar racks de más de 100 kW. Utiliza fluidos con una capacidad calorífica muy superior al aire. El agua, que es la base refrigerante en los sistemas de placa fría, tiene una capacidad calorífica específica cuatro veces mayor que la del aire por unidad de masa, pero gracias a su alta densidad, es capaz de transportar casi entre 3.500-4.000 veces más de calor que el aire por unidad de volumen. Incluso los fluidos dieléctricos utilizados en los sistemas de inmersión, aunque con una capacidad calorífica algo menor que el agua, superan en cientos de veces la eficiencia térmica del aire, permitiendo una refrigeración ultra compacta.

Estos son los tipos de refrigeración líquida:

• Enfriamiento directo al chip (DLC). Se utilizan placas frías con líquido circulante que se colocan directamente sobre los procesadores CPU o GPU. El líquido absorbe el calor y lo transporta fuera del servidor mediante tuberías. Permite densidades de hasta 80-100 kW por rack. En los sistemas de refrigeración líquida Direct-to-Chip, el líquido que circula por las tuberías suele ser agua desmineralizada con aditivos (glicol para evitar congelación y biocidas para evitar algas).

• Inmersión monofásica. Los servidores se sumergen completamente en un fluido dieléctrico (aceite sintético o mineral)  que no conduce electricidad. El fluido circula mediante bombas hacia un intercambiador de calor. El líquido no cambia de estado.

• Inmersión bifásica. Similar al anterior, pero utiliza fluidos con un punto de ebullición bajo. Es por ello que el fluido hierve al contacto con los componentes, convirtiéndose en vapor. Posteriormente dicho vapor condensa en una bobina superior, devolviendo el calor de forma extremadamente eficiente mediante el cambio de estado. Es el método más eficiente para densidades extremas. 

Refrigeración por aire vs. refrigeración líquida ¿Cuál es mejor?

En realidad, no existe una solución mejor que otra, sino una adecuada para cada carga térmica que deba gestionar el centro de datos. Mientras que la refrigeración por aire ha sido el estándar durante mucho tiempo, la refrigeración líquida en cambio, se ha convertido en una necesidad técnica para las nuevas infraestructuras que trabajan con IA y HPC.

Elegir una opción u otra depende de varios factores:

• La capacidad calorífica. La principal diferencia entre refrigeración por aire o líquida consiste en la física de los fluidos. El agua y los fluidos dieléctricos tienen una capacidad calorífica y una conductividad térmica muy superiores al aire:

• Refrigeración por aire. El aire es un aislante natural, que, para extraer grandes cantidades de calor, necesita mover grandes volúmenes de aire a gran velocidad. Esto supone el uso de ventiladores muy potentes y ruidosos que consumen una parte significativa de la energía del servidor.

• Refrigeración líquida. El líquido puede transportar el calor de forma mucho más eficiente que el aire. Esto permite retirar el calor de los procesadores de altísimo consumo con una infraestructura mucho más compacta.

• Eficiencia energética y sostenibilidad. Desde el punto de vista de la descarbonización digital, la refrigeración líquida es la opción más adecuada:

• Eliminación de ventiladores. La refrigeración líquida permite eliminar o reducir el uso de ventiladores de los servidores y de las unidades de aire de la sala, lo cual puede representar hasta el 10-15% del consumo energético del hardware.

• Temperatura de agua más alta. La refrigeración líquida permite trabajar con agua de entrada a temperaturas más elevadas (30-40°C), y seguir enfriando eficazmente. Esto facilita el uso del free-cooling durante casi todo el año, incluso en climas cálidos, reduciendo la dependencia de las enfriadoras.

• Densidad y aprovechamiento del espacio. El diseño del centro de datos está condicionado a la tecnología elegida:

• Con aire, es difícil superar los 15-20 kW por rack sin crear puntos calientes críticos. Con refrigeración líquida, es posible alcanzar densidades de 100 kW o incluso superiores en el mismo espacio físico.

• Huella de carbono y construcción. Al permitir racks más densos, el centro de datos puede ser más pequeño, para la misma potencia de cálculo, lo que reduce el impacto ambiental.

• Reutilización del calor. La refrigeración líquida devuelve el agua a temperaturas constantes y elevadas (50-60°C), lo que la hace perfecta para inyectarla directamente en redes de calefacción urbana o procesos industriales. 

¿Cómo afecta la refrigeración al consumo energético de tu centro de datos?

La refrigeración representa el mayor gasto energético, además del consumo asociado al funcionamiento de los equipos IT.  Según el Uptime Institute, los servicios auxiliares de climatización y soporte pueden llegar a consumir tanta energía como los propios servidores si la infraestructura no está optimizada.

• Impacto en el PUE (Power Usage Efectiveness, Eficacia en el Uso de la Energía). Un sistema de refrigeración ineficiente eleva el indicador PUE. Pasar de una refrigeración por aire tradicional a una líquida, puede reducir el consumo total de energía de centros de datos en un 20-30%. Esto sucede porque se elimina la necesidad de ventiladores internos en los servidores y grandes compresores en las enfriadoras.

• Ahorro mediante free-cooling. Los sistemas modernos permiten el uso de aire o agua exterior para enfriar, reduciendo el consumo de las enfriadoras (chillers) hasta un 80% durante los meses fríos.

¿Qué debes considerar antes de cambiar tu sistema de refrigeración?

Antes de migrar a nuevas tecnologías, especialmente la líquida, es fundamental realizar un estudio de viabilidad técnica, que incluya los siguientes aspectos:

• Compatibilidad del hardware. No todos los servidores están diseñados para ser sumergidos o admitir placas frías.
• Peso y estructura. Los sistemas de inmersión son mucho más pesados que los racks de aire. El suelo del centro de datos debe soportar esa carga.
• Habilidades técnicas. El mantenimiento de circuitos hidráulicos y fluidos dieléctricos requiere formación específica para el personal de operaciones.
• Reutilización de calor. Evaluar si la infraestructura permite conectar el sistema a una red de calor externa para cumplir con la Directiva (UE) 2023/1971 (Artículo 26.6)

Preguntas frecuentes sobre refrigeración del centro de datos 

¿Qué sistemas de refrigeración existen para un centro de datos?

Existen dos tipos de refrigeración basadas en el fluido caloportador utilizado:  refrigeración por aire y refrigeración por líquido. Lo sistemas de refrigeración por aire utilizan unidades CRAC (expansión directa) o CRAH (agua enfriada). Los sistemas de refrigeración por líquido incluyen el enfriamiento directo al chip mediante placas frías y la inmersión, monofásica o bifásica, donde el hardware se sumerge en líquidos dieléctricos. La refrigeración líquida elimina la dependencia de ventiladores de los servidores, que consumen energía y producen ruido.

¿Cuál es la diferencia entre refrigeración por aire y refrigeración líquida?

La diferencia fundamental entre ambos tipos de refrigeración consiste en cómo gestionan el calor a medida que aumenta la carga informática. Mientras que la refrigeración por aire requiere mover volúmenes de aire cada vez mayores y a velocidades más altas conforme aumenta la densidad de calor, la refrigeración líquida, utiliza fluidos densos que permiten retirar el calor de forma ultracompacta y eficiente.

Principales diferencias:

• Eficiencia en el transporte térmico. El agua y los fluidos dieléctricos poseen una capacidad calorífica volumétrica hasta 4.000 veces superior a la del aire. Es por ello que la refrigeración líquida permite extraer más calor en menos espacio, sin necesidad de ventiladores que consumen energía y son ruidosos.
• Gestión de la densidad de calor por rack. La refrigeración por aire tiene un límite físico operativo cercano a los 15-20 kW por rack. La refrigeración líquida en cambio gestiona con facilidad racks de 100 kW o más, factor imprescindible para la computación de alto rendimiento (HPC) y la IA.
• Reutilización del calor expulsado. El aire caliente expulsado hacia el exterior en los sistemas de refrigeración por aire, es de baja calidad térmica y difícil de reutilizar. En cambio, la refrigeración líquida captura el calor residual a temperaturas elevadas facilitando su integración en redes de calefacción urbana o procesos industriales.

¿Cuándo conviene usar refrigeración líquida en un data center?

La refrigeración líquida es recomendable en los siguientes escenarios, pudiendo llegar a ser incluso obligatoria:

• Alta densidad. Si la potencia por rack supera los 15-20 kW. Cuando se llega a este umbral el aire ya no es capaz de extraer el calor.
• Cargas IA y HPC. Para servidores de alto consumo (entre 700-1000 W por chip).
• Proyectos de economía circular. Cuando se requiere cumplir con la Directiva (UE) 2023/1791, ya que la refrigeración líquida permite recuperar calor a alta temperatura para su integración en redes de calefacción urbana y procesos industriales.
• Espacio limitado. Cuando se necesita maximizar la potencia de cómputo en una superficie reducida.

¿Cómo afecta la refrigeración al consumo energético del centro de datos?

La refrigeración es el principal consumidor de energía después de la carga IT, por lo que un diseño ineficiente penaliza directamente el PUE (Eficacia en el uso de la Energía). La transición a la refrigeración líquida, permite reducir el consumo total del centro de datos entre un 20-30%. Este ahorro se consigue al eliminar ventiladores y reducir el uso de compresores. Además, los sistemas líquidos permiten trabajar con temperaturas de retorno más elevadas, lo cual facilita el uso del free-cooling durante un mayor número de horas al año. Esta ventaja permite reducir la dependencia de los compresores de las enfriadoras y el consumo de agua de las torres de refrigeración.