La refrigeración es, junto con los sistemas de alimentación ininterrumpida, el pilar sobre el que descansa la disponibilidad de un data center. Los equipos IT generan calor como consecuencia inevitable de su funcionamiento: un servidor de 500 W disipa exactamente 500 W de calor en el aire del sala. La misión del sistema de refrigeración es extraer ese calor de la sala del data center con suficiente eficiencia para mantener las temperaturas dentro de los rangos que garantizan la vida útil y el rendimiento de los equipos.
La elección de la tecnología de refrigeración es una de las decisiones de diseño más importantes en un data center, con implicaciones que se extienden durante 15-20 años —la vida útil típica de la instalación— en términos de disponibilidad, eficiencia energética, coste de mantenimiento y capacidad de escalar. Este artículo examina en profundidad las principales tecnologías disponibles, sus fundamentos técnicos, sus ventajas y limitaciones, y los criterios para seleccionar la adecuada según el contexto.
Fundamentos físicos: el ciclo del calor en un data center
De la electricidad al calor
Todo equipo IT convierte prácticamente el 100% de la energía eléctrica que consume en calor. No hay "energía útil" que se lleve el producto (a diferencia de un motor que mueve algo, o una lámpara que ilumina): en un servidor, toda la electricidad que entra termina siendo calor que sale. Este calor se disipa en el aire de la sala a través de los ventiladores del equipo, que fuerzan el paso de aire a través de los componentes activos (procesadores, memoria, discos, fuentes de alimentación).
El calor generado se cuantifica en vatios (W) o kilovatios (kW). La suma de todos los equipos IT del data center es la carga de refrigeración, que el sistema de climatización debe ser capaz de extraer de forma continua. A esta carga se añaden las ganancias de calor del entorno: calor de los propios equipos de refrigeración (los compresores también consumen energía y generan calor), conducción a través de paredes y techos, y calor aportado por las personas presentes en la sala.
Temperatura de suministro y temperatura de retorno
Los sistemas de refrigeración trabajan suministrando aire frío que absorbe el calor de los equipos y retorna como aire caliente. La diferencia entre la temperatura de suministro (supply air temperature) y la temperatura de retorno (return air temperature) se llama delta T del sistema de refrigeración.
Un delta T mayor es generalmente más eficiente: significa que el mismo caudal de aire está extrayendo más calor, lo que reduce el caudal de aire necesario y el consumo de los ventiladores. ASHRAE TC9.9 define rangos de temperatura admisibles para equipos IT:
- Clase A1: temperatura de suministro 15-32 °C (equipos de alta disponibilidad tradicionales)
- Clase A2: temperatura de suministro 10-35 °C (la más común en equipos modernos)
- Clase A3: temperatura de suministro 5-40 °C (equipos diseñados para entornos de mayor temperatura)
Los estándares ASHRAE más recientes (2021) han elevado progresivamente los límites superiores de temperatura recomendada, permitiendo diseños con temperatura de suministro de 27 °C en lugar de los 18-20 °C del diseño convencional. Esto tiene un impacto directo y muy significativo en la eficiencia de los sistemas de refrigeración, especialmente en los que utilizan free cooling.
Tecnología 1: Sistemas de expansión directa (DX)
Principio de funcionamiento
Los sistemas de expansión directa (Direct Expansion, DX) son los más ampliamente desplegados en data centers de mediana escala. Funcionan mediante un ciclo de compresión de vapor: el refrigerante absorbe el calor del aire del data center en el evaporador (ubicado en la unidad de climatización), se comprime, cede ese calor al exterior a través del condensador (ubicado en el exterior del edificio), y vuelve a expandirse para repetir el ciclo.
El elemento central de un sistema DX es el compresor, que consume energía eléctrica para forzar el ciclo termodinámico. La eficiencia del compresor se mide mediante el COP (Coefficient of Performance): la relación entre el calor extraído del data center y la energía eléctrica consumida por el compresor.
COP típico de sistemas DX en data center: entre 2,5 y 4,5 dependiendo de la temperatura exterior, la eficiencia del compresor (inverter vs. velocidad fija) y la temperatura de suministro de aire. En invierno, con temperaturas exteriores bajas, el COP puede superar 5. En verano en Madrid o Sevilla, con temperaturas exteriores de 38-42 °C, el COP puede caer a 2-2,5.
CRAC: Computer Room Air Conditioner
El CRAC (Computer Room Air Conditioner) es la implementación más tradicional de la refrigeración DX en data centers. Es una unidad autónoma, con compresor propio, condensador exterior y evaporador interior, diseñada para colocarse en la sala del data center. El CRAC toma el aire caliente de la sala, lo enfría en el evaporador y lo impulsa de vuelta a la sala como aire frío.
Disposición en sala: los CRACs se colocan típicamente en el perímetro de la sala, bajo el suelo técnico elevado. El aire frío se suministra por el suelo técnico y es distribuido a los racks por las baldosas perforadas. El aire caliente retorna al CRAC por la parte superior de la sala.
Limitaciones de la distribución bajo suelo técnico: este método de distribución es funcional a bajas densidades (2-4 kW por rack), pero se vuelve problemático en densidades superiores. El suelo técnico tiene una resistencia hidráulica al paso del aire: a medida que aumenta la carga y el caudal de aire necesario, las pérdidas de presión aumentan cuadráticamente. A densidades de 8-10 kW por rack, los sistemas de suelo técnico requieren alturas de suelo elevadas (600-900 mm) y una gran cantidad de unidades CRACs para mantener la presión estática necesaria.
Liebert DSE (liebert-dse-24kw, liebert-dse-35kw, liebert-dse-50kw): la familia DSE de Vertiv es un CRAC de precisión de expansión directa con tecnología Econophase. Una de sus características diferenciales es la capacidad de free cooling por enfriamiento evaporativo del refrigerante cuando las temperaturas exteriores lo permiten, lo que eleva el COP efectivo anual significativamente. En el clima español, con temperaturas exteriores inferiores a 20 °C durante varios meses, el DSE puede operar gran parte del año con free cooling parcial o total.
| Modelo | Capacidad | Conexión eléctrica | Configuración | |--------|-----------|-------------------|---------------| | Liebert DSE 24 kW | 24 kW | 400 V trifásico | Suministro por arriba o abajo | | Liebert DSE 35 kW | 35 kW | 400 V trifásico | Suministro por arriba o abajo | | Liebert DSE 50 kW | 50 kW | 400 V trifásico | Suministro por arriba o abajo |
Tecnología 2: Sistemas de agua helada (chilled water)
Principio de funcionamiento
En un sistema de agua helada (chilled water), la refrigeración se divide entre dos circuitos independientes:
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Circuito de agua helada: una planta enfriadora (chiller) produce agua a 6-12 °C, que se distribuye por tuberías por todo el data center. Las unidades manejadoras de aire (CRAH, Computer Room Air Handler) hacen pasar el aire del data center por una batería de tubos de agua helada, enfriando el aire sin necesidad de un compresor en cada unidad.
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Circuito de rechazo de calor: el chiller rechaza el calor al exterior a través de una torre de refrigeración o condensador evaporativo, o mediante un condensador de aire en el exterior.
Ventajas sobre DX en data centers de gran escala
Separación del compresor: en un sistema DX, el compresor está integrado en (o muy cerca de) la unidad de climatización dentro del data center. En un sistema chilled water, el chiller está fuera del edificio del data center (en la cubierta o en un edificio técnico), y solo hay agua fría dentro del CPD. Esto simplifica el mantenimiento del interior, reduce el ruido y la vibración en la sala, y elimina el refrigerante del interior del data center (reduciendo riesgos de incendio y cumplimiento con la regulación F-gas).
Escalabilidad: añadir capacidad de refrigeración en un sistema chilled water es relativamente sencillo: se añaden unidades CRAH al data center y, si es necesario, capacidad adicional de chiller. No es necesario instalar circuitos de refrigerante adicionales en el interior.
Eficiencia con free cooling: los sistemas chilled water son especialmente eficientes con free cooling (economizer). Cuando la temperatura exterior es suficientemente baja, el chiller puede desconectarse y el agua se enfría directamente en una torre de refrigeración, con un consumo energético mínimo (solo los ventiladores de la torre). En el clima de España, con temperaturas exteriores medias anuales de 12-15 °C en la meseta norte, los sistemas chilled water pueden operar en free cooling durante el 40-60% de las horas del año.
Liebert PCW (liebert-pcw-30kw, liebert-pcw-50kw): la familia PCW (Precision Chilled Water) de Vertiv es un CRAH de alta eficiencia para sistemas de agua helada. Con capacidades de 30 y 50 kW, soporta suministro de agua helada entre 6 y 18 °C y temperatura de retorno hasta 24 °C. La posibilidad de trabajar con agua a mayor temperatura (high-temperature chilled water) amplía significativamente las horas de free cooling disponibles en el ciclo anual.
Limitaciones y complejidad de la planta de agua helada
Los sistemas chilled water tienen mayor complejidad de infraestructura que los DX: requieren chillers, torres de refrigeración, bombas de circulación, tuberías y válvulas. El coste de instalación es mayor, el espacio requerido para la planta exterior es significativo, y el mantenimiento es más complejo (tratamiento del agua, mantenimiento de torres de refrigeración, control de legionella).
En data centers de hasta 500-800 kW de carga IT, los sistemas DX suelen ser más económicos en términos de inversión inicial. Por encima de 1-2 MW, los sistemas chilled water ofrecen ventajas en eficiencia y TCO que justifican la mayor inversión inicial.
Tecnología 3: Refrigeración in-row (CRV)
El concepto de refrigeración de proximidad
La refrigeración in-row (in-row cooling) representa un cambio de paradigma respecto a los enfoques perimetrales o bajo suelo técnico: en lugar de distribuir aire frío por toda la sala y confiar en que llegue a los racks calientes, las unidades de refrigeración in-row se colocan físicamente entre los racks, a centímetros de los equipos que deben refrigerar.
Esto permite capturar el calor en el punto de generación, antes de que se mezcle con el aire del resto de la sala. El resultado es un delta T mucho mayor entre el aire que sale del rack (que puede estar a 40-45 °C en un rack de alta densidad) y el aire que suministra la unidad in-row (que puede estar a 18-22 °C), maximizando la eficiencia de la transferencia de calor.
Arquitectura típica de un sistema in-row
Una instalación in-row típica consiste en filas de racks organizadas en pasillo frío/pasillo caliente (ver el artículo sobre contención de pasillos). Las unidades in-row se insertan en la fila de racks, con la entrada de aire en el pasillo caliente (trasero de los racks) y la salida de aire frío en el pasillo frío (frontal de los racks).
Las unidades in-row pueden ser DX o de agua: las DX tienen compresor propio y condensador exterior, mientras que las de agua (como el Liebert CRV) reciben agua helada de una planta centralizad y actúan como CRAH de proximidad.
Ventajas clave:
- Refrigeración efectiva hasta 30-50 kW por rack sin problema
- Reducción de la mezcla de aire frío y caliente (bypass air y recirculación reducidos)
- Menor caudal de aire total necesario, lo que reduce el consumo de ventiladores
- Escalabilidad lineal: se añaden unidades in-row a medida que se añaden racks
Liebert CRV (liebert-crv-25kw, liebert-crv-35kw, liebert-crv-40kw): la familia CRV (Computer Room Variable) de Vertiv es una unidad in-row de agua de alta eficiencia. Con capacidades de 25, 35 y 40 kW, la CRV ocupa 6U en una posición dentro de la fila de racks o puede instalarse como unidad independiente entre dos filas de racks. La CRV incluye tecnología de variador de velocidad en los ventiladores, lo que permite ajustar el caudal de aire exactamente a la demanda de refrigeración, reduciendo el consumo en periodos de baja carga.
| Modelo | Capacidad | Ancho | Configuración | |--------|-----------|-------|---------------| | Liebert CRV 25 kW | 25 kW | 600 mm | In-row horizontal | | Liebert CRV 35 kW | 35 kW | 600 mm | In-row horizontal | | Liebert CRV 40 kW | 40 kW | 600 mm | In-row horizontal |
Cuándo elegir in-row frente a perimetral
La refrigeración in-row es la tecnología adecuada cuando:
- La densidad media de rack supera los 8-10 kW por rack
- Existen racks de muy alta densidad (15-25 kW) localizados en zonas específicas
- El data center existente con refrigeración perimetral no puede ampliar capacidad de refrigeración (sin espacio para nuevas unidades perimetrales, sin capacidad de aumento de caudal de suelo técnico)
- Se construye un nuevo CPD de alta densidad desde cero con arquitectura pasillo frío/caliente contenida
La refrigeración in-row tiene sentido económico a partir de una cierta escala: las unidades in-row tienen un coste por kW de refrigeración superior al de las unidades perimetrales de gran tamaño, y la complejidad de la instalación (más conexiones de agua, más unidades que gestionar) es mayor. Para data centers de baja densidad (2-5 kW por rack), los sistemas perimetrales son generalmente más económicos y suficientes.
Comparativa de tecnologías: tabla de selección
| Criterio | CRAC DX perimetral | CRAH agua helada | CRV in-row | |----------|--------------------|-----------------|------------| | Rango de densidad | 2-8 kW/rack | 2-20 kW/rack | 8-50 kW/rack | | Escala del CPD | 50-1.000 kW | 200 kW - varios MW | Cualquier escala | | Complejidad instalación | Media | Alta | Media-Alta | | Free cooling | Sí (con Econophase) | Sí (alto potencial) | Sí (con agua) | | PUE típico | 1,4-1,7 | 1,2-1,5 | 1,2-1,4 | | Inversión inicial | Media | Alta | Media-Alta | | Mantenimiento | Medio | Alto | Medio | | Distribución aire | Bajo suelo/techo | Bajo suelo/techo | Pasillo directo |
Redundancia en sistemas de refrigeración
Configuraciones N+1 y 2N
Al igual que los sistemas eléctricos, los sistemas de refrigeración deben diseñarse con redundancia adecuada al nivel Tier objetivo:
N+1: N unidades de refrigeración activas más 1 de reserva. Si cualquier unidad activa falla, la unidad de reserva asume su carga automáticamente. Adecuado para Tier II/III. En la práctica, con N unidades al 75% de capacidad (para que la unidad de reserva pueda absorber la carga de cualquiera que falle), el sistema tiene un 25% de margen operativo.
2N: dos sistemas de refrigeración completamente independientes, cada uno capaz de refrigerar el 100% de la carga IT por sí solo. Adecuado para Tier IV. Coste significativamente mayor pero garantía de que ningún fallo único (incluyendo el mantenimiento de un sistema completo) afecta a la disponibilidad.
Redundancia en sistemas in-row
En instalaciones in-row, la redundancia se implementa de forma diferente: en lugar de tener unidades de "reserva", se sobredimensionan todas las unidades de la fila para que, si una falla, las adyacentes puedan absorber su carga. Esto requiere que las unidades in-row tengan cierto margen de capacidad en operación normal y que el sistema de control de velocidad de ventiladores aumente automáticamente cuando detecta la falta de una unidad.
Free cooling: maximizando la eficiencia en el clima español
El potencial del free cooling en España
España tiene un clima con una diferencia significativa entre el norte y el sur, pero incluso en las zonas más cálidas existe un potencial considerable para el free cooling en los meses de otoño, invierno y primavera. Para un data center cuya temperatura de suministro de aire es de 20 °C:
- Madrid: temperatura exterior inferior a 20 °C durante aproximadamente 5.000 horas/año (57% del tiempo anual)
- Bilbao: temperatura exterior inferior a 20 °C durante más de 6.500 horas/año (74% del tiempo)
- Sevilla: temperatura exterior inferior a 20 °C durante aproximadamente 4.500 horas/año (51% del tiempo)
Si el diseño del sistema de refrigeración permite elevar la temperatura de suministro a 24-27 °C (lo que es posible si los equipos IT son de clase A2/A3 y la contención de pasillos está bien implementada), el porcentaje de horas con free cooling aumenta sustancialmente.
Implementación de free cooling en sistemas DX: Econophase
El sistema Econophase de Vertiv, implementado en la familia Liebert DSE, es una tecnología de free cooling para sistemas DX que funciona mediante un circuito de refrigerante secundario. Cuando la temperatura exterior es suficientemente baja, el condensador exterior puede enfriar el refrigerante sin necesidad de comprimir: la diferencia de temperatura entre el exterior y el interior es suficiente para que el calor fluya del refrigerante al exterior de forma natural. El compresor se desconecta parcial o totalmente, reduciendo el consumo eléctrico en el 50-80%.
Consideraciones de ruido y vibración
Los sistemas de refrigeración de precisión generan ruido y vibración que pueden ser relevantes en instalaciones donde el data center está cerca de espacios de trabajo:
- CRACs DX perimetrales: los compresores generan ruido de baja frecuencia (60-80 dB A) y vibración. La instalación requiere bancadas antivibratorias.
- CRAHs de agua helada: sin compresores en el interior del data center, el ruido se reduce a los ventiladores (50-65 dB A). Los chillers exteriores pueden generar ruido significativo.
- Unidades in-row CRV: compactas y con ventiladores de baja velocidad, generan el menor nivel de ruido de las tres tecnologías cuando operan sin carga de pico.
Preguntas frecuentes
¿Cuántas unidades de refrigeración necesita mi data center?
El dimensionamiento depende de la carga IT total (en kW), el margen de seguridad deseado, la configuración de redundancia (N+1 o 2N) y la capacidad de cada unidad. Como regla básica, se recomienda no superar el 60-70% de la capacidad nominal de cada unidad en condiciones de diseño (máxima carga, máxima temperatura exterior), dejando margen para la redundancia y el crecimiento. El equipo de Ionia Energy puede realizar el dimensionamiento detallado partiendo de los planos del CPD y la hoja de cargas IT prevista.
¿Puede una unidad CRAC perimetral refrigerar racks de 20 kW?
Técnicamente sí, si se instalan suficientes unidades y el diseño de distribución de aire es adecuado. El problema es económico y de eficiencia: para refrigerar racks de 20 kW con distribución perimetral bajo suelo técnico, se necesita una altura de suelo técnico elevada, un caudal de aire muy alto (lo que implica gran número de unidades y alto consumo de ventiladores) y una disposición de sala que minimice la distancia entre el suelo y los racks. En la práctica, para racks superiores a 10-12 kW es más eficiente y económico utilizar refrigeración in-row.
¿Cuánto consume el sistema de refrigeración en relación con la carga IT?
En un data center con refrigeración convencional (CRAC DX sin free cooling), el sistema de refrigeración consume entre el 30-50% de la carga IT. Es decir, un data center con 500 kW de carga IT necesita 150-250 kW solo para refrigeración. Con un diseño optimizado (free cooling, contención de pasillos, temperatura de suministro elevada), este porcentaje puede reducirse al 15-25%, lo que supone una reducción del PUE de 1,5-1,7 a 1,2-1,3.
¿Qué diferencia hay entre un CRAC y un CRAH?
Un CRAC (Computer Room Air Conditioner) incorpora su propio ciclo de refrigeración por expansión directa (compresor, condensador, válvula de expansión y evaporador). Es autónomo: solo necesita conexión eléctrica y tuberías de refrigerante al condensador exterior. Un CRAH (Computer Room Air Handler) no tiene ciclo de refrigeración propio: simplemente hace pasar el aire del data center por una batería de agua helada que recibe de una planta enfriadora (chiller) externa. El CRAH es más simple y eficiente, pero requiere la infraestructura de agua helada.
¿Es posible ampliar la capacidad de refrigeración de un data center existente sin obras importantes?
Sí. La solución más habitual para ampliar capacidad de forma rápida en un data center existente es la instalación de unidades in-row entre los racks, que no requieren modificaciones en el suelo técnico y pueden conectarse a circuitos de agua existentes o a nuevas unidades condensadoras exteriores. Esta es también la solución preferida cuando se instalan nuevos racks de alta densidad en un CPD con refrigeración perimetral que no puede atender esa densidad.