encadenamiento de temperaturas

El encadenamiento de temperatura puede significar encadenamiento o cascada de temperatura, térmica o energética. ^{[ 1 ]}

El encadenamiento de temperaturas se ha presentado como un nuevo concepto en Datacentre Transformation ^{[ 2 ]} en Manchester por la empresa Asperitas ^{[ 3 ]} como parte de una visión sobre un Centro de Datos del Futuro. ^{[ 4 ]} Es un método para transformar el consumo eléctrico en centros de datos en calor utilizable. El concepto se basa en crear grandes diferencias de temperatura en un circuito de refrigeración por agua en un centro de datos . La premisa es que cada sistema en un centro de datos puede equiparse con una infraestructura de agua compartida que se divide en múltiples etapas con diferentes temperaturas. Las diferentes temperaturas se logran configurando diferentes tecnologías de refrigeración líquida con diferentes tolerancias de temperatura en una configuración de refrigeración en serie en lugar de un único circuito paralelo. Esto crea grandes diferencias de temperatura con un bajo volumen de agua. Esto da como resultado un entorno de centro de datos capaz de suministrar agua a temperatura constante a un reusuario, transformando así la instalación de un consumidor de energía eléctrica en un productor de energía térmica.

La sincronización de temperatura o energía se aplica en sistemas de calefacción donde los diseños hidráulicos permiten bucles de retorno y calentadores en serie. ^{[ 5 ]}

El principio de encadenamiento de temperaturas también se utiliza en sistemas de refrigeración que adoptan circuitos en cascada. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

La Junta Económica de Ámsterdam ha presentado la cuarta generación de redes de calefacción urbana que adoptarán la cascada térmica para aumentar la flexibilidad y garantizar la sostenibilidad de las redes urbanas a largo plazo. ^{[ 8 ]}

En los centros de datos, el enfoque tradicional para la carga crítica de TI es la refrigeración. El encadenamiento de temperaturas se basa en la premisa de que la TI es una fuente de calor. Para aprovechar este calor, se utiliza refrigeración líquida , lo que permite la aplicación de diseños de calefacción hidráulica ^{[ 5 ]} al centro de datos.

La introducción de agua en el espacio disponible del centro de datos resulta más beneficiosa en una configuración diseñada específicamente para ello. Esto implica que el diseño del centro de datos debe centrarse en absorber toda la energía térmica mediante el agua. Esto requiere un entorno híbrido donde coexistan diferentes tecnologías basadas en líquidos para ofrecer la gama completa de servicios de centro de datos y plataforma, independientemente del tipo de centro de datos.

La adopción de sistemas de TI refrigerados por líquido en los centros de datos permite una utilización más eficaz o una reducción del espacio físico necesario. Esto significa que una instalación existente puede aprovecharse mejor para dar cabida a más infraestructura de TI.

La mayor capacidad calorífica de los líquidos permite entornos de TI más densos y una mayor capacidad de TI. Con la mayoría de las tecnologías líquidas, la propia TI se vuelve más eficiente. Esto se debe a la menor o nula dependencia de la ventilación dentro del chasis de TI. Los componentes individuales se enfrían de forma más eficaz y, por lo tanto, pueden utilizarse con mayor cantidad de energía y estar más cerca unos de otros. Cuando el líquido penetra en el espacio de TI, los ventiladores internos se reducen o se eliminan por completo, lo que ahorra energía. Esto también reduce los requisitos de alimentación de emergencia en las instalaciones.

Las tecnologías de refrigeración líquida se pueden dividir a grandes rasgos en cuatro categorías diferentes: refrigeración a nivel de sala, de rack o de chip, e inmersión.

Los sistemas de aire acondicionado o unidades de tratamiento de aire para salas de ordenadores (CRAC/CRAH) pueden refrigerarse por agua.

La refrigeración líquida indirecta (ILC) ^{[ 9 ]} utiliza racks refrigerados por agua con intercambiadores de calor en fila o con puertas traseras activas, también refrigerados por agua. La ventaja de las puertas traseras activas es que todo el calor de los equipos de TI refrigerados por aire es absorbido inmediatamente por el circuito de agua al salir del rack, lo que elimina la necesidad de unidades CRAC, incluso en implementaciones parciales de ILC. Esto hace que los sistemas de refrigeración sean muy eficientes y, además, contribuye a una eficiencia limitada de los propios equipos de TI al facilitar la ventilación.

La refrigeración líquida directa (DLC) ^{[ 10 ]} enfría eficazmente partes de la infraestructura de TI mediante refrigeradores diseñados específicamente que combinan placas frías y bombas montadas directamente sobre los chips, en lugar de un disipador de calor tradicional . Esto genera eficiencia energética en la infraestructura de TI debido a la reducción del consumo de energía de los ventiladores. Si bien el circuito de agua captura todo el calor de las principales fuentes de calor dentro del chasis, este enfoque aún puede requerir unidades CRAC o combinaciones con ILC para disipar la energía térmica del resto de los componentes de TI.

La refrigeración líquida total (TLC) ^{[ 11 ]} sumerge completamente los componentes de TI en líquido. La pérdida de energía es mínima y los equipos de TI alcanzan una alta eficiencia energética, eliminando el consumo de energía cinética (ventiladores). Dado que el agua conduce la electricidad, se requiere una sustancia dieléctrica intermedia que exige la transferencia de calor por convección o forzada. Este dieléctrico puede ser de base oleosa o química. Con este enfoque, se maximizan las ventajas en infraestructura y consumo energético, y se optimiza por completo el consumo de energía.

Dado que no existe una solución universal, cualquier plataforma debe diseñarse con la tecnología óptima para sus diferentes componentes. Por lo tanto, cada parte de la plataforma debe configurarse con una combinación de tecnologías optimizadas. Por ejemplo, los entornos de almacenamiento son los menos adecuados para la refrigeración directa por líquido debido a su baja producción de energía y a la dependencia de piezas móviles. Estos se pueden instalar en racks refrigerados por agua. Los grandes volúmenes de servidores que requieren un mantenimiento mínimo se ubican mejor en un entorno de refrigeración líquida total. Los diversos sistemas de servidores especializados que requieren acceso físico constante se ubican mejor en entornos de refrigeración líquida directa.

Un requisito previo para que cada tecnología pueda aplicarse en un escenario de encadenamiento de temperaturas es un cierto nivel de control (mediante PLC ) sobre su propia infraestructura de refrigeración y compatibilidad en cuanto a conexiones y compatibilidad de líquidos.

Al adoptar un modelo híbrido, los sistemas pueden conectarse a diferentes partes de un circuito de refrigeración con distintas temperaturas. Cada tecnología de refrigeración líquida tiene diferentes tolerancias de temperatura. Especialmente donde el líquido penetra en el chasis, la estabilidad de la temperatura deja de ser una preocupación. Por lo tanto, las diferentes tecnologías pueden configurarse en un orden de tolerancia optimizado para permitir un aumento gradual de la temperatura dentro del circuito de refrigeración.

Esto implica que la infraestructura hídrica se segmenta. En lugar de alimentar cada sistema de refrigeración en una infraestructura paralela, las entradas de las distintas tecnologías o partes de la infraestructura se conectan al circuito de retorno de otra parte de la misma. En esencia, la salida de un rack refrigerado por líquido no debe dirigirse a una instalación de refrigeración, sino a un entorno de refrigeración líquida diferente. Al encadenar los circuitos de líquido segmentados en entornos más grandes, se pueden alcanzar temperaturas de retorno muy elevadas, lo que permite la reutilización práctica y eficaz de la energía térmica y reduce las inversiones necesarias para que la reutilización del calor a gran escala sea una opción viable.

Las distintas tecnologías líquidas pueden aplicarse a diferentes niveles de temperatura. Existe una diferencia entre los entornos optimizados habituales y los entornos más extremos, donde las soluciones y los equipos informáticos son más compatibles o están especializados para operar a altas temperaturas.

La interconexión de temperaturas líquidas se puede implementar mediante la adopción de circuitos de refrigeración intermedios con diferentes rangos de temperatura. Los entornos segmentados se pueden conectar con circuitos de suministro y retorno, válvulas mezcladoras y depósitos de almacenamiento para estabilizar y optimizar las temperaturas y los volúmenes de retorno de cada segmento.

Una de las principales ventajas de esta estrategia es que permite aumentar drásticamente las diferencias de temperatura (dT) dentro de un circuito de refrigeración. Esto reduce el volumen de líquido necesario en una instalación y disminuye la cantidad de equipos de refrigeración instalados.

Al fin y al cabo, es mucho más eficiente enfriar una gran diferencia de temperatura (dT) en un pequeño volumen de agua que una pequeña diferencia de temperatura (dT) en un gran volumen de agua.

Este ejemplo solo ofrece una visión general de las infraestructuras de líquidos optimizadas para explicar los conceptos de encadenamiento de temperaturas y cómo las diferentes tecnologías de líquidos pueden integrarse en este concepto. Para simplificar, no se describen escenarios redundantes. No se detallan los circuitos de retorno, los tanques de almacenamiento ni las bombas intermedias para gestionar los aspectos volumétricos y de presión en las diferentes etapas.

La infraestructura de reutilización de calor en circuito abierto es, con diferencia, la más sostenible. En este sistema, el centro de datos recibe agua a una temperatura determinada y todo el calor generado por los equipos informáticos se transfiere a otro usuario mediante este circuito de agua. Esto significa que la instalación no solo disipa el calor, sino también el agua que lo contiene, permitiendo que un tercero transporte y utilice el líquido caliente. Esto elimina por completo la necesidad de sistemas de refrigeración y el centro de datos funciona, en la práctica, como un gran calentador de agua. El agua entra al centro de datos y sale a altas temperaturas.

En esta configuración, los bastidores ILC funcionan eficazmente como unidades de tratamiento de aire que mantienen la temperatura de toda la sala y absorben todas las fugas de energía térmica de los entornos DLC y TLC.

En instalaciones de menor tamaño, el control de temperatura en cadena se puede lograr creando un pequeño circuito de agua con una válvula mezcladora y un depósito de compensación. Esto permite redirigir la salida del sistema de refrigeración líquida a la entrada de refrigeración para aumentar gradualmente la temperatura del circuito y alcanzar una temperatura de salida alta y constante. Si bien este método no es el de múltiples etapas, es una práctica común y de eficacia comprobada para lograr temperaturas de entrada o salida constantes.

La ventaja de este enfoque radica en su compatibilidad con temperaturas de entrada variables, algo habitual en las instalaciones de refrigeración en seco.