Os sistemas de refrigeração dos centros de dados

A problemática da refrigeração dos centros de dados

A refrigeração dos centros de dados é um desafio estratégico, que influencia diretamente a sua eficiência energética, a sua fiabilidade e o seu impacto ambiental.

Uma gestão térmica otimizada permite evitar o sobreaquecimento dos equipamentos informáticos, reduzir o consumo de energia e minimizar os riscos de interrupções. Enquanto especialistas em mecânica dos fluidos, combinamos simulação CFD, análise energética e otimização dos fluxos térmicos para acompanhar os exploradores rumo a soluções de refrigeração eficientes e duráveis.

Produção de calor pelos equipamentos informáticos

Os centros de dados albergam uma multiplicidade de servidores e equipamentos que funcionam em contínuo; esta atividade incessante gera uma quantidade significativa de calor. Cada componente eletrónico, processadores, módulos de memória, unidades de armazenamento, produz calor durante o seu funcionamento, resultado das perdas energéticas inerentes ao cálculo e ao tratamento dos dados.

A densidade de potência nos centros de dados modernos pode atingir vários quilowatts por metro quadrado. Segundo um estudo, os centros de dados consomem até 50 vezes mais energia por unidade de superfície do que um edifício comercial padrão. Em 2017, o seu consumo representava 19 % do consumo mundial do setor digital, um consumo que se traduz diretamente por uma emissão de calor proporcional.

As consequências de uma má gestão térmica

Os objetivos de um sistema de refrigeração eficaz

A gestão térmica dos centros de dados é, portanto, um desafio crucial que influencia diretamente o seu desempenho, a sua durabilidade e o seu impacto ambiental. A implementação de sistemas adaptados e eficazes é indispensável face à densidade energética crescente das infraestruturas digitais.

Princípios fundamentais da refrigeração

A necessidade de uma refrigeração adequada

Os centros de dados são infraestruturas essenciais ao armazenamento e ao tratamento dos dados digitais. O seu funcionamento contínuo gera uma quantidade significativa de calor, principalmente devida à densidade elevada de equipamentos. Uma gestão térmica eficaz é crucial para o desempenho, a fiabilidade e a longevidade destes equipamentos.

Mecanismos de transferência térmica

Organização dos fluxos de ar: corredores quentes e frios

Uma estratégia corrente consiste em organizar a sala em corredores quentes e frios para separar os fluxos e prevenir a sua mistura, melhorando a eficiência da refrigeração.

Ao alternar e confinar estes corredores com barreiras físicas, limita-se a mistura dos fluxos de ar: isto mantém temperaturas mais baixas à entrada dos servidores e reduz a carga sobre os sistemas de climatização. A utilização de pavimentos sobrelevados com placas perfuradas facilita a distribuição uniforme do ar fresco.

Diferencial de pressão entre corredores: uma causa maior de pontos quentes

Para além da simples separação dos fluxos, é o equilíbrio das pressões entre o corredor frio e o corredor quente que condiciona realmente a eficácia da refrigeração. O ar circula sempre da zona de alta pressão para a zona de baixa pressão: para que cada servidor seja corretamente alimentado, o corredor frio deve manter-se em ligeira sobrepressão face ao corredor quente, da ordem de alguns pascais. Esta sobrepressão garante que o ar fresco atravessa bem os bastidores em vez de os contornar.

Quando este diferencial se degrada, caudal das unidades CRAC/CRAH mal repartido, plénum subpressurizado, placas perfuradas mal posicionadas ou bastidores parcialmente vazios sem placas de obturação, surgem dois fenómenos. O bypass: o ar frio junta-se diretamente ao corredor quente sem arrefecer os servidores, desperdiçando energia. A recirculação: pelo contrário, o ar quente reflui por cima ou à volta dos bastidores para as entradas de ar, no topo das baias sobretudo, ali onde a pressão de alimentação é mais fraca. É precisamente nestes pontos que nascem os pontos quentes, essas zonas localizadas onde a temperatura ultrapassa as recomendações ASHRAE.

Temperaturas e higrometria recomendadas

A manutenção de condições ambientais adequadas é essencial. A ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) fornece diretrizes precisas:

Estas recomendações podem variar consoante as especificidades dos equipamentos: uma vigilância contínua (sensores, sistemas de gestão) é indispensável para detetar e corrigir rapidamente qualquer desvio.

Sistemas de refrigeração na sala informática

Climatização por unidades CRAC e CRAH

As unidades CRAC utilizam um compressor e um refrigerante para arrefecer o ar ambiente: o ar quente é aspirado, arrefecido ao passar sobre uma serpentina que contém o refrigerante, e depois redistribuído. São geralmente autónomas e particularmente adequadas aos centros de dados de pequena a média dimensão.

As unidades CRAH estão equipadas com ventiladores e serpentinas arrefecidas por água gelada proveniente de um sistema de produção externo. Mais eficientes no plano energético por explorarem uma refrigeração centralizada, convêm aos centros de dados de maior dimensão.

Pavimentos sobrelevados e gestão dos fluxos

A utilização de pavimentos sobrelevados é uma prática corrente para otimizar a circulação do ar. Estes pavimentos são constituídos por placas modulares assentes numa estrutura metálica, criando um espaço vazio, chamado plénum, entre o solo de origem e o pavimento, que serve de conduta para a distribuição do ar arrefecido.

O ar frio é encaminhado sob o pavimento sobrelevado e distribuído nos corredores frios através de placas perfuradas; os equipamentos aspiram este ar fresco para arrefecer os seus componentes, e depois rejeitam o ar quente nos corredores quentes, seguidamente captado pelas unidades CRAC ou CRAH para ser arrefecido de novo. Esta separação minimiza a mistura dos fluxos e melhora a eficiência energética.

Circuitos de refrigeração e dissipação térmica

Grupos de frio e sistemas de água gelada

Estes sistemas convencionais são essenciais para manter condições térmicas ótimas; a sua escolha depende da dimensão da instalação, da densidade de potência, das restrições orçamentais e dos objetivos de eficiência energética.

Free cooling: ar exterior e permutadores térmicos

O free cooling explora as condições climáticas exteriores para arrefecer, reduzindo a dependência dos sistemas mecânicos. Duas implementações:

A eficácia do free cooling depende fortemente das condições climáticas locais: determinante nas regiões de invernos frios, mais limitada nos climas quentes.

Refrigeração adiabática e evaporação

A refrigeração adiabática assenta na evaporação da água, que absorve o calor do ar ambiente e reduz a sua temperatura (humidificação do ar entrante ou permutadores adiabáticos). Particularmente eficaz nos climas secos, reduz a dependência dos grupos de frio, diminui o consumo energético e melhora o PUE.

O seu principal desafio é a gestão da humidade: um excesso pode originar condensação e corrosão, daí um controlo higrométrico preciso. Outro aspeto é o consumo de água, por vezes significativo, que levanta questões ambientais e regulamentares (nomeadamente ICPE e risco de torre de arrefecimento), o que a torna adequada apenas sob certas condições bem dominadas.

Soluções avançadas e inovações

Refrigeração híbrida: combinação ar / água

Os sistemas de refrigeração híbridos combinam as vantagens do free cooling e dos sistemas mecânicos para otimizar a eficiência energética. Um sistema híbrido pode usar o free cooling quando as condições exteriores são favoráveis e comutar para uma refrigeração mecânica quando a temperatura exterior aumenta: esta flexibilidade reduz o consumo garantindo ao mesmo tempo uma temperatura estável.

Outro exemplo é a utilização de arrefecedores adiabáticos combinados com unidades mecânicas: o ar é primeiro arrefecido por evaporação, e depois um sistema mecânico ajusta a temperatura. Esta abordagem reduz a carga sobre os sistemas mecânicos, prolongando a sua vida útil e diminuindo os custos operacionais.

Refrigeração líquida: imersão e contacto direto

Com o aumento da densidade de potência, a refrigeração por ar atinge os seus limites. A refrigeração líquida oferece uma alternativa utilizando fluidos para absorver diretamente o calor dos componentes. Dois métodos principais:

A refrigeração líquida apresenta vantagens significativas em eficiência térmica e em redução de consumo. Contudo, exige investimentos iniciais mais elevados e uma manutenção especializada para gerir os fluidos e assegurar a estanquidade.

Refrigeração no chip e tecnologias emergentes

A refrigeração no chip (direct-to-chip) integra microcanais diretamente nos chips ou módulos de processadores: um fluido circula neles, absorvendo o calor na fonte. Este método oferece uma dissipação extremamente eficaz, essencial para o cálculo intensivo ou os servidores dedicados à inteligência artificial.

Entre as tecnologias emergentes, encontram-se os sistemas de duas fases (o fluido muda de estado ao absorver o calor, oferecendo uma capacidade superior) bem como investigação sobre os materiais de mudança de fase e os nanofluidos.

Análise comparativa dos métodos de refrigeração

Escolher o melhor método

A eficiência energética e o impacto ambiental dos centros de dados dependem em grande parte dos sistemas de refrigeração utilizados. Analisamo-los segundo vários critérios: o PUE, o consumo de energia, a pegada ecológica, as restrições técnicas, os custos, mas também a segurança.

Advertência sobre a segurança

A segurança é um critério fundamental: qualquer avaria, sobreaquecimento ou falha pode gerar interrupções de serviço dispendiosas e pôr em perigo a integridade dos dados. A escolha do sistema de refrigeração deve garantir a fiabilidade dos equipamentos e limitar os riscos de disfunções térmicas.

Um dos riscos maiores é o sobreaquecimento dos componentes, que pode levar a uma degradação prematura e a paragens inesperadas, chegando a danificar irreversivelmente processadores ou unidades de armazenamento. Para evitar estes incidentes, os sistemas devem ser concebidos com mecanismos de redundância que ativam um circuito de socorro em caso de falha.

Para além da gestão térmica, os riscos de fugas de líquido devem ser tidos em conta, em particular na refrigeração líquida: a introdução de fluido de arrefecimento perto de componentes eletrónicos requer uma vigilância rigorosa, sensores de fuga e sistemas de confinamento.

Comparação dos riscos. Os métodos baseados no ar, embora menos eficientes do ponto de vista energético, apresentam um risco mais baixo: sem exposição direta a líquidos, menos acidentes mecânicos; mas exigem uma manutenção regular dos filtros e da ventilação. As tecnologias como a adiabática e o free cooling devem ser avaliadas segundo o seu impacto na segurança global (condensação devida à humidade, qualidade do ar exterior).

Critérios de desempenho energético

O Power Usage Effectiveness (PUE) é o indicador principal: calcula-se dividindo o consumo total do centro de dados pelo dos únicos equipamentos informáticos. Um PUE de 1,0 indica uma eficiência ótima; em França, o PUE médio é de 1,36.

Impacto ambiental

Restrições técnicas e limites

Cada método apresenta vantagens mas também restrições. A escolha depende da configuração do centro de dados, das condições climáticas locais, dos custos de instalação e de exploração, e das exigências de eficiência energética.

A refrigeração por ar: solução comprovada, fiável e acessível, com custos de instalação moderados (ideal para as pequenas e médias infraestruturas); mas a sua eficiência térmica é reduzida a alta densidade, originando uma subida do consumo e da pegada de carbono.

A refrigeração líquida: eficiência térmica ótima para as infraestruturas de forte densidade, reduz o consumo, e o calor residual pode alimentar um aquecimento urbano; mas custo de instalação elevado, manutenção complexa e riscos de fugas a dominar.

O free cooling: reduz o consumo explorando o ar exterior, melhora o PUE; mas depende estreitamente do clima do local e impõe sistemas de filtração avançados.

A refrigeração adiabática: alia eficiência energética e redução dos custos, sobretudo em ambiente seco; mas assenta na água (gestão dos recursos hídricos) e perde em eficiência quando a humidade é demasiado elevada.

Em suma, cada método apresenta um equilíbrio entre desempenho, custos e restrições operacionais. A escolha da solução ótima depende das necessidades específicas do centro de dados, das condições ambientais e dos objetivos de durabilidade.

A otimização da refrigeração com a EOLIOS

Uma abordagem global

A otimização dos sistemas de refrigeração é um desafio-chave para os centros de dados modernos: eficiência energética e gestão térmica influenciam diretamente os custos de exploração, a durabilidade e o impacto ambiental. A EOLIOS acompanha os atores do setor através de uma abordagem integrada baseada na simulação CFD, para analisar e otimizar a dissipação térmica na sala e a evacuação do calor para o exterior.

Reduzir o consumo pela otimização dos fluxos térmicos

Uma má gestão dos fluxos de ar gera zonas de sobreaquecimento (hot spots) e um consumo excessivo. A EOLIOS realiza estudos CFD internos para cartografar a circulação do ar e identificar as ineficiências. Várias ações daí decorrem:

Estas ações reduzem significativamente o consumo dos sistemas de climatização, maximizando a eficiência da refrigeração ao mesmo tempo que limitam a sobrecarga térmica dos equipamentos informáticos.

Dissipação das calorias internas através da CFD

A EOLIOS realiza simulações CFD internas para visualizar os fluxos de calor e os gradientes térmicos na sala, e otimizar vários aspetos:

Dissipação para o exterior e impacto ambiental

Uma vez extraído o calor dos equipamentos, ele deve ser eficazmente dissipado para o exterior. A EOLIOS realiza simulações CFD externas tendo em conta vários fatores:

Garantir as infraestruturas pela gestão térmica

Para além da eficiência energética, a segurança térmica é um desafio maior. A EOLIOS integra-a como parâmetro-chave dos seus estudos CFD para antecipar e prevenir os riscos:

Rumo a centros de dados mais eficientes e duráveis

Ao combinar análise energética, simulação CFD interna e externa, e otimização da segurança, a EOLIOS ajuda a reduzir o consumo e melhorar o PUE, otimizar a implantação dos equipamentos, limitar o impacto ambiental das rejeições térmicas e reforçar a segurança das instalações. A otimização térmica torna-se assim uma alavanca de eficiência e de desempenho.