A refrigeração líquida em Data Centers – ou “liquid cooling” – é uma solução que vem ganhando espaço na climatização de servidores de alto desempenho.
O principal motivo é que a demanda por aplicações com processamento de grandes volumes de dados – como inteligência artificial (IA), IoT, machine learning e big data –tem pressionado muitas corporações a adotarem processadores de alto desempenho, como GPUs e TPUs. Esses aceleradores geram muito calor, acima das faixas convencionais. E, apesar de oferecem maior capacidade de processamento, possuem chips de última geração com dimensões menores. Essa “miniaturização” permite empilhar mais equipamentos em racks cada vez mais adensados.
Com isso, a carga térmica de aplicações tradicionais que giram em torno de 5 a 10 kW (quilowatts) por rack pode ultrapassar a barreira dos 100 kW, como o rack NVIDIA GB200 NVL72, que pode chegar a incríveis 132 quilowatts (kW) por rack.
Nessas situações que envolvem computação de alto desempenho (HPE), a climatização baseada em ar-condicionado de precisão pode não ser suficiente, necessitando da refrigeração líquida.
Isolado ou combinado com soluções a ar, o liquid cooling oferece vantagens em termos de eficiência, economia e redução de espaço para ambientes com racks adensados.
Veja por que isso acontece e saiba se a refrigeração líquida é uma solução indicada para o seu Data Center corporativo. Conte com a expertise da Zeittec para planejá-lo e boa leitura!
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Por que a tecnologia de refrigeração líquida em Data Centers está se popularizando?
Para aplicações de alta performance com chips e aceleradores de última geração, onde o calor gerado é significativo, o uso de líquido é mais eficiente do que o ar, permitindo que os sistemas funcionem em temperaturas mais altas sem risco de paradas por superaquecimento.
De acordo com o engenheiro Jason Zeiler, gerente de produtos de refrigeração líquida da Hewlett Packard Enterprise:
“O resfriamento líquido pode resfriar esses chips de forma mais rápida e eficiente, pois a água contém três vezes mais capacidade de calor do que o ar, permitindo absorver mais calor emitido por aceleradores e outros componentes, como CPUs, memória e switches de rede.”
Assim como a HP, a Vertiv – que fornece soluções de refrigeração líquida para sistemas de alto desempenho – acredita que “instalações que desejam implantar racks de densidade extremamente alta (>30 kW) terão pouca escolha entre usar ou não resfriamento líquido”.
Ambos consideram que a climatização a ar é incapaz de remover o calor em ambientes com racks acima deste nível de densidade.
Para Zeiler, “tudo acima de 30 kilowatts por rack é excelente para liquid cooling, pois nessa densidade, fica bastante difícil para o resfriamento a ar”.
Abaixo disso, em ambientes com racks entre 15 e 30 quilowatts, “pode não valer totalmente a pena em termos de custo para liquid cooling”.
Vantagens da refrigeração líquida em Data Centers
A refrigeração líquida permite que equipamentos densamente compactados operem em sua máxima capacidade sem o risco de superaquecimento.
Com isso, ela aumenta a confiabilidade e o desempenho das operações de TI ao manter temperaturas seguras para os componentes do Data Center.
Eficácia em menos espaço
Além de ser eficiente, a refrigeração por líquido permite um design mais compacto, favorecendo o adensamento de servidores, já que consegue remover mais calor em menos espaço.
Ela elimina a necessidade de grandes unidades de ar-condicionado dentro no ambiente principal. Com isso, a área útil do Data Center pode ser utilizada quase exclusivamente para racks e equipamentos de TI.
Eficiência energética
Como o líquido transfere calor de forma mais eficiente que o ar, esse tipo de refrigeração reduz o uso de ventiladores e, consequentemente, o consumo de energia. Além disso, as bombas dos sistemas de resfriamento líquido consomem menos energia que os sistemas a ar, resultando em economia energética significativa.
Escalabilidade
O uso de resfriamento líquido em Data Centers permite expandir a densidade de racks sem precisar ampliar a infraestrutura de refrigeração baseada em ar.
Quando combinado com o ar-condicionado de precisão, o sistema pode atender tanto equipamentos de baixa densidade (usando o ar) quanto de alta densidade (usando o líquido).
Sustentabilidade
A refrigeração líquida favorece a sustentabilidade, reduzindo o consumo total de energia e aproximando a eficiência do Data Center (PUE) ao patamar de 1,0.
O calor capturado pode ser redirecionado para sistemas de aquecimento de edifícios, pois a água de retorno pode chegar a 60°C ou mais, sendo ideal para aproveitamento em sistemas térmicos.
Redução de custo a longo prazo na refrigeração líquida em Data Centers
Estudos da ASHRAE (Sociedade Americana de Aquecimento, Regrigeração e Engenheiros de Ar- Condicionado) compararam o custo total de propriedade (TCO) de Data Centers refrigerados a ar com aqueles que possuem climatização híbrida (ar+líquido).
De acordo com as pesquisas, os Data Centers com climatização híbrida podem reduzir o TCO a longo prazo.
“O resfriamento líquido cria a possibilidade de melhorar o TCO por meio de maior densidade, maior uso de free cooling, melhor desempenho e melhor performance por watt” – conclui a comparação.
A durabilidade dos equipamentos também é um fator, já que a temperatura estável ajuda a reduzir o desgaste e a necessidade de trocas frequentes de componentes críticos, impactando positivamente no TCO geral.
Maior controle térmico
Em Data Centers, o liquid cooling oferece controle mais preciso da temperatura nos componentes críticos aos quais é direcionada, protegendo equipamentos sensíveis de superaquecimento.
Sistemas como in-rack cooling ou direct-to-chip cooling (resfriamento direto no chip) eliminam hotspots mais rapidamente do que o ar.
Veja agora quais são as diferenças entre essas diversas soluções líquidas de climatização em Data Centers.
Tipos de refrigeração líquida em Data Centers
Os sistemas de liquid cooling para Data Centers utilizam diferentes abordagens para transferir calor de forma mais eficiente e suportar densidades maiores. Aqui, classificamos essas abordagens em “diretas” e “indiretas”.
Soluções de Liquid Cooling “Indireto”
No liquid cooling indireto, o calor gerado por componentes quentes (como CPUs e GPUs) é transferido para um líquido refrigerante, que é levado para um sistema externo (como um chiller) para ser resfriado.
Nesses sistemas, o líquido não entra em contato com os equipamentos, resfriando o ar que circula nos racks ou no ambiente.
Ele atua como um intermediário no processo de transferência de calor. Confira as soluções indiretas mais utilizadas.
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Placas de resfriamento líquido (Cold Plates)
Os cold plates são pequenos trocadores de calor acoplados aos componentes de alta geração térmica, como CPUs e GPUs. Eles têm uma superfície plana e geralmente contêm tubos ou canais onde o líquido refrigerante passa, absorvendo o calor dos componentes. A transferência de calor ocorre através da interface metálica da cold plate (geralmente de cobre ou alumínio), que fica em contato direto com o chip.
Esse calor é então transferido para um sistema de resfriamento externo, que o dissipa fora do rack.
Portanto, o líquido refrigerante circula dentro dos canais internos das placas de resfriamento, mas não toca diretamente os componentes eletrônicos.
Nem todos os componentes conseguem ser cobertos pelas placas frias (como fontes de alimentação e pequenos componentes eletrônicos dos servidores), exigindo uma combinação com sistemas de resfriamento a ar para garantir o controle térmico completo.
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Trocadores de calor traseiros (Rear Door Heat Exchangers)
Os trocadores são instalados na parte traseira dos racks de servidores. Eles resfriam o ar quente que sai dos racks.
Diferentemente dos cold plates, os rear door heat exchangers não tocam diretamente os componentes, mas trabalham no resfriamento do ar ao redor.
No interior dos trocadores passam tubos de líquido refrigerante que absorvem o calor do ar quente antes que ele entre na sala.
De acordo com a Vertiv, os trocadores podem ser usados em uma abordagem híbrida, onde o resfriamento a ar e o resfriamento líquido trabalham juntos para manter diferentes densidades de racks em temperaturas adequadas.
Essa tecnologia híbrida de trocadores traseiros permite que Data Centers aumentem a densidade de seus racks sem comprometer a eficiência térmica.
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Loops de refrigeração em circuito fechado (Closed-Loop Liquid Cooling)
Os sistemas de circuito fechado utilizam um loop de líquido refrigerante que circula continuamente sem precisar ser exposto ao ambiente externo.
Esse líquido absorve o calor dos componentes e o transfere para um trocador de calor, mantendo uma operação altamente eficiente e com menor necessidade de reposição de líquidos.
Cada um desses tipos de resfriamento líquido tem suas vantagens e é escolhido com base na densidade de equipamentos, no tipo de aplicação e nas metas de eficiência energética do Data Center.
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Free cooling indireto
O free cooling utiliza o ar externo em condições de clima frio para ajudar a resfriar o ambiente. O ar externo resfria um fluido intermediário, geralmente água ou uma solução refrigerante, que circula em trocadores de calor para arrefecer o ambiente.
Em Data Centers, o free cooling indireto é especialmente interessante, pois reduz o trabalho dos chillers em épocas de temperaturas amenas.
Ele geralmente trabalha em conjunto com outros sistemas de refrigeração líquida ou a ar. Confira as principais soluções líquidas diretas.
2. Soluções de Direct Cooling (Resfriamento Direto)
No direct cooling, o líquido refrigerante entra em contato direto com os componentes que geram calor, como placas-mãe e processadores.
São métodos que transferem o calor de forma localizada, muitas vezes combinando ar e líquido.
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Direct-to-Chip Cooling (Refrigeração de contato direto com líquido)
Esse método utiliza tubos de líquido diretamente conectados aos componentes que geram mais calor, como CPUs e GPUs. O líquido refrigerante que circula no sistema é bombeado diretamente para o servidor, entrando em contato com o chip para absorver o calor emitido pelos processadores, que é, então, dissipado fora do Data Center.
Esse sistema entrega alta eficiência de remoção de calor, sendo muito eficaz em Data Centers de alta densidade, especialmente com cargas de trabalho intensas de processamento.
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Immersion Cooling (Imersão Líquida)
Nos sistemas de climatização imersion cooling, componentes são submersos em um líquido dielétrico (não condutor de eletricidade) que absorve e dissipa o calor. Existem duas principais variações:
Imersão em fase única: Os componentes eletrônicos ficam imersos nesse líquido, que circula para remover o calor e permanece em estado líquido o tempo todo.
Imersão em dupla fase: Neste caso, o líquido passa por uma mudança de fase e, ao aquecer, torna-se vapor, que é então condensado e retorna ao estado líquido. Esse método é ainda mais eficiente na dissipação de calor, mas geralmente requer equipamentos adicionais para controlar o ciclo de condensação.
3. In-Rack e In-Row Cooling
Nessas estratégias, unidades de resfriamento com base líquida são instaladas diretamente nas fileiras (in-row) ou nos racks dos servidores (in-rack).
Ambas podem ser configuradas para absorverem o calor diretamente dos componentes quentes ou indiretamente por meio do ar. Por isso, podemos dizer que:
- O In-Rack Cooling é indireto quando utiliza trocadores de calor para resfriar o ar dentro do rack, como no caso das portas traseiras refrigeradas.
- Mas é direto quando o líquido refrigerante circula em contato próximo com os componentes eletrônicos, como em sistemas de Direct-to-Chip Cooling.
A escolha da configuração depende da densidade térmica dos racks, do orçamento e da infraestrutura disponível no Data Center. Compare no quadro.
In-Row Cooling
No modelo in row indireto, unidades de resfriamento líquido são instaladas entre os racks para capturar o calor no corredor. O calor é transferido para o líquido refrigerante e enviado a um sistema externo, como chillers, onde é removido. O ar resfriado retorna ao ambiente ou aos servidores.
Na configuração direta, a unidade de resfriamento no corredor fornece o líquido refrigerante diretamente para dissipadores de calor ou microcanais dentro dos servidores. O calor é transferido diretamente dos componentes eletrônicos para o líquido. O líquido aquecido é recirculado para resfriamento externo e reaproveitamento. É uma solução intermediária que oferece alta eficiência em racks de média a alta densidade.
Como é a infraestrutura da refrigeração líquida em Data Centers?
Geralmente, a infraestrutura envolvida na refrigeração líquida de Data Centers varia com a necessidade, a complexidade e o tipo de sistema adotado, bem como a densidade térmica do Data Center. Ela costuma envolver:
CDU: Estação central que distribui e regula a temperatura do fluido de resfriamento. Em Data Centers, geralmente é instalada em salas adjacentes ou próximas ao ambiente de racks para otimizar o fluxo do fluido de resfriamento.
Trocadores de calor (HX): Transferem o calor do fluido de resfriamento para o ambiente externo ou para um fluido secundário.
Tanques de imersão: Para o resfriamento líquido direto por imersão, os Data Centers utilizam tanques com fluido dielétrico (não condutor), onde os servidores ou racks são completamente submersos para que o calor seja absorvido diretamente dos componentes eletrônicos. Estes tanques precisam ser monitorados e testados periodicamente, pois o fluido dielétrico pode sofrer degradação ao longo do tempo, exigindo reposição ou manutenção.
Circuito de tubulação para o fluido de resfriamento: É fundamental para transportar o fluido resfriado (ou aquecido) entre o Data Center e as unidades externas de resfriamento, como torres de resfriamento ou chillers. Em sistemas de alta capacidade, pode ser necessária redundância de tubulação para garantir o resfriamento mesmo em caso de falhas.
Bombas de circulação: São essenciais para garantir que o fluido refrigerante flua em velocidades ideais para uma troca térmica eficiente. Para garantir a continuidade e evitar falhas de refrigeração, são usadas bombas de backup.
Unidades de free cooling: Em regiões frias, como no sul do Brasil, o free cooling pode complementar o resfriamento líquido indireto, aproveitando a temperatura externa para resfriar o fluido antes de retornar ao ambiente dos racks.
O sistema pode envolver ainda reservatórios de água ou fluido de backup, sistema de monitoramento para temperatura, vazamento, pressão e fluxo do fluido, bem como sistemas de gerenciamento de cabos e estruturas de contenção que facilitem a circulação do fluido de resfriamento, evitando obstruções e maximizando a eficiência da troca térmica.
Pontos críticos das novas tecnologias de climatização por líquidos
Para o engenheiro Fabrício Costa, diretor técnico da Zeittec, as desvantagens dos sistemas de liquid cooling “ficam por conta do custo de implantação, da complexidade de integrar esses sistemas aos antigos e da operação e manutenção dessas soluções”.
A instalação de sistemas de resfriamento líquido é significativamente mais cara que a de sistemas de resfriamento a ar de precisão.
Isso porque exige equipamentos especializados, infraestrutura para o manejo do líquido (como tubulações e bombas) e adaptações nas instalações existentes para suportar esse tipo de resfriamento.
Manutenção mais complexa
Outo ponto crítico é que os sistemas de refrigeração líquida demandam manutenção mais rigorosa e especializada. Vazamentos, corrosão de componentes e contaminação da água ou do líquido refrigerante são alguns dos problemas que exigem atenção.
Riscos de vazamentos
A presença de líquidos em proximidade aos componentes eletrônicos representa um risco adicional, especialmente em caso de vazamentos.
Um vazamento pode danificar equipamentos de TI sensíveis e levar a tempo de inatividade, resultando em altos custos de reparo e substituição.
Por isso, infraestruturas de refrigeração líquida devem ser projetadas para reduzir o volume de fluido, a fim de mitigar riscos de vazamento e pressão.
Os fabricantes têm desenvolvido soluções para mitigar esse risco. De acordo com a Vertiv: “A infraestrutura atual de refrigeração líquida foi projetada para minimizar a probabilidade e as consequências de vazamentos de fluidos na operação do data center”.
Espaço físico
Sistemas de refrigeração líquida indireta, como o free cooling, geralmente liberam o espaço interno, mas demandam um espaço externo para abrigar os componentes de suporte, como bombas, trocadores de calor e tanques de líquido. Em alguns casos, isso pode ser um limitador para Data Centers que operam em áreas físicas restritas.
Climatização híbrida: ar de precisão e água refrigerando o Data Center do futuro
Soluções novas e consagradas de climatização e energia deverão conviver em Data Centers corporativos mais adensados de agora em diante. Porém, umas não tirarão necessariamente a relevância das outras.
Para o engenheiro Fabrício Costa, “será mais comum utilizar resfriamento de racks com soluções de cooling líquido, como liquid cooling e direct cooling para lidar com a alta densidade de equipamentos em Data Centers de maneira eficiente. Mas essas soluções continuarão interagindo com a climatização tradicional por ar de precisão”.
Para engenheira mecânica Natália Magalhães, da Stulz, fornecedora global de soluções para refrigeração, “Data Centers mais periféricos com pouco espaço vão ser praticamente 100% no liquid cooling”.
No entanto, assim como Natália, o mercado acredita que o ar-condicionado de precisão não irá morrer.
As estratégias de corredor de ar frio e quente continuarão sendo necessárias. Possivelmente, serão utilizadas em conjunto com a água em modelos híbridos de refrigeração.
“A gente vai ter cada vez mais projetos híbridos com soluções a ar e soluções de immersion ou direct cooling” – diz Natália.
Por isso, será comum que o data hall tenha racks de alta densidade com 15, 20, 40 ou 50 kW munidos dessas soluções de cooling convivendo com racks de menor potência em um ambiente climatizado por ar-condicionado de precisão.
Por que o ar de precisão continuará sendo necessário?
Embora o resfriamento líquido trate efetivamente os pontos quentes, o ar-condicionado de precisão ajuda a manter uma temperatura estável no ambiente. Isso é essencial para o funcionamento adequado de equipamentos que não são resfriados a líquido.
“Todo ´direct cooling´, seja o ´direct-to-chip´ ou o ´immersion´, ele precisa de ar. Seja para resfriar componentes, como baterias, seja para dissipar o calor do próprio tanque ou da própria CDU”- explica Natália.
“Então, você vai sempre usar sistemas de resfriamento a ar, isso não vai morrer nunca.”
Além disso, o controle de umidade é crucial em Data Centers para evitar problemas como corrosão ou danos a componentes eletrônicos. Sistemas de ar de precisão são essenciais para regular esses níveis.
Um sistema de climatização a ar proporciona ventilação, que é importante para a circulação de ar em todo o espaço do Data Center, garantindo que não haja zonas mortas onde o calor possa se acumular. Saiba mais sobre isso no link abaixo!
CLIMATIZAÇÃO PARA DATA CENTER com alta precisão, menos consumo e mais segurança?
“Embora as novas soluções de resfriamento de Data Center sejam eficientes, integrá-las à climatização a ar continuará a ser necessário para otimizar a eficiência e a confiabilidade do ambiente como um todo” – conclui Fabrício Costa.
Como deve ser a integração entre o resfriamento a ar e líquido?
A interação entre os sistemas de resfriamento líquido e os sistemas de climatização tradicionais a ar garante uma abordagem holística e eficiente para a gestão térmica em Data Centers.
Ela possibilita que tanto os equipamentos críticos quanto o ambiente geral sejam mantidos dentro das faixas ideais de temperatura e umidade.
Enquanto a refrigeração líquida trata as cargas térmicas altas e específicas (como racks de CPUs e GPUs), o sistema de climatização a ar mantém a temperatura ambiente adequada para todo o Data Center.
Para integrar essas tecnologias, o site pode ser dividido em zonas com diferentes necessidades de resfriamento: áreas de alta densidade com resfriamento líquido e zonas com menos carga térmica apenas com ar de precisão.
Sistemas de gerenciamento de infraestrutura (DCIM) ajudam a monitorar a temperatura e a umidade nas diferentes zonas, consolidando as informações para ajustar tanto os sistemas de ar quanto os de resfriamento líquido e otimizando o desempenho geral.
Sensores que detectam a temperatura e a carga térmica em tempo real podem acionar ajustes automáticos nas configurações dos sistemas de climatização e resfriamento, garantindo que as condições ideais sejam mantidas.
Ao usar resfriamento líquido onde é mais necessário, o Data Center pode reduzir a carga total sobre os sistemas de ar, permitindo que eles operem de maneira mais eficiente e economizando energia.
A combinação dos dois sistemas permitirá que o Data Center suporte mais servidores sem a necessidade de expandir drasticamente o sistema de climatização a ar, já que o resfriamento líquido pode lidar com os pontos quentes.
Em casos de falha de um sistema, o outro pode continuar a operar, aumentando a resiliência do ambiente.
Desafios da integração em Data Centers já existentes
Muitos Data Centers em operação foram projetados para resfriamento a ar e podem precisar de modificações para acomodar um sistema de refrigeração líquida.
Isso pode limitar a implementação desse tipo de climatização em instalações existentes ou aumentar os custos e a complexidade da adaptação.
Por isso, é essencial avaliar as necessidades específicas e os recursos disponíveis antes de implementar um sistema de resfriamento líquido, ponderando as vantagens e as desvantagens em relação ao TCO e à operação.
Em algumas situações, as densidades de racks aumentam a um ponto em que o resfriamento líquido se torna essencial. Nesses casos, os custos de implantá-lo podem ser mais vantajosos que enfrentar os riscos de operar a climatização a ar além do ponto de exaustação.
Tenha um Data Center com as melhores soluções de climatização
Você acabou de ler que a densidade e o consumo por rack têm aumentado em Data Centers devido à incorporação de soluções de TI que suportam cargas de trabalho mais exigentes.
Para gerenciar essa evolução, sistemas de refrigeração líquida, resfriamento com ar de precisão e estratégias híbridas estão se tornando indispensáveis para manter eficiência e confiabilidade operacional, especialmente em sites com densidade acima de 25 a 30kW por rack.
Talvez sua corporação não esteja nesse patamar agora, mas poderá estar no futuro e precisa implantar um Data Center preparado para isso.
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- Data Center do IBGE, no Rio de Janeiro.
- Data Center da Agência Brasileira de Inteligência em Brasília, DF.
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- Data Center da Celesc em Florianópolis, Santa Catarina
- Data Center do TRF-4 em Porto Alegre, no Rio Grande do Sul
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