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Recuperación de calor en centros de datos: cómo convertir el calor residual en un valioso recurso energético
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A medida que la inteligencia artificial, la informática de alto rendimiento y el aumento de la densidad de los servidores impulsan la demanda energética, los centros de datos se enfrentan a un reto cada vez mayor: gestionar el calor generado por la infraestructura informática.
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Pero, ¿y si este calor pudiera convertirse en un valioso recurso energético? Con la arquitectura de refrigeración adecuada, los intercambiadores de calor y la integración de sistemas, los centros de datos pueden contribuir a la calefacción de edificios, a los procesos industriales y a las redes de calefacción urbana.
Los centros de datos se están convirtiendo en algo más que consumidores de energía
Los centros de datos se encuentran entre los componentes que más energía consumen de la infraestructura digital moderna. Una parte significativa de la electricidad que consumen los servidores y otros equipos informáticos se convierte, en última instancia, en calor, que debe eliminarse continuamente para mantener unas condiciones de funcionamiento fiables.
El rápido desarrollo de la computación en la nube, la computación de alto rendimiento (HPC) y la inteligencia artificial está aumentando tanto la potencia de cálculo como la densidad térmica.
Los centros de datos más antiguos solían funcionar a unos 3-5 kW por rack. En los últimos años, se han vuelto cada vez más habituales densidades de 15-30 kW por rack, mientras que las instalaciones avanzadas de IA y HPC pueden superar los 50-70 kW por rack.
Por lo tanto, un mayor rendimiento informático no solo implica un mayor consumo eléctrico, sino también más energía térmica que hay que gestionar.
Esto supone una importante oportunidad: el calor ya no debe considerarse únicamente como un reto de refrigeración, sino también como un recurso energético potencialmente valioso.
Del calor residual a la energía reutilizable
Tradicionalmente, los sistemas de refrigeración de los centros de datos se han diseñado principalmente para mantener temperaturas de funcionamiento adecuadas y expulsar el exceso de calor al entorno.
Sin embargo, cuando hay consumidores de calor adecuados en las proximidades, parte de esta energía puede recuperarse y reutilizarse para:
Calefacción de espacios en edificios residenciales y comerciales
Producción de agua caliente sanitaria
Redes de calefacción urbana
Procesos industriales
Sistemas energéticos locales
Este enfoque permite que los centros de datos pasen de ser meros consumidores de electricidad a convertirse en potenciales proveedores de energía térmica útil.
El principal reto técnico no es si hay calor disponible, sino la temperatura a la que se puede recuperar.
Dependiendo de la tecnología de refrigeración, el calor recuperado puede estar disponible a temperaturas relativamente bajas, a menudo en torno a los 40 °C o menos. Esto puede resultar insuficiente para su integración directa en las redes convencionales de calefacción urbana.
Una posible configuración del sistema es:
Circuito de refrigeración del centro de datos → Intercambiador de calor → Bomba de calor → Circuito de calefacción secundario / red de calefacción urbana
La bomba de calor eleva la temperatura hasta el nivel requerido por el consumidor, mientras que los intercambiadores de calor permiten una transferencia controlada de energía entre circuitos separados hidráulicamente.
La IA está transformando la tecnología de refrigeración de los centros de datos
A medida que aumentan las densidades térmicas de los servidores, las arquitecturas de refrigeración convencionales están evolucionando.
Junto a los sistemas tradicionales de aire acondicionado para salas de servidores (CRAC) y de tratamiento de aire para salas de servidores (CRAH), las tecnologías diseñadas para eliminar el calor más cerca de su fuente están cobrando cada vez más importancia.
Entre ellas se incluyen:
Intercambiadores de calor en la puerta trasera (RDHx)
Refrigeración líquida indirecta
Refrigeración directa al chip
Refrigeración por inmersión
La transición de una refrigeración predominantemente basada en aire a soluciones basadas en líquidos es especialmente relevante para la recuperación de calor.
Cuando el calor se transfiere directamente a un refrigerante líquido, puede transportarse y, potencialmente, reutilizarse de forma más eficiente en otras partes del sistema.
En consecuencia, la refrigeración de los centros de datos debería considerarse cada vez más como parte de una infraestructura energética más amplia, en lugar de como un proceso técnico aislado.
La capacidad térmica por sí sola no basta para el diseño del sistema
Saber que un centro de datos genera varios megavatios de calor no es suficiente para diseñar un sistema eficaz de recuperación de calor.
Los ingenieros deben evaluar varios parámetros interrelacionados:
Capacidad térmica disponible
Temperaturas de entrada y salida
Temperatura requerida en el lado del consumidor
Caudales de fluido
Presiones de funcionamiento
Caídas de presión admisibles
Propiedades de los fluidos
Variaciones de carga y perfiles de funcionamiento
Requisitos de redundancia y seguridad operativa
Solo un análisis exhaustivo de estos parámetros permite a los ingenieros determinar la arquitectura adecuada del sistema y dimensionar correctamente los intercambiadores de calor.
El objetivo no es simplemente transferir la máxima cantidad de calor, sino lograr un rendimiento térmico fiable en condiciones reales de funcionamiento.
Intercambiadores de calor: la interfaz entre los sistemas energéticos
Para cualquier centro de datos, la fiabilidad y el funcionamiento continuo de la infraestructura de TI siguen siendo las máximas prioridades.
La recuperación de calor nunca debe comprometer el sistema de refrigeración.
Los intercambiadores de calor desempeñan un papel fundamental al transferir energía térmica y, al mismo tiempo, mantener la separación hidráulica entre los diferentes circuitos.
Esta separación puede ser necesaria entre:
El circuito de refrigeración del centro de datos y la bomba de calor
La bomba de calor y el sistema de distribución de calor
El centro de datos y una red energética externa
Cada circuito puede funcionar a diferentes temperaturas, presiones y caudales, utilizando potencialmente fluidos con propiedades físicas y químicas distintas.
Por este motivo, los intercambiadores de calor nunca deben seleccionarse basándose únicamente en la capacidad térmica nominal.
Caída de presión: un factor clave en los costes de funcionamiento
En instalaciones de alta capacidad, la caída de presión no es meramente un parámetro hidráulico. También afecta directamente a los costes de funcionamiento.
Unas pérdidas de presión más elevadas suelen aumentar los requisitos de bombeo y el consumo eléctrico a lo largo de toda la vida útil del sistema.
Por lo tanto, los diseñadores deben equilibrar tres factores estrechamente relacionados:
Rendimiento de la transferencia de calor ↔ Turbulencia del caudal ↔ Caída de presión
Maximizar la transferencia de calor sin tener en cuenta la resistencia hidráulica puede dar lugar a unos requisitos energéticos de bombeo innecesariamente elevados.
Por el contrario, minimizar la caída de presión a cualquier precio puede dar lugar a un rendimiento térmico insuficiente o a condiciones de flujo inadecuadas.
La solución más eficaz es un intercambiador de calor diseñado para alcanzar la potencia térmica requerida dentro de unos límites hidráulicos y operativos aceptables.
Este principio se aplica tanto a las aplicaciones convencionales de climatización como a los sistemas avanzados de recuperación de calor de los centros de datos.
¿Dónde se pueden utilizar los intercambiadores de calor de placas?
Para aplicaciones de líquido a líquido de alta capacidad, los intercambiadores de calor de placas con juntas pueden ofrecer una solución eficaz.
Su elevada superficie de transferencia de calor en relación con el tamaño del equipo los hace adecuados para aplicaciones en las que existen diferencias de temperatura relativamente pequeñas entre los circuitos.
Esto resulta especialmente importante a la hora de recuperar calor de baja temperatura.
Su diseño desmontable también facilita la inspección y la limpieza mecánica. En función de la configuración y los requisitos de funcionamiento, la disposición de las placas puede adaptarse a las condiciones cambiantes del sistema.
Dentro de la gama de productos de HEXONIC, la serie JAG de intercambiadores de calor de placas con juntas puede considerarse para aplicaciones de transferencia de calor de líquido a líquido, siempre que se respeten los parámetros técnicos del proyecto.
La selección final debe basarse siempre en las condiciones reales de funcionamiento, incluidos los perfiles de temperatura, los caudales, las limitaciones de presión y las características de los fluidos.
Las bombas de calor y los intercambiadores de calor desempeñan funciones diferentes
Las bombas de calor suelen acaparar la mayor parte de la atención en los proyectos de recuperación de calor de los centros de datos.
Su papel es esencial: elevan la temperatura de la energía térmica recuperada hasta un nivel adecuado para la aplicación prevista.
Sin embargo, una bomba de calor por sí sola no constituye un sistema completo de recuperación de calor.
La energía debe transferirse de forma fiable entre la fuente de calor, la bomba de calor y el usuario final.
Aquí es donde los intercambiadores de calor se vuelven imprescindibles.
Un intercambiador de calor con unas dimensiones incorrectas puede requerir una mayor diferencia de temperatura o provocar pérdidas de presión excesivas, lo que reduce la eficiencia global del sistema.
Por lo tanto, optimizar la selección del intercambiador de calor no es simplemente una cuestión de minimizar los costes de adquisición del equipo.
Puede influir en el consumo de energía y en los gastos de funcionamiento a lo largo de toda la vida útil de la instalación.
Más allá del PUE: medir el valor de la reutilización de la energía
La eficiencia energética de los centros de datos se ha evaluado tradicionalmente a través del índice de eficiencia en el uso de la energía (PUE).
El PUE sigue siendo una métrica importante, pero no describe por completo qué ocurre con la energía una vez que ha sido consumida por la instalación.
Una evaluación más amplia también puede incluir:
WUE (eficiencia en el uso del agua): mide el consumo de agua en relación con el uso de energía de las TI.
ERF (factor de reutilización de energía): indica la proporción de la energía total del centro de datos que se reutiliza fuera de la instalación.
El ERF plantea una cuestión importante:
¿Qué parte de la energía consumida por un centro de datos puede destinarse posteriormente a un uso productivo?
Dos instalaciones con valores de PUE similares pueden tener impactos energéticos globales significativamente diferentes si una desecha todo el calor excedente, mientras que la otra suministra parte de esa energía a consumidores externos.
Los centros de datos y el futuro de la calefacción urbana
Las redes de calefacción urbana representan uno de los destinos potenciales más prometedores para el calor recuperado de los centros de datos.
La transición hacia redes de calefacción a temperaturas más bajas está creando nuevas oportunidades para integrar energía térmica de baja temperatura.
Los sistemas tradicionales de calefacción urbana solían funcionar a temperaturas de suministro relativamente altas.
Las redes de calefacción urbana de cuarta generación suelen funcionar a temperaturas más bajas, a menudo en torno a los 60-70 °C, dependiendo del diseño del sistema y de las condiciones de funcionamiento.
Las redes de calefacción y refrigeración urbanas de quinta generación funcionan a temperaturas aún más bajas y pueden permitir el intercambio bidireccional de energía.
Estos avances hacen que resulte cada vez más viable integrar fuentes de energía descentralizadas, tales como:
Calor residual industrial
Energía geotérmica
Bombas de calor a gran escala
Recuperación de calor de centros de datos
La capacidad de conectar estos sistemas de manera eficiente depende en gran medida de una tecnología de transferencia de calor adecuada y del diseño general del sistema.
Un ejemplo real: 7,6 MW de energía térmica en Rozzano, Italia
El potencial de la recuperación de calor de los centros de datos queda ilustrado por un proyecto desarrollado en Rozzano (Italia) por TIM Enterprise en colaboración con GETEC Italia.
El proyecto integra la energía térmica recuperada en la red local de calefacción urbana.
A su capacidad nominal, el sistema está diseñado para recuperar aproximadamente 7,6 MW de potencia térmica.
Esto incluye aproximadamente 2,3 MW asociados a la recuperación mediante bombas de calor y 5,3 MW procedentes de la recuperación térmica de unidades de cogeneración.
El proyecto tiene el potencial de aportar calor a más de 5.000 hogares y, según la información publicada sobre el mismo, podría reducir las emisiones de CO₂ en aproximadamente 3.500 toneladas al año.
Una distinción importante es que los 7,6 MW totales incluyen el calor recuperado de las unidades de cogeneración, no exclusivamente del circuito de refrigeración del centro de datos.
No obstante, el proyecto pone de manifiesto un principio significativo:
Los centros de datos pueden convertirse en componentes integrados de la infraestructura energética local.
El análisis de viabilidad comienza antes de la selección de los equipos
La viabilidad técnica es solo una parte de un proyecto de recuperación de calor exitoso.
Los inversores, los operadores de centros de datos, las empresas energéticas y los equipos de ingeniería también deben tener en cuenta las condiciones económicas y operativas.
Entre las preguntas clave se incluyen:
¿Existe un consumidor de calor fiable en las proximidades?
¿Cuánta energía térmica se puede reutilizar de forma realista a lo largo del año?
¿A qué temperatura está disponible el calor?
¿Qué temperatura necesita el usuario final?
¿Cuánta electricidad consumirán la bomba de calor y las bombas de circulación?
¿Cuáles son los costes de capital y de explotación previstos?
¿Se puede ampliar el sistema a medida que aumenta la capacidad del centro de datos?
Estas cuestiones deben abordarse durante las primeras fases de diseño.
La adaptación de un sistema de recuperación de calor en un centro de datos ya existente puede resultar significativamente más compleja y costosa que su integración en la infraestructura energética y de refrigeración original.
De centro de costes a activo energético
La creciente demanda energética de los centros de datos suele abordarse principalmente como un reto.
Sin embargo, esta misma evolución genera una oportunidad.
Una mayor capacidad informática suele implicar más energía térmica disponible.
Con una infraestructura adecuada, unas condiciones de funcionamiento adecuadas y consumidores cercanos, parte del calor que, de otro modo, se descartaría puede devolverse al sistema energético general.
Para los operadores de centros de datos, la recuperación de calor puede formar parte de una estrategia energética a largo plazo.
Para los operadores de calefacción urbana, puede suponer una fuente de calor local adicional.
Para los equipos de ingeniería, esto implica una responsabilidad de diseño más amplia:
No se trata simplemente de diseñar la refrigeración del centro de datos, sino de optimizar todo el recorrido energético, desde el servidor hasta el usuario final.
HEXONIC: Intercambiadores de calor diseñados para condiciones reales de funcionamiento
No existe un intercambiador de calor universal adecuado para todas las aplicaciones de los centros de datos.
Una selección eficaz comienza con una comprensión detallada de los requisitos reales del sistema.
En HEXONIC, los intercambiadores de calor se seleccionan y configuran en función de la capacidad térmica, los perfiles de temperatura, los caudales, las presiones de funcionamiento, las caídas de presión admisibles y las propiedades del fluido de transferencia de calor.
En función de la aplicación, se pueden considerar intercambiadores de calor de placas con juntas, de placas soldadas o de carcasa y tubos.
Para circuitos líquido-líquido de alta capacidad, la serie JAG de HEXONIC ofrece soluciones configurables de intercambiadores de calor de placas con juntas, diseñadas para cumplir requisitos térmicos e hidráulicos específicos.
El objetivo no es simplemente alcanzar la capacidad térmica nominal, sino garantizar un equilibrio adecuado entre la eficiencia de la transferencia de calor, el rendimiento hidráulico, la fiabilidad y los costes operativos a largo plazo.
¿Está planificando un proyecto de refrigeración o de recuperación de calor para un centro de datos?
Tanto si está diseñando un nuevo centro de datos, actualizando un sistema de refrigeración existente o estudiando la recuperación de calor residual, la selección del intercambiador de calor adecuado es una parte importante del diseño general del sistema.
Comparta sus parámetros de funcionamiento con HEXONIC. Nuestro equipo técnico puede ayudarle a evaluar su aplicación e identificar una configuración de intercambiador de calor adecuada para su proyecto.
HEXONIC – Intercambiadores de calor. Diseñados para una transferencia de energía eficiente.
