Vías de reutilización del calor residual interno de los centros de datos

Los centros de datos (DC) son sinónimo de alto consumo energético y disipación de calor. Estas infraestructuras son prácticamente fábricas de calor, lo que genera una elevada huella de carbono. Como dice el refrán popular, «un gran poder conlleva una gran responsabilidad».

En este caso, la responsabilidad es, literalmente, la refrigeración y la eficiencia energética, debido a los recientes avances tecnológicos, incluida la gran demanda de sistemas basados en inteligencia artificial. En consecuencia, estos avances han impulsado la demanda de un enfoque más eficiente en materia de energía y refrigeración, además de reducir la eficacia en el uso de la energía (PUE) dentro de los DC.

Curiosamente, aunque las estrategias de refrigeración más eficientes han sido durante mucho tiempo el tema predominante de debate entre los profesionales de los centros de datos, esa mentalidad está cambiando gradualmente hacia la combinación de la refrigeración con el calor residual reciclado de estas fábricas de calor: los centros de datos.

Este «grano de arena», el calor residual, un recurso sin explotar, podría convertirse en la «piedra angular» de la eficiencia energética en este sector en constante crecimiento. Se han propuesto tecnologías como los enfriadores por absorción y adsorción, los sistemas desecantes para la deshumidificación y el ciclo orgánico de Rankine (ORC) para la generación de energía como posibles soluciones al problema del calor mencionado anteriormente, reduciendo los costes operativos y disminuyendo la PUE.

¿Cuál es la importancia del impacto de este cambio, desde la selección teórica hasta la implementación real? ¿Podemos confiar en estas tecnologías propuestas para reducir el PUE en esta industria en constante crecimiento? ¿La creciente complejidad de la infraestructura de los centros de datos se adaptará a estas tecnologías? ¿Se puede utilizar el calor residual de los centros de datos para alimentar sus propios sistemas? Este artículo aborda estas preguntas.

También pretende presentar brevemente las tecnologías mencionadas anteriormente, explorando y extrayendo conclusiones de estudios clave basados en investigaciones recientes de los últimos cinco años. Para responder mejor a estas preguntas, este artículo se centra exclusivamente en estudios de investigación experimentales y basados en simulaciones que investigan la posible reutilización del calor residual generado por los centros de datos a nivel interno, en lugar de externo.

Vías de reutilización del calor residual interno de los centros de datos

1.1 Vías de refrigeración

Enfriadores por absorción/adsorción para la refrigeración de centros de datos

Gupta y Puri (2021) llevaron a cabo un estudio de viabilidad centrado en la simulación sobre la reutilización interna del calor residual de los racks refrigerados por agua dentro de los centros de datos (DC) mediante la integración de un enfriador de adsorción de gel de sílice y agua. El sistema propuesto utiliza el agua caliente descargada de los racks refrigerados por líquido para accionar el enfriador de adsorción.

A continuación, este enfriador produce agua refrigerada para las unidades de refrigeración en fila que dan servicio a los racks refrigerados por aire cercanos. Al reducir la dependencia de los enfriadores de compresión de vapor convencionales, este enfoque ofrece ventajas energéticas, medioambientales y económicas.

En general, tras el análisis de sensibilidad, se identificaron las temperaturas del agua de entrada, el flujo de aire, el factor de reparto de carga y los puntos de consigna del agua refrigerada como los parámetros principales que afectan significativamente al rendimiento del sistema de enfriador por adsorción propuesto. Al integrar sistemas refrigerados por aire y por agua, el estudio demuestra mejoras significativas en la eficiencia del ahorro energético (ESE) de hasta un 22,5 % y reducciones anuales de las emisiones de CO? de 104 toneladas.

Sin embargo, se identificó una compensación operativa clave: los operadores deben elegir entre maximizar el ahorro de energía o maximizar la potencia computacional. El funcionamiento del sistema con calor residual de menor grado (por ejemplo, agua de entrada a 40 °C) optimiza la eficiencia del enfriador y la ESE, pero obliga a los servidores a funcionar a temperaturas más altas.

Por el contrario, el uso de calor de mayor calidad (por ejemplo, 65 °C) mejora la temperatura de funcionamiento del enfriador, pero puede degradar el rendimiento informático del servidor (GFLOPs/W) hasta en un 6 %. Los autores informan de que los posibles inversores pueden esperar obtener un retorno de la inversión en poco más de un año (379 días) para un enfriador de adsorción de 30 kW y en menos de un año (285 días) para un enfriador de 90 kW.

En la misma línea, Amiri et al. (2021) se basaron en el trabajo de Gupta y Puri (2021). Los autores simularon las posibles aplicaciones de los enfriadores por absorción en centros de datos en comparación con el enfriador por adsorción modelado por Gupta y Puri. El enfriador por absorción requiere una solución salina líquida, bromuro de litio (LiBr), como absorbente, mientras que el enfriador por adsorción empleado por Gupta y Puri (2021) utiliza un sorbente sólido, como el gel de sílice.

Aunque ambos enfriadores mencionados utilizan agua como refrigerante, la diferencia clave radica en el grado de calor requerido. El enfriador por absorción requiere un calor residual de grado relativamente alto, mientras que el enfriador por adsorción puede funcionar con un calor residual de menor temperatura.

Cuando se modeló para un centro de datos, el estudio de Amiri et al. (2021) reveló que un centro de datos con una capacidad de 4,5 MW y 13,5 MW podría lograr un ahorro energético de entre 4,3 y 13,0 GWh al año. Esta reducción del consumo energético vino acompañada de una disminución significativa de las emisiones de CO?, con una reducción anual de entre 3068 y 9208 toneladas. El estudio también descubrió que el uso de enfriadores por absorción reducía la carga de trabajo de los enfriadores por compresión convencionales, lo que contribuía a la eficiencia energética general. Desde el punto de vista económico, el sistema podría alcanzar períodos de amortización de entre 2,56 y 2,76 años, con una mejora del rendimiento a medida que aumenta la escala del centro de datos.

Muy recientemente, Cui et al. (2025) propusieron un sistema de refrigeración impulsado por calor residual para centros de datos. Este sistema utiliza una enfriadora de absorción LiBr-H?O de triple etapa diseñada para funcionar con calor residual de grado ultrabajo a 50 °C. El sistema captura el calor del circuito de refrigeración líquida y lo utiliza para enfriar los componentes refrigerados por aire, lo que reduce la dependencia de los enfriadores convencionales. Una novedosa función de cambio de etapa permite al enfriador maximizar su capacidad de refrigeración a partir de una fuente de calor residual limitada, ajustando continuamente sus modos de funcionamiento a medida que disminuye la temperatura del agua de refrigeración.

Para demostrar la eficacia del sistema, Cui et al. (2025) utilizaron el caso práctico de un centro de datos con una capacidad de refrigeración líquida de 200 kW y una capacidad de refrigeración por aire de 100 kW. La enfriadora propuesta logró una reducción del 80,5 % en la carga de refrigeración mecánica y un ahorro anual de electricidad de 78 MWh. En general, los autores señalaron que la solución sería especialmente eficaz en climas cálidos y húmedos y que es compatible con las estrategias de refrigeración libre existentes.

1.2 Vías de control de la humedad

Deshumidificación basada en desecantes para centros de datos

En un interesante estudio experimental realizado por Huang et al. (2025), se utilizaron intercambiadores de calor recubiertos de desecante (DCHE) para deshumidificar un centro de datos refrigerado por líquido. Según los autores, el sistema logra una deshumidificación continua alternando entre dos conjuntos de DCHE, impulsados por agua de calor residual a 50 °C recuperada del circuito de refrigeración líquida y aire frío ambiental a 15 °C. Tras una serie de experimentos, los autores informaron de una eficiencia de recuperación de calor de aproximadamente el 42 % con un caudal de aire de 4500 m³/h y un coeficiente de rendimiento medio (COPd) de hasta 8,85 con un caudal de aire de 2700 m³/h.

Además, observaron un aumento del COP de deshumidificación y una disminución de la eficiencia de recuperación del calor residual con la reducción del caudal de aire, y viceversa. En general, concluyeron que el DCHE propuesto era 1,36 veces más eficiente energéticamente que un sistema de deshumidificación convencional, con una tasa de eliminación de humedad de 7,07 kg/kWh de electricidad consumida.

Siguiendo el mismo camino de la deshumidificación de centros de datos utilizando calor residual, Okposio (2020) estableció la posibilidad de utilizar sistemas de refrigeración por evaporación directa basados en desecantes en los centros de datos tras un análisis experimental. Este sistema absorbe la humedad del aire refrigerado del centro de datos y luego regenera el desecante utilizando el aire de retorno caliente (calor residual) del centro de datos. Los autores propusieron y probaron un sistema de recuperación de condensado

para capturar el agua desorbida del material desecante, demostrando su potencial reutilización en el proceso de enfriamiento por evaporación para reducir el consumo total de agua en los centros de datos. Los resultados experimentales mostraron una correlación entre la profundidad (espesor) de la almohadilla y el enfriamiento por evaporación, mejorando este último hasta un 81 % a medida que aumentaba el espesor de la almohadilla. Se descubrió que el método de recuperación de condensado propuesto recuperaba una media del 50 % de la humedad perdida. En general, el autor informó de una mejora significativa en el PUE debido a la eficiencia operativa del sistema.

1.3 Vías de recuperación de energía

Ciclo orgánico de Rankine (ORC)

Los centros de datos son fábricas de calor. Sin embargo, la atención se ha centrado principalmente en resolver su problema de refrigeración, en lugar de considerar el calor en sí mismo como un recurso. El ciclo orgánico de Rankine (ORC) se ha identificado como una posible solución para aprovechar este calor de baja calidad de los servidores y volver a utilizarlo como energía para el propio centro de datos.

Ancona et al. (2022) llevaron a cabo una investigación para evaluar la viabilidad de integrar micro ORC en los sistemas de refrigeración de los centros de datos. Empleando un banco de pruebas ORC de 3 kW, los autores variaron y analizaron: la potencia térmica de entrada, la potencia de salida del expansor, la producción neta de energía y la eficiencia global. El análisis experimental reveló una correlación entre la temperatura de la fuente de calor y la potencia térmica de entrada del sistema ORC. El análisis numérico reveló que, a medida que la temperatura de la fuente de calor aumentaba de 40 °C a 55 °C, la potencia térmica aumentaba de 10 kW a más de 20 kW, lo que provocaba un aumento del caudal másico del ORC, una tendencia coherente con los resultados experimentales.

Sin embargo, se descubrió que el caudal de la fuente de calor tenía un efecto insignificante sobre la potencia de entrada. En cuanto a la potencia de salida del expansor, los autores descubrieron que tanto la temperatura de la fuente de calor como el caudal másico del ORC tenían un impacto positivo en la potencia del expansor, que aumentaba de 200 W a 550 W. Además, se observó que la producción neta de potencia aumentaba al aumentar la temperatura de la fuente de calor (calor residual de CC), mientras que se observaba una correlación negativa con la temperatura del sumidero de frío (que representa la temperatura del aire ambiente). En general, mediante el uso de modelos numéricos, se observó que el sistema ORC era el más eficiente para convertir el calor residual de CC en electricidad cuando se empleaba el refrigerante R1234ze(E), lo que indica que el rendimiento del sistema ORC depende del fluido.

Marshall y Duquette (2022) se basaron en el trabajo de Ancona et al. (2022) para realizar un modelado a nivel de sistema para la posible integración de los sistemas ORC en las operaciones de CC. El modelo que proponen, un ciclo orgánico de Rankine asistido por bomba de calor (HPA-ORC) basado en refrigerante, mejora el concepto básico de ORC propuesto por Ancona et al.

En comparación con la configuración de Ancona et al., el sistema HPA-ORC recoge el calor residual de los servidores de los centros de datos y la bomba de calor integrada mejora este calor de baja calidad, haciéndolo útil. En esta fase, el calor capturado se envía al sistema ORC, una pequeña central eléctrica, donde un fluido refrigerante hierve a una temperatura relativamente baja, creando un vapor a alta presión que gira y se expande a través de una turbina para producir electricidad. A continuación, el vapor se enfría de nuevo para repetir el mismo ciclo.

Los autores modelaron un centro de datos de 1000 servidores, probaron varios refrigerantes y compararon el sistema HPA-ORC propuesto con un sistema de refrigeración con bomba de calor de fuente de aire (ASHP) para evaluar los posibles beneficios económicos de los sistemas ORC. Los resultados del modelado confirman una correlación entre el fluido refrigerante y el rendimiento del HPA-ORC, siendo el R161 y el pentano los que obtuvieron mejores resultados.

Como era de esperar, se comprobó que el sistema HPA ORC superaba a su homólogo ASHP. Además, cuando se utilizaba en las mismas condiciones, el sistema HPA-ORC resultaba más viable económicamente, ya que la rentabilidad aumentaba con el incremento de la utilización de los servidores. A pesar de los mayores costes iniciales de capital y mantenimiento, el estudio concluye que su implementación a gran escala promete considerables beneficios económicos.

Comparación y conclusiones

De la bibliografía revisada se desprende que el potencial de utilización del calor residual de los centros de datos ha pasado de la clasificación teórica de la conversión de calor de los racks de servidores a la implementación de sistemas de ingeniería prácticos, pasando de la teoría a la acción. Se está prestando mucha más atención a la reutilización del calor residual dentro de los centros de datos, en lugar de fuera de ellos.

El conjunto de trabajos revisados abarca diferentes enfoques tecnológicos, que van desde enfriadores de absorción/adsorción y sistemas de deshumidificación basados en desecantes hasta la generación de energía mediante sistemas ORC. En conjunto, estos estudios muestran que el calor residual generado por los servidores no es solo un subproducto, sino que es recuperable y puede aprovecharse para la refrigeración y la generación de energía, lo que promueve la eficiencia energética dentro de los centros de datos.

En cuanto a la reutilización del calor para la refrigeración dentro de los centros de datos, el enfriador de absorción multietapa propuesto por Cui et al. (2025) parece ser bastante sofisticado e impresionante debido a su requisito de calor de grado ultrabajo (tan bajo como 50 °C) y su proceso multietapa. Aunque su principio de funcionamiento es similar al del enfriador de adsorción propuesto por Gupta y Puri (2021), que utiliza el calor del circuito de refrigeración líquida, el modelo podría implantarse en regiones con altas temperaturas y alta humedad. En general, estos estudios han demostrado la viabilidad de la reutilización térmica en los centros de datos y la posibilidad de reducir la carga de refrigeración, así como de mejorar la PUE mediante los métodos propuestos.

Más allá de la refrigeración, se ha identificado la gestión de la humedad relativa como un área clave para mejorar la eficiencia. El uso de intercambiadores de calor recubiertos de desecante (DCHE) se ha validado a nivel práctico como una solución viable para los problemas de deshumidificación dentro de los centros de datos.

El sistema propuesto por Okposio puede eliminar simultáneamente el calor de adsorción y deshumidificar el aire, lo que reduce la demanda de los enfriadores y ahorra energía, al tiempo que mejora la PUE del centro de datos. Los autores señalaron que lograr el equilibrio adecuado entre el caudal de aire y la velocidad del ventilador optimizará aún más el sistema. En conjunto, estos estudios demuestran que la reutilización del calor residual de los centros de datos para la refrigeración y el control de la humedad ya no es un concepto teórico, sino que se está convirtiendo en una solución real con importantes beneficios económicos y medioambientales.

A diferencia de la reutilización térmica directa mencionada anteriormente, el ciclo orgánico de Rankine (ORC) representa un enfoque diferente. En este caso, el mismo calor de baja calidad empleado para la refrigeración y la deshumidificación también podría convertirse directamente en electricidad. En términos sencillos: el calor del servidor hierve un refrigerante ? la expansión del vapor hace girar una turbina ? se produce electricidad. Y lo que es más importante, la electricidad generada no es teórica, sino que puede utilizarse dentro de los centros de datos para alimentar algunos sistemas, como válvulas de control, ventiladores, sensores del sistema de gestión de edificios (BMS) y cargas auxiliares. Sin embargo, cuando se escala a múltiples racks, la recuperación colectiva de energía podría reducir potencialmente el PUE de un centro de datos al autoalimentar parcialmente sus propios subsistemas de gestión térmica, aunque la conversión eficiente de energía del calor a la electricidad sigue siendo un reto clave.

En resumen, se han identificado tres ideas clave a partir del conjunto de trabajos revisados:

• El rango de temperatura determina la viabilidad tecnológica: todas las tecnologías propuestas tienen un requisito de temperatura mínima para funcionar de manera eficiente. Los enfriadores por absorción y adsorción pueden funcionar a temperaturas moderadas (50-70 °C). Por otro lado, los sistemas desecantes funcionan mejor a temperaturas más bajas (35-55 °C), mientras que los ORC pueden funcionar en un amplio rango de temperaturas bajas a medias.
• Oportunidades de integración viables en los centros de datos: una combinación de los sistemas mencionados anteriormente en un centro de datos compensará la demanda eléctrica en todos los aspectos, lo que se traducirá en ganancias de eficiencia compuestas a lo largo del tiempo.
• Potencial económico y medioambiental: la reutilización interna del calor residual para la refrigeración y la deshumidificación reducirá la dependencia excesiva de los enfriadores primarios y disminuirá el consumo de agua, como lo demuestra el sistema de recuperación de condensado propuesto (explicado anteriormente). Esto mejorará la circulación general de la energía, ya que el calor recuperado compensa tanto la carga eléctrica como la de refrigeración.

Conclusión

Lo que antes se consideraba una carga, el calor residual, ahora es un activo operativo. Los estudios revisados proporcionan un plan para utilizarlo internamente con el fin de reducir directamente el PUE y construir un modelo energético de centros de datos más circular y sostenible.

A medida que los centros de datos siguen evolucionando hacia fábricas de calor, aquellos que logren transformar con éxito esta «piedra rechazada» en un «activo operativo» liderarán el sector hacia la sostenibilidad tanto económica como medioambiental.

(datacenterdynamics.com)

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