Soluciones de refrigeración de telecomunicaciones para infraestructuras modernas

Esta evolución plantea un grave problema que no debe subestimarse: calor.

Las actuales estaciones base 5G consumen entre 2 y 3 veces menos energía que sus predecesoras 4G. Este mayor consumo de energía se convierte directamente en un mayor rendimiento térmico. Es mucho lo que está en juego para los gestores de infraestructuras y los ingenieros de telecomunicaciones. Una refrigeración deficiente provoca estrangulamiento térmico, reduce la vida útil de los componentes y, lo que es peor, tiempos de inactividad de la red. Los fallos térmicos ya no son una opción en un sector en el que la norma es una disponibilidad de cinco nueves (99,999%).

En esta guía, este documento explorará el estado actual de la refrigeración en telecomunicaciones y examinará las tecnologías más apropiadas para la infraestructura en cuestión, así como la forma de optimizar su estrategia de gestión térmica tanto en términos de rendimiento como de coste.

La evolución de los retos térmicos en las telecomunicaciones

Es importante comprender las razones por las que el perfil térmico de los equipos de telecomunicaciones ha evolucionado tan drásticamente antes de elegir una solución.

La densidad de potencia es la principal motivación. Antes, los equipos de telecomunicaciones se alojaban en grandes centros de conmutación donde las unidades CRAC (Computer Room Air Conditioning) eran enormes. Hoy la red es cada vez más densa. Las matrices MIMO (Multiple Input, Multiple Output) masivas de antenas y unidades de banda base (BBU) están colocando más unidades de procesamiento en áreas más pequeñas.

Además, ha cambiado el lugar donde se sitúan los equipos. La infraestructura se está desplazando a la periferia, donde se sitúa en armarios de carretera, tejados y al pie de torres de telefonía móvil. Estos sitios no tienen las normas ambientales limpias de un centro de datos. Están sujetos a:

• Carga solar: La luz solar directa aumenta las temperaturas internas del armario.
• Temperaturas altas y bajas extremas: Noches heladas, días abrasadores.
• Restricciones acústicas: Deben observarse consejos en la ubicación de equipos en barrios residenciales que restrinjan los niveles de ruido del equipo para que el ventilador pueda girar agresivamente.

Ya no se trata sólo de mantenerlo frío, sino de hacerlo de forma eficiente, silenciosa y fiable, en lugares hostiles.

Tecnologías de refrigeración primaria: Aire vs. Líquido vs. Híbrido

Un método de refrigeración es mejor que otro. La decisión correcta dependerá en gran medida de la carga térmica (en kW) y de la ubicación física del equipo.

Precision Air Cooling & Free Cooling

La refrigeración por aire sigue siendo el estándar utilizado por la gran mayoría de los centros de telecomunicaciones, especialmente aquellos cuyas cargas son inferiores a 10-15 kW por rack.

Aire acondicionado de precisión: En este método se utiliza un sistema de circuito cerrado (como una unidad CRAC) para reducir la temperatura mecánicamente. Aunque funciona bien, se basa en ventiladores internos de gran potencia que se utilizan para empujar este aire acondicionado a través de bastidores de servidores de densidad apilada y filtros. Es estable y bien conocido y consume mucha energía, ya que el compresor está encendido durante todo el tiempo que los ventiladores están activados.

Free Cooling (refrigeración directa por aire): Para luchar contra los excesivos costes energéticos, el Free Cooling se ha convertido en el estándar de la industria. En este tipo de técnica, el aire ambiente externo se utiliza como medio de refrigeración del equipo cuando la temperatura exterior es más fría que la consigna interna. Un controlador inteligente abre las compuertas y activa ventiladores de admisión y escape de alta eficiencia para introducir aire fresco en la cabina, evitando el compresor, que suele quemar mucha energía.

• Ventajas: El uso de ventiladores en lugar de refrigeración podría suponer un gran ahorro de OPEX (hasta 40-50% de ahorro energético en climas más fríos) al funcionar con ventiladores en lugar de refrigeración.
• Desventajas: Añade humedad y contaminantes en caso de filtración deficiente; no funciona bien en climas tropicales.

Refrigeración líquida (directa al chip e inmersión)

Por encima de densidades de rack de 20 kW (lo que ocurre con los nodos de borde alimentados por IA), el aire deja de conducir eficazmente el calor. El nuevo competidor es la refrigeración líquida.

1. Directo al chip (DTC): Se colocan placas frías sobre los componentes calientes (CPU/GPU) y se utiliza fluido dieléctrico para transferir el calor.
2. Refrigeración por inmersión: La placa del servidor está totalmente sumergida en un fluido no conductor.

La realidad: Aunque la refrigeración líquida puede utilizarse para transferir mejor el calor, supone un rediseño a gran escala de la infraestructura actual, lo que implica la introducción de fontanería, bombeo y otros nuevos procedimientos de mantenimiento desconocidos para muchos emplazamientos de telecomunicaciones remotos. En un futuro próximo previsible, las soluciones híbridas asistidas por aire serán la opción más viable en cuanto a implantación masiva.

Estrategias híbridas de refrigeración

Refrigeración híbrida es el futuro a realizar por muchos operadores. Esta estrategia se basa en la refrigeración por aire de la mayor parte de la sala o armario, pero aplica una forma localizada de refrigeración líquida (por ejemplo, un intercambiador de calor de puerta trasera) a determinados racks de alta densidad. Esto permitirá a los operadores aumentar la escala de 5G sin renunciar a sus inversiones heredadas en refrigeración por aire.

Para que pueda visualizar el proceso de selección, a continuación se ofrece una comparación de casos de uso típicos:

Estrategias de refrigeración para armarios de telecomunicaciones exteriores

La primera línea de la red moderna es el armario exterior. No tiene un armazón que proteja los equipos, como ocurre en los centros de datos. La política de refrigeración en este caso debe ser tanto defensiva como funcional.

Gestión de los factores ambientales (polvo, humedad y calor)

Sistemas de refrigeración exterior se caracterizan por la protección contra la penetración (IP) o Clasificación NEMA. La construcción del elemento de refrigeración, el ventilador en este caso, es con frecuencia el eslabón más débil.

1. Polvo y arena: Los disipadores térmicos y los filtros pueden obstruirse con partículas finas en un entorno desértico o urbano. La resistencia al flujo de aire aumenta a medida que los filtros se llenan de polvo. Esto requiere el uso de Alta Presión estática Ventiladores que pueda mantener un caudal de aire suficiente en medios obstruidos sin calarse ni quemarse.
2. Humedad y niebla salina: La niebla salina es letal para el servicio costero. Provoca la corrosión del cobre y la pérdida de los cojinetes normales de los ventiladores en las placas de circuitos. Los remedios a este problema son Ventiladores IP68 con motores totalmente encapsulados. Estos ventiladores están herméticamente sellados, a diferencia de los ventiladores revestidos normales, de modo que los componentes electrónicos internos nunca están expuestos a la humedad ni a la sal.

Métodos de refrigeración activos frente a pasivos

La consideración de refrigeración activa o pasiva de un armario exterior es una computacionalización de Δ T (delta T) - la discrepancia entre la temperatura interior más alta permisible y la temperatura exterior más alta permisible.

1. Refrigeración pasiva (intercambiadores de calor/HEX)

Es la solución de bajo consumo más segura. Recircula el aire caliente en el armario mediante un ventilador interno y expulsa el aire ambiente frío a través de un núcleo de intercambio térmico mediante un ventilador externo. Las dos corrientes de aire nunca se mezclan.

• El papel del aficionado: La capacidad de refrigeración del sistema es impulsada únicamente por el volumen de flujo de aire de los ventiladores, ya que el sistema no dispone de compresor. Los ventiladores de alto rendimiento pueden potenciar considerablemente la tasa de eliminación de calor de la unidad HEX tradicional.

2. Refrigeración activa (aire acondicionado/TEC)

La refrigeración activa es necesaria cuando el armario tiene que estar al sol, a 40 °C (104 °F), y el equipo debe mantenerse a 25 °C (77 °F).

Aunque los acondicionadores de aire activos funcionan con electricidad, utilizan potentes ventiladores del condensador para ceder el calor a la atmósfera. Cuando estos ventiladores funcionan mal o se desgastan en condiciones climáticas adversas, el compresor se sobrecalienta y explota. Así pues, la calidad de los ventiladores instalados en la unidad de aire acondicionado es un factor que está directamente relacionado con la calidad de la propia unidad de aire acondicionado.

El papel de la tecnología avanzada de ventiladores en la eficiencia del sistema

No importa el tipo de Intercambiador de Calor que seleccione, o una unidad de AC de Precisión o un sistema de Free Cooling, un elemento destaca como muy importante para el rendimiento general y la eficacia de toda la cadena, y ese es El Ventilador.

El ventilador suele considerarse una mercancía; sin embargo, en realidad, es el latido del sistema térmico. Si el ventilador se rompe, la refrigeración se interrumpe y el lugar se queda a oscuras. Cuando este ventilador no es eficiente, entonces su PUE (Power Usage Effectiveness) se dispara al cielo.

Por qué los ventiladores son esenciales para las telecomunicaciones modernas (ACDCFAN Solutions)

Un ventilador genérico no basta en el contexto de la infraestructura de telecomunicaciones moderna. Aquí es donde entra en juego la ingeniería especializada en Coste Total de Propiedad (TCO).

En ACDCFAN, nos hemos dado cuenta de que los clientes del sector de las telecomunicaciones sufren tres problemas concretos: el derroche de energía, las duras condiciones ambientales, las temperaturas extremas y los costes de mantenimiento. La solución a estos problemas pasa por abandonar los ventiladores de CA normales en favor de otros más específicos:

• Refrigeración inteligente "a la carta" (tecnología EC):

  Los ventiladores convencionales funcionan a máxima velocidad en todo momento. Los ventiladores EC (Electronically Commutated) de ACDCFAN son compatibles con el control de velocidad inteligente PWM (Pulse Width Modulation). El ventilador tendrá contacto con el sistema y sólo girará más rápidamente con el aumento de la carga térmica.

  • El valor: Cuando la carga de tráfico es baja, los ventiladores se ralentizan, lo que minimiza considerablemente el consumo de energía y el ruido.
• Sobrevivir a la intemperie (protección IP68):

  Los ventiladores normales no duran mucho cuando están expuestos al agua o a diminutas partículas de polvo. En el caso de los armarios de telecomunicaciones para exteriores, utilizamos un Encapsulado IP68 procedimiento. Esto hace que el motor y la electrónica sean totalmente resistentes a la entrada de agua y polvo. Además, nuestros diseños están concebidos para funcionar bien en altitudes extremas, cuando la densidad del aire es suficiente y se obtiene una refrigeración suficiente, a diferencia de los ventiladores normales que no pueden funcionar en esas condiciones.

• La longevidad como ahorro de costes:

  Un cambio de ventilador que requiera sustitución en un lejano armario en la cima de una montaña puede costar medio millar en camiones y horas de mano de obra. La fiabilidad es primordial. Con la ayuda de los sistemas Dual Ball Bearing de alta calidad, nuestros ventiladores son capaces de alcanzar una MTBF (tiempo medio entre fallos) de más de 70.000 horas. Se trata de una característica importante de esta fiabilidad "instalar y olvidar" para minimizar el OPEX en infraestructuras remotas.

Gestión térmica para centros Edge Computing

El centro de datos Edge está situado un poco más hacia el interior que el armario remoto. Se trata de centros de datos en contenedores y prefabricados que se colocan más cerca del usuario para minimizar la latencia.

El espacio es un lujo en este tipo de unidades. Las grandes unidades de refrigeración perimetral están descartadas. La moda en este ámbito es la refrigeración en fila o los intercambiadores de calor de puerta trasera. Éstos se sitúan entre los bastidores de servidores (o en la parte trasera de los mismos), reduciendo la distancia del flujo de aire.

Los puntos calientes también son difíciles de tratar en los centros Edge. Debido a la posibilidad de que varíen las cargas de trabajo en diferentes bastidores (por ejemplo, un bastidor está proporcionando streaming de vídeo, otro está proporcionando datos IoT), el calor se produce de forma desigual. Para gestionar todos estos microclimas, los sistemas inteligentes de gestión térmica deben contar con sensores que los detecten y dirijan el flujo de aire al lugar que sea necesario, otra de las razones que subyacen a los sistemas inteligentes de gestión térmica. Ventiladores PWM descrito anteriormente.

Optimización del PUE: eficiencia energética en la infraestructura de telecomunicaciones

PUE (Power Usage Effectiveness) es la relación entre la energía total de las instalaciones y la energía de los equipos informáticos. Un PUE perfecto es 1,0. Las instalaciones de telecomunicaciones más antiguas suelen funcionar con un PUE de 2,0 o superior; es decir, cada vatio de electricidad consumido en la transmisión de datos se desperdicia en refrigeración e iluminación.

Minimizar el PUE no es sólo una cuestión de ser ecológico, sino que también es una cuestión de rentabilidad que puede minimizarse mediante el mantenimiento. La refrigeración ha sido un componente típico del 30-50% de la demanda energética de un emplazamiento de telecomunicaciones.

Para optimizar el PUE:

1. Sube la consigna: Los equipos de telecomunicaciones contemporáneos son duraderos. La temperatura de consigna interna de 22 °C puede aumentarse a 26 °C, y permite ahorrar cantidades colosales.
2. Implantar la gestión del flujo de aire: Implemente la gestión del flujo de aire. Separe los pasillos de frío y calor para evitar la mezcla de aire.
3. Actualización a componentes de velocidad variable: El futuro cambio a compresores y ventiladores de velocidad variable le garantiza que sólo pagará por refrigerar lo que realmente necesite en ese momento.

Conclusión

El paso a la infraestructura moderna de telecomunicaciones es un proceso de gestión de la densidad. Cuanto mayor es la velocidad a la que transmitimos datos utilizando redes más avanzadas, mayor es la penalización térmica. Independientemente de que se trate de una torre remota gestionada por 5G o de un edge center en contenedores, el objetivo es similar, es decir, fiabilidad, eficiencia y longevidad.

Es posible que no se disponga de presupuesto para construir instalaciones completamente nuevas con refrigeración líquida, como es el caso de muchos operadores. Es en este punto donde la retroadaptación será una estrategia eficaz.

No es necesario sustituir toda la unidad de refrigeración para obtener algunas ventajas. Se puede dar una nueva vida a los armarios antiguos actualizándolos con bandejas de ventiladores de alto caudal de aire más modernas o cambiando los ventiladores de CA de los armarios por equivalentes eficientes de tipo EC. Este método de microactualización aborda las preocupaciones térmicas a corto plazo de los equipos 5G con el ahorro de costes de una actualización completa del emplazamiento.

ACDCFAN está a su lado si experimenta problemas térmicos en su despliegue, ya sea diseñando un nuevo armario de intemperie o actualizando uno antiguo con la estación base anterior. Contamos con nuestra gama holística de ventiladores de CA, CC y CE y sólidas capacidades de ODM que nos permiten dar una propuesta de solución de refrigeración preliminar. en un plazo de 10 días.

El futuro de las telecomunicaciones es caluroso, pero con el plan de refrigeración adecuado, su red de telecomunicaciones seguirá siendo fresca, eficiente y estará en línea.