Artigo publicado na edição outubro/25 do Ashrae Journal não apenas defende o resfriamento líquido como novas métricas e atualização das normas atuais

A indústria de data centers encontra-se em um ponto de inflexão histórico. Durante décadas, a arquitetura de resfriamento dessas instalações permaneceu relativamente estática, baseada quase que exclusivamente no movimento de grandes volumes de ar para dissipar o calor gerado pelos servidores. No entanto, o cenário tecnológico atual, impulsionado pela adoção exponencial de cargas de trabalho de inteligência artificial (IA) e computação de alto desempenho (HPC), submeteu essa abordagem tradicional a um estresse sem precedentes.

O aumento na densidade de potência dos chips modernos avança para patamares cada vez mais elevados, tornando o resfriamento a ar convencional não apenas ineficiente, mas, em muitos casos, fisicamente incapaz de manter as temperaturas de operação dentro dos limites seguros. De acordo com dados recentes, o consumo de energia dos data centers nos EUA saltou de aproximadamente 1,9% para 4,4% do consumo anual de eletricidade do país entre 2017 e 2023, e a projeção para 2028 é de 6,7% a 12% da energia total consumida no país. Uma parcela significativa desse crescimento está atrelada à necessidade de resfriar equipamentos de TI (ETI) de alta densidade.

É neste contexto que o resfriamento líquido, antes considerado uma tecnologia de nicho ou “marginal”, emerge como uma solução não apenas viável, mas necessária para a sustentabilidade e a continuidade do crescimento do setor. Como bem colocam Dustin Demetriou, David Quirk e Tom Davidson em seu artigo seminal publicado na edição de outubro de 2025 do ASHRAE Journal, “com o aumento exponencial no uso de software de inteligência artificial (IA) em data centers, o resfriamento líquido não pode mais ser considerado uma tecnologia ‘marginal’ na indústria de data centers”.

Obstáculos ao desenvolvimento: impactos sociais, econômicos e ambientais

A transição para o resfriamento líquido, embora tecnicamente promissora, não ocorre no vácuo. Ela é profundamente influenciada e, por vezes, obstruída por uma série de impactos e preocupações de ordem social, econômica e ambiental que a indústria precisa endereçar.

Do ponto de vista ambiental, o consumo energético dos data centers já é um tópico sensível. Com o aumento da densidade de carga, a demanda por eletricidade não apenas para processamento, mas também para infraestrutura de suporte (como ventiladores e chillers), coloca pressão sobre as redes elétricas e as metas de descarbonização. A captação de água para resfriamento evaporativo em torres também é um recurso cada vez mais escasso e politizado, especialmente em regiões áridas ou com estresse hídrico.

Economicamente, o custo de construção e operação está sob escrutínio. A adoção de novas tecnologias exige investimentos iniciais significativos em infraestrutura, como a instalação de loops de distribuição de fluidos, unidades de distribuição de resfriamento (CDUs) e trocadores de calor. Para operadores de data centers existentes, construídos sob a concepção de resfriamento a ar, o custo de retrofit para suportar soluções líquidas pode ser proibitivo, criando uma barreira à modernização.

Socialmente, a localização e expansão dos data centers enfrenta resistência comunitária em diversas partes do mundo. A percepção pública, muitas vezes alimentada por relatos de alto consumo energético e hídrico em detrimento das comunidades locais, transforma a construção de novas instalações em um desafio de licenciamento e relações públicas. A promessa de eficiência do resfriamento líquido, portanto, precisa ser comunicada de forma clara para demonstrar que a evolução tecnológica pode caminhar lado a lado com a responsabilidade socioambiental, reduzindo a pegada ecológica por unidade de processamento.

O desafio térmico e as alternativas de resfriamento

O cerne do problema está na gestão térmica. Os data centers modernos são, essencialmente, gigantescas máquinas de converter energia elétrica em calor. Os processadores de alto desempenho possuem uma densidade de fluxo de calor tão elevada que os sistemas a ar tradicionais se tornam logística e energeticamente ineficientes para transportar essa carga térmica para fora do ambiente.

Para resolver este gargalo, a indústria tem se voltado para duas principais famílias de soluções de resfriamento, cada qual com suas vantagens e desafios específicos:

Resfriamento líquido híbrido (Direto-ao-Chip com Cold Plates): Nesta configuração, a água ou um fluido refrigerante, é conduzida até placas frias (cold plates) instaladas diretamente sobre os componentes de maior dissipação térmica (CPUs, GPUs). Os demais componentes (memória, discos) continuam sendo resfriados por ar.
Vantagens: Alta eficiência na remoção de calor dos pontos críticos, redução drástica da necessidade de fluxo de ar no servidor (ventiladores internos operam em velocidade reduzida ou são eliminados) e integração mais simples com a infraestrutura existente de sala.
Problemas e desvantagens: Ainda requer um sistema de suporte a ar para os componentes periféricos, aumentando a complexidade. Há o risco de vazamentos próximos a componentes eletrônicos sensíveis. A infraestrutura de suporte (bombas, CDUs, tubulações) adiciona custo e complexidade ao piso da sala.

Resfriamento por imersão total: Nesta modalidade, os servidores são submersos em um fluido dielétrico (não condutor). Pode ser de fase única (o fluido circula e transfere calor sem mudar de estado) ou bifásico (o fluido ferve ao contato com o componente quente e o vapor é condensado e retorna ao reservatório).
Vantagens: Máxima eficiência térmica, eliminação completa de ventiladores nos servidores, permitindo densidades de potência extremamente altas. O fluido dielétrico também protege os componentes contra contaminantes ambientais.
Problemas e desvantagens: Maior desafio de retrofit, exigindo tanques específicos e modificações nos servidores (remoção de ventiladores, garantia de compatibilidade dos materiais). A manutenção e o manuseio dos componentes são mais complexos (necessidade de equipamentos de içamento e procedimentos específicos para retirada dos servidores do fluido). O custo do fluido dielétrico pode ser elevado.

Uma defesa do resfriamento líquido

No centro do debate contemporâneo sobre eficiência energética em data centers, o artigo de Demetriou, Quirk e Davidson no ASHRAE Journal se destaca como uma defesa técnica robusta e detalhada do resfriamento líquido, indo além da simples constatação de que ele “funciona melhor”. Os autores se aprofundam nas nuances de engenharia que justificam essa transição e expõem as limitações das métricas atuais para quantificar esses ganhos.

Demetriou e seus colegas iniciam sua defesa comparando as propriedades termofísicas dos meios de resfriamento. O calor específico da água é aproximadamente quatro vezes maior que o do ar (1,00 Btu/lb·°F contra 0,24 Btu/lb·°F). Isso significa que, para transportar a mesma quantidade de energia, o sistema líquido necessita de um volume drasticamente menor de fluido e, consequentemente, de muito menos energia de bombeamento do que a energia necessária para movimentar o ar com ventiladores.

Este princípio se traduz em dois ganhos fundamentais apontados pelos autores:

1. Redução da energia de transporte: A energia necessária para mover o meio de resfriamento (ventiladores no ar vs. bombas no líquido) é inerentemente menor no caso do líquido. Em servidores refrigerados a ar, a energia dos ventiladores é um componente significativo do consumo total do equipamento. Em sistemas híbridos, essa carga é reduzida; em sistemas de imersão, é completamente eliminada.
2. Maior potencial de eficiência energética: As temperaturas de aproximação (approach temperatures) em trocadores de calor líquido-líquido são tipicamente menores do que em trocadores que envolvem ar. Isso permite que a água aquecida pelos servidores (em classes de temperatura S mais elevadas, como S40, S45 ou S50) rejeite calor diretamente para o ambiente externo através de dry coolers ou torres de resfriamento durante uma parcela muito maior do ano, eliminando a necessidade de operação de chillers e reduzindo drasticamente o consumo energético da instalação.

O problema da PUE e a proposta da TUE

Um dos pontos mais críticos levantados por Demetriou, Quirk e Davidson é a inadequação da métrica dominante na indústria – a Eficácia do Uso de Energia (PUE) – para capturar os benefícios do resfriamento líquido.

A PUE é definida como a razão entre a energia total consumida pelo data center e a energia consumida pelo equipamento de TI (ETI). O problema, como elucidam os autores, é que “a redução na energia de transporte de ar ocorre tanto dentro do servidor quanto externamente a ele (ou seja, tanto no numerador quanto no denominador da equação da PUE). Se a redução percentual de energia dos dois for a mesma, a PUE permanecerá a mesma, mesmo que o consumo de energia da instalação caia significativamente.”

Em outras palavras, quando um data center troca servidores refrigerados a ar por servidores refrigerados a líquido: a) a energia total (numerador) cai porque os ventiladores do data center (CRAHs) podem ser reduzidos ou eliminados, e os chillers operam menos; b) a energia de TI (denominador) também cai, porque os ventiladores dentro dos servidores são reduzidos ou eliminados.

Se ambas as parcelas caem na mesma proporção, a PUE permanece inalterada, mascarando completamente a economia de energia absoluta obtida. Isso, segundo os autores, “não é uma boa situação para uma métrica de eficiência energética!”

Para resolver essa distorção, eles resgatam e defendem a adoção de uma métrica alternativa: a Eficácia do Uso de Energia Total (TUE). A TUE é definida como:
TUE = Energia Total do Data Center / Energia de Computação do ETI

Para facilitar a medição, ela pode ser decomposta em:
TUE = PUE x iTUE, onde iTUE = Energia do ETI / Energia de Computação do ETI.

A grande vantagem da TUE, explicam, é que ela coloca no denominador a energia estritamente dedicada ao ato de computar, excluindo todas as perdas periféricas (ventiladores, bombas, fontes etc.), estejam elas dentro ou fora do servidor. Assim, qualquer ganho de eficiência que reduza a energia “indireta” (overhead) se reflete diretamente em uma queda na TUE.

Implicações para as normas e o futuro

Os autores estendem essa crítica à própria Norma ASHRAE 90.4-2022, que estabelece os requisitos mínimos de eficiência energética para data centers. O Componente de Carga Mecânica (MLC) da norma, que define a eficiência mínima da infraestrutura de resfriamento, também tem como denominador a energia do ETI, sofrendo do mesmo problema da PUE. “A redução da energia da ventoinha dentro dos limites de um servidor, como faz o resfriamento líquido, não será refletida como uma redução no MLC”, alertam.

Demetriou, Quirk e Davidson concluem seu artigo apontando para a necessidade de uma evolução nas métricas e nas normas. Eles mencionam o projeto de pesquisa 1972-WS da Ashrae, que se dedicará a comparar rigorosamente a eficiência de sistemas refrigerados a ar e a líquido em diversos climas e topologias. A mensagem central é clara: a indústria precisa abandonar a dependência de métricas que foram calibradas para uma realidade tecnológica que está se tornando obsoleta. O futuro pertence ao resfriamento líquido e, para medir seu sucesso, precisamos de ferramentas de medição tão avançadas quanto a própria tecnologia.

Conclusão

O trabalho de Dustin Demetriou, David Quirk e Tom Davidson serve como um farol técnico para engenheiros e profissionais de AVAC-R que navegam pelas transformações na indústria de data centers. Ao defender o resfriamento líquido, eles não apenas apresentam as soluções, mas expõem as falhas nos instrumentos que usamos para medir o progresso.

A transição do ar para o líquido não é apenas uma troca de meio de resfriamento; é uma mudança de paradigma que impacta o projeto elétrico, a arquitetura da sala, a estratégia de operação e, crucialmente, a própria definição de eficiência. Para os técnicos e engenheiros, o recado é direto: dominar as tecnologias de cold plates, CDUs, trocadores de calor e fluidos dielétricos será tão fundamental quanto outrora foi o dimensionamento de CRAHs e CRACs.

A revolução silenciosa já começou. Impulsionada pela IA e pela necessidade de sustentabilidade, ela exige que a indústria do aquecimento, ventilação, ar condicionado e refrigeração se atualize, abraçando novas métricas como a TUE e pressionando por atualizações em normas consolidadas como a ASHRAE 90.4. O resfriamento líquido não é mais uma promessa para o futuro; é a realidade operacional do presente e compreender suas nuances é o primeiro passo para construir a próxima geração de data centers, mais eficientes, potentes e sustentáveis.

Referências Citadas no Texto Original:

1. ASHRAE Standard 90.4-2022, Energy Standard for Data Centers.
2. Relatórios de consumo energético do setor (referência genérica do texto original).
3. Atualizações futuras do ASHRAE Thermal Guidelines for Data Processing Environments.
4. ASHRAE Datacom Series, Livro 4, Liquid Cooling Guidelines for Datacom Equipment Centers.
5. Exemplos de recuperação de calor na Alemanha e Suécia (referenciados genericamente).
6. Patterson, M., et al. “TUE, a New Energy-Efficiency Metric Applied to ORNL’s Jaguar.” (Publicação original sobre TUE).
7. ASHRAE/The Green Grid. PUE: A Comprehensive Examination of the Metric.
8. ASHRAE Datacom Series, Livro 14, Advancing DCIM with IT Equipment Integration.
9. Estudo de caso teórico recente (referenciado no artigo original).
10. Diretiva de Eficiência Energética Europeia (2012/27/EU).
11. Ato Delegado da UE (EU) 2019/1513.
12. Server Efficiency Rating Tool (SERT).
13. ASHRAE Datacom Series, Livro 12, Server Efficiency – Metrics for Computer Servers and Storage.

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