Recuperarea căldurii reziduale din centrele de date: de la răcirea serverelor la o sursă de energie

Creșterea puterii de calcul, dezvoltarea inteligenței artificiale și densitatea tot mai mare a serverelor schimbă bilanțul energetic al centrelor de date. Căldura care până recent trebuia doar evacuată poate deveni o resursă pentru încălzirea clădirilor, procese industriale și rețele de termoficare. Valorificarea acesteia depinde însă de proiectarea corectă a întregului sistem de transfer termic.

Centrele de date nu mai sunt doar consumatori de energie

Centrele de date reprezintă infrastructuri tehnologice cu un consum ridicat de energie electrică. O mare parte din energia utilizată de servere și de echipamentele IT se transformă în căldură, care trebuie evacuată continuu pentru menținerea condițiilor de funcționare.

Odată cu dezvoltarea aplicațiilor AI și a sistemelor de calcul de înaltă performanță (HPC), densitatea termică a infrastructurii crește.

În timp ce instalațiile mai vechi funcționau adesea cu sarcini termice de aproximativ 3–5 kW per rack, configurațiile moderne pot ajunge la 15–30 kW per rack. În infrastructurile AI și HPC de mare densitate sunt posibile valori de peste 50–70 kW per rack, în funcție de configurația echipamentelor.

Creșterea puterii de calcul înseamnă astfel nu doar un consum mai mare de energie electrică, ci și o cantitate mai mare de căldură care trebuie gestionată în siguranță.

Această căldură nu trebuie privită exclusiv ca o problemă de răcire. În condiții adecvate, ea poate deveni o resursă energetică utilizabilă.

De la căldură reziduală la energie utilă

Rolul principal al sistemului de răcire al unui centru de date este protejarea infrastructurii IT și menținerea temperaturilor în limitele impuse de producătorii echipamentelor.

Într-o configurație convențională, căldura este evacuată în mediul exterior. Dacă există însă un consumator potrivit, o parte din această energie poate fi recuperată și utilizată pentru încălzirea clădirilor, prepararea apei calde, alimentarea rețelelor de termoficare sau anumite procese industriale.

Provocarea tehnică nu este existența căldurii, ci nivelul temperaturii la care aceasta este disponibilă și modul în care poate fi transferată către consumator.

În funcție de tehnologia de răcire, căldura recuperată poate avea un nivel de temperatură relativ redus, în unele sisteme sub aproximativ 40 °C. Această temperatură poate fi insuficientă pentru alimentarea directă a unei rețele convenționale de termoficare.

În astfel de situații, soluția poate include un circuit de răcire, un schimbător de căldură, o pompă de căldură și un circuit secundar de distribuție.

Pompa de căldură ridică nivelul temperaturii la valoarea necesară consumatorului, în timp ce schimbătoarele de căldură asigură transferul controlat al energiei între circuitele hidraulice.

Creșterea densității serverelor schimbă tehnologiile de răcire

Sistemele tradiționale de răcire cu aer, inclusiv unitățile CRAC și CRAH, continuă să fie utilizate pe scară largă.

Totuși, creșterea densității termice favorizează dezvoltarea unor soluții care evacuează căldura mai aproape de sursa acesteia.

Printre tehnologiile utilizate se numără:

• Rear Door Heat Exchangers (RDHx);

• răcirea indirectă cu lichid;

• răcirea directă a procesoarelor (Direct-to-Chip Cooling);

• răcirea prin imersie (Immersion Cooling).

Trecerea către răcirea cu lichid este importantă și din perspectiva recuperării energiei.

Atunci când căldura este preluată direct într-un circuit lichid, transferul acesteia către alte echipamente sau sisteme energetice poate fi realizat mai eficient.

Astfel, infrastructura de răcire poate deveni parte integrantă a sistemului energetic al centrului de date.

Recuperarea căldurii începe cu parametrii reali ai procesului

Pentru proiectarea unei instalații de recuperare a căldurii nu este suficient să cunoaștem puterea termică totală disponibilă.

Un centru de date poate produce câțiva megawați de căldură, dar acest lucru nu înseamnă automat că întreaga cantitate poate fi utilizată economic.

Pentru dimensionarea corectă a schimbătoarelor de căldură trebuie analizate:

• temperaturile de intrare și ieșire ale circuitelor;

• temperatura necesară consumatorului;

• debitele și presiunile de lucru;

• pierderile de presiune admise;

• proprietățile fluidelor, inclusiv concentrația de glicol;

• variațiile sarcinii termice;

• cerințele de redundanță și siguranță;

• regimul de funcționare pe parcursul anului.

Aceste date determină configurația circuitelor și tipul schimbătorului de căldură.

Nu selectăm doar un schimbător pentru o anumită putere în kW. Proiectăm transferul termic pentru condițiile reale ale întregului sistem.

Schimbătorul de căldură: interfața dintre centrul de date și sistemul energetic

Siguranța funcționării infrastructurii IT rămâne prioritară.

Prin urmare, sistemul de recuperare a căldurii trebuie proiectat astfel încât să nu compromită răcirea serverelor, inclusiv în cazul întreruperii consumului de căldură sau al unei defecțiuni pe circuitul secundar.

Un schimbător de căldură permite separarea hidraulică a circuitelor și transferul energiei fără amestecarea directă a fluidelor.

Această separare poate fi necesară între circuitul de răcire al centrului de date și pompa de căldură, între pompa de căldură și rețeaua de distribuție sau între instalația internă și un sistem energetic extern.

Fiecare interfață poate funcționa la temperaturi, presiuni și debite diferite.

În cazul puterilor termice mari, pierderea de presiune devine un criteriu important. Un schimbător care generează o rezistență hidraulică prea mare poate crește consumul de energie electrică al pompelor.

În același timp, un schimbător dimensionat necorespunzător poate necesita o diferență de temperatură mai mare, influențând negativ performanța sistemului.

Eficiența energetică rezultă din echilibrul dintre transferul termic, pierderea de presiune și condițiile de funcționare ale întregii instalații.

De ce sunt potrivite schimbătoarele de căldură cu plăci?

Pentru circuitele cu apă și amestecuri apă-glicol, schimbătoarele de căldură cu plăci reprezintă una dintre soluțiile tehnice care pot fi luate în considerare.

Acestea oferă o intensitate ridicată a transferului termic și dimensiuni relativ compacte. În funcție de construcție și dimensionare, pot funcționa cu diferențe mici de temperatură între cele două medii.

Acest aspect este deosebit de important atunci când sursa de căldură are o temperatură relativ scăzută.

Schimbătoarele de căldură cu plăci demontabile oferă și posibilitatea inspectării și curățării suprafețelor de transfer termic. În anumite configurații, numărul plăcilor poate fi adaptat dacă se modifică cerințele instalației.

Pentru astfel de aplicații, portofoliul HEXONIC include schimbătoare de căldură cu plăci demontabile din gama JAG, care pot fi selectate în funcție de puterea termică, temperaturile de lucru, debite și pierderile de presiune admise.

Alegerea finală trebuie însă să țină cont de parametrii specifici fiecărui circuit.

Pompa de căldură și schimbătorul îndeplinesc funcții diferite

În proiectele de valorificare a căldurii reziduale, atenția este concentrată frecvent asupra pompei de căldură.

Rolul acesteia este esențial: crește nivelul temperaturii energiei recuperate, astfel încât aceasta să poată fi utilizată de consumator.

Totuși, pompa de căldură nu rezolvă singură toate cerințele sistemului.

Energia trebuie transferată în siguranță între sursă, pompa de căldură și consumator.

Schimbătoarele de căldură realizează această legătură și contribuie la menținerea separării hidraulice dintre circuite.

Dacă un schimbător necesită o diferență prea mare de temperatură sau produce pierderi de presiune excesive, eficiența întregului sistem poate fi afectată.

De aceea, optimizarea schimbătorului trebuie evaluată nu doar prin costul inițial al echipamentului, ci și prin influența asupra consumului de energie și a costurilor de exploatare.

Dincolo de PUE: câtă energie poate fi reutilizată?

Eficiența energetică a centrelor de date este evaluată frecvent prin indicatorul PUE – Power Usage Effectiveness.

Acesta exprimă raportul dintre energia totală consumată de centrul de date și energia utilizată de echipamentele IT.

PUE rămâne un indicator important, dar nu descrie singur întregul impact energetic al instalației.

În evaluările moderne sunt utilizați și alți indicatori, precum WUE – Water Usage Effectiveness și ERF – Energy Reuse Factor.

Indicatorul ERF evidențiază proporția energiei care poate fi reutilizată în afara funcției IT inițiale.

Astfel, două centre de date cu valori similare ale PUE pot avea contribuții diferite la eficiența energetică a zonei în care funcționează, dacă unul dintre ele valorifică o parte din căldura reziduală.

Centrele de date și rețelele moderne de termoficare

Rețelele de termoficare reprezintă una dintre posibilitățile importante de utilizare a căldurii recuperate din centrele de date.

Sistemele convenționale au fost proiectate adesea pentru temperaturi ridicate de distribuție.

În schimb, rețelele moderne de generația a patra urmăresc reducerea temperaturilor de funcționare și integrarea mai multor surse descentralizate de energie. În anumite configurații, temperaturile de alimentare pot fi în jurul valorilor de 60–70 °C, în funcție de sezon și de caracteristicile rețelei.

Sistemele de generația a cincea utilizează circuite cu temperaturi și mai reduse, permițând schimbul de energie între diferiți consumatori și producători locali.

Aceste evoluții creează condiții mai favorabile pentru integrarea căldurii reziduale din centrele de date, din procese industriale și din alte surse cu temperatură redusă.

În funcție de temperatura disponibilă și de cerințele rețelei, transferul poate fi realizat direct sau prin intermediul unei pompe de căldură.

Exemplu din practică: 7,6 MW de energie termică în Italia

Un exemplu de integrare a infrastructurii digitale cu sistemele energetice urbane este proiectul TIM Enterprise, dezvoltat în colaborare cu GETEC Italia în Rozzano, Italia.

La funcționare completă, proiectul este conceput pentru aproximativ 7,6 MW de putere termică valorificabilă.

Din această capacitate, aproximativ 2,3 MW provin din căldura recuperată prin intermediul pompelor de căldură, iar 5,3 MW din valorificarea termică a unităților de cogenerare.

Energia este destinată unei rețele de termoficare care deservește peste 5.000 de gospodării.

Conform datelor publicate despre proiect, reducerea potențială a emisiilor este estimată la aproximativ 3.500 de tone de CO₂ anual.

Acest exemplu demonstrează că infrastructura unui centru de date poate fi integrată într-un sistem energetic urban mai amplu.

Proiectul TIM Enterprise / GETEC Italia este prezentat ca exemplu extern de integrare energetică, nu ca referință de instalare HEXONIC.

Recuperarea căldurii trebuie analizată încă din faza de proiectare

Fezabilitatea tehnică reprezintă doar o parte a deciziei de investiție.

Pentru operatorul unui centru de date, pentru o companie energetică sau pentru un investitor sunt esențiale și alte aspecte.

Există un consumator de căldură suficient de aproape? Ce cantitate de energie poate fi utilizată efectiv pe parcursul anului? Ce temperatură solicită consumatorul? Care este consumul suplimentar al pompei de căldură? Cum evoluează sarcina termică odată cu extinderea infrastructurii IT?

Trebuie analizate, de asemenea, investiția inițială, costurile de exploatare, disponibilitatea sistemului și posibilitățile de extindere.

Din acest motiv, recuperarea căldurii ar trebui evaluată încă din etapa inițială de proiectare a centrului de date.

Integrarea ulterioară într-o infrastructură existentă poate fi mai dificilă și mai costisitoare.

De la o necesitate de răcire la o resursă energetică

Creșterea consumului de energie al centrelor de date este adesea privită exclusiv ca o provocare.

Totuși, aceeași evoluție creează și oportunități.

O putere de calcul mai mare înseamnă, în general, o cantitate mai mare de căldură care trebuie evacuată. Dacă există o infrastructură adecvată și un consumator, o parte din această energie poate fi recuperată.

Pentru operatorul centrului de date, recuperarea căldurii poate deveni parte a strategiei energetice. Pentru rețelele de termoficare, poate reprezenta o sursă locală suplimentară. Pentru orașe și platforme industriale, poate contribui la utilizarea mai eficientă a resurselor disponibile.

Provocarea pentru proiectanți nu mai este doar răcirea serverelor, ci proiectarea întregului flux energetic – de la echipamentele IT până la consumatorul final.

HEXONIC: soluții de transfer termic proiectate pentru fiecare aplicație

Nu există un schimbător de căldură universal pentru toate centrele de date.

Selecția corectă începe cu analiza condițiilor reale de funcționare: putere termică, temperaturi, debite, presiuni, pierderi de presiune admise, proprietățile fluidelor și cerințele de siguranță.

HEXONIC oferă schimbătoare de căldură cu plăci, schimbătoare brazate și soluții tubulare pentru diferite etape ale sistemelor de răcire și recuperare a energiei.

În funcție de aplicație, echipamentele pot fi integrate în circuite de răcire, sisteme cu pompe de căldură sau instalații de distribuție a căldurii recuperate.

Planificați recuperarea căldurii dintr-un centru de date?

Transmiteți echipei HEXONIC parametrii de funcționare ai instalației. Specialiștii noștri vă pot sprijini în selectarea și dimensionarea schimbătorului de căldură potrivit pentru aplicația dumneavoastră.

Solicitați consultanță tehnică și o ofertă personalizată.

Introduceți un comentariu

Nume și prenume

E-mail ( email nepublicat )

Contribuția dvs.   ( Puteți adăuga fotografii după trimiterea mesajului. )

cod de copiere

  Sunt de acord cu prelucrarea datelor cu caracter personal în cadrul forumului de discuții   Mai multe informații