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#Tendenze
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Recupero del calore nei data center: trasformare il calore residuo in una preziosa risorsa energetica
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Poiché l'intelligenza artificiale, il calcolo ad alte prestazioni e la crescente densità dei server determinano un aumento della domanda energetica, i data center si trovano ad affrontare una sfida sempre più impegnativa: la gestione del calore generato dall'infrastruttura IT.
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Ma se questo calore potesse diventare una preziosa risorsa energetica? Con un’architettura di raffreddamento adeguata, scambiatori di calore e un’integrazione di sistema ottimale, i data center possono contribuire al riscaldamento degli edifici, ai processi industriali e alle reti di teleriscaldamento.
I data center stanno diventando molto più che semplici consumatori di energia
I data center sono tra le componenti a più alto consumo energetico delle moderne infrastrutture digitali. Una parte significativa dell’elettricità consumata dai server e dalle altre apparecchiature IT viene in definitiva convertita in calore, che deve essere continuamente dissipato per mantenere condizioni operative affidabili.
Il rapido sviluppo del cloud computing, del calcolo ad alte prestazioni (HPC) e dell’intelligenza artificiale sta aumentando sia la potenza di calcolo che la densità termica.
I data center di vecchia generazione funzionavano in genere a circa 3–5 kW per rack. Negli ultimi anni, sono diventate sempre più comuni densità di 15–30 kW per rack, mentre le installazioni avanzate di IA e HPC possono superare i 50–70 kW per rack.
Prestazioni di calcolo più elevate comportano quindi non solo un maggiore consumo di elettricità, ma anche una maggiore quantità di energia termica che deve essere gestita.
Ciò crea un’importante opportunità: il calore non dovrebbe più essere considerato esclusivamente come una sfida di raffreddamento, ma anche come una risorsa energetica potenzialmente preziosa.
Dal calore di scarto all’energia riutilizzabile
Tradizionalmente, i sistemi di raffreddamento dei data center sono stati progettati principalmente per mantenere temperature operative adeguate e dissipare il calore in eccesso nell’ambiente.
Tuttavia, quando nelle vicinanze sono presenti adeguati utilizzatori di calore, parte di questa energia può essere recuperata e riutilizzata per:
Riscaldamento degli ambienti in edifici residenziali e commerciali
Produzione di acqua calda sanitaria
Reti di teleriscaldamento
Processi industriali
Sistemi energetici locali
Questo approccio consente ai data center di evolversi da semplici consumatori di elettricità a potenziali fornitori di energia termica utile.
La principale sfida tecnica non riguarda la disponibilità del calore, bensì la temperatura alla quale può essere recuperato.
A seconda della tecnologia di raffreddamento, il calore recuperato può essere disponibile a temperature relativamente basse, spesso intorno ai 40 °C o inferiori. Ciò potrebbe risultare insufficiente per l’integrazione diretta nelle reti di teleriscaldamento convenzionali.
Una possibile configurazione del sistema è:
Circuito di raffreddamento del data center → Scambiatore di calore → Pompa di calore → Circuito di riscaldamento secondario / rete di teleriscaldamento
La pompa di calore aumenta la temperatura al livello richiesto dall’utente, mentre gli scambiatori di calore consentono il trasferimento controllato di energia tra circuiti separati idraulicamente.
L’intelligenza artificiale sta cambiando la tecnologia di raffreddamento dei data center
Con l’aumentare delle densità termiche dei server, le architetture di raffreddamento convenzionali si stanno evolvendo.
Accanto ai tradizionali sistemi di climatizzazione delle sale computer (CRAC) e di trattamento dell’aria delle sale computer (CRAH), stanno assumendo sempre maggiore importanza le tecnologie progettate per rimuovere il calore più vicino alla sua fonte.
Tra queste figurano:
Scambiatori di calore a porta posteriore (RDHx)
Raffreddamento indiretto a liquido
Raffreddamento diretto sul chip
Raffreddamento per immersione
Il passaggio da un raffreddamento prevalentemente ad aria a soluzioni basate su liquidi è particolarmente rilevante per il recupero di calore.
Quando il calore viene trasferito direttamente a un fluido di raffreddamento liquido, può essere trasportato e potenzialmente riutilizzato in modo più efficiente in altre parti del sistema.
Di conseguenza, il raffreddamento dei data center dovrebbe essere sempre più considerato parte di un’infrastruttura energetica più ampia piuttosto che un processo tecnico isolato.
La sola capacità termica non è sufficiente per la progettazione del sistema
Sapere che un data center genera diversi megawatt di calore non è sufficiente per progettare un sistema di recupero del calore efficace.
Gli ingegneri devono valutare diversi parametri interconnessi:
Capacità termica disponibile
Temperature di ingresso e di uscita
Temperatura richiesta dal lato utente
Portate dei fluidi
Pressioni di esercizio
Cadute di pressione ammissibili
Proprietà dei fluidi
Variazioni di carico e profili operativi
Requisiti di ridondanza e sicurezza operativa
Solo un’analisi completa di questi parametri consente agli ingegneri di determinare l’architettura di sistema appropriata e di dimensionare correttamente gli scambiatori di calore.
L’obiettivo non è semplicemente trasferire la massima quantità di calore, ma ottenere prestazioni termiche affidabili in condizioni operative reali.
Scambiatori di calore: l’interfaccia tra i sistemi energetici
Per qualsiasi data center, l’affidabilità e il funzionamento continuo dell’infrastruttura IT rimangono le massime priorità.
Il recupero di calore non deve mai compromettere il sistema di raffreddamento.
Gli scambiatori di calore svolgono un ruolo fondamentale nel trasferire l’energia termica mantenendo al contempo la separazione idraulica tra i diversi circuiti.
Tale separazione può essere necessaria tra:
Il circuito di raffreddamento del data center e la pompa di calore
La pompa di calore e il sistema di distribuzione del calore
Il data center e una rete energetica esterna
Ciascun circuito può funzionare a temperature, pressioni e portate diverse, utilizzando potenzialmente fluidi con proprietà fisiche e chimiche differenti.
Per questo motivo, gli scambiatori di calore non dovrebbero mai essere selezionati basandosi esclusivamente sulla capacità termica nominale.
Caduta di pressione: un fattore chiave nei costi operativi
Negli impianti ad alta capacità, la caduta di pressione non è solo un parametro idraulico. Influisce anche direttamente sui costi operativi.
Perdite di pressione più elevate aumentano generalmente i requisiti di pompaggio e il consumo di energia elettrica per tutta la durata operativa del sistema.
I progettisti devono quindi trovare un equilibrio tra tre fattori strettamente correlati:
Prestazioni di trasferimento termico ↔ Turbolenza del flusso ↔ Caduta di pressione
Massimizzare il trasferimento termico senza considerare la resistenza idraulica può comportare requisiti energetici di pompaggio inutilmente elevati.
Al contrario, ridurre al minimo la caduta di pressione a tutti i costi può comportare prestazioni termiche insufficienti o condizioni di flusso inadeguate.
La soluzione più efficace è uno scambiatore di calore progettato per raggiungere la potenza termica richiesta entro limiti idraulici e operativi accettabili.
Questo principio si applica sia alle applicazioni HVAC convenzionali che ai sistemi avanzati di recupero del calore nei data center.
Dove è possibile utilizzare gli scambiatori di calore a piastre?
Per applicazioni liquido-liquido ad alta capacità, gli scambiatori di calore a piastre con guarnizioni possono rappresentare una soluzione efficace.
La loro ampia superficie di scambio termico rispetto alle dimensioni dell’apparecchiatura li rende adatti ad applicazioni che comportano differenze di temperatura relativamente ridotte tra i circuiti.
Ciò è particolarmente importante nel recupero di calore a bassa temperatura.
La loro struttura smontabile facilita inoltre l’ispezione e la pulizia meccanica. A seconda della configurazione e dei requisiti operativi, la disposizione delle piastre può essere adattata alle mutevoli condizioni del sistema.
All’interno della gamma HEXONIC, la serie JAG di scambiatori di calore a piastre con guarnizioni può essere presa in considerazione per applicazioni di trasferimento di calore da liquido a liquido, in base ai parametri tecnici del progetto.
La scelta finale deve sempre basarsi sulle condizioni operative effettive, inclusi i profili di temperatura, le portate, i limiti di pressione e le caratteristiche dei fluidi.
Le pompe di calore e gli scambiatori di calore svolgono funzioni diverse
Le pompe di calore sono spesso al centro dell’attenzione nei progetti di recupero di calore nei data center.
Il loro ruolo è essenziale: aumentano la temperatura dell’energia termica recuperata fino a un livello adeguato all’applicazione prevista.
Tuttavia, una pompa di calore da sola non costituisce un sistema completo di recupero di calore.
L’energia deve essere trasferita in modo affidabile tra la fonte di calore, la pompa di calore e l’utente finale.
È qui che gli scambiatori di calore diventano indispensabili.
Uno scambiatore di calore di dimensioni errate può richiedere una differenza di temperatura maggiore o causare perdite di pressione eccessive, riducendo l’efficienza complessiva del sistema.
Ottimizzare la scelta dello scambiatore di calore non è quindi semplicemente una questione di ridurre al minimo i costi di acquisto delle apparecchiature.
Può influire sul consumo energetico e sulle spese operative per l’intera durata di vita dell’impianto.
Oltre il PUE: misurare il valore del riutilizzo dell’energia
L’efficienza energetica dei data center è stata tradizionalmente valutata principalmente attraverso il Power Usage Effectiveness (PUE).
Il PUE rimane un parametro importante, ma non descrive appieno cosa accada all’energia dopo che è stata consumata dalla struttura.
Una valutazione più ampia può includere anche:
WUE – Water Usage Effectiveness (Efficacia nell’uso dell’acqua): misura il consumo idrico in relazione all’uso energetico dei sistemi IT.
ERF – Energy Reuse Factor (Fattore di riutilizzo energetico): indica la percentuale dell’energia totale del data center che viene riutilizzata al di fuori della struttura.
L’ERF solleva una questione importante:
Quanta parte dell’energia consumata da un data center può essere successivamente impiegata in modo produttivo?
Due strutture con valori di PUE simili possono avere impatti energetici complessivi significativamente diversi se una scarica tutto il calore in eccesso mentre l’altra fornisce parte di quell’energia a consumatori esterni.
I data center e il futuro del teleriscaldamento
Le reti di teleriscaldamento rappresentano una delle destinazioni potenziali più promettenti per il calore recuperato dai data center.
La transizione verso reti di riscaldamento a temperatura più bassa sta creando nuove opportunità per l’integrazione dell’energia termica a bassa temperatura.
I sistemi tradizionali di teleriscaldamento funzionavano spesso a temperature di mandata relativamente elevate.
Le reti di teleriscaldamento di quarta generazione funzionano generalmente a temperature più basse, spesso intorno ai 60–70 °C a seconda della progettazione del sistema e delle condizioni operative.
Le reti di teleriscaldamento e teleraffreddamento di quinta generazione funzionano a temperature ancora più basse e possono supportare lo scambio bidirezionale di energia.
Questi sviluppi rendono sempre più pratico integrare fonti energetiche decentralizzate quali:
Calore residuo industriale
Energia geotermica
Pompe di calore su larga scala
Recupero di calore dai data center
La capacità di collegare questi sistemi in modo efficiente dipende in larga misura dall’adozione di una tecnologia di trasferimento del calore adeguata e dalla progettazione complessiva del sistema.
Un esempio concreto: 7,6 MW di energia termica a Rozzano, in Italia
Il potenziale del recupero di calore dai data center è illustrato da un progetto sviluppato a Rozzano, in Italia, da TIM Enterprise in collaborazione con GETEC Italia.
Il progetto integra l’energia termica recuperata nella rete locale di teleriscaldamento.
A capacità nominale, il sistema è progettato per recuperare circa 7,6 MW di potenza termica.
Ciò comprende circa 2,3 MW derivanti dal recupero tramite pompe di calore e 5,3 MW dal recupero termico delle unità di cogenerazione.
Il progetto ha il potenziale di fornire calore a oltre 5.000 abitazioni e, secondo le informazioni pubblicate, potrebbe ridurre le emissioni di CO₂ di circa 3.500 tonnellate all’anno.
È importante sottolineare che i 7,6 MW complessivi includono il calore recuperato dalle unità di cogenerazione, non esclusivamente dal circuito di raffreddamento del data center.
Ciononostante, il progetto dimostra un principio significativo:
I data center possono diventare componenti integrati dell’infrastruttura energetica locale.
L’analisi di fattibilità inizia prima della selezione delle apparecchiature
La fattibilità tecnica è solo una parte di un progetto di recupero di calore di successo.
Investitori, gestori di data center, aziende energetiche e team di ingegneri devono considerare anche le condizioni economiche e operative.
Le domande chiave includono:
Esiste un utilizzatore di calore affidabile nelle vicinanze?
Quanta energia termica può essere realisticamente riutilizzata durante l’anno?
A quale temperatura è disponibile il calore?
Quale temperatura richiede l’utente finale?
Quanta elettricità consumeranno la pompa di calore e le pompe di circolazione?
Quali sono i costi di investimento e di esercizio previsti?
È possibile espandere il sistema man mano che aumenta la capacità del data center?
Queste domande dovrebbero essere affrontate già nelle primissime fasi di progettazione.
L’installazione a posteriori di un sistema di recupero del calore in un data center esistente può risultare significativamente più complessa e costosa rispetto alla sua integrazione nell’infrastruttura energetica e di raffreddamento originaria.
Da centro di costo a risorsa energetica
La crescente domanda energetica dei data center viene spesso discussa principalmente come una sfida.
Tuttavia, lo stesso sviluppo crea un’opportunità.
Una maggiore capacità di calcolo comporta generalmente una maggiore disponibilità di energia termica.
Con un’infrastruttura adeguata, condizioni operative ottimali e utenti nelle vicinanze, parte del calore che altrimenti verrebbe disperso può essere reimmesso nel sistema energetico più ampio.
Per gli operatori dei data center, il recupero di calore può diventare parte integrante di una strategia energetica a lungo termine.
Per gli operatori di teleriscaldamento, può rappresentare una fonte di calore locale aggiuntiva.
Per i team di ingegneri, comporta una responsabilità progettuale più ampia:
Non limitarsi a progettare il raffreddamento del data center, ma ottimizzare l’intero percorso energetico – dal server all’utente finale.
HEXONIC: Scambiatori di calore progettati per condizioni operative reali
Non esiste uno scambiatore di calore universale adatto a ogni applicazione dei data center.
Una scelta efficace parte da una comprensione dettagliata dei requisiti effettivi del sistema.
In HEXONIC, gli scambiatori di calore vengono selezionati e configurati in base alla capacità termica, ai profili di temperatura, alle portate, alle pressioni di esercizio, alle perdite di carico ammissibili e alle proprietà del fluido termovettore.
A seconda dell’applicazione, si possono prendere in considerazione scambiatori di calore a piastre con guarnizioni, a piastre brasate o a fascio tubiero.
Per i circuiti liquido-liquido ad alta capacità, la serie JAG di HEXONIC offre soluzioni configurabili di scambiatori di calore a piastre con guarnizioni, progettate per soddisfare specifici requisiti termici e idraulici.
L’obiettivo non è semplicemente raggiungere la capacità termica nominale, ma garantire un equilibrio adeguato tra efficienza di trasferimento termico, prestazioni idrauliche, affidabilità e costi operativi a lungo termine.
State pianificando un progetto di raffreddamento o di recupero del calore per un data center?
Che stiate progettando un nuovo data center, aggiornando un sistema di raffreddamento esistente o valutando il recupero del calore residuo, la scelta dello scambiatore di calore giusto è una parte importante della progettazione complessiva del sistema.
Condividete i vostri parametri operativi con HEXONIC. Il nostro team tecnico può aiutarvi a valutare la vostra applicazione e a individuare una configurazione di scambiatore di calore adatta al vostro progetto.
HEXONIC – Scambiatori di calore. Progettati per un trasferimento efficiente dell’energia.
