Odpadní teplo z datových center: Jak správný návrh výměníků ovlivňuje účinnost chlazení i využití energie
Přehrát audio verzi
Odpadní teplo z datových center: Jak správný návrh výměníků ovlivňuje účinnost chlazení i využití energie
00:00
00:00
1x
- 0.25x
- 0.5x
- 0.75x
- 1x
- 1.25x
- 1.5x
- 2x
Datová centra se postupně mění z čistých spotřebitelů energie na potenciální zdroje tepla pro budovy, průmysl i soustavy zásobování tepelnou energií. S rostoucím výkonem serverů však přibývají požadavky na chlazení, provozní spolehlivost a efektivní přenos tepla mezi jednotlivými technologickými okruhy. Právě zde hrají důležitou roli správně navržené výměníky tepla.
Datová centra mění požadavky na energetickou infrastrukturu
Rozvoj umělé inteligence, cloudových služeb a vysoce výkonných výpočetních systémů (HPC) zásadně mění požadavky na provoz datových center.
Podle Mezinárodní energetické agentury (IEA) dosáhla spotřeba elektrické energie datových center v roce 2024 přibližně 415 TWh, tedy zhruba 1,5 % celosvětové spotřeby elektřiny.
Zároveň roste výkonová hustota serverových racků. Zatímco starší instalace často pracovaly s jednotkami kilowattů na rack, moderní AI a HPC infrastruktura může dosahovat desítek kilowattů a ve vysoce výkonných konfiguracích i více než 100 kW na rack.
Tento vývoj vytváří dva vzájemně propojené technické úkoly: zajistit spolehlivé chlazení IT infrastruktury a efektivně nakládat s tepelnou energií, která při jejím provozu vzniká.
Odpadní teplo přitom nemusí být pouze nežádoucím vedlejším produktem. Při vhodném návrhu energetického systému jej lze využít například pro vytápění budov, technologické procesy nebo dodávky do soustav zásobování tepelnou energií (SZTE).
Rozhodující otázkou proto není pouze to, jak teplo z datového centra odvést, ale také na jaké teplotní úrovni, s jakými energetickými náklady a za jakých podmínek jej lze dále využít.
Od vzduchového chlazení ke kapalinovým systémům
Tradiční vzduchové chlazení zůstává součástí řady datových center. S rostoucí výkonovou hustotou však stále větší význam získávají kapalinové technologie, které umožňují odvádět teplo blíže k jeho zdroji.
Mezi používaná řešení patří zejména:
- Rear Door Heat Exchanger (RDHx) – výměníky integrované do zadní části serverových racků, které odvádějí teplo z proudícího vzduchu.
- Direct-to-Chip Cooling – přímé kapalinové chlazení vysoce zatěžovaných komponent, například procesorů a GPU.
- Immersion Cooling – chlazení elektroniky ponořené do vhodné dielektrické kapaliny.
- Free Cooling – využití příznivých venkovních podmínek ke snížení potřeby mechanického chlazení.
Pro návrh celého systému je podstatné, že jednotlivé technologie pracují s rozdílnými teplotami, průtoky a požadavky na provozní média.
Kapalinové chlazení může umožnit získávání tepla při vyšších teplotách než konvenční vzduchové systémy. To vytváří příznivější podmínky pro jeho následné využití a v některých aplikacích může snížit požadované teplotní zvýšení prostřednictvím tepelného čerpadla.
Výměník tepla jako klíčový prvek provozní spolehlivosti
V moderních kapalinových chladicích systémech je nutné zajistit účinný přenos tepla mezi technologickými okruhy, které mohou mít odlišné požadavky na kvalitu média, tlakové poměry, průtoky a teploty.
Typickým příkladem je Coolant Distribution Unit (CDU), která zajišťuje propojení chladicího okruhu serverů s technologickou chladicí soustavou objektu.
Součástí CDU může být deskový výměník tepla, jehož úkolem je předávat tepelnou energii mezi oběma okruhy bez přímého směšování provozních médií.
Hydraulické oddělení umožňuje zachovat požadované parametry chladicí kapaliny na straně IT technologie a současně přizpůsobit provoz sekundárnímu chladicímu systému.
Z pohledu projektanta však nestačí dimenzovat výměník pouze podle nominálního tepelného výkonu.
Při návrhu je nutné posoudit především:
- Tepelný výkon při návrhovém i částečném zatížení.
- Vstupní a výstupní teploty obou médií.
- Požadované průtoky a přípustné tlakové ztráty.
- Vlastnosti provozních médií včetně koncentrace glykolu, pokud je použit.
- Požadavky na materiálové provedení, čistotu médií a údržbu.
- Provozní spolehlivost, redundanci a chování při změnách zatížení.
Nedostatečně dimenzovaný výměník může omezit chladicí výkon nebo vyžadovat vyšší průtoky. Naopak nevhodně zvolená hydraulická charakteristika může zvýšit spotřebu čerpací energie.
Důležitá je rovněž velikost teplotního přiblížení mezi oběma okruhy. Ta ovlivňuje nejen požadovanou teplosměnnou plochu, ale také teplotní podmínky pro navazující chlazení nebo zpětné získávání tepla.
V HEXONIC proto při návrhu výměníků vycházíme z konkrétního provozního bodu a posuzujeme přenos tepla v souvislosti s požadavky celé aplikace.
Free Cooling: účinnost závisí také na návrhu výměníku
Free cooling představuje jednu z možností, jak omezit energetickou náročnost chlazení datových center.
Za vhodných venkovních podmínek lze využívat okolní vzduch nebo jiný dostupný zdroj chladu k částečnému či úplnému nahrazení mechanického chlazení.
V nepřímých systémech free coolingu zajišťuje výměník tepla přenos energie mezi chladicími okruhy a současně jejich hydraulické oddělení.
Jeho návrh přímo ovlivňuje, při jakých teplotních podmínkách bude možné free cooling využívat.
Příliš velké teplotní přiblížení na výměníku může zkrátit období, během kterého je přirozené chlazení dostatečné. Vysoké tlakové ztráty zase zvyšují požadavky na čerpací práci.
Optimalizace výměníku proto musí zohlednit nejen pořizovací cenu zařízení, ale také energetickou náročnost provozu v průběhu celého roku.
U velkých datových center, kde se mezi chladicími okruhy přenášejí jednotky až desítky megawattů tepelného výkonu, mají i relativně malé rozdíly v provozních parametrech významný dopad na celkovou energetickou bilanci.
Odpadní teplo jako zdroj pro městské tepelné sítě
Možnosti energetického využití tepla z datových center ukazuje projekt realizovaný v italském Rozzanu nedaleko Milána.
Společnosti TIM Enterprise a GETEC Italia zde vytvořily systém, který propojuje energetickou infrastrukturu datového centra s městskou soustavou zásobování teplem.
Projekt, uvedený do provozu v roce 2025, umožňuje využívat tepelnou energii, která by jinak byla odváděna do okolního prostředí.
Podle publikované odborné studie je systém navržen pro celkový tepelný výkon přibližně 7,6 MW, z toho:
- 2,3 MW připadá na získávání tepla prostřednictvím tepelných čerpadel,
- 5,3 MW tvoří teplo získávané z kogeneračních jednotek.
Integrovaná infrastruktura přispívá k zásobování více než 5 000 domácností a podle autorů studie umožňuje snížit emise přibližně o 3 500 tun CO₂ ročně.
Z technického hlediska je důležité, že projekt není založen na jediném zařízení. Využívá kombinaci chladicích technologií, tepelných čerpadel, výměníků tepla, čerpacích systémů a řízení energetických toků.
Právě propojení jednotlivých technologií rozhoduje o tom, zda bude možné dostupné teplo skutečně efektivně využívat.
Příklad Rozzana potvrzuje potenciál integrace datových center do městské energetické infrastruktury. Současně ukazuje význam správně navrženého předávání tepla mezi zdrojem, technologickými okruhy a distribuční soustavou.
Co rozhoduje o ekonomice zpětného získávání tepla?
Dostupný tepelný výkon sám o sobě nestačí k posouzení ekonomické návratnosti projektu.
Zásadní je především teplotní úroveň odpadního tepla a její vztah k požadovaným parametrům odběratelské soustavy.
Pokud je teplota získávaného tepla příliš nízká, je nutné ji zvýšit pomocí tepelného čerpadla. Jeho účinnost přitom významně ovlivňuje požadovaný teplotní zdvih.
Každý další teplotní rozdíl, který musí systém překonávat, může znamenat vyšší spotřebu elektrické energie.
Výměníky tepla proto ovlivňují nejen samotný přenos energie, ale také provozní podmínky navazujících technologií.
Při hodnocení řešení je vhodné sledovat zejména:
- Teplotní úroveň zdroje a odběratele: určuje potřebu dalšího zvýšení teploty.
- Teplotní přiblížení výměníků: ovlivňuje využitelnou teplotní úroveň a účinnost soustavy.
- Tlakové ztráty: promítají se do spotřeby čerpací energie.
- Provozní profil: rozhoduje o skutečném ročním množství využitelného tepla.
- Spolehlivost a servisovatelnost: ovlivňují dostupnost technologie a dlouhodobé provozní náklady.
Pro správné technicko-ekonomické posouzení je proto nutné pracovat s celoročními provozními daty, nikoliv pouze s jedním návrhovým bodem.
Jaké řešení výměny tepla zvolit?
V aplikacích chlazení datových center a zpětného získávání tepla nacházejí uplatnění zejména deskové výměníky tepla.
Jejich výhodou je kompaktní konstrukce, vysoká intenzita přenosu tepla a možnost přizpůsobit provedení konkrétním provozním požadavkům.
V portfoliu HEXONIC jsou pro různé části těchto systémů relevantní například rozebíratelné deskové výměníky řady JAG F a pájené deskové výměníky řady L.
Volba konkrétní konstrukce však závisí na výkonu, provozních médiích, tlakových a teplotních podmínkách, požadavcích na údržbu a prostorových možnostech instalace.
Pro velké centrální chladicí soustavy mohou být vhodné rozebíratelné deskové výměníky, které umožňují servisní přístup k teplosměnným plochám a přizpůsobení konstrukce požadovanému výkonu.
V kompaktních technologických jednotkách mohou být naopak výhodné pájené deskové výměníky, pokud jejich konstrukce odpovídá požadavkům daného média a provozu.
Základním kritériem by však neměl být samotný typ výměníku, ale jeho schopnost dlouhodobě zajistit požadovaný výkon při přijatelných tlakových ztrátách a provozních nákladech.
Energetická účinnost se musí posuzovat jako celek
Při hodnocení provozu datových center se běžně používá ukazatel PUE (Power Usage Effectiveness), který vyjadřuje poměr celkové spotřeby energie datového centra ke spotřebě IT zařízení.
Samotný ukazatel PUE však neposkytuje úplnou informaci o využití odpadního tepla.
Pro širší hodnocení je důležitý také ukazatel ERF (Energy Reuse Factor), který vyjadřuje podíl energie znovu využité mimo vlastní provoz datového centra.
Dalším relevantním parametrem je WUE (Water Usage Effectiveness), sledující spotřebu vody.
Moderní návrh chlazení by proto měl vycházet z celkové energetické bilance, která zahrnuje chlazení serverů, čerpací práci, spotřebu pomocných technologií a možnosti dalšího využití získané tepelné energie.
Závěr: Správný přenos tepla je základem efektivního systému
Datová centra se stávají významnou součástí energetické infrastruktury. Jejich další rozvoj bude klást stále vyšší nároky na účinnost chlazení, provozní spolehlivost a hospodárné využívání energie.
Případová studie z italského Rozzana ukazuje, že odpadní teplo může být hodnotným zdrojem pro městské soustavy zásobování teplem.
Úspěšná realizace však vyžaduje více než pouze instalaci tepelného čerpadla nebo napojení na tepelnou síť.
Rozhodující je správné technické řešení celého systému – od chlazení serverů přes hydraulické oddělení jednotlivých okruhů až po předání tepelné energie odběrateli.
V HEXONIC se zaměřujeme na návrh a výrobu výměníků tepla, které odpovídají skutečným provozním podmínkám aplikace. Projektantům, výrobcům technologických zařízení a provozovatelům pomáháme s výběrem vhodného řešení pro efektivní a spolehlivý přenos tepla.
Navrhujete chlazení datového centra nebo systém využití odpadního tepla?
Řešíte oddělení chladicích okruhů, návrh CDU, free cooling nebo napojení na tepelnou síť?
Obraťte se na náš technicko-obchodní tým. Na základě provozních parametrů vám pomůžeme posoudit vhodné řešení výměny tepla pro konkrétní aplikaci.
Eduard Chlebovský
Country Sales Manager | HEXONIC CZ
E-mail: echlebovsky@hexonic.com
Více informací: www.ehexonic.cz
Technická řešení pro datová centra: https://hexonic.com/en/applications/data-centers/
Odborné zdroje
- Edemetti, F. a kol.: Dal Data Center alla città: come TIM Enterprise trasforma il calore di scarto in teleriscaldamento. L'Energia Science, 1/2026, s. 52–60. DOI: 10.63111/QES-2026.1.0005.
- International Energy Agency: Energy and AI, 2025.
- Směrnice Evropského parlamentu a Rady (EU) 2023/1791 o energetické účinnosti.
- HEXONIC: Data Centers – Heat Exchangers in Modern Data Center Cooling Systems.
- HEXONIC: Direct Liquid Cooling and the Role of Heat Exchangers in CDU Systems.
SECESPOL se změnila v HEXONIC. Společnost HEXONIC CZ je významný výrobce protiproudých trubkových spirálových, trubkových a deskových výměníků tepla v zastoupení firmy Hexonic Gdaňsk soustředící se na ohřev, vytápění, chlazení a další aplikace.