PROGETTAZIONE

Fig. 1 - L’incremento della potenza di calcolo dei data center provoca un continuo aumento dei consumi energetici

Recupero di calore PER DATA CENTER SOSTENIBILI

Luca Stefanutti

INVECE DI SMALTIRE NELL’ARIA AMBIENTE IL CALORE PRODOTTO, RISULTA MOLTO PIÙ SOSTENIBILE DAL PUNTO DI VISTA AMBIENTALE, E PIÙ CONVENIENTE DAL PUNTO DI VISTA ECONOMICO, RECUPERARLO SOTTO FORMA DI ACQUA CALDA DA UTILIZZARE PER MOLTEPLICI USI

L’ infrastruttura digitale è ormai diventata un elemento indispensabile nella nostra vita quotidiana. Non passa giorno senza che ognuno di noi invii un’e-mail o utilizzi un’app, un social network o un motore di ricerca. Termini come cloud, Internet of Things (IoT), smart home, smart city, smart factory e Industria 4.0 sono ormai sulla bocca di tutti. Senza dimenticare 5G, il nuovo standard di telefonia mobile, come pure la guida autonoma, l’intelligenza artificiale e il video streaming. Tutto ciò richiede larghezze di banda ampie e affidabili, potenti internet hub e, naturalmente, un sempre maggiore numero di data center di tutte le dimensioni. Applicazioni digitali sempre più potenti necessitano infatti di una sempre maggiore potenza di calcolo per l‘elaborazione dei dati, e la richiesta sta crescendo a tal punto che, nonostante i significativi progressi nell’efficienza della tecnologia dell’informazione e dell’infrastruttura digitale, i fabbisogni energetici dei data center sono in continuo aumento, in particolare a causa degli impianti di raffreddamento con funzionamento continuo 24/7 tutto l’anno necessari per smaltire il calore prodotto dai server e garantire il controllo della temperatura ambiente (figura 1). Gli operatori del settore sono quindi chiamati a dover soddisfare l’enorme richiesta di infrastrutture digitali rendendo i data center meno energivori. A tale scopo sono diventate ormai standard soluzioni come la compartimentazione in corridoi freddi e caldi, come pure l’adozione di temperature di progetto più elevate rispetto al passato.

Potenza elettrica

Fig. 2 - Rete di teleriscaldamento locale integrata con data center e sistema di cogenerazione (NeRZ) Acqua refrigerata

Calore di scarto Pompa di calore Calore

Impianto di cogenerazione Aree residenziali e commerciali

Tuttavia, esiste un grande potenziale di miglioramento delle prestazioni energetiche, ancora poco sfruttato, basato sull’utilizzo del calore prodotto dai data center. Sotto questo aspetto un esempio virtuoso da seguire ci viene dal Nord Europa, in particolare da Svezia e Germana, dove l’utilizzo del calore residuo è da anni diventato parte integrante delle politiche energetiche e ambientali e di sviluppo urbano.

Una risorsa da sfruttare

Attualmente nella maggiore parte dei data center il calore estratto dalle server room viene rilasciato nell’atmosfera. Ciò avviene anche quando si utilizza la tecnica del free-cooling che, se da una parte consente di ridurre il consumo energetico degli impianti di raffreddamento, comporta peraltro lo smaltimento di grandi quantità di calore nell’aria esterna, contribuendo quindi al riscaldamento globale che invece dobbiamo combattere. Se vogliamo prendere sul serio la protezione dell’ambiente, questa pratica dovrebbe quindi essere abbandonata a favore del recupero del calore. Molti esempi a livello internazionale dimostrano che ciò è già oggi possibile e che esiste un’ampia gamma di usi del calore prodotto: dall’impiego per il riscaldamento di edifici adiacenti adibiti ad uffici, al collegamento alle reti di teleriscaldamento urbano o di quartiere, fino all’utilizzo per le serre e le vertical farm. Molti operatori di data center hanno già riconosciuto l’importanza futura dell’utilizzo del calore di scarto. In un sondaggio realizzato in Germania, il 50% degli intervistati ha dichiarato di vedere un potenziale di risparmio medio-alto attraverso il suo utilizzo. Nei data center, gli apparati IT sono solitamente raffreddati con aria. Il calore viene ceduto a un sistema composto da unità di raffreddamento dotate di batterie ad espansione diretta o ad acqua fredda, e poi smaltito all’esterno da condensatori ad aria o gruppi frigoriferi. In genere, ciò si traduce in temperature di ritorno dell’acqua fredda da 18 a 30 °C. Il calore disperso può già essere utilizzato a questo livello di temperatura, come mostrano i successivi esempi. Se si raggiunge un livello di temperatura più elevato, ad esempio attraverso il raffreddamento ad acqua degli apparati IT, le possibilità di utilizzo dell’acqua calda aumentano notevolmente. È inoltre possibile utilizzare pompe di calore per aumentare il livello di temperatura. Tuttavia, il costo dell’elettricità necessaria per il funzionamento di una pompa di calore riduce significativamente la convenienza economica dello sfruttamento del calore residuo. Come verrà di seguito illustrato, sono diverse le possibilità di utilizzare il calore di scarto dai data center in modo efficiente dal punto di vista economico mediante approcci tecnologici innovativi.

Teleriscaldamento urbano e di quartiere

Un’opzione ovvia per l’utilizzo del calore di scarto è quella di immetterlo nelle reti di riscaldamento urbane oppure locali di quartiere, sia esistenti sia di nuova installazione. La distinzione tra le due tipologie di reti dipende essenzialmente dalla loro estensione. Mentre le reti locali si sviluppano per lo più all’interno di aree residenziali o commerciali (con temperatura dell’acqua calda inferiore a 80 °C), quelle urbane di solito coprono intere città e persino agglomerati urbani (come la regione della Ruhr in Germania) con temperatura dell’acqua calda generalmente compresa tra 80 e 130 °C. Il calore di scarto viene già utilizzato in modo intensivo nelle reti di teleriscaldamento in Svezia, dove sono già 30 i data center ad esse collegati. Gli esempi includono società come Ericsson, H&M, Interxion, Bahnhof e Digiplex. La rete di teleriscaldamento di Stoccolma si estende per circa 2800 chilometri con 10.000 famiglie allacciate, il 95% delle quali ubicate nel cuore di Stoccolma. In futuro, la rete sarà notevolmente ampliata e si prevede che entro il 2035 il calore di scarto dei data center soddisferà un decimo del fabbisogno di riscaldamento della città metropolitana. Attualmente, a Stoccolma è in costruzione un data center in colocation con un fabbisogno di 21 MW. Mediante la rete del teleriscaldamento il calore di scarto viene convogliato all’impianto di cogenerazione a biomasse di Värtaverket, dopo che la temperatura dell’acqua calda è stata innalzata a livello di quella della rete RCI

Fig. 3 - Il calore di scarto dei data center può essere utilizzato nelle vertical farm

di teleriscaldamento mediante pompe di calore. In questo modo, tutto il calore disperso dal data center può essere recuperato e immesso nella rete di teleriscaldamento della città di Stoccolma. L’energia termica di 112 milioni di kWh resa disponibile corrisponde al fabbisogno di una città di circa 20.000 abitanti. Su un approccio simile si basa il concetto sviluppato dall’Università tecnica di Darmstadt, che ha vinto il German Data Center Award nel 2017 con il progetto “Data center as a building block for energy transition at the district level”. Esso prevede l’alimentazione della rete di riscaldamento dell’università con il calore disperso da un computer center ad alte prestazioni con temperature di ritorno di 60 °C. Una pompa di calore viene utilizzata per portare l’acqua calda a 70 °C. Sempre in Germania, a Braunschweig, nel 2018 la società VW Financial Services ha commissionato un data center il cui calore residuo viene utilizzato per alimentare un’area residenziale e commerciale adiacente. La figura 2 mostra il principio di come l’utilizzo del calore di scarto può essere utilizzato in una rete di riscaldamento locale. Nel caso specifico, l’area residenziale è servita da un lato dal data center e dall’altro da un impianto di cogenerazione. Anche in questo caso il calore residuo del data center viene portato al livello di temperatura richiesto per la rete di riscaldamento locale con l’ausilio di una pompa di calore che funge, allo stesso tempo, anche da unità di raffreddamento per il data center. Un altro esempio viene dall’Università di Greifswald che ha progettato un data center con recupero del calore residuo da utilizzare per un nuovo edificio per aule e uffici, mentre un circuito del sistema di riscaldamento locale fornirà calore anche a un vicino edificio di laboratori di ricerca. L’utilizzo del calore residuo nelle reti di teleriscaldamento di quartiere e urbane pone tuttavia il superamento di una serie di sfide. In particolare, solitamente le reti sono pianificate e realizzate in tempi molto lunghi. Se nelle immediate vicinanze non è disponibile una rete adeguata, la connessione dei data center generalmente risulta non fattibile a breve termine. Ciò richiede quindi una programmazione lungimirante per la futura espansione delle reti di riscaldamento a livello locale e urbano e per l’ubicazione di nuovi data center. Anche sotto questo aspetto un possibile esempio di approccio viene della Svezia dove sono stati istituiti i cosiddetti data park all’interno dei quali gli operatori di data center sono in grado di costruire i propri data center. In queste aree, non solo è garantita sia la continuità e la ridondanza dell’alimentazione elettrica sia la connessione alla rete in fibra, ma anche che i data center possano immettere il calore di scarto nella rete di teleriscaldamento.

Utenze di quartiere

Se non è possibile immettere il calore di scarto in una rete di teleriscaldamento locale o urbana, è comunque possibile utilizzarlo in strutture poste nelle vicinanze, ad esempio per le utenze che richiedono calore in modo continuativo, come piscine, lavanderie e serre. Anche in questo caso la sfida consiste nel fornire la potenza termica a un livello di temperatura utilizzabile. Nel comune svizzero di Uitikon, il calore residuo del data center di un fornitore di servizi IT viene utilizzato per riscaldare l’acqua della piscina locale mediante uno scambiatore di calore. Il comune si è assunto una parte dei costi di connessione e riceve l’energia termica gratuitamente, pari a circa 2.800 MWh all’anno. Una possibilità interessante per l’utilizzo del calore di scarto, soprattutto in prospettiva futura, è offerta dalle serre. L’agricoltura verticale, in particolare, presenta buone opportunità da questo punto di vista (figura 3). Essa si riferisce a una forma di agricoltura urbana in cui la produzione di prodotti vegetali e animali avviene all’interno della città in edifici multipiano, dove frutta, verdura e alghe vengono coltivate tutto l’anno. Una variante è costituita dall’acquaponica, che combina l’acquacoltura con la coltivazione idroponica. I pesci sono tenuti all’interno di grandi vasche e i loro escrementi fungono da fertilizzante ricco di sostanze nutritive per le piante. La combinazione dell’agricoltura verticale con il recupero del calore residuo dai data center offre una serie di sinergie. Il calore di scarto è infatti disponibile ai livelli di temperatura richiesti e il fabbisogno termico è costante durante tutto l’anno. Risulta inoltre facile realizzare la combinazione di data center con edifici destinati all’agricoltura verticale che richiedono peraltro inoltre anche un’adeguata ventilazione, ovvero un regolare ricambio per rimuovere le sostanze indesiderate e mantenere una buona qualità dell’aria, come pure l’utilizzo di sistemi IT per massimizzare la resa, ridurre al minimo i rischi e aumentare l’efficienza. Vale quindi la pena, anche da questo punto di vista, valutare la combinazione tra data center e vertical farm.

Edifici di proprietà

Condizioni favorevoli sono offerte anche dall’utilizzo del calore di scarto in edifici adiacenti, ad esempio con l’ausilio di una pompa di calore acqua/acqua. Tassi di utilizzo elevati del calore disper-

so possono essere raggiunti negli edifici di proprietà di aziende che, oltre ai data center, gestiscono altre strutture, come edifici per uffici o impianti di produzione. Oltre ai grandi fornitori di cloud e colocation, molti operatori hanno i loro data center integrati in strutture di questa natura. A seconda delle specifiche condizioni, spesso è possibile in questi casi utilizzare grandi quantità del calore disperso disponibile. Un esempio pratico dell’utilizzo in proprietà adiacenti è fornito dall’ex Banca centrale europea di Francoforte. Nel grattacielo Eurotheum (figura 4) viene utilizzato fino al 90% del calore residuo proveniente dal data center installato nell’edificio. Il calore viene scaricato direttamente dai server tramite un sistema di raffreddamento a liquido. L’acqua calda, con una temperatura fino a 60 °C, viene immessa nel circuito di riscaldamento dell’edificio. Quando sarà completata la loro espansione, i server produrranno fino a 300 kW di calore residuo su ciascuno dei due piani, che potrà essere utilizzato per riscaldare gli uffici, le sale conferenze, gli hotel e i ristoranti. Utilizzando il sistema di raffreddamento a liquido a per i server e le temperature relativamente alte dell’acqua calda, è possibile fare a meno di una pompa di calore aggiuntiva. In questo modo i costi annui per i consumi di energia per il riscaldamento possono essere ridotti di 65 mila euro. Inoltre, è possibile risparmiare altri 95 mila euro all’anno in costi per il raffreddamento del data center rispetto a un sistema ad aria di tipo convenzionale.

Raffreddamento dal calore di scarto

Il calore di scarto può essere utilizzato anche per produrre freddo. I refrigeratori ad adsorbimento e ad assorbimento sono particolarmente adatti a questo scopo e presentano numerosi vantaggi. In particolare, essi consentono di ottenere il raffreddamento senza fare ricorso all’uso di F-gas dannosi per l’ambiente. Mentre i refrigeratori ad assorbimento sono generalmente utilizzati in taglie di potenza superiori a 200 kW e richiedono per il funzionamento acqua a 75 °C e oltre, quelli ad adsorbimento sono adatti anche per piccole potenze, fino a 10 kW, e funzionano già a partire da circa 55 °C. Il calore generato può essere utilizzato direttamente, soprattutto in estate, per raffreddare altri componenti all’interno o all’esterno del data center e ciò consente il suo impiego tutto l’anno. Tale soluzione è particolarmente indicata se i sistemi IT sono raffreddati ad acqua e se quindi è disponibile acqua calda a una temperatura di oltre 60 °C. Un concetto di questo tipo è attualmente in fase di sviluppo nell’ambito del progetto di ricerca HotFlAd finanziato dal Ministero federale tedesco dell’economia e dell’energia. Il progetto ha dimostrato che questa soluzione consente di ottenere un valore di PUE di 1,15 con una potenza elettrica per il raffreddamento di soli 500 W, che corrispondono a un decimo dell’elettricità necessaria per il raffreddamento di un data center convenzionale. Quando l’energia frigorifera generata dal processo di adsorbimento è notevolmente maggiore di quella richiesta nel data center stesso, essa può essere utilizzata per il raffreddamento di edifici adiacenti, con un valore di PUE pari a 1,17.

Fig. 4 - Il grattacielo Eurotheum di Francoforte sfrutta il calore residuo del data center per il riscaldamento degli ambienti

Un esempio di best practice

A Stoccolma la società di servizi energetici Fortum ha lanciato un progetto pilota di una rete di teleriscaldamento di tipo aperto. In pratica ciò significa che un edificio che presenta un surplus di energia termica, come un data center, può vendere il calore alla rete di teleriscaldamento. Secondo la società questo sistema offre diversi vantaggi, sia per la società di servizi che per quella che fornisce e vende l’energia in eccesso. Un vantaggio per Fortum è la riduzione dei costi di produzione quando l’energia fornita dagli edifici sostituisce quella prodotta più costosa. I vantaggi per il data center (o un altro edificio con energia in eccesso) sono dati dai proventi della vendita di energia che altrimenti andrebbe persa, da un maggiore utilizzo del sistema di raffreddamento e dalla maggiore affidabilità del sistema grazie alla ridondanza. Un esempio è il data center Thule della società Bahnhof situato nel centro della città, composto da tre sale dati. Il sistema di raffreddamento è costituito da tre pompe di calore collegate in serie. Durante il normale funzionamento, esse utilizzano l’acqua di ritorno della rete di teleraffreddamento e la raffreddano alla temperatura desiderata per l’utilizzo nel data center. Il calore prodotto viene ceduto al circuito di mandata del teleriscaldamento, trasformando in pratica la rete nel dissipatore della pompa di calore. La potenza frigorifera totale è di circa 1200 kW con acqua refrigerata prodotta a 5,5 °C e acqua calda a 68 °C. L’energia termica prodotta ammonta a circa 1600 kW.

Fig. 5 - L’ingresso del data center Banhof Thule, realizzato nel centro di Stoccolma

Con una temperatura dell’aria esterna fino a 0 °C è richiesta acqua calda a 65 °C mentre con temperature esterne inferiori quella di mandata deve essere più elevata, fino a 100 °C quando l’aria esterna raggiunge -18 °C. Il sistema può funzionare senza collegamento al teleraffrescamento in caso di interruzioni nell’erogazione della rete. Quando la temperatura esterna è superiore a 20 °C l’impianto produce il raffrescamento a pieno regime e l’energia frigorifera in eccesso viene utilizzata da altri clienti della rete. Quando la temperatura è inferiore a 20 °C e vi è una richiesta di raffreddamento, le macchine funzionano a una potenza ridotta in modo da coprire il fabbisogno di raffreddamento del data center. A seconda della temperatura esterna, varia la compensazione economica da parte della società di servizi per la fornitura di calore del data center. In una giornata fredda della stagione invernale il calore erogato può valere dieci volte di più rispetto a una giornata normale della stagione estiva. Pertanto il calore in eccesso delle pompe di calore viene utilizzato nella rete di teleriscaldamento principalmente quando la temperatura esterna è inferiore a 7 °C, per un periodo pari a circa metà dell’anno. La società Bahnhof ha sempre il diritto di fornire calore a Fortum e vi è sempre bisogno di calore nella rete di teleriscaldamento, tuttavia il prezzo pagato è correlato alla domanda. Bahnhof ha investito in totale 500 mila euro per la realizzazione della centrale mentre Fortum ha sostenuto un costo di 260 mila euro per i nuovi tubi di mandata per il teleriscaldamento e il teleraffrescamento.

Pompe di calore

Per molte applicazioni non è sufficiente il livello di temperatura del calore residuo sotto forma di acqua calda compreso tra 30 e 40 °C solitamente raggiunto nei data center. In questi casi è consigliabile aumentare la temperatura fino a 60 °C e oltre con l’ausilio di una pompa di calore, in modo che il calore possa essere utilizzato per altre applicazioni, come il riscaldamento degli ambienti. È anche possibile utilizzare pompe di calore multistadio, con le quali si può raggiungere un livello di temperatura significativamente più alto di 150 °C. L’uso di una pompa di calore ha un senso economico in base a quanto è costoso il suo funzionamento che, nella maggior parte dei casi, richiede come fonte energetica l’elettricità. I prezzi dell’energia elettrica sono quindi decisivi per la convenienza in termini di costi. Un esempio è l’utilizzo del calore residuo delle sale server nella sede centrale di Amburgo della Vattenfall Europe AG. Esso viene utilizzato in combinazione con una pompa di calore con compressore centrifugo per riscaldare circa 50.000 m2 di uffici. Ciò consente di risparmiare circa 600 tonnellate di CO2 ogni anno. In linea generale, supponendo un prezzo dell’energia termica di 40 Euro/MWh, i costi per il funzionamento della pompa di calore devono essere inferiori a tale valore affinché l’utilizzo del calore di scarto sia conveniente. Con un prezzo dell’energia elettrica di 0,15 euro/kWh, ciò significa che, con 1 kWh di energia elettrica, la pompa di calore dovrebbe fornire almeno 3,75 kWh di calore che potrebbe essere venduto a 0,04/kWh (equivalenti a 40 Euro/MWh). Per valutare l’impiego delle pompe di calore devono essere presi in considerazione anche ulteriori vantaggi, come il risparmio energetico per il raffreddamento o effetti non monetari come il miglioramento dell’immagine aziendale.

Recuperatori di calore ad alte prestazioni

Lo sfruttamento efficiente ed efficace è un requisito essenziale per l’utilizzo del calore di scarto dai data center. Un approccio tecnologico molto interessante e promettente è l’uso di sistemi di recupero di calore a circuito chiuso. Questi sistemi sono composti da due batterie di scambio, una installata nel flusso di aria esterna e l’altra in quello dell’aria espulsa. Questi scambiatori di calore sono collegati tra loro mediante tubazioni riempite con un fluido termovettore. L’aria calda estratta dal data center trasferisce il calore al fluido e una pompa

Unità di raffreddamento Unità di raffreddamento Unità di raffreddamento

Data center

Data center

Pompa di calore

Pompa di calore Scambiatore di calore

Pompa di calore Data center

Teleraffreddamento

Fig. 7 - Schema funzionale del data center Banhof Thule Teleriscaldamento

lo trasporta all’altra batteria dove l’energia viene trasferita all’aria fredda esterna. I sistemi a circuito chiuso sono normalmente utilizzati come sistemi di recupero del calore a bassa efficienza negli impianti di ventilazione e climatizzazione nel caso in cui sia necessario separare i due flussi d’aria. Con un design appropriato, essi possono essere impiegati in modo conveniente anche come sistemi ad alte prestazioni con un’efficienza che può arrivare fino all’80%. Il fluido termovettore di un sistema a circuito chiuso ad alta capacità può essere utilizzo per immettere caldo o freddo nel sistema oppure per estrarlo dal sistema. In tal caso non è necessario impiegare una batteria aggiuntiva e ciò aumenta notevolmente l’efficienza economica, poiché da un lato si possono ridurre i costi di investimento e dall’altro i costi di esercizio, causati dalle perdite di carico. Oltre all’immissione o all’estrazione del calore, i sistemi a circuito chiuso offrono anche una serie di altri vantaggi. In particolare, sono possibili le seguenti funzioni: • Post-raffreddamento indiretto o diretto: uno scambiatore di calore a piastre può essere utilizzato per immettere acqua refrigerata nel sistema. • Deumidificazione dell’aria: l’acqua fredda viene immessa nel sistema tra la seconda e la terza batteria (in direzione del flusso d’aria). Ciò può essere fatto direttamente o indirettamente. Il fluido termovettore viene raffreddato prima di entrare nel secondo stadio in modo che l’aria venga deumidificata nei due stadi successivi (vedi figura 8). L’aria sottoraffreddata viene

quindi convogliata attraverso la terza batteria, nella direzione del flusso d’aria, dove avviene uno scambio termico che preraffredda il fluido, prima dell’immissione dell’acqua refrigerata, e contemporaneamente riscalda l’aria. Il fluido preraffreddato a sua volta riduce notevolmente la potenza frigorifera necessaria mentre il postriscaldamento può essere realizzato senza ulteriore dispendio di energia primaria. • Calore residuo da gruppo refrigeratore: il calore può essere immesso nel flusso dell’aria di espulsione attraverso l’ultima batteria (secondo la direzione del flusso d’aria) dello scambiatore di calore, ottenendo un vantaggio energetico. A tal fine, l’ultima batteria del processo di recupero del calore viene disaccoppiata e messa a disposizione del recupero del freddo del refrigeratore oppure il calore residuo del refrigeratore viene immesso nel flusso di ritorno tramite uno scambiatore di calore a piastre. • Estrazione del calore residuo: in questo caso è possibile estrarre più calore dal flusso d’aria di processo. Utilizzando uno scambiatore di calore a piastre è possibile estrarre calore dal fluido, ad esempio per il preriscaldamento dell’acqua sanitaria (vedi figura 9). L’uso del calore di scarto migliora anche in modo significativo l’efficienza del recupero del calore. Il calore residuo può essere utilizzato anche per riscaldare l’aria di mandata di un sistema di ventilazione. Con questa tecnica, nei data center possono essere raggiunte temperature dell’aria fino a 33 °C. Se questo livello di temperatura non è sufficiente, può essere aumentato mediante l’uso di una pompa di calore. Ciò

richiede però un consumo di energia aggiuntivo, il che riduce l’economicità dell’intero sistema. • Sistemi di evaporazione adiabatica multistadio: il raffreddamento evaporativo indiretto viene generato da un umidificatore adiabatico ed è trasferito al lato aria di processo tramite un sistema di recupero del calore (figura 10). La scomposizione dell’intero sistema in più fasi si traduce in un complesso sistema ibrido. Il vantaggio del sistema multistadio risiede nella maggiore potenza frigorifera rispetto a un sistema monostadio, che deriva dal fatto che la temperatura dell’aria viene ulteriormente abbassata negli stadi successivi, e quindi la temperatura media risulta più bassa rispetto a un sistema monostadio. Con questa soluzione la potenza frigorifera può essere aumentata di circa il 25%, senza aumentare le perdite di carico dell’impianto, in quanto le alette non servono solo per il trasferimento di calore, ma sono anche utilizzate come superficie di evaporazione. I sistemi ibridi riducono i costi dell’energia elettrica, poiché le perdite di carico degli umidificatori (multistadio) vengono eliminate e il ricorso alla refrigerazione meccanica può essere ridotto. In funzionamento estivo, con una temperatura dell’aria esterna di 32 °C si ottiene una temperatura dell’aria di mandata di circa 22 °C. I sistemi a circuito chiuso particolarmente efficienti hanno scambiatori di calore con rendimenti di trasferimento ad alta temperatura superiori al 75%. Inoltre, il raffreddamento evaporativo può essere migliorato mediante postevaporazione aumentando l’idrofilia della superficie attraverso l’uso di uno speciale additivo. Esso viene utilizzato solo quando è necessaria un’ulteriore evaporazione a causa della necessità di una maggiore capacità di raffreddamento. L’additivo viene aggiunto in modo controllato, per cui la temperatura dell’aria di mandata richiesta è regolata dalla sua concentrazione. Di conseguenza, la necessità dell’additivo è ridotta al minimo. A causa del maggiore effetto di postevaporazione dell’acqua di umidificazione, si ottiene un grado di umidificazione che corrisponde a quello equivalente di un umidificatore separato monostadio superiore al 100%. Lo speciale procedimento permette inoltre di regolare la post-evaporazione con infinita variabilità. Con questa soluzione è possibile raggiungere una temperatura dell’aria di mandata di 19 °C anche con 32 °C e 40% di aria esterna e 25 °C e 50% di aria espulsa. La temperatura dell’aria di mandata può quindi essere ridotta fino a 3 K. Il sistema presenta anche il vantaggio che la refrigerazione meccanica aggiuntiva deve essere utilizzata molto meno frequentemente.

Sistemi IT raffreddati ad acqua

Umidificazione adiabatica indiretta ibrida

Aria espulsa

Mandata aria Oggi i componenti IT nei data center sono generalmente raffreddati mediante l’uso di aria. Tuttavia, questa forma di raffreddamento sta raggiungendo sempre più i suoi limiti fisici, poiché la densità di potenza massima degli apparati IT è in aumento e quindi viene generato più calore dai server. Da un lato, ciò è dovuto al fatto che aumenta sempre di più la densità dei componenti IT nei server. L’aumento della quantità di RAM e l’uso di GPU comportano un aumento dei requisiti di alimentazione per i server. Inoltre, da qualche tempo si nota un aumento del consumo energetico dei processori ad alte prestazioni. Mentre la potenza massima di emissione termica (TDP) dei processori per server Intel è stata mantenuta costante a circa 150 watt tra il 2005 e il 2013, nel 2019 è arrivata fino a 400 watt per i processori ad alte prestaAria di ripresa condensatore zioni. A causa delle proprietà termiAria espulsa Calore di scarto dal chiller che relativamente sfavorevoli dell’aria, i sistemi IT con un’alta densità di potenza richiedono portate estremamente elevate per garantire il raffreddamento richiesto, distribuendola in Valvola di regolazione chiller modo uniforme in tutti i punti del data center. Ciò comporRegolazione potenza ta elevati consumi di energia elettrica per molta elettricità per la circolazione dell’aria come mezzo di trasferimento Recupero freddo del calore. alimentazione indiretta Per il trasporto dell’aria sono inoltre necessari canali di notevoli dimensioni in sezione. Aria esterna Con tali sistemi, l’utilizzo efficiente del calore di scarto gePostriscaldamento Deumidificazione nerato diventa tecnicamente Recupero freddo deumidificazione molto impegnativo.

Il raffreddamento ad acqua risulta invece molto più efficiente e potrebbe portare a un miglioramento significativo nell’utilizzo del calore di scarto. Nel campo delle applicazioni scientifiche e di altre varianti del calcolo ad alte prestazioni, i sistemi raffreddati ad acqua sono già ora sempre più utilizzati. I sistemi IT raffreddati ad acqua consentono un ottimo utilizzo del calore residuo. L’acqua calda a 55 °C e oltre viene generata direttamente dai server. Quest’acqua può essere utilizzata per il riscaldamento o per la fornitura di acqua calda sanitaria in edifici residenziali e commerciali. È anche possibile realizzare la refrigerazione a partire dal calore di scarto (come dimostrano il progetto HotFlAd e il Leibnitz Data Center di Monaco di Baviera) e ciò rappresenta la massima ottimizzazione del suo utilizzo. Attualmente esistono due sistemi per il raffreddamento diretto dei server con liquido: • raffreddamento a immersione in un liquido che si riscalda, mediante sistemi con e senza cambio di fase; • raffreddamento mediante liquido/acqua: in questo caso il liquido viene trasportato attraverso un circuito chiuso verso speciali dissipatori di calore, che poi assorbono il calore disperso dai server. Gli attuali sviluppi dei data center, con un aumento del calcolo ad alte prestazioni anche per il settore dell’intelligenza artificiale e un netto aumento del consumo di energia elettrica con server standard, stanno creando condizioni molto favorevoli per i sistemi server in cui il raffreddamento avviene tramite liquidi e, contemporaneamente, il calore diventa disponibile per usi secondari.

Fig. 9 - Sistema a circuito chiuso con estrazione del calore di scarto per preriscaldamento dell’acqua calda sanitaria (Howatherm)

Conclusioni

Grazie al recupero di calore i data center possono trasformarsi da problema ambientale a grande opportunità diventando prosumers, ovvero consumatori e al tempo stesso produttori di energia. A tale scopo la scelta del sito dove realizzarli dovrebbe essere fatta anche in funzione della possibilità di utilizzare il recupero di calore. Per ridurre o azzerare l’impronta carbonica dei data center, l’utilizzo del calore di scarto deve rappresentare un obiettivo non solo per gli operatori ma anche per la società nel suo insieme. In particolare, sono necessarie una serie di misure in grado di promuovere il suo futuro impiego: • gli operatori devono essere informati di più e meglio; • devono essere sviluppate ulteriori possibilità di utilizzo, ad esempio nel settore dell’agricoltura verticale; • le soluzioni tecnologiche devono essere ulteriormente migliorate; • deve essere introdotto per legge un limite ai consumi energetici dei data center. Last but not least, lo scenario politico, sociale ed economico deve cambiare in modo da promuovere maggiormente l’uso del calore di scarto. In particolare, deve essere attuata una strategia che coinvolga i diversi stakeholder, privati e pubblici, in modo da integrare i nuovi data center nei progetti di sviluppo urbano. Inoltre, è necessario attuare una politica lungimirante di pianificazione per la realizzazione di nuove reti di teleriscaldamento e teleraffreddamento, tenendo conto delle fonti di calore esistenti sul territorio, anche con l’introduzione di incentivi fiscali. Operatori di data center, progettisti e amministratori pubblici devono sfruttare questa opportunità in modo da dare un contributo significativo allo sviluppo sostenibile della digitalizzazione.

Scambiatore di calore Aria espulsa in uscita 10 °C Aria esterna –5 °C Aria di mandata 20 °C

Aria espulsa 35 °C

Estrazione calore Data center

Bibliografia

Funke T. et al., Utilization of Waste Heat in the Data Center. A white paper by NeRZ in collaboration with eco – Association of the Internet Industry.