Odzysk ciepła z serwerowni i centrów danych jako element nowoczesnej energetyki przemysłowej

Dynamiczny rozwój infrastruktury IT sprawia, że centra danych stały się jednymi z najbardziej energochłonnych obiektów technicznych współczesnej gospodarki. Wysoka koncentracja mocy obliczeniowej oznacza jednocześnie generowanie znacznych ilości ciepła odpadowego, które w tradycyjnym podejściu było traktowane wyłącznie jako problem eksploatacyjny wymagający skutecznego chłodzenia. Obecnie coraz częściej postrzega się je jako stabilne i przewidywalne źródło energii cieplnej, możliwe do wykorzystania w skali przemysłowej.

W kontekście transformacji energetycznej, rosnących kosztów energii oraz wymogów redukcji emisji CO₂, odzysk ciepła z serwerowni i magazynów danych staje się realnym elementem systemów energetycznych budynków, zakładów przemysłowych oraz sieci ciepłowniczych.

 

Charakterystyka ciepła odpadowego w centrach danych

Ciepło w centrach danych powstaje niemal w całości jako efekt uboczny pracy urządzeń IT – serwerów, macierzy dyskowych, przełączników sieciowych oraz infrastruktury zasilającej. Z punktu widzenia energetycznego niemal 100% pobieranej energii elektrycznej zamieniane jest w ciepło, co czyni centra danych wyjątkowo przewidywalnym źródłem strumienia cieplnego.

Istotną cechą tego ciepła jest jego ciągłość i stabilność. W przeciwieństwie do wielu procesów przemysłowych, obciążenie cieplne serwerowni ma charakter bazowy, często z niewielkimi wahaniami dobowymi i sezonowymi. Temperatury medium chłodzącego zależą od zastosowanej technologii, jednak w nowoczesnych instalacjach coraz częściej osiągają poziomy umożliwiające bezpośredni lub pośredni odzysk energii.

Czytaj również: Instalacje procesowe - projektowanie i budowa

 

Systemy chłodzenia jako fundament odzysku energii

Rodzaj zastosowanego systemu chłodzenia wprost determinuje możliwości i efektywność odzysku ciepła. Tradycyjne rozwiązania powietrzne, oparte na klimatyzatorach precyzyjnych i agregatach wody lodowej, generują ciepło o relatywnie niskiej temperaturze, co ogranicza potencjalne zastosowania bez dodatkowego podnoszenia parametrów.

Znacznie większe możliwości stwarzają systemy chłodzenia cieczą. Wymienniki montowane bezpośrednio na szafach serwerowych, rozwiązania typu direct-to-chip czy coraz popularniejsze chłodzenie zanurzeniowe pozwalają na odbiór ciepła o wyższej temperaturze i mniejszych stratach. Z punktu widzenia integracji energetycznej są to technologie preferowane w nowych obiektach oraz przy modernizacji dużych centrów danych.

 

Technologie przemysłowego odzysku ciepła

Podstawowym elementem systemów odzysku ciepła są wymienniki ciepła, umożliwiające separację obiegów technologicznych serwerowni od instalacji odbiorczych. W praktyce stosuje się głównie wymienniki płytowe, charakteryzujące się wysoką sprawnością i kompaktową budową.

W większości zastosowań kluczową rolę odgrywają pompy ciepła, które umożliwiają podniesienie temperatury odzyskanego ciepła do poziomów użytecznych dla ogrzewania budynków lub zasilania sieci ciepłowniczych. Nowoczesne pompy ciepła wysokotemperaturowe pozwalają osiągać temperatury rzędu 70–90°C przy korzystnych współczynnikach efektywności, szczególnie przy stabilnym źródle dolnym, jakim jest centrum danych.

Integralnym elementem systemu są również bufory ciepła, układy automatyki oraz systemy monitoringu, które zapewniają bezpieczną i efektywną pracę instalacji przy zmiennym zapotrzebowaniu po stronie odbiorców. Sprawdź: budownictwo energetyczne.

 

Praktyczne zastosowania odzyskanego ciepła

Odzyskane ciepło z serwerowni może być wykorzystywane w wielu obszarach. Najczęściej spotykanym zastosowaniem jest ogrzewanie budynków biurowych, mieszkalnych lub obiektów użyteczności publicznej zlokalizowanych w bezpośrednim sąsiedztwie centrum danych. Coraz częściej realizowane są również projekty integrujące data center z miejskimi sieciami ciepłowniczymi.

W skali przemysłowej ciepło niskotemperaturowe znajduje zastosowanie w procesach technologicznych, suszeniu, podgrzewie mediów czy przygotowaniu ciepłej wody użytkowej. Kluczowym czynnikiem jest dopasowanie profilu odbioru ciepła do charakterystyki pracy serwerowni, co wymaga odpowiedniego podejścia projektowego już na etapie koncepcji.

 

Integracja z systemami energetycznymi i wyzwania techniczne

Skuteczna integracja centrum danych z infrastrukturą energetyczną opiera się na wyraźnym rozdzieleniu funkcji krytycznych dla pracy IT od funkcji energetycznych, przy jednoczesnym zapewnieniu kontrolowanego transferu energii cieplnej pomiędzy tymi obszarami. Od strony technicznej proces ten rozpoczyna się już na poziomie systemu chłodzenia serwerów, który pełni rolę pierwotnego źródła ciepła odpadowego.

W nowoczesnych centrach danych ciepło odbierane jest bezpośrednio z szaf serwerowych lub komponentów IT przez obiegi wody technologicznej lub specjalistycznych cieczy chłodzących. Obieg ten pracuje w zamkniętym układzie, o ściśle kontrolowanych parametrach temperatury, przepływu i jakości medium, i stanowi tzw. obieg pierwotny, krytyczny z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy infrastruktury IT.

Na styku obiegu pierwotnego i instalacji odzysku ciepła stosuje się wymienniki ciepła, najczęściej płytowe lub płytowo-ramowe, które zapewniają pełną separację hydrauliczną i chemiczną obu układów. Jest to kluczowy element całego systemu, ponieważ eliminuje ryzyko przeniesienia zanieczyszczeń, awarii lub zaburzeń hydraulicznych z instalacji energetycznej do systemu chłodzenia serwerów.

Za wymiennikiem ciepła znajduje się obieg wtórny, w którym odzyskana energia cieplna jest dalej przetwarzana i dystrybuowana. W zależności od wymaganych parametrów temperaturowych, obieg ten może zasilać odbiorniki bezpośrednio lub poprzez pompy ciepła, które podnoszą temperaturę medium do poziomu użytecznego dla instalacji grzewczych, sieci ciepłowniczych lub procesów technologicznych. Pompy ciepła pracują w sposób ciągły lub modulowany, dostosowując swoją moc do aktualnej dostępności ciepła i zapotrzebowania po stronie odbiorców.

Istotnym elementem technicznym integracji są magazyny energii cieplnej, najczęściej w postaci zasobników buforowych o znacznej pojemności. Bufory te pełnią kilka funkcji: stabilizują pracę pomp ciepła, umożliwiają krótkoterminowe magazynowanie nadwyżek energii oraz zapewniają ciągłość odbioru ciepła w sytuacjach, gdy zapotrzebowanie odbiorców chwilowo spada. W bardziej zaawansowanych układach stosuje się również sezonowe magazyny ciepła lub integrację z systemami niskotemperaturowymi, takimi jak sieci ciepłownicze czwartej generacji.

Całość systemu zarządzana jest przez rozbudowaną automatykę i systemy sterowania, które integrują dane z infrastruktury IT, instalacji HVAC oraz systemów energetycznych. Algorytmy sterujące w czasie rzeczywistym analizują temperatury, przepływy, obciążenia serwerów oraz zapotrzebowanie cieplne odbiorców, decydując o kierunku przepływu energii, pracy pomp ciepła i stopniu wykorzystania magazynów ciepła. Kluczowe znaczenie ma tu priorytetyzacja – system zawsze w pierwszej kolejności zabezpiecza wymagane warunki pracy serwerów, a dopiero w dalszej kolejności maksymalizuje odzysk energii.

Z punktu widzenia eksploatacji nadrzędnym wymaganiem pozostaje niezawodność. System odzysku ciepła projektowany jest jako układ całkowicie podporządkowany infrastrukturze IT, co oznacza pełną redundancję kluczowych elementów: wymienników ciepła, pomp obiegowych, zaworów regulacyjnych oraz systemów sterowania. W praktyce stosuje się konfiguracje N+1 lub 2N, umożliwiające bezpieczną pracę nawet w przypadku awarii pojedynczego komponentu.

Procedury awaryjne są integralną częścią projektu technicznego. W sytuacjach zakłóceń po stronie odbioru ciepła system automatycznie przełącza się w tryb odrzutu energii do tradycyjnych układów chłodzenia, takich jak dry coolery lub wieże chłodnicze, bez jakiegokolwiek wpływu na temperatury pracy serwerów. Takie podejście gwarantuje, że odzysk ciepła nie wprowadza dodatkowego ryzyka operacyjnego, a jego brak nie wpływa na ciągłość pracy centrum danych.

W praktyce techniczna integracja centrum danych z infrastrukturą energetyczną jest więc złożonym, wielopoziomowym procesem, wymagającym precyzyjnego projektowania hydraulicznego, zaawansowanej automatyki oraz ścisłej koordynacji pomiędzy wszystkimi branżami. Tylko takie podejście pozwala przekształcić centrum danych z odbiorcy energii w aktywny element lokalnego lub regionalnego systemu energetycznego, bez kompromisów w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności.

 

Efektywność energetyczna i aspekty ekonomiczne

Wdrożenie systemów odzysku ciepła ma bezpośredni wpływ na poprawę wskaźników efektywności energetycznej centrum danych, takich jak PUE czy ERE. Redukcja energii zużywanej na chłodzenie oraz możliwość sprzedaży lub wykorzystania ciepła odpadowego przekładają się na realne oszczędności operacyjne.

Analiza ekonomiczna takich inwestycji musi uwzględniać zarówno nakłady inwestycyjne, jak i długoterminowe korzyści wynikające z obniżenia kosztów energii, zmniejszenia emisji oraz spełnienia wymogów środowiskowych i raportowych. W dużych instalacjach przemysłowych okres zwrotu inwestycji jest coraz częściej liczony w kilku, a nie kilkunastu latach.

 

Normy, regulacje i uwarunkowania formalne

Aspekty formalne i regulacyjne odgrywają kluczową rolę w projektowaniu oraz wdrażaniu systemów odzysku ciepła z serwerowni i centrów danych. W praktyce to właśnie one często determinują zakres możliwych rozwiązań technicznych, sposób integracji z infrastrukturą zewnętrzną oraz opłacalność całego przedsięwzięcia. Z tego względu wymagają one szczegółowej analizy już na etapie koncepcji i studium wykonalności.

 

Normy techniczne dotyczące centrów danych i instalacji towarzyszących

Podstawowym punktem odniesienia dla projektowania infrastruktury centrów danych są wytyczne ASHRAE TC 9.9, które definiują dopuszczalne zakresy temperatur i wilgotności dla urządzeń IT. W ostatnich latach normy te ewoluowały w kierunku dopuszczania wyższych temperatur pracy, co bezpośrednio zwiększa potencjał odzysku ciepła i sprzyja wdrażaniu systemów chłodzenia cieczą.

W warunkach europejskich kluczowe znaczenie ma norma EN 50600, obejmująca wymagania dotyczące infrastruktury centrów danych w zakresie zasilania, chłodzenia, bezpieczeństwa i dostępności. Norma ta nie narzuca konkretnych technologii odzysku ciepła, jednak w sposób pośredni promuje rozwiązania poprawiające efektywność energetyczną oraz umożliwiające integrację z systemami zewnętrznymi.

Uzupełnieniem są normy instalacyjne i energetyczne, takie jak EN 12828 dla instalacji grzewczych czy EN 14511 dla pomp ciepła, które określają wymagania projektowe, badawcze i eksploatacyjne dla elementów systemów odzysku ciepła.

 

Systemy zarządzania energią i efektywność energetyczna

W kontekście formalnym coraz większe znaczenie mają systemy zarządzania energią zgodne z ISO 50001. Norma ta wymaga systematycznego monitorowania, analizy i doskonalenia zużycia energii, co w naturalny sposób sprzyja identyfikacji źródeł ciepła odpadowego i ich zagospodarowaniu.

Dla operatorów centrów danych wdrożenie ISO 50001 nie tylko wspiera działania optymalizacyjne, ale również stanowi istotny argument w relacjach z inwestorami, instytucjami finansowymi oraz administracją publiczną, zwłaszcza w projektach współfinansowanych lub objętych ulgami energetycznymi.

 

Regulacje środowiskowe i raportowanie ESG

Odzysk ciepła z centrów danych coraz częściej wpisuje się w obowiązki związane z raportowaniem środowiskowym i społecznym. W ramach unijnych regulacji, takich jak dyrektywy dotyczące efektywności energetycznej oraz systemy raportowania ESG, operatorzy dużych obiektów infrastrukturalnych zobowiązani są do wykazywania działań ograniczających zużycie energii pierwotnej i emisję gazów cieplarnianych.

Systemy odzysku ciepła mogą być w tym kontekście traktowane jako realny środek redukcji śladu węglowego, pod warunkiem właściwego udokumentowania efektów energetycznych i środowiskowych. Wymaga to jednak precyzyjnych systemów pomiarowych oraz jasnych metod alokacji korzyści pomiędzy stronami zaangażowanymi w projekt.

 

Prawo energetyczne i współpraca z sieciami ciepłowniczymi

W przypadku przekazywania odzyskanego ciepła do zewnętrznych odbiorców, w szczególności do sieci ciepłowniczych, kluczowe znaczenie mają przepisy prawa energetycznego oraz lokalne regulacje dotyczące koncesji, taryf i warunków przyłączenia.

Ciepło odpadowe z centrum danych może być kwalifikowane jako źródło ciepła niekonwencjonalnego, co w niektórych jurysdykcjach wiąże się z preferencyjnymi warunkami przyłączenia lub wsparciem regulacyjnym. Jednocześnie pojawiają się zagadnienia związane z odpowiedzialnością za ciągłość dostaw, parametry jakościowe medium grzewczego oraz rozliczenia finansowe pomiędzy operatorem data center a przedsiębiorstwem ciepłowniczym.

 

Uwarunkowania formalne na etapie projektowym i inwestycyjnym

Na etapie przygotowania inwestycji konieczne jest uwzględnienie szeregu formalności, takich jak decyzje środowiskowe, uzgodnienia branżowe, warunki techniczne przyłączenia oraz zgodność z miejscowymi planami zagospodarowania przestrzennego. W przypadku nowych centrów danych coraz częściej oczekuje się przedstawienia koncepcji zagospodarowania ciepła odpadowego jako elementu odpowiedzialnego projektowania.

Z perspektywy inwestora istotne jest również odpowiednie ujęcie systemów odzysku ciepła w dokumentacji projektowej i przetargowej, tak aby jasno zdefiniować zakres odpowiedzialności, parametry techniczne oraz wymagania eksploatacyjne.

 

Znaczenie spójności formalnej i technicznej

Doświadczenie z realizacji projektów przemysłowych pokazuje, że sukces systemów odzysku ciepła z centrów danych zależy w dużej mierze od spójności pomiędzy rozwiązaniami technicznymi a otoczeniem regulacyjnym. Właściwa interpretacja norm, świadome wykorzystanie dostępnych regulacji oraz wczesne zaangażowanie specjalistów z zakresu prawa energetycznego i ochrony środowiska pozwalają uniknąć ryzyk formalnych i zwiększają przewidywalność całego przedsięwzięcia.

 

Rola doświadczonego partnera projektowego – Prochem

Skuteczny odzysk ciepła z centrów danych wymaga interdyscyplinarnego podejścia, łączącego wiedzę z zakresu energetyki, instalacji przemysłowych, automatyki oraz infrastruktury IT. Kluczową rolę odgrywa tu doświadczony partner inżynierski, zdolny do kompleksowego prowadzenia projektu – od analiz przedinwestycyjnych, przez projektowanie, aż po wsparcie realizacyjne.

Firma Prochem od lat specjalizuje się w projektowaniu zaawansowanych instalacji przemysłowych i energetycznych, w tym systemów odzysku ciepła i wysokosprawnych układów energetycznych, ale także budowa spalarni odpadów czy projektowanie i budowa instalacji procesowych. Doświadczenie Prochemu w pracy z obiektami o wysokich wymaganiach niezawodnościowych oraz znajomość realiów dużych inwestycji infrastrukturalnych sprawiają, że spółka jest naturalnym partnerem dla inwestorów planujących nowoczesne centra danych lub modernizację istniejących obiektów.

Dzięki kompetencjom w zakresie integracji technologii, analizy efektywności energetycznej oraz zgodności z obowiązującymi normami, Prochem wspiera realizację projektów, które nie tylko spełniają wymagania techniczne, ale również wpisują się w długofalowe cele biznesowe i środowiskowe inwestorów.