Dátové centrá

Prečo data centrá produkujú toľko tepla

Data centrá konvertujú takmer 100 % elektrickej energie dodanej IT zariadeniam (CPU/GPU, pamäte, úložiská) na teplo. Ďalší podiel pochádza zo zdrojov napájania (UPS, usmerňovače), rozvádzačov a chladiacich jednotiek. Keďže výkonové hustoty stúpajú (10–60 kW na rack pri AI/HPCC, v špičke aj 100 + kW), vzniká nízkopotenciálne odpadové teplo – typicky 25–40 °C vo vzduchu a 35–60 °C na kvapalinových slučkách. Dnes už nie je cieľom teplo „len odviesť“, ale využiť ho pre budovy a priemysel, čím sa znižuje spotreba primárnej energie a emisie.

Kľúčové metriky a pojmy

• PUE (Power Usage Effectiveness) = celkový príkon / IT príkon. Čím bližšie k 1, tým lepšie. Nepozná však, či teplo zhodnocujeme.
• WUE (Water Usage Effectiveness) – spotreba vody na jednotku IT práce.
• ERF (Energy Reuse Factor) – podiel energie odovzdanej na ďalšie využitie; 0–1.
• ERE (Energy Reuse Effectiveness) – PUE upravené o opätovné využitie tepla: ERE = (celkový príkon – znovuvyužitá energia) / IT príkon.
• Exergia – využiteľnosť energie z hľadiska teplotného spádu. Aj „nízka“ teplota má hodnotu, ak existuje odber pri nízkej teplote (nízkoteplotné siete, sušenie, akvakultúra).

Teplotné úrovne a scenáre využitia

Architektonické modely zhodnocovania tepla

1. On-site využitie v budove
   • Predohrev privádzaného vzduchu VZT, teplá voda (DHW) cez TČ.
   • Výhody: nízke straty, jednoduché zmluvy. Nevýhody: limitovaný odber mimo vykurovacej sezóny.
2. Napojenie na lokálnu nízkoteplotnú sieť (LT-DH/5GDHC)
   • Obojsmerné tepelné siete (15–30 °C) s decentralizovanými TČ u odberateľov.
   • Výhody: celoročný odber, flexibilita. Nevýhody: potreba infraštruktúry a koordinácie.
3. Dodávka do centrálneho zásobovania teplom (CZT)
   • Vyšší teplotný level (65–90 °C) – vyžaduje TČ s vyšším zdvihom (lift) a často kaskádu.
   • Výhody: veľký odber, istota odberu. Nevýhody: energetický zdvih znižuje COP, potreba špičkovania.
4. Špeciálne aplikácie
   • Skleníky, akvakultúra (pôdorys pri DC parkoch), sušenie biomasy, komunálne práčovne, nízkoteplotné procesy.

Tepelné čerpadlo: dimenzovanie a výkonové ukazovatele

• COP (Coefficient of Performance) ~ f(ΔT). Pri zdroji 35–45 °C a výstupe 50–60 °C sú COP 3,5–6 realistické (vyššie pri D2C/imersii).
• Teplotný spád: optimalizujte pri zdroji (maximalizovať T z DC) aj u odberateľa (nízkoteplotné systémy 35–45 °C).
• Hydraulika: dvojokruhové oddelenie (primár DC – sekundár sieť) cez doskové výmenníky minimalizuje riziká a kontamináciu.
• Redundancia: N+1 jednotky TČ pre spoľahlivosť a údržbu bez odstávok IT.

Príkladový energetický výpočet (orientačný)

Data centrum s IT príkonom 5 MW, PUE = 1,2 ⇒ celkový príkon 6 MW. Teplo dostupné pre zhodnotenie ~5–6 MW (zanedbajúc tepelné straty). Pre D2C chladenie s výstupom 50 °C a TČ do 65 °C pri COP = 4:

• Tepelný výkon do siete ≈ 6 MW × (COP/(COP−1))? Nie – pri TČ využívame časť elektriny navyše. Ak 5 MW odpadového tepla + 1,25 MW el. pre TČ (COP=4) ⇒ výstup ≈ 5 + 1,25×4 = 10 MW? Nesprávne miešanie bilancií.
• Správne: TČ dodá Q_out = COP × P_el,TČ, pričom Q_in ≈ Q_odpad. Volíme P_el,TČ tak, aby Q_in = Q_out – P_el,TČ. Pri COP=4 platí: Q_out = Q_in + Q_in/3. Ak vieme kontinuálne odobrať 5 MW Q_in, potom Q_out ≈ 6,67 MW a P_el,TČ ≈ 1,67 MW.
• Ročná energia pri 8 000 h/rok: ~53 GWh tepla dodaného do siete a ~13 GWh el. spotreby TČ. Emisná úspora závisí od nahrádzanej technológie (napr. plyn ~0,2 tCO₂/MWh) ⇒ úspora rádovo 10 – 12 kt CO₂/rok.

Sezónnosť, akumulácia a zaťaženie siete

• Sezónna nerovnováha: v lete je dopyt po teple pre vykurovanie nízky. Riešenia: príprava TÚV, absorpčné chladiče (teplo → chlad), procesné teplo, bazény/SPA, skleníky.
• Krátkodobá akumulácia: zásobníky vody (termálne batérie) 10–60 MWh pre špičky a flexibilitu TČ.
• Sezónne zásobníky: pit storage, BTES/ATES (geo-akumulácia) – dlhodobé vyrovnávanie.
• Demand Response: modulácia výkonu TČ podľa cien elektriny a obnoviteľného mixu; prioritizácia odberateľov (nemocnice, TÚV, priemysel).

Integrácia do urbanizmu a plánovania sietí

• Brownfield / DC parky: spoločná energetická infraštruktúra, centrálne TČ, priamy odber susedných budov.
• 4GDH/5GDHC: mestské siete s nízkou T (15–55 °C), obojsmerné toky, decentralizované TČ u koncových odberateľov.
• Kaskádovanie tepla: „najprv“ nízkoteplotné odbery (TÚV, podlahy), „potom“ vyššie T (radiátory) – minimalizácia zdvihu.

Technológie chladenia vs. kvalita tepla

• Vzduchové chladenie: jednoduché, lacné, no nižšia T. Vhodné pre interné využitie a TČ s miernym zdvihom.
• Rear-door heat exchangers: vyššia výstupná T, retrofit pre existujúce racky.
• Direct-to-chip: stabilná vysoká T, vynikajúce pre zhodnocovanie; vyžaduje kvalitnú vodu/kvapalinu a monitoring únikov.
• Imersné chladenie: najvyšší ERF, vysoká výstupná T a vysoká hustota; otázky kompatibility komponentov, servisných procesov a poistných podmienok.

Vodné hospodárstvo a environmentálne aspekty

• Adiabatiky vs. suché chladenie: minimalizujte WUE použitím suchých chladičov a recirkulácie; vodné systémy snižujú el. spotrebu, no majú vodnú stopu.
• Teploty vypúšťaných médií: rešpektujte limity pre rybie toky a kanalizáciu; preferujte uzavreté okruhy bez priameho vypúšťania.
• Hluk a vizuálny smog: umiestnenie výmenníkov a TČ, protiuhlíkové programy pre komunity.

Kyber-fyzická bezpečnosť a prevádzková spoľahlivosť

• Oddelenie sietí (OT/IT) a bezpečnostné kontrakty – teplárenská strana nesmie ohroziť dostupnosť IT.
• Fail-safe režimy: pri výpadku odberu okamžité preklopenie do suchých chladičov; obmedzovače výkonu IT pri extrémnych podmienkach.
• Monitorovanie: digitálne dvojča hydrauliky, kontinuálne meranie ΔT, prietokov, kvality vody (vodivosť, tvrdosť, korózne inhibítory).

Ekonomika projektu

• CAPEX: TČ (0,5–1,5 M€/MW_th podľa teploty), výmenníky, potrubia, zásobníky, riadenie a meranie.
• OPEX: elektrina pre TČ, servis, chemická úprava vody, poistenie a dohľad.
• Príjmy/úspory: predaj tepla (€/MWh), zníženie nákladov na chladenie (free-cooling), incentívy (dekarbonizačné schémy), vyhnuté emisie CO₂.
• Obchodné modely: EPC/EaaS (Energy-as-a-Service), zmluvy o dodávke tepla (5–15 rokov), zdieľanie rizík s teplárňou.

Regulačné a normatívne rámce (všeobecne)

Trend smeruje k povinnému alebo stimulovanému využívaniu odpadového tepla v nových DC a k napájaniu nízkoteplotných sietí cez TČ. Relevantné sú požiadavky energetickej efektívnosti budov, plánovania tepla a chladenia v mestách, pravidlá pre pripojenie k CZT, a metodiky vykazovania znovuvyužitých energií (ERF/ERE). Pri návrhu je potrebné preveriť miestne limity pre hlučnosť, stavebné povolenia a koncesie na tepelné siete.

Projektový postup (roadmapa)

1. Predbežná štúdia: teplotné profily, hodinové krivky IT zaťaženia, blízki odberatelia/dopyt.
2. Koncept hydrauliky: napojenie, výmenníky, TČ (monoblok/kaskáda), akumulácia, záloha chladenia.
3. Ekonomické modelovanie: CAPEX/OPEX, scenáre cien elektriny a tepla, citlivosť COP/ΔT.
4. Riziká a SLA: teplotné limity pre IT, dostupnosť tepla pre odberateľov, poistné udalosti.
5. Pilot/komisionovanie: merania COP, overenie kvality vody, regulačné nastavenie.
6. Prevádzka a optimalizácia: DR moduly, prediktívne riadenie podľa počasia a cien, údržba bez odstávok.

Najčastejšie chyby a ako sa im vyhnúť

• Nízkotlaké/nízkoteplotné slučky bez plánovaného odberu – výsledkom je nevyužité teplo. Riešenie: záväzný odberateľ, TÚV/bazény/skleníky v areáli.
• Nedostatočná úprava vody – korózia a zanášanie výmenníkov. Riešenie: úprava (deionizácia, inhibítory), monitoring.
• Príliš vysoký zdvih TČ – nízky COP a ekonomika. Riešenie: 5GDHC alebo LT odber, kaskáda TČ, zlepšenie T na zdroji (D2C/imersia).
• Chýbajúce „failover“ chladenie – riziko pre IT. Riešenie: suché chladiče, adiabatiky, N+1 dizajn.
• Ignorovanie sezónnosti – v lete stojí odber. Riešenie: absorpčné chladiče, priemyselné procesy, akumulácia.

Otvorené inovácie

• Priame DC-to-DH bez TČ (pri 55–60 °C z imersie) do 4GDH sietí.
• Hybridné systémy: kombinácia fotovoltiky + TČ + akumulácie tepla s algoritmickým riadením podľa predpovede zaťaženia.
• Modulárne DC micro-hubs pri obytných a kancelárskych zónach (krátke potrubné trasy, vysoký ERF).
• AI-riadené chladenie s prediktívnym plánovaním odberu a preťaženia sietí.

Checklist pre investorov a municipalitu

• Existuje v okruhu 0,5–3 km stály dopyt po teple (TÚV, bazény, 5GDHC, CZT)?
• Aká je teplotná úroveň na zdroji (vzduch vs. D2C vs. imersia) a aký ΔT bude potrebný?
• Má projekt akumulačný objem a plán letného využitia?
• Je zmluvne ošetrená spoľahlivosť a SLA (IT aj teplo) a kyber-fyzická bezpečnosť?
• Aký je predpokladaný ERF/ERE a emisná úspora v porovnaní s referenciou?

Využitie odpadového tepla z data centier je z technologického aj ekonomického hľadiska dospelé riešenie. Kľúčové je zvýšiť teplotu zdroja (D2C/imersia), minimalizovať teplotný zdvih (nízkoteplotní odberatelia), integrovať akumuláciu a zabezpečiť spoľahlivosť v režime N+1. V mestách s rozvíjanými 4./5. generáciami tepelných sietí sa z odpadového tepla stáva strategický mestský zdroj, ktorý znižuje emisie, prevádzkové náklady a zvyšuje energetickú odolnosť.