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#Tendances produits
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Récupération de chaleur dans les centres de données : transformer la chaleur perdue en une précieuse ressource énergétique
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Alors que l'intelligence artificielle, le calcul haute performance et la densité croissante des serveurs font grimper la demande en énergie, les centres de données sont confrontés à un défi de plus en plus important : gérer la chaleur générée par l'infrastructure informatique.
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Mais que se passerait-il si cette chaleur pouvait devenir une précieuse ressource énergétique ? Grâce à une architecture de refroidissement adaptée, à des échangeurs de chaleur et à une intégration système adéquate, les centres de données peuvent contribuer au chauffage des bâtiments, aux processus industriels et aux réseaux de chauffage urbain.
Les centres de données ne se contentent plus d’être de simples consommateurs d’énergie
Les centres de données comptent parmi les composants les plus énergivores de l’infrastructure numérique moderne. Une part importante de l’électricité consommée par les serveurs et autres équipements informatiques est finalement convertie en chaleur, qui doit être évacuée en permanence pour maintenir des conditions de fonctionnement fiables.
Le développement rapide du cloud computing, du calcul haute performance (HPC) et de l’intelligence artificielle entraîne une augmentation tant de la puissance de calcul que de la densité thermique.
Les anciens centres de données fonctionnaient généralement à une puissance d’environ 3 à 5 kW par rack. Ces dernières années, des densités de 15 à 30 kW par rack sont devenues de plus en plus courantes, tandis que les installations avancées d’IA et de HPC peuvent dépasser 50 à 70 kW par rack.
Des performances de calcul plus élevées impliquent donc non seulement une consommation électrique plus importante, mais aussi davantage d’énergie thermique à gérer.
Cela ouvre une opportunité majeure : la chaleur ne doit plus être considérée uniquement comme un défi de refroidissement, mais aussi comme une ressource énergétique potentiellement précieuse.
De la chaleur perdue à l’énergie réutilisable
Traditionnellement, les systèmes de refroidissement des centres de données ont été conçus principalement pour maintenir des températures de fonctionnement adéquates et évacuer la chaleur excédentaire dans l’environnement.
Cependant, lorsque des consommateurs de chaleur adaptés se trouvent à proximité, une partie de cette énergie peut être récupérée et réutilisée pour :
Le chauffage des locaux dans les bâtiments résidentiels et commerciaux
La production d’eau chaude sanitaire
Les réseaux de chauffage urbain
Les procédés industriels
Les systèmes énergétiques locaux
Cette approche permet aux centres de données de passer du statut de simples consommateurs d’électricité à celui de fournisseurs potentiels d’énergie thermique utile.
Le principal défi technique ne réside pas dans la disponibilité de la chaleur, mais dans la température à laquelle elle peut être récupérée.
Selon la technologie de refroidissement utilisée, la chaleur récupérée peut être disponible à des températures relativement basses, souvent autour de 40 °C ou moins. Cela peut s’avérer insuffisant pour une intégration directe dans les réseaux de chauffage urbain conventionnels.
Une configuration possible du système est la suivante :
Circuit de refroidissement du centre de données → Échangeur de chaleur → Pompe à chaleur → Circuit de chauffage secondaire / réseau de chauffage urbain
La pompe à chaleur élève la température au niveau requis par l’utilisateur, tandis que les échangeurs de chaleur permettent un transfert d’énergie contrôlé entre des circuits séparés hydrauliquement.
L’IA transforme la technologie de refroidissement des centres de données
À mesure que les densités thermiques des serveurs augmentent, les architectures de refroidissement conventionnelles évoluent.
Parallèlement aux systèmes traditionnels de climatisation des salles informatiques (CRAC) et de traitement de l’air des salles informatiques (CRAH), les technologies conçues pour évacuer la chaleur plus près de sa source prennent de plus en plus d’importance.
Parmi celles-ci, on peut citer :
Les échangeurs de chaleur en porte arrière (RDHx)
Le refroidissement liquide indirect
Le refroidissement direct des puces
Le refroidissement par immersion
Le passage d’un refroidissement principalement à air à des solutions à base de liquide est particulièrement pertinent pour la récupération de chaleur.
Lorsque la chaleur est transférée directement dans un fluide de refroidissement liquide, elle peut être transportée et potentiellement réutilisée plus efficacement ailleurs dans le système.
Par conséquent, le refroidissement des centres de données devrait de plus en plus être considéré comme faisant partie d’une infrastructure énergétique plus large plutôt que comme un processus technique isolé.
La capacité thermique seule ne suffit pas pour la conception d’un système
Savoir qu’un centre de données génère plusieurs mégawatts de chaleur ne suffit pas pour concevoir un système de récupération de chaleur efficace.
Les ingénieurs doivent évaluer plusieurs paramètres interdépendants :
Capacité thermique disponible
Températures d’entrée et de sortie
Température requise côté consommateur
Débits des fluides
Pressions de service
Pertes de charge admissibles
Propriétés des fluides
Variations de charge et profils de fonctionnement
Exigences en matière de redondance et de sécurité opérationnelle
Seule une analyse exhaustive de ces paramètres permet aux ingénieurs de déterminer l’architecture appropriée du système et de dimensionner correctement les échangeurs de chaleur.
L’objectif n’est pas simplement de transférer un maximum de chaleur, mais d’obtenir des performances thermiques fiables dans des conditions réelles d’exploitation.
Échangeurs de chaleur : l’interface entre les systèmes énergétiques
Pour tout centre de données, la fiabilité et le fonctionnement continu de l’infrastructure informatique restent les priorités absolues.
La récupération de chaleur ne doit en aucun cas compromettre le système de refroidissement.
Les échangeurs de chaleur jouent un rôle essentiel en transférant l’énergie thermique tout en maintenant une séparation hydraulique entre les différents circuits.
Cette séparation peut être nécessaire entre :
Le circuit de refroidissement du centre de données et la pompe à chaleur
La pompe à chaleur et le système de distribution de chaleur
Le centre de données et un réseau énergétique externe
Chaque circuit peut fonctionner à des températures, des pressions et des débits différents, en utilisant éventuellement des fluides aux propriétés physiques et chimiques différentes.
C’est pourquoi les échangeurs de chaleur ne doivent jamais être choisis sur la seule base de leur capacité thermique nominale.
La perte de charge : un facteur clé des coûts d’exploitation
Dans les installations à haute capacité, la perte de charge n’est pas seulement un paramètre hydraulique. Elle influe également directement sur les coûts d’exploitation.
Des pertes de charge plus élevées augmentent généralement les besoins en pompage et la consommation d’électricité tout au long de la durée de vie du système.
Les concepteurs doivent donc trouver un équilibre entre trois facteurs étroitement liés :
Performances de transfert thermique ↔ Turbulence du flux ↔ Perte de charge
Optimiser le transfert thermique sans tenir compte de la résistance hydraulique peut entraîner des besoins énergétiques de pompage inutilement élevés.
À l’inverse, réduire à tout prix la perte de charge peut se traduire par des performances thermiques insuffisantes ou des conditions d’écoulement inadaptées.
La solution la plus efficace consiste à concevoir un échangeur de chaleur permettant d’atteindre la puissance thermique requise tout en respectant des limites hydrauliques et opérationnelles acceptables.
Ce principe s’applique aussi bien aux applications CVC classiques qu’aux systèmes avancés de récupération de chaleur des centres de données.
Où peut-on utiliser des échangeurs de chaleur à plaques ?
Pour les applications liquide-liquide à haute capacité, les échangeurs de chaleur à plaques à joints d’étanchéité constituent une solution efficace.
Leur grande surface de transfert thermique par rapport à la taille de l’équipement les rend adaptés aux applications présentant des différences de température relativement faibles entre les circuits.
Ceci est particulièrement important lors de la récupération de chaleur à basse température.
Leur conception démontable facilite également l’inspection et le nettoyage mécanique. En fonction de la configuration et des exigences de fonctionnement, la disposition des plaques peut être adaptée aux conditions changeantes du système.
Au sein de la gamme HEXONIC, la série JAG d’échangeurs de chaleur à plaques et joints peut être envisagée pour les applications de transfert de chaleur liquide-liquide, sous réserve des paramètres techniques du projet.
Le choix final doit toujours se fonder sur les conditions de fonctionnement réelles, notamment les profils de température, les débits, les contraintes de pression et les caractéristiques des fluides.
Les pompes à chaleur et les échangeurs de chaleur remplissent des fonctions différentes
Les pompes à chaleur retiennent souvent le plus l’attention dans les projets de récupération de chaleur des centres de données.
Leur rôle est essentiel : elles élèvent la température de l’énergie thermique récupérée à un niveau adapté à l’application visée.
Cependant, une pompe à chaleur ne constitue pas à elle seule un système complet de récupération de chaleur.
L’énergie doit être transférée de manière fiable entre la source de chaleur, la pompe à chaleur et l’utilisateur final.
C’est là que les échangeurs de chaleur deviennent indispensables.
Un échangeur de chaleur mal dimensionné peut nécessiter une différence de température plus importante ou entraîner des pertes de charge excessives, réduisant ainsi le rendement global du système.
Optimiser le choix d’un échangeur de chaleur ne se résume donc pas à minimiser les coûts d’achat des équipements.
Cela peut influencer la consommation d’énergie et les dépenses d’exploitation tout au long de la durée de vie de l’installation.
Au-delà du PUE : mesurer la valeur de la réutilisation de l’énergie
L’efficacité énergétique des centres de données a traditionnellement été évaluée principalement à l’aide de l’indicateur « Power Usage Effectiveness » (PUE).
Le PUE reste un indicateur important, mais il ne décrit pas entièrement ce qu’il advient de l’énergie après sa consommation par l’installation.
Une évaluation plus large peut également inclure :
WUE – Water Usage Effectiveness (efficacité de l’utilisation de l’eau) : mesure la consommation d’eau par rapport à la consommation énergétique des équipements informatiques.
ERF – Energy Reuse Factor (facteur de réutilisation de l’énergie) : indique la proportion de l’énergie totale du centre de données qui est réutilisée en dehors de l’installation.
L’ERF soulève une question importante :
Quelle part de l’énergie consommée par un centre de données peut ensuite être mise à profit de manière productive ?
Deux installations présentant des valeurs de PUE similaires peuvent avoir des impacts énergétiques globaux très différents si l’une rejette toute la chaleur excédentaire tandis que l’autre fournit une partie de cette énergie à des consommateurs externes.
Les centres de données et l’avenir du chauffage urbain
Les réseaux de chauffage urbain représentent l’une des destinations potentielles les plus prometteuses pour la chaleur récupérée des centres de données.
La transition vers des réseaux de chauffage à basse température crée de nouvelles opportunités pour l’intégration d’énergie thermique à basse température.
Les systèmes traditionnels de chauffage urbain fonctionnaient souvent à des températures de distribution relativement élevées.
Les réseaux de chauffage urbain de quatrième génération fonctionnent généralement à des températures plus basses, souvent comprises entre 60 et 70 °C selon la conception du système et les conditions d’exploitation.
Les réseaux de chauffage et de refroidissement urbains de cinquième génération fonctionnent à des températures encore plus basses et peuvent prendre en charge des échanges d’énergie bidirectionnels.
Ces évolutions rendent de plus en plus pratique l’intégration de sources d’énergie décentralisées telles que :
La chaleur résiduelle industrielle
L’énergie géothermique
Les pompes à chaleur à grande échelle
La récupération de chaleur des centres de données
La capacité à raccorder efficacement ces systèmes dépend fortement d’une technologie de transfert de chaleur adaptée et de la conception globale du système.
Un exemple concret : 7,6 MW d’énergie thermique à Rozzano, en Italie
Le potentiel de la récupération de chaleur des centres de données est illustré par un projet développé à Rozzano, en Italie, par TIM Enterprise en collaboration avec GETEC Italia.
Ce projet intègre l’énergie thermique récupérée dans le réseau local de chauffage urbain.
À sa capacité nominale, le système est conçu pour récupérer environ 7,6 MW de puissance thermique.
Ce chiffre comprend environ 2,3 MW issus de la récupération par pompe à chaleur et 5,3 MW provenant de la récupération thermique des unités de cogénération.
Le projet pourrait fournir de la chaleur à plus de 5 000 foyers et, selon les informations publiées, permettrait de réduire les émissions de CO₂ d’environ 3 500 tonnes par an.
Il est important de préciser que ces 7,6 MW comprennent la chaleur récupérée à partir des unités de cogénération, et non exclusivement celle provenant du circuit de refroidissement du centre de données.
Néanmoins, ce projet illustre un principe essentiel :
Les centres de données peuvent devenir des éléments à part entière de l’infrastructure énergétique locale.
L’analyse de rentabilité commence avant même le choix des équipements
La faisabilité technique n’est qu’un aspect parmi d’autres d’un projet de récupération de chaleur réussi.
Les investisseurs, les exploitants de centres de données, les entreprises énergétiques et les équipes d’ingénierie doivent également prendre en compte les conditions économiques et opérationnelles.
Parmi les questions clés, on peut citer :
Existe-t-il un consommateur de chaleur fiable à proximité ?
Quelle quantité d’énergie thermique peut-on raisonnablement réutiliser tout au long de l’année ?
À quelle température la chaleur est-elle disponible ?
Quelle température l’utilisateur final requiert-il ?
Quelle quantité d’électricité la pompe à chaleur et les pompes de circulation consommeront-elles ?
Quels sont les coûts d’investissement et d’exploitation prévus ?
Le système peut-il être étendu à mesure que la capacité du centre de données augmente ?
Ces questions doivent être abordées dès les premières étapes de conception.
L’installation a posteriori d’un système de récupération de chaleur dans un centre de données existant peut s’avérer nettement plus complexe et coûteuse que son intégration dès le départ dans l’infrastructure initiale de refroidissement et d’énergie.
D’un centre de coûts à un actif énergétique
La demande énergétique croissante des centres de données est souvent abordée avant tout comme un défi.
Cependant, cette même évolution crée une opportunité.
Une capacité de calcul accrue signifie généralement davantage d’énergie thermique disponible.
Avec une infrastructure adaptée, des conditions d’exploitation adéquates et des consommateurs à proximité, une partie de la chaleur qui serait autrement rejetée peut être réinjectée dans le réseau énergétique global.
Pour les exploitants de centres de données, la récupération de chaleur peut s’inscrire dans une stratégie énergétique à long terme.
Pour les opérateurs de chauffage urbain, elle peut constituer une source de chaleur locale supplémentaire.
Pour les équipes d’ingénierie, cela implique une responsabilité de conception plus large :
Il ne s’agit pas simplement de concevoir le refroidissement du centre de données, mais d’optimiser l’ensemble du circuit énergétique – du serveur à l’utilisateur final.
HEXONIC : des échangeurs de chaleur conçus pour des conditions de fonctionnement réelles
Il n’existe pas d’échangeur de chaleur universel adapté à toutes les applications des centres de données.
Un choix efficace commence par une compréhension détaillée des exigences réelles du système.
Chez HEXONIC, les échangeurs de chaleur sont sélectionnés et configurés en fonction de la capacité thermique, des profils de température, des débits, des pressions de service, des pertes de charge admissibles et des propriétés du fluide caloporteur.
En fonction de l’application, on peut envisager des échangeurs à plaques jointées, à plaques brasées ou à calandre et tubes.
Pour les circuits liquide-liquide à haute capacité, la série JAG d’HEXONIC propose des solutions d’échangeurs à plaques jointées configurables, conçues pour répondre à des exigences thermiques et hydrauliques spécifiques.
L’objectif n’est pas simplement d’atteindre une capacité thermique nominale, mais d’assurer un équilibre approprié entre l’efficacité du transfert thermique, les performances hydrauliques, la fiabilité et les coûts d’exploitation à long terme.
Vous envisagez un projet de refroidissement de centre de données ou de récupération de chaleur ?
Que vous conceviez un nouveau centre de données, que vous modernisiez un système de refroidissement existant ou que vous envisagiez la récupération de chaleur résiduelle, le choix du bon échangeur de chaleur est un élément essentiel de la conception globale du système.
Partagez vos paramètres de fonctionnement avec HEXONIC. Notre équipe technique peut vous aider à évaluer votre application et à identifier une configuration d’échangeur de chaleur adaptée à votre projet.
HEXONIC – Échangeurs de chaleur. Conçus pour un transfert d’énergie efficace.
