Co je free cooling? Průvodce energeticky úsporným chlazením datových center

Chlazení představuje jeden z nejvýznamnějších ovlivnitelných nákladů na energii v datových centrech. S rostoucí spotřebou elektřiny nabývá energetická účinnost stále většího významu. Celosvětová spotřeba elektřiny datovými centry vzrostla v roce 2025 o 17 % a do roku 2030 se očekává její zdvojnásobení, což zvyšuje poptávku po efektivních řešeních chlazení.

 

Free cooling snižuje spotřebu energie na chlazení využíváním chladného venkovního vzduchu namísto výhradního spoléhání na mechanické chlazení. V závislosti na venkovních podmínkách může zcela nahradit nebo doplňovat kompresorové chlazení, čímž pomáhá snižovat spotřebu energie i provozní náklady.

 

Efektivita free coolingu závisí na klimatických a provozních podmínkách. V doporučeném teplotním rozsahu ASHRAE 18 až 27 °C lze na mnoha místech využívat free cooling po významnou část roku.

 

Technologie LG s free coolingem na bázi chladiva pomáhá zvyšovat účinnost tím, že minimalizuje vliv výměníku tepla, který se během provozu ve free-cooling režimu nevyužívá a v některých konfiguracích může způsobovat dodatečný odpor proudění vzduchu. Řešení Series Counter Flow je navrženo tak, aby snižovalo kompresní zdvih (compressor lift), a tím podporovalo energetickou účinnost systému v závislosti na jeho konstrukci a provozních podmínkách.

Rostoucí energetické nároky datových center jsou poháněny především rozvojem AI a vysokohustotních výpočetních systémů. V roce 2024 spotřebovala datová centra přibližně 415 TWh elektřiny, což odpovídá zhruba 1,5 % celosvětové spotřeby. V roce 2025 tato hodnota vzrostla o dalších 17 %, tedy výrazně rychleji než celková poptávka po elektřině, která se zvýšila pouze o 3 %. Do roku 2030 se přitom očekává zdvojnásobení spotřeby datových center.

 

Tento vývoj vede k důkladnějšímu posuzování každého wattu spotřebované energie. Zatímco servery a síťová infrastruktura představují nezbytné investice, energie potřebná na chlazení je provozní náklad, který lze často snížit pomocí efektivnější infrastruktury a provozu. Chlazení a další podpůrné systémy tvoří významnou část celkové spotřeby elektřiny datových center. S rostoucí energetickou náročností se proto snižování energie potřebné na chlazení stává jedním z nejúčinnějších způsobů, jak omezit spotřebu i provozní náklady.

 

Právě zde nachází své uplatnění free cooling. Využívá chladný venkovní vzduch namísto mechanického chlazení všude tam, kde to podmínky umožňují. Díky tomu může výrazně snížit množství energie potřebné pro chlazení a představuje klíčovou technologii pro zvyšování energetické účinnosti datových center a snižování jejich provozních nákladů.

Free cooling umožňuje chladiči odvádět teplo do chladného venkovního vzduchu, čímž omezuje nebo za vhodných venkovních podmínek zcela eliminuje potřebu kompresorového chlazení. U systémů využívajících hydraulický (hydronic) free cooling může při mírně nižších venkovních teplotách část chladicí zátěže pokrývat free cooling, zatímco zbývající výkon zajišťuje mechanické chlazení. Pokud jsou venkovní podmínky dostatečně chladné, mohou hydraulické i chladivové systémy free coolingu přejít do režimu plného free coolingu, kdy je celá chladicí zátěž pokryta bez nutnosti provozu kompresorů.

 

V datových centrech tak lze za vhodných podmínek výrazně snížit energii potřebnou k výrobě chlazené vody, a tím omezit celkovou spotřebu energie na chlazení.

Tento graf ukazuje, jak integrovaný systém free coolingu plynule přechází mezi režimy Full Free Cooling, Partial Free Cooling a Mechanical Cooling v závislosti na venkovních podmínkách. Díky optimalizovanému řízení jednotlivých provozních režimů přispívá k vyšší celkové účinnosti systému a efektivnějšímu využití energie.

Toto schéma znázorňuje tok chladiva v režimu Mechanical Cooling a Full Free Cooling u konvenčního hydronického free-cooling chladiče, kde nevyužívané výměníky zůstávají součástí proudění vzduchu. Tyto neaktivní výměníky mohou zvyšovat odpor proudění vzduchu a ovlivňovat celkovou účinnost systému.

Toto schéma ukazuje, jak systém s chladivovým free coolingem využívá stejný výměník tepla jak pro kondenzaci chladiva v režimu mechanického chlazení, tak pro provoz ve free-cooling režimu. Při vhodných venkovních podmínkách tak může systém přejít do režimu Full Free Cooling, kdy je chladicí výkon zajišťován bez provozu kompresorů, což přispívá ke snížení spotřeby energie.

Free cooling dosahuje nejlepších výsledků v chladném a suchém podnebí a v datových centrech, která umožňují provoz při vyšších vstupních teplotách vzduchu do serverů. Oba tyto faktory prodlužují dobu, po kterou mohou venkovní podmínky samostatně zajistit potřebný chladicí výkon bez využití mechanického chlazení.

 

3.1 Jak vysoké teploty jsou provozovatelé ochotni v datovém centru připustit?

 

Teplota vzduchu na vstupu do serverů má přímý vliv na počet hodin, během nichž lze využívat free cooling. Čím vyšší je přípustná vstupní teplota, tím častěji mohou venkovní podmínky pokrýt požadavky na chlazení. Již v rámci doporučeného teplotního rozsahu ASHRAE 18 až 27 °C lze na mnoha místech využívat free cooling téměř polovinu roku. Ještě širší provozní teplotní rozsahy pak otevírají další možnosti využití této technologie.

 

Potenciál tohoto přístupu prokázala společnost Intel ve vysokohustotním datovém centru, které pracovalo se vstupní teplotou vzduchu do serverů 35 °C. Free cooling zde nebyl dostupný pouze během 39 hodin v roce a celé zařízení dosáhlo hodnoty PUE 1,07.

 

3.2 Jakou roli hraje místní klima?

 

Místní klimatické podmínky mají zásadní vliv na využitelnost free coolingu, přičemž důležité meteorologické faktory se liší podle typu systému. Systémy využívající přímý přívod venkovního vzduchu (air-side free cooling) jsou citlivější na vlhkost, protože venkovní vzduch vstupuje přímo do datového sálu. Naproti tomu water-side a refrigerant-side systémy oddělují datový sál od venkovního prostředí, a proto jsou na vlhkosti méně závislé.

 

Obecně platí, že chladnější klimatické oblasti poskytují více příležitostí pro free cooling než oblasti s vyššími teplotami. Skutečný počet hodin využití však vždy závisí na konkrétním návrhu systému a provozních podmínkách. Například chladné a suché lokality, jako je San Francisco, umožňují využívat free cooling po většinu roku. Naopak v teplejším a vlhčím klimatu, například na severu Floridy, je počet hodin vhodných pro free cooling nižší, zejména u systémů typu air-side.

Free cooling přináší největší přínosy tehdy, když je součástí celého chladicího řetězce, nikoli pouze samostatnou funkcí jednoho zařízení. Přístup společnosti LG proto zahrnuje kompletní ekosystém pro chlazení datových center, od chladičů přes chlazení datových sálů až po kapalinové chlazení. Portfolio zahrnuje vodou i vzduchem chlazené odstředivé chladiče, jednotky CRAH a fan-wall pro klimatizaci datových sálů, jednotky CDU (Coolant Distribution Unit) a cold plates pro přímé kapalinové chlazení čipů (direct-to-chip) a řídicí platformu BECON, která všechny části systému propojuje.

 

Klíčovou roli v tomto řešení hrají chladiče, kde LG naplno využívá výhody technologie free coolingu. Vzduchem chlazený odstředivý chladič LG využívá chladivový free cooling v kombinaci s konstrukcí Series Counter Flow, která umožňuje využívat režim Full Free Cooling i při vyšších venkovních teplotách, než je běžné u konvenčních systémů s hydronickým free coolingem.

 

K vysoké energetické účinnosti i dlouhodobé spolehlivosti přispívá také samotná konstrukce chladiče. Bezolejové odstředivé chladiče LG s magnetickými ložisky eliminují olej v chladivovém okruhu, čímž snižují třecí ztráty a zvyšují provozní efektivitu. Vzduchem chlazený model dosahuje hodnoty EER 4,0*.

 

Hodnota EER byla stanovena pro konfiguraci s mikrokanálovým výměníkem tepla.

 

Interní testování dále ukázalo až přibližně o 21 % vyšší účinnost při částečném zatížení (IPLV) ve srovnání se šroubovým chladičem s invertorem a chladivem R513A obdobné kapacity za srovnatelných podmínek hodnocení podle AHRI. Výkonnostní parametry byly stanoveny v souladu s normou AHRI 550/590, která představuje jeden z nejuznávanějších standardů pro hodnocení výkonu chladičů.

 

Integrace chladičů, systémů pro chlazení datových sálů i kapalinového chlazení do jednotné platformy BECON navíc poskytuje provozovatelům centralizovaný přehled o celém chladicím systému a jedno kontaktní místo pro jeho správu a řízení.

Chlazení stále patří mezi nejvyšší provozně ovlivnitelné náklady datových center. Vzhledem k tomu, že poptávka po elektrické energii roste rychleji než zlepšování energetické účinnosti, stává se optimalizace spotřeby energie stále důležitější. Free cooling představuje jeden z nejefektivnějších způsobů, jak tento rozdíl překlenout, protože v době příznivých venkovních podmínek nahrazuje provoz kompresorů využitím chladného venkovního vzduchu.

 

Dosažení významných energetických úspor však nevyžaduje pouze jeden vysoce účinný komponent, ale promyšleně navržený a integrovaný systém chlazení. Ten musí umožňovat plynulý přechod mezi režimy free coolingu a mechanického chlazení a být řízen inteligentním systémem, který optimalizuje provoz všech součástí. Správně navržené řešení tak pomáhá snižovat spotřebu energie a současně zachovává vysokou úroveň spolehlivosti, kterou moderní datová centra vyžadují.