Optymalizacja zużycia energii przez centra danych

Data publikacji: 2026-06-08 / Czas czytania: 13 minut / Autor: Karolina Kozak

Centra danych stanowią dziś jeden z fundamentów gospodarki cyfrowej, a ich rosnąca skala bezpośrednio przekłada się na wzrost zapotrzebowania na energię. Ponieważ koszty energii stale rosną, wraz z wymaganiami związanymi z dekarbonizacją i ochroną środowiska, optymalizacja zużycia energii w data centers staje się strategicznym elementem zarządzania infrastrukturą IT.

Według International Energy Agency (IEA) centra danych zużyły w 2024 r. około 415 TWh energii elektrycznej, czyli około 1,5% globalnego zużycia. W scenariuszu bazowym IEA zakłada, że do 2030 r. zużycie to może wzrosnąć do około 945 TWh. Oznacza to, że optymalizacja zużycia energii w centrach danych przestaje być wyłącznie kwestią operacyjną i staje się elementem globalnej strategii kosztowej, środowiskowej i infrastrukturalnej.

W Unii Europejskiej temat ten również nabiera znaczenia. Dyrektywa w sprawie efektywności energetycznej (EED – Energy Efficiency Directive) wprowadziła obowiązki monitorowania i raportowania efektywności energetycznej centrów danych spełniających określone progi zużycia energii, obejmujące m.in. dane dotyczące zużycia energii, efektywności chłodzenia i zużycia wody.

Zużycie energii elektrycznej przez centra danych w latach 2020–2035

Jak działa centrum danych?

Centrum danych to obiekt zaprojektowany do ciągłego przetwarzania i przechowywania danych. Jego podstawowym elementem są serwery, które realizują operacje obliczeniowe i obsługują aplikacje. Infrastruktura IT obejmuje również systemy pamięci masowej oraz urządzenia sieciowe odpowiedzialne za transmisję danych.

Wszystkie te elementy muszą działać nieprzerwanie – często w trybie 24/7. W praktyce oznacza to konieczność zapewnienia nie tylko odpowiedniej mocy obliczeniowej, ale również stabilnych warunków środowiskowych oraz ciągłości zasilania. Dlatego istotną część zużycia energii w centrum danych generują nie tylko same urządzenia IT, lecz także infrastruktura pomocnicza: przede wszystkim chłodzenie i zasilanie.

Struktura zużycia energii w data center

1. Sprzęt IT (serwery, storage, sieć)

To podstawowe źródło zużycia energii – zazwyczaj odpowiada za 40–60% całkowitego poboru mocy. Wysoka gęstość mocy w szafach rack (nawet powyżej 10–20 kW) powoduje intensywne wydzielanie ciepła. W środowiskach AI i HPC (High Performance Computing), spotyka się obciążenia przekraczające 30–50 kW na szafę, a w projektach specjalistycznych nawet wyższe.

Szafa rack (eng. rack cabinet) to standaryzowana obudowa do montażu i organizacji sprzętu IT, takiego jak serwery, przełączniki sieciowe, macierze dyskowe czy zasilacze UPS. W centrach danych jest podstawowym modułem infrastruktury, który porządkuje rozmieszczenie urządzeń oraz wspiera zarządzanie przestrzenią, zasilaniem i przepływem powietrza.

2. Systemy chłodzenia

Drugim największym konsumentem energii jest chłodzenie. W zależności od technologii może ono odpowiadać za 30–50% zużycia energii. W starszych obiektach udział ten bywa jeszcze wyższy.

Chłodzenie w centrum danych obejmuje przede wszystkim odprowadzanie ciepła generowanego przez sprzęt IT, czyli:

procesory (CPU, GPU), które są głównym źródłem strat cieplnych,
pamięci RAM,
dyski oraz kontrolery macierzy,
zasilacze w serwerach i urządzeniach sieciowych.

Każda jednostka energii elektrycznej zużyta przez serwer jest niemal w całości zamieniana na ciepło. Oznacza to, że infrastruktura chłodzenia musi być zdolna do odprowadzenia praktycznie 100% mocy pobieranej przez sprzęt IT.

3. Infrastruktura zasilania i straty energii

Obejmuje UPS-y (Uninterruptible Power Supply - urządzenie zapewniające ciągłość zasilania), transformatory, systemy dystrybucji energii oraz straty konwersji. Choć pojedyncze elementy są relatywnie efektywne, suma strat może być istotna. Infrastruktura zasilania wraz ze stratami odpowiada zazwyczaj za około 5–15% całkowitego zużycia energii w centrum danych. W nowoczesnych obiektach, wykorzystujących wysokosprawne UPS-y (≥97–98%) oraz zoptymalizowaną dystrybucję energii, udział ten może być bliższy dolnej granicy tego zakresu.

Choć udział procentowy tej infrastruktury jest mniejszy niż w przypadku chłodzenia, jej optymalizacja ma istotne znaczenie – szczególnie w dużych obiektach, gdzie nawet kilka procent przekłada się na megawaty mocy i znaczące koszty operacyjne.

Do oceny efektywności energetycznej stosuje się wskaźnik PUE (Power Usage Effectiveness), który określa stosunek całkowitego zużycia energii do energii zużywanej przez sprzęt IT. Im bliżej wartości 1,0, tym mniejszy udział energii zużywanej przez infrastrukturę pomocniczą. Wartości zbliżone do 1,2–1,3 są zwykle uznawane za bardzo dobre, choć ich ocena zależy od typu obiektu, technologii chłodzenia i warunków pracy. Sam wskaźnik PUE nie pokazuje jednak pełnego wpływu środowiskowego centrum danych, np. emisyjności energii czy zużycia wody.

Systemy chłodzenia – najważniejszy obszar optymalizacji w centrach danych

Chłodzenie w data center to jeden z najbardziej krytycznych i jednocześnie najbardziej energochłonnych systemów. To właśnie ono w dużej mierze decyduje o tym, jak efektywnie centrum danych potrafi odprowadzać ciepło generowane przez infrastrukturę IT bez nadmiernego wzrostu zużycia energii. Jego zadaniem jest utrzymanie temperatury pracy serwerów w zakresie zapewniającym stabilność i niezawodność.

Celem chłodzenia jest nie tylko ochrona sprzętu przed przegrzaniem, ale również:

zapewnienie stabilnych parametrów pracy (temperatura, wilgotność),
ograniczenie ryzyka awarii i degradacji komponentów,
utrzymanie przewidywalnej wydajności urządzeń IT (wysokie temperatury mogą prowadzić do obniżenia wydajności i większego ryzyka błędów),
wydłużenie żywotności urządzeń.

Temperatura powietrza wlotowego dostarczanego do serwerów jest utrzymywana najczęściej w zakresie ok. 18–27°C, przy jednoczesnej kontroli wilgotności. Chłodzeniu podlega nie tylko sama przestrzeń IT (serwerownie), ale również pomieszczenia zasilania (UPS, rozdzielnie) czy urządzenia pomocnicze infrastruktury, a cały układ musi dodatkowo skutecznie odprowadzać ciepło przez elementy takie jak skraplacze, dry coolery czy wymienniki ciepła.

W efekcie system chłodzenia nie jest pojedynczym urządzeniem, lecz rozbudowanym układem obejmującym źródła chłodu, dystrybucję powietrza lub cieczy oraz systemy sterowania, których zadaniem jest utrzymanie równowagi cieplnej w całym obiekcie przy możliwie najniższym zużyciu energii.

Klimatyzacja precyzyjna w centrach danych

Klasyczny i wciąż powszechnie stosowany model chłodzenia opiera się na klimatyzacji precyzyjnej (CRAC/CRAH), gdzie schłodzone powietrze jest dostarczane do tzw. zimnych korytarzy (cold aisle), a gorące powietrze odprowadzane z tyłu szaf trafia do korytarzy gorących (hot aisle).

W praktyce system działa w obiegu zamkniętym: jednostki CRAC (z bezpośrednim odparowaniem czynnika chłodniczego) lub CRAH (z wykorzystaniem wody lodowej) odbierają ciepło z powietrza powracającego z serwerów, schładzają je i ponownie kierują do przestrzeni IT – najczęściej przez podłogę podniesioną lub system kanałów. Kluczowe jest utrzymanie kontrolowanego kierunku przepływu powietrza (z przodu na tył urządzeń).

Różnica między CRAC a CRAH polega głównie na źródle chłodu - CRAC wykorzystuje lokalny obieg czynnika chłodniczego (jak klasyczna klimatyzacja), a CRAH pracuje z instalacją wody lodowej zasilaną z centralnego źródła chłodu (np. agregatu wody lodowej), co zwykle pozwala osiągnąć wyższą efektywność przy większych instalacjach. Wynika to m.in. z możliwości centralnej optymalizacji pracy agregatów, pomp i wymienników oraz łatwiejszego wykorzystania free coolingu. Aby zwiększyć efektywność tego typu systemu, można zastosować:

separację korytarzy (containment) – fizyczne oddzielenie gorącego i zimnego powietrza,
ograniczenie recyrkulacji gorącego powietrza – uszczelnienia, zaślepki w szafach,
zarządzanie przepływem (airflow management) – regulacja prędkości wentylatorów, równoważenie ciśnień.

Wykorzystanie free coolingu w data centers

W warunkach klimatycznych takich jak w Polsce można wykorzystać tzw. free cooling, czyli chłodzenie z wykorzystaniem niskiej temperatury powietrza otoczenia - bezpośrednio lub pośrednio, przez układ wymiany ciepła. System działa poprzez zastąpienie (całkowite lub częściowe) pracy sprężarkowych agregatów chłodniczych chłodzeniem „naturalnym”. Wyróżnia się dwa główne warianty:

bezpośredni free cooling - powietrze zewnętrzne trafia bezpośrednio do serwerowni (po filtracji i ewentualnej regulacji wilgotności),
pośredni free cooling - powietrze zewnętrzne chłodzi medium pośrednie (np. wodę lub powietrze w wymienniku), które następnie odbiera ciepło z serwerowni.

Różnica polega więc na tym, czy powietrze zewnętrzne ma kontakt z przestrzenią IT (bezpośredni), czy tylko pośrednio odbiera ciepło przez wymiennik (pośredni – bezpieczniejszy i częściej stosowany w większych obiektach, bo ogranicza ryzyko wprowadzania zanieczyszczeń, wilgoci i niekontrolowanych zmian parametrów powietrza do serwerowni). Efektem zastosowania free coolingu jest znaczące ograniczenie pracy sprężarek, które są najbardziej energochłonnym elementem klasycznych układów chłodniczych.

Chłodzenie cieczą

Im wyższa gęstość mocy, tym bardziej rośnie znaczenie chłodzenia cieczą, które pozwala ograniczyć bariery wynikające z wykorzystania powietrza jako medium transportu ciepła. Ciecz ma znacznie wyższą pojemność cieplną i przewodność, co pozwala efektywniej odbierać ciepło bezpośrednio u źródła.

Direct-to-chip działa poprzez doprowadzenie cieczy (najczęściej wody lub roztworu glikolu) do wymienników ciepła zamontowanych bezpośrednio na najbardziej nagrzewających się komponentach (CPU, GPU). Ciecz odbiera ciepło i transportuje je dalej do układu odbioru ciepła, np. przez moduł CDU (Cooling Distribution Unit – jednostkę dystrybucji chłodu) lub wymiennik pośredni. Powietrze nadal jest używane pomocniczo, ale jego rola jest ograniczona,
Immersion cooling polega na całkowitym zanurzeniu serwerów w cieczy dielektrycznej (nieprzewodzącej prądu). Ciepło jest odbierane bezpośrednio z powierzchni komponentów i odprowadzane poprzez cyrkulację cieczy lub jej odparowanie (w systemach dwufazowych).

Direct-to-chip chłodzi wybrane komponenty i współpracuje z powietrzem, a immersion cooling odbiera ciepło z całego zanurzonego układu serwerowego i znacząco ogranicza potrzebę klasycznego przepływu powietrza. W praktyce chłodzenie cieczą pozwala obsługiwać bardzo wysokie gęstości mocy (np. środowiska AI/HPC), jednocześnie tworząc warunki do poprawy efektywności energetycznej całego obiektu - pod warunkiem właściwego zaprojektowania układu odbioru i odprowadzenia ciepła.

Zrób krok w stronę opłacalnej dekarbonizacji Twojego przedsiębiorstwa

Skontaktuj się z nami

Podsumowanie

Optymalizacja zużycia energii w centrach danych koncentruje się przede wszystkim na efektywnym zarządzaniu chłodzeniem oraz ograniczaniu strat w infrastrukturze zasilania oraz właściwej integracji tych systemów z profilem pracy infrastruktury IT. To właśnie systemy chłodzenia – szczególnie w obiektach o wysokiej gęstości mocy – generują największy potencjał oszczędności. Dobór odpowiedniej technologii, od tradycyjnych układów powietrznych, przez free cooling, aż po zaawansowane systemy chłodzenia cieczą, powinien być zawsze dopasowany do charakterystyki obciążenia IT oraz skali obiektu.

Równocześnie rośnie znaczenie precyzyjnego sterowania i optymalizacji pracy całej infrastruktury. Odpowiednie zarządzanie przepływem powietrza, temperaturą, trybami pracy systemów chłodniczych oraz sprawnością zasilania pozwala ograniczyć zużycie energii przy zachowaniu wymaganej niezawodności. W praktyce oznacza to, że nowoczesne centrum danych nie opiera się wyłącznie na wyborze technologii, ale na ich właściwej integracji i eksploatacji – co bezpośrednio przekłada się na niższe koszty operacyjne i lepsze wskaźniki efektywności energetycznej.

W perspektywie kolejnych lat efektywność energetyczna centrów danych będzie jednym z kluczowych czynników konkurencyjności – zarówno z punktu widzenia kosztów operacyjnych, jak i wymagań środowiskowych. Integracja z odnawialnymi źródłami energii, rozwój technologii chłodzenia cieczą oraz dalsza optymalizacja systemów zasilania będą wyznaczać kierunki rozwoju nowoczesnych obiektów. W efekcie centra danych będą coraz częściej projektowane nie tylko jako odbiorcy energii, ale także z myślą o współpracy z systemem energetycznym, m.in. poprzez elastyczne zarządzanie poborem energii i możliwość odzysku ciepła.