La corsa verso densità computazionali elevate – alimentata dalla domanda dei workload AI e dall’High Performance Computing – ridisegna l’architettura termica dei data center. L’architettura diraffreddamento non è più un sottosistema accessorio da dimensionare a posteriori, ma ricopre sempre maggiormente una variabile progettuale di primo piano. Vertiv propone i criteri e i punti di riferimento per una valutazione rigorosa e basata su scenari reali delle tecnologie di dissipazione del calore, sfidando alcune assunzioni che si sono consolidate nel dibattito di settore. Il messaggio di fondo è chiaro: l’aumento della densità di potenza termica generata dai chip non significa automaticamente poter eliminare i compressori di gas refrigerante dal ciclo termico, soprattutto per quanto concerne la tecnologia dei gruppi frigoriferi, ma sicuramente apre uno spiraglio su un’utilizzo più limitato degli stessi. La realtà è più sfumata e dipende da un intreccio di variabili che meritano un’analisi attenta.
Thermal chain, un approccio strategico
La thermal chain – la catena di rimozione del calore che collega il chip al punto di dissipazione finale del calore verso l’ambiente esterno – rappresenta il filo conduttore dell’intero sistema di raffreddamento di un data center. Non si tratta di un singolo componente o di una singola tecnologia, ma di una sequenza di trasferimenti di calore strettamente interconnessi: dal calore generato dal processore al fluido che lo asporta (aria o liquido), dal fluido interno al sistema di distribuzione dell’acqua di impianto (Facility Water System), e infine dal sistema di impianto alle apparecchiature esterne che rigettano il calore nell’ambiente esterno. Ogni anello di questa catena ha un proprio differenziale di temperatura (il cosiddetto “approach”, ovvero la differenza di temperatura minima tra due fluidi in uno scambiatore di calore o la differenza tra la temperatura di un fluido e quella dell’ambiente in un sistema di raffreddamento). La somma di questi differenziali determina le condizioni operative dell’intero sistema.
La rilevanza della thermal chain emerge con forza nel contesto attuale perché la rapida evoluzione della tecnologia dei chip sta modificando le condizioni di ingresso dell’intera catena. Secondo le linee guida Ashrae (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) per la classe di fluido TCS (Technology Cooling System), le temperature al chip potrebbero raggiungere un massimo di 50 °C. Nella pratica operativa odierna, tuttavia, temperature comprese tra 40 e 45 °C sono considerate più realistiche. Questi valori, attraverso il differenziale di approccio tipico delle CDU (Cooling Distribution Unit), si traducono in temperature dell’acqua di impianto comprese tra 36 e 41 °C – un intervallo che apre nuove possibilità per le tecnologie compressor-less, ma che non le rende universalmente applicabili.
Compressor-based e compressor-less a confronto
Vertiv propone la propria analisi sui temi “caldi” attorno a un confronto strutturato tra due famiglie tecnologiche fondamentali. Da un lato, i sistemi a compressore tradizionali (chiller) che utilizzano un ciclo frigorifero per raffreddare l’acqua di processo alle condizioni necessarie per il funzionamento di tutta la catena : soluzioni affidabili, progettate per operare anche in condizioni climatiche estreme , ma anche le più energivore della catena di rimozione del calore, con un impatto significativo sul PUE complessivo. Dall’altro, i sistemi compressor-less (dry cooler) che dissipano il calore attraverso lo scambio diretto tra il circuito idraulico e l’aria esterna, eliminando completamente il circuito frigorifero: un approccio “passivo” che riduce drasticamente i consumi energetici, ma la cui efficacia dipende fortemente dalle temperature esterne – temperature di bulbo secco per le tecnologie dry, di bulbo umido per quelle adiabatiche o evaporative.
La domanda chiave da porsi è però la seguente: l’aumento della temperatura dei chip consente sempre di adottare soluzioni compressor-less? La risposta è chiara: solo in pochi casi. Un data center a Dubai, con temperature esterne che raggiungono i 50-55 °C di bulbo secco, necessiterà comunque della tecnologia di generazione di energia frigorifera tramite compressorianche se la massima temperatura sopportabile dal chip fosse di 45°C, perché non sussiste il differenziale termico tra interno ed esterno per un raffreddamento passivo. Al contrario, strutture in climi freddi come la Scandinavia potrebbero sfruttare efficacemente le tecnologie senza compressore.
La mappa di heat rejection
Per orientare progettisti e operatori, Vertiv introduce la Chilled Water Heat Rejection Map, uno strumento analitico che incrocia due variabili fondamentali — la temperatura massima ammissibile di un sistema server e la temperatura esterna dell’aria — per identificare cinque zone operative, ciascuna associata alla tecnologia di dissipazione più adeguata. La Zona 1, per esempio, corrisponde a scenari con temperature elevate al server e temperature esterne medio-basse: qui le tecnologie compressor-less, come dry cooler e dry cooler adiabatici, offrono il massimo vantaggio in termini di efficienza. Ma affinché questa condizione sia praticabile, devono convergere simultaneamente tre fattori: temperatura del server sufficientemente alta, temperatura esterna sufficientemente bassa e, nel caso dei sistemi adiabatici, disponibilità di acqua.
All’estremo opposto, la Zona 5 riguarda data center con temperature server medio-basse in climi costantemente caldi (oltre 50 gradi esterni): qui le uniche soluzioni praticabili sono i chiller tradizionali o adiabatici. Tra questi due estremi si collocano le zone intermedie, dove soluzioni ibride come i trim cooler – tecnologie versatili che combinano il funzionamento da dry cooler con il backup meccanico dei compressori, attivabili progressivamente al crescere della temperatura ambiente – offrono il miglior compromesso operativo. Il concetto di “linea di raffreddamento meccanico” tracciata nella mappa separa visivamente il dominio delle tecnologie con e senza compressore, rendendo evidente che non esiste una soluzione universale.
Il dato che cambia la prospettiva, dove si costruiscono i data center
Mappando i principali hub europei rispetto alle zone climatiche ASHRAE, emerge un quadro articolato. I maggiori poli di concentrazione, tra cui Londra, Francoforte, Parigi, Milano, Madrid e Amsterdam, si collocano in zone climatiche da calde a temperate, dove le temperature esterne superano regolarmente i 35-40 °C nei mesi estivi. Solo la Scandinavia, l’Islanda e alcune aree del Nord Europa rientrano nelle classificazioni Very Cold o Sub-Arctic che renderebbero praticabile un approccio interamente compressor-less.
Questo significa che, anche in uno scenario di innalzamento delle temperature al chip, le tecnologie senza compressore troverebbero piena applicazione solo in una minoranza di localizzazioni europee. Per la maggior parte degli hub del continente, il raffreddamento meccanico resta una necessità strutturale.
L’acqua come variabile strategica, tra efficienza e sostenibilità
Entra in gioco l‘importanza strategica dell’acqua nei sistemi di dissipazione del calore, evidenziando un trade-off fondamentale. I sistemi adiabatici e i dry cooler ibridi sfruttano l’evaporazione per abbassare la temperatura effettiva alla quale opera il sistema di heat rejection, migliorando il PUE (Power Usage Effectiveness) e riducendo la dipendenza dai compressori. Tuttavia, queste stesse tecnologie aumentano intrinsecamente il WUE (Water Usage Effectiveness), richiedendo consumi idrici annuali significativi. In un contesto di crescente pressione sulle risorse idriche e di normative ambientali più stringenti, la valutazione del bilancio PUE-WUE diventa un esercizio progettuale imprescindibile, da condurre in relazione alle condizioni ambientali locali, alla disponibilità idrica a lungo termine e ai requisiti regolatori specifici del sito.
Le implicazioni non si fermano all’efficienza energetica. La qualità dell’acqua influisce direttamente sull’affidabilità del sistema: una chimica variabile può accelerare corrosione e incrostazioni, ridurre le prestazioni di scambio termico, aumentare il fouling biologico e far lievitare i costi di manutenzione. A questo si aggiungono considerazioni ambientali e di compliance, soprattutto in località dove l’acqua è considerata una risorsa scarsa.
Liquid cooling e air cooling, insieme, sfida progettuale aperta
Un aspetto particolarmente rilevante dell’analisi Vertiv riguarda la coesistenza tra raffreddamento a liquido e ad aria all’interno dello stesso data center – uno scenario sempre più comune nei deployment con carichi misti, dove rack ad alta densità raffreddati a liquido convivono con rack tradizionali raffreddati ad aria. Quando le temperature operative dei server crescono e di conseguenza sale la temperatura dell’acqua di impianto utilizzata per il liquid cooling, l’impatto si propaga all’intero sistema: l’acqua più meno fredda proveniente dal loop di raffreddamento dei chip condiziona direttamente le prestazioni delle unità di trattamento aria interne ( unità idroniche perimetrali o in-row) che operano sullo stesso circuito idraulico.
Vertiv identifica tre zone operative distinte per il raffreddamento ad aria in funzione della temperatura dell’acqua di impianto e della temperatura di ritorno target dell’aria. In una condizione favorevole (Zona A), le unità ad acqua refrigerata interne possono operare sullo stesso loop che alimenta le CDU per il liquid cooling, mantenendo un’architettura semplice e un CapEx contenuto. In una zona intermedia (Zona B), il raffreddamento ad acqua resta fattibile senza refrigerazione meccanica, ma i margini psicrometrici si restringono e servono strategie di miscelazione della temperatura dell’acqua a livello di unità. Nella condizione più critica (Zona C), la temperatura dell’acqua di impianto è troppo elevata per un efficace raffreddamento ad aria con unità interne idroniche: la soluzione passa attraverso tecnologie DX (Direct Expansion) air o water-cooled, che disaccoppiano le prestazioni lato aria dalla temperatura dell’acqua di impianto, eliminando la necessità di un secondo loop ad acqua refrigerata dedicato – con tutti i vantaggi che ne derivano in termini di ingombro, complessità e costi.
Un ecosistema termico in evoluzione
L’invito di Vertiv è alla cautela e all’attenzione rispetto a narrazioni eccessivamente semplificate. L’evoluzione della tecnologia dei chip e l’innalzamento delle temperature operative non conducono a un futuro in cui i compressori scompaiono: conducono piuttosto a un ecosistema termico più articolato, dove la scelta della tecnologia di heat rejection dipende dalla convergenza di temperatura operativa dell’architettura server, condizioni climatiche del sito, disponibilità e sostenibilità dell’uso dell’acqua, e compatibilità tra i diversi subsistemi di raffreddamento che coesistono nella struttura. Per gli operatori di data center, questo significa abbandonare l’idea di una soluzione universale e abbracciare un approccio progettuale che consideri l‘intera thermal chain come un sistema integrato — dalla Cooling Distribution Unit al punto di rigetto del calore nell’ambiente — calibrando ogni scelta sulle condizioni specifiche del sito e sugli scenari evolutivi della tecnologia IT che quel sito dovrà ospitare. Ne parliamo in un contributo dedicato grazie al contributo di Massimiliano Maistro, Manager, Thermal Product Strategy Emea di Vertiv con cui affrontiamo i temi chiave della thermal chain e le strategie per gestire la transizione verso architetture di raffreddamento sempre più ibride e complesse.
Per saperne di più scarica il whitepaper: Rising chip temperatures and the transformation of data center cooling
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