Data centers (DC) são sinônimo de alto consumo de energia e de dissipação de calor. Essas infraestruturas são praticamente fábricas de calor, gerando uma alta pegada de carbono. Como diz o uso popular, "com grandes poderes vêm grandes responsabilidades."

Literalmente, a responsabilidade aqui é o resfriamento e a eficiência energética, devido aos avanços recentes na tecnologia, incluindo a alta demanda por sistemas movidos por IA. Consequentemente, esses avanços impulsionaram a demanda por uma abordagem mais eficiente de energia e de resfriamento, além de reduzir a Eficácia do Uso de Energia (PUE) nos DCs.

Este artigo foi escrito por Solomon Obadimu & Jones Udo-akang

Curiosamente, embora estratégias de resfriamento mais eficientes sejam, há muito tempo, a área de discussão entre profissionais de data centers, essa mentalidade está gradualmente mudando para combinar o resfriamento com o calor residual reciclado dessas fábricas de calor — os data centers.

Essa "pedra rejeitada", o calor residual – um recurso inexplorado – pode se tornar a "pedra angular" da eficiência energética nessa indústria em constante crescimento. Tecnologias como resfriadores de absorção e adsorção, sistemas dessecantes para desumidificação e o Ciclo Orgânico de Rankine (ORC) para geração de energia foram propostas como soluções potenciais para o problema de calor mencionado anteriormente, reduzindo custos operacionais e o PUE.

Quão significativo é o impacto dessa mudança da triagem teórica para a implementação prática? Podemos contar com essas tecnologias para reduzir o PUE nesse setor em constante crescimento? A complexidade crescente da infraestrutura DC acomodará essas tecnologias? O calor residual DC pode ser usado para alimentar seus próprios sistemas? Esse artigo aborda essas questões.

Também pretende apresentar brevemente as tecnologias mencionadas acima, explorando e utilizando estudos recentes essenciais, com base em pesquisas dos últimos cinco anos. Para responder ainda mais a essas perguntas, esse artigo foca exclusivamente em estudos experimentais e de simulação que investigam o potencial de reaproveitamento do calor residual gerado internamente, e não externamente.

Vias de reutilização do calor residual interno do data center

1.1 Vias de resfriamento

Chillers de absorção/adsorção para resfriamento de DC

Gupta e Puri (2021) realizaram um estudo de viabilidade, focado em simulação, sobre a reutilização interna do calor residual de racks resfriados a água em data centers (DC), integrando um resfriador de adsorção com gel de sílica e água. O sistema proposto utiliza água quente descarregada de racks refrigerados a líquido para acionar o resfriador de adsorção.

Esse resfriador, então, produz água gelada para unidades de resfriamento em fileira que atendem racks refrigerados a ar próximos. Ao reduzir a dependência de resfriadores convencionais de compressão de vapor, essa abordagem oferece benefícios energéticos, ambientais e econômicos.

No geral, após análise de sensibilidade, as temperaturas da água de entrada, o fluxo de ar, o fator de compartilhamento de carga e os pontos de ajuste da água gelada foram identificados como os principais parâmetros que afetam significativamente o desempenho do sistema proposto de resfriamento por adsorção. Ao integrar sistemas refrigerados a ar e a água, o estudo demonstra melhorias significativas na eficiência energética (ESE) de até 22,5% e reduções anuais de emissões de CO₂ de 104 toneladas.

No entanto, foi identificado um compromisso operacional fundamental: os operadores devem escolher entre maximizar a economia de energia e maximizar o poder computacional. Operar o sistema com calor residual de menor qualidade (por exemplo, água de entrada a 40°C) otimiza a eficiência do resfriador e o ESE, mas força os servidores a ficarem mais quentes.

Por outro lado, usar calor de qualidade superior (por exemplo, 65°C) melhora a temperatura do disco de resfriamento, mas pode degradar o desempenho da computação do servidor (GFLOPs/W) em até 6%. Os autores relatam que investidores potenciais podem esperar um retorno sobre o investimento em pouco mais de um ano (379 dias) para um refrigerador de adsorção de 30 kW e menos de um ano (285 dias) para um refrigerador de 90 kW.

De forma semelhante, Amiri et al. (2021) se basearam no trabalho de Gupta e Puri (2021). Os autores simularam as aplicações potenciais dos resfriadores de absorção em data centers em comparação com o resfriador de adsorção modelado por Gupta e Puri. O resfriador de absorção requer uma solução líquida de sal, como brometo de lítio (LiBr), como absorvente, enquanto o resfriador de adsorção empregado por Gupta e Puri (2021) utiliza um sorbente sólido, como o gel de sílica.

Embora ambos os resfriadores mencionados usem água como refrigerante, a principal diferença está no grau de frio exigido. O resfriador de absorção requer um calor residual de qualidade relativamente alta, enquanto o resfriador de adsorção pode operar com um calor residual de temperatura mais baixa.

Quando modelado para um data center, o estudo de Amiri et al. (2021) revelou que um data center de 4,5 MW e 13,5 MW poderia alcançar economias de energia de 4,3 a 13,0 GWh por ano. Essa redução no consumo de energia foi acompanhada por uma diminuição significativa das emissões de CO₂, passando de 3.068 para 9.208 toneladas. O estudo também constatou que o uso de resfriadores de absorção reduziu a carga de trabalho dos resfriadores convencionais de compressão, contribuindo para a eficiência energética geral. Economicamente, o sistema poderia alcançar períodos de retorno entre 2,56 e 2,76 anos, com o desempenho melhorando à medida que a escala do DC aumenta.

Muito recentemente, Cui et al. (2025) propuseram um sistema de resfriamento movido pelo calor residual para data centers. Esse sistema utiliza um resfriador de absorção LiBr-H₂O de três estágios, projetado para operar com calor residual de ultrabaixa qualidade a 50°C. O sistema capta calor do circuito de resfriamento líquido e o utiliza para resfriar componentes refrigerados a ar, reduzindo a dependência de resfriadores convencionais. Um recurso inovador de troca de estágio permite que o resfriador maximize sua capacidade de resfriamento a partir de uma fonte limitada de calor residual, ajustando continuamente seus modos operacionais à medida que a temperatura da água de resfriamento diminui.

Para demonstrar a eficácia do sistema, Cui et al. (2025) usaram o estudo de caso de um DC com capacidade de resfriamento líquido de 200 kW e de 100 kW de resfriamento a ar. O resfriador proposto reduziu a carga mecânica de resfriamento em 80,5% e gerou uma economia anual de eletricidade de 78 MWh. No geral, os autores observaram que a solução seria particularmente eficaz em climas quentes e úmidos e compatível com as estratégias existentes de resfriamento livre.

1.2 Vias de controle da umidade

Desumidificação baseada em dessecantes para DCs

Em um estudo experimental interessante conduzido por Huang et al. (2025), trocadores de calor revestidos com desecante (DCHEs) foram utilizados para desumidificar um DC resfriado a líquido. Segundo os autores, o sistema alcança desumidificação contínua, alternando entre dois conjuntos de DCHEs, acionados por água residual de 50°C recuperada do circuito de resfriamento líquido e por ar ambiente frio de 15°C. Após uma série de experimentos, os autores relataram uma eficiência de recuperação de calor de aproximadamente 42% com fluxo de ar de 4.500 m³/h e um coeficiente médio de desempenho (COPd) de até 8,85 a 2.700 m³/h.

Além disso, observaram um aumento da COP da desumidificação e uma diminuição da eficiência da recuperação de calor residual, com redução do fluxo de ar e, consequentemente, da COP. No geral, eles consideraram que o DCHE proposto é 1,36 vezes mais eficiente energeticamente do que um sistema convencional de desumidificação, com uma taxa de remoção de umidade de 7,07 kg/kWh de eletricidade consumida.

Seguindo o mesmo caminho de desumidificação DC por calor residual, Okposio (2020) demonstrou, após análise experimental, a possibilidade de usar sistemas de resfriamento direto por evaporação baseados em dessecantes em data centers. Esse sistema absorve a umidade do ar resfriado em DC e, depois, regenera o dessecante com o ar quente de retorno (calor residual) do DC. Os autores propuseram e testaram um sistema condensado de recuperação para capturar água dessorvida do material dessecante, demonstrando seu potencial de reutilização no processo de resfriamento evaporativo, reduzindo o consumo total de água em CDs. Resultados experimentais mostraram uma correlação entre a profundidade da base (espessura) e o resfriamento evaporativo, com este último melhorando em até 81% à medida que a espessura aumentava. O método proposto de recuperação de condensados constatou que, em média, recupera 50% da umidade perdida. No geral, o autor relatou uma melhora significativa no PUE devido à eficiência operacional do sistema.

1.3 Vias de recuperação de energia

Ciclo orgânico de Rankine (ORC)

Data centers são fábricas de calor. No entanto, o foco principal tem sido resolver o problema do resfriamento, em vez de considerar o calor em si como um recurso. O Ciclo Orgânico de Rankine (ORC) foi identificado como uma solução potencial para aproveitar o calor de baixa qualidade do servidor e colocá-lo de volta a funcionar como fonte de energia para uso próprio do data center.

Ancona et al. (2022) realizaram uma investigação para avaliar a viabilidade de integrar micro ORCs a sistemas de resfriamento DC. Utilizando um banco de testes ORC de 3 kW, os autores variaram e analisaram: potência térmica de entrada, potência de saída do expansor, produção líquida de energia e eficiência geral. A análise experimental revelou uma correlação entre a temperatura da fonte de calor e a potência térmica de entrada do sistema ORC. A análise numérica revelou que, à medida que a temperatura da fonte de calor aumentava de 40°C para 55°C, a potência térmica passava de 10 kW para mais de 20 kW, o que aumentava consequentemente a vazão mássica do ORC — uma tendência consistente com os resultados experimentais.

No entanto, a vazão da fonte de calor foi constatada como tendo efeito negligenciável sobre a potência de entrada. Quanto à potência de saída do expansor, os autores descobriram que tanto a temperatura da fonte de calor quanto a taxa de fluxo mássico do ORC tiveram um impacto positivo na potência do expansor, com a potência aumentando de 200 W para 550 W. Além disso, a produção líquida de energia aumentou à medida que a temperatura da fonte de calor (calor residual DC) aumentava, enquanto uma correlação negativa foi observada para a temperatura do sumidouro frio (representando a temperatura do ar ambiente). No geral, por meio de modelagem numérica, o sistema ORC foi considerado o mais eficiente na conversão de calor residual DC em eletricidade quando o refrigerante R1234ze(E) foi empregado, indicando que o desempenho do sistema ORC depende do fluido.

Marshall e Duquette (2022) basearam o trabalho de Ancona et al. (2022) ao realizar uma modelagem em nível de sistema para a possível integração de sistemas ORC às operações de DC. O modelo proposto por eles, um Ciclo Rankine Orgânico (HPA-ORC) assistido por bomba de calor e refrigerante, avança o conceito básico de ORC proposto por Ancona et al.

Comparado à configuração de Ancona et al., o sistema HPA-ORC coleta calor residual dos servidores DC e a bomba de calor integrada então o atualiza, tornando-o útil. Nesse estágio, o calor capturado é entregue ao sistema ORC — uma pequena usina — onde um fluido refrigerante ferve a uma temperatura relativamente baixa, gerando vapor de alta pressão que gira e se expande por meio de uma turbina para gerar eletricidade. O vapor é então resfriado para repetir o ciclo.

Os autores modelaram um data center com 1.000 servidores, testaram vários refrigerantes e compararam o sistema HPA-ORC proposto a um sistema de resfriamento por bomba de calor de ar (ASHP) para avaliar os potenciais benefícios econômicos dos sistemas ORC. Os resultados da modelagem confirmam uma correlação entre o fluido refrigerante e o desempenho do HPA-ORC, com R161 e pentano relatados como os melhores fluidos.

Como esperado, o sistema HPA ORC foi considerado superior ao seu equivalente, o ASHP. Além disso, quando operado sob as mesmas condições, o sistema HPA-ORC mostrou-se economicamente mais viável, com a lucratividade aumentando à medida que aumentava da utilização do servidor. Apesar dos custos iniciais mais altos de capital e de manutenção, o estudo conclui que a implementação em larga escala promete benefícios econômicos consideráveis.

Comparação e perspectivas

Pela literatura revisada, é evidente que a utilização potencial do calor residual dos centros de dados passou da triagem teórica da conversão de calor dos racks de servidores para a implementação da engenharia prática de sistemas — da teoria para a ação. Muito mais atenção está sendo dada ao reaproveitamento do calor residual dentro dos DCs, em vez de externamente.

O conjunto de trabalhos revisados abrange diferentes abordagens tecnológicas, desde resfriadores de absorção/adsorção e sistemas de desumidificação baseados em desecantes até geração de energia por meio de sistemas ORC. Coletivamente, esses estudos mostram que o calor residual gerado pelo servidor não é apenas um subproduto; ele é recuperável e pode ser bem aproveitado para resfriamento e geração de energia, promovendo a eficiência energética nos CCs.

Quanto ao reuso de calor para resfriamento em DCs, o resfriador de absorção multiestágio proposto por Cui et al. (2025) parece bastante sofisticado e impressionante devido à sua exigência de calor de qualidade ultrabaixa (tão baixa quanto 50°C) e ao processo em múltiplos estágios. Embora seu princípio de operação seja semelhante ao do resfriador de adsorção proposto por Gupta e Puri (2021), que utiliza o calor do circuito de resfriamento líquido, o modelo poderia ser implantado em regiões de alta temperatura e alta umidade. No geral, esses estudos mostraram a viabilidade do reuso térmico nos DCs e, potencialmente, a redução da carga de resfriamento, além de melhorar o PUE por meio dos métodos propostos.

Além do resfriamento, o gerenciamento da umidade relativa foi identificado como uma área-chave para ganhos de eficiência. O uso de trocadores de calor revestidos com desecante (DCHEs) foi validado em nível prático como uma solução viável para problemas de desumidificação em DCs.

O sistema proposto por Okposio pode simultaneamente remover o calor de adsorção e desumidificar o ar, reduzindo a demanda dos resfriadores e economizando energia, ao mesmo tempo em que melhora o PUE DC. Os autores observaram que encontrar o equilíbrio entre a taxa de fluxo de ar e a velocidade do ventilador otimizará ainda mais o sistema. Coletivamente, esses estudos mostram que reutilizar o calor residual dos centros de dados para resfriamento e controle de umidade não é mais um conceito teórico — está se tornando uma solução real com fortes benefícios econômicos e ambientais.

Em contraste com o reuso direto do termismo discutido acima, o Ciclo Orgânico de Rankine (ORC) representa uma abordagem distinta. Nesse caso, o mesmo calor de baixa qualidade utilizado para resfriamento e desumidificação também poderia ser convertido diretamente em eletricidade. Em termos simples: o calor do servidor ferve um refrigerante → vapor em expansão gira uma turbina → eletricidade é gerada. Mais importante ainda, a eletricidade gerada não é teórica; ela pode ser usada em DCs para alimentar alguns sistemas, incluindo válvulas de controle, ventiladores, sensores do sistema de gerenciamento de edifícios (BMS) e cargas auxiliares. No entanto, quando escalada em múltiplos racks, a recuperação coletiva de energia poderia reduzir o PUE de um data center ao autoalimentar parcialmente seus próprios subsistemas de gerenciamento térmico, embora a conversão eficiente de energia de calor em energia continue sendo um desafio fundamental.

Em resumo, três percepções essenciais foram identificadas a partir do conjunto de trabalhos revisados:

• A faixa de temperatura determina a viabilidade tecnológica: toda tecnologia proposta possui um requisito mínimo de temperatura para operar eficientemente. Resfriadores de absorção e adsorção podem ser operados em temperaturas moderadas (50–70°C). Sistemas dessecantes, por outro lado, prosperam em temperaturas mais baixas (35–55°C), enquanto os ORCs podem operar em uma ampla faixa de temperaturas, desde baixas até médias.
• Oportunidades viáveis de integração em data centers: Um híbrido dos sistemas mencionados em um data center compensará a demanda elétrica em todos os aspectos, gerando ganhos de eficiência cumulativos ao longo do tempo.
• Potencial econômico e ambiental: A reutilização interna do calor residual para resfriamento e desumidificação reduzirá a dependência excessiva de resfriadores primários e diminuirá o consumo de água, como demonstrado pelo sistema proposto de recuperação de condensados (explicado acima). Isso melhorará a circulação geral de energia, na qual o calor recuperado compensa tanto as cargas elétricas quanto as de resfriamento.

Conclusão

Antes vista como um fardo, a pedra rejeitada — calor residual — agora é um ativo operacional. Os estudos revisados fornecem um modelo para uso interno, visando reduzir diretamente o PUE e construir um modelo energético de data center mais circular e sustentável.

À medida que os data centers continuam a evoluir para fábricas de calor, aqueles que conseguirem transformar essa 'pedra rejeitada' em um 'ativo operacional' conduzirão a indústria tanto para a sustentabilidade econômica quanto ambiental.