Opätovné využitie tepelnej energie dátového centra: Chladenie horúcou vodou

V tejto sérii skúmame rôzne spôsoby, akými sa operátori dátových centier snažia byť zodpovednými globálnymi občanmi a zároveň zabezpečiť dlhodobú návratnosť aktív znížením ich uhlíkovej stopy zachytávaním a opätovným využívaním tepelnej energie produkovanej ich zariadeniami IKT. Na začiatok konverzácie som si vybral október 2011 MIT Technology Review článok Neila Savagea „Skleníkový efekt: Päť nápadov na opätovné využitie odpadového tepla dátových centier“. Päť príkladov, ktoré uvádza v tomto článku, v skutočnosti predstavuje päť všeobecných stratégií, a preto ich považujem za užitočný odrazový mostík pri skúmaní vývoja v priebehu nasledujúcich deviatich rokov. Nápady boli:

Dátové centrum Univerzity Notre Dame vyhrievalo skleník.

Dátové centrum univerzity v Syrakúzach si vyrábalo vlastnú elektrinu a v lete využívalo prebytočnú studenú vodu na klimatizáciu priľahlej kancelárskej budovy a v zime prebytočnú teplú vodu na jej vykurovanie.

Výskumné dátové centrum IBM v Zürichu použilo chladenie teplou vodou a použilo teplejšiu „vratnú“ vodu na vykurovanie susedného laboratória.

Národné laboratórium Oak Ridge vyvinulo mechanizmus, ktorý sa pripojil k mikroprocesoru a vyrábal elektrinu.

Dátové centrum Telecity v Paríži poskytovalo teplo pre výskumné experimenty o účinkoch klimatických zmien. 

V prvej časti sme sa zamerali na variácie používania odpadového horúceho vzduchu na univerzite Notre Dame na udržiavanie priľahlého skleníka počas zimy v severnej Indiane. Aj keď sme pokryli niekoľko rôznych príkladov opätovného použitia horúceho vzduchu, vo všeobecnosti nízkokvalitná energia vzduchu 80-95 °F a požiadavka, aby aplikácia bola v podstate priľahlá k dátovému centru, predstavovali rozumné prekážky pre atraktívnu návratnosť investícií. Pri skúmaní použitia 80˚F odpadového vzduchu z miestnosti UPS na zníženie zdvihu na 100˚F cieľových blokových ohrievačov generátora sme zistili, že dobrým príkladom by mohli byť efektívne postupy riadenia prúdenia vzduchu umožňujúce, aby dátové centrum fungovalo bližšie k horný odporúčaný limit ASHRAE by viedol k odpadovému vzduchu, ktorý by mohol úplne eliminovať potrebu ohrievačov bloku generátora. Tento príklad sa zaoberal prekážkami energetickej triedy a susedstva. V opačnom prípade sme zistili, že najefektívnejšie využitie tepelnej energie zo spätného vzduchu z dátového centra sa vyskytlo v severoeurópskych sieťach diaľkového vykurovania a zistili sme, že viac ako 10 % tepelnej energie vo Švédsku pochádza z dátových centier. V skutočnosti lokálne vykurovacie okruhy v tej či onej forme predstavujú užitočný model pre efektívne opätovné využitie energie dátového centra, ako uvidíme v nasledujúcich diskusiách.

Pre druhú kategóriu opätovného využitia energie dátového centra som navrhol „odpojenie slučky“, kde prívodná strana slučky chladenej vody by mohla byť napojená na prídavné chladenie a spiatočná strana by mohla byť napojená na vykurovanie alebo chladenie. V príklade z University of Syracuse zo Savageovho článku bol primárnym zdrojom energie na opätovné použitie výfukové plyny z turbíny, ktoré boli dostatočne horúce na to, aby poháňali absorpčné chladiče na zabezpečenie klimatizácie budovy, ktorá bola napojená na chladenie dátového centra, alebo boli dostatočne horúce na to, aby mohli ísť. cez výmenník tepla na vykurovanie budovy počas zimy. Aktuálnejšou žiariacou hviezdou pre „preťuknutie slučky“ je projekt Westin-Amazon v Seattli, ktorý zahŕňal trochu priamočiarejšie inžinierstvo, ale oveľa viac kreativity v celkovom riadení projektu, čo si vyžaduje spoluprácu medzi rôznymi vládnymi agentúrami, verejnými službami a korporáciami prospešný vlastný záujem. Administratívne budovy Amazonu v podstate predstavujú ekvivalent „zákazníka“ lokálneho vykurovacieho okruhu pre spoločnosť Clise Properties (vlastník hotela Westin Carrier) a Clise Properties a McKinstry Engineering vytvorili subjekt registrovaný ako schválená energetická spoločnosť. Amazon sa vyhne približne 80 miliónom kW hodín nákladov na vykurovaciu energiu a Clise Properties sa vyhne nákladom na prevádzku odparovacích veží a nákladom na výslednú stratu vody. Zatiaľ čo model Westin-Amazon pre mňa predstavuje dokonalý plán pre efektívny projekt opätovného využitia energie v dátovom centre, preskúmanie podobného projektu zrušeného na Massachusetts Institute of Technology odhalilo zložitosť pokusu vyhnať všetky mačky na takéto účely. snahu, ktorú opäť uvidíme v tejto tretej časti série.

Tretia kategória opätovného využitia tepelnej energie dátového centra z MIT Technology Review je teplovodné chladenie, z ktorého môže mať úžitok ktorákoľvek z prvých dvoch kategórií, ale je obzvlášť výhodné pri kvapalinovom chladení dátových centier (ktoré v našom odvetví konečne získava zmysluplný význam). Ako už bolo spomenuté, ak sa odpadový vzduch dátového centra používa na uľahčenie spúšťania generátora, zvýšenie privádzaného vzduchu z 65˚F alebo 70˚F až na 78-80˚F vytvorí teplotu spätného vzduchu dostatočne vysokú na odstránenie blokových ohrievačov. Okrem toho v projekte Westin-Amazon by dobré vykonanie vzduchovej izolácie v dátovom centre umožnilo dostatočne zvýšiť dodávku vody dátového centra do výmenníka tepla, aby sa znížil zdvih zariadenia na rekuperáciu tepla o 28 %. Ani v jednom z týchto prípadov nehovoríme o chladení teplou alebo horúcou vodou, ale aj pohybom ihly môžu tieto malé kroky priniesť značné výhody. Keď začneme pracovať s horúcou vodou, získame energiu odpadového tepla vyššej triedy a voda sa pohybuje ľahšie ako vzduch.

Dátové centrum IBM proof-of-concept vo výskumnom laboratóriu v Zurichu využilo inovácie v priamom kontakte kvapalinového chladenia, pričom horúca voda bola čerpaná cez medené mikrokanály pripojené k počítačovým čipom. Zistili, že 140˚F privádzaná voda udržiavala teplotu čipu okolo 176˚F, teda bezpečne pod odporúčaným maximom 185˚F. Toto chladenie horúcou vodou viedlo k postprocesnej „návratnej“ teplote 149˚F, čo bola adekvátna tepelná energia pre vykurovanie aj chladenie budovy prostredníctvom absorpčného chladiča, bez toho, aby bolo potrebné zvýšenie tepelnými čerpadlami. Okrem poskytovania tepla pre susedné laboratórium poskytoval absorpčný chladič chladiaci výkon 49 kW pri teplote približne 70 °F. Zjednodušený prehľad tohto prístupu je znázornený na obrázku 1 nižšie.

Obrázok 1: Zjednodušený tok opätovného využitia chladiacej energie v dátovom centre

Približne v rovnakom čase, keď bol vo Švajčiarsku implementovaný experiment IBM proof of concept teplovodné kvapalinové chladenie, eBay experimentoval s teplovodným chladením vo Phoenixe v dobre propagovanom projekte Mercury. Projekt Mercury zahŕňal jednu časť dátového centra chladenú slučkou chladenej vody pripojenú k chladičom a potom druhé dátové centrum využívajúce vratnú vodu z kondenzátora z prvého dátového centra až do 87˚F na zásobovanie výmenníkov tepla na zadných dverách namontovaných v stojane. Je zrejmé, že teploty prekročili teploty vstupného vzduchu odporúčané ASHRAE servera, ale zostali v povolenom rozsahu triedy A2. Práve v rámci tejto operácie Dean Nelson a jeho tím prišli s metrikou efektívnosti dátového centra založenou na podnikateľskej misii, ktorá spája náklady dátového centra s predajnými transakciami zákazníkov, čím vytvára iluzívny bod zlomu medzi efektívnosťou a efektívnosťou dátového centra. V tomto prípade bol „zákazník“ interný a odpadové teplo sa nevyužívalo ako zdroj tepelnej energie, ale ako zdroj chladu.

Model Project Mercury v skutočnosti ponúka víziu nízkorizikového chladenia teplou vodou, ktoré by mohlo byť dostupné mnohým dátovým centrám bez toho, aby museli prejsť na nejakú formu priameho kontaktného chladenia kvapalinou. Napríklad dátové centrá využívajúce výmenníky tepla na zadných dverách môžu pracovať s teplotou prívodu severne od 65˚F, čo ľahko prekročí teplotu spiatočky slučky vratnej vody pre komfortné chladenie budovy. Odvádzanie do vratnej vody je v podstate voľné chladenie a potom počas ročného obdobia, keď klimatizácia v budove nemusí nepretržite fungovať (alebo vôbec, moji priatelia v Minnesote), výmenníky tepla v zadných dverách môžu byť napájané cez výmenník tepla s voľným chladením. ekonomizér. Rovnaký princíp platí pre priame kontaktné kvapalinové chladenie, ktoré by malo byť v podstate voľne použiteľné v akomkoľvek zariadení s akoukoľvek zmysluplnou komfortnou chladiacou záťažou.

Nedávno spoločnosť IBM Zurich preložila dôkaz o koncepcii do plne produkčného superpočítača v Zurichu (LRZ SuperMUC-NG) s paralelným projektom v Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, manažér integrácie inteligentného systému v laboratóriách v Zürichu, tvrdí, že produkčný superpočítač je v skutočnosti zariadenie s negatívnymi emisiami, pretože všetko vybavenie IKT je poháňané obnoviteľnou energiou a potom vykurovanie a chladenie produkované dátovým centrom predstavuje zamedzenie emisií. Teplotný profil rôznych krokov v procese na obrázku 1 sa bude líšiť v závislosti od situácie a požiadaviek zákazníka. Napríklad na zabezpečenie chladenia siete a úložného zariadenia počas teplejšieho počasia, keď nie je dostupné voľné chladenie a na poskytovanie využiteľnej tepelnej energie do sietí diaľkového vykurovania počas chladnejšieho počasia, dátové centrum beží pri 149˚F. Na zabezpečenie podlahového vykurovania pre rezidenčných zákazníkov môže klesnúť až na 131˚F a na podporu voľného chladenia v Oak Ridge budú fungovať pri 113˚F. Absorpčný chladič vo stupňoch Fahrenheita pracuje s teplotou pohonu 127˚F, aby dodával 68˚F chladenú vodu do chladiacich jednotiek, ktoré obsluhujú skladovacie a sieťové zariadenia, s celkovým chladiacim výkonom 608 kW.

Projekt IBM závisí od prelomovej inovácie v znižovaní tepelného odporu, čím umožňuje vyššiu teplotu vody na čipe, čo má za následok skutočné celkové zlepšenie výkonu čipu. Napriek tomu, ktorékoľvek z rôznych riešení priameho kontaktného chladenia kvapalinou, ktoré sú dnes na trhu, môže poskytnúť významnú časť výhod chladenia horúcou vodou. Všetci uvádzajú svoje vlastné tvrdenia o tom, aká horúca môže byť „chladiaca“ privádzaná voda na udržanie adekvátnych teplôt čipu a dokonca zlepšenie výkonu čipu oproti tradičnému chladeniu vzduchom. Aj keď tieto teploty nemusia byť dostatočne vysoké na to, aby priamo nahradili tradičné zdroje vykurovania (kotly atď.) alebo poháňali absorpčné chladiče, sú stále dostatočne vysoké na to, aby dramaticky znížili zdvih potrebný na tepelné čerpadlá na zvýšenie tohto tepla na užitočnú úroveň. Okrem toho pri teplotách chladenia kvapalinou by nemali byť potrebné chladiče alebo mechanické chladenie. Nabudúce sa pozrieme na niektoré kompromisy medzi investičnými a prevádzkovými nákladmi spojenými s využívaním výhod chladenia horúcou vodou a niektorými väčšími spoločenskými a infraštruktúrnymi výzvami.