Opětovné využití tepelné energie datového centra: chlazení horkou vodou

V tomto seriálu se zabýváme různými způsoby, jak se provozovatelé datových center snaží být zodpovědnými občany světa a zároveň zajistit dlouhodobou návratnost svých aktiv snížením uhlíkové stopy prostřednictvím zachycování a opětovného využití tepelné energie produkované jejich zařízeními ICT. Pro začátek rozhovoru jsem si vzal článek z října 2011. MIT Technology Review článek Neila Savage "Skleníkový efekt: "Pět nápadů na opětovné využití odpadního tepla datových center". Pět příkladů, které v tomto článku uvádí, ve skutečnosti představuje pět obecných strategií, a proto je považuji za užitečný odrazový můstek pro zkoumání vývoje v následujících devíti letech. Jedná se o tyto myšlenky:

Datové centrum univerzity Notre Dame vytápělo skleník.

Datové centrum Syrakuské univerzity vyrábělo vlastní elektřinu a v létě využívalo přebytečnou studenou vodu ke klimatizaci přilehlé kancelářské budovy a v zimě přebytečnou teplou vodu k jejímu vytápění.

Výzkumné datové centrum IBM v Curychu používalo kapalinové chlazení teplou vodou a teplejší "vratnou" vodu využívalo k vytápění přilehlé laboratoře.

Oak Ridge National Laboratory vyvinula mechanismus, který se připojil k mikroprocesoru a vyráběl elektřinu.

Datové centrum Telecity v Paříži poskytlo teplo pro výzkumné experimenty týkající se dopadů změny klimatu. 

V první části jsme se zabývali variantami využití odpadního horkého vzduchu z datového centra na univerzitě Notre Dame k udržování přilehlého skleníku v zimě na severu Indiany. I když jsme se zabývali několika různými příklady opětovného využití horkého vzduchu, obecně nízká energetická třída vzduchu o teplotě 80-95 ˚F a požadavek, aby aplikace v podstatě sousedila s datovým centrem, představovaly rozumné překážky pro atraktivní návratnost investic. Při přezkoumání využití odpadního vzduchu o teplotě 80˚F z místnosti UPS ke snížení zdvihu na cílových 100˚F ohřívačů bloků generátorů jsme zjistili, že lze dobře doložit, že účinné postupy řízení proudění vzduchu, které umožňují provoz datového centra blíže horní doporučené hranici ASHRAE, by vedly k získání odpadního vzduchu, který by mohl zcela eliminovat potřebu ohřívačů bloků generátorů. Tento příklad řešil jak energetickou třídu, tak překážky související s přilehlostí. Jinak jsme zjistili, že k nejefektivnějšímu využití tepelné energie ze zpětného vzduchu z datových center dochází v severoevropských lokálních sítích dálkového vytápění, a zjistili jsme, že více než 10% tepelné energie ve Švédsku pochází z datových center. Místní teplárny v té či oné podobě ve skutečnosti představují užitečný model pro efektivní opětovné využití energie z datových center, jak uvidíme v dalších diskusích.

Pro druhou kategorii opětovného využití energie v datovém centru jsem zavedl pojem "využití smyčky", kdy by přívodní strana smyčky chlazené vody mohla být využita pro pomocné chlazení a zpětná strana by mohla být využita pro vytápění nebo chlazení. V příkladu univerzity v Syrakusách ze Savageova článku byly primárním zdrojem energie pro opětovné využití spaliny z turbíny, které byly dostatečně teplé pro pohon absorpčních chladicích jednotek zajišťujících klimatizaci budovy, která byla využívána pro chlazení datového centra, nebo dostatečně teplé pro průchod výměníkem tepla pro vytápění budovy v zimním období. Současnější zářivou hvězdou pro "využití smyčky" je projekt Westin-Amazon v Seattlu, který zahrnoval trochu přímočařejší inženýrství, ale mnohem větší kreativitu v celkovém řízení projektu, což vyžadovalo spolupráci různých vládních agentur, veřejných služeb a korporací sledujících vzájemně výhodné vlastní zájmy. Kancelářské budovy Amazonu v podstatě představují pro společnost Clise Properties (vlastníka hotelu Westin Carrier) ekvivalent "zákazníka" místního teplovodu a společnosti Clise Properties a McKinstry Engineering vytvořily subjekt registrovaný jako schválená utilitní společnost. Společnost Amazon se vyhne nákladům na energii na vytápění ve výši přibližně 80 milionů kW hodin a společnost Clise Properties se vyhne výdajům na provoz odpařovacích věží a nákladům na výsledné ztráty vody. Zatímco model Westin-Amazon pro mě představuje dokonalý vzor pro efektivní projekt opětovného využití energie datového centra typu tapping the loop, přehled podobného zrušeného projektu na Massachusettském technologickém institutu odhalil složitost snahy o zahnání všech koček pro takovýto počin, kterému se budeme věnovat opět v této třetí části seriálu.

Třetí kategorie opětovného využití tepelné energie datového centra z MIT Technology Review je teplovodní chlazení, které může být přínosem pro obě první kategorie, ale je zvláště výhodné pro kapalinové chlazení datových center (které se v našem odvětví konečně začíná významně prosazovat). Jak již bylo zmíněno, pokud se v datovém centru používá odpadní vzduch pro usnadnění startování generátorů, zvýšení teploty přiváděného vzduchu z 65˚F nebo 70˚F na 78-80˚F vytvoří dostatečně vysokou teplotu zpětného vzduchu, aby bylo možné eliminovat blokové ohřívače. V projektu Westin-Amazon by navíc dobré provedení omezení proudění vzduchu v datovém centru mohlo umožnit zvýšit přívod vody do výměníku užitkového tepla datového centra natolik, aby se snížil zdvih rekuperačního zařízení o 28%. Ani v jednom z těchto případů se nejedná o chlazení teplou nebo horkou vodou, ale i posunutí jehly těmito malými kroky může přinést významné výhody. Když začneme pracovat s teplou vodou, získáme odpadní tepelnou energii vyšší třídy a voda se snáze pohybuje než vzduch.

Koncepční datové centrum IBM ve výzkumné laboratoři v Curychu využilo inovace v oblasti přímého kontaktního kapalinového chlazení, kdy byla horká voda čerpána měděnými mikrokanálky připojenými k počítačovým čipům. Zjistili, že přívodní voda o teplotě 140˚F udržuje teplotu čipů kolem 176˚F, což je bezpečně pod doporučenou maximální teplotou 185˚F. Výsledkem tohoto chlazení horkou vodou byla teplota "zpátečky" po procesu 149˚F, což byl dostatečný stupeň tepelné energie pro vytápění i chlazení budovy prostřednictvím absorpčního chladiče, aniž by bylo nutné posilovat tepelná čerpadla. Kromě zajištění tepla pro přilehlou laboratoř poskytoval absorpční chiller 49 kW chladicího výkonu při teplotě přibližně 70˚F. Zjednodušený přehled tohoto přístupu je znázorněn na obrázku 1 níže.

Obrázek 1: Zjednodušený průběh opětovného využití energie kapalinového chlazení datového centra

Přibližně ve stejné době, kdy se ve Švýcarsku realizoval ověřovací experiment IBM s teplovodním kapalinovým chlazením, experimentovala společnost eBay s teplovodním chlazením ve Phoenixu v rámci dobře známého projektu Mercury. Projekt Mercury zahrnoval jednu část datového centra chlazenou smyčkou chlazené vody připojenou k chladicím jednotkám a poté druhé datové centrum využívající vratnou vodu z kondenzátoru prvního datového centra o teplotě až 87˚F k napájení výměníků tepla umístěných na zadních dveřích stojanů. Teploty samozřejmě překračovaly teploty vzduchu na vstupu do serverů doporučené ASHRAE, ale zůstávaly v přípustném rozsahu třídy A2. Právě v rámci této operace přišel Dean Nelson a jeho tým s metrikou efektivity datového centra založenou na obchodním poslání, která váže náklady datového centra na prodejní transakce zákazníků, čímž dává podobu onomu iluzornímu bodu zvratu mezi efektivitou a účinností datového centra. V tomto případě byl "zákazník" interní a odpadní teplo nebylo využíváno jako zdroj tepelné energie, ale jako zdroj chlazení.

Model projektu Mercury ve skutečnosti nabízí vizi nízkorizikového teplovodního chlazení, které by mohlo být dostupné pro mnoho datových center, aniž by bylo nutné přejít až na nějakou formu přímého kontaktního kapalinového chlazení. Například datová centra využívající výměníky tepla na zadních dveřích mohou pracovat s teplotami na přívodu severně od 65˚F, což snadno překračuje teplotu vratné vody ve vratné smyčce komfortního chlazení budovy. Napojení na vratnou vodu je v podstatě chlazení zdarma a v ročním období, kdy klimatizace budovy nemusí běžet nepřetržitě (nebo vůbec, přátelé v Minnesotě), pak mohou být zadní dveřní výměníky tepla napájeny přes ekonomizér s výměníkem tepla pro chlazení zdarma. Stejný princip platí pro přímé kontaktní kapalinové chlazení, které by mělo být v podstatě zdarma v každém objektu s jakoukoli smysluplnou velikostí komfortního chladicího zatížení.

V nedávné době převedla společnost IBM Zurich tento koncept do podoby plně produkčního superpočítače v Curychu (LRZ SuperMUC-NG) a paralelního projektu v Oak Ridge v Tennessee. Bruno Michel, manažer integrace inteligentních systémů v curyšských laboratořích, tvrdí, že produkční superpočítač je vlastně zařízením s negativními emisemi, protože veškeré ICT vybavení je napájeno obnovitelnou energií a vytápění a chlazení produkované datovým centrem pak představuje zamezení emisí. Teplotní profil jednotlivých kroků procesu na obrázku 1 se bude lišit v závislosti na situaci a požadavcích zákazníka. Například pro zajištění chlazení síťových a úložných zařízení během teplejšího počasí, kdy není k dispozici volné chlazení, a pro zajištění využitelné tepelné energie pro sítě dálkového vytápění během chladnějšího počasí pracuje datové centrum při teplotě 149˚F. Pro zajištění podlahového vytápění pro rezidenční zákazníky může klesnout na 131˚F a pro podporu volného chlazení v Oak Ridge budou pracovat při 113˚F. Absorpční chladicí jednotka Fahrenheit pracuje s teplotou pohonu 127˚F a dodává chladicí vodu o teplotě 68˚F do chladicích jednotek obsluhujících úložiště a síťová zařízení s celkovým chladicím výkonem 608 kW.

Projekt IBM závisí na průlomové inovaci při snižování tepelného odporu, což umožňuje vyšší teplotu vody v čipu, a tím i skutečné celkové zlepšení výkonu čipu. Nicméně kterékoli z různých řešení kapalinového chlazení s přímým kontaktem, která jsou dnes na trhu k dispozici, může přinést určitou významnou část výhod teplovodního chlazení. Všechna uvádějí vlastní tvrzení o tom, jak horká může být "chladicí" přívodní voda, aby se udržela odpovídající teplota čipu a dokonce se zlepšil výkon čipu oproti tradičnímu chlazení vzduchem. I když tyto teploty nemusí být dostatečně vysoké na to, aby přímo nahradily tradiční zdroje vytápění (kotle atd.) nebo poháněly absorpční chladicí jednotky, jsou stále dostatečně vysoké na to, aby výrazně snížily zdvih potřebný pro tepelná čerpadla, která toto teplo zvýší na užitečnou úroveň. Při teplotách kapalného chlazení by navíc neměly být potřeba chladicí jednotky ani mechanické chlazení. Příště se podíváme na některé kompromisy v oblasti investic a provozních nákladů spojené s využíváním výhod teplovodního chlazení a na některé větší společenské a infrastrukturní výzvy.