Opětovné využití tepelné energie datového centra: Chlazení horkou vodou

V této sérii zkoumáme různé způsoby, kterými se provozovatelé datových center snaží být odpovědnými globálními občany a zároveň zajistit dlouhodobou návratnost aktiv snížením jejich uhlíkové stopy prostřednictvím zachycování a opětovného využití tepelné energie produkované jejich ICT zařízeními. Jako začátek konverzace jsem si vzal říjen 2011 MIT Technology Review článek Neila Savage, „Skleníkový efekt: Pět nápadů pro opětovné využití odpadního tepla datových center“. Pět příkladů, které uvádí v tomto článku, ve skutečnosti představuje pět obecných strategií, a proto je považuji za užitečný odrazový můstek pro zkoumání vývoje v následujících devíti letech. Nápady byly:

Datové centrum Univerzity Notre Dame vytopilo skleník.

Datové centrum Syracuse University si vyrábělo vlastní elektřinu a v létě využívalo přebytečnou studenou vodu pro klimatizaci přilehlé kancelářské budovy a v zimě přebytečnou horkou vodu k vytápění.

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

Národní laboratoř Oak Ridge vyvinula mechanismus, který se připojil k mikroprocesoru a vyráběl elektřinu.

Datové centrum Telecity v Paříži poskytovalo teplo pro výzkumné experimenty o účincích klimatických změn. 

V první části jsme se zabývali variantami využití odpadního horkého vzduchu na univerzitě Notre Dame k údržbě přilehlého skleníku během zimy v severní Indianě. I když jsme pokryli několik různých příkladů opětovného použití horkého vzduchu, obecně nízká kvalita vzduchu 80-95˚F a požadavek, aby aplikace byla v podstatě přilehlá k datovému centru, představovaly rozumné překážky pro atraktivní návratnost investic. Při přezkoumání použití odpadního vzduchu o teplotě 80˚F z místnosti UPS ke snížení zdvihu ohřívače bloku generátoru na cílovou hodnotu 100˚F jsme zjistili, že by se mohlo stát dobrým příkladem toho, že efektivní postupy řízení proudění vzduchu umožňují, aby datové centrum fungovalo blíže horní doporučený limit ASHRAE by vedl k odpadnímu vzduchu, který by mohl zcela eliminovat potřebu ohřívačů bloku generátoru. Tento příklad se zabýval jak překážkami energetické třídy, tak sousedství. Jinak jsme zjistili, že nejúčinnější využití tepelné energie ze zpětného vzduchu z datových center se vyskytuje v severoevropských sítích dálkového vytápění a zjistili jsme, že více než 10 % tepelné energie ve Švédsku pochází z datových center. Lokální topné okruhy v té či oné podobě ve skutečnosti představují užitečný model pro efektivní opětovné využití energie datových center, jak uvidíme v následujících diskusích.

Vymyslel jsem „odpojení smyčky“ pro druhou kategorii opětovného využití energie v datových centrech, kde přívodní strana smyčky chlazené vody by mohla být připojena pro přídavné chlazení a vratná strana by mohla být připojena k vytápění nebo chlazení. V příkladu z University of Syracuse ze Savageova článku byl primárním zdrojem energie pro opětovné použití výfukové plyny z turbíny, které byly dostatečně horké, aby poháněly absorpční chladiče, aby poskytovaly klimatizaci budovy, která byla připojena k chlazení datového centra, nebo dostatečně horká, aby mohla jít. přes výměník tepla k vytápění budovy během zimy. Aktuálnější zářnou hvězdou pro „klepnutí na smyčku“ je projekt Westin-Amazon v Seattlu, který zahrnoval trochu přímočařejší inženýrství, ale mnohem více kreativity v celkovém řízení projektu, což vyžaduje spolupráci mezi různými vládními agenturami, veřejnými službami a korporacemi, které se vzájemně snaží. prospěšný vlastní zájem. Administrativní budovy Amazonu v podstatě představují ekvivalent „zákazníka“ místního vytápění pro Clise Properties (vlastníka hotelu Westin Carrier) a Clise Properties a McKinstry Engineering tvořily subjekt registrovaný jako schválená energetická společnost. Amazon se vyhne přibližně 80 milionům kW hodin nákladům na energii na vytápění a Clise Properties se vyhne nákladům na provoz odpařovacích věží a nákladům na výsledné ztráty vody. Zatímco model Westin-Amazon pro mě představuje dokonalý plán pro efektivní projekt opětovného využití energie v datovém centru, přezkoumání podobného projektu zrušeného na Massachusetts Institute of Technology odhalilo složitost pokusu nahnat všechny kočky do stáda. snahu, kterou opět uvidíme v tomto třetím díle série.

Třetí kategorie zpětného využití tepelné energie datového centra z MIT Technology Review je chlazení horkou vodou, které může těžit z obou prvních kategorií, ale je zvláště výhodné u kapalinového chlazení datových center (které v našem odvětví konečně získává smysluplnou trakci). Jak již bylo zmíněno, pokud se k usnadnění spouštění generátoru používá odpadní vzduch datového centra, zvýšení přiváděného vzduchu z 65˚F nebo 70˚F až na 78-80˚F vytvoří teplotu odváděného vzduchu dostatečně vysokou, aby se eliminovaly blokové ohřívače. Kromě toho v projektu Westin-Amazon by dobré provedení zadržování proudění vzduchu v datovém centru umožnilo dostatečně zvýšit dodávku vody datového centra do výměníku tepla pro veřejné sítě, aby se o 28 % snížil zdvih zařízení na rekuperaci tepla. V žádném z těchto případů nehovoříme o chlazení teplou nebo horkou vodou, ale i pohyb jehly tyto malé kroky mohou přinést významné výhody. Když začneme pracovat s horkou vodou, získáme energii odpadního tepla vyšší třídy a voda se pohybuje snadněji než vzduch.

Datové centrum IBM proof-of-concept v Curyšské výzkumné laboratoři využilo inovací v přímém kontaktním kapalinovém chlazení, kdy byla horká voda čerpána měděnými mikrokanály připojenými k počítačovým čipům. Zjistili, že 140˚F přiváděná voda udržovala teplotu čipu kolem 176˚F, bezpečně pod doporučeným maximem 185˚F. Toto chlazení horkou vodou vedlo k postprocesní „návratové“ teplotě 149˚F, což byla adekvátní tepelná energie pro vytápění i chlazení budovy prostřednictvím absorpčního chladiče, aniž by bylo nutné posilovat tepelná čerpadla. Kromě poskytování tepla pro přilehlou laboratoř poskytoval absorpční chladič chladicí kapacitu 49 kW při teplotě asi 70 °F. Zjednodušený přehled tohoto přístupu je znázorněn na obrázku 1 níže.

Obrázek 1: Zjednodušený tok opětovného využití energie pro chlazení kapalinou v datovém centru

Přibližně ve stejnou dobu, kdy byl ve Švýcarsku implementován experiment IBM proof of concept horkovodní kapalinové chlazení, eBay experimentoval s teplovodním chlazením ve Phoenixu v dobře propagovaném projektu Mercury. Projekt Mercury zahrnoval jednu část datového centra chlazenou smyčkou chlazené vody připojenou k chladičům a poté druhé datové centrum využívající vratnou vodu z kondenzátoru z prvního datového centra až do 87˚F k napájení výměníků tepla na zadních dveřích namontovaných v racku. Je zřejmé, že teploty překračovaly teploty vstupního vzduchu serveru doporučené ASHRAE, ale zůstaly v povoleném rozsahu třídy A2. Právě v rámci této operace Dean Nelson a jeho tým přišli s metrikou efektivity datového centra založenou na obchodním poslání, která spojuje náklady datového centra s prodejními transakcemi zákazníků, čímž vytváří onen iluzivní bod zlomu mezi efektivitou a efektivitou datového centra. V tomto případě byl „zákazník“ interní a odpadní teplo nebylo využíváno jako zdroj tepelné energie, ale jako zdroj chlazení.

Model Project Mercury ve skutečnosti nabízí vizi nízkorizikového chlazení teplou vodou, které by mohlo být dostupné mnoha datovým centrům, aniž by bylo nutné přejít na nějakou formu přímého kontaktního chlazení kapalinou. Například datová centra využívající výměníky tepla v zadních dveřích mohou pracovat s výstupními teplotami severně od 65˚F, což snadno překročí vratnou teplotu smyčky vratné vody pro komfortní chlazení budovy. Napouštění do vratné vody je v podstatě volné chlazení a pak během ročního období, kdy klimatizace v budově nemusí nepřetržitě fungovat (nebo vůbec, moji přátelé v Minnesotě), lze výměníky tepla zadních dveří napájet přes výměník tepla s volným chlazením ekonomizér. Stejný princip platí pro přímé kontaktní kapalinové chlazení, které by mělo být v podstatě volné pro provoz v jakémkoli zařízení s jakýmkoli smysluplným komfortním chladicím zatížením.

Nedávno společnost IBM Zurich převedla proof-of-concept do plně produkčního superpočítače v Curychu (LRZ SuperMUC-NG) s paralelním projektem v Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, manažer inteligentní systémové integrace v laboratořích v Curychu, tvrdí, že produkční superpočítač je ve skutečnosti zařízení s negativními emisemi, protože všechna zařízení ICT jsou poháněna obnovitelnými zdroji energie a vytápění a chlazení produkované datovým centrem představuje zamezení emisím. Teplotní profil různých kroků v procesu na obrázku 1 se bude lišit v závislosti na situaci a požadavcích zákazníka. Například pro zajištění chlazení sítě a úložného zařízení během teplejšího počasí, kdy není k dispozici volné chlazení a pro poskytování využitelné tepelné energie sítím dálkového vytápění během chladnějšího počasí, běží datové centrum při 149˚F. Aby bylo zajištěno podlahové vytápění pro rezidenční zákazníky, může klesnout až na 131˚F a pro podporu volného chlazení v Oak Ridge budou fungovat při 113˚F. Absorpční chladič Fahrenheit pracuje s teplotou pohonu 127 °F a dodává chlazenou vodu o teplotě 68 °F do chladicích jednotek sloužících skladovacím a síťovým zařízením s celkovou chladicí kapacitou 608 kW.

Projekt IBM závisí na průlomové inovaci ve snižování tepelného odporu, což umožňuje vyšší teplotu vody na čipu, což vede ke skutečnému celkovému zlepšení výkonu čipu. Nicméně jakékoli z různých řešení přímého kontaktu kapalinového chlazení dostupných na dnešním trhu může poskytnout významnou část výhod chlazení horkou vodou. Všichni uvádějí svá vlastní tvrzení o tom, jak horká může být „chlazení“ dodávaná voda pro udržení adekvátních teplot čipu a dokonce zlepšení výkonu čipu oproti tradičnímu chlazení vzduchem. I když tyto teploty nemusí být dostatečně vysoké, aby přímo nahradily tradiční zdroje vytápění (kotle atd.) nebo poháněly absorpční chladiče, jsou stále dostatečně vysoké na to, aby dramaticky snížily zdvih potřebný pro tepelná čerpadla ke zvýšení tohoto tepla na užitečnou úroveň. Kromě toho při teplotách kapalinového chlazení by neměly být potřeba chladiče nebo mechanické chlazení. Příště se podíváme na některé kompromisy mezi investičními a provozními náklady spojenými s využíváním výhod chlazení horkou vodou a některými většími společenskými a infrastrukturními problémy.