Wiederverwendung von Wärmeenergie im Rechenzentrum: Warmwasserkühlung

In dieser Reihe untersuchen wir die verschiedenen Möglichkeiten, mit denen Rechenzentrumsbetreiber versuchen, verantwortungsbewusste Weltbürger zu sein und gleichzeitig eine langfristige Kapitalrendite sicherzustellen, indem sie ihren CO2011-Fußabdruck durch die Erfassung und Wiederverwendung der von ihren IKT-Geräten erzeugten Wärmeenergie reduzieren. Als Gesprächseinstieg habe ich den Oktober XNUMX genommen MIT Technology Review Artikel von Neil Savage, „Treibhauseffekt: Fünf Ideen für die Wiederverwendung der Abwärme von Rechenzentren.“ Die fünf Beispiele, die er in diesem Artikel anführt, stellen tatsächlich fünf allgemeine Strategien dar und daher halte ich sie für einen nützlichen Ausgangspunkt für die Untersuchung der Entwicklungen in den folgenden neun Jahren. Die Ideen waren:

Das Rechenzentrum der Universität Notre Dame beheizt ein Gewächshaus.

Ein Rechenzentrum der Syracuse University produzierte seinen eigenen Strom und nutzte im Sommer überschüssiges Kaltwasser zur Klimatisierung eines angrenzenden Bürogebäudes und im Winter überschüssiges Warmwasser zum Heizen

Ein IBM-Forschungsrechenzentrum in Zürich nutzte Warmwasser-Flüssigkeitskühlung und nutzte das wärmere „Rücklaufwasser“ zum Heizen eines angrenzenden Labors.

Das Oak Ridge National Laboratory entwickelte einen Mechanismus, der an einen Mikroprozessor angeschlossen war und Strom erzeugte.

Ein Telecity-Rechenzentrum in Paris lieferte Wärme für Forschungsexperimente zu den Auswirkungen des Klimawandels. 

Im ersten Teil haben wir uns Variationen der Nutzung der Abluft von Rechenzentren durch die Notre Dame University angesehen, um ein angrenzendes Gewächshaus während der Winter im Norden Indianas zu unterhalten. Wir haben zwar mehrere verschiedene Beispielfälle für die Wiederverwendung von Heißluft behandelt, doch im Allgemeinen stellten die niedrige Energiequalität von 80–95˚F warmer Luft und die Anforderung, dass die Anwendung im Wesentlichen an das Rechenzentrum angrenzen muss, erhebliche Hindernisse für einen attraktiven ROI dar. Bei der Prüfung der Verwendung von 80 °F warmer Abluft aus einem USV-Raum zur Reduzierung des Auftriebs auf den 100 °F-Zielwert der Generatorblockheizungen kamen wir zu dem Schluss, dass ein gutes Argument dafür angeführt werden kann, dass ein effektives Luftstrommanagement es einem Rechenzentrum ermöglicht, näher daran zu arbeiten Die von ASHRAE empfohlene Obergrenze würde zu Abluft führen, die den Bedarf an Generatorblockheizungen gänzlich überflüssig machen könnte. In diesem Beispiel wurden sowohl die Energiequalitäts- als auch die Nachbarschaftshindernisse angesprochen. Ansonsten haben wir herausgefunden, dass die effektivste Nutzung der Wärmeenergie aus der Abluft von Rechenzentren in nordeuropäischen lokalen Fernwärmenetzen erfolgt und dass über 10 % der schwedischen Heizenergie aus Rechenzentren stammen. Tatsächlich stellen Nahwärmenetze in der einen oder anderen Form ein nützliches Modell für die effektive Wiederverwendung von Energie in Rechenzentren dar, wie wir in den folgenden Diskussionen sehen werden.

Ich habe „Tapping the Loop“ für die zweite Kategorie der Energiewiederverwendung im Rechenzentrum geprägt, wobei die Vorlaufseite des Kaltwasserkreislaufs für die Zusatzkühlung und die Rücklaufseite entweder für Heizung oder Kühlung angezapft werden könnte. Im Beispiel der University of Syracuse aus Savages Artikel war die primäre Energiequelle für die Wiederverwendung Turbinenabgase, die heiß genug waren, um Absorptionskältemaschinen anzutreiben, die für die Klimatisierung des Gebäudes sorgten, die zur Kühlung des Rechenzentrums genutzt wurden, oder heiß genug, um zu funktionieren über einen Wärmetauscher, um das Gebäude im Winter zu heizen. Ein aktuellerer leuchtender Stern für das „Anzapfen des Kreislaufs“ ist das Westin-Amazon-Projekt in Seattle, das eine etwas einfachere Technik, aber viel mehr Kreativität im gesamten Projektmanagement erforderte und die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Regierungsbehörden, öffentlichen Versorgungsunternehmen und Unternehmen erforderte, die gemeinsame Ziele verfolgten vorteilhaftes Eigeninteresse. Im Wesentlichen stellen die Amazon-Bürogebäude das Äquivalent eines Nahwärme-Fernwärme-„Kunden“ für Clise Properties (den Eigentümer des Westin Carrier Hotels) dar, und Clise Properties und McKinstry Engineering haben eine als zugelassenes Versorgungsunternehmen registrierte Einheit gegründet. Amazon wird etwa 80 Millionen Kilowattstunden an Heizenergiekosten einsparen und Clise Properties wird die Kosten für den Betrieb von Verdunstungstürmen und die Kosten für den daraus resultierenden Wasserverlust vermeiden. Während das Westin-Amazon-Modell für mich die perfekte Blaupause für ein effektives Energiewiederverwendungsprojekt im Rechenzentrum darstellt, hat eine Überprüfung eines ähnlichen Projekts, das am Massachusetts Institute of Technology abgesagt wurde, gezeigt, wie komplex der Versuch ist, alle Katzen dafür zusammenzutreiben Ein Unterfangen, das wir in diesem dritten Teil der Serie noch einmal sehen werden.

Die dritte Kategorie der Wiederverwendung von Wärmeenergie im Rechenzentrum MIT Technology Review ist die Warmwasserkühlung, die jeder der ersten beiden Kategorien zugute kommen kann, besonders aber bei der Flüssigkeitskühlung von Rechenzentren von Vorteil ist (die in unserer Branche endlich an Bedeutung gewinnt). Wie bereits erwähnt, führt die Erhöhung der Zulufttemperatur von 65 °F oder 70 °F auf 78–80 °F zu einer Rücklufttemperatur, die hoch genug ist, um Blockheizungen überflüssig zu machen, wenn die Abluft eines Rechenzentrums zum Starten von Generatoren verwendet wird. Darüber hinaus könnte im Westin-Amazon-Projekt eine gute Luftstromeindämmung im Rechenzentrum dazu führen, dass die Wasserversorgung des Rechenzentrums zum Versorgungswärmetauscher ausreichend erhöht wird, um den Hub der Wärmerückgewinnungsanlage um 28 % zu reduzieren. In keinem dieser Fälle geht es um die Kühlung mit warmem oder heißem Wasser, aber selbst wenn man die Nadel bewegt, können diese kleinen Schritte erhebliche Vorteile bringen. Wenn wir anfangen, mit heißem Wasser zu arbeiten, erhalten wir hochwertigere Abwärmeenergie und Wasser lässt sich leichter bewegen als Luft.

Das IBM Proof-of-Concept-Rechenzentrum im Forschungslabor Zürich nutzte Innovationen in der Direktkontakt-Flüssigkeitskühlung, bei der heißes Wasser durch Kupfermikrokanäle gepumpt wurde, die an Computerchips angebracht waren. Sie fanden heraus, dass das Versorgungswasser mit einer Temperatur von 140 °F die Chiptemperaturen bei rund 176 °F hielt und damit deutlich unter dem empfohlenen Maximum von 185 °F lag. Diese Warmwasserkühlung führte zu einer Nachprozess-Rücklauftemperatur von 149 °F, was eine ausreichende Wärmeenergie sowohl für die Gebäudeheizung als auch für die Kühlung durch einen Absorptionskühler darstellte, ohne dass eine Verstärkung durch Wärmepumpen erforderlich war. Zusätzlich zur Wärmeversorgung eines angrenzenden Labors lieferte die Absorptionskältemaschine eine Kühlleistung von 49 kW bei etwa 70 °F. Eine vereinfachte Übersicht über diesen Ansatz ist in Abbildung 1 unten dargestellt.

Abbildung 1: Vereinfachter Ablauf der Wiederverwendung von Flüssigkeitskühlungsenergie im Rechenzentrum

Ungefähr zur gleichen Zeit, als das IBM-Proof-of-Concept-Experiment zur Warmwasser-Flüssigkeitskühlung in der Schweiz umgesetzt wurde, experimentierte eBay in Phoenix im Rahmen des vielbeachteten Mercury-Projekts mit Warmwasserkühlung. Das Mercury-Projekt umfasste einen Teil des Rechenzentrums, der durch einen Kühlwasserkreislauf gekühlt wurde, der mit Kältemaschinen verbunden war, und dann ein zweites Rechenzentrum, das Kondensatorrücklaufwasser vom ersten Rechenzentrum mit einer Temperatur von bis zu 87 °F nutzte, um Rack-Wärmetauscher an der Hintertür zu versorgen. Offensichtlich überstiegen die Temperaturen die von ASHRAE empfohlenen Server-Einlasslufttemperaturen, blieben aber innerhalb des zulässigen Bereichs der Klasse A2. Im Rahmen dieser Operation entwickelten Dean Nelson und sein Team eine auf Geschäftsmissionen basierende Kennzahl für die Rechenzentrumseffizienz, die die Rechenzentrumskosten mit Kundenverkaufstransaktionen verknüpfte und so den illusorischen Wendepunkt zwischen Rechenzentrumseffizienz und -effektivität formte. In diesem Fall war der „Kunde“ intern und die Abwärme wurde nicht als Wärmeenergiequelle, sondern als Kältequelle genutzt.

Das Projekt-Mercury-Modell bietet tatsächlich eine Vision für eine Warmwasserkühlung mit geringem Risiko, die vielen Rechenzentren zur Verfügung stehen könnte, ohne dass auf irgendeine Form der Direktkontakt-Flüssigkeitskühlung umgestellt werden muss. Beispielsweise können Rechenzentren, die Hintertür-Wärmetauscher verwenden, mit Vorlauftemperaturen über 65 °F betrieben werden, was leicht über der Rücklauftemperatur eines Rücklaufwasserkreislaufs für die Komfortkühlung eines Gebäudes liegt. Die Anzapfung des Rücklaufwassers ist im Wesentlichen eine freie Kühlung, und während der Jahreszeit, in der die Klimaanlage des Gebäudes möglicherweise nicht kontinuierlich läuft (oder überhaupt nicht, meine Freunde in Minnesota), können die Wärmetauscher an der Hintertür über einen Wärmetauscher mit freier Kühlung versorgt werden Ökonom. Dasselbe Prinzip gilt für die Direktkontakt-Flüssigkeitskühlung, die grundsätzlich in jeder Einrichtung mit einer ausreichend großen Komfortkühllast betrieben werden kann.

In jüngerer Zeit hat IBM Zürich den Proof-of-Concept in einen voll serienmäßigen Supercomputer in Zürich (LRZ SuperMUC-NG) umgesetzt, mit einem Parallelprojekt in Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, Manager für Smart System Integration in den Zürcher Labors, behauptet, dass der Produktions-Supercomputer tatsächlich eine Anlage mit negativen Emissionen sei, da die gesamte IKT-Ausrüstung mit erneuerbarer Energie betrieben werde und die vom Rechenzentrum erzeugte Wärme und Kühlung eine Emissionsvermeidung darstelle. Das Temperaturprofil der verschiedenen Schritte im Prozess in Abbildung 1 variiert je nach Kundensituation und Anforderungen. Um beispielsweise das Netzwerk und die Speicherausrüstung bei wärmerem Wetter zu kühlen, wenn keine freie Kühlung verfügbar ist, und um bei kühlerem Wetter nutzbare Wärmeenergie für Fernwärmenetze bereitzustellen, wird das Rechenzentrum mit 149 °F betrieben. Um Wohnkunden mit Fußbodenheizung zu versorgen, kann die Temperatur auf 131 °F abgesenkt werden, und um die freie Kühlung in Oak Ridge zu unterstützen, werden sie bei 113 °F betrieben. Der Fahrenheit-Absorptionskühler arbeitet mit einer Antriebstemperatur von 127 °F, um 68 °F kaltes Wasser an die Kühleinheiten zu liefern, die Lager- und Netzwerkgeräte versorgen, mit einer Gesamtkühlleistung von 608 kW.

Das IBM-Projekt basiert auf bahnbrechenden Innovationen zur Reduzierung des Wärmewiderstands, die eine höhere Wassertemperatur am Chip ermöglichen und so zu einer tatsächlichen Verbesserung der Gesamtleistung des Chips führen. Dennoch kann jede der verschiedenen Direktkontakt-Flüssigkeitskühlungslösungen, die heute auf dem Markt erhältlich sind, einen erheblichen Teil der Vorteile der Warmwasserkühlung bieten. Sie alle stellen ihre eigenen Behauptungen darüber auf, wie heiß das „kühlende“ Versorgungswasser sein kann, um angemessene Chiptemperaturen aufrechtzuerhalten und sogar die Chipleistung gegenüber herkömmlicher Luftkühlung zu verbessern. Auch wenn diese Temperaturen möglicherweise nicht hoch genug sind, um herkömmliche Heizquellen (Kessel usw.) direkt zu ersetzen oder Absorptionskältemaschinen anzutreiben, sind sie dennoch hoch genug, um den von Wärmepumpen benötigten Hub drastisch zu reduzieren, um diese Wärme auf ein nutzbares Niveau zu bringen. Darüber hinaus sollte bei Flüssigkeitskühlungstemperaturen kein Bedarf an Kältemaschinen oder mechanischer Kühlung bestehen. Beim nächsten Mal werden wir uns einige der Investitions- und Betriebskosten-Kompromisse ansehen, die mit der Nutzung der Vorteile der Warmwasserkühlung und einigen der größeren gesellschaftlichen und infrastrukturellen Herausforderungen verbunden sind.