Reutilización de energía térmica del centro de datos: refrigeración por agua caliente

En esta serie, exploramos las diferentes formas en que los operadores de centros de datos intentan ser ciudadanos globales responsables y, al mismo tiempo, garantizan el retorno de los activos a largo plazo al reducir su huella de carbono mediante la captura y reutilización de la energía térmica producida por sus equipos de TIC. Tomé como inicio de conversación un mes de octubre de 2011. MIT Technology Review artículo de Neil Savage, "Efecto invernadero: cinco ideas para reutilizar el calor residual de los centros de datos". Los cinco ejemplos que cita en este artículo representan en realidad cinco estrategias generales y, por lo tanto, los considero un punto de partida útil para explorar la evolución de los próximos nueve años. Las ideas fueron:

El centro de datos de la Universidad de Notre Dame calentó un invernadero.

Un centro de datos de la Universidad de Syracuse producía su propia electricidad y utilizaba el exceso de agua fría para climatizar un edificio de oficinas adyacente en verano y el exceso de agua caliente para calentarlo durante el invierno.

Un centro de datos de investigación de IBM en Zurich utilizó refrigeración líquida con agua tibia y utilizó agua de “retorno” más cálida para calentar un laboratorio adyacente.

El Laboratorio Nacional de Oak Ridge desarrolló un mecanismo que se fijaba a un microprocesador y producía electricidad.

Un centro de datos de Telecity en París proporcionó calor para experimentos de investigación sobre los efectos del cambio climático. 

En la primera parte, analizamos las variaciones en el uso del aire caliente residual del centro de datos de la Universidad de Notre Dame para mantener un invernadero adyacente durante los inviernos del norte de Indiana. Si bien cubrimos varios casos de ejemplo diferentes de reutilización de aire caliente, en general la baja energía del aire a 80-95˚F y el requisito de que la aplicación sea esencialmente adyacente al centro de datos presentaron obstáculos razonables para un retorno de la inversión atractivo. Al revisar el uso de aire residual a 80˚F de una sala de UPS para reducir la elevación del objetivo de 100˚F de los calentadores del bloque del generador, determinamos que se podría argumentar que las prácticas efectivas de gestión del flujo de aire que permiten que un centro de datos opere más cerca de El límite superior recomendado por ASHRAE daría como resultado un desperdicio de aire que podría eliminar por completo la necesidad de calentadores de bloque de generador. Este ejemplo abordó los obstáculos tanto del grado energético como de la adyacencia. Por lo demás, descubrimos que los usos más efectivos de la energía térmica del aire de retorno de los centros de datos se produjeron en las redes de calefacción urbana local del norte de Europa y descubrimos que más del 10% de la energía de calefacción de Suecia proviene de los centros de datos. De hecho, los distritos de calefacción local de una forma u otra representan un modelo útil para la reutilización efectiva de la energía de los centros de datos, como veremos en discusiones posteriores.

Acuñé "aprovechar el circuito" para la segunda categoría de reutilización de energía del centro de datos, en la que el lado de suministro del circuito de agua enfriada podría aprovecharse para refrigeración auxiliar y el lado de retorno podría aprovecharse para calefacción o refrigeración. En el ejemplo del artículo de Savage de la Universidad de Syracuse, la principal fuente de energía para la reutilización era el escape de la turbina, que estaba lo suficientemente caliente como para accionar los enfriadores de absorción para proporcionar aire acondicionado al edificio, que se aprovechaba para enfriar el centro de datos, o lo suficientemente caliente como para funcionar. a través de un intercambiador de calor para calentar el edificio durante el invierno. Una estrella brillante más actual para “aprovechar el circuito” es el proyecto Westin-Amazon en Seattle, que implicó una ingeniería un poco más sencilla pero mucha más creatividad en la gestión general del proyecto, lo que requirió la colaboración entre varias agencias gubernamentales, servicios públicos y corporaciones que buscaban objetivos mutuos. interés propio beneficioso. Esencialmente, los edificios de oficinas de Amazon representan el equivalente de un “cliente” de distrito de calefacción local para Clise Properties (el propietario del hotel Westin Carrier), y Clise Properties y McKinstry Engineering formaron una entidad registrada como una empresa de servicios públicos aprobada. Amazon evitará unos 80 millones de kWh de costos de energía de calefacción y Clise Properties evitará los gastos de funcionamiento de las torres de evaporación y los gastos de la pérdida de agua resultante. Si bien para mí el modelo Westin-Amazon representa el modelo perfecto para un proyecto eficaz de reutilización de energía en un centro de datos, una revisión de un proyecto similar cancelado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts reveló las complejidades de tratar de reunir a todos los gatos para tal un esfuerzo, que volveremos a ver en esta tercera parte de la serie.

La tercera categoría de reutilización de energía térmica del centro de datos procedente del MIT Technology Review es la refrigeración por agua caliente, que puede beneficiar a cualquiera de las dos primeras categorías, pero es particularmente beneficiosa con la refrigeración líquida del centro de datos (que finalmente está ganando una tracción significativa en nuestra industria). Como se mencionó anteriormente, si se utiliza el aire residual del centro de datos para facilitar el arranque de los generadores, elevar el aire de suministro de 65 ˚F o 70 ˚F a 78-80 ˚F producirá una temperatura del aire de retorno lo suficientemente alta como para eliminar los calentadores de bloque. Además, en el proyecto Westin-Amazon, una buena ejecución de contención del flujo de aire del centro de datos podría permitir que el suministro de agua del centro de datos al intercambiador de calor de la empresa de servicios públicos aumente lo suficiente como para reducir la elevación de la planta de recuperación de calor en un 28 %. En ninguno de estos casos hablamos de enfriar con agua tibia o caliente, pero incluso moviendo la aguja estos pequeños pasos pueden producir importantes beneficios. Cuando empezamos a trabajar con agua caliente, obtenemos energía térmica residual de mayor calidad y el agua es más fácil de transportar que el aire.

El centro de datos de prueba de concepto de IBM en el Laboratorio de Investigación de Zurich aprovechó las innovaciones en refrigeración líquida por contacto directo mediante el cual se bombeaba agua caliente a través de microcanales de cobre conectados a chips de computadora. Descubrieron que el suministro de agua a 140 °F mantenía la temperatura de las astillas alrededor de 176 °F, con seguridad por debajo del máximo recomendado de 185 °F. Este enfriamiento con agua caliente dio como resultado una temperatura de “retorno” posterior al proceso de 149 °F, que era una energía térmica de grado adecuado tanto para calefacción como para enfriamiento de edificios a través de un enfriador de absorción, sin requerir el impulso de bombas de calor. Además de proporcionar calor para un laboratorio adyacente, el enfriador de absorción proporcionó 49 kW de capacidad de enfriamiento a aproximadamente 70 °F. En la Figura 1 a continuación se ilustra una descripción general simplificada de este enfoque.

Figura 1: Flujo simplificado de reutilización de energía de refrigeración líquida del centro de datos

Casi al mismo tiempo que la prueba conceptual de refrigeración líquida con agua caliente de IBM se estaba implementando en Suiza, eBay estaba experimentando con refrigeración por agua caliente en Phoenix en el muy publicitado Proyecto Mercury. El Proyecto Mercury involucró una parte del centro de datos enfriado por un circuito de agua enfriada conectado a enfriadores y luego un segundo centro de datos que utilizaba agua de retorno del condensador del primer centro de datos hasta 87°F para suministrar intercambiadores de calor de puerta trasera montados en bastidor. Obviamente, las temperaturas excedieron las temperaturas del aire de entrada del servidor recomendadas por ASHRAE, pero se mantuvieron dentro del rango permitido de Clase A2. Fue dentro de esta operación que Dean Nelson y su equipo idearon una métrica de eficiencia del centro de datos basada en la misión empresarial que vincula los costos del centro de datos con las transacciones de ventas de los clientes, dando así forma a ese punto de inflexión ilusorio entre la eficiencia y la eficacia del centro de datos. En este caso, el “cliente” era interno y el calor residual no se utilizaba como fuente de energía térmica sino como fuente de refrigeración.

De hecho, el modelo del Proyecto Mercurio ofrece una visión de refrigeración por agua caliente de bajo riesgo que podría estar disponible para muchos centros de datos sin tener que hacer la transición a alguna forma de refrigeración líquida por contacto directo. Por ejemplo, los centros de datos que utilizan intercambiadores de calor de puerta trasera pueden funcionar con temperaturas de suministro superiores a los 65 °F, lo que supera fácilmente la temperatura de retorno de un circuito de agua de retorno de refrigeración de confort de un edificio. Aprovechar el agua de retorno es esencialmente enfriamiento gratuito y luego, durante la época del año en la que el aire acondicionado del edificio puede no funcionar continuamente (o en absoluto, amigos míos en Minnesota), los intercambiadores de calor de la puerta trasera se pueden suministrar a través de un intercambiador de calor de enfriamiento gratuito. economizador. El mismo principio se aplica a la refrigeración líquida por contacto directo, que debería poder funcionar esencialmente en cualquier instalación con cualquier carga de refrigeración confortable de tamaño significativo.

Más recientemente, IBM Zurich ha traducido la prueba de concepto en una supercomputadora de producción completa en Zurich (LRZ SuperMUC-NG), con un proyecto paralelo en Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, gerente de integración de sistemas inteligentes en los laboratorios de Zurich, afirma que la supercomputadora de producción es en realidad una instalación de emisiones negativas porque todos los equipos de TIC funcionan con energía renovable y luego la calefacción y la refrigeración producidas por el centro de datos evitan las emisiones. El perfil de temperatura de los diferentes pasos del proceso de la Figura 1 variará según la situación y los requisitos del cliente. Por ejemplo, para proporcionar refrigeración a la red y al equipo de almacenamiento durante un clima más cálido cuando no hay refrigeración gratuita disponible y para proporcionar energía térmica utilizable a las redes de calefacción urbana durante un clima más frío, el centro de datos funciona a 149˚F. Para proporcionar calefacción por suelo radiante a clientes residenciales, puede bajar a 131 ˚F y para respaldar el enfriamiento gratuito en Oak Ridge, funcionarán a 113 ˚F. El enfriador de absorción Fahrenheit funciona con una temperatura de accionamiento de 127 ˚F para entregar agua enfriada a 68 ˚F a las unidades de enfriamiento que sirven a los equipos de red y almacenamiento, con una capacidad de enfriamiento total de 608 kW.

El proyecto de IBM depende de una innovación revolucionaria para reducir la resistencia térmica, permitiendo así una mayor temperatura del agua en el chip, lo que resulta en una mejora real del rendimiento general del chip. Sin embargo, cualquiera de las diversas soluciones de refrigeración líquida por contacto directo disponibles en el mercado hoy en día puede ofrecer una parte importante de los beneficios de la refrigeración por agua caliente. Todos hacen sus propias afirmaciones sobre qué tan caliente puede estar el agua de suministro de "refrigeración" para mantener temperaturas adecuadas de los chips e incluso mejorar el rendimiento de los chips en comparación con el enfriamiento por aire tradicional. Incluso cuando estas temperaturas pueden no ser lo suficientemente altas como para reemplazar directamente las fuentes de calefacción tradicionales (calderas, etc.) o accionar enfriadores de absorción, siguen siendo lo suficientemente altas como para reducir drásticamente la elevación requerida en las bombas de calor para elevar ese calor a un nivel útil. Además, a temperaturas de refrigeración líquida, no debería haber necesidad de enfriadores ni refrigeración mecánica. La próxima vez analizaremos algunas de las compensaciones de costos operativos y de inversión asociadas con la obtención de los beneficios del enfriamiento por agua caliente y algunos de los desafíos sociales y de infraestructura más importantes.