W tej serii badamy różne sposoby, w jakie operatorzy centrów danych starają się być odpowiedzialnymi obywatelami świata, zapewniając jednocześnie długoterminowy zwrot z aktywów, zmniejszając swój ślad węglowy poprzez przechwytywanie i ponowne wykorzystanie energii cieplnej wytwarzanej przez ich sprzęt ICT. Jako punkt wyjścia do rozmowy wybrałem artykuł z października 2011 r. MIT Technology Review artykuł Neila Savage, "Efekt cieplarniany: Five Ideas for Re-using Data Centers' Waste Heat". Pięć przykładów, które przytacza w tym artykule, w rzeczywistości reprezentuje pięć ogólnych strategii i dlatego uważam je za użyteczny punkt wyjścia do zbadania rozwoju sytuacji w ciągu kolejnych dziewięciu lat. Pomysły te to:
Centrum danych Uniwersytetu Notre Dame ogrzewało szklarnię.
Centrum danych Uniwersytetu Syracuse produkowało własną energię elektryczną i wykorzystywało nadmiar zimnej wody do klimatyzacji sąsiedniego budynku biurowego w lecie oraz nadmiar gorącej wody do ogrzewania go w zimie.
W centrum badawczym IBM w Zurychu zastosowano chłodzenie cieczą z ciepłą wodą i wykorzystano cieplejszą wodę "powrotną" do ogrzewania sąsiedniego laboratorium.
Oak Ridge National Laboratory opracowało mechanizm, który przylegał do mikroprocesora i produkował prąd.
Centrum danych Telecity w Paryżu dostarczało ciepło do eksperymentów badawczych nad skutkami zmian klimatu.
W części pierwszej przyjrzeliśmy się wariantom wykorzystania przez Uniwersytet Notre Dame zużytego gorącego powietrza z centrum danych do utrzymania przyległej szklarni w czasie zim w północnej Indianie. Omówiliśmy kilka różnych przykładów ponownego wykorzystania gorącego powietrza, ale ogólnie rzecz biorąc, niska klasa energetyczna powietrza o temperaturze 80-95˚F i wymóg, aby aplikacja była zasadniczo przyległa do centrum danych, stanowiły rozsądne przeszkody dla atrakcyjnego ROI. Analizując wykorzystanie zużytego powietrza o temperaturze 80˚F z pomieszczenia UPS w celu zmniejszenia obciążenia nagrzewnic blokowych generatora o docelowej temperaturze 100˚F, stwierdziliśmy, że można przedstawić dobry argument, że skuteczne praktyki zarządzania przepływem powietrza pozwalające centrum danych działać bliżej górnego zalecanego limitu ASHRAE pozwoliłyby uzyskać zużyte powietrze, które mogłoby całkowicie wyeliminować potrzebę stosowania nagrzewnic blokowych generatora. Ten przykład rozwiązuje zarówno problem klasy energetycznej, jak i przeszkód związanych z sąsiedztwem. W przeciwnym razie stwierdziliśmy, że najbardziej efektywne wykorzystanie energii cieplnej z powietrza powrotnego centrów danych występuje w północnoeuropejskich lokalnych sieciach ciepłowniczych i odkryliśmy, że ponad 10% energii cieplnej w Szwecji pochodzi z centrów danych. W rzeczywistości lokalne sieci ciepłownicze w takiej czy innej formie stanowią użyteczny model efektywnego ponownego wykorzystania energii z centrów danych, o czym przekonamy się w dalszej części dyskusji.
Ukucie pętli oznacza drugą kategorię ponownego wykorzystania energii w centrum danych, gdzie strona zasilania pętli wody lodowej może być wykorzystana do dodatkowego chłodzenia, a strona powrotna może być wykorzystana do ogrzewania lub chłodzenia. W przykładzie Uniwersytetu w Syracuse z artykułu Savage'a, podstawowym źródłem energii do ponownego wykorzystania były spaliny z turbiny, które były wystarczająco gorące, aby napędzać chillery absorpcyjne w celu zapewnienia klimatyzacji budynku, która była wykorzystywana do chłodzenia centrum danych, lub wystarczająco gorące, aby przejść przez wymiennik ciepła w celu ogrzania budynku w zimie. Bardziej aktualnym przykładem "wykorzystania pętli" jest projekt Westin-Amazon w Seattle, który wymagał nieco bardziej prostej inżynierii, ale znacznie większej kreatywności w ogólnym zarządzaniu projektem, co wymagało współpracy pomiędzy różnymi agencjami rządowymi, przedsiębiorstwami użyteczności publicznej i korporacjami dążącymi do osiągnięcia wzajemnie korzystnych interesów. Zasadniczo biurowce Amazona stanowią odpowiednik "klienta" lokalnej dzielnicy ciepłowniczej dla Clise Properties (właściciela hotelu Westin Carrier), a Clise Properties i McKinstry Engineering utworzyły podmiot zarejestrowany jako zatwierdzona firma użyteczności publicznej. Amazon uniknie około 80 milionów kW godzin kosztów energii cieplnej, a Clise Properties uniknie wydatków na wieże odparowujące i kosztów związanych z utratą wody. Podczas gdy model Westin-Amazon stanowi dla mnie idealny wzór efektywnego projektu ponownego wykorzystania energii w centrum danych, przegląd podobnego projektu anulowanego w Massachusetts Institute of Technology ujawnił złożoność próby zebrania wszystkich kotów dla takiego przedsięwzięcia, co zobaczymy ponownie w trzeciej części serii.
Trzecia kategoria ponownego wykorzystania energii cieplnej w centrum danych z MIT Technology Review to chłodzenie gorącą wodą, które może być korzystne dla każdej z dwóch pierwszych kategorii, ale jest szczególnie korzystne w przypadku chłodzenia cieczą w centrach danych (które w końcu zyskuje znaczącą pozycję w naszej branży). Jak już wspomniano, jeśli zużyte powietrze w centrum danych jest wykorzystywane do ułatwienia rozruchu generatora, podniesienie temperatury powietrza nawiewanego z 65˚F lub 70˚F do 78-80˚F pozwoli uzyskać temperaturę powietrza powrotnego wystarczająco wysoką, aby wyeliminować grzejniki blokowe. Co więcej, w projekcie Westin-Amazon, dobre wykonanie powstrzymania przepływu powietrza w centrum danych może pozwolić na zwiększenie ilości wody dostarczanej do wymiennika ciepła w centrum danych na tyle, aby zredukować podnoszenie instalacji odzysku ciepła o 28%. W żadnym z tych przypadków nie mówimy o chłodzeniu ciepłą lub gorącą wodą, ale nawet przesuwając igłę te małe kroki mogą przynieść znaczące korzyści. Kiedy zaczynamy pracować z ciepłą wodą, otrzymujemy energię cieplną odpadową wyższej klasy, a woda jest łatwiejsza do poruszania się niż powietrze.
W centrum danych proof-of-concept firmy IBM w Laboratorium Badawczym w Zurychu wykorzystano innowacje w dziedzinie bezpośredniego chłodzenia cieczą, w którym gorąca woda była pompowana przez miedziane mikrokanały przymocowane do chipów komputerowych. Stwierdzono, że woda zasilająca o temperaturze 140˚F utrzymywała temperaturę chipów na poziomie około 176˚F, czyli bezpiecznie poniżej zalecanego maksymalnego poziomu 185˚F. W wyniku chłodzenia gorącą wodą temperatura "powrotu" po procesie wynosiła 149˚F, co stanowiło odpowiednią klasę energii cieplnej zarówno dla ogrzewania budynku, jak i chłodzenia za pomocą chłodziarki absorpcyjnej, bez konieczności wspomagania pompami ciepła. Oprócz dostarczania ciepła do sąsiedniego laboratorium, chłodziarka absorpcyjna zapewniała 49 kW mocy chłodniczej przy temperaturze około 70˚F. Uproszczony przegląd tego podejścia przedstawiono na rysunku 1 poniżej.
Rysunek 1: Uproszczony przebieg procesu ponownego wykorzystania energii z chłodzenia cieczą w centrum danych
Mniej więcej w tym samym czasie, gdy w Szwajcarii wdrażano eksperymentalne rozwiązanie IBM polegające na chłodzeniu gorącą wodą z cieczą, firma eBay eksperymentowała z chłodzeniem ciepłą wodą w Phoenix w ramach dobrze nagłośnionego projektu Mercury. Projekt Mercury obejmował jedną część centrum danych chłodzoną przez pętlę wody lodowej podłączoną do agregatów chłodniczych, a następnie drugie centrum danych wykorzystujące wodę powrotną z kondensatora z pierwszego centrum danych o temperaturze do 87˚F do zasilania wymienników ciepła montowanych na tylnych drzwiach szafy. Oczywiście temperatury przekraczały zalecane przez ASHRAE temperatury powietrza wlotowego do serwerów, ale pozostawały w dopuszczalnym zakresie klasy A2. To właśnie w ramach tej operacji Dean Nelson i jego zespół wymyślili opartą na misji biznesowej metrykę efektywności centrum danych, wiążącą koszty centrum danych z transakcjami sprzedaży klientów, nadając w ten sposób formę nieuchwytnemu punktowi krytycznemu między wydajnością a efektywnością centrum danych. W tym przypadku "klient" był wewnętrzny, a ciepło odpadowe nie było wykorzystywane jako źródło energii cieplnej, ale jako źródło chłodzenia.
Model Project Mercury w rzeczywistości oferuje wizję chłodzenia ciepłą wodą o niskim ryzyku, które mogłoby być dostępne dla wielu centrów danych bez konieczności przejścia na jakąś formę bezpośredniego chłodzenia cieczą. Na przykład centra danych wykorzystujące wymienniki ciepła z tylnymi drzwiami mogą pracować z temperaturą zasilania powyżej 65˚F, co z łatwością przekracza temperaturę powrotu pętli wody powrotnej w budynku. Podłączenie do wody powrotnej to zasadniczo darmowe chłodzenie, a następnie w ciągu roku, gdy system klimatyzacji w budynku może nie działać w sposób ciągły (lub w ogóle, moi przyjaciele w Minnesocie), wymienniki ciepła z tylnymi drzwiami mogą być zasilane przez ekonomizer z darmowym wymiennikiem ciepła. Ta sama zasada dotyczy chłodzenia cieczą z bezpośrednim kontaktem, które powinno być zasadniczo bezpłatne do pracy w każdym obiekcie z dowolnym znaczącym obciążeniem chłodzenia komfortu.
Ostatnio IBM Zurich przełożył proof-of-concept na w pełni produkcyjny superkomputer w Zurychu (LRZ SuperMUC-NG), z równoległym projektem w Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, kierownik ds. integracji inteligentnych systemów w laboratoriach w Zurychu twierdzi, że produkcyjny superkomputer jest w rzeczywistości obiektem o ujemnej emisji, ponieważ cały sprzęt ICT jest zasilany energią odnawialną, a następnie ogrzewanie i chłodzenie wytwarzane przez centrum danych stanowi uniknięcie emisji. Profil temperaturowy poszczególnych etapów procesu przedstawionego na rysunku 1 będzie się różnił w zależności od sytuacji i wymagań klienta. Na przykład, aby zapewnić chłodzenie sieci i sprzętu do przechowywania danych podczas cieplejszej pogody, gdy darmowe chłodzenie nie jest dostępne, oraz aby dostarczyć użyteczną energię cieplną do sieci ciepłowniczych podczas chłodniejszej pogody, centrum danych pracuje w temperaturze 149˚F. Aby zapewnić ogrzewanie podłogowe klientom indywidualnym, temperatura może spaść do 131˚F, a w celu wsparcia darmowego chłodzenia w Oak Ridge będzie działać przy 113˚F. Absorpcyjny agregat chłodniczy Fahrenheita pracuje z temperaturą napędu 127˚F, dostarczając wodę lodową o temperaturze 68˚F do jednostek chłodzących obsługujących pamięć masową i sprzęt sieciowy, o łącznej mocy chłodniczej 608 kW.
Projekt IBM polega na przełomowej innowacji w zakresie zmniejszania oporu cieplnego, co pozwala na uzyskanie wyższej temperatury wody przy chipie, co skutkuje rzeczywistą ogólną poprawą wydajności chipa. Niemniej jednak, każde z różnych rozwiązań chłodzenia cieczą z bezpośrednim kontaktem, dostępnych obecnie na rynku, może zapewnić pewną znaczącą część korzyści płynących z chłodzenia gorącą wodą. Wszystkie te rozwiązania twierdzą, jak gorąca może być woda dostarczana do "chłodzenia", aby utrzymać odpowiednią temperaturę układu scalonego, a nawet poprawić jego wydajność w porównaniu do tradycyjnego chłodzenia powietrzem. Nawet jeśli te temperatury nie są wystarczająco wysokie, aby bezpośrednio zastąpić tradycyjne źródła ogrzewania (kotły itp.) lub napędzać agregaty absorpcyjne, są one nadal wystarczająco wysokie, aby radykalnie zmniejszyć podnośnik wymagany przez pompy ciepła do podniesienia tego ciepła do użytecznego poziomu. Co więcej, przy temperaturach chłodzenia cieczy nie powinno być potrzeby stosowania agregatów chłodniczych lub chłodzenia mechanicznego. Następnym razem przyjrzymy się niektórym inwestycjom i kosztom operacyjnym związanym z czerpaniem korzyści z chłodzenia gorącą wodą oraz niektórym większym wyzwaniom społecznym i infrastrukturalnym.
Polish 
English 
French 
German 
Italian 
Spanish 
Ukrainian 
Czech