Ponowne wykorzystanie energii cieplnej centrum danych: chłodzenie gorącą wodą

W tej serii badamy różne sposoby, w jakie operatorzy centrów danych starają się być odpowiedzialnymi obywatelami świata, zapewniając jednocześnie długoterminowy zwrot z aktywów poprzez zmniejszenie swojego śladu węglowego poprzez wychwytywanie i ponowne wykorzystanie energii cieplnej wytwarzanej przez ich sprzęt ICT. Za początek rozmowy wziąłem październik 2011 roku Przegląd technologii MIT artykuł Neila Savage’a „Efekt cieplarniany: pięć pomysłów na ponowne wykorzystanie ciepła odpadowego z centrów danych”. Pięć przykładów, które przytacza w tym artykule, reprezentuje w rzeczywistości pięć ogólnych strategii i dlatego uważam je za przydatny punkt wyjścia do badania rozwoju sytuacji w ciągu kolejnych dziewięciu lat. Pomysły były następujące:

Centrum danych Uniwersytetu Notre Dame ogrzewało szklarnię.

Centrum danych Uniwersytetu Syracuse wytwarzało własną energię elektryczną i wykorzystywało nadmiar zimnej wody do klimatyzacji sąsiedniego budynku biurowego latem, a nadmiar ciepłej wody do ogrzewania go zimą

Centrum danych badawczych IBM w Zurychu wykorzystywało chłodzenie cieczą ciepłą wodą, a cieplejszą wodę „powrotną” do ogrzewania sąsiedniego laboratorium.

Laboratorium Narodowe w Oak Ridge opracowało mechanizm przymocowany do mikroprocesora i wytwarzający energię elektryczną.

Centrum danych Telecity w Paryżu dostarczyło ciepło do eksperymentów badawczych nad skutkami zmian klimatycznych. 

W części pierwszej przyjrzeliśmy się zmianom w zakresie wykorzystania przez Uniwersytet Notre Dame gorącego powietrza odpadowego z centrów danych do utrzymania sąsiedniej szklarni podczas zim w północnej Indianie. Chociaż omówiliśmy kilka różnych przykładów ponownego wykorzystania gorącego powietrza, ogólnie rzecz biorąc, niska jakość energii powietrza o temperaturze 80-95˚F i wymóg, aby aplikacja znajdowała się zasadniczo w sąsiedztwie centrum danych, stanowiły rozsądne przeszkody w atrakcyjnym zwrocie z inwestycji. Dokonując przeglądu wykorzystania powietrza odpadowego o temperaturze 80˚F z pomieszczenia UPS w celu zmniejszenia siły nośnej w przypadku docelowej temperatury grzejników bloku generatora wynoszącej 100˚F, ustaliliśmy, że można przedstawić dobry argument, że skuteczne praktyki zarządzania przepływem powietrza umożliwiające centrum danych działanie bliżej górny zalecany limit ASHRAE skutkowałby stratą powietrza, co mogłoby całkowicie wyeliminować potrzebę stosowania grzejników bloku generatora. W tym przykładzie uwzględniono zarówno przeszkody związane z klasą energetyczną, jak i sąsiedztwem. Poza tym odkryliśmy, że najbardziej efektywne wykorzystanie energii cieplnej z powietrza powrotnego z centrów danych występuje w lokalnych sieciach ciepłowniczych w Europie Północnej 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 w centrach danych, co zobaczymy w kolejnych dyskusjach.

Ukułem „pobór pętli” dla drugiej kategorii ponownego wykorzystania energii w centrum danych, w której strona zasilająca pętli wody lodowej może być wykorzystywana do chłodzenia pomocniczego, a strona powrotna może być wykorzystywana do ogrzewania lub chłodzenia. W przykładzie Uniwersytetu w Syracuse z artykułu Savage'a głównym źródłem energii do ponownego wykorzystania były spaliny z turbiny, które były wystarczająco gorące, aby napędzać chłodziarki absorpcyjne zapewniające klimatyzację w budynku, która była wykorzystywana do chłodzenia centrum danych, lub wystarczająco gorące, aby wyjść poprzez wymiennik ciepła w celu ogrzewania budynku w okresie zimowym. Nowszą gwiazdą „podkręcania pętli” jest projekt Westin-Amazon w Seattle, który wymagał nieco prostszej inżynierii, ale znacznie większej kreatywności w ogólnym zarządzaniu projektem, wymagając współpracy między różnymi agencjami rządowymi, przedsiębiorstwami użyteczności publicznej i korporacjami dążącymi do wzajemnego korzystny własny interes. Zasadniczo budynki biurowe Amazon stanowią odpowiednik lokalnego „klienta” ciepłowniczego dla Clise Properties (właściciela hotelu Westin Carrier), a Clise Properties i McKinstry Engineering utworzyły podmiot zarejestrowany jako zatwierdzone przedsiębiorstwo użyteczności publicznej. Amazon uniknie około 80 milionów kWh kosztów energii grzewczej, a Clise Properties uniknie wydatków na eksploatację wież parowniczych i wynikających z tego strat wody. Chociaż model Westin-Amazon stanowi dla mnie doskonały plan skutecznego projektu ponownego wykorzystania energii w centrum danych z wykorzystaniem pętli wykorzystującej pętlę, przegląd podobnego projektu anulowanego w Massachusetts Institute of Technology ujawnił złożoność prób zaganiania wszystkich kotów w tym celu przedsięwzięcie, które zobaczymy ponownie w trzeciej części serii.

Trzecia kategoria ponownego wykorzystania energii cieplnej centrum danych z Przegląd technologii MIT to chłodzenie gorącą wodą, które może przynieść korzyści w obu pierwszych kategoriach, ale jest szczególnie korzystne w przypadku chłodzenia cieczą w centrach danych (które w końcu zyskuje znaczącą popularność w naszej branży). Jak wspomniano wcześniej, jeśli powietrze wylotowe z centrum danych jest wykorzystywane do ułatwienia rozruchu generatorów, podniesienie temperatury powietrza nawiewanego z 65˚F lub 70˚F do 78-80˚F spowoduje wytworzenie temperatury powietrza powrotnego wystarczająco wysokiej, aby wyeliminować grzejniki blokowe. Co więcej, w projekcie Westin-Amazon dobre wykonanie izolacji przepływu powietrza w centrum danych mogłoby pozwolić na zwiększenie dopływu wody do wymiennika ciepła w centrum danych na tyle, aby zmniejszyć siłę nośną instalacji odzysku ciepła o 28%. W żadnym z tych przypadków nie mówimy o chłodzeniu ciepłą lub gorącą wodą, ale nawet poruszanie igłą tymi małymi krokami może przynieść znaczne korzyści. Kiedy zaczynamy pracować z ciepłą wodą, otrzymujemy wyższą jakość energii cieplnej odpadowej, a woda jest łatwiejsza do przemieszczania niż powietrze.

Centrum danych IBM w laboratorium badawczym w Zurychu wykorzystało innowacje w zakresie bezpośredniego chłodzenia cieczą, w ramach którego gorąca woda była pompowana przez miedziane mikrokanały przymocowane do chipów komputerowych. Ustalili, że woda zasilająca o temperaturze 140˚F utrzymuje temperaturę chipów na poziomie około 176˚F, czyli bezpiecznie poniżej zalecanej wartości maksymalnej 185˚F. To chłodzenie gorącą wodą doprowadziło do uzyskania temperatury „powrotu” po procesie wynoszącej 149°F, co stanowiło odpowiedni poziom energii cieplnej zarówno do ogrzewania budynku, jak i chłodzenia za pomocą agregatu absorpcyjnego, bez konieczności stosowania wspomagania pomp ciepła. Oprócz zapewnienia ciepła dla sąsiedniego laboratorium, agregat absorpcyjny zapewniał moc chłodniczą o mocy 49 kW przy temperaturze około 70°F. Uproszczony przegląd tego podejścia przedstawiono na rysunku 1 poniżej.

Rysunek 1: Uproszczony przepływ ponownego wykorzystania energii chłodzenia cieczą w centrum danych

Mniej więcej w tym samym czasie, gdy w Szwajcarii wdrażano eksperyment IBM dotyczący chłodzenia gorącą wodą, eBay eksperymentował z chłodzeniem ciepłą wodą w Phoenix w ramach szeroko nagłośnionego projektu Mercury. Projekt Mercury obejmował jedną część centrum danych chłodzoną pętlą wody lodowej podłączoną do agregatów chłodniczych, a następnie drugie centrum danych wykorzystujące wodę powrotną ze skraplacza z pierwszego centrum danych o temperaturze do 87°C do zasilania wymienników ciepła montowanych w szafie tylnych drzwi. Oczywiście temperatury przekroczyły zalecane przez ASHRAE temperatury powietrza na wlocie do serwera, ale pozostały w dopuszczalnym zakresie klasy A2. To właśnie w ramach tej operacji Dean Nelson i jego zespół opracowali miernik wydajności centrum danych oparty na misji biznesowej, wiążący koszty centrum danych z transakcjami sprzedaży klientów, nadając w ten sposób formę złudnemu punktowi zwrotnemu pomiędzy wydajnością i efektywnością centrum danych. W tym przypadku „klient” był klientem wewnętrznym, a ciepło odpadowe nie zostało wykorzystane jako źródło energii cieplnej, ale jako źródło chłodzenia.

Model Project Mercury faktycznie oferuje wizję chłodzenia ciepłą wodą o niskim ryzyku, które mogłoby być dostępne w wielu centrach danych bez konieczności przechodzenia na jakąś formę bezpośredniego chłodzenia cieczą. Na przykład centra danych korzystające z wymienników ciepła w drzwiach tylnych mogą działać przy temperaturach zasilania na poziomie północnym od 65˚F, co z łatwością przekracza temperaturę powrotu z pętli wodnej powrotnej do chłodzenia budynku. Czerpanie wody powrotnej to zasadniczo darmowe chłodzenie, a w porze roku, kiedy klimatyzacja w budynku może nie działać w sposób ciągły (lub w ogóle, moi przyjaciele z Minnesoty), wymienniki ciepła w tylnych drzwiach mogą być zasilane przez wymiennik ciepła z darmowym chłodzeniem podgrzewacz. Ta sama zasada dotyczy bezpośredniego chłodzenia cieczą, które powinno zasadniczo swobodnie działać w każdym obiekcie przy dowolnym znaczącym obciążeniu chłodniczym zapewniającym komfort.

Niedawno firma IBM Zurich przełożyła dowód koncepcji na superkomputer do pełnej produkcji w Zurychu (LRZ SuperMUC-NG) w ramach równoległego projektu w Oak Ridge w stanie Tennessee. Bruno Michel, kierownik ds. integracji inteligentnych systemów w laboratoriach w Zurychu, twierdzi, że superkomputer produkcyjny jest w rzeczywistości obiektem generującym ujemną emisję, ponieważ cały sprzęt ICT jest zasilany energią odnawialną, a ogrzewanie i chłodzenie wytwarzane przez centrum danych oznacza unikanie emisji. Profil temperaturowy różnych etapów procesu przedstawiony na rysunku 1 będzie się różnić w zależności od sytuacji i wymagań klienta. Na przykład, aby zapewnić chłodzenie sieci i sprzętu magazynującego podczas cieplejszej pogody, gdy bezpłatne chłodzenie nie jest dostępne, oraz aby zapewnić użyteczną energię cieplną do sieci ciepłowniczych w chłodniejsze dni, 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 temperatura będzie wynosić 113°F. Agregat absorpcyjny Fahrenheita działa z temperaturą napędu wynoszącą 127˚F, dostarczając wodę lodową o temperaturze 68˚F do jednostek chłodniczych obsługujących sprzęt magazynujący i sieciowy, o łącznej mocy chłodniczej 608 kW.

Projekt IBM opiera się na przełomowej innowacji polegającej na zmniejszaniu oporu cieplnego, umożliwiając w ten sposób wyższą temperaturę wody w chipie, co skutkuje rzeczywistą ogólną poprawą wydajności chipa. Niemniej jednak dowolne z dostępnych obecnie na rynku rozwiązań w zakresie bezpośredniego chłodzenia cieczą może zapewnić znaczną część korzyści płynących z chłodzenia gorącą wodą. Wszyscy mają własne twierdzenia dotyczące tego, jak gorąca może być „chłodząca” woda zasilająca, aby utrzymać odpowiednią temperaturę chipów, a nawet poprawić wydajność chipów w porównaniu z tradycyjnym chłodzeniem powietrzem. Nawet jeśli temperatury te mogą nie być wystarczająco wysokie, aby bezpośrednio zastąpić tradycyjne źródła ogrzewania (kotły itp.) lub napędzać agregaty chłodnicze absorpcyjne, są one nadal wystarczająco wysokie, aby radykalnie zmniejszyć siłę nośną wymaganą w pompach ciepła w celu podniesienia tego ciepła do użytecznego poziomu. Ponadto przy temperaturach chłodzenia cieczą nie powinno być potrzeby stosowania agregatów chłodniczych ani chłodzenia mechanicznego. Następnym razem przyjrzymy się niektórym kompromisom w zakresie kosztów inwestycyjnych i operacyjnych związanych z czerpaniem korzyści z chłodzenia ciepłą wodą oraz niektórym większym wyzwaniom społecznym i infrastrukturalnym.