Повторне використання теплової енергії ЦОД: охолодження гарячої води

У цій серії статей ми розглядаємо різні способи, за допомогою яких оператори центрів обробки даних намагаються бути відповідальними громадянами світу, забезпечуючи при цьому довгострокову рентабельність активів за рахунок зменшення свого вуглецевого сліду шляхом уловлювання і повторного використання теплової енергії, виробленої їх ІКТ обладнанням. Я взяв для початку своєї розмови жовтневий звіт 2011 року MIT Technology Review стаття Ніла Севіджа "Парниковий ефект: П'ять ідей для повторного використання відпрацьованого тепла центрів обробки даних". П'ять прикладів, які він наводить в цій статті, фактично представляють п'ять загальних стратегій, і тому я вважаю їх корисною відправною точкою для вивчення розвитку подій протягом наступних дев'яти років. Ідеї були такими:

Центр обробки даних Університету Нотр-Дам обігрів теплицю.

Центр обробки даних Сиракузького університету виробляв власну електроенергію та використовував надлишок холодної води для кондиціонування прилеглої офісної будівлі влітку, а надлишок гарячої води - для її опалення взимку

Дослідницький центр обробки даних IBM у Цюріху використовував рідинне охолодження теплою водою, а теплішу "зворотну" воду використовував для обігріву сусідньої лабораторії.

В Окриджській національній лабораторії розробили механізм, який кріпився до мікропроцесора і виробляв електроенергію.

Центр обробки даних Telecity в Парижі забезпечив теплом дослідницькі експерименти з вивчення наслідків зміни клімату. 

У першій частині ми розглянули варіанти використання відпрацьованого гарячого повітря в Університеті Нотр-Дам для обігріву прилеглої теплиці в умовах північної Індіани взимку. Хоча ми розглянули кілька різних прикладів повторного використання гарячого повітря, в цілому низька енергія повітря 80-95˚F і вимога, щоб застосування було в основному поруч з центром обробки даних, представляли розумні перешкоди для привабливої рентабельності інвестицій. Розглядаючи використання відпрацьованого повітря з приміщення ДБЖ з температурою 80˚F для зменшення підйому температури на 100˚F, ми визначили, що можна зробити висновок, що ефективні методи управління повітряним потоком, що дозволяють центру обробки даних працювати ближче до верхньої рекомендованої межі ASHRAE, призведуть до утворення відпрацьованого повітря, яке може повністю усунути потребу в нагрівачах генераторних блоків. У цьому прикладі розглядалися як енергетичні, так і сусідські перешкоди. З іншого боку, ми виявили, що найбільш ефективне використання теплової енергії відпрацьованого повітря центрів обробки даних відбувається в північноєвропейських місцевих мережах централізованого теплопостачання, і виявили, що понад 101 ТВт теплової енергії у Швеції надходить з центрів обробки даних. Фактично, місцеві теплові райони в тій чи іншій формі являють собою корисну модель для ефективного повторного використання енергії ЦОД, як ми побачимо в подальших обговореннях.

Я придумав термін "підключення до контуру" для другої категорії повторного використання енергії центрів обробки даних, де сторона подачі контуру з охолодженою водою може бути використана для додаткового охолодження, а зворотна сторона може бути використана для опалення або охолодження. У прикладі Університету Сиракуз зі статті Севіджа первинним джерелом енергії для повторного використання був вихлоп турбіни, який був достатньо гарячим, щоб приводити в дію абсорбційні охолоджувачі для забезпечення кондиціонування повітря в будівлі, який використовувався для охолодження центру обробки даних, або достатньо гарячим, щоб проходити через теплообмінник для обігріву будівлі взимку. Більш сучасним прикладом "замикання контуру" є проект Westin-Amazon в Сіетлі, який передбачав трохи більш просту інженерію, але набагато більше творчості в загальному управлінні проектом, що вимагало співпраці між різними державними установами, комунальними службами і корпораціями, які переслідують взаємовигідні власні інтереси. По суті, офісні будівлі Amazon є еквівалентом "клієнта" місцевого теплопостачального району для Clise Properties (власника готелю Westin Carrier), а Clise Properties і McKinstry Engineering утворили організацію, зареєстровану як затверджена комунальна компанія. Amazon уникне близько 80 мільйонів кВт годин витрат на теплову енергію, а Clise Properties - витрат на експлуатацію випарних башт та втрат води, що виникають внаслідок цього. Хоча модель Westin-Amazon представляє для мене ідеальну схему для ефективного проекту повторного використання енергії центрів обробки даних, огляд аналогічного проекту, скасованого в Массачусетському технологічному інституті, показав складність спроб зібрати всіх котів в одне стадо для такого починання, що ми побачимо знову в цій третій частині серії.

Третя категорія повторного використання теплової енергії ЦОД від MIT Technology Review охолодження гарячою водою, яке може принести користь будь-якій з перших двох категорій, але особливо вигідне при використанні рідинного охолодження в центрах обробки даних (яке нарешті набуває значного поширення в нашій галузі). Як вже згадувалося раніше, якщо відпрацьоване повітря центру обробки даних використовується для полегшення запуску генератора, підвищення температури припливного повітря з 65˚F або 70˚F до 78-80˚F призведе до того, що температура зворотного повітря буде достатньо високою, щоб усунути блокові нагрівачі. Крім того, в проекті Westin-Amazon хороше виконання стримування повітряного потоку в центрі обробки даних може дозволити збільшити подачу води в теплообмінник центру обробки даних на достатньому рівні, щоб зменшити висоту підйому установки рекуперації тепла на 28%. У жодному з цих випадків ми не говоримо про охолодження теплою або гарячою водою, але навіть ці невеликі кроки можуть дати значні переваги. Коли ми починаємо працювати з гарячою водою, ми отримуємо більш якісну відпрацьовану теплову енергію, а воду легше переміщати, ніж повітря.

У дослідному центрі обробки даних IBM в Цюріхській дослідницькій лабораторії були застосовані інновації в галузі прямого контактного рідинного охолодження, коли гаряча вода прокачувалася через мідні мікроканали, прикріплені до комп'ютерних мікросхем. Вони виявили, що 140-градусна вода підтримувала температуру мікросхем на рівні 176 градусів, що безпечно нижче рекомендованого максимуму в 185 градусів. Таке охолодження гарячою водою призвело до того, що температура "повернення" після процесу становила 149˚F, що було достатнім рівнем теплової енергії як для опалення, так і для охолодження будівлі за допомогою абсорбційного охолоджувача, не вимагаючи підсилення від теплових насосів. На додаток до забезпечення теплом сусідньої лабораторії, абсорбційна холодильна машина забезпечувала 49 кВт холодопродуктивності при температурі близько 70˚F. Спрощений огляд цього підходу проілюстровано на рисунку 1 нижче.

Рисунок 1: Спрощена схема повторного використання енергії рідинного охолодження ЦОД

Приблизно в той самий час, коли IBM проводила експеримент з перевірки концепції охолодження гарячою водою в Швейцарії, компанія eBay експериментувала з охолодженням теплою водою у Феніксі в рамках широко розрекламованого проекту "Меркурій". Проект "Меркурій" включав одну частину центру обробки даних, яка охолоджувалася контуром охолодженої води, підключеним до чиллерів, а потім другий центр обробки даних, який використовував зворотну воду конденсатора з першого центру обробки даних до температури 87˚F для живлення теплообмінників, встановлених в стійці на задніх дверях. Очевидно, що температура перевищувала рекомендовану ASHRAE температуру повітря на вході в сервер, але залишалася в межах допустимого діапазону класу A2. Саме в рамках цієї операції Дін Нельсон і його команда придумали метрику ефективності центру обробки даних, засновану на бізнес-місії, яка прив'язує витрати на центр обробки даних до операцій з продажу клієнтам, тим самим надаючи форму цій ілюзорній переломній точці між ефективністю і результативністю центру обробки даних. У цьому випадку "клієнт" був внутрішнім, а відпрацьоване тепло використовувалося не як джерело теплової енергії, а як джерело охолодження.

Модель Project Mercury, по суті, пропонує бачення охолодження теплою водою з низьким рівнем ризику, яке може бути доступне для багатьох центрів обробки даних без необхідності повного переходу до тієї чи іншої форми прямого контактного рідинного охолодження. Наприклад, центри обробки даних, що використовують теплообмінники на задніх дверях, можуть працювати з температурою подачі на північ від 65˚F, що легко перевищує температуру зворотної води в контурі комфортного охолодження зворотної води будівлі. Підключення до зворотної води - це, по суті, природне охолодження, і тоді в той час року, коли кондиціонер будівлі може не працювати безперервно (або взагалі не працювати, як стверджують мої друзі в Міннесоті), теплообмінники задніх дверей можуть живитися через економайзер теплообмінника з природним охолодженням. Той самий принцип застосовується до прямого контактного рідинного охолодження, яке повинно по суті вільно працювати на будь-якому об'єкті з будь-яким значущим розміром навантаження на комфортне охолодження.

Зовсім нещодавно IBM Zurich перетворила доказову концепцію на повноцінний серійний суперкомп'ютер в Цюріху (LRZ SuperMUC-NG) з паралельним проектом в Оук Рідж, штат Теннессі. Бруно Мішель, менеджер з інтеграції інтелектуальних систем в лабораторіях Цюріха, стверджує, що виробничий суперкомп'ютер насправді є об'єктом з негативними викидами, оскільки все ІКТ-обладнання працює на відновлюваних джерелах енергії, а опалення і охолодження, що виробляються центром обробки даних, забезпечують уникнення викидів в атмосферу. Температурний профіль різних етапів процесу, показаний на Рисунку 1, буде змінюватися в залежності від ситуації та вимог замовника. Наприклад, для забезпечення охолодження мережі та обладнання для зберігання даних у теплу погоду, коли природне охолодження недоступне, та для забезпечення корисної теплової енергії для мереж централізованого теплопостачання у прохолодну погоду, центр обробки даних працює при температурі 149˚F. Для забезпечення підігріву підлоги у житлових приміщеннях температура може знижуватися до 131˚F, а для підтримки природного охолодження в Оук Рідж вони працюватимуть при 113˚F. Абсорбційна холодильна машина Fahrenheit працює з температурою приводу 127˚F для подачі охолодженої води 68˚F до холодильних установок, що обслуговують обладнання для зберігання даних і мережеве обладнання, із загальною охолоджувальною потужністю 608кВт.

Проект IBM залежить від проривних інновацій у зменшенні теплового опору, що дозволяє підвищити температуру води на мікросхемі, що призведе до фактичного покращення загальної продуктивності мікросхеми. Тим не менш, будь-яке з різноманітних рішень прямого контактного рідинного охолодження, доступних сьогодні на ринку, може забезпечити певну значну частину переваг охолодження гарячою водою. Всі вони висувають власні вимоги щодо того, наскільки гарячою може бути "охолоджуюча" вода, щоб підтримувати адекватну температуру мікросхеми і навіть покращувати продуктивність мікросхеми в порівнянні з традиційним повітряним охолодженням. Навіть коли ці температури можуть бути недостатньо високими, щоб безпосередньо замінити традиційні джерела опалення (котли і т.д.) або приводити в дію абсорбційні охолоджувачі, вони все ще досить високі, щоб різко знизити підйом, необхідний тепловим насосам для підйому тепла до корисного рівня. Крім того, при температурах охолодження рідини не повинно бути потреби в чиллерах або механічному охолодженні. Наступного разу ми розглянемо деякі інвестиційні та експлуатаційні компроміси, пов'язані з отриманням вигод від охолодження гарячою водою, а також деякі більш масштабні соціальні та інфраструктурні виклики.