Повторне використання теплової енергії центру обробки даних: охолодження гарячою водою

У цій серії ми досліджуємо різні способи, за допомогою яких оператори центрів обробки даних намагаються бути відповідальними громадянами світу, забезпечуючи при цьому довгострокову віддачу від активів, зменшуючи свій вуглецевий слід шляхом уловлювання та повторного використання теплової енергії, виробленої їх ІКТ-обладнанням. Для початку розмови я взяв жовтень 2011 року MIT Technology Review стаття Ніла Севіджа «Парниковий ефект: п’ять ідей щодо повторного використання відпрацьованого тепла центрів обробки даних». П’ять прикладів, які він наводить у цій статті, насправді представляють п’ять загальних стратегій, і тому я вважаю їх корисною відправною точкою для вивчення подій протягом наступних дев’яти років. Ідеї ​​були:

Центр обробки даних університету Нотр-Дам обігрівав теплицю.

Центр обробки даних Сіракузького університету виробляв власну електроенергію та використовував надлишок холодної води для кондиціонування сусідньої офісної будівлі влітку та надлишок гарячої води для обігріву взимку

Дослідницький центр обробки даних IBM у Цюріху використовував рідинне охолодження теплою водою та використав теплішу «зворотну» воду для обігріву сусідньої лабораторії.

Національна лабораторія Ок-Ріджа розробила механізм, який прикріплений до мікропроцесора та виробляє електроенергію.

Центр обробки даних Telecity у Парижі забезпечував теплом для дослідницьких експериментів щодо впливу зміни клімату. 

У першій частині ми розглянули варіанти використання Університетом Нотр-Дам відпрацьованого гарячого повітря центру обробки даних для підтримки сусідньої теплиці взимку в північній Індіані. Незважаючи на те, що ми розглянули кілька різних прикладів повторного використання гарячого повітря, загалом низька енергія повітря з температурою 80-95˚F і вимога, щоб програма була по суті поруч із центром обробки даних, створювали розумні перешкоди для привабливої ​​рентабельності інвестицій. Переглядаючи використання відпрацьованого повітря з температурою 80˚F з кімнати ДБЖ для зменшення підйому на нагрівачах блоку генератора цільової температури 100˚F, ми дійшли висновку, що ефективні методи керування повітряним потоком, які дозволяють центру обробки даних працювати ближче до верхня рекомендована межа ASHRAE призведе до відпрацьованого повітря, що може повністю усунути потребу в нагрівачах генераторного блоку. У цьому прикладі розглянуто як клас енергії, так і перешкоди суміжності. З іншого боку, ми виявили, що найбільш ефективне використання теплової енергії від зворотного повітря центрів обробки даних відбувається в локальних тепломережах північної Європи та виявили, що понад 10% теплової енергії в Швеції надходить із центрів обробки даних. Фактично, місцеві теплові райони в тій чи іншій формі являють собою корисну модель ефективного повторного використання енергії центру обробки даних, як ми побачимо в подальших обговореннях.

Я придумав «відключення контуру» для другої категорії повторного використання енергії центру обробки даних, де сторона подачі контуру охолодженої води може бути використана для додаткового охолодження, а зворотна сторона може бути використана або для нагріву, або для охолодження. У прикладі Сіракузського університету зі статті Севіджа основним джерелом енергії для повторного використання були вихлопні гази турбін, які були достатньо гарячими, щоб приводити в дію абсорбційні чиллери для забезпечення кондиціонування повітря в будівлях, які використовувалися для охолодження центру обробки даних, або достатньо гарячими, щоб працювати через теплообмінник для опалення будівлі взимку. Більш сучасною яскравою зіркою для «використання петлі» є проект Westin-Amazon у Сіетлі, який передбачав трохи простішу інженерну роботу, але набагато більше креативності в загальному управлінні проектом, вимагаючи співпраці між різними урядовими установами, комунальними службами та корпораціями, які прагнуть взаємно корисний власний інтерес. По суті, офісні будівлі Amazon представляють собою еквівалент «клієнта» місцевого теплоцентралу для Clise Properties (власник готелю Westin Carrier), а Clise Properties і McKinstry Engineering створили юридичну особу, зареєстровану як затверджену комунальну компанію. Amazon уникне приблизно 80 мільйонів кВт-годин витрат на енергію опалення, а Clise Properties уникне витрат на експлуатацію випарних веж і витрат на втрату води. У той час як модель Westin-Amazon для мене представляє ідеальний проект для ефективного використання петлі центру обробки даних, проект повторного використання енергії, огляд подібного проекту, скасованого в Массачусетському технологічному інституті, виявив складність спроби зібрати всіх котів для такого спроба, яку ми знову побачимо в цій третій частині серії.

Третя категорія повторного використання теплової енергії центру обробки даних від MIT Technology Review – це охолодження гарячою водою, яке може бути корисним для будь-якої з перших двох категорій, але особливо корисно для рідинного охолодження центру обробки даних (яке нарешті набуває значного поширення в нашій галузі). Як зазначалося раніше, якщо відпрацьоване повітря центру обробки даних використовується для запуску генераторів, підвищення температури припливного повітря з 65˚F або 70˚F до 78-80˚F створить температуру зворотного повітря, достатньо високу для усунення блокових нагрівачів. Крім того, у проекті Westin-Amazon хороше виконання повітряного потоку в центрі обробки даних могло б дозволити збільшити подачу води в центр обробки даних до комунального теплообмінника настільки, щоб зменшити підйом установки рекуперації тепла на 28%. У жодному з цих випадків ми не говоримо про охолодження теплою чи гарячою водою, але навіть переміщення голки цими невеликими кроками може принести значні переваги. Коли ми починаємо працювати з гарячою водою, ми отримуємо відпрацьовану теплову енергію вищого класу, а воду легше переміщати, ніж повітря.

Центр обробки даних IBM у дослідницькій лабораторії Цюріха скористався перевагами інновацій у прямому контактному рідинному охолодженні, за допомогою якого гаряча вода перекачувалась через мідні мікроканали, прикріплені до комп’ютерних мікросхем. Вони виявили, що температура подачі води 140˚F підтримує температуру чіпа близько 176˚F, безпечно нижче рекомендованого максимуму 185˚F. Це охолодження гарячою водою призвело до температури «повернення» після процесу 149˚F, що було адекватним рівнем теплової енергії як для опалення, так і для охолодження будівлі через абсорбційний холодильний агрегат, не вимагаючи наддуву від теплових насосів. На додаток до забезпечення теплом для сусідньої лабораторії, абсорбційний холодильний агрегат забезпечив 49 кВт охолоджувальної потужності при приблизно 70˚F. Спрощений огляд цього підходу показано на малюнку 1 нижче.

Рисунок 1: Спрощений процес повторного використання енергії рідинного охолодження центру обробки даних

Приблизно в той самий час, коли в Швейцарії реалізовувався експеримент IBM з гарячою водою з рідинним охолодженням, eBay експериментував із охолодженням теплою водою у Феніксі в рамках широко розрекламованого проекту Mercury. Проект Mercury включав одну частину центру обробки даних, що охолоджується контуром охолодженої води, підключеною до холодильних машин, а потім другий центр обробки даних, який використовує зворотну воду конденсатора з першого центру обробки даних до 87˚F для забезпечення теплообмінників задніх дверей, встановлених у стійку. Очевидно, що температура перевищувала рекомендовану ASHRAE температуру повітря на вході в сервер, але залишалася в межах допустимого діапазону для класу A2. Саме в рамках цієї операції Дін Нельсон і його команда розробили метрику ефективності центру обробки даних на основі бізнес-місії, яка прив’язує витрати центру обробки даних до транзакцій продажу клієнтів, таким чином надаючи форму цій примарній переломній точці між ефективністю та ефективністю центру обробки даних. У цьому випадку «клієнт» був внутрішнім, а відпрацьоване тепло використовувалося не як джерело теплової енергії, а як джерело охолодження.

Насправді модель Project Mercury пропонує бачення охолодження теплою водою з низьким рівнем ризику, яке може бути доступним для багатьох центрів обробки даних без необхідності переходу на будь-яку форму прямого контактного рідинного охолодження. Наприклад, центри обробки даних, які використовують теплообмінники задніх дверей, можуть працювати з температурами подачі на північ від 65˚F, що легко перевищує температуру зворотної лінії зворотного водяного контуру охолодження будівлі. Подача зворотної води — це, по суті, вільне охолодження, а потім у пору року, коли кондиціонер у будівлі може не працювати постійно (або взагалі, мої друзі в Міннесоті), теплообмінники задніх дверей можуть подаватись через теплообмінник вільного охолодження економайзер. Той самий принцип застосовується до рідинного охолодження з прямим контактом, яке повинно бути практично вільним для роботи в будь-якому об’єкті з будь-яким значущим розміром комфортного охолодження.

Зовсім нещодавно IBM Zurich перевела перевірку концепції на повноцінний виробничий суперкомп’ютер у Цюріху (LRZ SuperMUC-NG) із паралельним проектом у Оук-Ріджі, штат Теннессі. Бруно Мішель, менеджер з інтелектуальної системної інтеграції в лабораторіях Цюріха, стверджує, що виробничий суперкомп’ютер насправді є об’єктом з негативними викидами, оскільки все ІКТ-обладнання живиться від відновлюваної енергії, а потім нагрівання та охолодження, що виробляються центром обробки даних, уникають викидів. Температурний профіль різних етапів процесу на малюнку 1 буде змінюватися залежно від ситуації та вимог клієнта. Наприклад, щоб забезпечити охолодження мережі та обладнання для зберігання під час теплої погоди, коли вільне охолодження недоступне, і забезпечити корисну теплову енергію для мереж централізованого теплопостачання під час прохолодної погоди, центр обробки даних працює при 149˚F. Щоб забезпечити підігрів підлоги для житлових будинків, його можна знизити до 131˚F, а для підтримки вільного охолодження в Оук-Рідж вони працюватимуть при 113˚F. Абсорбційний холодильний агрегат за Фаренгейтом працює з температурою приводу 127˚F, щоб подавати охолоджену воду 68˚F до блоків охолодження, що обслуговують сховище та мережеве обладнання, із загальною потужністю охолодження 608 кВт.

Проект IBM базується на революційних інноваціях у зниженні термічного опору, що дозволяє підвищити температуру води в чіпі, що призводить до фактичного загального підвищення продуктивності чіпа. Тим не менш, будь-яке з різноманітних рішень рідинного охолодження прямого контакту, доступних сьогодні на ринку, може забезпечити значну частину переваг охолодження гарячою водою. Усі вони заявляють про те, наскільки гарячою може бути «охолоджувальна» вода, що подається, щоб підтримувати адекватну температуру мікросхеми та навіть покращувати продуктивність мікросхеми порівняно з традиційним повітряним охолодженням. Навіть якщо ці температури можуть бути недостатньо високими, щоб безпосередньо замінити традиційні джерела опалення (бойлери тощо) або привести в дію абсорбційні чиллери, вони все одно достатньо високі, щоб різко зменшити підйомну силу, необхідну тепловим насосам для підвищення цього тепла до корисного рівня. Крім того, при температурах рідинного охолодження не повинно бути потреби в чиллерах або механічному охолодженні. Наступного разу ми розглянемо деякі компроміси щодо інвестицій та експлуатаційних витрат, пов’язані з використанням переваг охолодження гарячою водою, а також деякі з більших суспільних та інфраструктурних проблем.