Ponovna uporaba toplotne energije podatkovnega centra: Hlajenje s toplo vodo

V tej seriji raziskujemo različne načine, na katere operaterji podatkovnih centrov poskušajo biti odgovorni globalni državljani, hkrati pa zagotavljajo dolgoročno donosnost sredstev z zmanjšanjem svojega ogljičnega odtisa z zajemanjem in ponovno uporabo toplotne energije, ki jo proizvaja njihova IKT oprema. Za začetek pogovora sem vzel oktober 2011 Pregled tehnologije MIT članek Neila Savagea, »Učinek tople grede: Pet idej za ponovno uporabo odpadne toplote podatkovnih centrov.« Pet primerov, ki jih navaja v tem članku, dejansko predstavlja pet splošnih strategij in zato menim, da so koristna izhodiščna točka za raziskovanje razvoja v naslednjih devetih letih. Ideje so bile:

Podatkovni center Univerze Notre Dame je ogreval rastlinjak.

Podatkovni center univerze Syracuse je proizvajal lastno elektriko in uporabljal odvečno hladno vodo za klimatizacijo sosednje poslovne stavbe poleti in odvečno toplo vodo za ogrevanje pozimi

IBM-ov raziskovalni podatkovni center v Zürichu je uporabil tekočinsko hlajenje s toplo vodo in uporabil toplejšo "povratno" vodo za ogrevanje sosednjega laboratorija.

Nacionalni laboratorij Oak Ridge je razvil mehanizem, ki je pritrjen na mikroprocesor in proizvaja elektriko.

Podatkovni center Telecity v Parizu je zagotovil toploto za raziskovalne poskuse o učinkih podnebnih sprememb. 

V prvem delu smo preučili različice uporabe odpadnega toplega zraka v podatkovnem centru na Univerzi Notre Dame za vzdrževanje sosednjega rastlinjaka v tistih zimah v severni Indiani. Medtem ko smo zajeli več različnih primerov ponovne uporabe vročega zraka, sta na splošno nizka energija zraka 80–95˚F in zahteva, da mora biti aplikacija v bistvu v bližini podatkovnega centra, predstavljali razumne ovire za privlačno donosnost naložbe. Pri pregledu uporabe odpadnega zraka 80˚F iz sobe UPS za zmanjšanje dviga ciljnih 100˚F grelnikov generatorskih blokov smo ugotovili, da je mogoče uporabiti učinkovite prakse upravljanja pretoka zraka, ki podatkovnemu centru omogočajo delovanje bližje zgornja priporočena meja ASHRAE bi povzročila odpadni zrak, ki bi lahko popolnoma odpravil potrebo po grelnikih generatorskih blokov. Ta primer je obravnaval tako energijsko stopnjo kot ovire v bližini. Sicer pa smo ugotovili, da je najučinkovitejša uporaba toplotne energije iz povratnega zraka podatkovnih centrov v severnoevropskih lokalnih omrežjih daljinskega ogrevanja in ugotovili, da več kot 10 % ogrevalne energije na Švedskem prihaja iz podatkovnih centrov. Pravzaprav lokalni ogrevalni centri v takšni ali drugačni obliki predstavljajo uporaben model za učinkovito ponovno uporabo energije podatkovnih centrov, kot bomo videli v naslednjih razpravah.

Za drugo kategorijo ponovne uporabe energije v podatkovnem centru sem skoval »izvajanje zanke«, pri čemer bi lahko dovodno stran zanke ohlajene vode izkoristili za pomožno hlajenje, povratno stran pa za ogrevanje ali hlajenje. V primeru Univerze v Syracuse iz Savagejevega članka je bil primarni vir energije za ponovno uporabo izpušni plin turbine, ki je bil dovolj vroč, da je poganjal absorpcijske hladilnike za zagotavljanje klimatske naprave zgradbe, ki je bil uporabljen za hlajenje podatkovnega centra, ali dovolj vroč, da je lahko deloval preko toplotnega izmenjevalnika za ogrevanje stavbe pozimi. Bolj aktualna svetleča zvezda za "tapping the loop" je projekt Westin-Amazon v Seattlu, ki je vključeval malo bolj preprosto inženirstvo, a veliko več ustvarjalnosti pri celotnem vodenju projekta, kar je zahtevalo sodelovanje med različnimi vladnimi agencijami, javnimi službami in korporacijami, ki si prizadevajo za medsebojno prizadevanje. koristnega lastnega interesa. V bistvu poslovne stavbe Amazon predstavljajo enakovredno »stranko« lokalnega ogrevalnega centra za Clise Properties (lastnik hotela Westin Carrier), Clise Properties in McKinstry Engineering pa sta ustanovila subjekt, registriran kot odobreno komunalno podjetje. Amazon se bo izognil približno 80 milijonom kWh stroškov ogrevalne energije, Clise Properties pa se bo izognil stroškom obratovanja izparilnih stolpov in stroškom posledične izgube vode. Medtem ko mi model Westin-Amazon predstavlja popoln načrt za učinkovit projekt ponovne uporabe energije v podatkovnem centru, je pregled podobnega projekta, preklicanega na tehnološkem inštitutu v Massachusettsu, razkril, kako zapleteno je poskušati zbrati vse mačke za tako podvig, ki ga bomo spet videli v tem tretjem delu serije.

Tretja kategorija ponovne uporabe toplotne energije podatkovnega centra iz Pregled tehnologije MIT je toplovodno hlajenje, ki lahko koristi kateri koli od prvih dveh kategorij, vendar je še posebej koristno pri tekočinskem hlajenju podatkovnih centrov (ki končno dobiva nekaj pomembnega oprijema v naši industriji). Kot je bilo že omenjeno, če se odpadni zrak podatkovnega centra uporablja za olajšanje generatorskih zaganjalnikov, bo zvišanje dovodnega zraka s 65˚F ali 70˚F na 78-80˚F povzročilo dovolj visoko temperaturo povratnega zraka, da se odpravijo grelniki blokov. Poleg tega bi lahko v projektu Westin-Amazon dobra izvedba zadrževanja pretoka zraka v podatkovnem centru omogočila, da se oskrba z vodo v podatkovnem centru v izmenjevalniku toplote dovolj poveča, da se dvig naprave za rekuperacijo toplote zmanjša za 28 %. V nobenem od teh primerov ne govorimo o hlajenju s toplo ali vročo vodo, vendar lahko celo premikanje igle s temi majhnimi koraki prinese pomembne koristi. Ko začnemo delati s toplo vodo, dobimo višjo kakovost odpadne toplotne energije in voda se lažje premika kot zrak.

IBM-ov podatkovni center za dokaz koncepta v Züriškem raziskovalnem laboratoriju je izkoristil inovacije v tekočinskem hlajenju z neposrednim kontaktom, pri čemer je bila vroča voda črpana skozi bakrene mikrokanale, pritrjene na računalniške čipe. Ugotovili so, da dovodna voda 140˚F ohranja temperaturo čipov okoli 176˚F, varno pod priporočeno največjo vrednostjo 185˚F. To hlajenje s toplo vodo je povzročilo temperaturo »povratka« po procesu 149˚F, kar je bila ustrezna stopnja toplotne energije za ogrevanje in hlajenje stavbe prek absorpcijskega hladilnika, ne da bi bilo treba pospešiti toplotne črpalke. Poleg zagotavljanja toplote za sosednji laboratorij je absorpcijski hladilnik zagotovil 49 kW hladilne zmogljivosti pri približno 70˚F. Poenostavljen pregled tega pristopa je prikazan na sliki 1 spodaj.

Slika 1: Poenostavljen potek ponovne uporabe energije tekočinskega hlajenja podatkovnega centra

Približno v istem času, ko so v Švici izvajali poskus IBM-ovega dokazila o konceptu hlajenja s tekočino s toplo vodo, je eBay eksperimentiral s hlajenjem s toplo vodo v Phoenixu v dobro oglaševanem projektu Mercury. Projekt Mercury je vključeval en del podatkovnega centra, hlajenega z zanko ohlajene vode, povezane s hladilniki, nato pa drugi podatkovni center, ki je uporabljal povratno vodo iz kondenzatorja iz prvega podatkovnega centra do 87˚F za oskrbo toplotnih izmenjevalnikov na zadnjih vratih, nameščenih v stojalu. Očitno je, da so temperature presegle priporočene ASHRAE temperature vstopnega zraka v strežnik, vendar so ostale v dovoljenem območju razreda A2. V okviru te operacije sta Dean Nelson in njegova ekipa pripravila meritev učinkovitosti podatkovnega centra, ki temelji na poslovni misiji in povezuje stroške podatkovnega centra s prodajnimi transakcijami strank, s čimer je dala obliko tisti iluzorni prelomni točki med učinkovitostjo in uspešnostjo podatkovnega centra. V tem primeru je bil »odjemalec« notranji in odpadna toplota ni bila uporabljena kot vir toplotne energije, temveč kot vir hlajenja.

Model Project Mercury dejansko ponuja vizijo za hlajenje s toplo vodo z nizkim tveganjem, ki bi lahko bilo na voljo številnim podatkovnim centrom, ne da bi morali preiti na neko obliko tekočega hlajenja z neposrednim kontaktom. Na primer, podatkovni centri, ki uporabljajo toplotne izmenjevalnike na zadnjih vratih, lahko delujejo pri temperaturah dovoda severno od 65˚F, kar zlahka preseže povratno temperaturo zanke povratne vode za udobno hlajenje zgradbe. Dotok povratne vode je v bistvu prosto hlajenje in nato v letnem času, ko klimatska naprava morda ne deluje neprekinjeno (ali sploh, moji prijatelji v Minnesoti), se toplotni izmenjevalniki zadnjih vrat lahko napajajo preko toplotnega izmenjevalnika prostega hlajenja ekonomizator. Enako načelo velja za tekočinsko hlajenje z neposrednim kontaktom, ki bi moralo biti v bistvu prosto za delovanje v katerem koli objektu s kakršno koli pomembno obremenitvijo za udobno hlajenje.

Pred kratkim je IBM Zurich prevedel dokaz koncepta v popolni proizvodni super računalnik v Zürichu (LRZ SuperMUC-NG) z vzporednim projektom v Oak Ridgeu v Tennesseeju. Bruno Michel, vodja pametne sistemske integracije v laboratorijih v Zürichu, trdi, da je proizvodni superračunalnik pravzaprav obrat z negativnimi emisijami, ker se vsa oprema IKT napaja z obnovljivo energijo, nato pa ogrevanje in hlajenje, ki ga proizvaja podatkovni center, predstavlja izogibanje emisijam. Temperaturni profil različnih korakov v procesu na sliki 1 se bo razlikoval glede na situacijo in zahteve stranke. Na primer, za zagotavljanje hlajenja omrežja in opreme za shranjevanje v toplejšem vremenu, ko prosto hlajenje ni na voljo, in za zagotavljanje uporabne toplotne energije za omrežja daljinskega ogrevanja v hladnejšem vremenu podatkovni center deluje pri 149˚F. Za zagotavljanje talnega ogrevanja stanovanjskim uporabnikom se lahko temperatura spusti na 131˚F, za podporo prostega hlajenja pa bodo v Oak Ridgeu delovali pri 113˚F. Absorpcijski hladilnik Fahrenheit deluje s pogonsko temperaturo 127˚F, da hladilnim enotam, ki služijo shranjevalni in omrežni opremi, dostavi ohlajeno vodo s 68˚F, s skupno hladilno zmogljivostjo 608kW.

IBM-ov projekt je odvisen od prebojne inovacije pri zmanjševanju toplotnega upora, kar omogoča višjo temperaturo vode na čipu, kar ima za posledico dejansko splošno izboljšanje zmogljivosti čipa. Kljub temu lahko katera koli od različnih rešitev za hlajenje s tekočino v neposrednem kontaktu, ki so danes na voljo na trgu, zagotovi pomemben del prednosti hlajenja s toplo vodo. Vsi trdijo, kako vroča je lahko "hladilna" dovodna voda, da vzdržuje ustrezne temperature čipov in celo izboljša zmogljivost čipov v primerjavi s tradicionalnim zračnim hlajenjem. Tudi če te temperature morda niso dovolj visoke, da bi neposredno nadomestile tradicionalne vire ogrevanja (kotle itd.) ali poganjale absorpcijske hladilnike, so še vedno dovolj visoke, da dramatično zmanjšajo dvig, ki je potreben na toplotnih črpalkah za dvig te toplote na uporabno raven. Poleg tega pri temperaturah tekočega hlajenja ne bi smeli biti potrebni hladilniki ali mehansko hlajenje. Naslednjič si bomo ogledali nekatere kompromise med naložbenimi in operativnimi stroški, povezane z izkoriščanjem prednosti hlajenja s toplo vodo ter nekatere večje družbene in infrastrukturne izzive.