Επαναχρησιμοποίηση θερμικής ενέργειας κέντρου δεδομένων: Ψύξη ζεστού νερού

Σε αυτή τη σειρά διερευνούμε τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους οι φορείς εκμετάλλευσης κέντρων δεδομένων προσπαθούν να είναι υπεύθυνοι πολίτες του κόσμου, διασφαλίζοντας ταυτόχρονα μακροπρόθεσμη απόδοση των περιουσιακών στοιχείων μειώνοντας το αποτύπωμά τους άνθρακα μέσω της σύλληψης και της επαναχρησιμοποίησης της θερμικής ενέργειας που παράγεται από τον εξοπλισμό ΤΠΕ. Ξεκίνησα τη συνομιλία μου τον Οκτώβριο του 2011 MIT Technology Review άρθρο του Neil Savage, «Φαινόμενο του θερμοκηπίου: Πέντε ιδέες για την επαναχρησιμοποίηση της απόβλητης θερμότητας των κέντρων δεδομένων». Τα πέντε παραδείγματα που αναφέρει σε αυτό το άρθρο αντιπροσωπεύουν στην πραγματικότητα πέντε γενικές στρατηγικές και, ως εκ τούτου, θεωρώ ότι είναι ένα χρήσιμο σημείο εκκίνησης για την εξερεύνηση των εξελίξεων τα επόμενα εννέα χρόνια. Οι ιδέες ήταν:

Το κέντρο δεδομένων του Πανεπιστημίου Notre Dame θερμάνθηκε ένα θερμοκήπιο.

Ένα κέντρο δεδομένων του Πανεπιστημίου των Συρακουσών παρήγαγε τη δική του ηλεκτρική ενέργεια και χρησιμοποιούσε υπερβολικό κρύο νερό για τον κλιματισμό ενός παρακείμενου κτιρίου γραφείων το καλοκαίρι και υπερβολικό ζεστό νερό για τη θέρμανση του κατά τη διάρκεια του χειμώνα

Ένα ερευνητικό κέντρο δεδομένων της IBM στη Ζυρίχη χρησιμοποίησε υγρή ψύξη ζεστού νερού και χρησιμοποίησε το θερμότερο νερό «επιστροφής» για τη θέρμανση ενός παρακείμενου εργαστηρίου.

Το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge ανέπτυξε έναν μηχανισμό που κολλούσε σε έναν μικροεπεξεργαστή και παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια.

Ένα κέντρο δεδομένων της Telecity στο Παρίσι παρείχε θερμότητα για ερευνητικά πειράματα σχετικά με τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής. 

Στο πρώτο μέρος, εξετάσαμε παραλλαγές σχετικά με τη χρήση του θερμού αέρα από το Πανεπιστήμιο της Notre Dame του κέντρου δεδομένων για τη διατήρηση ενός γειτονικού θερμοκηπίου σε αυτούς τους χειμώνες της βόρειας Ιντιάνα. Ενώ καλύψαμε πολλά διαφορετικά παραδείγματα επαναχρησιμοποίησης ζεστού αέρα, γενικά η χαμηλής ποιότητας ενέργεια του αέρα 80-95˚F και η απαίτηση η εφαρμογή να βρίσκεται ουσιαστικά δίπλα στο κέντρο δεδομένων παρουσίασε εύλογα εμπόδια στην ελκυστική απόδοση επένδυσης (ROI). Κατά την ανασκόπηση της χρήσης άχρηστου αέρα 80˚F από ένα δωμάτιο UPS για τη μείωση της ανύψωσης του στόχου 100˚F των θερμαντήρων μπλοκ γεννήτριας, διαπιστώσαμε ότι θα μπορούσε να γίνει καλή περίπτωση ότι οι αποτελεσματικές πρακτικές διαχείρισης ροής αέρα επιτρέπουν σε ένα κέντρο δεδομένων να λειτουργεί πιο κοντά σε το ανώτατο συνιστώμενο όριο ASHRAE θα είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία σπατάλης αέρα που θα μπορούσε να εξαλείψει εντελώς την ανάγκη για θερμαντήρες μπλοκ γεννήτριας. Αυτό το παράδειγμα αφορούσε τόσο τον ενεργειακό βαθμό όσο και τα εμπόδια γειτνίασης. Διαφορετικά, διαπιστώσαμε ότι οι πιο αποτελεσματικές χρήσεις της θερμικής ενέργειας από τον αέρα επιστροφής των κέντρων δεδομένων πραγματοποιήθηκαν στα τοπικά δίκτυα τηλεθέρμανσης της Βόρειας Ευρώπης και ανακαλύψαμε ότι πάνω από το 10% της ενέργειας θέρμανσης της Σουηδίας προέρχεται από κέντρα δεδομένων. Στην πραγματικότητα, οι περιοχές τοπικής θέρμανσης με τη μία ή την άλλη μορφή αντιπροσωπεύουν ένα χρήσιμο μοντέλο για την αποτελεσματική επαναχρησιμοποίηση της ενέργειας των κέντρων δεδομένων, όπως θα δούμε σε επόμενες συζητήσεις.

Επινόησα το "tapping the loop" για τη δεύτερη κατηγορία επαναχρησιμοποίησης ενέργειας του κέντρου δεδομένων, όπου η πλευρά τροφοδοσίας του βρόχου κρύου νερού μπορούσε να αξιοποιηθεί για βοηθητική ψύξη και η πλευρά επιστροφής θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί είτε για θέρμανση είτε για ψύξη. Στο παράδειγμα του Πανεπιστημίου των Συρακουσών από το άρθρο του Savage, η κύρια πηγή ενέργειας για επαναχρησιμοποίηση ήταν τα καυσαέρια του στροβίλου, τα οποία ήταν αρκετά ζεστά για να οδηγήσουν τα ψυκτικά συγκροτήματα απορρόφησης για να παρέχουν κλιματισμό κτιρίου, το οποίο χρησιμοποιήθηκε για να ψύξει το κέντρο δεδομένων ή αρκετά ζεστό για να πάει μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας για τη θέρμανση του κτιρίου κατά τη διάρκεια του χειμώνα. Ένα πιο πρόσφατο λαμπρό αστέρι για το «tapping the loop» είναι το έργο Westin-Amazon στο Σιάτλ, το οποίο περιελάμβανε λίγο πιο απλή μηχανική αλλά πολύ περισσότερη δημιουργικότητα στη συνολική διαχείριση έργων, απαιτώντας συνεργασία μεταξύ διαφόρων κρατικών υπηρεσιών, υπηρεσιών κοινής ωφελείας και εταιρειών που επιδιώκουν αμοιβαία. ευεργετικό προσωπικό συμφέρον. Ουσιαστικά, τα κτίρια γραφείων της Amazon αντιπροσωπεύουν το ισοδύναμο ενός «πελάτη» τοπικής θέρμανσης για την Clise Properties (τον ιδιοκτήτη του Westin Carrier Hotel) και η Clise Properties και η McKinstry Engineering σχημάτισαν μια οντότητα εγγεγραμμένη ως εγκεκριμένη εταιρεία κοινής ωφέλειας. Η Amazon θα αποφύγει περίπου 80 εκατομμύρια kW ώρες κόστους ενέργειας θέρμανσης και η Clise Properties θα αποφύγει τα έξοδα λειτουργίας των πύργων εξάτμισης και τα έξοδα της απώλειας νερού που προκύπτει. Ενώ το μοντέλο Westin-Amazon για μένα αντιπροσωπεύει το τέλειο σχέδιο για μια αποτελεσματική αξιοποίηση του έργου επαναχρησιμοποίησης ενέργειας του κέντρου δεδομένων βρόχου, μια ανασκόπηση ενός παρόμοιου έργου που ακυρώθηκε στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης αποκάλυψε την πολυπλοκότητα της προσπάθειας να συλλάβει όλες τις γάτες για κάτι τέτοιο. μια προσπάθεια, την οποία θα δούμε ξανά σε αυτό το τρίτο μέρος της σειράς.

Η τρίτη κατηγορία της επαναχρησιμοποίησης θερμικής ενέργειας του κέντρου δεδομένων από το MIT Technology Review είναι η ψύξη ζεστού νερού, η οποία μπορεί να ωφελήσει οποιαδήποτε από τις δύο πρώτες κατηγορίες, αλλά είναι ιδιαίτερα επωφελής με την υγρή ψύξη του κέντρου δεδομένων (η οποία τελικά αποκτά κάποια σημαντική έλξη στον κλάδο μας). Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, εάν ο άχρηστος αέρας του κέντρου δεδομένων χρησιμοποιείται για τη διευκόλυνση των εκκινητήρων γεννήτριας, η αύξηση του αέρα παροχής από 65˚F ή 70˚F σε 78-80˚F θα παράγει μια θερμοκρασία αέρα επιστροφής αρκετά υψηλή ώστε να εξαλείψει τους θερμαντήρες μπλοκ. Επιπλέον, στο έργο Westin-Amazon, μια καλή εκτέλεση περιορισμού ροής αέρα στο κέντρο δεδομένων θα μπορούσε να επιτρέψει την παροχή νερού του κέντρου δεδομένων στον εναλλάκτη θερμότητας του βοηθητικού προγράμματος να αυξηθεί αρκετά ώστε να μειωθεί η αύξηση της μονάδας ανάκτησης θερμότητας κατά 28%. Σε καμία από αυτές τις περιπτώσεις δεν μιλάμε για ψύξη με ζεστό ή ζεστό νερό, αλλά ακόμη και η μετακίνηση της βελόνας αυτά τα μικρά βήματα μπορεί να αποφέρει σημαντικά οφέλη. Όταν ξεκινάμε να εργαζόμαστε με ζεστό νερό, λαμβάνουμε υψηλότερης ποιότητας απορριπτόμενη θερμική ενέργεια και το νερό μετακινείται ευκολότερα από τον αέρα.

Το κέντρο δεδομένων proof-of-concept της IBM στο Ερευνητικό Εργαστήριο της Ζυρίχης εκμεταλλεύτηκε τις καινοτομίες στην υγρή ψύξη άμεσης επαφής, όπου το ζεστό νερό αντλούνταν μέσω μικροκαναλιών χαλκού που συνδέονται με τσιπ υπολογιστών. Διαπίστωσαν ότι το νερό παροχής 140˚F διατήρησε τις θερμοκρασίες των τσιπ γύρω στους 176˚F, με ασφάλεια κάτω από το συνιστώμενο μέγιστο των 185˚F. Αυτή η ψύξη ζεστού νερού είχε ως αποτέλεσμα μια θερμοκρασία «επιστροφής» μετά τη διεργασία 149˚F, η οποία ήταν μια επαρκής θερμική ενέργεια τόσο για θέρμανση όσο και για ψύξη κτιρίου μέσω ψύκτη απορρόφησης, χωρίς να απαιτείται ώθηση από αντλίες θερμότητας. Εκτός από την παροχή θερμότητας για ένα παρακείμενο εργαστήριο, το ψυκτικό συγκρότημα απορρόφησης παρείχε 49 kW ψυκτικής ικανότητας σε περίπου 70˚F. Μια απλοποιημένη επισκόπηση αυτής της προσέγγισης απεικονίζεται στο Σχήμα 1 παρακάτω.

Εικόνα 1: Απλοποιημένη ροή επαναχρησιμοποίησης ενέργειας υγρής ψύξης του κέντρου δεδομένων

Περίπου την ίδια περίοδο που εφαρμόστηκε στην Ελβετία το πείραμα ψύξης με ζεστό νερό της IBM απόδειξης της ιδέας, το eBay πειραματιζόταν με ψύξη ζεστού νερού στο Phoenix στο πολυδιαφημισμένο Mercury Project. Το Mercury Project περιλάμβανε ένα μέρος του κέντρου δεδομένων που ψύχθηκε με βρόχο κρύου νερού συνδεδεμένο με ψυκτικά συγκροτήματα και στη συνέχεια ένα δεύτερο κέντρο δεδομένων που χρησιμοποιούσε νερό επιστροφής συμπυκνωτή από το πρώτο κέντρο δεδομένων έως 87˚F για την τροφοδοσία εναλλάκτη θερμότητας πίσω πόρτας τοποθετημένων σε σχάρα. Προφανώς, οι θερμοκρασίες ξεπέρασαν τις συνιστώμενες από την ASHRAE θερμοκρασίες αέρα εισόδου διακομιστή, αλλά παρέμειναν εντός του επιτρεπόμενου εύρους κατηγορίας Α2. Στο πλαίσιο αυτής της επιχείρησης, ο Dean Nelson και η ομάδα του κατέληξαν σε μια μέτρηση απόδοσης του κέντρου δεδομένων που βασίζεται σε επιχειρηματική αποστολή, συνδέοντας το κόστος του κέντρου δεδομένων με τις συναλλαγές πωλήσεων πελατών, δίνοντας έτσι μορφή σε αυτό το απατηλό σημείο καμπής μεταξύ της αποδοτικότητας και της αποτελεσματικότητας του κέντρου δεδομένων. Σε αυτήν την περίπτωση, ο «πελάτης» ήταν εσωτερικός και η απορριπτόμενη θερμότητα δεν χρησιμοποιήθηκε ως πηγή θερμικής ενέργειας αλλά ως πηγή ψύξης.

Το μοντέλο Project Mercury προσφέρει, στην πραγματικότητα, ένα όραμα για ψύξη ζεστού νερού χαμηλού κινδύνου που θα μπορούσε να είναι διαθέσιμο σε πολλά κέντρα δεδομένων χωρίς να χρειάζεται να μεταβείτε σε κάποια μορφή ψύξης υγρού άμεσης επαφής. Για παράδειγμα, τα κέντρα δεδομένων που χρησιμοποιούν εναλλάκτες θερμότητας πίσω πόρτας μπορούν να λειτουργούν με θερμοκρασίες τροφοδοσίας βόρεια των 65˚F, που υπερβαίνει εύκολα τη θερμοκρασία επιστροφής ενός βρόχου νερού επιστροφής ψύξης άνεσης κτιρίου. Η τροφοδοσία στο νερό επιστροφής είναι ουσιαστικά δωρεάν ψύξη και στη συνέχεια κατά τη διάρκεια του χρόνου που το AC του κτιρίου μπορεί να μην λειτουργεί συνεχώς (ή καθόλου, φίλοι μου στη Μινεσότα), οι εναλλάκτες θερμότητας της πίσω πόρτας μπορούν να τροφοδοτηθούν μέσω ενός δωρεάν εναλλάκτη θερμότητας ψύξης εξοικονομητής. Η ίδια αρχή ισχύει για την ψύξη υγρού άμεσης επαφής, η οποία θα πρέπει ουσιαστικά να είναι ελεύθερη να λειτουργεί σε οποιαδήποτε εγκατάσταση με οποιοδήποτε άνετο ψυκτικό φορτίο σημαντικού μεγέθους.

Πιο πρόσφατα, η IBM Zurich μετέφρασε το proof-of-concept σε έναν υπερυπολογιστή πλήρους παραγωγής στη Ζυρίχη (LRZ SuperMUC-NG), με ένα παράλληλο έργο στο Oak Ridge του Τενεσί. Ο Bruno Michel, Διευθυντής Έξυπνης Ενοποίησης Συστημάτων στα εργαστήρια της Ζυρίχης ισχυρίζεται ότι ο υπερυπολογιστής παραγωγής είναι στην πραγματικότητα μια εγκατάσταση αρνητικών εκπομπών, επειδή όλος ο εξοπλισμός ΤΠΕ τροφοδοτείται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και στη συνέχεια η θέρμανση και η ψύξη που παράγονται από το κέντρο δεδομένων αντιπροσωπεύουν την αποφυγή εκπομπών. Το προφίλ θερμοκρασίας των διαφορετικών βημάτων στη διαδικασία στο Σχήμα 1 θα ποικίλλει ανάλογα με την κατάσταση και τις απαιτήσεις του πελάτη. Για παράδειγμα, για την παροχή ψύξης στο δίκτυο και του εξοπλισμού αποθήκευσης κατά τη διάρκεια θερμότερων καιρικών συνθηκών όταν δεν είναι διαθέσιμη δωρεάν ψύξη και για την παροχή αξιοποιήσιμης θερμικής ενέργειας στα δίκτυα τηλεθέρμανσης κατά τη διάρκεια ψυχρότερου καιρού, το κέντρο δεδομένων λειτουργεί στους 149˚F. Για την παροχή θέρμανσης δαπέδου σε οικιακούς πελάτες, μπορεί να πέσει στους 131˚F και για την υποστήριξη της δωρεάν ψύξης στο Oak Ridge θα λειτουργούν στους 113˚F. Το ψυκτικό συγκρότημα απορρόφησης Fahrenheit λειτουργεί με θερμοκρασία κίνησης 127˚F για να παρέχει κρύο νερό 68˚F στις μονάδες ψύξης που εξυπηρετούν τον εξοπλισμό αποθήκευσης και δικτύου, με συνολική ψυκτική ικανότητα 608 kW.

Το έργο της IBM εξαρτάται από την πρωτοποριακή καινοτομία στη μείωση της θερμικής αντίστασης, επιτρέποντας έτσι υψηλότερη θερμοκρασία νερού στο τσιπ, με αποτέλεσμα την πραγματική συνολική βελτίωση της απόδοσης του τσιπ. Ωστόσο, οποιαδήποτε από τις διάφορες λύσεις ψύξης υγρού άμεσης επαφής που διατίθενται στην αγορά σήμερα μπορεί να προσφέρει σημαντικό μέρος των πλεονεκτημάτων της ψύξης με ζεστό νερό. Όλοι διατυπώνουν τους δικούς τους ισχυρισμούς σχετικά με το πόσο ζεστό μπορεί να είναι το νερό παροχής «ψύξης» για να διατηρήσει επαρκείς θερμοκρασίες τσιπ και ακόμη και να βελτιώσει την απόδοση του τσιπ σε σχέση με την παραδοσιακή ψύξη αέρα. Ακόμη και όταν αυτές οι θερμοκρασίες μπορεί να μην είναι αρκετά υψηλές για να αντικαταστήσουν άμεσα τις παραδοσιακές πηγές θέρμανσης (λέβητες, κ.λπ.) ή να οδηγήσουν ψύκτες απορρόφησης, εξακολουθούν να είναι αρκετά υψηλές ώστε να μειώσουν δραματικά την ανύψωση που απαιτείται στις αντλίες θερμότητας για να αυξηθεί αυτή η θερμότητα σε χρήσιμο επίπεδο. Επιπλέον, σε θερμοκρασίες υγρής ψύξης, δεν θα πρέπει να υπάρχει ανάγκη για ψύκτες ή μηχανική ψύξη. Την επόμενη φορά θα εξετάσουμε ορισμένους από τους συμβιβασμούς του επενδυτικού και του λειτουργικού κόστους που σχετίζονται με τη συγκομιδή των πλεονεκτημάτων της ψύξης με ζεστό νερό και ορισμένες από τις μεγαλύτερες κοινωνικές προκλήσεις και τις υποδομές.