Повторное использование тепловой энергии в центрах обработки данных: охлаждение горячей водой

В этой серии мы исследуем различные способы, с помощью которых операторы центров обработки данных пытаются быть ответственными гражданами мира, обеспечивая при этом долгосрочную окупаемость активов за счет сокращения выбросов углекислого газа за счет улавливания и повторного использования тепловой энергии, вырабатываемой их оборудованием ИКТ. Для начала разговора я взял октябрь 2011 года. MIT Technology Review статья Нила Сэвиджа «Парниковый эффект: пять идей по повторному использованию отработанного тепла центров обработки данных». Пять примеров, которые он приводит в этой статье, на самом деле представляют собой пять общих стратегий, и поэтому я считаю их полезной отправной точкой для изучения событий в последующие девять лет. Идеи были:

Дата-центр Университета Нотр-Дам отапил теплицу.

Центр обработки данных Сиракузского университета производил собственную электроэнергию и использовал избыток холодной воды для кондиционирования воздуха в соседнем офисном здании летом, а избыток горячей воды — для его обогрева зимой.

Исследовательский центр обработки данных IBM в Цюрихе использовал жидкостное охлаждение теплой водой, а более теплую «возвратную» воду использовал для обогрева соседней лаборатории.

Национальная лаборатория Ок-Ридж разработала механизм, прикрепленный к микропроцессору и производящий электричество.

Центр обработки данных Telecity в Париже обеспечивал теплом для исследовательских экспериментов по последствиям изменения климата. 

В первой части мы рассмотрели варианты использования Университетом Нотр-Дам отработанного горячего воздуха центра обработки данных для поддержания прилегающей теплицы в зимние месяцы в северной Индиане. Хотя мы рассмотрели несколько различных примеров повторного использования горячего воздуха, в целом низкосортная энергия воздуха температурой 80-95˚F и требование, чтобы приложение располагалось по существу рядом с центром обработки данных, представляли собой разумные препятствия для привлекательной рентабельности инвестиций. Анализируя использование отработанного воздуха температурой 80°F из помещения ИБП для снижения подъемной силы нагревателей генераторного блока, заданной в 100°F, мы пришли к выводу, что можно привести веские доводы в пользу того, что эффективные методы управления воздушным потоком позволяют центру обработки данных работать ближе к верхний рекомендуемый предел ASHRAE приведет к образованию отходов воздуха, что может полностью исключить необходимость в нагревателях блока генераторов. В этом примере рассматриваются как препятствия энергетического уровня, так и препятствия смежности. Кроме того, мы обнаружили, что наиболее эффективное использование тепловой энергии из возвратного воздуха центров обработки данных происходит в местных сетях централизованного теплоснабжения Северной Европы, и обнаружили, что более 10% тепловой энергии Швеции поступает из центров обработки данных. Фактически, как мы увидим в последующих обсуждениях, локальные районы теплоснабжения в той или иной форме представляют собой полезную модель эффективного повторного использования энергии в центрах обработки данных.

Я придумал «отвод к контуру» для второй категории повторного использования энергии в центрах обработки данных, при котором сторона подачи контура охлажденной воды может быть подключена для вспомогательного охлаждения, а сторона возврата может быть подключена либо для отопления, либо для охлаждения. В примере Сиракузского университета из статьи Сэвиджа основным источником энергии для повторного использования были выхлопы турбины, которые были достаточно горячими, чтобы приводить в действие абсорбционные охладители, обеспечивающие кондиционирование воздуха в зданиях, которые использовались для охлаждения центра обработки данных, или достаточно горячими, чтобы работать. через теплообменник для обогрева здания в зимний период. Более современной яркой звездой «нажатия на петлю» является проект Westin-Amazon в Сиэтле, который включал в себя немного более простые инженерные решения, но гораздо более творческий подход к общему управлению проектом, требующий сотрудничества между различными правительственными учреждениями, коммунальными предприятиями и корпорациями, преследующими взаимовыгодные цели. выгодный личный интерес. По сути, офисные здания Amazon представляют собой эквивалент «клиента» местного теплоцентрала для Clise Properties (владельца отеля Westin Carrier), а Clise Properties и McKinstry Engineering образовали юридическое лицо, зарегистрированное в качестве утвержденной коммунальной компании. Amazon позволит избежать затрат на отопление в размере около 80 миллионов кВт-часов, а Clise Properties позволит избежать расходов на эксплуатацию испарительных башен и связанных с этим потерь воды. В то время как модель Westin-Amazon для меня представляет собой идеальный план для эффективного проекта по повторному использованию энергии в центрах обработки данных, обзор аналогичного проекта, отмененного в Массачусетском технологическом институте, выявил сложности попытки загнать всех кошек для такого проекта. начинание, которое мы еще увидим в третьей части серии.

Третья категория повторного использования тепловой энергии в центрах обработки данных MIT Technology Review Это охлаждение горячей водой, которое может принести пользу любой из первых двух категорий, но особенно полезно для жидкостного охлаждения центров обработки данных (которое, наконец, набирает значительную популярность в нашей отрасли). Как упоминалось ранее, если отработанный воздух центра обработки данных используется для облегчения запуска генераторов, повышение температуры приточного воздуха с 65˚F или 70˚F до 78-80˚F приведет к повышению температуры возвратного воздуха, достаточно высокой для устранения блочных нагревателей. Кроме того, в проекте Westin-Amazon хорошая реализация сдерживания воздушного потока в центре обработки данных может позволить увеличить подачу воды в теплообменник общего назначения в достаточной степени, чтобы снизить подъемную силу установки рекуперации тепла на 28%. Ни в одном из этих случаев мы не говорим об охлаждении теплой или горячей водой, но даже перемещение иглы этими небольшими шагами может принести значительную пользу. Когда мы начинаем работать с горячей водой, мы получаем отработанную тепловую энергию более высокого качества, и воду легче перемещать, чем воздух.

Центр обработки данных IBM в Цюрихской исследовательской лаборатории воспользовался преимуществами инноваций в области жидкостного охлаждения с прямым контактом, при котором горячая вода прокачивалась через медные микроканалы, прикрепленные к компьютерным чипам. Они обнаружили, что подаваемая вода с температурой 140°F поддерживает температуру чипа около 176°F, что безопасно ниже рекомендуемого максимума в 185°F. Охлаждение горячей водой привело к тому, что температура «возврата» после процесса составила 149˚F, что было достаточной тепловой энергией как для отопления здания, так и для охлаждения через абсорбционный охладитель, без необходимости повышения мощности со стороны тепловых насосов. Помимо обеспечения теплом соседней лаборатории, абсорбционный охладитель обеспечивал мощность охлаждения 49 кВт при температуре около 70˚F. Упрощенный обзор этого подхода показан на рисунке 1 ниже.

Рисунок 1. Упрощенная схема повторного использования энергии жидкостного охлаждения в центре обработки данных.

Примерно в то же время, когда в Швейцарии проводился эксперимент IBM по проверке концепции жидкостного охлаждения горячей водой, eBay экспериментировал с охлаждением теплой водой в Финиксе в рамках широко разрекламированного проекта Mercury Project. Проект «Меркурий» включал одну часть центра обработки данных, охлаждаемую контуром охлажденной воды, подключенным к чиллерам, а затем второй центр обработки данных, использующий возвратную воду конденсатора из первого центра обработки данных до температуры 87˚F для питания теплообменников задней двери, установленных в стойке. Очевидно, что температура превышала рекомендованную ASHRAE температуру воздуха на входе в сервер, но оставалась в пределах допустимого диапазона класса A2. Именно в рамках этой операции Дин Нельсон и его команда разработали метрику эффективности центра обработки данных, основанную на бизнес-задачах, которая связывает затраты центра обработки данных с транзакциями продаж клиентам, тем самым придавая форму этому иллюзорному переломному моменту между эффективностью и результативностью центра обработки данных. В данном случае «потребитель» был внутренним, а отходящее тепло использовалось не как источник тепловой энергии, а как источник охлаждения.

Фактически, модель проекта «Меркурий» предлагает концепцию тепловодного охлаждения с низким уровнем риска, которая может быть доступна для многих центров обработки данных без необходимости полного перехода на ту или иную форму жидкостного охлаждения с прямым контактом. Например, центры обработки данных, использующие теплообменники с задней дверью, могут работать при температуре подачи выше 65˚F, что легко превышает температуру обратки в контуре возвратной воды для комфортного охлаждения здания. Подключение к возвратной воде, по сути, представляет собой естественное охлаждение, а затем в то время года, когда кондиционер в здании может работать не постоянно (или вообще, мои друзья в Миннесоте), теплообменники задней двери могут питаться через теплообменник естественного охлаждения. экономайзер. Тот же принцип применим к жидкостному охлаждению с прямым контактом, которое должно практически свободно работать на любом объекте с любой значимой комфортной охлаждающей нагрузкой.

Совсем недавно IBM Zurich реализовала экспериментальную концепцию в серийном суперкомпьютере в Цюрихе (LRZ SuperMUC-NG) с параллельным проектом в Ок-Ридже, штат Теннесси. Бруно Мишель, менеджер по интеграции интеллектуальных систем в лабораториях Цюриха, утверждает, что производственный суперкомпьютер на самом деле является объектом с отрицательными выбросами, поскольку все ИКТ-оборудование питается от возобновляемых источников энергии, а отопление и охлаждение, производимые центром обработки данных, представляют собой предотвращение выбросов. Температурный профиль различных этапов процесса, показанного на рисунке 1, будет варьироваться в зависимости от ситуации и требований заказчика. Например, чтобы обеспечить охлаждение сети и оборудования хранения в теплую погоду, когда естественное охлаждение недоступно, а также для обеспечения полезной тепловой энергии для сетей централизованного теплоснабжения в прохладную погоду, центр обработки данных работает при температуре 149˚F. Для обеспечения подогрева пола для бытовых потребителей температура может упасть до 131˚F, а для поддержки естественного охлаждения в Ок-Ридже они будут работать при 113˚F. Абсорбционный охладитель по Фаренгейту работает с температурой привода 127˚F и подает охлажденную воду температурой 68˚F к охлаждающим устройствам, обслуживающим складское и сетевое оборудование, с общей холодопроизводительностью 608 кВт.

Проект IBM основан на революционных инновациях в снижении термического сопротивления, что позволяет повысить температуру воды в чипе, что приводит к фактическому повышению общей производительности чипа. Тем не менее, любое из различных решений жидкостного охлаждения с прямым контактом, доступных сегодня на рынке, может обеспечить значительную часть преимуществ охлаждения горячей водой. Все они делают свои собственные заявления о том, насколько горячей может быть «охлаждающая» вода для поддержания адекватной температуры чипа и даже улучшения производительности чипа по сравнению с традиционным воздушным охлаждением. Даже если эти температуры могут быть недостаточно высокими, чтобы напрямую заменить традиционные источники отопления (котлы и т. д.) или приводить в действие абсорбционные охладители, они все равно достаточно высоки, чтобы значительно снизить подъемную силу, необходимую для тепловых насосов, чтобы поднять это тепло до полезного уровня. Кроме того, при температурах жидкостного охлаждения не должно быть необходимости в охладителях или механическом охлаждении. В следующий раз мы рассмотрим некоторые компромиссные решения по инвестициям и эксплуатационным затратам, связанные с использованием преимуществ охлаждения горячей водой, а также некоторые более крупные социальные и инфраструктурные проблемы.