Reutilizarea energiei termice din centrul de date: Răcire cu apă caldă

În această serie, explorăm diferitele modalități prin care operatorii de centre de date încearcă să fie cetățeni globali responsabili, asigurând în același timp rentabilitatea pe termen lung a activelor prin reducerea amprentei lor de carbon prin captarea și reutilizarea energiei termice produse de echipamentele lor TIC. Am luat drept început de conversație un octombrie 2011 MIT Technology Review articol de Neil Savage, „Efectul de seră: cinci idei pentru reutilizarea căldurii reziduale ale centrelor de date”. Cele cinci exemple pe care le citează în acest articol reprezintă de fapt cinci strategii generale și, prin urmare, le consider un punct de plecare util pentru a explora evoluțiile din următorii nouă ani. Ideile au fost:

Centrul de date al Universității Notre Dame a încălzit o seră.

Un centru de date de la Universitatea Syracuse și-a produs propria energie electrică și a folosit excesul de apă rece pentru aer condiționat vara unei clădiri de birouri adiacente și excesul de apă caldă pentru a o încălzi în timpul iernii

Un centru de date de cercetare IBM din Zurich a folosit răcire lichidă cu apă caldă și a folosit apa mai caldă „retur” pentru încălzirea unui laborator adiacent.

Laboratorul Național Oak Ridge a dezvoltat un mecanism care s-a fixat pe un microprocesor și a produs electricitate.

Un centru de date Telecity din Paris a furnizat căldură pentru experimente de cercetare privind efectele schimbărilor climatice. 

În prima parte, am analizat variațiile cu privire la utilizarea de la Universitatea Notre Dame a aerului cald rezidual din centrul de date pentru a menține o seră adiacentă în acele ierni din nordul Indianei. Deși am acoperit mai multe exemple de cazuri diferite de reutilizare a aerului cald, în general, energia de grad scăzut a aerului de 80-95˚F și cerința ca aplicația să fie în esență adiacentă centrului de date au prezentat obstacole rezonabile în calea rentabilității investiției atractive. Analizând utilizarea aerului rezidual de 80°F dintr-o încăpere a UPS-ului pentru a reduce ridicarea țintei de 100°F a încălzitoarelor cu bloc generator, am stabilit că ar putea fi justificat faptul că practicile eficiente de gestionare a fluxului de aer care să permită unui centru de date să funcționeze mai aproape de limita superioară recomandată de ASHRAE ar avea ca rezultat aer rezidual care ar putea elimina cu totul nevoia de încălzitoare cu bloc generator. Acest exemplu a abordat atât obstacolele de grad energetic, cât și de adiacență. În caz contrar, am descoperit că cele mai eficiente utilizări ale energiei termice din aerul de retur din centrul de date au avut loc în rețelele locale de termoficare din nordul Europei și am descoperit că peste 10% din energia de încălzire a Suediei provine din centrele de date. De fapt, districtele locale de încălzire într-o formă sau alta reprezintă un model util pentru reutilizarea eficientă a energiei din centrul de date, așa cum vom vedea în discuțiile ulterioare.

Am inventat „atingerea buclei” pentru a doua categorie de reutilizare a energiei centrului de date, în care partea de alimentare a buclei de apă răcită putea fi accesată pentru răcire auxiliară, iar partea de retur poate fi folosită fie pentru încălzire, fie pentru răcire. În exemplul de la Universitatea din Syracuse din articolul lui Savage, sursa principală de energie pentru reutilizare a fost evacuarea turbinei, care era suficient de fierbinte pentru a conduce răcitoarele cu absorbție pentru a asigura aer condiționat clădirii, care a fost folosit pentru a răci centrul de date sau suficient de fierbinte pentru a merge. printr-un schimbător de căldură pentru încălzirea clădirii în timpul iernii. O stea strălucitoare mai actuală pentru „atingerea buclei” este proiectul Westin-Amazon din Seattle, care a implicat o inginerie puțin mai simplă, dar mult mai multă creativitate în managementul general al proiectelor, necesitând colaborarea între diferite agenții guvernamentale, utilități publice și corporații care se urmăresc reciproc. interes propriu benefic. În esență, clădirile de birouri Amazon reprezintă echivalentul unui „client” local de termoficare pentru Clise Properties (proprietarul hotelului Westin Carrier), iar Clise Properties și McKinstry Engineering au format o entitate înregistrată ca companie de utilități aprobată. Amazon va evita costul energiei de încălzire a aproximativ 80 de milioane de kW-ore, iar Clise Properties va evita cheltuielile de funcționare a turnurilor de evaporare și cheltuielile cu pierderea de apă rezultată. În timp ce modelul Westin-Amazon pentru mine reprezintă modelul perfect pentru un proiect eficient de reutilizare a energiei din centrul de date în bucle, o analiză a unui proiect similar anulat la Massachusetts Institute of Technology a dezvăluit complexitatea încercării de a aduna toate pisicile pentru astfel de un efort, pe care îl vom revedea în această a treia parte a seriei.

A treia categorie de reutilizare a energiei termice din centrul de date din MIT Technology Review este răcirea cu apă caldă, care poate beneficia de oricare dintre primele două categorii, dar este deosebit de benefică cu răcirea lichidă a centrului de date (care câștigă în sfârșit o anumită tracțiune semnificativă în industria noastră). După cum sa menționat anterior, dacă aerul rezidual din centrul de date este utilizat pentru a facilita pornirile generatoarelor, creșterea aerului de alimentare de la 65˚F sau 70˚F la 78-80˚F va produce o temperatură a aerului de retur suficient de mare pentru a elimina blocurile de încălzire. Mai mult, în proiectul Westin-Amazon, o bună execuție a reținerii fluxului de aer al centrului de date ar putea permite creșterea suficientă a aprovizionării cu apă a centrului de date către schimbătorul de căldură de utilități pentru a reduce ridicarea instalației de recuperare a căldurii cu 28%. În niciunul dintre aceste cazuri nu vorbim de răcire cu apă caldă sau fierbinte, dar chiar și mișcarea acului acești pași mici pot produce beneficii semnificative. Când începem să lucrăm cu apă caldă, obținem energie termică reziduală de calitate superioară, iar apa este mai ușor de mutat decât aerul.

Centrul de date IBM proof-of-concept de la Laboratorul de Cercetare din Zurich a profitat de inovațiile în răcirea lichidă prin contact direct prin care apa fierbinte era pompată prin microcanale de cupru atașate la cipurile computerului. Ei au descoperit că 140˚F de alimentare cu apă a menținut temperaturile așchiilor în jurul valorii de 176˚F, în siguranță sub maximul recomandat de 185˚F. Această răcire cu apă caldă a dus la o temperatură de „retur” post-proces de 149˚F, care a fost o energie termică de calitate adecvată atât pentru încălzirea clădirii, cât și pentru răcirea printr-un răcitor cu absorbție, fără a necesita un impuls de la pompele de căldură. Pe lângă faptul că furnizează căldură pentru un laborator adiacent, răcitorul de lichid cu absorbție a furnizat o capacitate de răcire de 49 kW la aproximativ 70 °F. O prezentare simplificată a acestei abordări este ilustrată în Figura 1 de mai jos.

Figura 1: Flux simplificat de reutilizare a energiei de răcire cu lichid a centrului de date

Aproximativ în aceeași perioadă în care experimentul IBM de testare a conceptului de răcire cu apă caldă lichidă era implementat în Elveția, eBay experimenta cu răcirea cu apă caldă în Phoenix, în proiectul Mercury bine mediatizat. Proiectul Mercury a implicat o parte a centrului de date răcită prin bucla de apă răcită conectată la chillere și apoi un al doilea centru de date folosind apa de retur a condensatorului de la primul centru de date până la 87˚F pentru a furniza schimbătoare de căldură montate pe ușile din spate. În mod evident, temperaturile au depășit temperaturile recomandate de ASHRAE la intrarea în server, dar au rămas în intervalul admisibil de Clasa A2. În cadrul acestei operațiuni, Dean Nelson și echipa sa au inventat o măsurătoare a eficienței centrului de date bazată pe misiuni de afaceri, care leagă costurile centrelor de date de tranzacțiile de vânzări ale clienților, dând astfel formă aceluia punct de răsturnare între eficiența și eficacitatea centrului de date. În acest caz, „clientul” era intern și căldura reziduală nu a fost folosită ca sursă de energie termică, ci ca sursă de răcire.

Modelul Project Mercury oferă, de fapt, o viziune pentru răcirea cu apă caldă cu risc scăzut, care ar putea fi disponibilă pentru multe centre de date fără a fi nevoie să treacă până la o formă de răcire lichidă cu contact direct. De exemplu, centrele de date care utilizează schimbătoare de căldură din ușa din spate pot funcționa cu temperaturi de alimentare la nord de 65˚F, ceea ce depășește cu ușurință temperatura de retur a unei bucle de apă de retur de răcire pentru confortul clădirii. Atingerea apei de retur este, în esență, răcire gratuită, iar apoi, în perioada anului, când AC clădirii ar putea să nu funcționeze continuu (sau deloc, prietenii mei din Minnesota), schimbătoarele de căldură din ușa din spate pot fi alimentate printr-un schimbător de căldură cu răcire gratuită. economizor. Același principiu se aplică răcirii lichide cu contact direct, care ar trebui să poată funcționa liber în orice unitate cu orice sarcină de răcire confortabilă de dimensiune semnificativă.

Mai recent, IBM Zurich a tradus dovada de concept într-un super computer de producție completă în Zurich (LRZ SuperMUC-NG), cu un proiect paralel în Oak Ridge, Tennessee. Bruno Michel, manager de integrare a sistemelor inteligente la laboratoarele din Zurich susține că supercalculatorul de producție este de fapt o instalație cu emisii negative, deoarece toate echipamentele TIC sunt alimentate cu energie regenerabilă, iar apoi încălzirea și răcirea produsă de centrul de date reprezintă evitarea emisiilor. Profilul de temperatură al diferitelor etape ale procesului din Figura 1 va varia în funcție de situația și cerințele clientului. De exemplu, pentru a asigura răcirea rețelei și a echipamentelor de stocare pe vreme mai caldă, când răcirea liberă nu este disponibilă și pentru a furniza energie termică utilizabilă rețelelor de termoficare pe vreme mai rece, centrul de date funcționează la 149˚F. Pentru a oferi încălzire prin pardoseală clienților rezidențiali, aceasta poate scădea la 131˚F și pentru a sprijini răcirea liberă la Oak Ridge, acestea vor funcționa la 113˚F. Răcitorul de răcire cu absorbție Fahrenheit funcționează cu o temperatură de antrenare de 127˚F pentru a furniza apă rece 68˚F către unitățile de răcire care deservesc echipamentele de stocare și de rețea, cu o capacitate totală de răcire de 608kW.

Proiectul IBM depinde de inovația revoluționară în reducerea rezistenței termice, permițând astfel o temperatură mai mare a apei la cip, rezultând o îmbunătățire reală a performanței cipului. Cu toate acestea, oricare dintre diferitele soluții de răcire cu lichid de contact direct disponibile astăzi pe piață poate oferi o parte semnificativă din beneficiile răcirii cu apă caldă. Toți își fac propriile afirmații cu privire la cât de fierbinte poate fi apa de alimentare „răcire” pentru a menține temperaturile adecvate a cipului și chiar pentru a îmbunătăți performanța cipului față de răcirea tradițională cu aer. Chiar și atunci când aceste temperaturi pot să nu fie suficient de ridicate pentru a înlocui direct sursele tradiționale de încălzire (cazane etc.) sau pentru a conduce răcitoarele cu absorbție, ele sunt totuși suficient de ridicate pentru a reduce drastic puterea necesară pompelor de căldură pentru a ridica căldura la un nivel util. În plus, la temperaturi de răcire cu lichid, nu ar trebui să fie nevoie de răcitoare sau răcire mecanică. Data viitoare ne vom uita la unele dintre compromisurile legate de investiții și costurile operaționale asociate cu exploatarea beneficiilor răcirii cu apă caldă și unele dintre provocările mai mari ale societății și ale infrastructurii.