Andmekeskuse soojusenergia taaskasutus: kuuma veega jahutamine

Selles sarjas uurime erinevaid viise, kuidas andmekeskuste operaatorid püüavad olla vastutustundlikud maailmakodanikud, tagades samal ajal varade pikaajalise tasuvuse, vähendades oma süsiniku jalajälge IKT-seadmete toodetud soojusenergia kogumise ja taaskasutamise kaudu. Võtsin oma vestluse alustajaks 2011. aasta oktoobri MIT Technology Review Neil Savage'i artikkel "Kasvuhooneefekt: viis ideed andmekeskuste heitsoojuse taaskasutamiseks". Viis näidet, mida ta selles artiklis toob, esindavad tegelikult viit üldist strateegiat ja seetõttu leian, et need on kasulikud lähtepunktid järgneva üheksa aasta arengute uurimiseks. Ideed olid järgmised:

Notre Dame'i ülikooli andmekeskus küttis kasvuhoonet.

Syracuse ülikooli andmekeskus tootis ise elektrit ja kasutas suvel külgneva büroohoone konditsioneerimiseks liigset külma vett ja talvel selle soojendamiseks liigset kuuma vett.

IBM-i uurimistöö andmekeskus Zürichis kasutas sooja veega vedeljahutust ja kasutas külgneva labori soojendamiseks soojemat "tagasivoolu" vett.

Oak Ridge'i riiklik labor töötas välja mehhanismi, mis kinnitati mikroprotsessorile ja tootis elektrit.

Pariisis asuv Telecity andmekeskus andis soojust kliimamuutuste mõjude uurimiseks. 

Esimeses osas vaatlesime variatsioone Notre Dame'i ülikoolis andmekeskuste kuuma õhu kasutamises külgneva kasvuhoone säilitamiseks läbi nende Põhja-Indiana talvede. Kuigi käsitlesime mitut erinevat kuuma õhu taaskasutamise näidet, takistasid üldiselt madala kvaliteediga 80–95˚F õhu energia ja nõue, et rakendus asuks sisuliselt andmekeskuse kõrval, mõistlikuks takistuseks atraktiivsele ROI-le. Vaadates üle 80˚F heitõhu kasutamist UPS-i ruumist, et vähendada generaatoriploki küttekehade 100˚F sihtväärtust, otsustasime, et võiks olla hea näide sellest, et tõhusad õhuvoolu juhtimise tavad, mis võimaldavad andmekeskusel töötada lähemal ASHRAE soovitatav ülempiir tooks kaasa heitõhu, mis võib täielikult kaotada vajaduse generaatorploki küttekehade järele. See näide käsitles nii energiataseme kui ka naabruse takistusi. Muidu leidsime, et andmekeskuste tagasivooluõhust saadava soojusenergia kõige tõhusamad kasutused toimusid Põhja-Euroopa kohalikes kaugküttevõrkudes ja avastasime, et üle 10% Rootsi kütteenergiast pärineb andmekeskustest. Tegelikult kujutavad kohalikud küttepiirkonnad ühel või teisel kujul kasulikku mudelit tõhusaks andmekeskuste energia taaskasutamiseks, nagu näeme järgmistes aruteludes.

Andmekeskuse energia taaskasutamise teise kategooria jaoks mõtlesin välja „kontuuri koputamise”, kus jahutusveeahela toitepoolt saab kasutada täiendavaks jahutuseks ja tagasivoolu pooleks kas kütmiseks või jahutamiseks. Syracuse ülikooli näites Savage'i artiklist oli taaskasutamise esmaseks energiaallikaks turbiini heitgaasid, mis olid piisavalt kuumad, et käitada absorptsiooniga jahutit, et tagada hoone kliimaseade, mida kasutati andmekeskuse jahutamiseks, või piisavalt kuum, et minna. soojusvaheti kaudu hoone talviseks kütmiseks. Ajakohasem särav täht "silmuse koputamisel" on Westin-Amazoni projekt Seattle'is, mis hõlmas veidi lihtsamat inseneritööd, kuid palju rohkem loomingulisust üldises projektijuhtimises, nõudes koostööd erinevate valitsusasutuste, kommunaalettevõtete ja korporatsioonide vahel. kasulik omakasu. Sisuliselt esindavad Amazoni büroohooned Clise Propertiesi (hotelli Westin Carrier omanik) kohaliku küttepiirkonna „kliendi” vastet ning Clise Properties ja McKinstry Engineering moodustasid tunnustatud kommunaalettevõttena registreeritud üksuse. Amazon väldib umbes 80 miljoni kWh kütteenergiakulusid ja Clise Properties hoiab ära aurustustornide käitamise kulud ja sellest tuleneva veekadu. Kuigi Westin-Amazoni mudel on minu jaoks täiuslik kavand ahela andmekeskuse energia taaskasutamise projekti tõhusaks ärakasutamiseks, paljastas Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis tühistatud sarnase projekti läbivaatamine, kui keeruline on karjatada kõiki kasse. ettevõtmine, mida näeme taas sarja selles kolmandas osas.

Kolmanda kategooria andmekeskuse soojusenergia taaskasutus alates MIT Technology Review on kuuma vesijahutus, millest võib kasu olla kahest esimesest kategooriast, kuid see on eriti kasulik andmekeskuse vedelikjahutuse puhul (mis on meie tööstuses lõpuks saavutamas märkimisväärset mõju). Nagu eelnevalt mainitud, kui andmekeskuse heitõhku kasutatakse generaatorikäivitite hõlbustamiseks, tekitab sissepuhkeõhu tõstmine temperatuurilt 65˚F või 70˚F kuni 78–80˚F tagasivooluõhu temperatuuri, mis on piisavalt kõrge, et eemaldada plokisoojendid. Lisaks võib Westin-Amazoni projektis andmekeskuse hea õhuvoolu piiramine võimaldada andmekeskuse veevarustust soojusvahetisse piisavalt suurendada, et vähendada soojuse taaskasutamise jaama tõstmist 28%. Kummalgi juhul ei räägi me jahutamisest sooja või kuuma veega, kuid isegi nõela liigutamine võivad need väikesed sammud tuua märkimisväärset kasu. Kui hakkame töötama kuuma veega, saame kõrgema klassi heitsoojusenergiat ja vett on kergem liikuda kui õhku.

Zürichi uurimislabori IBM-i kontseptsioonitõenduse andmekeskus kasutas ära uuendusi otsekontaktiga vedelikjahutuses, mille käigus pumbati kuuma vett läbi arvutikiipide külge kinnitatud vaskmikrokanalite. Nad leidsid, et 140˚F toitevesi hoidis laastu temperatuuri umbes 176˚F, mis on ohutult alla soovitatud maksimumi 185˚F. See kuuma veega jahutamine andis protsessijärgseks tagasivoolutemperatuuriks 149˚F, mis oli piisav soojusenergia nii hoone kütmiseks kui ka jahutamiseks läbi absorptsioonjahuti, ilma et oleks vaja soojuspumpade tõuget. Lisaks külgneva labori kütmisele andis absorptsioonijahuti 49 kW jahutusvõimsust umbes 70˚F juures. Selle lähenemisviisi lihtsustatud ülevaade on näidatud alloleval joonisel 1.

Joonis 1: Andmekeskuse vedeljahutusenergia taaskasutamise lihtsustatud voog

Ligikaudu samal ajal, kui Šveitsis viidi ellu IBMi kontseptsiooni tõend kuuma veega vedeljahutuse katse, katsetas eBay Phoenixis sooja veega jahutamist palju reklaamitud Mercury projekti raames. Mercury projekt hõlmas ühte andmekeskuse osa, mida jahutati jahutitega ühendatud jahutusvee kontuuriga, ja seejärel teist andmekeskust, mis kasutas esimesest andmekeskusest kuni 87˚F kondensaatori tagasivoolu vett, et varustada racki külge kinnitatud tagaukse soojusvahetid. Ilmselgelt ületasid temperatuurid ASHRAE soovitatud serveri sisselaskeõhu temperatuuri, kuid jäid klassi A2 lubatud vahemikku. Just selle operatsiooni käigus tulid Dean Nelson ja tema meeskond välja äritegevusel põhineva andmekeskuse tõhususe mõõdiku, mis seob andmekeskuse kulud klientide müügitehingutega, andes seeläbi kuju andmekeskuse tõhususe ja tõhususe näilisele pöördepunktile. Antud juhul oli “klient” sisemine ja jääksoojust ei kasutatud soojusenergia, vaid jahutusallikana.

Project Mercury mudel pakub tegelikult nägemust madala riskiga sooja veega jahutusest, mis võiks olla saadaval paljudele andmekeskustele, ilma et peaks üle minema mingile otsekontaktiga vedelikjahutusele. Näiteks tagaukse soojusvahetid kasutavad andmekeskused võivad töötada 65˚F põhja pool asuva pealevoolutemperatuuriga, mis ületab kergesti hoone mugavusjahutuse tagasivooluveeahela tagasivoolu temperatuuri. Tagastusvee sisselaskmine on sisuliselt tasuta jahutus ja siis aastaajal, mil hoone vahelduvvoolu ei pruugi pidevalt töötada (või üldse, mu sõbrad Minnesotas), saab tagaukse soojusvahetiid varustada tasuta jahutava soojusvaheti kaudu. ökonomaiser. Sama põhimõte kehtib otsekontaktiga vedelikjahutuse kohta, mis peaks olema põhimõtteliselt vaba töötama igas rajatises mis tahes mõistliku suurusega mugava jahutuskoormusega.

Hiljuti on IBM Zurich tõlkinud kontseptsiooni tõestuseks täistootmise superarvutiks Zürichis (LRZ SuperMUC-NG) paralleelse projektiga Tennessee osariigis Oak Ridge'is. Bruno Michel, Zürichi laborite nutikate süsteemide integreerimise juht, väidab, et tootmissuperarvuti on tegelikult negatiivsete emissioonidega seade, kuna kõik IKT-seadmed töötavad taastuvenergial ning andmekeskuses toodetud küte ja jahutus kujutavad endast heitkoguste vältimist. Joonisel 1 kujutatud protsessi erinevate etappide temperatuuriprofiilid varieeruvad sõltuvalt kliendi olukorrast ja nõudmistest. Näiteks võrgu ja salvestusseadmete jahutamiseks soojema ilmaga, kui tasuta jahutus pole saadaval, ja kaugküttevõrkudele kasutatava soojusenergia tagamiseks jahedama ilmaga, töötab andmekeskus temperatuuril 149˚F. Koduklientidele põrandakütte pakkumiseks võib see langeda 131 °F-ni ja Oak Ridge'i tasuta jahutuse toetamiseks töötavad nad temperatuuril 113 °F. Fahrenheiti absorptsioonjahuti töötab 127 ˚F ajami temperatuuriga, et tarnida 68˚F jahutatud vett salvestus- ja võrguseadmeid teenindavatesse jahutusseadmetesse kogujahutusvõimsusega 608 kW.

IBM-i projekt sõltub läbimurdelisest uuendusest soojustakistuse vähendamisel, võimaldades seeläbi kiibil kõrgemat veetemperatuuri, mille tulemuseks on tegelik kiibi jõudluse üldine paranemine. Sellegipoolest võivad kõik praegu turul saadaolevad otsekontaktiga vedelikjahutuslahendused pakkuda märkimisväärse osa kuuma vesijahutuse eelistest. Nad kõik väidavad, kui kuum võib olla "jahutus" toitevesi, et säilitada piisavat laastu temperatuuri ja isegi parandada kiibi jõudlust võrreldes traditsioonilise õhkjahutusega. Isegi kui need temperatuurid ei pruugi olla piisavalt kõrged, et traditsioonilisi kütteallikaid (katlad jne) otse asendada või absorptsiooniga jahutit käitada, on need siiski piisavalt kõrged, et oluliselt vähendada soojuspumpade tõstejõudu, et tõsta soojust kasulikule tasemele. Veelgi enam, vedeljahutustemperatuuridel ei tohiks jahuteid ega mehaanilist jahutust vaja minna. Järgmisel korral vaatleme mõningaid investeeringute ja tegevuskulude kompromisse, mis on seotud kuuma vee jahutuse eeliste kogumisega ning mõningate suuremate ühiskondlike ja infrastruktuuriprobleemidega.